JPH03248777A

JPH03248777A - ＡｌまたはＡｌ合金表面の肉盛溶接方法

Info

Publication number: JPH03248777A
Application number: JP4632790A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Makuchi; 裕馬久地; Kimihiro Shibata; 公博柴田; Yasutoshi Nakada; 中田　康俊; Hiroyuki Koike; 弘之小池
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 1990-02-27
Filing date: 1990-02-27
Publication date: 1991-11-06
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: JP2731966B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はＭまたはＮ合金の表面に耐摩耗、耐熱層を安定
してかつ経済的に設ける肉盛溶接方法に関するものであ
る。

〔従来の技術とその問題点〕

ＭまたはＮ合金は鉄鋼材料に比較して、軽量で熱伝導性
、耐食性が優れていることから自動車部品をはじめ広い
分野で使用されている。しかし、Ｎ合金は一般に鉄鋼材
料に比べ強度、耐摩耗性、耐熱性の面で劣っており、Ｎ
合金素材そのままでは、鉄網材料の代替材料として適用
できる部位、部品は限られている。また、既にＭまたは
Ｎ合金が使用されている場合でも、近年、使用環境が苛
酷になるにつれ、更に耐久性の向上が求められている。

その対策として、Ｎ合金そのものの改良の外に、表面に
耐摩耗、耐熱層を形成する方法が行われている。例えば
、ＰＶＤ　、　ＣＶＤにより薄い硬質皮膜層を形成する
方法、メツキや溶射により比較的厚い硬質皮膜層を形成
する方法がある。しかし、これらの方法で形成される皮
膜は非常に硬いが基材との密着力が弱く、使用中に剥離
、脱落のおそれがあり信頼性に乏しい。更に、ＰＶＤ　
、　ＣＶＤは皮膜形成速度が遅く、厚膜の形成は困難で
ある。メツキの場合は廃液処理、溶射の場合は騒音、光
線の発生など環境面でも問題がある。

一方で、電子ビーム、レーザ、アークなどの高密度エネ
ルギー源を用いて基材表面とともに合金化金属を溶融さ
せ硬質合金層を形成する方法が開示されている。これら
の方法では、ある程度の硬さを持つ硬質層を形成するこ
とができる。例えば、特開昭５５−２７５８７号公報に
は電子ビームによるＮ合金ピストンへのＶ、　Ｃｒ　、
　Ｍｎ　、　Ｆｅ　、　Ｃｏ　、　Ｎｉの合金化処理技
術が開示されている。実開昭６２−７２４５６号公報、
実開昭６２−７２４５７号公報、実開昭６２−７２４５
８号公報にも電子ビームによるＣｕの合金化処理技術が
開示されている。また、特開昭６１１６６９８２号公報
、特開昭６１−１７０５７８号公報にはＴＩＧアークに
よるＮｉ、　Ｆｅの合金化処理技術が開示されている。

特開昭６４−１１０７３号公報にもアークによるＣｕの
合金化処理技術が開示されている。

これらの合金化処理技術では、基材と処理層とが冶金的
に結合しているため、接合力は高く有望な技術であるが
次のような問題がある。

（１）上記の合金化技術は基材のＭまたはＮ合金の表面
を溶融させ、外部から金属を添加し合金層を形成するた
め、添加方法、条件や溶接入熱条件が変動した場合、基
材のＭまたはＮ合金の溶融量が変化する。従って、添加
金属の希釈量が変動するため、得られる合金層の組成が
不均一となり、耐摩耗性、耐熱性などの特性が変動する
原因となる。

（２）通常、合金化するために添加する金属は基材のＭ
またはＮ合金に比べて融点が高いため、均一な合金層を
形成するのは難しい。高密度エネルギー源の電子ビーム
を使用すれば、融点の高い合金化金属も容易に溶融し均
一な合金層を得ることができる。しかし、電子ビームに
よる合金化処理は真空容器内で行うため、ＭまたはＮ合
金が過熱されるとブローホール、ビットが発生し易く、
生産性も低い。レーザは電子ビームと同等のエネルギー
密度を有するが、ＡｌまたはＡｌ合金に対しては、吸収
率が低いため適していない。また、電子ビーム、レーザ
の再装置とも高価なため、その適用部品はコスト高とな
る。

（３）　　Ａ７またはＮ合金の溶接には、従来から指摘
されているように、酸化皮膜（アルミナ）の問題がある
。ＡｌまたはＡｌ合金表面には基材に比べて高融点で強
固な酸化皮膜が生成しているため、一般のアーク溶接で
は融合不良が発生し接合性が劣化する。

