粉末等离子焊接装置与焊接方法
专利名称：粉末等离子焊接装置与焊接方法
技术领域：
本发明涉及金属材料的焊接中以粉末为填充金属的等离子焊接装置与焊接方法(下称粉末等离子焊接装置及粉末等离子焊接方法)。
背景技术：
等离子焊接法是一种因电弧能量密度高、与TIG焊接法相比可提高焊接效率且焊接质量也不比TIG焊接法差的焊接法。作为此等离子焊接法的填充金属而使用粉末的粉末等离子焊接法，近年多用来作为改良被加工物表面的堆焊焊接法。
以往，用于此粉末等离子焊接法的粉末诸如为提高耐磨性而具有不同于被加工物的成分(例如参照特开平11-277246号公报(第2-4页、第1图))。
又，设定长的焊炬高度并使粉末喷出的焦点距离短于焊炬高度(例如参照特开平8-300157号公报(第2-3页、第1图、第2图))。
图4所示为上述以往的粉末等离子焊接法的焊炬前端的焊嘴与被加工物的关系图。粉末等离子焊接装置由焊嘴101、等离子孔102、粉末孔103、电极104、被加工物105构成。图4中标有焊炬高度h、粉末孔开口的假想圆的直径P、相对的粉末孔轴线的交叉角度α，其交叉点与焊嘴101前端的焦点距离d。
关于上述结构的粉末等离子焊接法的工作说明如下。等离子电弧在电极104与被加工物105之间，穿过等离子孔102而产生。另一方面，粉末从粉末孔103的开口部与运载气体一起喷出。喷出的粉末由等离子电弧的热熔化并到达被加工物105的表面。这里，焊炬高度为10mm＜h＜20mm，在防止被加工物的过度熔化的同时，将取决于假想圆的直径P及交叉的角度α之组合的焦点距离d的范围作为焊炬高度的50～60％，先将喷出的粉末导入等离子电弧中，在加热熔化后熔着于被加工物105上。通过这样的配置，将粉末选择性地熔化并抑制被加工物的熔化，可防止熔着于被加工物表面的粉末成分被加工物成分稀释。
以往这种粉末等离子焊接法的目的是将具有不同于被加工物材质的表面改良用成分的粉末熔着于被加工物表面。由此，为了避免粉末成分被被加工物成分稀释而失去粉末成分本来性质或为了避免由于两方成分的化合而生成有害成分，要将被加工物的熔化限制在最小限度。为此，便产生了所谓“不适合将被加工物彼此间充分熔化后相互接合的熔焊”的问题。
发明内容
本发明提供一种焊接装置，该装置具有以与被加工物的成分相同的成分为主要成分的粉末；将粉末供给向被加工物的送料装置；在与被加工物之间产生等离子并使从送料装置供给的粉末聚焦后供给向被加工物的焊炬；向焊炬供电的电源，从焊炬到上述粉末聚焦的焦点的距离在作为被加工物与焊炬的距离的焊炬高度以上。
图1为本发明实施例的焊炬前端部截面与被加工物的位置关系图；图2为本发明实施例的装置结构图；图3为本发明实施例的焊嘴剖视图；图4为以往的焊嘴截面与被加工物的位置关系图。
具体实施例方式
在图2中，粉末等离子焊接装置具有焊炬3；向焊炬3供电的电源1；向焊炬3供给粉末的送料装置2；向焊炬3及送料装置2供气的供气装置4；向电源1及送料装置2输出设定信号的控制装置5；被加工物6。
关于上述结构的焊接装置的工作说明如下。控制装置5将粉末给送量的焊接条件设定值及焊接起动信号输出至电源1及送料装置2。送料装置2按来自控制装置5的粉末给送量设定值决定粉末给送量水平。电源1按由控制装置5输入的设定值决定向焊炬3的输出电力水平。另外，电源1一旦接收到来自控制装置5的焊接开始的起动信号，便在向焊炬3供给规定电力的同时，向供气装置4及送料装置2输出ON信号。供气装置4接收到上述ON信号后，向焊炬3给送等离子气、向送料装置2供给用于将粉末给送焊炬3的运载气体。接着，送料装置2接收到ON信号后将规定的粉末量供给焊炬3。焊炬3在与被加工材料6之间产生等离子电弧的同时，向被加工材料喷出粉末。
