JPH0675792B2

JPH0675792B2 - プラズマアーク溶接法

Info

Publication number: JPH0675792B2
Application number: JP17187090A
Authority: JP
Inventors: 勝彦岩崎; 浩加藤; 直樹村田; 正治渡辺; 宇一中村
Original assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Current assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1994-09-28
Anticipated expiration: 2009-09-28
Also published as: JPH0459186A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、溶接ワイヤ及び溶接用粉末を溶接材料に用い
て、非消耗電極と母材との間に点弧されたアーク（以
下、主アークとする）、及び該非消耗電極と連続的に供
給される溶接ワイヤとの間に点弧されたアーク（以下、
メタルアークとする）を熱源として母材に肉盛溶接する
プラズマアーク溶接法の改良に関する。

（従来の技術）従来、上記のように非消耗電極と溶接ワイヤ及び溶接用
粉末を用いて、母材に該溶接ワイヤ及び溶接用粉末を溶
着する場合は、例えば第７図に示すように、収束ノズル
Ａのノズル孔の中心上方部に非消耗電極Ｂを配置すると
共に、該ノズル孔の下方部に１本の溶接ワイヤC₁を連続
的に供給可能に配置し、非消耗電極Ｂと母材Ｄとの間に
主アークＥを点弧すると共に、非消耗電極Ｂと１本の溶
接ワイヤC₁との間にメタルアークＦを点弧し、該１本の
溶接ワイヤC₁を溶融させつゝ母材に溶着させると共に、
主アークＥまたはメタルアークＦ中に溶接用粉末C₂を供
給して母材に溶着させるアーク溶接法が知られている。
（なお、同図において、Ｇは主アーク電源、Ｈはメタル
アーク電源、Ｉは溶接ワイヤ供給ノズル兼給電部、Ｊは
溶接ワイヤ供給ローラ、Ｋは溶接用粉末供給ノズルを夫
々示す）。

また、MIG溶接法、MAG溶接法等のように、非消耗電極を
使用することなく、供給溶接ワイヤと母材との間にアー
クを点弧し、該溶接ワイヤを該アークにより溶融して母
材に溶接金属を形成するアーク溶接法が知られている。

さらに、溶接ワイヤを使用することなく、ロッドを溶接
材料とするTIG溶接法、粉末を溶接材料とするPTA溶接法
等もよく知られている。

（発明が解決しようとする課題）然るに、上記第１番目の従来技術の場合は、１個所のみ
から１本の溶接ワイヤを供給している関係から、例えば
溶接ワイヤの供給方向が主アークの中心線から外れて一
致しないような場合には、ワイヤ電流による、所謂磁気
吹き現象を生じ、これにより主アークは、第７図に示す
ように偏向し、メタルアークもそれにつれて当然に偏向
するため、母材の溶融及びビードの形成に異常を来た
し、健全な溶接部が得られないといった重大な支障を生
じる。

また、上記第２番目の従来技術の場合は、ワイヤーの溶
融量を増加するためにはアーク電流値を増加する必要が
あり、アーク電流値の増大によって母材の溶け込みが大
きくなる。したがって、とくに厚板接合等深い溶け込み
を必要とする場合をのぞき、一般的には適正な溶け込み
を得るためには時間当りのワイヤー溶融量に限界があ
る。すなわち、溶着能率を向上するためにはアーク電流
を大きく設定せねばならないが、アーク電流が過大にな
ると肉盛溶接の場合、母材成分により溶接金属が過大に
稀釈され、目的とする耐蝕性や耐摩耗性が得られず、接
合溶接の場合は、突合せ開先のルート面が溶落し、健全
な継手が得られないという問題がある。

さらに、上記第３番目の従来技術の場合は、溶接材料の
供給量とアーク電流値は独立に調整することができ、こ
れによって母材への溶け込み量を著しく減少させること
ができるが、反面、アーク出力による溶接材料の溶融量
には限界があり、供給量が限界を越えると溶接ビードに
融合不良を生じ、未溶融の粒が溶接金属中に残存する危
険さえある。

