JPH0435268B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） この発明は、粉末を用いた肉盛溶接に適用され
る粉末肉盛溶接方法に関し、例えば自動車用や船
舶用エンジンバルブのフエース面における肉盛、
その他各種の肉盛溶接に適用される粉末肉盛溶接
方法に関するものである。 （従来技術） 従来、例えば自動車用のエンジンバルブを製作
するに際しては、そのフエース面の耐熱および耐
摩耗性を高めるために肉盛り溶接を行うことが多
い。 この肉盛溶接においては、バルブ等の被肉盛溶
接材に対する溶着が完全であること、肉盛溶着金
属の成分が肉盛溶着前の肉盛材成分に近いこと、
肉盛溶接部のビード形状が良好であること、肉盛
材の歩留りが高いこと、溶着金属の被肉盛溶接材
との融合状態が良好であること、などが要求され
るが、この肉盛溶接に際して粉末を用いたプラズ
マ肉盛溶接を採用する試みも進んでいる。 この際に使用される粉末肉盛溶接用プラズマト
ーチとしては、棒状電極と前記棒状電極の囲りは
配設したトーチ内筒との間からプラズマ作動ガス
を供給すると共に、前記トーチ内筒と前記トーチ
内筒の囲りに配設され且つ端部にプラズマアーク
噴出ノズルを備えたトーチ外筒との間からプラズ
マアーク中に肉盛溶接用粉末を供給する構成のも
のがあり、プラズマアークによつて前記肉盛溶接
用粉末を溶解すると共に、被肉盛溶接材を回転さ
せながらその表面に溶接肉盛するものがあつた。 しかしながら、このような粉末肉盛溶接用プラ
ズマトーチを用いて行う粉末肉盛溶接において
は、プラズマトーチと被肉盛溶接との間における
位置関係、例えば上下方向の間隔や水平方向のオ
フセツト量、あるいは溶接速度などが適切でない
場合、例えばプラズマトーチと被肉盛溶接材との
間隔が大きすぎる場合にはプラズマアークが不安
定になると共に溶着金属の被肉盛溶接材に対する
融合不良を生じることがあり、また上記間隔が小
さすぎる場合にはビード形状が悪くなり、あるい
は上記オフセツト量が適切でない場合には粉末が
溶解した溶融金属が被肉盛溶接材の肉盛溶接面に
うまくのらずにこの部分から流れ落ちたりするこ
とがあるという問題点があつた。 （発明の目的） この発明は、上述した従来の問題点に着目して
なされたもので、粉末を用いたプラズマアーク肉
盛溶接による溶接部のビード形状が著しく良好で
あると共に溶着金属と被肉盛溶接材との間におけ
る融合状態も著しく良好であり、特に自動車用の
エンジンバルブのフエース面における肉盛溶接の
場合のように肉盛溶接部がリング状をなすときで
も、溶接部のビード形状および融合状態が著しく
良好なものとすることができる粉末肉盛溶接方法
を提供することを目的としている。 （発明の構成） この発明は、棒状電極と前記棒状電極の囲りに
配設したトーチ内筒との間からプラズマ作動ガス
を供給すると共に、前記トーチ内筒と前記トーチ
内筒の囲りに配設され且つ端部にプラズマアーク
噴出ノズルを備えたトーチ外筒との間からプラズ
マアーク中に肉盛溶接用粉末を提供する構成の粉
末肉盛溶接用プラズマトーチを用い、被肉盛溶接
材を回転させつつ粉末肉盛溶接を行うに際し、前
記プラズマアーク噴出ノズルのノズル径をＤ（mm）
したときに、前記プラズマアーク噴出ノズル端と
前記被肉盛溶接材との間隔Ｌ（mm）を、0.5・Ｄ＋
６≦Ｌ≦Ｄ＋８の範囲にすると共に、前記被肉盛
溶接材の回転中心に対するプラズマトーチ軸心の
オフセツト角θを遅角側で7°≦θ≦20°として溶
接を行うようにしたことを特徴としており、より
望ましくは、溶接速度を3.8mm／sec以上とし、必
要に応じてプラズマトーチをウイービングなしで
肉盛溶接するようにしたことを特徴としている。 第１図はこの発明の粉末肉盛溶接方法において
用いる粉末肉盛溶接用プラズマトーチの一例およ
び被肉盛溶接材としてのエンジンバルブとの位置
関係を示す図であつて、このプラズマトーチ１
