JPH0919771A - プラズマアーク溶接トーチ用ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】シリーズアークの発生を抑制できるプラズマア
ーク溶接トーチ用ノズルを提供する。 【構成】プラズマアーク溶接トーチを構成する水冷構造
のノズル全体を、貴金属製とするか、銅などの金属製ノ
ズルの外表面を貴金属の皮膜で被覆する。 【効果】大電流にしてもシリーズアークの発生が抑制で
きるので、これに起因する溶接欠陥が防止でき、かつ高
速溶接が可能になる。また、ノズル自体もその使用寿命
が長くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマアーク溶
接トーチ用ノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマアーク溶接法は、タングステン
電極と水冷構造のノズルとの間にパイロットアークをと
ばし、このパイロットアークの中にＡｒあるいはＡｒと
Ｈ₂ の混合ガスなどの動作ガスを流してプラズマアーク
を発生させ、このプラズマアークを水冷構造のノズル先
端の小孔オリフィスを通して絞り、サーマルピンチ効果
を与えてエネルギー密度を高めたアーク（緊縮アーク）
として被溶接材に到達させて溶融溶接する方法であるこ
とは周知のとおりである。

【０００３】このプラズマアーク溶接法の大きな特徴
は、プラズマアークの熱集中性が高いことから片面貫通
溶接が可能な点であるが、溶接速度を速くするとアンダ
カットなどの表面溶接欠陥や裏面の余盛量不足が発生す
る。このため、その溶接製品が管である場合には、これ
らが管内面の溶接欠陥になる。

【０００４】また、一般的に、プラズマアーク溶接法で
は、その溶接電流を高めるか、あるいはノズルの小孔オ
リフィス口径を小さくするなどしてプラズマアークのエ
ネルギー密度を大きくすると貫通力が増すので高速溶接
が可能になる。

【０００５】しかし、小孔オリフィス口径の小さいノズ
ルを用いたり、溶接電流を高めたりすると、図４に示す
ように、タングステン電極１からアーク電流が分離し、
これが水冷構造のノズル２を通って被溶接材３に流れ、
ノズル２と被溶接材３との間にシリーズアーク４が発生
するという、いわゆるダブルアークと称される異常放電
現象が生じる。その結果、タングステン電極１と被溶接
材３との間に発生する主アーク５が緊縮アークとしての
機能を失い、溶接ビードが蛇行したり、キーホールが形
成されなくなったりするため、高速溶接を行うことがで
きないという問題があった。

【０００６】このような異常放電現象の発生を防止する
方法としては、純銅製ノズルの外表面をダイヤモンドあ
るいはＣＢＮなどの高絶縁性かつ高熱伝導性を有する物
質の薄膜で被覆することが提案されている（特開平５−
８０４７号公報）。しかし、この特開平５−８０４７号
公報に提案のノズルは、ノズルに付着する溶融ドロスに
起因して生じるシリーズアークの発生を防止しようとす
るものにしか過ぎない。また、その被膜材料が高価であ
り、被膜成形法としてプラズマ蒸着法などの化学蒸着法
を用いる必要があることから処理費用が嵩んで製品価格
が高価に過ぎ、被膜も耐熱衝撃性に劣るという欠点があ
るため、広く普及使用されていないのが実情である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の実情に鑑みなされたもので、上記従来のノズルに比べ
て安価であり、溶接電流を高めて高速溶接する場合にあ
っても、シリーズアークの発生を防止することができ、
かつ長寿命なプラズマアーク溶接トーチ用ノズルを提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の
（１）〜（２）のプラズマアーク溶接トーチ用ノズルに
ある。

