JPH11226745A - 軸端肉盛り溶接方法及びそれに用いる溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 凹凸の形成された軸端部においても凹部周囲
の突出母材を溶融させることなく、肉盛り溶接を行うこ
とのできる軸端肉盛り溶接方法及びそれに用いる溶接装
置を得る。 【解決手段】 ワークである軸２２を上下方向に姿勢さ
せ、その上方から該軸２２の上端部２２ａに対してアー
クを発生させながら該上端部２２ａに肉盛り溶接する際
に、アークを発生させる前に軸２２の上端部２２ａに溶
融池形成材３２を供給しておき、該溶融池形成材３２に
向けてアークを発生させることにより該溶融池形成材３
２を溶融して前記上端部２２ａに初期溶融池を形成す
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、例えば、内燃機関
の吸気弁や排気弁の軸端部に異種材料を肉盛り溶接する
軸端肉盛り溶接方法及びそれに用いる溶接装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば内燃機関における吸気弁や排気弁
などでは、カムとの接触面となる軸端部に、耐磨耗性合
金を盛り上げて溶接する肉盛り溶接が行われる。この肉
盛り溶接方法の一つとして、プラズマを利用して粉末材
料を溶融しながら肉盛りする粉体プラズマ肉盛り溶接方
法が知られている。

【０００３】この粉体プラズマ肉盛り溶接によって肉盛
りを施す弁は、図７に示すように、弁１の軸端部２に、
溶融金属の流れ落ちを防止するための凹部３が形成され
ており、該凹部３によって、その周囲に、この凹部３を
包囲する周壁状の突出部４が形成されている。

【０００４】このような構成となった弁１の軸端部２に
肉盛り溶接するには、プラズマアークトーチ５内の電極
６とノズル７との間に高周波電流によってパイロットア
ークを発生させておき、弁１の軸端部２を溶接位置に配
置した後、電極６と母材（軸端部２）との間にメイン電
圧を印加することによりプラズマアーク８を発生させ、
ノズル７の周りから耐磨耗性の高いステライト系（Ｃｏ
−Ｃｒ−Ｗ）合金などの粉体９をアルゴンガス等のキャ
リアガスによってプラズマアーク柱へ供給し、軸端部２
の凹部３へ溶着させていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般に
電極と母材との間に電圧を印加したとき、プラズマアー
クは電極と母材との最短距離で発生しようとする。ま
た、母材に角部があると、平面部より角部の母材部分に
集中しようとする。このため、従来の肉盛り溶接方法の
ように、溶融金属の流れ落ち防止のための凹部３を形成
してある軸端部２では、軸端部２の直径が５ｍｍから１
０ｍｍと比較的小さいことも相まって、凹部３周囲の突
出部４にアーク流が集中するおそれがあった。このよう
なアーク流が形成されると、突出部４が溶融し、その結
果溶融金属が凹部３から流れ落ちて、肉盛り溶接不良を
発生させる問題があった。この場合、軸端部２の直径が
比較的小さいため、凹部３周囲の突出部４にアーク流が
形成されないようにするのは極めて高度の熟練技術を有
し、生産性を低下させる要因となっていた。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、凹凸の形成された軸端部においても凹部周囲の突出
母材を溶融させることなく、肉盛り溶接を行うことので
きる軸端肉盛り溶接方法及びそれに用いる溶接装置の提
供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る軸端肉盛り溶接方法は、アークを発生さ
せる前にワークである軸の上端部に溶融池形成材を供給
しておき、該溶融池形成材に向けてアークを発生させる
ことにより該溶融池形成材を溶融して前記上端部に初期
溶融池を形成することを特徴とする。

【０００８】この溶接方法では、軸の上端部に予め溶融
池形成材を供給することにより、該軸の上端部に凹凸が
形成してあったとしても、溶融池形成材によりその凹凸
を小さくすることができ、その状態でプラズマアーク等
を発生させるため、溶融池形成材が溶融して母材の溶け
落ちを防止できる。

【０００９】この場合、要求される肉盛り量や軸上端部
の形状等の条件によっては、予め供給しておいた溶融池
形成材だけを使用して肉盛り溶接することが可能である
が、初期溶融池が形成された後に、軸の上端部に肉盛り
される肉盛り材料の粉体をアーク内に供給しながら肉盛
り溶接を行うようにすれば、厚肉の肉盛りが可能とな
る。溶融池形成材としては、粉体、粒体、スライス片、
破片等として、かさ容積を大きくすることが好ましい。
また、肉盛りのための材料と同じ組成のものを使用する
のが好ましいが、初期溶融池を形成するだけの目的であ
れば、肉盛りのための材料とは異なる組成の材料、例え
ばワークである軸と同組成の材料を使用してもよい。

