JP5535280B2 - 溶接用チップの強化方法及び溶接用チップ - Google Patents
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Description
本発明は溶接用チップの強化方法，及び前記方法で強化された溶接用チップに関し，より詳細には，アーク溶接において電極ワイヤとの通電点を形成するコンタクトチップ，及びプラズマ溶接において電極棒の外周を包囲すると共にプラズマを噴射するノズルチップ（本明細書においてこれらを総称して「溶接用チップ」という。）の強化方法，及び前記方法で強化された溶接用チップに関する。
自動車製造等における溶接ラインで採用する溶接方法としては，生産スピードの要求から，従来，スポット溶接やシーム溶接等の抵抗溶接が主流であった。
しかし，近年の低燃費に対する要求から，車重等を軽量化するために溶接部の強度向上が求められるようになっており，この点で抵抗溶接に対し優れているアーク溶接やプラズマ溶接が採用されるようになっている。
また，近年の電力供給不足等の事情も，抵抗溶接に比較してより消費電力の低いアーク溶接やプラズマ溶接への移行が検討される理由の１つとなっている。
しかし，アーク溶接やプラズマ溶接は，抵抗溶接よりも作業時間を必要とするために生産性が低下する。そのため，抵抗溶接に代わりこれらの溶接方法を採用するためには，溶接スピードの向上が求められる。
ここで，アーク溶接の一例として，電極棒が溶加材となる消耗式の溶接方法であるＭＩＧ溶接を例に挙げて説明すると，このＭＩＧ溶接に使用するトーチの先端部分には，図２に示すように，イナートガスが導入されるガスノズル４が設けられていると共に，このガスノズル４内に溶接用チップであるコンタクトチップ１（１１）が同心状に配置され，このコンタクトチップ１１内に，溶加材である電極棒５を接触状態で挿入し，電極棒５に対する通電を可能とすると共に，コンタクトチップ１１の外周とガスノズル４の内周間にイナートガスの流路が形成されるようになっており，コンタクトチップ１１に挿入された電極棒５と被溶接物Ｗとの間に生じるアークの熱で電極棒５を溶かしながら送り出すことで，連続した溶接を行うことができるようになっている。
また，プラズマ溶接に使用されるトーチの先端部には，図３に示すようにタングステン棒等の電極棒６と，この電極棒の外周に配置されたノズルチップ１２，及び，前記ノズルチップ１２の外周を覆うシールドリング７が設けられており，電極棒６とノズルチップ１２間に発生させたアーク（非移行アーク）又は電極棒６と被溶接物Ｗ間に発生されたアーク（移行アーク）により，電極棒６の外周とノズルチップ１２の内周間に導入したプラズマ用ガスをアークの熱で膨張させてノズルチップ１２の先端に設けたノズル孔１２１より高速で噴射するものとなっており，ノズルチップ１２の外周とシールドリング７の内周間にはシールドガスを流し，プラズマジェットの広がりを制御する。
以上のように構成された溶接用チップ１（１１，１２）にあっては，その構造上，いずれも高温下で電極棒５との摺接，乃至はプラズマとの接触が行われることで摩耗や損耗が生じると共に，スパッタリングによる付着物の付着などによって，比較的短時間で寿命を迎えるため交換が必要となる。
特に前述した抵抗溶接に代えてこれらの溶接を行うために生産速度を早めた場合，溶接チップ１（１１，１２）はより短時間で交換が必要となる。
そのため，自動車生産等において溶接ラインは一般に高価なロボットを導入して無人化による生産性の向上が図られているが，溶接チップ１（１１，１２）を交換するために，例えば１時間毎等といったように定期的かつ頻繁に溶接ラインを停止して，人手による交換作業が必要となっており，このような交換作業の必要性が生産性を大幅に低下させる原因となっている。
しかも，交換する溶接チップ１（１１，１２）はいずれも高い電気伝導性を有することが要求されるため，材質として銅，クローム銅等の銅合金，セラミック分散銅等が使用されるが，いずれの溶接チップ共に高価であり，交換頻度を減らすことができれば製造コストの低下にも繋がる。
ここで，セラミック分散銅は，クローム銅に比較して耐摩耗性等に優れるため，これを使用することにより交換頻度の減少を図ることができるが，セラミック分散銅はクローム銅の１．２〜２倍と高価であり，価格差に見合った効果が得られない。
そのため，比較的簡単かつ低コストで，溶接チップの寿命を大幅に改善することが望まれている。
このような溶接用チップの耐摩耗性等を改善する目的で，本願の発明者は，非鉄金属で成るノズルチップの表面にノズルチップの硬度と同等以上の硬度を有する粒径４０〜３００μmの硬質ショットを噴射速度１００m/sec以上で噴射してノズルチップの表面付近の温度を再結晶温度以上に上昇させ，ノズルチップの表面の金属組織を回復，再結晶の過程で微細化させ，電気伝導度の向上と表面硬度を向上させたノズルチップを既に提案している（特許文献１）。
