JP3335447B2 - プラズマ移送アークにより部品を再装填する方法 - Google Patents
プラズマ移送アークにより部品を再装填する方法Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
- B23K9/044—Built-up welding on three-dimensional surfaces
- B23K9/046—Built-up welding on three-dimensional surfaces on surfaces of revolution
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- B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
- B23K10/02—Plasma welding
- B23K10/027—Welding for purposes other than joining, e.g. build-up welding
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ移送アーク(p
lasma transferred arc)法を用いて金属を溶着させるこ
とにより金属部品を再装填(recharge)する方法に関す
る。特に、本発明は、内燃機関の弁等の部品の再装填に
適する。
lasma transferred arc)法を用いて金属を溶着させるこ
とにより金属部品を再装填(recharge)する方法に関す
る。特に、本発明は、内燃機関の弁等の部品の再装填に
適する。
【０００２】
【従来技術】この再装填法は、基材上に、或る材料の比
較的厚いデポジットを形成し、溶着された材料固有の特
性を基材に付与することからなる。この方法によれば、
基材と溶着された材料との間に、溶接によって金属的な
結合が形成され、このことは、溶融状態のコーティング
材料を供給する間、基材の表面を溶融させるため、基材
を加熱することを必要とするものである。そのため、基
材には、デポジットの近傍に熱的に影響を受けたゾーン
が生じ、デポジット（溶着）された材料において基材の
希釈が生じる。この種の再装填作業は、タングステン不
活性ガス(TIGトーチ) 、金属不活性ガス(MIGトーチ）及
びプラズマ移送アーク(PTA) 等の電気アーク(electric
arc)を用いる装置だけでなく、酸素ーアセチレン(oxyac
etylene)トーチ等の従来の溶接装置を用いて行なうこと
ができる。これらの溶接装置には、粉末、ロッド又はワ
イヤの形態の充填材料が連続的又は不連続的に供給され
る。プラズマ移送アーク法を用いる場合、移送されたア
ークは、再装填材料及び基材をなす部品の表面の加熱要
素を構成するものである。処理すべき部品は、トーチの
カソードと比較して正の電位に高められ、次いで、トー
チと基材との間を電流によってプラズマジェットを全面
的に横断させ、再装填するゾーンを加熱し、局部的に溶
融させるのに必要なエネルギーを基材に送る。充填材料
は、液浴を形成するために、部品の表面上で溶かされ、
部品の変位の間、トーチの下に連続的に補充される。基
材の表面が溶融することで、溶接法で生じるのと同じ金
属的に結合ができる。
較的厚いデポジットを形成し、溶着された材料固有の特
性を基材に付与することからなる。この方法によれば、
基材と溶着された材料との間に、溶接によって金属的な
結合が形成され、このことは、溶融状態のコーティング
材料を供給する間、基材の表面を溶融させるため、基材
を加熱することを必要とするものである。そのため、基
材には、デポジットの近傍に熱的に影響を受けたゾーン
が生じ、デポジット（溶着）された材料において基材の
希釈が生じる。この種の再装填作業は、タングステン不
活性ガス(TIGトーチ) 、金属不活性ガス(MIGトーチ）及
びプラズマ移送アーク(PTA) 等の電気アーク(electric
arc)を用いる装置だけでなく、酸素ーアセチレン(oxyac
etylene)トーチ等の従来の溶接装置を用いて行なうこと
ができる。これらの溶接装置には、粉末、ロッド又はワ
イヤの形態の充填材料が連続的又は不連続的に供給され
る。プラズマ移送アーク法を用いる場合、移送されたア
ークは、再装填材料及び基材をなす部品の表面の加熱要