【０００９】（１）ノズル全体を、貴金属で構成したプ
ラズマアーク溶接トーチ用ノズル（第１発明）。

【００１０】（２）金属製のノズルの外表面を、貴金属
皮膜で被覆したプラズマアーク溶接トーチ用ノズル（第
２発明）。

【００１１】上記（１）および（２）のプラズマアーク
溶接トーチ用ノズルにおいて、貴金属は純度が９９％以
上の銀、金、パラジウムまたは白金である。

【００１２】

【発明の実施の形態】前述したように、プラズマアーク
溶接法で高速溶接を行うためには、溶接電流を高める
か、動作ガスの流量を多くするか、あるいは水冷構造の
ノズル先端の小孔オリフィス口径を小さくすることによ
って、プラズマアークのエネルギー密度を増大させるこ
とが必要である。

【００１３】しかし、水冷構造のノズル先端の小孔オリ
フィス口径は、タングステン電極の外径のと関係から小
さくすることが困難である。このため、通常は、溶接電
流を高めるとともに、動作ガスの流量を多くするが、こ
の場合にはプラズマアーク電圧が上昇し、ノズル自体も
高電圧化されるのでシリーズアークがより一層発生し易
くなる。

【００１４】上記シリーズアークは、陰極であるノズル
と陽極である被溶接材との間で生じるアーク放電であ
り、これを防止するためには陰極であるノズルからの電
子放出量を抑制すればよいことになる。そして、電子放
出特性は、ノズル自体を構成する材料に固有の電子放出
能（通常、仕事関数と称される）、ノズルの温度および
表面状態（酸素や窒素ガスなどが付着した吸着層や酸化
膜など）に依存し、その仕事関数の値が大きいほど、ま
た温度が低いほど、さらには表面状態が清浄なほど、電
子放出量が少なくなることが知られている。

【００１５】ところで、従来の上記水冷構造のノズル
は、通常、プラズマ環境での溶損を防ぐために熱伝導性
の良好な銅、より具体的にはＰ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｌ
ｉなどの元素を含有しない電気伝導度を高めた無酸素高
伝導銅と称される無酸素銅、あるいは０．５％程度のＣ
ｒを含有する銅合金で製作されている。そこで、本発明
者らは、ノズルからの電子放出量を抑制する観点から、
上記銅あるいは銅合金に変えて種々の金属材料を用いて
ノズル本体を作成し、そのシリーズアークの発生特性を
調査した。

【００１６】その結果、貴金属、具体的にはその純度が
いずれも９９％以上の金、銀、パラジウムまたは白金で
製作したノズルでは、シリーズアークの発生防止効果が
顕著になることを見いだした。

【００１７】その原因について考察すると、以下のとお
りである。

【００１８】まず、電子放出能（仕事関数）について見
ると、銅が４．６ｅＶであるのに対し、金は４．９ｅ
Ｖ、銀は４．５ｅＶ、白金は５．３ｅＶであり、白金を
除く金および銀の仕事関数値は銅とほぼ同等で、材料に
固有の電子放出能が原因でシリーズアークの発生が防止
されているとは考えられない。なお、パラジウムの電子
放出能（仕事関数）は定かではないが、５ｅＶ前後では
ないかと推定される。

【００１９】次に、温度について見ると、銅の常温での
熱伝導率が３９４Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、金は２９
３Ｗ／ｍ・Ｋ、銀は４１９Ｗ／ｍ・Ｋ、白金は７２Ｗ／
ｍ・Ｋ、パラジウムは７５Ｗ／ｍ・Ｋであり、銀を除く
熱伝導率は銅よりも低く、水冷による冷却効果が大きい
ことによってノズルの温度低下が原因でシリーズアーク
の発生が防止されているとも考えられない。

【００２０】そこで考えられることは、ノズルの表面状
態が大幅に改善されることによってシリーズアークの発
生が防止されているものと推定される。すなわち、金、
銀、白金またはパラジウムなどの貴金属は、銅に比べて
耐酸化性に優れていることから、その表面に酸化膜が生
成形成しないか、仮に生成形成しても極めて軽微で、表
面状態が高清浄度に保持される結果、シリーズアークの
発生が防止されているものと推定される。