图1所示，为焊炬3的前端部的细部与被加工物及焊接焊道的关系图。图1中，粉末等离子焊接装置设有焊嘴14；具有与电极12中心轴一致的中心轴的等离子孔7；具有与等离子孔7的中心轴相对倾斜的中心轴并配置在同心的假想圆上的多个粉末孔8。焊炬主体9将焊嘴用螺丝固定，粉末导管11将送料装置2与焊炬主体9加以连接，粉末积存槽10是连接于粉末导管出口且在焊炬主体前端部开口的环形槽。等离子气体通道13位于电极12与焊炬主体9之间且连接于等离子孔7，熔化坑15由等离子电弧16加热熔化。另外，图中标有熔化坑宽度W；作为焊嘴14前端与被加工物6的距离的焊炬高度h；电极12中心轴与粉末孔8中心轴的交点同焊嘴14前端的焦点距离d。
上述结构的工作说明如下。当由电源1供电时，电极12与被加工物6之间产生等离子电弧16。等离子电弧16的周围，从供气装置4、经等离子气体通道13、等离子孔7被供给等离子气体。作为等离子气体，使用纯氩气，但也可使用氩气中混合氢气的气体、氩气中混合氦气的气体、或纯氦气气体等非氧化性气体。等离子电弧16由等离子气体和等离子孔7的壁面进行紧缩。其结果，被加工物6在熔化宽度W的区域进行熔化。
另一方面，粉末由送料装置2通过运载气体经粉末导管11导入焊炬主体9的粉末积存槽10。
粉末积存槽10的作用说明如下。其目的在于应对因焊嘴14与焊炬主体9以螺丝连结、而焊炬主体9与粉末孔8的位置关系不定的状况。假如粉末积存槽10不呈环状的槽形、而导粉末孔8同样被配置成假想同心圆周状的圆筒状的孔的话，可想而知，由于螺丝连结，粉末孔8与粉末积存槽10的位置将错开，粉末将滞留在粉末积存槽10且无法导入粉末孔8。为了具有这种防止因位置错动造成的粉末滞留的功能，故将粉末积存槽10做成环状的槽形。
因为粉末孔8以具有与等离子孔7的中心轴相对倾斜的中心轴的方式设置，所以从粉末孔8喷出的粉末在焦点距离d的位置聚集。
接着，就本发明的焦点距离d与焊炬高度h的关系说明如下。本发明的要点是为焊接多个被加工物而将等离子电弧16的能量有效作用于被加工物6上。为此，在实施例中，通过等离子电弧16熔化被加工物6并利用其熔化能量使粉末熔化附着。也就是说，在焦点距离d比焊炬高度h还短时，由于粉末大量导入等离子电弧16中，等离子电弧16的能量被粉末熔化所消耗，一定程度上导致对被加工物6的熔化能量减少。这种情况成为引起对多个被加工物16的熔化不足的原因，其结果将造成无法熔焊。因而，焦点距离d必须在焊炬高度h以上，使等离子电弧16能够对被加工物6提供充分的能量。
另外，为了熔焊多个被加工物，作为被加工物，至少用2个部件、在各部件间空出间隙进行焊接。
另一方面，粉末导入被加工物6由等离子电弧16熔化后生成的熔化坑15，在熔化坑15内熔敷并形成焊接焊道。从而，为了将粉末有效地熔敷而进行焦点距离d的设定，以便粉末能够喷出到表示熔化坑15生成范围的熔化坑宽度W内。熔化坑的宽度W因等离子电流、焊炬高度h、焊接速度等焊接条件不同而各异，所以焦点距离d的上限会因这些焊接条件而变化。在熔化坑的宽度W大时，焦点距离d即使大于焊炬高度h，粉末熔敷效率也不下降，而在以小电流焊接的场合等，熔化坑的宽度W小时，使焦点距离d大致与焊炬高度h相等来维持熔敷效率。为了变更焦点距离d，具有变更焊炬主体9的方法和变更焊嘴14的方法，从成本方面、交换性方面看，变更焊嘴14更好。图3所示为在焊嘴14上用于变更焦点距离d的形状参数的实施例。图3中标有焊嘴厚t、设于假想同心圆周上的粉末孔8的假想圆径r、粉末孔8的倾斜角β。为了改变焦点距离d而可进行焊嘴厚t、假想圆径r、倾斜角β的形状参数的变更。