（４）　　／ＶまたはＮ合金の溶接では、溶融状態にお
いてＨｚ　、　ＨｚＯ、Ｎｚ等を吸蔵し易く、ピントや
ブローホールなどの溶接欠陥を生成し易い。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記のような合金化処理の問題点を解決するべ
くなされたもので、その目的とするところは、Ｍまたは
Ｎ合金の表面に、融合不良、ピントやブローホールなど
の溶接欠陥を発生せず、基材との密着力の高い耐摩耗性
、耐熱性合金化層を安定して、安価に形成する肉盛溶接
方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、ＭまたはＮ合金
表面の肉盛溶接方法において、肉盛材料として、少なく
ともＣｕを１５〜５５％含むＮ合金粉体を用い、熱源と
して交流プラズマアークを用い、該交流プラズマアーク
電圧波形の正極性成分時間をｔａ、逆極性成分時間をｔ
ｂとした場合、下式を満足する時間比率で肉盛溶接する
ことを特徴とするＭまたはＮ合金表面の肉盛溶接方法を
要旨とするものである。更に、その実施の態様において
前記交流プラズマアークの周波数を１００〜１０００Ｈ
ｚの範囲で肉盛溶接することを特徴とするものである。

ｔａ３０　％≦　　　　　　　×１００　≦　９０　　％　
−−−−−（１）ｔａ　　＋　　ｔｂ〔作　用〕本発明の交流プラズマアーク肉盛溶接法において、Ｍま
たはＮ合金の表面に耐摩耗・耐熱合金化層を形成する肉
盛材料について検討した。その結果、融点がおよそ１０
００″Ｃ以下の合金組成で所望の耐摩耗性、耐熱性が安
定して得られ、更に、経済性、作り易さおよび靭性等の
面からＣｕを主成分とするＮ合金が望ましいことを見出
した。また、この場合に得られる合金化肉盛層の硬さは
、耐摩耗性の面から、ビッカース硬さＨν１５０以上必
要であり、Ｈｖ１５０未満では耐摩耗性の向上が期待さ
れない。ｊＶ−Ｃｕ合金の肉盛材料による肉盛層の組織
は高Ｍ側でα相とθ相（Ｃｕ７Ｖｚ）とからなり、θ相
の存在により耐摩耗性、耐熱性を有するものである。

即ち、Ｃｕ量が１５％未満の場合では、肉盛層は殆どα
相のみとなってしまい、その硬さはＨｖ　１５０に達せ
ず耐摩耗材に通しない。一方、Ｃｕ１ｌが５５％を越え
ると脆弱なη２相が現れ、割れが発生する。従って、ｋ
ｌ−Ｃｕ合金の肉盛材料はＣｕ量を１５〜５５％の範囲
内とする必要がある。

また、この肉盛材料、／’Ｊ−Ｃｕ合金はＣｕ以外に必
要に応じて通常のＮ合金の合金元素、例えばＳｉ　。

Ｍｇ　、　Ｎｉ　、　Ｍｎ　、　Ｔｉ、　Ｃｒ　、　Ｚ
ｒ　、Ｖ等を融点が上がらない範囲に加えて、靭性、機
械加工性に支障をきたさない範囲で含んで良い。例えば
、Ｓｉは溶融金属の流動性を改善し、肉盛金属の割れ防
止に有効である。また、Ｍｇとともに熱処理による機械
的性質の向上に有効である。Ｎｉは耐熱性の向上に有効
である。Ｔｉ　、　Ｚｒは肉盛金属組織の微細化に有効
である。このｋｌ−Ｃｕ合金は通常のＮ合金に比べてや
や靭性が乏しいのでロンド、ワイヤに成形するのが困難
であり、粉体として用いるのが望ましい。むしろ、粉体
の方が肉盛溶接の際、溶融し易く均一な組織が得られる
。

この肉盛材料の粉体は、送給性の面からその形状は球状
である粒度範囲（５０〜２５０−）のものが望ましい。

そして、肉盛溶接時のブローホール発生や熱処理時のふ
くれの原因となるＨｇ＋ＨＪ等を極力除去するため、使
用前に乾燥して用いることが望ましい。

また、本発明の交流プラズマアーク溶接法における、正
極性と逆極性成分の時間比率は基材表面に形成された酸
化皮膜を除去するクリーニング効果と基材への希釈率と
に密接な関係があることが分かった。両者の関係におい
て、逆極性成分は基材表面の酸化皮膜を除去する効果が
ある。一方、正極性成分は基材への希釈率を大きくする
ため、肉盛層中のθ相が少なくなるとともに、相対的に
α相が多くなるため硬さが低下する。しかし、肉盛層と
基材との接合性を高める効果がある。従って、第１図に
示すごとく、電極印加電圧の正極性成分時間（ｔａ）と
逆極性成分時間（ｔｂ）の比率を所定の範囲に設定する
ことにより、クリーニング効果（清浄効果域幅）を確保
し、基材への希釈率を抑制しつつ高い接合力が得られる
。