は、図示しない電源の陰極側と接続した棒状電極
２を中心に備え、この棒状電極２と同心状に且つ
間隔をおいてトーチ内筒３が配設してある。この
トーチ内筒３は図示例の場合、その下端にチツプ
４を備えていてねじ止めされているが、これらを
一体化したものであつても良い。そして、トーチ
内筒３およびチツプ４内には冷却水通路５が設け
てあると共に、棒状電極２とトーチ内筒３との間
でプラズマ作動ガス流通路６が形成してあり、さ
らにこの棒状電極８とトーチ内筒３との間にはプ
ラズマ作動ガス通過孔７を複数設けたプラズマ作
動ガス整流体８が配設してある。このプラズマ作
動ガス整流体８は、周方向に等間隔で設けた複数
のプラズマ作動ガス通過孔７によつて、上部から
矢印方向に供給されたプラズマ作動ガスの流れを
整流し、水平断面においてプラズマ作動ガスの流
れが均一化されるようにするはたらきをもつてい
る。また、このプラズマ作動ガス整流体８は、棒
状電極２の保持体としてもはたらくものであつ
て、棒状電極２を常にトーチ内筒３と同心状態に
保持し、棒状電極２に片減りを生じるのを防ぐよ
うにしている。また、トーチ内筒３の下端（図示
例の場合にはチツプ４の下端）にはプラズマアー
ク拘束ノズル９を備えている。 さらに、トーチ内筒３の外周部には間隔をおい
てトーチ外筒１１が配設してあり、このトーチ外
筒１１の下端部分にプラズマアーク噴出ノズル１
２が形成してあると共に、トーチ内筒３とトーチ
外筒１１との間で粉末供給路１３が形成してあ
り、図示しない粉末供給装置より粉末送給ガスと
共に供給した肉盛溶接用粉末１４がプラズマアー
ク１０中に供給できるようになつている。また、
トーチ外筒１１のノズル部分にも冷却水通路１５
が形成してある。さらに、トーチ外筒１１の下端
部分には前記プラズマアーク噴出ノズル１２と同
心状にガスレンズ１６が設けてあり、シールドガ
ス供給路１７から供給されるシールドガスがプラ
ズマアークの周囲を濃淡なく均一にシールドする
ようにしてある。 このような構成の粉末肉盛溶接用プラズマトー
チ１の下方には、被肉盛溶接材１８、図示の場合
はエンジン用バルブが配設してあり、この被肉盛
溶接材１８はバツクプレート１９上で回転可能に
保持されている。 粉末肉盛溶接に際しては、図示しない電源の陰
極側を棒状電極２に接続すると共に、同電源の陽
極側を被肉盛溶接材１８側に接続し、棒状電極２
と被肉盛溶接材１８との間でプラズマアーク１０
を発生させると同時に、粉末送給ガスと共に肉盛
溶接用粉末１４をプラズマアーク１０中に供給し
て溶融させた状態として前記被肉盛溶接材１８の
表面（バルブフエース面）に溶着させる。 このとき、棒状電極２とトーチ内筒３との間に
プラズマ作動ガス整流体８が設けてあるため、プ
ラズマ作動ガスは水平断面において濃淡のない均
一なものとなつており、プラズマガスの集中性を
高め、肉盛溶接用粉末１４の供給を水平断面にお
いて均一化し、棒状電極２の片減りを防止し、良
好な肉盛溶接が可能となるようにしている。ま
た、プラズマアーク１０および被肉盛溶接材１８
の肉盛溶接部分はシールドガスによつて覆われる
ことにより外気と有効に遮断されるため、良好な
肉盛溶接層を得ることができる。 なお、前記プラズマトーチの電極は、棒状をな
すものであり、例えば、タングステン等の高融点
金属（または合金）から形成されたものが使用さ
れる。この場合、電極の全体をタングステン等の
高融点材料から形成することも可能であるが、プ
ラズマアーク発生部分を上記高融点材料から形成
し、その他の部分は導電性水冷パイプなどから形
成することもできる。 また、肉盛溶接用粉末は、肉盛用として使用さ
れる例えば耐熱性合金や耐摩耗性合金、具体的に
はステライト等のCo基合金、コルモノイ等のNi
基合金、FMS等のFe基合金などが使用される。
この場合、粉末中に粒径の大きなものが多すぎる
とプラズマアークを用いた肉盛溶接時に溶け残り