また，溶接用チップに関する処理技術では無いが，切削工具，金属成型用金型，歯車，シャフト等の摺動部の表面を強化し，耐摩耗性の向上や表面の高硬度化を図るために，本願の発明者は，表面に酸化膜が形成された平均粒径１０〜１００μmのスズの粉体を，噴射圧力０．５MPa以上又は噴射速度２００m/sec以上で被処理製品に噴射することにより，被処理製品の表面に酸化スズの被膜を１μm以下の厚みで形成することも既に提案している（特許文献２）。
以上で説明したように，ノズルチップの表面にノズルチップと同等以上の硬度を有する所定粒径のショットを所定の噴射速度で噴射することで表面硬度が上昇し，これによりノズルチップの耐摩耗性の向上が得られることは前掲の特許文献１に記載されている。
しかし，前述した特許文献１に記載されている処理によって得られる溶接用チップの硬度上昇にも一定の頭打ちがあり，特許文献１に記載されている処理だけでは溶接用チップの寿命向上にも限界があった。
そのため，溶接用チップの寿命の更なる向上により溶接用チップの交換回数を減少させることで，溶接ラインの停止回数を減少させ生産性をより一層向上させることが要望されている。
本発明は，前述した特許文献１に記載の発明の延長上にあるものであり，上記市場における長寿命化の要望に応え，前述した特許文献１に記載の方法で処理された溶接用チップに対し，更に耐摩耗性や耐摩滅性が向上した，従って長寿命の溶接用チップを比較的簡単な方法により，且つ，安価に提供することを目的とする。
なお，前掲の特許文献２として紹介したように，本発明の発明者は，酸化スズの被膜が形成された所定粒径のスズの粉体を，所定の噴射条件で被処理製品の摺動部に噴射することで，摺動部の表面に硬質材料である酸化スズの被膜を形成することで耐摩耗性の向上を得る方法についても既に提案している。
そのため，特許文献１に記載の方法による表面強化を行った後，更に，特許文献２に記載の方法により酸化スズ被膜の形成を行った場合には，両発明の相乗効果によって，更なる表面硬度の向上が得られることが予測される。
しかし，前掲の特許文献２に記載の方法によって摺動部表面に形成される被膜の材質は，酸化スズという「半導体」であり，溶接用チップの母材である銅等の導電体に対し室温（２５℃）程度の温度では電気抵抗が極めて高い物質である。
そのため，溶接用チップの内周面のように，高い電気伝導率が必要とされる部分に対してこのような酸化スズの被膜を形成すれば，必要とされる特性が失われることが予測され，溶接用チップの内周面等の導電性が要求される部分に対し，前掲の特許文献２に記載の発明は，これを適用することができない事情（阻害要因）がある。
なお，酸化スズにアンチモン等のドーパントを添加したアンチモンドープ酸化スズはディスプレイパネルの透明電極として用いられている等，良好な導電性を発揮する物質であることから，溶接用チップの内周面の導電性を犠牲とすること無く酸化スズの被膜でコーティングしようとした場合，アンチモンドープ酸化スズで被膜を形成することも考えられる。
しかし，高価なアンチモンドープ酸化スズを使用して被膜を形成すれば，得られる溶接チップも高価となるために市場における価格競争力を失うおそれがあり，また，アンチモンは環境負荷の大きな物質であるため，可能な限り使用を控えることが好ましい。
上記の点に鑑み，本発明の発明者は，前述の事情（阻害要因）にも拘わらずこれに反し，溶接用チップの内周面に硬質ショットの噴射を行った後，不純物を添加することなく酸化スズ被膜を形成することを試みた。
その結果，硬質ショットの噴射によって表面硬度が一旦上昇した後，更に，酸化スズの被膜を形成しても，表面硬度はそれ以上上昇することが無く，上記二発明の組合せによる相乗効果として期待された表面硬度の更なる上昇という，機械的な特性の向上は得られなかった。
一方，このような処理がされた溶接用チップの内周面は，原因は不明であるがドーピングを行っていない半導体被膜の形成によっても必要な導電性を有しており溶接用チップとしての使用に耐え得ただけでなく，このような処理が施された溶接用チップでは，硬度の上昇という機械的特性の向上が得られていないにも拘わらず，摩耗や損耗の減少が生じると共に，溶接不良の発生が激減するという，前掲の従来技術の組合せからは予測し得ない特性の向上が得られるものとなっていた。
以下に課題を解決するための手段を，発明を実施するための形態で使用する符号と共に記載する。この符号は，特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするためのものであり，言うまでもなく，本願発明の技術的範囲の解釈に制限的に用いられるものではない。
以上で説明したように，本発明は，前述した２種類の処理を組み合わせによって，半導体被膜が形成されるものでありながら導電性を失うことなく，しかも，硬度の上昇が見られないにも拘わらず耐摩耗性等の向上が見られるという，予測出来ない効果が得られることに鑑み成されたものであり，