粉体にＡｌ−４５％Ｃｕ合金粉を用い、Ｍ板（ＪＩＳ　
Ｈ４０００、Ａ１０５０Ｐ相当、２００　ｍｍｌ　Ｘ１
００　ｍｍＷ　Ｘ１０＋ｍｎｔ）の長手方向に本発明に
係る交流プラズマアーク肉盛溶接法により、ビードオン
プレート溶接（１層盛）を行った。

〔溶接条件〕

溶接電流溶接速度正極性成分時間比率：　８０〜９０Ａニア０ｍｍ／分：　７５　％周波数　　　　　　　　：　　３００１（ｚプラズマガ
ス（Ａｒ）流量：　　２．０１／分シールドガス（Ａｒ
）流量：２Ｏｆ／分キャリアガス（Ａｒ）流量：　　２
．０１／分上記肉盛溶接試験により得られた肉盛溶接部
について、正極性成分と逆極性成分の時間比率と清浄効
果域幅、希釈率を測定した結果、第２図に示すような結
果が得られた。正極性成分時間比率ａ希釈率が小さく、即ち、溶込み不足により密着性が低く
使用時に剥離する。また、正極性成分時間比率が上限９
０％を越えると基材への希釈率が大きくなり、所望の肉
盛金属硬さが得られなくなるとともに、クリーニング効
果が認められなくなり接合界面に酸化皮膜に起因する融
合不良の溶接欠陥が発生する。

上記理由により、正極性成分時間比率ａ（ｘｌｏＯ）は３０％以上、９０％以下ｔａ　　＋　　
ｔｂの範囲内とする必要がある。

本発明にかかね九交流プラズマアーク溶接において、周
波数はアークの安定性および基材への溶込みに影響を及
ぼす。周波数が８０Ｈｚ未満ではアークが不安定となり
、シールド不良を生じさせピットやブローホールを発生
させる。一方、１０００Ｈｚを越えると、基材への溶込
みが大きくなり、基材の劣化をもたらすと共に金属音の
発生が激しくなるなどの問題がある。しかし、８０Ｈｚ
以上、１００　Ｈｚ未満の範囲で、安定して交流プラズ
マアーク粉体肉盛溶接を行うためには、通常よりセンタ
ーガス流量、電流を高めに設定するなどの工夫が必要で
ある。上記理由により、Ｍ系材料の交流プラズマアーク
粉体肉盛溶接においては、周波数が１００Ｈｚ以上、１
０００Ｈｚ以下で肉盛溶接することが望ましい。即ち、
１００Ｈｚ以上では極性変換時にアーク切れの発生は皆
無となり、より安定した溶接が行え、耐ブローホール性
が向上する。また、１０００Ｈｚを越えると、Ｍまたは
Ｍ合金基材への希釈が大きくなり、１層盛で所定組成お
よび硬さの肉盛金属が得られず実用に供し得なくなる。

そこで、周波数の範囲を　１００〜１０００Ｈｚとした
。

〔実施例〕

第３図は本発明の効果を確認するために使用した交流プ
ラズマアーク肉盛溶接装置の１例を示す概略図である。

第３図において、１はプラズマアーク溶接トーチの先端
部を示し、該プラズマアーク溶接トーチ１には、中心部
に非消耗電極２を配備してあり、この電極２の外側には
トーチ内筒３およびトーチ外筒４が配設しである。そし
て、電極２とトーチ内筒３との間にはプラズマ作動ガス
通路１５が、またトーチ内筒３とトーチ外筒４との間に
はシールドガス通路１６および粉体１１を供給する粉体
供給バイブ５が配設しである。プラズマ作動ガスとして
アルゴンなどの不活性ガスがプラズマ作動ガス通路１５
に供給される。シールドガス通路１６はアルゴンなどの
不活性ガスが供給されるようになっており、肉盛金属を
大気からシールドするようになっている。

以上のように構成された、プラズマアーク溶接トーチ１
の下方に基材のＭ合金板１３が設置されている。プラズ
マアーク１２中に粉体１１が粉体供給パイプ５を通じて
、アルゴンガスなどの供給ガスにより供給され、Ｍ合金
板１３表面上に肉盛金属１４が形成される。

なお、非消耗電極２とトーチ内筒３との間には、パイロ
ット電源６から所定のパイロット電流が供給されるよう
になっている。また、非消耗電極２とＭ合金板１３との
間には、正極性と逆極性の時間比率を任意に調整できる
正極・逆極性時間比率調整装置９と、周波数を任意に調
整できる周波数調整装置１０を取り付けたメイン交流電
源７から、所定の溶接電流が供給できるようになってい
る。更に、非消耗電極２とトーチ内筒３との間にはプラ
ズマアーク点火用の高周波発生器８が配設されている。