が生じることがあり、反対に粉末中に粒径が小さ
なものが多すぎると粉末の飛散量が多くなつて歩
留りが低下することがあり、小径の粉末は大径の
粉末に比べて供給遅れを生じやすいため肉盛溶接
の終期において小径の粉末が切れ悪く出てきて低
い溶接ビードが形成されて溶接ビード形状を悪化
させることがあるので、粉末の粒径および分布を
適切なものとすることが望ましい。 この場合、肉盛溶接用粉末は、粉末送給ガスに
よるプラズマアーク中への供給時における流れが
良好であるように、ガス噴霧あるいはガス−水噴
霧等、液体噴霧の場合に比べて冷却速度の遅い粉
末製造法によつて製造したものを使用するのがよ
り望ましい。すなわち、液体噴霧によつて製造し
た粉末の形状は不規則形状のものが多く、粉末の
供給が円滑になされないと同時にプラズマアーク
による溶け込みが十分でないことがあるのに対し
て、ガス噴霧あるいはガス−水噴霧によつて製造
した粉末の形状は球形に近いものが多い比較的規
則形状のものであるため、粉末の供給が円滑にな
されると同時にプラズマアークによる溶け込みが
十分なものとなり、著しく良好な溶接ビード形状
が得られるので望ましいといえる。 上記した要領による粉末肉盛溶接において、第
２図に示す説明図を参照して、前記プラズマアー
ク噴出ノズル１２のノズル径をＤ（mm）としたと
きに、前記プラズマアーク噴出ノズル端と前記被
肉盛溶接材１８との間隔Ｌ（mm）を、0.5・Ｄ＋６
≦Ｌ≦Ｄ＋８の範囲にすると共に、前記被肉盛溶
接材１８の回転中心に対するプラズマトーチ軸心
のオフセツト角θを遅角側すなわち矢印Ａで示す
回転方向と反対側で7°≦θ≦20°として溶接を行
うようにする。 ここで、上記の関係に規制するのは、間隔Ｌ
（mm）がノズル径Ｄ＋８（mm）よりも大きすぎる
と、電源の陰極側と接続した電極２と、同電源の
陽極側と接続した被肉盛溶接材１８との間の距離
が長くなり、プラズマアーク１０が不安定になつ
て、溶接ビード形状が悪くなると共に、被肉盛溶
接材１８との間での融合不良を生じるためであ
り、間隔Ｌ（mm）が0.5・Ｄ＋６（mm）よりも小さ
すぎるとプラズマアーク１０によつて肉盛溶接部
の溶融金属が吹かれる傾向が強まることにより溶
接ビード形状が悪化するためである。またオフセ
ツト角θの値が7°よりも小さすぎると溶接ビード
形状が悪化すると共に被肉盛溶接材１８との間で
の融合不良を生じ、反対にオフセツト角θの値が
20°よりも大きすぎると溶接金属が被肉盛溶接材
１８より落下して溶接ビード形状が悪化し、被肉
盛溶接材１８との間での融合不良を生ずるためで
ある。 さらに、溶接速度が遅すぎると良好な溶接ビー
ム形状が得られなくなることがあるので、溶接速
度3.8mm／sec以上とすることがより望ましい。 さらにまた、特に自動車用エンジンのバルブフ
エース面に対する肉盛溶接の場合には、良好な溶
接ビード形状が得られるように、ウイービングな
しで溶接することがより望ましい。 さらにまた、肉盛溶接用粉末１４の材質などに
よつて、溶接アーク電流、溶接アーク電圧、プラ
ズマ作動ガス、粉末送給ガスなどのプラズマアー
ク溶接条件を適宜選定することが望ましいことは
いうまでもない。 （実施例） 次に、この発明の実施例を比較例と共に説明す
る。 第１図に示した粉末肉盛溶接用プラズマトーチ
１を使用し、第１表に示す条件で自動車用エンジ
ンの排気バルブ（直径50mm）のフエース面に対す
る肉盛溶接を行つた。このとき、プラズマアーク
噴出ノズル１２のノズル径Ｄ（mm）、プラズマトー
チノズル端と被肉盛溶接材１８との間隔Ｌ（mm）、
オフセツト角θ、を第２表に示す値に変化させ、
得られた溶接ビード形状および被肉盛溶接材１８
との間での融合状態を調べた。その結果を同じく
第２表に示す。

【表】

【表】

【表】 第２表において、◎は溶接ビード形状、融合
状態が著しく良好であることを示し、○
は溶接ビード形状、融合状態が良好であること
