JPH06277849A - 溶接用ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶接ノズルへのスパッター付着を完全に防止
するために炭素系材料リングを金属ノズル先端部に強固
かつ強靭に接合させ、炭素系材料リングの破損、弛み、
脱落のない溶接用ノズルであってスパッターを全く付着
させないものを開発すること。 【構成】 金属ノズルと炭素系材料リングとを冶金的に
接合すること、及びこの冶金的接合に際して、炭素系材
料リングの接合部にメタライズ処理や金属含浸処理を施
す手段、炭素系材料リングと金属ノズルとの間に両者の
中間的線膨脹係数を有する中間層を介在させる手段、同
じく両者の間に金属製リングを介在させてこの金属製リ
ングの一端に前記各手段により炭素系材料リングを冶金
的に接合させ金属製リングの他端を機械的に金属ノズル
に接合させる手段、などを併用すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶接用ノズルに係わり、
さらに詳しく述べれば、炭酸ガス溶接、Ｔｉｇ、Ｍｉｇ
等のアーク溶接に使用されるノズルに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の溶接用ノズルの技術としては、例
えば特公昭５６−１０９８２号公報、特開昭５５−１０
３５０号公報などがあげられ、これらには銅、銅合金、
アルミニウム又はアルミ合金、或はこれらにクロムやク
ロム合金等をメッキまたは表面処理したトーチノズルな
どが開示されている。しかし、これらはそのままの状態
では発生したスパッターの付着を防止することはでき
ず、通常これらの表面に前もってスパッター付着防止剤
を塗布していたのである。このスパッター付着防止剤と
しては、ワセリン、樹脂やタルク、黒鉛、金属窒化物及
び金属炭化物等の耐熱性の粉末などがあげられ、これら
を適宜の樹脂や溶剤等と混合して用いて来たのである。

【０００３】このような方式において、半自動溶接の場
合では作業者が常にトーチを持ち、小まめにノズルに付
着したスパッターを除去しては付着防止剤の塗布を行な
っており、また全自動溶接やロボット溶接でもスパッタ
ー付着の度に作業者がそのスパッターを除去していたの
である。また、この様な問題から最近はトーチノズルそ
のものを黒鉛のような炭素質材料で作成したもの（実公
昭５２−３３８０号公報）などが出現して来たが、この
方法ではスパッターの付着は少なくなり除去作業も短時
間ですむという効果はあるが、黒鉛材は金属に比べ本質
的に強度が劣り、また靭性にも乏しいため、ネジ部の破
損が上記除去作業の際しばしば発生していたのである。

【０００４】このため特開昭６１−４６３７５号公報に
開示されているように焼ばめ方式で黒鉛の筒を銅製の円
筒に挿入・冷却することで両者の接合を行なうことも試
みられているが、黒鉛の寸法精度は金属より劣り、また
摩耗しやすいこともあって、接合精度が悪くてすぐ外れ
る、または熱膨脹の差で黒鉛が破損しやすいという問題
があった。またトーチノズルを酸化物セラミックや非酸
化物セラミックで作ったもの（実公昭６２−１７９１７
２号公報）や、グラファイト製ノズルにこれらをコーテ
ィングしたもの（特開昭５８−２２１６８０号公報）な
ども出現しているが、いずれの場合もスパッターの付着
は少なくなり除去作業が短時間になるが、金属に比べて
強度や靭性に乏しく、また熱膨脹の差による黒鉛と同様
の問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように炭素系材
料が溶接時のスパッター付着を防止する点で極めて効果
的な材料であることはよく知られたことであり、この炭
素系材料を溶接ノズルに使用する際、従来は全体を炭素
系材料で形成する方法や、炭素系材料のリングにネジを
切り金属ノズル本体に螺接する方法や、あるいは機械的
にカシメル方法等が採られているが、これらはいずれも
炭素系材料が脆弱なために、使用中に破損したり、ある
いはネジ部やカシメ部が弛くなり脱落しやすい欠点を有
していたのである。

