JPH0647168B2 - 表面摩耗材を沈積させた金属基板を生成する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属基板上に表面摩耗材を沈積させた金属板を
生成する方法に関する。より詳細には、本発明は金属基
板の狭い表面上に溶接ビードの沈積を生成する方法に関
する。

〔従来の技術〕

従来、金属基板上に表面摩耗材を施すさまざまな種類の
溶接技術が知られている。例えば、米国特許第３，８０
３，３８０号及び第４，１２２，３２７号にはプラズ火
炎バーナを使用して基板上に金属粉末流を沈積する技術
が記載されている。さらに、米国特許第４，１４２，０
８９号等において、プラズムスプレイガンにパルスモー
ドアーク加熱を使用して基板上に粉末材被覆を施すこと
が知られている。さらに、米国特許第３，７８１，５０
８号に記載されているように、消耗性電極から被覆を形
成するために、移行型アークにパルス溶接電流を使用す
ることも知られている。

また、米国特許第４，１２５，７５４号及び第４，４７
２，６１９号からプラズマ移行型アークを使用して基板
上に硬い面を形成することも知られている。この場合、
被覆材の融解及び溶解は被覆粉末を導入できる溶融圏す
なわちパドルを生成するために、基板に比較的一定の電
流を与えて行われる。次に粉末もしくは粉末の少くとも
一成分が溶解して溶解圏の一体部が予め確立されたパド
ルの体積に加えられる。熱源は基板上を断続的に移動
し、この工程は所望長の溶接がなされるまで断続的に行
われる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、代表的な溶接電流の変動は溶接電流が溶
接開始時の始動電流値から主溶接電流値まで漸増して最
終値に到るような制約を受ける。

米国特許第３，４４９，５４４号、第３，５２１，０２
７号、第３，６２２，７４４号、第３，６６６，９０６
号及び第３，６８３，１４９号に開示されているような
パルスアーク電流を使用して電極から沈積を行うアーク
制御溶接技術も知られている。

比較的狭縁の基板や工作物の場合、適切なビード沈積を
得るのは困難であった。例えば、得られる沈積は一般的
に一回のパスに対しては0.508〜6.35cm（0.20〜0.250イ
ンチ）の範囲の厚さと1.588cm（0.0625インチ）までの
幅を有している。一般的に、公知の方法では基板を著し
く溶解したり精巧な冷却装置を使用することなく基板上
に2.45mm（0.100インチ）以下の幅の沈積を行うことは
できなかった。沈積幅が3.18mm（0.125インチ）以下で
ある場合には、表面硬化材の適切なベースを与え且つ満
足なヒートシンクを与えて表面硬化材の基板材との過剰
混合もしくは希釈を防止し且つ縁からこぼれるのを防止
するために、代表的に基板の幅と沈積幅との比は2.5〜
１に維持されている。この点について、1.91mm（0.075
インチ）より小さい沈積幅はこの方法には不適切と考え
られる。

従って、沈積溶接ビードのビード沈積形状を極めて精密
に制御することが本発明の目的である。

狭幅の金属基板上にビード沈積を行うことも本発明の目
的である。

基板の希釈度を最小限として基板上にビード沈積を行う
ことも本発明の目的である。

高さと幅の比が大きいビードを沈積させた金属基板を提
供することも本発明の目的である。

基板材の溶解及び流出が低減される基板材上への溶接ビ
ードの形成方法を提供することも本発明の目的である。

粉末金属及び合金、耐火硬質カーバイド等、もしくはこ
れらの混合物を被覆材として使用して狭幅基板に被覆材
である表面摩耗材の沈積を施すことができる方法を確立
することも本発明の目的である。

狭断面基板上の被覆沈積を著積して、高さと幅との比が
大大きい表面摩耗材の沈積を行う方法を提供することも
本発明の目的である。

〔問題点を解決する為の手段〕

要約すれば、本発明によりプラズ移行型アーク技術を移
行型アークパルスと組合せて使用することにより表面摩
耗材である金属粉末をビードとして沈積させ、金属基
板、より詳細には基板の極めて狭い表面上に表面摩耗材
の沈積を生成する方法が提供される。

この方法を実施する装置は溶接トーチと、非消耗性電極
と、パイロットアーク溶接電源と、主アーク電源とパル
ス制御装置を含んでいる。

溶接トーチは非消耗性電極及び不活性ガス流を受け入れ
る中央の第１の通路と、その周りに同心的に形成されて
金属粉末流を受け入れる第２の通路と、前記第２の通路
の周りに同心的に形成されてシールドガス流を受け入れ
る第３の通路で構成されている。

パイロットアーク溶接電源は電極とトーチ間にアークを
確立するために両者間に接続されている。主アーク電源
は電極と基板間に接続されて両者間にアークを確立し、
電極と基板間には不活性ガス流のプラズマ柱も確立され
る。

