JPH04288973A - プラズマ肉盛装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマト−チが発生
するア−ク中に金属粉体を供給して、ト−チに対向する
母材に肉盛溶接を行なうプラズマ肉盛装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属表面の補強や改善（耐摩耗性，耐熱
性，耐蝕性等の向上）を行なうために、従来より肉盛溶
接が行なわれている。従来のプラズマ肉盛装置は、プラ
ズマト−チ，該ト−チの主電極と母材との間にアークを
形成するためのプラズマ電源，形成されたアーク中に金
属粉体を供給する粉体供給手段、および、前記ト−チお
よび母材の少くとも一方を他方に対して相対的に移動さ
せる駆動手段、を備える。肉盛溶接処理では、粉体金属
がプラズマアーク柱中に供給され、ア−クで溶かされて
プラズマアークと共に母材の溶接面に衝突する。プラズ
マト−チ又は母材がこの肉盛溶接の間駆動され、これに
より所要厚の肉盛層が母材上に形成される。これに使用
するプラズマトーチが例えば特開平１−２１８７７２号
公報に開示されている。　　この種のプラズマトーチの
先端部分は、例えば図９または図１０に示すような構造
になっている。各図において、５１がタングステン電極
、５２がプラズマガス、５３が粉体、５４が粉体キャリ
アガス、５５が冷却水、５６がシールドガス、５７がプ
ラズマアーク柱、５８が溶融金属、５９が母材、６０が
ノズル部材（インサートチップ）である。図９に示すト
ーチにおいては、ノズル部材６０に、プラズマ噴射孔と
その周囲に形成された複数の粉体供給孔６０ａが備わっ
ており、粉体５３はキャリアガス５４と共に粉体キャリ
アガス供給路３１を通して、粉体供給孔６０ａからプラ
ズマアーク柱５７内に供給される。粉体キャリアガス供
給路３１の下開口と粉体供給孔６０ａの上開口の間には
、アーク孔を周回するリング状の空間がある。図１０に
示すトーチにおいては、同心状に２つのノズル６１，６
２が設けられており、内側のノズル６１でプラズマアー
クを絞って噴射し、２つのノズルの隙間から、キャリア
ガス５４と共に粉体５３をプラズマアーク柱５７内に供
給する。

【０００３】図１１に従来のプラズマ肉盛装置を用いた
肉盛の様子を示す。図１１に示すようにアーク５７内に
肉盛用の金属粉体５３を供給し、さらにプラズマトーチ
を所定の速度で図中Ａの方向に移動させて肉盛を行なう
。なお図中において、５６はシールドガス、５８は溶着
金属、５８ａは肉盛された金属、５８ｂは母材の溶込み
部、５９は母材、６０はノズル部材、をそれぞれ示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のプラ
ズマ粉体肉盛溶接では、肉盛りされた金属５８ａの幅（
ト−チの移動方向に直交する方向の横断面幅）が比較的
に広く、高さが低い。小幅で高い肉盛が求められる場合
、特に、加工対象の母材が比較的に小形で小幅の肉盛り
が求められる場合に、適合しえないことがある。プラズ
マト−チを小型にすることによりある程度肉盛幅を狭く
することはできるが、ア−クが小さくなると所要の溶込
みが得られなくなるので、ト−チ小型化には限界がある
。

【０００５】本発明は、横幅が比較的に狭く高さが比較
的に高い、溶込み品質の良い肉盛を得ることができるプ
ラズマ肉盛装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマト−
チ（１），ト−チ（１）の主電極（５１）と母材（５９
）との間にアークを形成するためのプラズマ電源（２０
），形成されたアーク中に金属粉体（５３）を供給する
粉体供給手段（３０）、および、ト−チ（１）および母
材（５９）の少くとも一方を他方に対して相対的に移動
させる駆動手段、を備えるプラズマ肉盛装置において、
ト−チ（１）の主電極（５１）の先端と母材（５９）の
間の空間に、主電極（５１）の中心軸に沿う方向および
前記移動の方向に直交する成分を有する磁束を発生する
磁束生成手段（２，３，１０）を備えることを特徴とす
る。

