JP3189678B2

JP3189678B2 - プラズマアーク溶接用ノズルおよびプラズマアーク溶接方法

Info

Publication number: JP3189678B2
Application number: JP12940696A
Authority: JP
Inventors: 洋次稲葉; 孝行久芳
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-05-24
Filing date: 1996-05-24
Publication date: 2001-07-16
Anticipated expiration: 2016-05-24
Also published as: JPH09314339A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、肉厚が１０ｍｍ以
下というような比較的薄肉の金属材料のプラズマアーク
溶接に適用して好適なノズルと、このノズルを用いるプ
ラズマアーク溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマアーク溶接法は、通常、肉厚が
２〜１０ｍｍ程度のステンレス鋼や高合金鋼などの溶接
に適用されている。このプラズマアーク溶接法は、片面
からの裏波溶接が可能であり、かつ良好な清浄度の溶接
金属が得られるという特徴を有している。このことか
ら、従来より高級ステンレス溶接鋼管の製管溶接に用い
られている。

【０００３】周知のように、上記のプラズマアーク溶接
法は、ＴＩＧ溶接（Tungsten InertGas Weld ）におけ
る本アークを緊縮させることによって本アークの貫通能
力を高めた溶接方法である。

【０００４】すなわち、ＴＩＧ溶接法では、タングステ
ン電極（陰極）と被溶接材料（陽極）との間で１００〜
３００Ａ程度のアークを点弧させ、このアークの近傍を
Ａｒなどの不活性ガスでシールドしながら溶接を行う方
法である。しかし、この場合、そのアークの貫通能力
は、比較的小さい。

【０００５】これに対し、プラズマアーク溶接法は、次
のようにして溶接を行う。

【０００６】図１は、プラズマアーク溶接法を説明する
ための縦断面図であり、図に示すよに、シールドガスＳ
Ｇと動作ガスＤＧを供給するノズル１内にタングステン
電極２を配置し、このタングステン電極２に沿ってＡｒ
などの不活性ガスである動作ガスＤＧを高速で供給する
方法である。

【０００７】従って、プラズマアーク溶接法では、タン
グステン電極２と被溶接材料Ｍとの間に、供給される動
作ガスＤＧの高速ガス気流で覆われてその高速気流の冷
却効果により、径の絞られたアークＡが点弧する。その
結果、アークＡのエネルギー密度が増加するので、プラ
ズマアーク溶接法の方がＴＩＧ溶接法に比べて本アーク
Ａの貫通能力が大きくなるのである。

【０００８】なお、上記の動作ガスＤＧは、溶融金属や
アークＡを大気から遮断するためのシールドガスＳＧと
は当然に区別される。また、この動作ガスＤＧは、その
ほとんどがプラズマ状態とになり、通常その直径ｄが約
１〜４ｍｍ程度のノズル孔１０ｂから噴出する。

【０００９】また、ノズル本体１０は、内部に冷却水通
路１０ｃを有し、冷却水Ｗを供給することにより、プラ
ズマ化した動作ガスＤＧの熱によって溶損しないように
なっている。なお、ノズル本体１０は、その内部に上記
の冷却水通路１０ｃを有しないものもある。

【００１０】以上の説明から明らかなように、プラズマ
アーク溶接法は、アークＡの貫通能力が大きい。このた
め、プラズマアーク溶接法は、ＴＩＧ溶接法が最大肉厚
４ｍｍ程度の溶接にしか適用できないのに対し、最大肉
厚１０ｍｍ程度までの溶接に適用可能であり、溶接速度
も飛躍的に向上させ得るという利点がある。

【００１１】しかし、プラズマアーク溶接法は、電流を
増加させてアークＡの貫通能力をさらに高めて高速溶接
しようとすると、ノズル本体１０の電圧が上昇し、シリ
ーズアークと称される異常放電現象が発生するという欠
点を有している。

【００１２】すなわち、前述の図１に示すように、ノズ
ル本体１０の中央から噴出する正常なアークＡとは異な
り、タングステン電極２とノズル本体１０との間、およ
びノズル本体１０と被溶接材料Ｍとの間に、上記のシリ
ーズアークと称される異常なアークＳＡが発生する。

【００１３】このシリーズアークＳＡが発生し始める限
界電流値は、ノズル本体１０の材質、動作ガスＤＧの流
量、ノズル孔１０ｂの直径ｄなどによって多少変化し、
必ずしも一定でないが、電流の増加に伴って必ず発生す
る。