本発明は、上記第１番目の溶接法の問題点を解決するこ
とを課題として開発されたもので、簡単な手段により、
溶接材料を十分に溶融させつつ溶着量を飛躍的に増大で
き、且つ溶接材料の溶融速度とは別口に溶け込みを調整
できるプラズマアーク溶接法を提供することを目的とす
る。

（課題を解決するための手段）上記の課題を解決し、その目的を達成するために、本発
明では、非消耗電極と母材との間、及び該非消耗電極と
連続的に供給される溶接ワイヤの先端との間に、アーク
を夫々点弧し、該溶接ワイヤを溶融させつゝ母材に溶着
させるプラズマアーク溶接法において、複数個所から複
数の溶接ワイヤを夫々供給すると共に、少なくとも１個
所から溶接用粉末を供給し、且つ各アークを共通の収束
ノズル孔を経て通過させることを特徴とするプラズマア
ーク溶接法を開発し、採用した。さらに、本発明では、
上記のように構成したプラズマアーク溶接法において、
複数の溶接ワイヤの供給位置を、アーク収束ノズル孔の
中心線を基準として均等な配置間隔を保って設定したプ
ラズマアーク溶接法を開発し、採用した。

（作用）本発明に係るプラズマアーク溶接法では、複数個所から
複数の溶接ワイヤを供給する手段を採用しているので、
各ワイヤに流れる電流の磁気吹きの方向を均衡させるこ
とによって、主アーク及びメタルアークの偏向を防止す
る作用がある。このアークの偏向防止作用は、複数のワ
イヤの供給位置を、アーク収束ノズル孔の中心線を基準
として均等な配置間隔で設定したことにより一層向上さ
れる。

また、溶接用粉末を供給する手段を併用しているので、
時間当りの溶着量を飛躍的に増大し得る作用と共に、金
属（合金）粉末による溶接金属の化学成分の調整、及び
非金属粉末による複合合金の溶接金属の溶着を容易に、
しかも溶接施行時に所望を行なうことができる作用があ
る。

さらに、各アークを共通の収束ノズル孔を経て通過させ
る手段を採用しているので、上記アークの偏向防止作用
を更に一層向上させる作用がある。

（実施例１）以下に、本発明を炭化物系複合合金の肉盛溶接へ適用し
た例について説明する。

なお、装置等の電気結線図を第１図に示し、トーチＴと
溶接方向の位置関係を第２図に示す。而して、第１図に
示すように、主アーク10用の直流溶接電源２は非消耗電
極１と母材６に接続され、メタルアーク11用の直流溶接
電源３、４は非消耗電極１と２本の溶接ワイヤ７、７の
供給ノズルである給電部５、５に接続され、該給電部
５、５を介してワイヤ７、７に通電するように結線され
ており、同図において、８、８は溶接用粉末９、９の供
給ノズル、12は溶接肉盛金属、13はシールドガス供給用
キャップを夫々示している。また、本実施例において、
非消耗電極１は陰極として用いている。

上記の溶接装置を使用し、２本の溶接ワイヤ７、７にス
テンレス鋼SUS308のソリッドワイヤ（ワイヤ系1.2mm）
を用いると共に、溶接用粉末９にニオビウムカーバイド
超硬粒粉末（粒度約50〜150μｍ）を用いて、非消耗電
極１と母材６（この実施例では、製鉄熱延設備用ガイド
ローラの胴部全面）との間に主アーク10を点弧すると共
に、２本のワイヤ供給ノズル５、５から上記の溶接ワイ
ヤ７、７を１本づつ供給して、これらのワイヤ７、７と
非消耗電極１との間にメタルアーク11、11を点弧し、さ
らに、トーチＴの収束ノズルの下方に配置した溶接用粉
末供給ノズル８、８から上記のニオビウムカーバイド超
硬粒粉末から成る溶接用粉末９、９を、主アーク10中或
はアーク10と溶融池12′との境界部付近にアルゴンガス
流により圧送して、ニオビウムカーバイドが体積率60％
の割合でステンレス鋼の基地に分散した組織を呈する複
合合金の溶接肉盛金属層12を得た。