【０００７】

【作用】これによれば、磁束生成手段（２，３，１０）
が、ト−チ（１）の主電極（５１）の先端と母材（５９
）の間の空間に、主電極（５１）の中心軸に沿う方向お
よび前記移動の方向に直交する成分を有する磁束を発生
するので、該空間に生成されるア−クに、フレミングの
左手の法則に従って、ト−チ（１）と母材（５９）との
相対移動方向に偏向力が作用する。これによりア−クが
該移動方向に振れる。ア−クに供給された金属粉体（５
３）はア−クと共に移動するが、上記振れによりア−ク
の横断面（母材表面に平行な面に沿う断面）形状が大略
で非対称楕円形（略たまご形）となり、母材の溶融幅（
移動方向に直交する方向）が狭くなり、溶融長（移動方
向に沿う方向）が広くなる。溶融幅が狭くなったことに
対応して肉盛幅が狭くなり、溶融長の広がりに対応して
溶融金属中のガス成分の浮上逃散が促進し欠陥がない高
品率の肉盛が得られる。

【０００８】本発明の他の目的および特徴は図面を参照
した以下の実施例の説明より明らかになろう。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の一実施例の構成概略を示すブ
ロック図である。粉体供給路を内部に有するプラズマト
ーチ１に、プラズマ電源２０および粉体供給装置３０が
接続されている。プラズマ電源２０および粉体供給装置
３０には、制御装置、冷却水装置、シールドガス源、プ
ラズマガス源、キャリアガス源等が接続されている。な
お、図示を省略したが、母材５９とト−チ１の一方を紙
面と垂直な方向に定速駆動する駆動装置もあり、これも
制御装置に接続されている。これらの構成および接続等
は従来のプラズマ肉盛装置のものと同様である。

【００１０】図１に示すプラズマ肉盛装置のプラズマト
−チ１には、励磁コイル３を巻回した磁極片２が装着さ
れており、励磁コイル３がオシレート制御盤１０に接続
されている。このオシレート制御盤１０には励磁コイル
３に通電する電源回路と、オペレ−タの入力操作に対応
して励磁コイル３の通電電流値，オン（通電）／オフ（
非通電）周期および通電デュ−ティを設定し、スタ−ト
入力に応答して励磁コイル３への通電を開始し、ストッ
プ入力に応答して通電を停止する制御回路が備わってい
る。励磁コイル３が通電されると、磁極片２が、ト−チ
１の下端と母材５９の上表面間の空間を左右に横切る磁
束を発生する。ト−チ１から母材５９に向かうプラズマ
ア−クがあると、このア−クが紙面の裏側に、又は表面
側に偏向する。

【００１１】図２に、図１に示すプラズマトーチ１と磁
極片２の位置関係を示す。図２の（ａ）はプラズマトー
チ１の下面を示し、（ｂ）は正面（図１と同じ面）を示
す。磁極片２の一端の先端面は、該先端面より発生する
磁束が、トーチ１より発生するアーク柱を横切るように
、トーチ１よりも更に下側にあり、ア−クに対向する。 　　図３に、図１に示すプラズマトーチ１の右側面を示
す。すなわち図３は、図２の（ｂ）の矢印Ｂの方向から
プラズマトーチ１の先端を見た図である。トーチ１は、
その中の電極棒５１と母材５９との間に生成されるアー
ク柱５７の中に粉体５３を供給しながら、母材５９に対
して矢印Ａの方向に移動する。供給された粉体５３は主
としてアーク中で溶融し、母材５９の表面に衝突し、溶
融金属５８を形成する。溶融金属５８は、母材５９の表
面部に溶込み部５８ｂを形成し、トーチ１の移動に伴い
、肉盛金属５８ａとして母材５９上に固定される。なお
、５６はシールドガス、６０はノズル部材（インサート
チップ）である。