【００２１】上記第１発明になるノズルは、優れたシリ
ーズアークの発生防止効果を有するとともに、その構成
材料が貴金属であるので、耐熱衝撃性に優れている。

【００２２】さらに、本発明者らは、従来の銅、銅合
金、その他適宜な金属からなる金属製のノズルの外表面
に、上記貴金属の皮膜をコーティングした場合にも同じ
であることを確認し、第２発明をなした。この場合、そ
の製品価格をより低くすることができる。

【００２３】上記第２発明になるコーティングノズルの
場合、その貴金属皮膜の膜厚は特に制限するものではな
いが、３〜１００μｍとするのが望ましい。これは、そ
の膜厚が３μｍ未満での場合、ノズル取扱時に細心の注
意をしないと皮膜が損傷してノズル本体が露出し易くな
からであり、１００μｍを超え厚くしても効果は変わら
ずコスト高となるからである。

【００２４】なお、電気メッキ法あるいは化学蒸着法に
よって皮膜を形成させる場合、高価な白金、金およびパ
ラジウムについては１〜５μｍ程度に、比較的安価な銀
については５〜５０μｍ程度の膜厚にするのが好まし
い。また、溶射法によって皮膜を形成させる場合には、
その膜厚を５０〜２００μｍ程度と容易に厚くすること
ができる。いずれにしても、より低コストするには銀を
用いるのが最も好ましい。

【００２５】また、上記の皮膜は、多層コーティングす
ることができる。さらに、上記の皮膜は、Ｎｉ、Ｃｒな
どの実質的に純金属からなる膜厚１〜２０μｍ程度の下
地処理層を介してコーティングするのが望ましく、この
場合には銅などの金属性のノズル本体に対する貴金属皮
膜の密着性を高めることができる。

【００２６】さらに、コーティングの方法は、電気メッ
キによるのが最も簡便かつ高能率で製品価格を安価にす
ることができるが、その他のコーティング方法、例えば
気相メッキ、イオンコーティング、溶射などでも同様の
シリーズアーク発生防止効果を得ることができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００２８】図１は、本発明のノズルを示す縦断面図
で、従来と同一部材は同一符号を付して示し、詳しい説
明は省略する。

【００２９】図１（ａ）は、ノズル２０の全体を貴金属
製にした第１発明のノズルを示し、図１（ｂ）は、銅、
銅合金、その他適宜な金属からなる金属製のノズル２の
外表面を、貴金属の皮膜２０ａでコーティングした第２
発明のノズルを示している。

【００３０】なお、図１中の６はシールドキャップであ
る。

【００３１】《実験例１》肉厚２ｍｍのＳＵＳ３０４製
の板材をＩ開先突き合わせ貫通溶接するに際し、最大電
流５００Ａの移行式プラズマ溶接機を使用し、線径６ｍ
ｍのタングステン電極と、小孔オリフィス口径が２．４
ｍｍφで、種々の材料からなるノズルまたは種々の材料
からなるコーティング皮膜を施したノズルを用いて溶接
電流を種々変えてシリーズアークの発生有無を調査し
た。

【００３２】また、第２発明のコーティングノズルにつ
いては、その皮膜の耐熱衝撃性を次に述べる方法によっ
て調査した。

【００３３】外径２０ｍｍ、長さ２０ｍｍで、後述する
表１に示すのと同じ材料、コーティング条件および膜厚
の皮膜を施した試験片を準備し、これらの試験片を６０
０℃に１０分間保持後、大気中で急冷する操作を繰り返
し行い、試験片の長さ方向中央１０ｍｍ領域部分の皮膜
に亀裂が発生するか、もしくは皮膜が剥離するまでの加
熱→急冷を１サイクルとする繰り返し回数を調べて皮膜
の耐熱衝撃性を評価した。なお、試験は最大３０回行っ
た。