本発明の溶接用チップの強化方法は，銅，銅合金，又はセラミック分散銅のうちのいずれかの材質によって形成された溶接用チップ１（１１，１２）の少なくとも内周面に，該溶接用チップ１（１１，１２）の材質と同等以上の硬度を有する平均粒径４０〜１５０μmの金属粉体ショットを噴射速度１００m/sec以上で噴射して行う表面強化層形成工程，
前記表面強化層形成工程により形成された表面強化層２上に，更に水アトマイズ法により製造されて表面に酸化スズ被膜が形成された平均粒径１０〜１００μmのスズ粉体を噴射速度２００m/sec以上で噴射して，前記表面強化層２上に酸化スズの半導体被膜３を形成する半導体被膜形成工程，を含むことを特徴とする（請求項１）。
本発明の溶接用チップの強化方法は，銅，銅合金，又はセラミック分散銅のうちのいずれかの材質によって形成された溶接用チップ１（１１，１２）の少なくとも内周面に，該溶接用チップ１（１１，１２）の材質と同等以上の硬度を有する平均粒径４０〜１５０μmの金属粉体ショットを噴射速度１００m/sec以上で噴射して行う表面強化層形成工程，
前記表面強化層形成工程により形成された表面強化層２上に，更に水アトマイズ法により製造されて表面に酸化スズ被膜が形成された平均粒径１０〜１００μmのスズ粉体を噴射速度２００m/sec以上で噴射して，前記表面強化層２上に酸化スズの半導体被膜３を形成する半導体被膜形成工程，を含むことを特徴とする（請求項１）。
前述の強化方法において，前記溶接用チップ１としてイナートガスアーク溶接又は炭酸ガスアーク溶接用トーチ先端に設けたコンタクトチップ１１を処理対象とすることができる（請求項２）。
又は，前記強化方法において，前記溶接用チップ１としてプラズマ溶接用トーチの先端に設けたノズルチップ１２を処理対象とすることもできる（請求項３）。
なお，前述した強化方法の前記表面強化層形成工程において，前記金属粉体ショットの成分を前記内周面に拡散浸透させることによる成分強化と，前記内周面の表面付近の金属組織の微細化による高硬度化，及び，前記金属粉体ショットの衝突による塑性変形に伴う圧縮応力の付与により，前記表面強化層２を形成するものとしても良い（請求項４）。
また，本発明の溶接用チップ１（１１，１２）は，銅，銅合金，又はセラミック分散銅のうちのいずれかの材質によって形成された溶接用チップ１（１１，１２）の少なくとも内周面に，該溶接用チップ１（１１，１２）の材質と同等以上の硬度を有する平均粒径４０〜１５０μmの金属粉体ショットを噴射速度１００m/sec以上で噴射して形成された表面強化層２を設け，
前記表面強化層２上に，水アトマイズ法により製造されて表面に酸化スズ被膜が形成された平均粒径１０〜１００μmのスズ粉体を噴射速度２００m/sec以上で噴射することにより形成された，酸化スズの半導体被膜３を設けたことを特徴とする（請求項５）。
前記表面強化層２上に，水アトマイズ法により製造されて表面に酸化スズ被膜が形成された平均粒径１０〜１００μmのスズ粉体を噴射速度２００m/sec以上で噴射することにより形成された，酸化スズの半導体被膜３を設けたことを特徴とする（請求項５）。
前述の溶接用チップ１は，電極の外周面と摺接する前記内周面を備えた，アーク溶接用トーチ先端に設けるコンタクトチップ１１であって良く（請求項６），又は，プラズマガスの導入空間を画成する前記内周面を備えた，プラズマ溶接用トーチの先端に設けるノズルチップ１２であっても良い（請求項７）。
なお，上記溶接用チップ１（１１，１２）の表面強化層２は，前記金属粉体ショットの成分が拡散浸透していると共に，微細化された金属組織と，圧縮応力を有することを特徴とする（請求項８）。
以上説明した本発明の構成により，本発明の方法により表面強化がされた溶接用チップは，以下の顕著な効果を有する。
内周面に前述した方法によって表面強化層２と酸化スズから成る半導体被膜３を共に形成したことにより，未処理の溶接用チップに対して７〜８倍，表面強化層のみを形成した従来の溶接用チップに比較しても２〜３．５倍の長寿命を得ることができた。
なお，前述したように溶接用チップの内周面に被膜を形成する酸化スズは半導体であることから，本発明の方法によって内周面に酸化スズよりなる半導体被膜３を形成した溶接用チップ１にあっては，内周面の導電性能の低下により，アーク溶接用のコンタクトチップでは電極棒との通電不良が，プラズマ溶接用のノズルチップにあってはプラズマの発生不良等が生じ，溶接不良や場合によっては溶接自体が不可能となることが予想されたが，本発明の方法により表面強化層２上に酸化スズの半導体被膜３を形成した場合では，原理は不明であるが，何等のドーピングを行っていないにも拘わらず良好な導電性を有するという，予想に反した機能を発揮することが確認された。