【００１２】ところで上述のように、磁極片２が、ト−
チ１の下端と母材５９の上表面間の空間を、図１では左
右に、図３では紙面と垂直に、横切る磁束を発生すると
、この磁束によりアーク５７が、アーク５７ａのように
ト−チ１の移動方向Ａ（図３）に曲げられる。アークの
この曲がりは、磁極片２より発生する磁束の強さ（励磁
コイル３の電流値）に対応するので、オシレート制御装
置１０において励磁コイル３に定周期で間欠通電すると
、あるいは定周期で正，逆交互通電（通電極性の切換え
）をすると、ア−ク５７が定周期で、ト−チ１の移動方
向Ａに揺動（オシレ−ト）する。オシレ−トの振幅は電
流値（ア−ク電流値および励磁コイル電流値）に対応し
、それが大きいと大きい。

【００１３】励磁コイル３に通電していないときには、
図５の（ａ）に示すように、ア−ク５７は母材５９に直
進する。励磁コイル３に正方向通電をすると図５の（ｃ
）に示すように、ア−クは５７で示すように、左方向Ａ
に曲がる。励磁コイル３に逆方向通電をすると右方向に
曲る。図５の（ａ）および（ｃ）に示すようにトーチ１
の先端と母材５９の間隔を８ｍｍとしたとき、その中間
部（Ａ１−Ａ２ライン）でのア−クの横断面形状は、励
磁コイル３に通電していない（図５のａ）ときには図５
の（ｃ）に示すように円形であるが、励磁コイル３の通
電によりア−クが曲げられているときには図５の（ｄ）
に示すように非対称楕円形となり、曲り方向Ａと直交す
る方向の幅（短軸直径）が通電がないときよりも狭くな
る。なお、このときア−クの曲り量は、母材５９の表面
上で５ｍｍである。励磁コイル３の通電を図４に示すよ
うに０．５秒周期，通電デュ−ティ５０％の間欠通電（
オシレ−ト通電）にすると、ア−クの横断面形状は、０
．２５秒毎に大きい直径の円形（図５のｄの２点鎖線）
と幅が狭い非対称楕円形（図５のｄの実線）に切換わり
、時系列平均では、これらの円形と非対称楕円形が曲り
方向Ａで並んだ、Ａ方向に長い横断面形状となる。

【００１４】母材５９およびトーチ１共に静止固定した
ままで、所定の時間だけ肉盛溶接を行なった。なお、肉
盛溶接条件は、プラズマ電流１２０Ａ、パウダーガス（
アルゴン）流量２リットル／ｍｉｎ、シールドガス（ア
ルゴン）流量５リットル／ｍｉｎ、パウダ送給量５ｇ／
ｍｉｎ、である。図６に得られた肉盛金属の外形を示す
。図６の（ａ）および（ｂ）は、励磁コイル３に通電し
ないで得られた、図３，図５に示す方向Ａから見た外形
および方向Ａと直交する（紙面に垂直な）方向から見た
外形を示す。励磁コイル３に通電しないときには、肉盛
金属はなだらかな丸丘崚形状となる。図６の（ｃ）およ
び（ｄ）には、励磁コイル３に上述のオシレ−ト通電し
たときに得られた、図３，図５に示す方向Ａから見た外
形および方向Ａと直交する（紙面に垂直な）方向から見
た外形を示す。励磁コイル３にオシレ−ト通電したとき
には、ア−クの曲り方向（Ａ）と直交する方向では急俊
な山形状でア−クの曲り方向では長く伸びたものとなり
、オシレ−ト通電しない場合よりも、方向Ａと直交する
方向では幅が狭くしかも高さが高くなる。