【００３４】上記以外の溶接条件は、動作ガスとして１
０％Ｈ₂ ＋Ａｒの混合ガスを１．０リットル／ｍｉｎ、
シールドガスとしてＡｒを１２．０リットル／ｍｉｎ、
スタンドオフ（ノズル先端と被溶接材表面との間隔）を
２．０ｍｍとした。

【００３５】これらの結果を、表１および表２に主要な
溶接条件とともに併記して示した。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】表１および表２に明らかなように、無酸素
銅（Ｃｕ）製および銅合金製で、その外表面が何らコー
ティングされない従来のノズル（No. １〜４）および
（No.２８〜３１）は、１２０Ａ以下の電流ではシリー
ズアークは発生しなかったが、１４０Ａ以上の電流でシ
リーズアークが発生した。また、前記特開平５−８０４
７号公報に開示されるノズル（No. ３９〜４４）は、１
４０Ａ以下の電流ではシリーズアークは発生しなかった
が、１６０Ａ以上の電流でシリーズアークが発生した。

【００３９】これに対し、ノズル全体が銀（Ａｇ）製の
本発明ノズル（No. ５〜８）、無酸素銅製の従来ノズル
の外表面に３μｍ厚さの白金皮膜を電気メッキ法でコー
ティングした本発明ノズル（No. ２２〜２４）、同じく
無酸素銅製の従来ノズルの外表面に５μｍ厚さのＮｉ下
地処理層を介して３０μｍ厚さの銀皮膜を電気メッキ法
でコーティングした本発明ノズル（No. ２５〜２７）お
よび銅合金製の従来ノズルの外表面に１００μｍ厚さの
銀皮膜を溶射法でコーティングした本発明ノズル（No.
３２〜３４）は、いずれも１８０Ａ以下の電流ではシリ
ーズアークは発生しなかった。また、無酸素銅製の従来
ノズルの外表面に異なる厚さの銀皮膜を電気メッキ法で
コーティングした本発明ノズル（No. ９〜１７）は、皮
膜厚さの如何によらず、１８０Ａ以下の電流ではシリー
ズアークは発生しなかった。さらに、無酸素銅製の従来
ノズルの外表面に３μｍ厚さの金皮膜を電気メッキ法で
コーティングした本発明ノズル（No. １８〜２１）およ
び１μｍ厚さの金皮膜を真空蒸着法でコーティングした
本発明ノズル（No. ３５〜３８）は、２００Ａ以下の電
流ではシリーズアークは発生しなかった。

【００４０】すなわち、本発明のノズルは、ノズル全体
を貴金属で構成する場合、従来の金属製ノズルの外表面
を上記貴金属の皮膜でコーティングする場合、さらには
その皮膜のコーティング法が異なる場合のいずれにあっ
ても、従来の金属製のみからなるノズルおよびその外表
面をダイヤモンド皮膜またはＣＢＮ皮膜でコーティング
したノズルに比べてシリーズアークが発生する電流が高
くなっており、より高速での溶接が可能になることを示
している。

【００４１】また、そのコーティング皮膜の耐熱衝撃性
も、皮膜がダイヤモンドまたはＣＢＮの従来ノズル（N
o. ３９〜４４）の上記試験法による繰り返し回数が５
回以下であるのに対し、本発明ノズル（No. １５〜３
４）は従来ノズルの約５倍の２４回以上と多く、耐熱衝
撃性に優れている。これは、本発明ノズルは皮膜が金属
であり、金属間結合が十分になされているのに対し、従
来ノズルは皮膜が非金属であるため、相互の結合が不十
分であり、かつ熱膨張係数が大きく異なることによるも
のと推定される。

【００４２】《実験例２》肉厚３ｍｍのＳＵＳ３０４製
の板材をＩ開先突き合わせ貫通溶接するに際し、前述の
No. １〜４の従来ノズルと、No. ９〜１７の本発明ノズ
ルとを用い、貫通溶接が可能な限界溶接速度を調べた。
なお、その他の溶接条件は実験例１と同じである。その
結果を、図２に示した。