溶接条件を表１に示す。

なお、溶接ワイヤ７、７および各給電部５は第５図の
（イ）にも示しているように、収束ノズルのノズル孔の
中心線を基準として、180°の角度と間隔を保って対称
的に配置され、溶接方向に対しては、第２図に示すよう
に各ワイヤ７、７はトーチ移行方向、すなわち溶接進行
方向に平行に、かつ相互に180°の位置に配置されてい
る。これは第６図（イ）に示すようにワイヤ数が２の場
合、アーク10の断面はほぼ楕円の形状を呈するので、そ
の長径側をビード両側の止端部に向けて配置し、該止端
部を加熱し、確実に溶着せしめるためである。プラズマ
ガスには溶接用アルゴンガスを用いた。

結果１本の溶接ワイヤを使用して上記と同様の肉盛溶接を行
なうと、第７図に示すようにアークの偏向により、母材
上への溶滴の落下位置が母材上の溶融金属池の中心から
外れるため、ワイヤを溶接進行方向に対して前方に位置
させた場合、溶滴の１部は未だ溶融していない母材表面
上に、散乱し、逆に後方に位置させた場合は既に凝固し
たビード表面上に散乱するため、溶着量の歩留を著しく
低下せしめるのみならず、ビードの蛇行、融合不良等を
生じ、健全なビード形成を妨げ、事実上溶接不能とな
る。

これに対して、本実施例の場合は、溶融金属は溶融池の
中心に落下し、滑らかに溶着するため問題なく溶接が進
行し、健全な肉盛溶接部が得られた。

さらに、本実施例では、複数個所から溶接ワイヤを供給
する技術手段に加えて、同時に溶接用粉末（ニオビウム
カーバイド粉末）を供給する手段を採用しているので、
炭化物の含有率が高い品質良好な溶接肉盛金属を得るこ
とができた。即ち、溶接ワイヤからカーバイドを供給す
るためには、フラックスコアードワイヤに形でカーバイ
ドを充填するしかないが、この種のワイヤにおけるフラ
ックス充填率は、最高が45％であって、それ以上に充填
すると外皮を極端に薄くする必要があり、したがってワ
イヤ供給時に外皮が破れたり、弾力性が低下したりする
問題を生じるものであるが、本実施例によれば、溶接時
におけるカーバイドの添加量は事実上無制限であって、
溶接性の点で許容される最大限の量まで容易に添加で
き、耐摩耗性等に優れた溶接肉盛金属を得ることができ
るものである。

（実施例２）本発明の実施例として、３本の13クロム鋼用溶接ワイヤ
を用い、溶接用金属粉末により溶接金属の成分を調整し
て30クロム鋳鉄の肉盛層を得る例を以下に述べる。

この実施例では、均等間隔で配置された３本の溶接ワイ
ヤを使用し、収束ノズル形成部材の外周側に設けられた
間隙から溶接用粉末を上記各溶接用ワイヤの上方位置に
おいて主アーク中へ噴射供給した。装置等の電気結線図
を第３図に示し、トーチと溶接方向の位置関係を第４図
に示す。而して、第３図において、Ｔはトーチ、１は非
消耗電極、２、３、４、４′は夫々直流溶接電源、５は
夫々３本の溶接用ワイヤ7a、7b、7cの供給ノズルである
給電部、６は鋳鋼部品から成る母材、8aは溶接用粉末９
は供給するために収束ノズル形成部材8bの外周側に設け
た供給間隙、10は非消耗電極１と母材６との間に点弧さ
れた主アーク、11は非消耗電極１と各溶接用ワイヤ7a、
7b、7cとの間に点弧されたメタルアーク、12は溶接肉盛
金属、12′は溶融池、13は上記粉末供給用間隙8aの外側
に配置したシールドガス供給用キャップを夫々示してい
る。

また、第３図に示すように、主アーク10用の直流溶接電
源２は非消耗電極１と母材６に接続され、メタルアーク
11用の直流溶接電源３、４、４′は非消耗電極１と各ワ
イヤの供給ノズルである給電部５に接続され、該給電部
を介して各ワイヤに通電している。なお、本実施例にお
いて非消耗電極は陰極として用いている。

さらに、第４図に示すように一つのワイヤ7aは溶接線に
平行に、且つトーチＴの後方に配置し、かつ、その他の
ワイヤ7b、7cよりも後行させ、該他のワイヤ7b、7cは溶
接線に対称的に配置し、かつ各ワイヤ7a、7b、7cは相互
に120°の角度で均等間隔に配置されている。