【００１０】一方、本発明に係る軸端肉盛り溶接装置の
構成は、上下方向に姿勢させた軸の上端部に溶融池形成
材を供給する供給手段と、該軸の上方から前記上端部に
対してアークを発生させるとともに、該上端部に肉盛り
される肉盛り材料の粉体をアーク内に供給する手段を備
えたトーチと、該トーチによる溶接位置に前記軸を上下
方向に沿って姿勢させるクランプ手段と、少なくとも前
記トーチへ供給する溶接電流の供給開始時期並びに前記
トーチから前記アーク内に供給される前記粉体の供給開
始時期を制御する制御手段とを具備することを特徴とす
る。

【００１１】この溶接装置では、制御手段によりトーチ
への溶接電流、肉盛り材料の粉体供給を制御するので、
溶融池形成材を供給した後、この溶融池形成材により先
ず初期溶融池を形成し、その後に肉盛り材料の粉体の供
給を可能にできる。

【００１２】この場合、クランプ手段に、軸の上端部を
囲む冷やし金を設けておくことにより、溶接中の軸の上
端部を冷却し、該上端部の溶け落ちを確実に防止するこ
とができる。

【００１３】また、ワークである軸を供給するワーク供
給ステーションと、前記供給手段を備えた溶融池形成材
供給ステーションと、前記トーチ及びクランプ手段を備
えた肉盛り溶接ステーションと、肉盛り溶接後のワーク
を排出するワーク排出ステーションとの間で順にワーク
を移送するインデックステーブルを備えた構成とするこ
とにより、供給された軸がインデックステーブルにより
溶融池形成材供給ステーション、肉盛り溶接ステーショ
ン等へと順次移送され、上端部への溶融池形成材の供
給、軸端肉盛り溶接が一連の流れで自動で行えるように
なる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る軸端肉盛り溶
接方法及びそれに用いる溶接装置の好適な実施の形態を
図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る軸
端肉盛り溶接装置の概略構成図、図２は凹部に溶融池形
成材の供給された軸端部を示す縦断面図、図３は図１の
肉盛り溶接ステーションにおける軸保持状態を示す縦断
面図である。

【００１５】ワークである軸は本実施形態の場合、内燃
機関用の弁２１の軸２２であり、この軸２２の端部２２
ａには、図３に示すように凹部２３が形成されている。

【００１６】軸端肉盛り溶接装置２４は、ベース２５ｂ
上に円盤状のインデックステーブル２５が回転軸２５ａ
を中心として回転自在に設けられており、該インデック
ステーブル２５には、弁２１の傘部２６を挿入状態に保
持して軸端部２２ａが鉛直上方を向くように支持する保
持穴２７が周方向に沿って等間隔で形成されており、該
保持穴２７と同じ間隔をおいて、弁２１を供給するワー
ク供給ステーション２８、この弁２１の軸端部２２ａに
溶融池形成材を供給する溶融池形成材供給ステーション
２９、肉盛り溶接ステーション３０、ワーク排出ステー
ション３１が、この順序で配置されている。

【００１７】従って、インデックステーブル２５は、ワ
ーク供給ステーション２８において供給された一つの弁
２１を保持穴２７に保持した後、回転軸２５ａを中心に
図１の場合は矢印ａで示す時計方向に回転することで、
この弁２１を上述の溶融池形成材供給ステーション２
９、肉盛り溶接ステーション３０、ワーク排出ステーシ
ョン３１へ順次搬送できるようになっている。

【００１８】融池形成材供給ステーション２９には溶融
池形成材３２を供給する供給手段３３が設けられてお
り、該供給手段３３はインデックステーブル２５によっ
て弁２１が所定位置に移送されてきた際、凹部２３に対
向する供給口から溶融池形成材３２を凹部２３へ供給す
るようになっている。

【００１９】溶融池形成材３２は、軸２２と異組成又は
同組成の材料からなるが、この実施形態の弁では、耐磨
耗性の高い例えばステライト系（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ）合金
が使用される。また、溶融池形成材３２は、本実施形態
の場合は図２（Ａ）に示す粉体３２とするが、図２
（Ｂ）に示すスライス片３４とすることもできる。粉体
３２とすることにより、凹部２３への供給を容易にし、
その供給装置を簡単にすることができ、スライス片３４
とすることにより、供給に無駄の生じることを防止する
ことができる。