【課題を解決する手段】

【００１４】そして、シリーズアークＳＡが発生する
と、正常なアークＡの電流値が減少し、不貫通ビードな
どの溶接欠陥が発生する。

【００１５】このシリーズアークを防止する方法として
は、従来から種々の方法が提案されている（例えば、特
開昭６３−５８８２号公報、特開平５−８０４７号公
報）。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これら従来の
方法は、その効果が不十分で、より効果的にシリーズア
ークの発生を防止し得る方法の提供が望まれているのが
実情である。

【００１７】本発明は、上記の実情に鑑みてなされたも
ので、その課題は、シリーズアークが発生し始める限界
電流値を可及的に高めることが可能なプラズマアーク溶
接用ノズルと、このノズルを用いたプラズマアーク溶接
方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】発明者らは、上記の課題
を解決すべく種々の実験を行った結果、次のことを知見
し、本発明をなすに到った。

【００１９】前述したように、シリーズアークは、タン
グステン電極〜ノズル本体間アークと、ノズル本体〜被
溶接材料間アークの直列アークである。従って、２ヶ所
に発生するアークのうち、いずれか一方のアークを防止
すれば、電気的に閉回路が形成されなくなるので、他方
のアークも発生しなくなり、シリーズアークの発生自体
を防ぐことが可能になるはずである。

【００２０】そこで、本発明者らは、タングステン電極
〜ノズル本体間アークに注目した。

【００２１】すなわち、タングステン電極〜ノズル本体
間でアークが発生するためには、陰極点、アーク柱およ
び陽極点のいずれもが安定に維持されている必要があ
る。

【００２２】ここで、陰極点は、赤熱したタングステン
電極であり、そのプラズマアーク溶接中、常に電子放出
能を有した状態で安定に維持されている。

【００２３】また、アーク柱は、供給される動作ガス流
によってノズル本体のノズル孔出口端方向（下方）に吹
き流される傾向はあるものの、アークを安定に維持でき
る環境にあることは間違いない。

【００２４】従って、ここで問題となるのは、陽極点
（ノズル本体）である。陽極点が安定に維持されるため
には、電子の流入衝撃によって形成される陽イオン層が
陽極表面に安定に滞留することが必要である。換言すれ
ば、アークは全体として中性であり、電子流の流れに対
して逆向きに陽イオン流が生じており、この陽イオンの
発生源が陽極点である。

【００２５】かかる観点から、ノズル本体のノズル孔内
壁面が陽極点になり得るかどうかを考察すると、ノズル
孔内壁表面の温度は、ノズル本体が通常内部より水冷さ
れているので、かなり低いと推定される。また、ノズル
孔内壁表面の陽イオン層は、ノズル孔内をＡｒガスなど
の動作ガスが流れているので、安定に維持されている可
能性は比較的低い。

【００２６】しかし、電流を増加させていくとシリーズ
アークが発生するということは、電流値がある限界を超
えると、ノズル孔内壁面の陽イオン層が安定化して陽極
点が安定に維持されるようになるためと考えられる。

【００２７】以上のことから、ノズル孔内壁面が陽極点
にならないようにするための手段を種々検討した結果、
ノズル孔内壁面の表面粗さを、ＪＩＳ−Ｂ６０１（１９
９４）に規定された方法により測定される中心線平均粗
さ（Ｒａ₇₅）で２μｍ以下にすると、シリーズアークの
発生限界電流を高め得ることを見いだした。

【００２８】また、このノズルを用いて突合わせ溶接ま
たは製管溶接すると、その溶接速度を速くすることがで
き、生産性を高め得ることを見いだした。

【００２９】上記の知見に基づく、本発明の要旨は、次
の（１）および（２）のプラズマアーク溶接用ノズルと
プラズマアーク溶接方法にある。

【００３０】（１）軸心部に電極が配置される金属製の
プラズマアーク溶接用ノズルであって、金属製のノズル
本体に穿設されたノズル孔内壁面の表面粗さを、中心線
平均粗さ（Ｒａ_７５）で２μｍ以下にしたことを特徴と
するプラズマアーク溶接用ノズル。

【００３１】（２）上記（１）のノズルを用いて突合わ
せ溶接または製管溶接することを特徴とするプラズマア
ーク溶接方法。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかわるノズル
を、前述した図１を参照して詳細に説明する。

【００３３】図１に示すように、本発明のノズル１は、
例えば、銅、銀、金、白金、パラジウムなどの金属製の
ノズル本体１０の軸心部に穿設されたノズル孔１０ｂの
内壁面１０ａが、ＪＩＳ−Ｂ６０１（１９９４）に規定
された方法により測定される中心線平均粗さ（Ｒａ₇₅）
で２μｍ以下の表面粗さに鏡面仕上げされている。

【００３４】このように、ノズル孔１０ｂの内壁面１０
ａの表面を鏡面仕上げした場合、シリーズアークＳＡが
発生しなくなるのは、詳細には不明であるが、次に述べ
る理由によると推定される。