次に、本発明に基づく効果を確認するために第１表に示
した基材、粉体及び熱源等の組み合わせで肉盛溶接を行
った。比較例として、直流正極性プラズマアーク及び電
子ビームによる場合につし１ても行った。各熱源による
溶接条件を第２．３表に示す。上記合金化処理により得
られた肉盛金属の外観、断面の調査結果を第４表に示す
。

第４表におけるＮｏ、　１〜１６は第３図に示した交流
プラズマアーク肉盛溶接装置を用いて、肉盛溶接を行っ
たものである。Ｎｏ、１７．１８は、比較のため一般に
用いられている直流正極性プラズマアーク溶接法で行な
ったものである。Ｎｏ、１９．２０は、電子ビームで合
金化処理を行なったものである。

Ｎα１〜９は本発明の要件を満たし、基材への希釈が小
さく、所定の硬さを有するとともに融合不良、割れ、ブ
ローホール、ビット等の溶接欠陥が認められず、良好な
密着性やビード外観が得られた。

Ｎｏ、１０．１１はＣｕ含有量が本発明の成分範囲の下
限を下回っており、溶接欠陥は認められないが肉盛金属
の硬さが不足している。

Ｎα１２はＣｕ含有量の上限を越えた例で、肉盛金属は
不均一な組織で硬さのバラツキは大きく、割れも認めら
れた。

Ｎｏ、１３．１４は正極性成分時間比率が本発明の範囲
を外れた例である。Ｎｏ、　１３は正極性成分時間比率
が本発明範囲の下限より低く、基材への溶込みが小さく
、一部剥離が認められた。Ｎｏ、１４は正極性成分時間
比率が上限を越えており、クリーニング効果が小さく、
融合不良が認められ、また肉盛金属の硬さも不足してい
た。

ＮＯ，１５，１６は周波数が本発明範囲を外れている例
である。Ｎｏ、　１５は周波数が本発明範囲の下限より
低く、溶接途中でアーク切れが数回発生し、安定した溶
接が行えなかった。また、平滑なビードが得られずピン
ト、ブローホールが多数認められた。Ｎｏ、　１６は周
波数が上限を越えており、基材の溶込みが大きく１層盛
で所定の肉盛金属の硬さが得られなかった。

Ｎｏ、１７．１８は比較のための直流正極性プラズマア
ーク溶接法によるものである。クリーニング作用がない
ため、基材表面の酸化皮膜に起因する融合不良およびブ
ローホール等の溶接欠陥が発生しており、また満足でき
る密着性、ビード外観が得られなかった。

Ｎｏ、１９．２０は熱源に電子ビームを用いた例で、粉
体だけでなく基材もかなり溶融していた。粉体成分が大
きく希釈され、所定の肉盛金属の硬さが得られなかった
。また、大きなブローホールが肉盛金属中に多数認めら
れた。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明のＭまたはＭ合金表面の肉盛溶接方
法によれば、Ｎ系材料の肉盛溶接部の密着性を劣化させ
る基材表面の酸化皮膜を除去し、融合不良、剥離、ピッ
トやブローホールなどの溶接欠陥を発生せず、基材との
密着力の高い耐摩耗性、耐熱性合金化層を安定して、安
価に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電極に印加する電圧波形を示す図、第
２図は正極性成分時間比率と清浄効果域幅および基材の
希釈率との関係を示すグラフ、第３図は本発明の一実施
例に係る交流プラズマアーク肉盛溶接装置の説明図であ
る。１・・・プラズマアーク溶接トーチ、２・・・非消耗電
極、３・・・トーチ内筒、４・・・トーチ外筒、５・・
・粉体供給パイプ、６・・・パイロ・ント電源、７・・
・メイン交流電源、８・・・高周波発生器、９・・・正
極・逆極性時間比率調整装置、１０・・・周波数調整装
置、１１・・・粉体、１２・・・プラズマアーク、１３
・・・Ｎ合金板、１４・・・肉盛金属、１５・・・プラ
ズマ作動ガス通路、１６・・・シールドガス通路。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＡｌまたはＡｌ合金表面の肉盛溶接方法において
、肉盛材料として、少なくともＣｕを１５〜５５％（重
量％、以下同じ）含むＡｌ合金粉体を用い、熱源として
交流プラズマアークを用い、該交流プラズマアーク電圧
波形の正極性成分時間をｔａ、逆極性成分時間をｔｂと
した場合、下式を満足する時間比率で肉盛溶接すること
を特徴とするＡｌまたはＡｌ合金表面の肉盛溶接方法。３０％≦［ｔａ／（ｔａ＋ｔｂ）］×１００≦９０％…
（１）（２）交流プラズマアークの周波数を１００〜１
０００Ｈｚの範囲で溶接することを特徴とする請求項１
記載のＡｌまたはＡｌ合金表面の肉盛溶接方法。