【０００６】本発明は上記のような問題点を解決するこ
とを目的としてなされたものであって、従来のノズル全
体を炭素系材料で形成することによる破損の問題と、金
属ノズル本体と機械的に接合する際の弛みや脱落の問題
を解決し、極めてすぐれたスパッター付着防止性を有す
る新しい構造の溶接用ノズルを提供せんとするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題に
関して鋭意研究を行い、上記問題の解決のためには、先
端部分のみ炭素系材料にして、しかも機械的接合の代り
に冶金的な接合方法を採用すれば良いこと、そしてこの
冶金的接合に際して各種の有効手段を併用的に採用すれ
ば、より高機能なものが得られることを見い出したので
ある。

【０００８】すなわち本発明は、金属ノズルの先端部
に、炭素系材料からなるリングが冶金的に接合されてな
ることを特徴とする溶接用ノズル、を要旨とするもので
あり、この冶金的接合手段として直接ろう付する方法の
外に、炭素系材料リングの接合部にメタライズ処理を施
して後、ろう材で接合させる手段、炭素系材料リングの
接合部分に金、銀、銅、或はケイ素を含浸させてから前
記冶金的接合を行なう手段、また金属ノズルと炭素系材
料リングとの間に炭素−金属複合材料のような両者の中
間的な線膨脹係数を有する材料からなる中間層を介在さ
せる手段、さらにはこれらの技術を応用して金属製リン
グと炭素系材料リングとを接合させてこの金属製リング
の他端に金属ノズルの先端を螺着の様な機械的な方法で
接合させる手段、などを包含するものである。

【０００９】本発明は、溶接スパッターが最も付着しや
すいノズルの先端部分を炭素系材料で形成したリングで
構成し、このリングを金属ノズルの先端に冶金的に接合
したものである。したがってアルゴンや炭酸ガスでシー
ルドした溶接作業において発生する溶融金属のスパッタ
ーはノズル先端部分に集中するものの、この先端材料が
溶融金属を付着させない炭素系材料であるため、スパッ
ターが付着しにくく、また炭素は本来燃えて消失する性
質があるためたとえ僅かにスパッターが付着してもその
スパッターは簡単に自己脱落するのである。

【００１０】本発明における炭素系材料リングは、請求
項１〜５の様に金属ノズルに冶金的接合により、また請
求項６〜７の様に金属ノズルに中間層を介在して冶金的
接合により、さらには請求項８〜１１の様に金属製リン
グに冶金的接合により、それぞれ接合しているので強固
に接合され、この炭素系材料リングが破損したり、弛く
なって脱落するようなことはないのである。

【００１１】本発明における炭素系材料とは、炭素質、
炭素黒鉛質、黒鉛質、或は炭素−金属複合材料を意味
し、これらによって金属ノズルの先端とほぼ同一の直径
を有するリングに形成したものを使用するのである。ま
た、この金属ノズルとしてはその材質が、銅、銅合金、
鉄、鉄合金、アルミ、アルミ合金などであるものが好適
に使用できる。なお、銅としてはタフピッチ銅、無酸素
銅、リン脱酸銅が望ましく、銅合金としては銅に錫、亜
鉛、ニッケル、鉄等の元素が合金化されたもの、鉄とし
ては純鉄が好ましく、鉄合金としては鉄に炭素、ニオ
ブ、チタン、バナジウム、タングステン、モリブデン、
クロム、マンガン、ニッケル、ケイ素、ホウ素等の元素
が合金化されたもの、またアルミとしてはアルミ地金が
好ましく、アルミ合金としてはアルミにマンガン、ケイ
素、マグネシウム、銅、亜鉛等の元素が合金化されたも
のが好適である。

【００１２】さらに本発明における冶金的接合とは、拡
散あるいは濡れを伴なう冶金的接合であって、具体的に
は拡散接合、或はろう付等を意味するものである。炭素
系材料と金属を冶金的に接合するとき、膨脹係数の違い
による熱応力が問題になるが、溶接電流が比較的小さい
場合の金属ノズルであるとその金属として銅が使用でき
るため、接合する際その銅を焼鈍させながら行なうと直
接ろう付により接合することも可能である。