上記の配置構成に基づいて、次に示す溶接条件等にした
がい母材６の表面にプラズマアーク溶接法を施した。

溶接条件を表１に示し、使用溶接材料の化学成分および
送給比率を表２に示し、溶接金属の化学成分を表３に示
す。

結果１本の溶接ワイヤを使用して上記と同様の肉盛溶接を行
なうと、第７図に示すようにアークの偏向により、母材
上への溶滴の落下位置が母材上の溶融金属池の中心から
外れるため、ワイヤを溶接進行方向に対して前方に位置
させた場合、溶滴の１部は未だ溶融していない母材表面
上に散乱し、逆に後方に位置させた場合は既に凝固した
ビード表面上に散乱するため、いづれの場合も溶着不良
となり、特に開先ルート面が溶着不良となり、事実上溶
接不能となる。

これに対して、本実施例の場合は、溶融金属は溶融池の
中心に落下し、ルート面も滑らかに溶着するため問題な
く溶接が進行し、健全な肉盛溶接部が得られた。

さらに、本実施例では、複数個所から溶接ワイヤを供給
する技術手段に加えて、同時に所要の溶接用金属粉末を
供給する手段を採用しているので、目標とする金属化学
成分値の品質良好な溶接肉盛金属を容易に得ることがで
きた。即ち、この実施例によれば、溶接ワイヤの供給量
と溶接用金属粉末の供給量の比率の調整により、溶接金
属の成分を所望に調整できる利点がある。

なお、上記各実施例において、最も簡単、確実にアーク
の偏向を防ぐには第５図（イ）、（ロ）、（ハ）に夫々
示すように複数のワイヤ位置及び各給電部５の位置をア
ーク収束ノズルの中心線を基準として等角かつ等間隔に
夫々配置し、各ワイヤの電流値をほぼ一致させればよい
が、これは本発明の必須要件ではない。また、各電流値
の範囲が平均値の±20％の範囲内であれば実用上アーク
偏向による悪影響は見られない。この場合、アークの断
面形状は、概略、第６図に対応図示するように変化する
ものであり、これらの形状のアークは次のような特徴を
有する。

供給ワイヤの数が２本の場合は、第６図の（イ）に示す
ようにアーク10の断面は略楕円の形状を呈するので広幅
のビードを置くのに敵しているので肉盛溶接を好都合で
あり、その長径側をビード両側の止端部に向けて配置し
て止端部を加熱することにより、溶融金属を止端部まで
確実に溶着させることができる。

また、第６図の（ロ）、（ハ）に示すように、供給ワイ
ヤの数が３本以上の場合は、アーク10はワイヤ電流の磁
気によって取り囲まれるため、ワイヤの数が増える程、
磁気によるアークの収束度がより大きくなり、主アーク
の電流密度の増大によって溶け込みが深くなるので、特
に突合せ溶接等の接合溶接に敵する。このようにワイヤ
の数の選択によって肉盛溶接、突合せ溶接、その他の各
場合に適用することができるのも本法の一つの特徴であ
る。

なお、ワイヤーを等角に配置しなくとも、各ワイヤーの
電流値を適切に異なる値に調整して磁気吹きを均衡させ
ればよいが、実際には煩雑になるので上記の方法が簡単
である。

また、上記各実施例では、供給する溶接用粉末として非
金属粉末を供給する場合と、金属粉末を供給する場合を
各別に例示したが、目標とする肉盛溶接金属の成分によ
っては、両粉末を同時に供給することもあり、且つその
場合は、両粉末を夫々別個に供給してもよく、混合粉末
の状態で供給してもよいものであり、さらに、その供給
個所はアーク中であっても、溶融池中であつても、アー
ク中と溶融池中の両方であってもよい。