しかも，通常の銅製の溶接用チップでは，溶接時の発熱により温度が上昇すると，温度の上昇に比例して電気抵抗が増大し，このことが溶接用チップの損耗を早め，且つ，溶接不良の発生を増大させる原因となっていたが，本発明の方法で表面強化がされた溶接用チップにあっては，溶接用チップの温度が上昇すると内周面の電気抵抗はむしろ減少し，これにより摩耗や損耗速度が早まることがなく，且つ，溶接不良の発生が激減するという効果が得られた。
すなわち，酸化スズのような半導体では，伝導帯の電荷担体密度が増大するに従って電気抵抗が小さくなることから，一般的にはドーパントの原子を増やすことで伝導帯に自由電子を供給したり価電子帯に正孔を生じさせることで電荷担体密度を増大し，これにより電気抵抗を小さくする（導電性を向上させる）ことが行われるが，このような半導体では，高温になると熱によって励起された電荷担体が支配的になり，ドーパントの量と関係なく，温度上昇に伴って指数関数的に電気抵抗が低下したものと考えられる。
しかも，酸化スズの硬度はHV１６５０kg/mm2と高く，融点も１６３０℃と高く耐熱性を有する結果，高温時に電極棒等が摺接した場合であっても半導体被膜３は剥離等を起こし難い。
なお，図４に示すように，半導体である酸化スズの温度が空気中で上昇すると，酸化スズの表面に負電荷吸着される酸素量が増加すると共に，吸着した酸素は酸化スズの電気伝導に必要な電子を捕まえてしまい，酸化スズ表面に形成される電位空乏層が増大し，これにより電位障壁が高くなって電気抵抗が増大する。
しかし，本願の溶接用チップが，イナートガスアーク溶接のコンタクトチップのようにＡｒ等のイナートガスの導入下で使用される場合，又は炭酸ガスアーク溶接用のコンタクトチップのように炭酸ガスの導入下で使用される場合，更には，プラズマ溶接用のノズルチップのように，アルゴン，水素，窒素等のプラズマ用ガスの導入下で使用される場合のように，非酸化雰囲気下で使用される場合には，新たな酸素の負電荷吸着に伴う抵抗値の増大が生じることが防止でき，この点においても温度上昇に伴う電気伝導度の低下を抑制し得るものと考えられる。
次に，本発明の実施形態につき添付図面を参照しながら以下説明する。
〔製造方法の概要〕
本発明の溶接用チップの強化方法は，溶接用チップの少なくとも内周面に，溶接用チップの母材硬度よりも高硬度の金属粉体ショットを噴射して内周面の表面付近に表面強化層２を形成する表面強化層形成工程と，前記表面強化層２上に更に酸化被膜の形成されたスズ粉体ショットを噴射することにより，酸化スズの半導体被膜３を形成する半導体被膜形成工程によって構成される。
本発明の溶接用チップの強化方法は，溶接用チップの少なくとも内周面に，溶接用チップの母材硬度よりも高硬度の金属粉体ショットを噴射して内周面の表面付近に表面強化層２を形成する表面強化層形成工程と，前記表面強化層２上に更に酸化被膜の形成されたスズ粉体ショットを噴射することにより，酸化スズの半導体被膜３を形成する半導体被膜形成工程によって構成される。
〔処理対象〕
本発明で処理対象とする溶接用チップとしては，図２を参照して説明したアーク溶接用のトーチに設けられる，電極棒５との通電点を形成するコンタクトチップ１１や，図３を参照して説明したようにプラズマ溶接用のトーチに設けられる，電極棒６の外周を覆うノズルチップ１２のいずれも対象とすることができる。
本発明で処理対象とする溶接用チップとしては，図２を参照して説明したアーク溶接用のトーチに設けられる，電極棒５との通電点を形成するコンタクトチップ１１や，図３を参照して説明したようにプラズマ溶接用のトーチに設けられる，電極棒６の外周を覆うノズルチップ１２のいずれも対象とすることができる。
アーク溶接用のコンタクトチップとしては，サブマージアーク溶接用のコンタクトチップ，イナートガスアーク溶接用のコンタクトチップ，炭酸ガスアーク溶接用のノズルチップ等，溶接方式の相違に応じて各種のコンタクトチップが存在するが，本発明の方法はこれらのいずれに対しても適用可能であると共に，ＭＩＧ溶接のように，電極棒自体が溶加材となる消耗式の溶接に使用するコンタクトチップ，ＴＩＧ溶接のように電極棒自体は殆ど消耗しない非消耗式の溶接に使用するコンタクトチップのいずれ共に対象とすることができる。
アーク溶接，プラズマ溶接のいずれの溶接用チップ１（１１，１２）共に高い導電性が要求されることから，その材質としては銅，銅合金，セラミック分散銅が使用されているが，本発明では，これらのいずれ共に処理対象とすることができる。
また，溶接用チップに使用される銅合金としてはクローム銅，ジルコニウム銅等が一般的であり，本発明はこれらのいずれに対しても適用可能であると共に，これらに限定されず，他の銅合金製の溶接用チップに対しても適用可能である。
〔加工装置〕
本発明の表面強化層形成工程，及び，半導体被膜形成工程のいずれ共に，既知のサンドブラスト処理乃至はショットピーニング処理等に適用される，市販のエア式のブラスト加工装置を使用することができる。
本発明の表面強化層形成工程，及び，半導体被膜形成工程のいずれ共に，既知のサンドブラスト処理乃至はショットピーニング処理等に適用される，市販のエア式のブラスト加工装置を使用することができる。