【００３５】すなわち、ノズル孔１０ｂの内壁面１０ａ
の表面粗さを滑らかにすると、ノズル孔１０ｂに供給さ
れた動作ガスＤＧの表面近傍の流速が増大し、陽イオン
層の安定滞留が抑制されて陽極が安定維持されなくなる
結果、溶接電流を高くしてもシリーズアークＳＡが発生
しなくなるためと推定される。

【００３６】ここで、ノズル孔１０ｂの内壁面１０ａの
表面粗さが、上記中心線平均粗さ（Ｒａ₇₅）で２μｍ超
であると、シリーズアークＳＡの発生限界電流を高くす
ることはできない。換言すれば、溶接電流を高めると、
シリーズアークＳＡが発生する。このことは、図２に示
す実験結果から明らかである。

【００３７】図２は、ノズル孔１０ｂの内壁面１０ａの
表面粗さ、すなわち中心線平均粗さ（Ｒａ₇₅）を種々変
えた場合におけるシリーズアークＳＡの発生限界電流を
調べた結果を示している。

【００３８】図２から明らかなように、内壁面１０ａの
表面粗さが、中心線平均粗さ（Ｒａ₇₅）で２μｍを超え
る３．５μｍ以上のノズル本体１０を用いた場合、シリ
ーズアークＳＡの発生限界電流は１６０Ａである。これ
に対し、その表面粗さが、中心線平均粗さ（Ｒａ₇₅）で
２μｍ以下のノズル本体１０を用いた場合、そのシリー
ズアークＳＡの発生限界電流は２００Ａであり、大電流
での溶接が可能であることがわかる。

【００３９】なお、実験は、肉厚３ｍｍのＳＵＳ３０４
製の板材を対象に、ノズル孔１０ｂの直径ｄが２．４ｍ
ｍの銅製のノズル本体１０を用い、動作ガスＤＧとして
常温のＡｒガスを１リットル／ｍｉｎで供給する条件の
もとに行った。

【００４０】ところで、シリーズアークＳＡの発生限界
電流を高める方法としては、従来から行われているよう
に、動作ガスＤＧの流量を多くする方法やノズル孔１０
ｂの直径ｄを大きくする方法がある。

【００４１】しかし、前者の方法は、溶接ビード形成の
面で問題があり、流量を多くしすぎるとアンダカットな
どの溶接欠陥が多発する。このため、その流量増加には
限界があり、シリーズアークＳＡ発生限界電流をあまり
高めることができない。

【００４２】また、後者の方法は、ノズル孔１０ｂの直
径ｄを大きくしすぎると、動作ガスの流速が遅くなるた
めにアークＡの縮径程度が小さくなり、その貫通能が低
下する。このため、その直径ｄの大径化には限界があ
る。

【００４３】本発明のノズルは、図１に示すように、ノ
ズル本体１０に穿設されたノズル孔１０ｂの全ての内壁
面１０ａの表面粗さを、中心線平均粗さ（Ｒａ_７５）で
２μｍ以下の鏡面に仕上げるのが最も好ましい。しか
し、必ずしも全表面を２μｍ以下の鏡面に仕上げる必要
はなく、例えば予め実験を行ってシリーズアークＳＡの
発生部位を確認し、その部分の表面のみを２μｍ以下の
鏡面に仕上げたものであってもよい。これは、ノズル孔
１０ｂの形状や寸法などによってシリーズアークＳＡの
発生部位が微妙に異なるからである。この場合には、全
表面を２μｍ以下の鏡面に仕上げる場合に比べてその加
工費が少なくてすむので、ノズル自体の製造コスト上昇
を抑制することができる。

【００４４】本発明のノズルを用い、相互に突合わせ当
接された板材の当接線に沿ってプラズマアーク溶接する
場合、あるいは成形ロール群によって連続的にオープン
パイプ状に曲成される金属帯両エッジの当接部をプラズ
マアーク溶接して製管溶接する場合には、シリーズアー
クの発生を懸念することなく大電流での溶接が可能とな
る。この結果、溶接速度を速くすることができ、生産性
が大幅に向上するのみならず、健全な溶接継手を得るこ
とが可能になる。

【００４５】

【実施例】肉厚が２ｍｍのＳＵＳ３０４製の鋼板の突合
わせ溶接と、外径が５０．８ｍｍで、肉厚が２ｍｍと３
ｍｍのＳＵＳ３０４製の製管溶接を行った。

【００４６】この際、ノズルとしては、図１に示す直径
ｄが２．４ｍｍと３．２ｍｍで、銅製のノズル本体１０
に穿設されたノズル孔１０ｂの全内壁面１０ａの表面粗
さをＲａ_７５で０．７〜２．０μｍの範囲で種々変えた
本発明のノズルと、その表面粗さがＲａ_７５で３．６〜
１２．５μｍの範囲である市販の従来ノズルを用いた。