【００４３】図２に示すように、従来のノズルを用いた
場合、シリーズアーク発生限界電流は１４０Ａであった
が、本発明のノズルを用いた場合のシリーズアーク発生
限界電流は２００Ａであった。また、貫通溶接が可能な
溶接速度の限界は、従来のノズルを用いた場合には約
１．１ｍ／ｍｉｎであったが、本発明のノズルを用いた
場合には約１．７ｍ／ｍｉｎとなり、１．５倍強の高速
溶接が可能であった。

【００４４】《実験例３》実際のステンレス溶接管製造
用連続成形ミルにより、外径３４ｍｍ、肉厚３ｍｍのＳ
ＵＳ３０４製のステンレス鋼管を製造するに当たり、実
験例２で用いたと同様の従来ノズルと本発明ノズルを用
い、溶接電流、換言すれば溶接速度を種々変化させて連
続溶接を行った場合におけるシリーズアークが発生する
までの経過時間を、すなわちノズル寿命を調査した。な
お、その他の溶接条件は実験例１および２と同じであ
る。その結果を、図３に示した。

【００４５】図３に示すように、本発明のノズルを用い
た場合、溶接電流をシリーズアークが多発する２２０Ａ
以上（前述の表１参照）に設定すると、溶接開始直後に
シリーズアークが発生し始めた。しかし、溶接電流をシ
リーズアークが時々発生する２００Ａに設定した場合に
は溶接開始から約１２時間経過後に、これより若干低い
１９０Ａに設定した場合には溶接開始から約２３時間経
過後にシリーズアークが発生し始め、前者では約１２２
４ｍ、後者では約２２０８ｍの管を正常に溶接すること
ができた。

【００４６】これに対し、従来のノズルを用いた場合
は、溶接電流をシリーズアークが多発する１４０Ａ以上
に設定するといずれも溶接開始直後にシリーズアークが
発生し始め、１２０Ａの適正値に設定した場合において
溶接開始からのシリーズアークが発生し始める経過時間
が約１４時間で、約７５６ｍの管しか正常に溶接するこ
とができなかった。

【００４７】すなわち、本発明のノズル寿命は、溶接電
流をシリーズアークが多発する電流値に設定した場合、
従来ノズルの約１２倍であり、シリーズアークが時々発
生する電流値に設定した場合、従来ノズルの約１．６倍
であった。

【００４８】

【発明の効果】本発明のノズルは、大溶接電流にしても
シリーズアークの発生を抑制できるので、シリーズアー
クによる溶接欠陥が防止でき、かつ高速溶接が可能にな
る。また、ノズル自体の使用寿命も長くなり、金属製ノ
ズルの外表面を貴金属の皮膜でコーティングしたノズル
の場合にはその製品価格も比較的安価になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のノズルを示す図で、同図（ａ）はその
一例を示す断面図、同図（ｂ）は他の例を示す断面図で
ある。

【図２】実施例における実験結果を示す図で、従来ノズ
ルと本発明ノズルの限界溶接速度とシリーズアーク発生
限界溶接電流との関係を対比して示す図である。

【図３】実施例における実験結果を示す図で、従来ノズ
ルと本発明ノズルの溶接開始からシリーズアーク発生開
始までの経過時間と溶接電流との関係を示す図である。

【図４】シリーズアークを説明する図である。

【符号の説明】

１：タングステン電極、 ２：ノズル、
３：被溶接材、 ４：シリーズア
ーク、５：主アーク、 ６：シー
ルドキャップ、２０：ノズル、 ２
０ａ：皮膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ノズル全体を、貴金属で構成したことを特
   徴とするプラズマアーク溶接トーチ用ノズル。
2. 【請求項２】金属製のノズルの外表面を、貴金属皮膜で
   被覆したことを特徴とするプラズマアーク溶接トーチ用
   ノズル。