このようなエア式のブラスト加工装置としては，重力式（サクション式），直圧式等の各種方式のブラスト加工装置が提供されているが，本発明の処理方法では圧縮気体と共に噴射粉体を所定の噴射速度で噴射することができるものであれば，いずれのブラスト加工装置を使用しても良く，エア式のブラスト加工装置であればその噴射形式は特に限定されない。
〔表面強化層形成工程〕
前述の溶接用チップの少なくとも内周面，好ましくは内周面及び外周面に対しては，先ず，溶接用チップの母材の硬度と同等以上の硬度を有する金属粉体のショットを噴射して，噴射位置の溶接用チップの表面付近に表面強化層２を形成する，表面強化層形成工程を行う。
前述の溶接用チップの少なくとも内周面，好ましくは内周面及び外周面に対しては，先ず，溶接用チップの母材の硬度と同等以上の硬度を有する金属粉体のショットを噴射して，噴射位置の溶接用チップの表面付近に表面強化層２を形成する，表面強化層形成工程を行う。
噴射に使用する金属粉体ショットとしては，一例としてハイス鋼，タングステン等を挙げることができるが，その他，溶接用チップの母材と同等以上の硬度を有する材質の金属によって形成された金属粉体ショットであれば各種材質のものを使用することができる。
なお，金属粉体ショットを高速で噴射すると共に衝突させることで，金属粉体ショットの構成成分の一部を溶接用チップの表面付近に拡散浸透させることができることから，例えば，溶接用チップの母材である銅乃至は銅合金の強化や改質を目的として，これに他元素を拡散浸透させる場合には，金属粉体ショット中に拡散浸透させる成分を含めておく。
噴射に使用する金属粉体ショットの粒径は，平均粒径４０〜１５０μmであり，これを噴射速度１００m/sec以上で噴射する。
ショット径を４０〜１５０μmとしているのは，高速の噴射速度を得るにはショット径を小さくする必要があること，加工面の表面粗さを均一且つ，電気抵抗を大きくしない程度の接触面の得られる適正なものにするためであり，また，噴射速度が１００m/sec以上であるのは，上記のショット径において，放熱性の高い銅乃至は銅合金である溶接用チップの表面付近の温度を必要な温度，例えば再結晶温度以上に上昇させるために必要な条件である。
このように，金属粉体ショットを溶接用チップの少なくとも内周面に対して前述した条件で噴射すると，ショットが衝突した溶接用チップの表面では，ショットの衝突による発熱と冷却がくり返され，衝突部分の表面付近の組織が微細化すると共に，圧縮応力が付与されて強化される。
また，金属粉体ショット中の構成成分の一部が，衝突部分の表面付近に拡散浸透して，溶接用チップの表面付近には，図１中に拡大図で示すように表面強化層２が形成される。
このようにして形成された表面強化層２は，未処理の溶接用チップ内周面の表面に比較して，組織が微細化することによる電気伝導度の向上が得られる。
〔半導体被膜形成工程〕
上記工程によって形成された表面強化層２上に，更にスズ粉体を噴射して酸化スズの半導体被膜３を形成する，半導体被膜形成工程を実行する。
上記工程によって形成された表面強化層２上に，更にスズ粉体を噴射して酸化スズの半導体被膜３を形成する，半導体被膜形成工程を実行する。
噴射するスズ粉体としては表面に酸化スズの被膜が形成されたものを使用し，この酸化スズを溶接用チップの内周面に付着，拡散，浸透させることにより前述した半導体被膜３が形成される。
このような酸化被膜で覆われたスズ粉体は，水アトマイズ法によってスズ粉体を製造することによって得ることができる。この水アトマイズ法とは，溶融したスズを高圧水と衝突させることにより溶融スズの粉粒化と急冷凝固を瞬時に行うことによって粉体を得るものであり，このようにして得られたスズ粉体は，水との衝突時の急冷によってその表面が酸化して表面が酸化膜によって覆われたスズ粉体となる。
使用するスズ粉体の粒径は，平均粒径１０〜１００μm，好ましくは２０〜５０μmのものを使用する。スズ粉体の衝突によって被処理製品の表面に被膜を形成するためには，衝突時の発熱によりスズ粉体に温度上昇を生じさせる必要があり，この温度上昇は，スズ粉体の衝突速度に比例して上昇するものとなる。
上記粒径の範囲のスズ粉体であれば，噴射時に使用する圧縮気体によって生じた気流に乗り易く，高速で噴射粉体を被処理製品の表面に衝突させることができ，酸化スズ被膜の形成を好適に行うことができる。
なお，使用する噴射粉体の個々の粒子形状は，球状であっても良く，又は多角形状であっても良く，更にはこれらが混在したものであっても良く，その形状は特に限定されない。
スズ粉体の噴射は噴射速度２００m/sec以上で行う。スズ粉体が被処理製品の表面に衝突した際に生じる温度上昇は速度に比例し，被処理製品の表面にスズ粉体を好適に溶融付着させるためには，スズ粉体を高速で噴射する必要がある。
特に，本発明の方法で使用するスズ粉体は，表面に酸化膜が形成されていると共に，この酸化膜（酸化スズ）は，スズ（未酸化）に対して融点が上昇していることから，前述した高い噴射圧力，噴射速度での噴射が要求される。