【００１３】この直接ろう付する方法（請求項４）に用
いるろう材には、銀ろう、銅ろう、ニッケルろう、金ろ
う、高温半田等に活性金属を配合したろう材等の、通常
この種の用途に使用されるろう材はすべて使用できる。
なおここで、本発明の炭素系材料とは前記した炭素質、
炭素黒鉛質、黒鉛質、炭素−金属複合材料の外に炭素と
セラミックの複合体も包含するものである。炭素とセラ
ミックの複合体とは、例えば炭素に炭化ケイ素、窒化ケ
イ素、窒化ホウ素、窒化アルミ等の成分が混ざったもの
である。

【００１４】溶接電流の大きい溶接ノズルにおいて、熱
応力によって炭素系材料のリングが破壊される場合があ
り、この熱応力を緩和するためには、炭素系材料として
炭素−金属複合材料を使用する手段が有効であり、その
外に、炭素系材料の接合部分に請求項５、９の金属含浸
法などを施す手段、また請求項６、７、１０、１１の様
に中間的な線膨脹係数を有する中間層を介在させる手
段、等が非常に有効な方法となるのである。

【００１５】まずメタライズ法としては、炭素系材料リ
ングの接合面をメタライズした後、相手金属とろう付あ
るいは拡散接合する方法であり、メタライズ合金にはケ
イ素あるいはケイ素合金、又は活性金属等の通常この種
のメタライズに使用されている合金はすべて使用でき
る。またこのメタライズとして、ニッケルメッキと熱拡
散処理を併用した処理方法も有効に用いることができ
る。このメタライズの後にろう付するろう材としては、
少くとも３５０〜４００℃で再溶融するものでない限
り、すべて使用でき、例えば、銀ろう、銅ろう、低融点
のニッケルろう、金ろう、高温半田等が適宜に使用でき
るのである。

【００１６】次に金属含浸法としては、炭素系材料リン
グの接合部分に金、銀、銅、あるいはケイ素を含浸させ
る方法である。この含浸させる金属としては上記の単体
金属のみならずこれらの合金、すなわち金合金、銀合
金、銅合金、ケイ素合金等も含まれているのである。例
えば金合金としては、金に銀、パラジウム、銅の元素が
合金化されたものであり、銀合金としては銀にパラジウ
ム、白金、イリジウム、金等が合金化されたものであ
り、銅合金としては銅に錫、亜鉛、ニッケル、鉄等の元
素が合金化されたものであり、ケイ素合金としてはケイ
素に銅、銀、アルミ等が合金化されたものである。

【００１７】また中間層を介在させる手段としては、炭
素系材料と金属ノズルとの中間的な線膨脹係数を有する
材料の箔または板でもってリング状の中間層を作って介
在させる方法である。この中間的な線膨脹係数を有する
材料としては、炭素−金属複合材料が好ましく、例えば
炭素に銅を含浸させた材料、あるいは銅に炭素を混合し
て焼結した材料等があげられる。その他この中間層とし
て使用できる材料は、モリブデン、ダングステン、コバ
ール（ニッケル２９％、コバルト１７％、鉄５４％の合
金）、４２ニッケルアロイ等の低膨脹性金属、炭化タン
グステン−コバルト、炭化チタン−ニッケル等のサーメ
ット、あるいは炭化ケイ素、窒化ケイ素等の低膨脹性セ
ラミック、さらには銅に窒化ホウ素を混合して焼結した
材料等があげられる。

【００１８】さらに金属製リングを使用する手段として
は、金属ノズルと炭素系材料リングとの間に適宜の金属
製リングを介在させる方法であり、金属ノズルの先端部
と金属製リングの一端部とをネジの様な機械的接合手段
により接合するのである。つまり金属製リングの他端と
炭素系材料リングとの接合は、前述した様な各種の冶金
的接合、すなわち、直接ろう付法、メタライズ法や金属
含浸法を施してから冶金的に接合する方法、中間層を介
在させた接合方法、等により接合させて、その金属製リ
ングと金属ノズルを螺着等の機械的手段で接合するので
ある。