【００１５】次に、プラズマトーチ１を１２０ｍｍ／ｍ
ｉｎの速度で移動させて、上述の肉盛溶接条件と同じ条
件で肉盛溶接を行なった。図７に得られた肉盛金属の外
形を示す。図７の（ａ）および（ｂ）は、励磁コイル３
に通電しないで得られた、図３，図５に示す方向Ａから
見た外形および方向Ａと直交する（紙面に垂直な）方向
から見た外形を示す。励磁コイル３に通電しないときに
は、肉盛金属の急俊度（高さ／横幅）が小さい（１．５
／７．１＝０．２１１）。図７の（ｃ）および（ｄ）に
は、励磁コイル３に上述のオシレ−ト通電し、かつプラ
ズマト−チ１を方向Ａで移動させたときに得られた、図
３，図５に示す方向Ａから見た外形および方向Ａと直交
する（紙面に垂直な）方向から見た外形を示す。このよ
うに、励磁コイル３にオシレ−ト通電し、この通電によ
るア−クの曲り方向Ａと同方向にプラズマト−チ１を移
動させたときには、急俊度が１．９／５．５＝０．３４
５となり大きくなる。加えて、ア−クが進向方向の前方
に曲るので、溶融長が進行方向に広がり、これに対応し
て溶融金属中のガス成分の浮上逃散が促進し欠陥がない
高品率の肉盛が得られる。図７の（ｅ）および（ｆ）に
は、励磁コイル３に上述のオシレ−ト通電し、かつプラ
ズマト−チ１を方向Ａとは逆のＣ方向（図５のｃ）で移
動させたときに得られた、図３，図５に示す方向Ａから
見た外形および方向Ａと直交する（紙面に垂直な）方向
から見た外形を示す。このように、励磁コイル３にオシ
レ−ト通電し、この通電によるア−クの曲り方向Ａと逆
方向にプラズマト−チ１を移動させたときには、急俊度
が１．３／４．０＝０．３２５となる。このように急俊
度が大きいと共に、肉盛金属の横幅がきわめて狭くなる
。この場合にも、溶融長が進行方向に広がり、これに対
応して溶融金属中のガス成分の浮上逃散が促進し欠陥が
ない高品率の肉盛が得られる。

【００１６】図８に、本発明のプラズマ肉盛装置を、エ
ンジンバルブの周面の肉盛溶接に使用した態様を示す。 この例では、プラズマト−チ１を固定し、バルブを所定
速度で回転させた。バルブ上に形成すべき肉盛幅（要求
肉盛幅）が５．５ｍｍであったとき、溶接条件として、
プラズマ電流５１Ａ、パウダーガス（アルゴン）流量２
／ｍｉｎ、シールドガス（アルゴン）流量５／ｍｉｎ、
パウダ送給量５ｇ／ｍｉｎ、バルブの周速度４８０ｍｍ
／ｍｉｎ、ア−クの振れ方向はバルブの回転方向とし、
上述のオシレ−ト通電条件で励磁コイル３に通電した。 その結果好適な肉盛が得られた。

【００１７】

【発明の効果】本発明のプラズマ肉盛装置によれば、横
幅が比較的に狭く高さが比較的に高い、溶込み品質の良
い肉盛を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の一実施例の構成概略を示すブロッ
ク図である。

【図２】　　図１に示すプラズマトーチ１と磁極片２の
位置関係を示す図であり、（ａ）はプラズマト−チ１の
拡大下面図、（ｂ）は拡大正面図である。

【図３】　　図１に示すプラズマト−チ１の拡大側面図
である。

【図４】　　図１に示す励磁コイル３への通電の通電波
形を示すタイムチャ−トである。

【図５】　　図１に示すプラズマト−チ１の先端部を拡
大して示しかつア−クの横断面形状を示すものであり、
（ａ）および（ｃ）はプラズマト−チ１の拡大側面図、
（ｂ）は（ａ）に示すア−ク５７のＡ１−Ａ２線拡大断
面図、（ｄ）は（ｃ）に示すア−ク５７ａのＡ１−Ａ２
線拡大断面図である。