【００２０】肉盛り溶接ステーション３０には、図３に
示すようにトーチ３５と、このトーチ３５に対して適切
な溶接位置に弁２１を移送する移送手段４１と、該溶接
位置で弁２１の軸２２を保持するクランプ手段４２とが
設けられている。

【００２１】移送手段４１は、受け台４３に載置された
弁２１を、上方で待ち受けるトーチ３５に対して接近す
る方向に上昇させて移動させるシリンダ等からなるもの
である。

【００２２】クランプ手段４２は、移送手段４１によっ
て上昇した弁２１の軸２２を挿入状態に保持する筒状の
クランブ部４４を有しており、このクランプ手段４２
と、弁２１を下方から押し上げる前記移送手段４１とに
よって弁２１は所定位置で位置決め固定されるようにな
っている。クランプ部４４は、開閉可能な一対の爪とし
て、軸２２を両側方から挟持する構成としてもよい。

【００２３】トーチ３５は、この実施形態では、肉盛り
用材料を供給しながらプラズマアークを発生させるプラ
ズマアークトーチの場合を例に説明する。このトーチ３
５は、その中心部に、タングステン電極４５が設けられ
るとともに、この電極４５の外側にはノズル４６と、外
筒４７とがそれぞれ間隙４８、４９を隔てて同軸上に設
けられている。この電極４５とノズル４６との間隙４８
及びノズル４６と外筒４７との間隙４９はそれぞれアル
ゴンガス等の不活性ガスを流通させる環状の通路となっ
ており、外側の間隙４９には、不活性ガスをキャリアガ
スとして粉体の肉盛り材料が供給されるようになってい
る。そして、このトーチ３５に、後述のように電流や粉
体供給開始時期等を制御するための制御手段５０が接続
されている。

【００２４】次に、このように構成された軸端肉盛り溶
接装置２４を用いた肉盛り溶接方法を説明する。ワーク
供給ステーション２８に搬送されてきた弁２１は、イン
デックステーブル２５の保持穴２７内にその傘部２６が
保持され、インデックステーブル２５を図１の時計方向
（矢印ａ方向）に回転することで、溶融池形成材供給ス
テーション２９へ移送される。

【００２５】溶融池形成材供給ステーション２９に弁２
１が位置決めされると、供給手段３３によって溶融池形
成材３２が凹部２３へ供給される。この際、溶融池形成
材３２の供給量は、図２（Ａ）に示すように凹部２３が
略平坦となる程度の量とする。

【００２６】凹部２３への溶融池形成材３２の供給が完
了したなら、インデックステーブル２５を再び時計方向
へ回転し、溶融池形成材供給済みの弁２１を肉盛り溶接
ステーション３０へ移送する。

【００２７】弁２１が肉盛り溶接ステーション３０に到
達したなら、移送手段４１によって上昇させ、トーチ３
５に対する所定の溶接位置でクランプ手段４２により軸
２２を保持して弁２１を位置決め固定する。

【００２８】そして、この状態で、プラズマアークを発
生させると、このプラズマアークにより、凹部２３内の
溶融池形成材３２が溶融して、母材である軸端部２２ａ
の溶融前に、初期溶融池を形成する。なお、このとき
は、初期溶融池を形成することが目的であるため、図４
に示すように、プラズマアーク発生のための電流値Ａは
後述の肉盛りのための電流値Ｂよりも小さく、また、肉
盛りのための粉体も供給していない。この図４は、肉盛
り作業時のトーチへの電流値と肉盛りのための粉体の供
給量との関係を示すタイムチャートであり、電流値Ｃは
パイロットアークのための電流値を示す。

【００２９】次に、このプラズマアークの発生から所定
時間（図４ではｔ１からｔ２の時間）経過した後、電流
値を図４のＡからＢに上げるとともに、肉盛り材料の粉
体をトーチ３５の間隙４９から噴出させることにより、
凹部２３の初期溶融池へ供給開始させる。従って、供給
された粉体は、既に形成されている溶融池に溶け込むこ
とで、飛散することなく確実に肉盛り溶接されて行くこ
とになる。

【００３０】この軸端肉盛り溶接装置２４を用いた軸端
肉盛り溶接方法では、予め凹部２３に溶融池形成材３２
を供給することで、該凹部２３が溶融池形成材３２によ
って平坦となり、プラズマアークの集中し易い突出部２
３ａの内周側の角部が露出しなくなる。これにより、凹
部２３を包囲する周壁状の突出部２３ａがプラズマアー
クによって溶融することがなく、溶融金属の軸端部２２
ａからの流れ落ちがなくなる。