素を構成するものである。処理すべき部品は、トーチの
カソードと比較して正の電位に高められ、次いで、トー
チと基材との間を電流によってプラズマジェットを全面
的に横断させ、再装填するゾーンを加熱し、局部的に溶
融させるのに必要なエネルギーを基材に送る。充填材料
は、液浴を形成するために、部品の表面上で溶かされ、
部品の変位の間、トーチの下に連続的に補充される。基
材の表面が溶融することで、溶接法で生じるのと同じ金
属的に結合ができる。
【０００３】ノズルが2.5 〜4.5mm の直径を有する現在
使用されている従来型の装置を用い、部品をトーチに対
して0.08〜1.10 m／min の間のトーチ対部品の相対速度
で移動させ、ノズルにおいて5 〜12 A／mm2 の平均電流
密度を用いることにより、材料を溶接ビードの形態でデ
ポジットさせる。斯かるエネルギーレベルを用いると、
弁等の小さな部品の場合には、加熱により部品の特性が
変化するのを避けるため、溶着の間、部品を冷却するこ
とが必要である。この冷却は、通常、水の循環によって
内側から冷却された支持体に部品を置くことにより行な
われる。これらの方法により、丸くなった輪郭、即ち溶
着材料の余剰の厚さを有し、例えば8 〜12％の比較的高
い平均希釈率を有する溶接ビードを得ることが、一般的
に可能である。
使用されている従来型の装置を用い、部品をトーチに対
して0.08〜1.10 m／min の間のトーチ対部品の相対速度
で移動させ、ノズルにおいて5 〜12 A／mm2 の平均電流
密度を用いることにより、材料を溶接ビードの形態でデ
ポジットさせる。斯かるエネルギーレベルを用いると、
弁等の小さな部品の場合には、加熱により部品の特性が
変化するのを避けるため、溶着の間、部品を冷却するこ
とが必要である。この冷却は、通常、水の循環によって
内側から冷却された支持体に部品を置くことにより行な
われる。これらの方法により、丸くなった輪郭、即ち溶
着材料の余剰の厚さを有し、例えば8 〜12％の比較的高
い平均希釈率を有する溶接ビードを得ることが、一般的
に可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする技術的課題】本発明は、プラ
ズマ移送アーク法を用いた再装填方法に関するものであ
り、この方法は、デポジットした余剰の厚さを抑え、デ
ポジットの間の部品の冷却を回避し、希釈率を制限する
ことを可能にするものである。
ズマ移送アーク法を用いた再装填方法に関するものであ
り、この方法は、デポジットした余剰の厚さを抑え、デ
ポジットの間の部品の冷却を回避し、希釈率を制限する
ことを可能にするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、プラズ
マ移送アークによって材料をデポジットさせることによ
り金属部品を再装填する方法であって、プラズマを、部
品に対して1.5 〜50 m/minの速度で移動させ、再装填の
間に部品を冷却することなしに、部品の表面を最大で0.
5mm に等しい厚さにわたって溶融し、溶融した領域にお
ける粒子の拡大が10％を越えないようなプラズマ出力を
用いることにより、プラズマ移送アークのみによって、
再装填する部品上に、少なくとも一つの溶接ビードを溶
着させることからなる方法が提供される。この方法で
は、非常に高速性のプラズマに関する部品の相対変位の
使用が、熱的に影響を受けるゾーンを限定することによ
るより良い使用を可能にし、それにより、熱的に影響を
受けたゾーンにおける粒子の拡大を回避することができ
るとともに、加熱作用のエネルギーは、再装填の間に部
品を冷却する必要なしに、容易に散逸される。本発明に
よれば、部品に対するプラズマの移動つまり変位速度ｖ
は、部品を構成する材料の性質、再装填作業の間の溶融
部の厚さｐ、及び部品上のプラズマスポットの直径ｄの
関数として選択される。この速度ｖは、 式: ｖ= （d ／5 p2） x（λ／ρCp）に相当する。 ここに、d は、プラズマスポットの直径、p は、部品に
おける溶融部の厚さ、ρは、部品の材料の密度、λは、
前記材料の熱伝導率、Cpは、前記材料の比熱である。
マ移送アークによって材料をデポジットさせることによ
り金属部品を再装填する方法であって、プラズマを、部
品に対して1.5 〜50 m/minの速度で移動させ、再装填の
間に部品を冷却することなしに、部品の表面を最大で0.