以上のように，表面に酸化膜の形成された平均粒径１０〜１００μmのスズ粉体，好ましくは２０〜５０μmのスズ粉体を，噴射速度２００m/sec以上という比較的高速で噴射して溶接用チップの内周面に衝突させると，噴射されたスズ粉体は，溶接用チップの内周面に衝突し，弾き返される際にその一部が内周面に溶着付着，又は拡散・浸透，被覆して酸化スズの被膜が形成される。
前述した噴射圧力又は噴射速度で溶接用チップの内周面にスズ粉体を高速で噴射すると，スズ粉体は被処理製品の表面に対する衝突前後の速度変化により熱エネルギーが生じる。この熱エネルギーは，スズ粉体が衝突した変形部分のみで行われるので，スズ粉体及びこのスズ粉体が衝突した溶接用チップの内周面付近に局部的に温度上昇が起こる。
また，温度上昇はスズ粉体の衝突前の速度に比例するので，スズ粉体の噴射速度を高速にすると，スズ粉体及び溶接用チップの内周面の温度を高温に上昇させることができる。このときスズ粉体が溶接用チップ内周面で加熱されるために，この温度上昇によってスズ粉体の温度上昇部分において酸化が生じると共に，スズ粉体の表面に形成された酸化膜を含む噴射粉体の一部分が，その温度上昇により溶接用チップの内周面に形成された表面強化層上に溶融付着，拡散浸透，又は被覆して半導体被膜３が形成されるものと考えられる。
金属としてのスズは，ビッカース硬さで５kg/mm2程度の軟質な金属であるが，このスズの酸化物である酸化スズは，最大でビッカース硬さで約１６５０kg/mm2という高硬度の物質であり，このようにして形成された酸化スズの被膜の硬度は，ジルコニア（HV１１００kg/mm2程度），アルミナ（HV１８００kg/mm2程度），炭化ケイ素（HV２２００kg/mm2程度），窒化アルミニウム（HV１０００kg/mm2程度）等のセラミックスと比較しても，遜色のない硬度を備えたものであり，摩耗し難い被膜が形成される。
しかも，このようにして形成された酸化スズの被膜は，電極棒の摺動等によっても剥離等が生じ難いものであった。
また，スズは融点が２３２℃と低いが，酸化スズの融点は１６３０℃と高温であるため，溶接用チップに使用した場合であっても，溶接時の発熱に耐え得る熱特性を有するものとなっている。
なお，ドーピングがされていない酸化スズは，高い電気抵抗を有する半導体であるが，前述した方法で表面強化層２上に酸化スズの半導体被膜３を形成した後の溶接用チップ内周面は，原理等は不明であるが良導電性を示すものであった。
しかも，本願による処理が行われていない溶接用チップでは，温度が上昇するにつれて電気抵抗が上昇し，このような電気抵抗の上昇によって電極棒に対する給電不足，又は消費電力の増大が起こると共に，電気抵抗の増大は更なる発熱を招き，このような状態で電極棒と摺接することで摩耗速度が早まり寿命を短くすると共に，給電不足や接触不良に基づく溶接不良が発生する原因ともなっているが，本発明の方法で表面強化処理を行うことによって半導体被膜が形成された溶接用チップの内周面では，溶接用チップの温度が上昇する程，半導体被膜３の電気抵抗が減少することで，溶接時の発熱によって溶接用チップの温度が上昇した場合であっても良好な電気伝導性を維持し，給電不足や消費電力の増大，電気抵抗の増加に基づく更なる温度上昇等が生じることがなく，その結果，電極棒やプラズマとの接触によっても摩耗し難く，溶接不良が発生し難いものとなっている。
〔効果等〕
以上のように，本発明の方法で強化された溶接用チップは，チップ母材と同等以上の硬度を有するショットの噴射によって高硬度の表面強化層２を形成したことと，この表面強化層２の上に更に，高硬度で耐熱性を有する半導体被膜３を形成することにより，半導体被膜３の形成によって懸念された導電性の低下が見られなかっただけでなく，溶接用チップが高温に加熱された場合であっても電気抵抗が増加することなく良好な導電性を示すものであった。
以上のように，本発明の方法で強化された溶接用チップは，チップ母材と同等以上の硬度を有するショットの噴射によって高硬度の表面強化層２を形成したことと，この表面強化層２の上に更に，高硬度で耐熱性を有する半導体被膜３を形成することにより，半導体被膜３の形成によって懸念された導電性の低下が見られなかっただけでなく，溶接用チップが高温に加熱された場合であっても電気抵抗が増加することなく良好な導電性を示すものであった。
その結果，本発明の表面強化処理が施された溶接用チップでは，前述した２種類の処理を組み合わせても表面硬度の向上は得られなかったものの，上記２種類の処理からは予期し得なかった電気的特性の発現によって，未処理の溶接用チップに対しその寿命を７〜８倍に，表面強化層２の形成のみを行った場合に比較して２〜３．５倍にその寿命を向上させることができ，且つ，溶接不良の発生を激減させることができるものであった。
溶接用チップに対し行った強化処理の実施例を以下に示すと共に，各処理を施した溶接用チップの特性を評価した結果を以下に示す。