表1
表1所示为形状参数值与得出的焦点距离d的关系例。焦点距离5、7、9mm的焊嘴是焊炬高度h为5mm用的焊嘴，焦点距离10、14mm的焊嘴为焊炬高度h为10mm用的焊嘴。另外，粉末孔8这时在假想圆周上以45°间隔设置了8个。从喷出粉末的均匀性考虑，个数越多越好，但若为仅一个方向的直线焊接的情况，即使只设1个也能适用。
接着，表2所示使用不同被加工物的粉末的成分例。
表2
本发明中熔化后的被加工物和粉末在熔化坑15内形成合金，因此合金成分选定为与被加工物相同成分的粉末成分，意在不引起焊接结果的劣化。这里所说的以与被加工物的成分相同的成分为主成分的粉末，是指合金成分采用与被加工物相同成分的粉末成分的粉末，以便不引起焊接结果的劣化，。
在焊接中，考虑到氧化消耗的情况，在SM490中使Si、Mn的成分量多于被加工材料、以及在不锈钢中使Cr的成分量多于被加工材料。另外，在SUS430中为提高焊接金属部的韧性而添加了0.81％的Nb。这样，即使以改善焊接部为目的而利用被加工物的成分之外的成分与加工物生成合金，也能在无影响的范围内添加无碍焊接部特性的成分。
如上所述，本发明具有以与被加工物的成分相同的成分为主要成分的粉末；将粉末供给向被焊接物的送料装置；在被加工物之间产生等离子并使送料装置供给的粉末聚焦后供给向被加工物的焊炬；向焊炬供电的电源，通过将从焊炬到粉末聚焦的焦点的距离定为与被加工物和焊炬的距离相等或超过这一距离，能将被加工物的加热和粉末的加热同时进行，并将多个被加工物进行熔焊。
权利要求
1.一种焊接装置，其特征在于，具有以与被加工物的成分相同的成分为主要成分的粉末；将所述粉末向被加工物供给的送料装置；在与所述被加工物之间产生等离子并使从所述送料装置供给的粉末聚焦、向被加工物供给的焊炬；向所述焊炬供电的电源，使从所述焊炬到所述粉末聚焦的焦点的距离，在作为所述被加工物与所述焊炬的距离的焊炬高度以上。
2.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，使从所述焊炬到所述粉末聚焦的焦点的距离与焊炬高度大致相等。
3.根据权利要求1或2所述的焊接装置，其特征在于所述焊炬具有在与所述被加工物之间产生等离子的电极；将所述粉末向所述被加工物供给的焊嘴。
4.一种焊接方法，其特征在于，具有所述被加工物与所述焊炬之间产生等离子的步骤；使以与被加工物的成分相同的成分为主成分的粉末从所述焊炬向所述被加工物聚焦供给的步骤，在将所述粉末向所述被加工物聚焦供给的步骤中，从所述焊炬到所述粉末聚焦的焦点的距离在焊炬高度以上。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于在产生所述等离子的步骤中，使从所述焊炬到粉末聚焦的焦点的距离与焊炬高度大致相等。
6.根据权利要求4或5所述的焊接方法，其特征在于在将所述粉末向所述被加工物聚焦供给的步骤中，作为所述被加工物，至少用2个部件、在各部件间空出间隙进行焊接。