5mm に等しい厚さにわたって溶融し、溶融した領域にお
ける粒子の拡大が10％を越えないようなプラズマ出力を
用いることにより、プラズマ移送アークのみによって、
再装填する部品上に、少なくとも一つの溶接ビードを溶
着させることからなる方法が提供される。この方法で
は、非常に高速性のプラズマに関する部品の相対変位の
使用が、熱的に影響を受けるゾーンを限定することによ
るより良い使用を可能にし、それにより、熱的に影響を
受けたゾーンにおける粒子の拡大を回避することができ
るとともに、加熱作用のエネルギーは、再装填の間に部
品を冷却する必要なしに、容易に散逸される。本発明に
よれば、部品に対するプラズマの移動つまり変位速度ｖ
は、部品を構成する材料の性質、再装填作業の間の溶融
部の厚さｐ、及び部品上のプラズマスポットの直径ｄの
関数として選択される。この速度ｖは、 式: ｖ= （d ／5 p2） x（λ／ρCp）に相当する。 ここに、d は、プラズマスポットの直径、p は、部品に
おける溶融部の厚さ、ρは、部品の材料の密度、λは、
前記材料の熱伝導率、Cpは、前記材料の比熱である。
【０００６】溶融部の厚さが0.5mm を越えないために
は、この速度は、1.5 〜50 m/minの範囲でなければなら
ない。この方法では、プラズマの出力も、溶融部の厚さ
が0.5mm を越えないよう、また、粒子の著しい増大が生
じないように選択される。このことは、次の関係: (UI ／vd) ≧ 107 W・ s ・ ｍ-2 を満たすような出力レベルを用いることで達成すること
ができる。ここに、U は、プラズマトーチに印加される
電圧（ボルト）であり、I は、電流の強度（アンペア）
であり、ｖは、トーチ対部品の相対速度(m／秒）であ
り、d は、プラズマスポットの直径(m) である。所望の
巾を有するデポジットを部品上に形成するため、一般
に、再装填すべき部品上には、部分的に重複したビード
を有する数個の並列になった溶接ビードが溶着され、よ
り頻繁には、部分的に重複した巻筋を有する螺旋状ビー
ドが溶着される。この場合、ビードつまり巻筋は、2mm
未満の巾を有するのが一般的である。
は、この速度は、1.5 〜50 m/minの範囲でなければなら
ない。この方法では、プラズマの出力も、溶融部の厚さ
が0.5mm を越えないよう、また、粒子の著しい増大が生
じないように選択される。このことは、次の関係: (UI ／vd) ≧ 107 W・ s ・ ｍ-2 を満たすような出力レベルを用いることで達成すること
ができる。ここに、U は、プラズマトーチに印加される
電圧（ボルト）であり、I は、電流の強度（アンペア）
であり、ｖは、トーチ対部品の相対速度(m／秒）であ
り、d は、プラズマスポットの直径(m) である。所望の
巾を有するデポジットを部品上に形成するため、一般
に、再装填すべき部品上には、部分的に重複したビード
を有する数個の並列になった溶接ビードが溶着され、よ
り頻繁には、部分的に重複した巻筋を有する螺旋状ビー
ドが溶着される。この場合、ビードつまり巻筋は、2mm
未満の巾を有するのが一般的である。
【０００７】これらの非常に薄いビードつまり巻筋を形
成するため、プラズマのエネルギーは、非常に小さい直
径の領域に集中され、このことにより、部品に対するプ
ラズマの比較的高い変位速度を用いることで、部品の表
面とコーティング材料の溶融を容易に生じさせることが
できる。したがって、部品の表面に供給されたエネルギ
ーは、部品によって容易に散逸される。更に、デポジッ
トが、並列になった巻筋つまりビードの形態であるた
め、デポジットの過剰の厚さが制限され、コーティング
材料を節約できる。直径が 2mm未満のノズルで電気アー
クを非常に著しく局限することが、非常に高いエネルギ
ー密度(30 Ａ／mm2 以上) をもたらし、このことが、3.
5m／min を越えるトーチ対部品の相対速度を達成し、0.
5mm を越えない熱的に影響を受けたゾーン及び非常に細
かいデポジット構造のレベルで優れた金属的特性を得る
ことを可能にしている。本発明を、限定するものでない
実施態様に関して添付図面を参照して、以下、より詳細
に説明する。
成するため、プラズマのエネルギーは、非常に小さい直
径の領域に集中され、このことにより、部品に対するプ
ラズマの比較的高い変位速度を用いることで、部品の表
面とコーティング材料の溶融を容易に生じさせることが
できる。したがって、部品の表面に供給されたエネルギ
ーは、部品によって容易に散逸される。更に、デポジッ
トが、並列になった巻筋つまりビードの形態であるた
め、デポジットの過剰の厚さが制限され、コーティング
材料を節約できる。直径が 2mm未満のノズルで電気アー
クを非常に著しく局限することが、非常に高いエネルギ
ー密度(30 Ａ／mm2 以上) をもたらし、このことが、3.
5m／min を越えるトーチ対部品の相対速度を達成し、0.