〔実施例１〕
アーク溶接用のコンタクトチップ（クローム銅製；φ１．２mm）に対し，以下の条件により本発明の強化方法を実施した。
アーク溶接用のコンタクトチップ（クローム銅製；φ１．２mm）に対し，以下の条件により本発明の強化方法を実施した。
（１）表面強化処理
コンタクトチップの内周面及び外面に対し，それぞれ下記の条件で金属粒体を噴射した。
コンタクトチップの内周面及び外面に対し，それぞれ下記の条件で金属粒体を噴射した。
（２）半導体被膜形成工程
上記条件での表面強化処理が終了した後のコンタクトチップの内周面及び外面に対し，それぞれ下記の条件でスズ粉体を噴射した。
上記条件での表面強化処理が終了した後のコンタクトチップの内周面及び外面に対し，それぞれ下記の条件でスズ粉体を噴射した。
（３）性能評価
上記の条件によって表面強化層及び半導体被膜を形成した本発明のコンタクトチップ（実施例１）と，未処理品のコンタクトチップ（比較例１），表面強化処理のみを施したコンタクトチップ（比較例２）の性能評価を行った結果を下記の表３に示す。
上記の条件によって表面強化層及び半導体被膜を形成した本発明のコンタクトチップ（実施例１）と，未処理品のコンタクトチップ（比較例１），表面強化処理のみを施したコンタクトチップ（比較例２）の性能評価を行った結果を下記の表３に示す。
（４）実験結果
以上の結果から，比較例１（未処理）の表面硬度がHV１３９kg/mm2であったのに対し，表面強化工程を経た比較例２では，HV１８１kg/mm2と金属成分拡散効果により大幅に硬度及び応力の向上が確認されると共に，寿命（耐久性）が４倍に向上した。
以上の結果から，比較例１（未処理）の表面硬度がHV１３９kg/mm2であったのに対し，表面強化工程を経た比較例２では，HV１８１kg/mm2と金属成分拡散効果により大幅に硬度及び応力の向上が確認されると共に，寿命（耐久性）が４倍に向上した。
このように表面強化処理を施したコンタクトチップに対し，更に半導体被膜形成工程を行った本願発明のコンタクトチップでは，表面強化処理のみを行ったコンタクトチップ（比較例２）に対し，硬度及び応力の向上は見られなかったが，未処理のコンタクトチップ（比較例１）に対して８倍，表面強化処理のみを施したコンタクトチップ（比較例２）に対しても２倍の寿命（耐久性）の向上が得られた。
このように，表面強化処理のみを行ったコンタクトチップ（比較例２）に対し，表面硬度や応力の向上が得られていないにも拘わらず寿命（耐久性）の向上が得られた理由は，半導体被膜の高温下における電気伝導度が高いことによる効果であると考えられる。
また，このように高温下においても電気伝導度が高いことで，消費電力を低く抑えることができ経済的であると共に，給電不良による溶接不良の発生を激減させることができたと共に，半導体被膜を形成したノズルチップではワイヤの滑りが極めて良好であると共に，酸化スズの半導体被膜は融点が高く，高硬度であるため，高温下で電極と摺接しても剥離し難く，前述した優れた電気的特性を長時間継続して得られるものとなっている。
特に，本実施例では，コンタクトチップの外面に対しても表面強化層の形成と酸化スズの半導体被膜の形成を行ったことで，コンタクトチップのいずれの位置に対しても溶接時のスパッタ付着が起こり難く，また，付着した場合であっても容易に除去することができることで，スパッタ付着による寿命の低下についても防止することができた。
〔実施例２〕
プラズマ溶接用のノズルチップ（クローム銅製，鍛造品；φ２．５mm）に対し，以下の条件により本発明の表面強化処理を施すと共に，処理後のノズルチップの特性を評価した。
プラズマ溶接用のノズルチップ（クローム銅製，鍛造品；φ２．５mm）に対し，以下の条件により本発明の表面強化処理を施すと共に，処理後のノズルチップの特性を評価した。
（１）表面強化処理
ノズルチップの内周面及び外面に対し，それぞれ下記の条件で金属粒体を噴射した。
ノズルチップの内周面及び外面に対し，それぞれ下記の条件で金属粒体を噴射した。
（２）半導体被膜形成工程
上記条件での表面強化処理が終了した後のノズルチップの内周面及び外面に対し，それぞれ下記の条件でスズ粉体を噴射した。
上記条件での表面強化処理が終了した後のノズルチップの内周面及び外面に対し，それぞれ下記の条件でスズ粉体を噴射した。
（３）性能評価
上記の条件によって表面強化層及び半導体被膜を形成した本発明のノズルチップ（実施例２）と，未処理品のノズルチップ（比較例３），表面強化処理のみを施したノズルチップ（比較例４）の性能評価を行った結果を下記の表６に示す。
上記の条件によって表面強化層及び半導体被膜を形成した本発明のノズルチップ（実施例２）と，未処理品のノズルチップ（比較例３），表面強化処理のみを施したノズルチップ（比較例４）の性能評価を行った結果を下記の表６に示す。
（４）実験結果