【００３１】また、後に粉体を供給して肉盛り溶接する
ことから、初期溶融池を形成するための材料は、所望の
材質のものを使用することが可能となる。

【００３２】このように、上述の軸端肉盛り溶接方法に
よれば、プラズマアークを発生させる前に、凹部２３に
溶融池形成材３２を供給しておくので、供給した溶融池
形成材３２によって凹部２３を平坦にできる。この結
果、突出部２３ａへのプラズマアークの集中を防止で
き、溶融金属が凹部２３から流れ落ちることによる肉盛
り溶接不良の発生を確実に防止することができる。

【００３３】一方、その軸端肉盛り溶接装置２４によれ
ば、インデックステーブル２５により弁２１を溶融池形
成材供給ステーション２９、肉盛り溶接ステーション３
０等に順次移送可能としたので、弁２１への肉盛り溶接
加工を自動で行うことができ、熟練技術が必要なくな
り、生産性を向上させることができるようになる。

【００３４】次に、本発明に係る軸端肉盛り溶接装置の
他の実施形態を図５及び図６に基づいて説明する。図５
は他の実施形態のクランプ手段を示す説明図、図６は本
発明の軸端肉盛り溶接方法により異なる形状で肉盛りさ
れた軸端部を示す断面図である。図５（Ａ）に示すクラ
ンプ手段４２では、クランブ部が冷し金５１によって構
成されており、該冷し金５１は、銅合金により筒状に形
成され、内部に冷却水の循環する冷却水循環路５２を有
している。

【００３５】そして、この冷し金５１は、弁２１が移送
手段４１によって所定位置に上昇された際、軸２２の上
部に挿嵌されることにより、溶接中の軸２２の上端部２
２ａを冷却し、凹部２３を包囲する突出部２３ａの溶融
をより確実に防止することができる。

【００３６】また、冷し金５１は、図５（Ｂ）に示すよ
うに、軸２２の軸端部２２ａより突出させた状態で軸２
２の上部に挿嵌するものであってもよい。このような冷
し金５１によれば、軸径が小さく、凹部２３の形成され
ない軸２２においても、その軸２２への肉盛り溶接を可
能にできる。この場合、冷し金５１は、銅合金であり、
冷却されることにより、肉盛り溶接時に溶融金属が溶着
することがない。この図５（Ｂ）に示すように冷し金５
１を用いれば、一般的な肉盛り溶接を施した場合に図６
（Ａ）の先端半球状となる肉盛り層５２を、図６（Ｂ）
に示すように平均的に厚い円柱状の肉盛り層５３とする
ことができる。

【００３７】なお、上述の実施形態では、溶融池形成材
３２を肉盛り材料と同じ組成である場合を例に説明した
が、溶融池形成材３２は、初期溶融池のみを形成する目
的であれば、他の組成、例えば母材と同組成の材料を用
いるものであってもよい。また、初期溶融池が形成され
た後に粉体を供給する場合を例に説明したが、本発明に
係る軸端肉盛り溶接方法は、溶融池形成材３２の溶融と
同時に、初期溶融池に粉体を供給することを除外するも
のではない。更に、肉盛り量、肉盛り形状によっては、
粉体を供給せず、予め凹部２３に供給した溶融池形成材
３２のみにより肉盛りするものであってもよい。

【００３８】一方、本発明に係る軸端肉盛り溶接方法
は、プラズマアークを発生させるトーチに代えて、真空
中で発生させた高速の電子ビームの有するエネルギを熱
源とする電子ビーム溶接を利用するものであってもよ
い。また、バルブの軸の端部に肉盛り溶接する例を示し
たが、他部品の軸にも適用できるのはもちろん、板状部
材等の平面部から軸状に突出する形状のもの等において
も、その軸端部に肉盛り溶接する際に本発明を適用する
ことができ、本発明における軸端部はこのようなものを
も含む概念である。