5mm を越えない熱的に影響を受けたゾーン及び非常に細
かいデポジット構造のレベルで優れた金属的特性を得る
ことを可能にしている。本発明を、限定するものでない
実施態様に関して添付図面を参照して、以下、より詳細
に説明する。
【０００８】
【実施例】図１は、再装填されるべき部品１、該部品の
支持体３及び再装填に用いるプラズマトーチ５を組み込
んだ再装填装置を、非常に模式的に示している。この従
来例では、部品１は、34mmの直径を有するエンジン用の
弁により構成されており、この弁は円周溝１ａを有し、
円周溝１ａに、一般的にコバルトをベースとするデポジ
ット金属により形成されるコーティング材７がデポジッ
トされる。このコーティング作業を行なうため、プラズ
マ移送アーク式のトーチ５が用いられ、溶着（デポジッ
ト）の条件は以下の通りである。 ノズルの直径: ３mm 電流の強さ: 120Ａ 電圧: 30Ｖ 支持体３の回転速度: 10r.p.m. トーチと部品との相対速度: 1.06m/min デポジット重量: １つの弁について７ｇ デポジット時間: １つの弁について15秒 このデポジットを行なうため、弁１は、支持体３上で回
転され、この支持体は、溝１ａに丸い溶接ビード７をデ
ポジットさせるため、水の循環によって内部が冷却され
ている。プラズマによって部品１の表面に供給されるエ
ネルギーにより、ビード７は非常に強く加熱され、また
部品１は支持体３により冷やされる。
支持体３及び再装填に用いるプラズマトーチ５を組み込
んだ再装填装置を、非常に模式的に示している。この従
来例では、部品１は、34mmの直径を有するエンジン用の
弁により構成されており、この弁は円周溝１ａを有し、
円周溝１ａに、一般的にコバルトをベースとするデポジ
ット金属により形成されるコーティング材７がデポジッ
トされる。このコーティング作業を行なうため、プラズ
マ移送アーク式のトーチ５が用いられ、溶着（デポジッ
ト）の条件は以下の通りである。 ノズルの直径: ３mm 電流の強さ: 120Ａ 電圧: 30Ｖ 支持体３の回転速度: 10r.p.m. トーチと部品との相対速度: 1.06m/min デポジット重量: １つの弁について７ｇ デポジット時間: １つの弁について15秒 このデポジットを行なうため、弁１は、支持体３上で回
転され、この支持体は、溝１ａに丸い溶接ビード７をデ
ポジットさせるため、水の循環によって内部が冷却され
ている。プラズマによって部品１の表面に供給されるエ
ネルギーにより、ビード７は非常に強く加熱され、また
部品１は支持体３により冷やされる。
【０００９】図２は、得られた溶接ビードの形状を示し
ている。溶接ビード７は、デポジットに要求される厚さ
ｅと比較して、中央部の厚さがかなり大きくなっている
ことが分る。図１は、再装填材料でコーティングする表
面は、溶接ビードの形状を考慮し、充填材料を溶融の形
状に保つため、デポジット作業の前に機械加工によって
形成しなければならない特殊な輪郭を有していることも
示している。図３は、本発明による方法を用いた再充填
装置を示している。図３において、弁１は、冷却テーブ
ル３上に置くことなしに、適当な装置によって回転され
る。また、弁１は、材料をコーティングする表面１ａを
有している。図３では、部分的に重複した巻筋(turns)
を有する螺旋ビードを形成するようにプラズマトーチ５
を動かすことにより、コイルつまり巻筋７ａ、７ｂ、７
ｃの形に形成され、その作業条件は以下のとおりであ
る。 ノズルの直径: 1.5mm スポットの直径: 2.3mm 電流の強さ(I): 60Ａ 電圧(U): 30Ｖ 回転速度: 33r.p.m. トーチ対部品の相対速度(v): 3.52m/min 弁へのデポジット重量: ２ｇ デポジット時間: １つの弁について９秒 得られたデポジットは、図４に示す輪郭を有している。
図４から分かるように、螺旋状溶接ビードを形成するこ
とにより、所望の厚さｅと比較して、デポジットした材
料の余剰の厚さを、著しく、例えば0.1mm に抑えるるこ
とが可能であり、斯くして、材料を節約し、それに伴う
機械加工作業を経済的にすることができる。
ている。溶接ビード７は、デポジットに要求される厚さ
ｅと比較して、中央部の厚さがかなり大きくなっている
ことが分る。図１は、再装填材料でコーティングする表
面は、溶接ビードの形状を考慮し、充填材料を溶融の形
状に保つため、デポジット作業の前に機械加工によって
形成しなければならない特殊な輪郭を有していることも
示している。図３は、本発明による方法を用いた再充填
装置を示している。図３において、弁１は、冷却テーブ
ル３上に置くことなしに、適当な装置によって回転され
る。また、弁１は、材料をコーティングする表面１ａを
有している。図３では、部分的に重複した巻筋(turns)
を有する螺旋ビードを形成するようにプラズマトーチ５
を動かすことにより、コイルつまり巻筋７ａ、７ｂ、７