プラズマ溶接用のノズルチップは，前述したアーク溶接用のコンタクトチップとは異なり，電極棒と直接接触するものではないが，アーク熱で加熱膨張した電極棒外周とノズルチップ内周間のプラズマ用ガスを，ノズル孔で絞って高速で噴射するものであるため，その摩滅等は溶接品質に直接影響する部品である。
プラズマ溶接用のノズルチップは，前述したアーク溶接用のコンタクトチップとは異なり，電極棒と直接接触するものではないが，アーク熱で加熱膨張した電極棒外周とノズルチップ内周間のプラズマ用ガスを，ノズル孔で絞って高速で噴射するものであるため，その摩滅等は溶接品質に直接影響する部品である。
鍛造によって製造されたクローム銅製のノズルチップ（未処理品：比較例３）では表面硬度はHV１７４kg/mm2であったが，表面強化処理を行ったノズルチップ（比較例４）ではHV１９６kg/mm2に硬度が上昇すると共に，応力の上昇も見られたが，寿命（耐久性）については，２倍の向上しか見られなかった。
これに対し，表面強化処理後に更に半導体被膜の形成を行った本願のノズルチップ（実施例２）では，表面強化処理のみを行ったノズルチップ（比較例４）に対し，硬度及び応力の向上は見られなかったにも拘わらず，未処理品（比較例３）に対し７倍，表面強化処理品に対し３．５倍の寿命（耐久性）の向上が確認された。
また，未処理品（比較例３）及び表面強化処理品（比較例４）のいずれを使用した場合と比較しても，溶接不良の発生が激減することが確認された。
このように，半導体被膜の形成前後において硬度や応力が変化していないにも拘わらず，ノズルチップの寿命の向上や溶接不良の激減が生じていることから，これらの効果はいずれも，酸化スズの半導体被膜を形成することにより，高温時においても電気伝導度の劣化が生じない（むしろ向上する）ことにより得られた効果であると考えられる。
１ 溶接用チップ
１１ コンタクトチップ
１２ ノズルチップ
１２１ ノズル孔
２ 表面強化層
３ 半導体被膜
４ ガスノズル
５ 電極棒（溶加材）
６ 電極棒（タングステン棒）
７ シールドリング
Ｗ 被溶接物
１１ コンタクトチップ
１２ ノズルチップ
１２１ ノズル孔
２ 表面強化層
３ 半導体被膜
４ ガスノズル
５ 電極棒（溶加材）
６ 電極棒（タングステン棒）
７ シールドリング
Ｗ 被溶接物
Claims (8)
- 銅，銅合金，又はセラミック分散銅のうちのいずれかの材質によって形成された溶接用チップの少なくとも内周面に，該溶接用チップの材質と同等以上の硬度を有する平均粒径４０〜１５０μmの金属粉体ショットを噴射速度１００m/sec以上で噴射して行う表面強化層形成工程，
前記表面強化層形成工程により形成された表面強化層上に，更に水アトマイズ法により製造されて表面に酸化スズ被膜が形成された平均粒径１０〜１００μmのスズ粉体を噴射速度２００m/sec以上で噴射して，前記表面強化層上に酸化スズの半導体被膜を形成する半導体被膜形成工程，
を含むことを特徴とする溶接用チップの強化方法。 - 前記溶接用チップが，イナートガスアーク溶接又は炭酸ガスアーク溶接用トーチ先端に設けたコンタクトチップである請求項１記載の溶接用チップの強化方法。
- 前記溶接用チップが，プラズマ溶接用トーチの先端に設けたノズルチップである請求項１記載の溶接用チップの強化方法。
- 前記表面強化層形成工程において，前記金属粉体ショットの成分を前記内周面に拡散浸透させることによる成分強化と，前記内周面の表面付近の金属組織の微細化による高硬度化，及び，前記金属粉体ショットの衝突による塑性変形に伴う圧縮応力が付与された前記表面強化層を形成することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の溶接用チップの強化方法。
- 銅，銅合金，又はセラミック分散銅のうちのいずれかの材質によって形成された溶接用チップの少なくとも内周面に，該溶接用チップの材質と同等以上の硬度を有する平均粒径４０〜１５０μmの金属粉体ショットを噴射速度１００m/sec以上で噴射して形成された表面強化層を備え，
前記表面強化層上に，水アトマイズ法により製造されて表面に酸化スズ被膜が形成された平均粒径１０〜１００μmのスズ粉体を噴射速度２００m/sec以上で噴射することにより形成された，酸化スズの半導体被膜を備えることを特徴とする溶接用チップ。 - 前記溶接用チップが，電極の外周面と摺接する前記内周面を備えた，アーク溶接用トーチ先端に設けるコンタクトチップである請求項５記載の溶接用チップ。
- 前記溶接用チップが，プラズマガスの導入空間を画成する前記内周面を備えた，プラズマ溶接用トーチの先端に設けるノズルチップである請求項５記載の溶接用チップ。
- 前記表面強化層が，前記金属粉体ショットの成分が拡散浸透していると共に，微細化された金属組織と，圧縮応力を有することを特徴とする請求項５〜７いずれか１項記載の溶接用チップ。
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