7.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于变更焊嘴来作为变更到所述粉末聚焦焦点的距离的方法。
全文摘要
提供一种粉末等离子焊接装置，具有以与被加工物的成分相同的成分为主要成分的粉末；将粉末供给向被加工物的送料装置；在与被加工物之间产生等离子并使送料装置供给的粉末聚焦后供给向被加工物的焊炬；向焊炬供电的电源，将从焊炬到上述粉末聚焦的焦点的距离定为与焊炬高度相等或在其以上。
文档编号H05H1/26GK1517168SQ20041000240
公开日2004年8月4日 申请日期2004年1月5日 优先权日2003年1月6日
发明者印南哲, 木曾博之, 井原英树, 之, 树 申请人:松下电器产业株式会社
技术领域：
本发明涉及金属材料的焊接中以粉末为填充金属的等离子焊接装置与焊接方法(下称粉末等离子焊接装置及粉末等离子焊接方法)。
背景技术：
等离子焊接法是一种因电弧能量密度高、与TIG焊接法相比可提高焊接效率且焊接质量也不比TIG焊接法差的焊接法。作为此等离子焊接法的填充金属而使用粉末的粉末等离子焊接法，近年多用来作为改良被加工物表面的堆焊焊接法。
以往，用于此粉末等离子焊接法的粉末诸如为提高耐磨性而具有不同于被加工物的成分(例如参照特开平11-277246号公报(第2-4页、第1图))。
又，设定长的焊炬高度并使粉末喷出的焦点距离短于焊炬高度(例如参照特开平8-300157号公报(第2-3页、第1图、第2图))。
图4所示为上述以往的粉末等离子焊接法的焊炬前端的焊嘴与被加工物的关系图。粉末等离子焊接装置由焊嘴101、等离子孔102、粉末孔103、电极104、被加工物105构成。图4中标有焊炬高度h、粉末孔开口的假想圆的直径P、相对的粉末孔轴线的交叉角度α，其交叉点与焊嘴101前端的焦点距离d。
关于上述结构的粉末等离子焊接法的工作说明如下。等离子电弧在电极104与被加工物105之间，穿过等离子孔102而产生。另一方面，粉末从粉末孔103的开口部与运载气体一起喷出。喷出的粉末由等离子电弧的热熔化并到达被加工物105的表面。这里，焊炬高度为10mm＜h＜20mm，在防止被加工物的过度熔化的同时，将取决于假想圆的直径P及交叉的角度α之组合的焦点距离d的范围作为焊炬高度的50～60％，先将喷出的粉末导入等离子电弧中，在加热熔化后熔着于被加工物105上。通过这样的配置，将粉末选择性地熔化并抑制被加工物的熔化，可防止熔着于被加工物表面的粉末成分被加工物成分稀释。
以往这种粉末等离子焊接法的目的是将具有不同于被加工物材质的表面改良用成分的粉末熔着于被加工物表面。由此，为了避免粉末成分被被加工物成分稀释而失去粉末成分本来性质或为了避免由于两方成分的化合而生成有害成分，要将被加工物的熔化限制在最小限度。为此，便产生了所谓“不适合将被加工物彼此间充分熔化后相互接合的熔焊”的问题。
发明内容
本发明提供一种焊接装置，该装置具有以与被加工物的成分相同的成分为主要成分的粉末；将粉末供给向被加工物的送料装置；在与被加工物之间产生等离子并使从送料装置供给的粉末聚焦后供给向被加工物的焊炬；向焊炬供电的电源，从焊炬到上述粉末聚焦的焦点的距离在作为被加工物与焊炬的距离的焊炬高度以上。
图1为本发明实施例的焊炬前端部截面与被加工物的位置关系图；图2为本发明实施例的装置结构图；图3为本发明实施例的焊嘴剖视图；图4为以往的焊嘴截面与被加工物的位置关系图。
具体实施例方式