【００３９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る軸端肉盛り溶接方法によれば、プラズマアーク等を発
生させる前に、軸端部に溶融池形成材を供給しておき、
この溶融池形成材に向けてプラズマアーク等を発生させ
ることで溶融池形成材を溶融して初期溶融池を形成する
ので、供給した溶融池形成材によって軸端部を平坦にで
き、軸端部に凹部を形成した際の突出部へのアークの形
成を防止でき、溶融金属が凹部から流れ落ちることによ
る肉盛り溶接不良の発生を確実に防止することができ
る。また、初期溶融池の形成された後に、軸端部に肉盛
りされる肉盛り材料の粉体をアーク内に供給しながら肉
盛り溶接を行うことにより、初期溶融池に向けて粉体を
有効に溶着し得て、比較的厚肉の肉盛りを効率的に行う
ことができる。

【００４０】一方、本発明に係る軸端肉盛り溶接装置に
よれば、制御手段により、溶接電流の供給開始時期並び
にプラズマアーク内に供給される粉体の供給開始時期を
制御しながら、溶融池形成材による初期溶融池を形成し
てから、粉体を供給して肉盛り溶接することができ、熟
練を要さず、確実に肉盛り溶接することができる。クラ
ンプ手段を冷やし金で構成することにより、軸端部の溶
け落ちをより確実に防止することができる。また、各ス
テーションを順次移送するインデックステーブルを備え
る構成とすれば、軸への肉盛り溶接加工を自動で行い得
て、生産性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る軸端肉盛り溶接装置の概略構成
図である。

【図２】 凹部に溶融池形成材の供給された軸端部を示
す断面図である。

【図３】 図１の肉盛り溶接ステーションにおける軸把
持状態を示す側面図である。

【図４】 本発明に係る軸端肉盛り溶接装置の溶接電流
と粉体の供給時期を示したタイムチャートである。

【図５】 他の実施形態のクランプ手段を示す説明図で
ある。

【図６】 本発明の軸端肉盛り溶接方法により異なる形
状で肉盛りされた軸端部を示す断面図である。

【図７】 従来の肉盛り溶接を説明するトーチ部近傍の
要部断面図である。

【符号の説明】

２２ 軸 ２２ａ 端部 ２３ 凹部 ２４ 軸端肉盛り溶接装置 ２５ インデックステーブル ２８ ワーク供給ステーション ２９ 溶融池形成材供給ステーション ３０ 肉盛り溶接ステーション ３１ ワーク排出ステーション ３２ 溶融池形成材 ３３ 供給手段 ３５ トーチ ４１ 移送手段 ４２ クランプ手段 ５０ 制御手段 ５１ 冷やし金

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｌ 3/24 Ｆ０１Ｌ 3/24 Ｄ Ｈ０５Ｈ 1/42 Ｈ０５Ｈ 1/42

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークである軸を上下方向に姿勢させ、 その上方から該軸の上端部に対してアークを発生させな
   がら該上端部に肉盛り溶接する軸端肉盛り溶接方法にお
   いて、 前記アークを発生させる前に前記軸の上端部に溶融池形
   成材を供給しておき、 該溶融池形成材に向けて前記アークを発生させることに
   より該溶融池形成材を溶融して前記上端部に初期溶融池
   を形成することを特徴とする軸端肉盛り溶接方法。
2. 【請求項２】 前記初期溶融池の形成された後に、前記
   上端部に肉盛りされる肉盛り材料の粉体を前記アーク内
   に供給しながら肉盛り溶接を行うことを特徴とする請求
   項１記載の軸端肉盛り溶接方法。
3. 【請求項３】 上下方向に姿勢させた軸の上端部に溶融
   池形成材を供給する供給手段と、 該軸の上方から前記上端部に対してアークを発生させる
   とともに、該上端部に肉盛りされる肉盛り材料の粉体を
   アーク内に供給する手段を備えたトーチと、 該トーチによる溶接位置に前記軸を上下方向に沿って姿
   勢させるクランプ手段と、 少なくとも前記トーチへ供給する溶接電流の供給開始時
   期並びに前記トーチから前記アーク内に供給される前記
   粉体の供給開始時期を制御する制御手段とを具備するこ
   とを特徴とする軸端肉盛り溶接装置。
4. 【請求項４】 前記クランプ手段には、軸の上端部を囲
   む冷やし金が設けられていることを特徴とする請求項３
   記載の軸端肉盛り装置。
5. 【請求項５】 ワークである軸を供給するワーク供給ス
   テーションと、 前記供給手段を備えた溶融池形成材供給ステーション
   と、 前記トーチ及びクランプ手段を備えた肉盛り溶接ステー
   ションと、 肉盛り溶接後のワークを排出するワーク排出ステーショ
   ンとの間で順にワークを移送するインデックステーブル
   を備えたことを特徴とする請求項３又は４記載の軸端肉
   盛り溶接装置。