パルス制御装置は主アーク源へ接続され、主アーク電源
から供給される電力の振幅と接続時間を制御するための
電源を脈動させる。制御装置は周期ベースで電流を高パ
ルス電流値と低パルス電流値間で脈動させる。高パルス
電流値の振幅は基板上に溶接パドルを生成して金属粉末
を融解するために与えられる。低パルス電流値の振幅は
予め生成されたパドルを固体化させて一連の重畳する溶
接沈積を生成するために印加される。振幅持続時間だけ
でなく電流振幅の変動も溶接沈積形状を極めて精密に制
御しベース材の熱入力を低減する。これによって、狭い
断面幅を有する基板上に使用可能な表面硬化沈積を生成
することができる。

また、本発明が提供する方法では、非消耗性電極と工作
物の狭い表面間に移行型アークを確立し、アーク内に不
活性ガスのプラズ柱を形成し、工作物に沿って電極を移
動させながらプラズマ柱へ粉末金属流を供給して工作物
の狭い表面に沿って表面摩耗材である粉末金属を沈積さ
せ、工作物の狭い表面に沿って一連の重畳溶接沈積を得
るために電極の動作中に電極及び工作物への溶接電流を
高パルス電流値と低パルス電流値間で脈動させるステッ
プからなっている。

重畳沈積により形成されるビード沈積は１回のパスに対
して0.254〜3.18mm（0.010〜0.125インチ）の厚さと0.5
08〜3.18mm（0.020〜0.125インチ）の幅を有することが
できる。さらに、ビード高さとビード幅の比は１回のパ
スに対して0.5：１〜２：１の範囲とすることができ
る。さらに、基板幅と沈積幅との比は0.5〜1.0まで変動
することができる。

本発明はまた狭い表面を有し前記狭い表面上に表面摩耗
材である溶接ビードが沈積された金属基板を提供し、前
記ビードは一連の重畳溶接沈積により形成されることを
特徴としている。

パルスアーク溶接電流により、基板上に形成される融解
圏は常に生成され、サイズは伸縮して完全に固体化され
る。適切な時期に被覆材を加えることにより、溶接トー
チが与える熱入力の大部分を使用して粉末を溶解するこ
とができ、この熱の最少量のみが基板材へ向けられる。
これによって、基板材の溶解と流出が低減される。

多層を要する沈積では、前の被覆が基板となる。基板の
最少溶解が生じ、被覆材を一層ずつ蓄積して所望の高さ
とすることができる。

本技術のもう一つの利点は溶接熱入力の極めて効率的な
利用により、溶接沈積は極めて迅速に固体化することで
ある。また、代表的なＰＴＡ法を使用して沈積させた合
金に較べ、本技術を使用して評価を行った多くの合金で
より緻密な結晶構造が観察された。

この発明はタービンのホットセクションの修理、タービ
ンブレードの狭い端面の修理、及びタービンブレードの
側板シールの補修等に有効である。

〔実施例〕

第１図において、この発明を実施する為の溶接装置はト
ーチ１０と、非消耗性電極１１と、パイロットアーク溶
接電源１２と、主アーク電源１３と、パルス制御装置１
４とシステム制御器１５とを含んでいる。

トーチ１０は一般的に従来構造であり、電極１１を受け
入れる中央の第１の通路１６と、第１の通路１６の周り
に同心的で粉末金属流１８を受け入れる第２の通路１７
と、第２の通路の周りに同心的でシールドガス流を受け
入れる第３の通路１９を含んでいる。さらに、トーチ１
０は第１の通路１６の終端に絞りオリフィス２０を有
し、その中を工作物すなわち基板に向って不活性ガスが
向けられる。

第１図に示すように、アルゴン等の不活性ガスを送出す
るためにガスライン２２がトーチの第１の通路１６に接
続されている。次に、ガスライン２２は適切な不活性ガ
ス源（図示せず）に接続された入力ガスラインを有する
ガス流量制御及び測定装置２３へ接続されている。この
装置２３はトーチ１０の第１の通路１６に送出される不
活性ガス量を制御及び測定する。

同様に、適切なシールドガス源（図示せず）からアルゴ
ン等のシールドガスを送出するために、流量制御及び測
定装置２４がガスライン２５を介してトーチ１０の第３
の通路１９に接続されている。

さらに、粉末金属材槽２７を含む粉末金属配給装置２６
が供給ライン２８を介してトーチ１０の第２の通路１７
へ接続されていて、そこへ粉末金属を供給する。さら
に、適切な供給源（図示せず）から供給ライン２８へ不
活性ガスを導入して粉末金属の運搬を助けるよう構成さ
れた、流量制御及び測定装置２９がガスライン３０を介
して粉末金属配給装置２６へ接続されている。配給装置
２６へ配給されるガスはトーチ１０内に粉末金属を運ぶ
際重力を補助するのに使用され、且つ粉末金属を大気に
よる汚染から保護する。また、このガスは溶接圏の全体
ガス体積及び組成に加えられる。