ｃの形に形成され、その作業条件は以下のとおりであ
る。 ノズルの直径: 1.5mm スポットの直径: 2.3mm 電流の強さ(I): 60Ａ 電圧(U): 30Ｖ 回転速度: 33r.p.m. トーチ対部品の相対速度(v): 3.52m/min 弁へのデポジット重量: ２ｇ デポジット時間: １つの弁について９秒 得られたデポジットは、図４に示す輪郭を有している。
図４から分かるように、螺旋状溶接ビードを形成するこ
とにより、所望の厚さｅと比較して、デポジットした材
料の余剰の厚さを、著しく、例えば0.1mm に抑えるるこ
とが可能であり、斯くして、材料を節約し、それに伴う
機械加工作業を経済的にすることができる。
【００１０】更に、図５から理解されるように、部品ｐ
における溶融ゾーンの厚さは0.17mmであり、熱的に影響
を受けたゾーンＺにおける粒子(grain) の拡大は10％を
越えない。図６は、比較の目的で、従来技術のプラズマ
トーチを用いて得られた部品の構造を示しており、この
場合には、熱的に影響を受けたゾーンＺにおける粒子の
拡大が、はるかに大きいことが分る。上記の実施例で
は、プラズマの電力(UI)は1800Ｗであり、 UI/vd比は、
1.349x10-7 Ws/m2に等しい。
における溶融ゾーンの厚さは0.17mmであり、熱的に影響
を受けたゾーンＺにおける粒子(grain) の拡大は10％を
越えない。図６は、比較の目的で、従来技術のプラズマ
トーチを用いて得られた部品の構造を示しており、この
場合には、熱的に影響を受けたゾーンＺにおける粒子の
拡大が、はるかに大きいことが分る。上記の実施例で
は、プラズマの電力(UI)は1800Ｗであり、 UI/vd比は、
1.349x10-7 Ws/m2に等しい。
【図１】先行技術による弁の再装填装置の模式的に示す
図。
図。
【図２】図１で得られたデポジットの形状を示す図。
【図３】本発明による再装填装置を示す図。
【図４】図３の装置を用いて得られたデポジットの形状
を示す図。
を示す図。
【図５】本発明の方法によりコーティングされた部品で
の熱的に影響を受けたゾーンの構造を示す顕微鏡写真。
の熱的に影響を受けたゾーンの構造を示す顕微鏡写真。
【図６】従来技術の方法によりコーティングされた部品
での熱的に影響を受けたゾーンの構造を示す顕微鏡写
真。
での熱的に影響を受けたゾーンの構造を示す顕微鏡写
真。
１ 部品 １ａ 材料でコーティングする面 ５ プラズマ移送アーク ７ａ、７ｂ、７ｃ 溶接ビード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 神崎 孝之 (56)参考文献 特開 平４−147769（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−169487（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−23574（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−54134（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 10/02 B23K 10/00
Claims (4)
- 【請求項１】 プラズマ移送アークによって材料を溶着
させることによる金属部品の再装填方法であって、プラ
ズマを、部品に対して1.5 〜50メートル／分の速度で変
位させ、再装填の間に部品を冷却することなしに、部品
の表面を最大で0.5mm に等しい厚さにわたって溶かし、
この溶融した領域で粒子の拡大が10％を越えないような
プラズマ出力を用いることにより、プラズマ移送アーク
（５）のみによって、再装填すべき部品（１）上に、前
記材料の少なくとも一つの溶接ビード（７ａ、７ｂ、７
ｃ）をデポジットさせることからなる、ことを特徴とす
る方法。 - 【請求項２】 部品上に所望の巾を有するデポジットを
形成するため、再装填すベき部品上に、ビードが部分的
に重複した数個の並列になった溶接ビード又は巻筋が部
分的に重複した螺旋状ビードを溶着する、ことを特徴と
する請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 部品が弁であり、各溶接ビードつまり各
巻筋が 2mm未満の巾を有する、ことを特徴とする請求項
２記載の方法。 - 【請求項４】 プラズマの出力が、次の関係: (UI/vd) ≧ 107 W・ s・ m-2 を満たし、ここで、U は、プラズマトーチに印加される
電圧（ボルト）、I は、電流の強度（アンペア）、v
は、トーチ−部品の相対速度(m／秒）、d は、スポット
の直径(m) である、ことを特徴とする請求項１〜３の何
れか一つに記載の方法。
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