【００１９】本発明は以上の様な構成からなり、その作
用は前述した通り、溶接スパッターが最も集中して付着
しやすい溶接ノズルの先端部分を炭素系材料で構成して
いるため、スパッターの付着はほとんどなく、たとえ僅
かに付着したとしても炭素系材料の燃焼性によりスパッ
ターは簡単に自己脱落し、従来のスパッター付着による
能率低下が大幅に改善されるのである。しかも本発明で
はこの炭素系材料リングと金属ノズルとの接合が冶金的
に行なわれているため一体的に強固に接合されており、
従来の様に炭素系材料リングが破損したり弛くなって脱
落する様なことはないのである。

【００２０】

【実施例】

実施例１ 銅合金製の溶接ノズル本体の先端部分を２０mm切り取
り、この部分に形状が外径２１．５mm、長さ２０mm、厚
さ２．５mmのカーボンリングであってその接合部となる
部分に金含浸を施した（請求項５）炭素系材料をろう付
した。ろう付けは下記の様な工程で行った。 ろう付け工程 カーボンリングの接合面にニッケルメッキを施し、つい
で真空中９５０℃で熱拡散処理を行ないメタライズして
（請求項２、３）、ノズル本体と真空中でろう付した。
ろう材はＢＡｇ−８（ＪＩＳ規格）を用いた。

【００２１】上記の様にして得られた溶接用ノズルを使
用して炭酸ガス溶接テストを行なった。 溶接条件 溶接法 炭酸ガス自動溶接 溶接電流 ３００Ａ アーク電圧 ３０Ｖ 溶接速度 ４００mm／分 ワイヤー 直径１．２mm ガス流量 ２０リットル／分 上記の溶接条件により、下向きすみ肉溶接を１０秒間ア
ーク→１秒間休止のサイクルで繰返し溶接した。

【００２２】実施例２ 実施例１のカーボンリングの代りに等方性の純黒鉛リン
グを使用した。金属ノズルとの接合には中間層として銅
−炭素焼結材料の厚さ１mmの薄板をリング状に形成して
用い（請求項６、７）、これを間に挟んで接合した。純
黒鉛リングと上記中間層及びノズル本体は、銀ろうに活
性金属の配合されたろう材を用いて直接接合した。この
ようにして得られた溶接用ノズルを、実施例１と同様の
条件で溶接に使用した。

【００２３】比較例ａ 無処理の純銅製ノズルを使用して実施例１と同様の条件
で溶接に使用した。 比較例ｂ 炭化ケイ素と樹脂の混合物をスパッター付着防止剤とし
て塗布した純銅製ノズルを使用して、実施例１と同様の
条件で溶接に使用した。 これら実施例１、実施例２、比較例ａ、比較例ｂにおい
て測定した累積アークタイムによるスパッター付着状態
を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】この表１の様に本発明による溶接ノズルに
は累積アークタイムが長いにもかかわらずスパッターの
付着は全くなく、しかも炭素系材料リングの弛みや脱落
は発生しなかったのである。

【００２６】実施例３ 鉄合金製のノズル本体の先端部分を４０mm切り取り、ノ
ズル本体の切り取り部分に外ネジを加工した。一方、外
形２１．５mm、長さ２０mm、厚さ２．５mmのカーボンン
リングと、外径２１．５mm、長さ２０mm、厚さ２．５mm
のアルミリングを直接ろう付し、このアルミリングの他
端に上記外ネジに適合する内ネジを予め加工しておき、
このアルミリングとノズル本体を螺着して一体化した。
（請求項４、請求項８）

【００２７】上記の溶接用ノズルを使用して下記の条件
で、Ｍｉｇ溶接テストをした。 溶接条件 溶接法 アルゴンガス自動溶接 溶接電流 ４００Ａ アーク電圧 ４６Ｖ 溶接速度 ４５０mm／分 ワイヤー 直径１．６mm ガス流量 ２５リットル／分 上記の溶接条件で、下向きすみ肉溶接を１０秒間アーク
→１秒間休止のサイクルで行ない累積アークタイム５分
でトーチからノズルを外し、ついでまたネジで装着し、
繰返し溶接した。