【図６】　　プラズマトーチ１および母材５９を静止さ
せて図５の（ａ）および（ｃ）の態様で肉盛溶接をして
得られた肉盛金属の外形を示す図面であり、図６の（ａ
）および（ｂ）は図５の（ａ）の態様（ア−クの曲りな
し）で得られた肉盛金属の正面図および側面図、図６の
（ｃ）および（ｄ）は図５の（ｃ）の態様（ア−クの曲
りあり）で得られた肉盛金属の正面図および側面図であ
る。

【図７】　　プラズマトーチ１を移動をして肉盛溶接を
行なったときに得られた肉盛金属の外形を示す図面であ
り、図７の（ａ）および（ｂ）は、図５の（ａ）の態様
（ア−クの曲りなし）で得られた肉盛金属の正面図およ
び側面図、図７の（ｃ）および（ｄ）は図５の（ｃ）の
態様（ア−クの曲りあり）でしかもプラズマト−チ１の
移動方向がア−クの曲り方向と同じ方向のときに得られ
た肉盛金属の正面図および側面図、図７の（ｅ）および
（ｆ）は図５の（ｃ）の態様（ア−クの曲りあり）でし
かもプラズマト−チ１の移動方向がア−クの曲り方向と
逆方向のときに得られた肉盛金属の正面図および側面図
である。

【図８】　　図１に示すプラズマト−チ１でエンジンバ
ルブに肉盛溶接を行なう一態様を示す側面図である。

【図９】　　従来の肉盛溶接用のプラズマト−チの先端
部の縦断面図である。

【図１０】　　従来のもう１つのプラズマト−チの先端
部の縦断面図である。

【図１１】　　従来のプラズマト−チを用いた肉盛溶接
の様子を示すトーチ側面図である。

【符号の説明】

１：トーチヘッド　　　　　　　　　　　　　　　　２
：磁極片３：励磁コイル　　　　　　　　　　　　　　
　　１０：オシレート制御盤 ２０：プラズマ電源装置　　　　　　　　　　３０：粉
体供給装置３１：粉体供給口　　　　　　　　　　　　
　　　　５１：電極５２：プラズマガス　　　　　　　
　　　　　　　５３：粉体５４：キャリアガス　　　　
　　　　　　　　　　５５：冷却水５６：シールドガス
　　　　　　　　　　　　　　５７：プラズマアーク柱 ５８：溶融金属　　　　　　　　　　　　　　　　　　
５８ａ：肉盛金属５８ｂ：溶込部　　　　　　　　　　
　　　　　　　　５９：母材６０：ノズル部材　　　　
　　　　　　　　　　　　６０ａ：粉体供給孔６１，６
２：ノズル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　プラズマト−チ，該ト−チの主電極と
   母材との間にアークを形成するためのプラズマ電源，形
   成されたアーク中に金属粉体を供給する粉体供給手段、
   および、前記ト−チおよび母材の少くとも一方を他方に
   対して相対的に移動させる駆動手段、を備えるプラズマ
   肉盛装置において、前記ト−チの主電極の先端と母材の
   間の空間に、主電極の中心軸に沿う方向および前記移動
   の方向に直交する成分を有する磁束を発生する磁束生成
   手段を備えることを特徴とするプラズマ肉盛装置。
2. 【請求項２】　　磁束生成手段は、前記ト−チの主電極
   の先端と母材の間の空間に対向する端面を有する磁性体
   コア，該磁性体コアに巻回された電気コイルおよび該電
   気コイルに通電する手段でなる、請求項１記載のプラズ
   マ肉盛装置。
3. 【請求項３】　　通電する手段は、所定周期で通電を間
   断もしくは通電方向を反転する請求項２記載のプラズマ
   肉盛装置。