【００４７】また、動作ガスとして常温のＡｒガスを用
い、その流量を１．０リットル／ｍｉｎと１．２リット
ル／ｍｉｎの２通りに変化させた。さらに、溶接電流
は、１２０〜２７０Ａの範囲で種々変化させた。また更
に、溶接速度は、肉厚２ｍｍの材料については１ｍ／ｍ
ｉｎ、肉厚３ｍｍの材料については０．８ｍ／ｍｉｎと
した。

【００４８】なお、比較のため、前述の特開平５−８０
４７号公報に提案されたノズルであり、その被膜が５μ
ｍのＣＢＮ被膜であるノズルを用い、上記と同様の溶接
を行った。

【００４９】そして、シリーズアークの発生有無を目視
観察し、シリーズアーク発生時の限界電流値を確認し
た。また、得られた溶接継手のアンダーカットの発生有
無を調べ、シリーズアークもアンダーカットも発生しな
かった場合を「良好」として評価した。

【００５０】その結果を、用いたノズル本体の諸元およ
びその他の溶接条件とともに、表１に示した。

【００５１】

【表１】

【００５２】表１に示す結果から明らかなように、板突
合わせ溶接では、動作ガスの流量が１．０リットル／ｍ
ｉｎの場合、市販の従来ノズルを用いたときのシリーズ
アークの発生限界電流値は１４０〜１６０Ａであった
（No. １〜８参照）。

【００５３】これに対し、本発明のノズルを用いたとき
のシリーズアークの発生限界電流の最大値は２２０Ａで
あった（No. ９〜１６参照）。

【００５４】さらに、ノズル孔内壁面の表面粗さがＲａ
₇₅で５．８μｍの市販従来ノズルを用い、動作ガスの流
量を１．２リットル／ｍｉｎに増量した場合、シリーズ
アークの発生限界電流の最大値は１６０Ａから１８０Ａ
に上昇したが、アンダーカットが発生し、健全な溶接継
手が得られなかった（No. ５、６およびNo. １８、１９
参照）。なお、ＣＢＮ被膜ノズルでは、シリーズアーク
の発生限界電流値が１６０Ａから１８０Ａに上昇したの
みであった（No. １７参照）。

【００５５】また、製管溶接では、肉厚２ｍｍの場合に
おけるシリーズアークの発生限界電流値は、ノズル孔内
壁面の表面粗さがＲａ₇₅で５．８μｍの市販従来ノズル
では１６０Ａであった（No. ２１、２２参照）。これに
対し、本発明のノズル使用時のシリーズアークの発生限
界電流値は、２２０Ａであった（No. ２３、２４参
照）。

【００５６】さらに、肉厚３ｍｍの場合におけるシリー
ズアークの発生限界電流値は、ノズル孔内壁面の表面粗
さがＲａ₇₅で６．１μｍの市販従来ノズルでは２２０Ａ
であった（No. ２５、２６参照）。これに対し、本発明
のノズル使用時のシリーズアークの発生限界電流値は、
２７０Ａであった（No. ２７、２８参照）。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、大電流での溶接が可能
になる。この結果、溶接速度を速くすることができるの
で、生産性が向上する。また、高速溶接のもとに健全な
溶接継手が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマアーク溶接用ノズルの一例を示す模式
的縦断面図である。

【図２】シリーズアークの発生限界電流とノズル本体に
穿設されたノズル孔内壁面の表面粗さとの関係を示す図
である。

【符号の説明】

１：ノズル、２：タングステン電極、１０：ノズル本体、１０ａ：ノズル孔の内壁面、１０ｂ：ノズル孔、１０ｃ：冷却水通路、１０ｄ：パッキン、Ａ：アーク、ＳＡ：シリーズアーク、Ｍ：被溶接材料、Ｗ：冷却水、ＳＤ：シールドガス、ＤＧ：動作ガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 10/00 B23K 10/02 H05H 1/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸心部に電極が配置される金属製のプラズ
マアーク溶接用ノズルであって、金属製のノズル本体に
穿設されたノズル孔内壁面の表面粗さが、中心線平均粗
さ（Ｒａ_７５）で２μｍ以下であることを特徴とするプ
ラズマアーク溶接用ノズル。
【請求項２】請求項１に記載のノズルを用いて突合わせ
溶接または製管溶接することを特徴とする金属材料のプ
ラズマアーク溶接方法。