パイロットアーク溶接電源１２はそれぞれ適切なケーブ
ル３１，３２及びトーチ１０内の（図示せぬ）内部接続
により電極１１と絞りオリフィス２０間に接続されてい
る。パイロットアーク溶接電源１２は電極１１と絞りオ
リフィス２０間にアークを確立するのに必要な溶接電流
を供給する。前記したように、電極１１は電源１２の負
端子へ接続され、トーチ１０の絞りオリフィス２０は電
源１２の正端子へ接続されている。

電極１１と基板２１間にアークを確立するための溶接電
流を供給するために、主アーク電源１２が両者間に接続
されている。前記したように、主アーク電源１３はそれ
ぞれ適切なケーブル３３，３４を介して電極１１及び基
板２１へ接続されている。前記したように、電極は電源
１３の負端子へ接続され、基板２１は電源１３の正端子
へ接続されている。

主アーク電源１３から電極１１及び基板２１へ供給され
る電力の振幅及び持続時間を制御するために、パルス制
御装置１４が適切なケーブル３５を介して主アーク電源
１３に接続されている。この点について、パルス制御装
置１４はプログラムされた持続時間だけ、第３図に示す
高パルス電流値と低パルス電流値間の電流を送出するよ
うに作動する。

システム制御器１５が各電流１２，１３が粉末金属配給
装置２６及びさまざまな流量制御器及び測定装置２３，
２４，２９に接続されて、これらの素子の動作を同期化
する。

動作に際しては、粉末金属材が配給装置２６からトーチ
１０へ供給され且つガスが通路１６，１９に向けられる
と、電源１２，１３が励起して電極１１と基板２１間に
移行型アークが確立される。同時に、通路１６を通って
供給された不活性ガスのプラズ柱３６が電極１１と基板
２１間に形成される。配給される粉末金属はこのプラズ
マ柱に送られ、湯形状で基板２１上へ転送されて溶接ビ
ードを形成する。粉末材の配給は装置２６により精密に
測定され、外部通路１９から配給されるガスは溶接圏を
大気汚染からシールドし且つ溶接圏の全体ガス体積及び
組成に加えられる。トーチ１０及び電極１１が基板２１
の長さに沿って移動すると、パルス制御装置１４が制御
器１５を介して起動して電極１１と基板２１への溶接電
流が第３図に示すような高パルス電流値と低パルス電流
値間で脈動する。高パルス電流値が出力されている期間
中に、溶接パドルが基板上に形成され、パドルに配給さ
れる消耗性粉末材がその場で溶解する。続いて低パルス
電流値が生じると、予め生成されたパドルは固体化して
溶接沈積となる。トーチ１０と電極１１が基板２１に沿
って移動すると、一連の重畳溶接沈積が生じてその結果
生じるビード沈積は一連の重畳溶接沈積により形成され
ることを特徴とする。

第２図を参照として比較すると、移行型アークを使用し
て基板を被覆する公知の技術は実質的に一定の溶接電流
を使用して基板上に材料の連続ビードを形成する。同図
に示されている様に従来装置では溶接電流の変動は代表
的に溶接開始時のある始動値から主溶接値へ漸増し、そ
の後主溶接値からある最終値へ低減するように制約され
ている。

〔発明の効果〕

この発明による表面摩耗材を沈積させた金属基板を生成
する方法の実施例は以上の通りであり基板上に得られる
ビード沈積は極めて狭い幅とすることができる。さら
に、ビードを沈積させる基板もかなり狭い幅とすること
ができる。例えば１回のパスに対するビード沈積厚は0.
254〜3.18mm（0.010〜0.125インチ）の範囲、且つ幅は
0.508〜3.18mm（0.20〜0.125インチ）の範囲とすること
ができる。

この方法により、基板を著しく融解することなく基板の
極めて狭い幅に粉末金属材を沈積させることができる。
このようにして、特にビード沈積幅が3.18〜1.27mm（0.
125〜0.035インチ）である場合に基板の精巧な冷却装置
が不要となる。

代表的に、１：１からの基板幅と沈積幅との比が維持さ
れる。0.889〜1.78mm（0.035〜0.07インチ）の幅の沈積
については、この比は１：２に増大することができる。
１回のパスに対する溶接沈積の高さと幅の比は、例えば
0.5：１〜２：１の範囲で精密に制御することができ
る。