【００２８】比較例ｃ 気孔率…１６％、熱伝導率…０．１９カロリー／cm秒℃
のグラファイト単独で構成した筒体の端部に外ネジを加
工して金属ノズル（内ネジ）に連結したものを使用して
実施例３と同じ条件で溶接試験した。 比較例ｄ 比較例ｃと同じグラファイト製筒体を、銅製金属円筒
（ネジ付き）に、焼ばめ方式で熱時に挿入し冷却するこ
とで両者を接合したノズルを使用して、実施例３と同じ
条件で溶接試験した。 これら実施例３、比較例ｃ，比較例ｄについて測定した
累積アークタイムと接合状態を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】この表から冶金的に炭素系材料リングを接
合した本発明ノズルは、その接合部が非常に強靭であ
り、炭素系材料リングが弛んだり脱落することは全くな
いことが認められたのである。それに比べて機械的接合
又は焼ばめ方式の接合では接合部がかなり弱いと判断さ
れたのである。

【００３１】

【発明の効果】以上詳細に説明した様に、本発明による
溶接用ノズルはスパッター付着を完全に防止すると共
に、炭素系材料リングと金属ノズル本体との接合も強靭
であり、耐久性も非常にすぐれたものとなっているので
ある。つまり、炭素系材料が本質的に金属に比べて強度
的に劣りかつ靭性に乏しく、その結果として従来では接
合部のネジ加工部等で破損しやすかったという問題、さ
らには従来の他の接合手段としての焼ばめ方式では炭素
系材料の消耗や線膨脹の差により接合部の嵌合が徐々に
悪くなって終には接合が維持できなくなる等の問題、な
どを本発明は冶金的接合、及びこの冶金的接合に際して
併用される種々なる有効手段を採用することにより解決
したのである。

【００３２】その結果、所定時間毎にノズルを清掃、交
換するという作業も大幅に排除できるし、従来のように
ノズルへのスパッターの付着状況を常時監視する必要は
全くなく、極めてすぐれた作業性を発揮し、溶接の全自
動化やロボット化が容易に実施・導入できる様になると
いう高度な効果を奏するのである。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属ノズルの先端部に、炭素系材料から
   なるリングが冶金的に接合されてなることを特徴とする
   溶接用ノズル。
2. 【請求項２】 冶金的接合が、炭素系材料からなるリン
   グの接合部をメタライズした後、ろう材によって接合さ
   れたものである請求項１記載の溶接用ノズル。
3. 【請求項３】 メタライズがニッケルメッキと熱拡散処
   理を併用した処理である請求項２記載の溶接用ノズル。
4. 【請求項４】 冶金的接合が、炭素系材料からなるリン
   グに直接ろう付する手段である請求項１記載の溶接用ノ
   ズル。
5. 【請求項５】 金属ノズルの先端部に、炭素系材料から
   なるリングが冶金的に接合された構造であって、かつ前
   記リングの接合部に金、銀、銅、或はケイ素が含浸され
   ていることを特徴とする溶接用ノズル。
6. 【請求項６】 金属ノズルの先端部に、炭素系材料から
   なるリングが、両者の中間的な線膨脹係数を有する中間
   層を介在して冶金的に接合されてなることを特徴とする
   溶接用ノズル。
7. 【請求項７】 中間層が炭素−金属複合材料である請求
   項６記載の溶接用ノズル。
8. 【請求項８】 炭素系材料からなるリングに金属製リン
   グを冶金的に接合し、前記金属製リングの他端部を金属
   ノズルの先端部と機械的に接合してなることを特徴とす
   る溶接用ノズル。
9. 【請求項９】 炭素系材料からなるリングの接合部が、
   金、銀、銅、或はケイ素によって含浸処理されている請
   求項８記載の溶接用ノズル。
10. 【請求項１０】 炭素系材料からなるリングと金属製リ
    ングの間に、両者の中間的な線膨脹係数を有する中間層
    が介在している請求項８記載の溶接用ノズル。
11. 【請求項１１】 中間層が炭素−金属複合材料である請
    求項１０記載の溶接用ノズル。