さらにまた、本発明で使用する主要な溶接材料（溶接ワ
イヤおよび溶接用粉末）の概略について説明すれば次の
通りである。

溶接ワイヤ形態；ソリッドワイヤ、フラックスコアードワイヤ材料;Fe基、Ni基、Co基、Cu基の各合金、即ち、現在使
用されている全ての溶接ワイヤであって、具体的には Fe基；軟鋼、低合金鋼、ステンレス鋼等 Ni基；ハステロイ、インコネル等 Co基；ステライト等 Cu基；銅、キュプロニッケル等溶接用粉末 Fe基、Ni基、Co基、Cu基の各合金粉末及び、又はフェロ
クロム、フェロモリブデン、フェロニオビウム、フェロ
シリコン、フェロマンガン等の各フェロアロイ粉末並び
にタングステンカーバイド、クロムカーバイド、ニオビ
ウムカーバイド等の炭化物、更にアルミナ、シリカ等の
各酸化物セラミック粉末、その他ホウ化物セラミック粉
末等々以上、本発明のいくつかの実施例について説明し
たが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の目的を達成でき、且つ本発明の要旨を逸脱しな
い範囲内で、種々の設計変更が可能であることは当然で
ある。

（発明の効果）本発明は、上記のように、非消耗電極と母材との間、及
び非消耗電極と連続的に供給される溶接ワイヤの先端と
の間に、アークを夫々点弧し、該溶接ワイヤを溶融させ
つゝ母材に溶着させるプラズマアーク溶接法において、
複数個所から複数の溶接ワイヤを供給する手段を採用し
たので、各ワイヤに流れる電流の磁気吹きの方向を均衡
させることによって、主アーク及びメタルアークの偏向
を容易確実に防止し得て、優良健全な溶接部を得られる
多大な利点であり、且つ主アークとメタルアークを共通
の収束ノズル孔を経て通過させる手段を採用したので、
上記の効果を一層向上できるものである。

さらに本発明では、上記の手段に加えて、溶接用粉末を
同時に供給する手段を採用したので、時間当りの溶着量
を飛躍的に増大し得ると共に、金属（合金）粉末による
溶接金属の化学成分の調整、及び非金属粉末による複合
合金の溶接金属の溶着を容易に、しかも溶接施工時に所
望に行なうことができ、且つ溶接ワイヤの供給量と溶接
用粉末の供給量の比率の調整により、溶接肉盛金属の成
分を所望に調整できるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は実施例１
を実施するための溶接装置の要部を縦断した概略正面
図、第２図はその供給溶接ワイヤの位置と溶接方向を示
す説明図、第３図は実施例２を実施するための溶接装置
の１部を縦断した概略正面図、第４図はその供給溶接ワ
イヤの位置と溶接方向を示す説明図、第５図の（イ）、
（ロ）、（ハ）は夫々２〜４本供給溶接ワイヤの位置を
略示する説明図、第６図の（イ）、（ロ）、（ハ）は夫
々溶接ワイヤの数と位置に対応するアークの断面形状を
示す説明図、第７図は１本の溶接ワイヤを供給しつつア
ーク溶接を行なっている状態を示す従来法の概略説明図
である。（符号の説明）１……非消耗電極、６……母材、７……溶接ワイヤ、９……溶接用粉末、 10……主アーク、 11……メタルアーク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非消耗電極と母材との間、及び該非消耗電
極と連続的に供給される溶接ワイヤの先端との間に、ア
ークを夫々点弧し、該溶接ワイヤを溶融させつゝ母材に
溶着させるプラズマアーク溶接法において、複数個所か
ら複数の溶接ワイヤを夫々供給すると共に、少なくとも
１個所から溶接用粉末を供給し、且つ各アークを共通の
収束ノズル孔を経て通過させることを特徴とするプラズ
マアーク溶接法。
【請求項２】複数の溶接ワイヤの供給位置を、アーク収
束ノズル孔の中心線を基準として均等な配置間隔を保っ
て設定したことを特徴とする請求項（１）に記載のプラ
ズマアーク溶接法。
【請求項３】溶接用粉末として金属粉末を使用すること
を特徴とする請求項（１）または（２）に記載のプラズ
マアーク溶接法。
【請求項４】溶接用粉末として非金属粉末を使用するこ
とを特徴とする請求項（１）または（２）に記載のプラ
ズマアーク溶接法。
【請求項５】溶接用粉末として金属粉末及び非金属粉末
を使用することを特徴とする請求項（１）または（２）
に記載のプラズマアーク溶接法。