このようにして、本発明はカーバイド等の耐火硬質材付
加物と共に広範な金属、金属合金もしくは金属と金属合
金の混合物を沈積させるのに使用できる技術を提供す
る。鉄、ニッケル及びコバルトベース合金を沈積するこ
とがきる。例えば、これにはステンレス鋼、高クロム
鉄、工具鋼、コバルト−クロム−タングステン合金及び
ニッケル−クロム−シリコン−ホウ素合金が含まれる。
さらに、これらの材料のいくつかと例えばタングステン
カーバイド、チタニュームカーバイド及びバナジウムカ
ーバイド等のカーバイド付加物との混合物も沈積するこ
とができる。材料選定のこの柔軟性がパルス移行型アー
ク技術の主な特徴であり、粉末以外の消耗剤を使用する
公知の方法にはない特徴である。

本発明はさらに表面硬化沈積ビード形状の極めて精密な
制御を維持できる技術を提供する。

さらに、本発明は最少限の熱で稀釈度を最少限としてか
なり狭幅の基板上にビード沈積を形成する技術を提供す
る。

この発明の方法を実施するには一例として３００シリー
ズプログラマにより給電されるホバートＣＹＢＥＲＴＩ
Ｇ−３００交直流溶接機を有するＰＳＭ−２表面溶接機
を用いて実施することができる。

被試験表面摩耗材には次のものが含まれる。

Ｓ−６（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ−Ｃ） Ｆ−９０（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ） Ｍｅｔｃｏ ３１−Ｃ（ＷＣ／Ｃｏ＋Ｎｉベース合金） ＧＳ １３１（Ｗ_２Ｃ＋Ｎｉベース合金） Ｎ−５０（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ） Ｗ−５１６（Ｗ_２Ｃ＋Ｃｏベース合金） Ｍ−２（工具鋼） ＷＣ／Ｃｏ （Ｖ，Ｗ）Ｃ また、次の基板材に対して沈積を行った。

１０２０鋼 鋳鉄 ３０４ステンレス鋼 高速鋼 ３０１ステンレス鋼 ４１３０鋼 この発明によるビード沈積を形成するのに最も好適な電
流範囲及びパルス時間は、主電流レベルとしては約２０
から７０Ａで0.3から0.6秒のパルス時間であり、また副
電流レベルとしては約４Ａから１５Ａで約1.4秒のパル
ス時間である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する溶接装置の略図、第２図は公
知の溶接技術の電流対時間のグラフ、第３図は本発明に
従った方法の電流対時間のグラフである。 参照符号の説明 １０……トーチ １１……非消耗性電極 １２……パイロットアーク溶接電源 １３……主アーク電源 １４……パルス制御装置 １５……システム制御器 １６，１７，１９……通路 １８……粉末金属流 ２０……絞りオリフィス ２２，２５，３０……ガスライン ２３，２４，２９……測定装置 ２６……粉末金属配給装置 ２７……粉末金属材槽 ２８……粉末金属配給ライン ３１〜３４……ケーブル

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】約3.2mm以下の幅を有する金属工作物の表
   面に摩耗面を形成する方法において、 非消耗性電極と金属工作物の狭い表面との間に移行型ア
   ークを形成し、 前記移行型アーク内に不活性ガスのプラズマ柱を形成
   し、 金属工作物の狭い表面に沿って粉末金属を沈積させる為
   に電極移動させつつ、粉末金属を前記プラズマ柱内に供
   給し、 金属工作物に沿って電極を移動しつつ、前記電極と金属
   工作物とに供給する溶接電流を約２０から７０アンペア
   で約0.3秒から0.6秒のパルス時間を有する主電流レベル
   と約４から１５アンペアで約１秒から1.4秒のパルス時
   間を有する副電流レベルとの間でパルス制御し、金属工
   作物の表面に沿って一連の重畳した溶接沈積を行う、 ことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
   て、 前記一連の重畳した溶接沈積はビード沈積を形成するこ
   とを特徴とする方法。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項に記載の方法におい
   て、 前記ビード沈積の厚みは１回のパスで0.25mm（0.010イ
   ンチ）から3.2mm（0.125インチ）であることを特徴とす
   る方法。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第２項又は第３項に記載の
   何れか一つの方法において、 前記ビード沈積の幅は0.15mm（0.020インチ）から3.2mm
   （0.125インチ）であることを特徴とする方法。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第２項又は第３項または第
   ４項に記載の何れか一つの方法において、 前記ビード沈積の幅と前記金属工作物の幅の比は１：１
   から２：１であることを特徴とする方法。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第２項又は第３項または第
   ４項に記載の何れか一つの方法において、 前記ビード沈積のビード高さとビード幅の比は１パスに
   対して0.5：１から２：１であることを特徴とする方
   法。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第２項において、前記ビー
   ド沈積は金属、合金、金属と合金の混合物及び耐火硬質
   材を含む金属混合物からなる群から選定された材料であ
   る方法。