を示し、×は溶接ビード形状、融合状態
が良くないことを示している。
第２表に示す結果より明らかなように、この発
明の条件を満足する場合にはビード形状および融
合状態の両方共が良好であるのに対し、プラズマ
トーチノズル端と被肉盛溶接材との間隔Ｌ（mm）
が大きすぎたり、あるいは反対に小さすぎたり、
またオフセツト角θが大きすぎたり、あるいは反
対に小さすぎたりした場合には溶接ビード形状お
よび融合状態の両方を良くすることができないと
いう好ましくない結果となつた。 （発明の効果） 以上説明してきたように、この発明では、棒状
電極と前記棒状電極の囲りに配設したトーチ内筒
との間からプラズマ作動ガスを供給すると共に、
前記トーチ内筒と前記トーチ内筒の囲りに配設さ
れ且つ端部にプラズマアーク噴出ノズルを備えた
トーチ外筒との間からプラズマアーク中に肉盛溶
接用粉末を供給する構成の粉末肉盛溶接用プラズ
マトーチを用い、被肉盛溶接材を回転させつつ粉
末肉盛溶接を行うに際し、前記プラズマアーク噴
出ノズルのノズル径をＤ（mm）としたときに、前
記プラズマアーク噴出ノズル端と前記被肉盛溶接
材との間隔Ｌ（mm）を、0.5・Ｄ＋６≦Ｌ≦Ｄ＋８
の範囲にすると共に、前記被肉盛溶接材の回転中
心に対するプラズアントーチ軸心のオフセツト角
θを遅角側で7°≦θ≦20°として溶接を行うよう
にしたから、粉末を用いたプラズマアーク肉盛溶
接による溶接部のビード形状が著しく良好である
と共に溶着金属と被肉盛溶接材との間における融
合状態も著しく良好であり、特に自動車用のエン
ジンバルブのフエース面における肉盛溶接の場合
のように肉盛溶接部分がリング状をなすときで
も、溶接部のビード形状および融合状態が著しく
良好なものであるという非常に優れた効果を有し
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明において使用されうる粉末肉
盛溶接用プラズマトーチおよび被肉盛溶接材とし
てのエンジンバルブの縦断面説明図、第２図はプ
ラズマトーチと被肉盛溶接材との位置関係を示す
平面説明図である。 １……粉末肉盛溶接用プラズマトーチ、２……
棒状電極、３……トーチ内筒、６……プラズマ作
動ガス流通路、１０……プラズマアーク、１１…
…トーチ外筒、１２……プラズマアーク噴出ノズ
ル、１３……肉盛溶接用粉末供給路、１４……肉
盛溶接用粉末、１８……被肉盛溶接材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 棒状電極と前記棒状電極の囲りに配設したト
   ーチ内筒との間からプラズマ作動ガスを供給する
   と共に、前記トーチ内筒と前記トーチ内筒の囲り
   に配設され且つ端部にプラズマアーク噴出ノズル
   を備えたトーチ外筒との間からプラズマアーク中
   に肉盛溶接用粉末を供給する構成の粉末肉盛溶接
   用プラズマトーチを用い、被肉盛溶接材を回転さ
   せつつ粉末肉盛溶接を行うに際し、前記プラズマ
   アーク噴出ノズルのノズル径をＤ（mm）としたと
   きに、前記プラズマアーク噴出ノズル端と前記被
   肉盛溶接材との間隔Ｌ（mm）を、0.5・Ｄ＋６≦Ｌ
   ≦Ｄ＋８の範囲にすると共に、前記被肉盛溶接材
   の回転中心に対するプラズマトーチ軸心のオフセ
   ツト角θを遅角側で7°≦θ≦20°として溶接を行
   うことを特徴とする粉末肉盛溶接方法。 ２ 溶接速度を3.8mm／sec以上として溶接を行う
   ようにした特許請求の範囲第１項記載の粉末肉盛
   溶接方法。 ３ プラズマトーチをウイービングなしで肉盛溶
   接するようにした特許請求の範囲第１項または第
   ２項記載の粉末肉盛溶接方法。 ４ 被肉盛溶接材がエンジン用バルブである特許
   請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の粉
   末肉盛溶接方法。