在图2中，粉末等离子焊接装置具有焊炬3；向焊炬3供电的电源1；向焊炬3供给粉末的送料装置2；向焊炬3及送料装置2供气的供气装置4；向电源1及送料装置2输出设定信号的控制装置5；被加工物6。
关于上述结构的焊接装置的工作说明如下。控制装置5将粉末给送量的焊接条件设定值及焊接起动信号输出至电源1及送料装置2。送料装置2按来自控制装置5的粉末给送量设定值决定粉末给送量水平。电源1按由控制装置5输入的设定值决定向焊炬3的输出电力水平。另外，电源1一旦接收到来自控制装置5的焊接开始的起动信号，便在向焊炬3供给规定电力的同时，向供气装置4及送料装置2输出ON信号。供气装置4接收到上述ON信号后，向焊炬3给送等离子气、向送料装置2供给用于将粉末给送焊炬3的运载气体。接着，送料装置2接收到ON信号后将规定的粉末量供给焊炬3。焊炬3在与被加工材料6之间产生等离子电弧的同时，向被加工材料喷出粉末。
图1所示，为焊炬3的前端部的细部与被加工物及焊接焊道的关系图。图1中，粉末等离子焊接装置设有焊嘴14；具有与电极12中心轴一致的中心轴的等离子孔7；具有与等离子孔7的中心轴相对倾斜的中心轴并配置在同心的假想圆上的多个粉末孔8。焊炬主体9将焊嘴用螺丝固定，粉末导管11将送料装置2与焊炬主体9加以连接，粉末积存槽10是连接于粉末导管出口且在焊炬主体前端部开口的环形槽。等离子气体通道13位于电极12与焊炬主体9之间且连接于等离子孔7，熔化坑15由等离子电弧16加热熔化。另外，图中标有熔化坑宽度W；作为焊嘴14前端与被加工物6的距离的焊炬高度h；电极12中心轴与粉末孔8中心轴的交点同焊嘴14前端的焦点距离d。
上述结构的工作说明如下。当由电源1供电时，电极12与被加工物6之间产生等离子电弧16。等离子电弧16的周围，从供气装置4、经等离子气体通道13、等离子孔7被供给等离子气体。作为等离子气体，使用纯氩气，但也可使用氩气中混合氢气的气体、氩气中混合氦气的气体、或纯氦气气体等非氧化性气体。等离子电弧16由等离子气体和等离子孔7的壁面进行紧缩。其结果，被加工物6在熔化宽度W的区域进行熔化。
另一方面，粉末由送料装置2通过运载气体经粉末导管11导入焊炬主体9的粉末积存槽10。
粉末积存槽10的作用说明如下。其目的在于应对因焊嘴14与焊炬主体9以螺丝连结、而焊炬主体9与粉末孔8的位置关系不定的状况。假如粉末积存槽10不呈环状的槽形、而导粉末孔8同样被配置成假想同心圆周状的圆筒状的孔的话，可想而知，由于螺丝连结，粉末孔8与粉末积存槽10的位置将错开，粉末将滞留在粉末积存槽10且无法导入粉末孔8。为了具有这种防止因位置错动造成的粉末滞留的功能，故将粉末积存槽10做成环状的槽形。
因为粉末孔8以具有与等离子孔7的中心轴相对倾斜的中心轴的方式设置，所以从粉末孔8喷出的粉末在焦点距离d的位置聚集。
接着，就本发明的焦点距离d与焊炬高度h的关系说明如下。本发明的要点是为焊接多个被加工物而将等离子电弧16的能量有效作用于被加工物6上。为此，在实施例中，通过等离子电弧16熔化被加工物6并利用其熔化能量使粉末熔化附着。也就是说，在焦点距离d比焊炬高度h还短时，由于粉末大量导入等离子电弧16中，等离子电弧16的能量被粉末熔化所消耗，一定程度上导致对被加工物6的熔化能量减少。这种情况成为引起对多个被加工物16的熔化不足的原因，其结果将造成无法熔焊。因而，焦点距离d必须在焊炬高度h以上，使等离子电弧16能够对被加工物6提供充分的能量。
另外，为了熔焊多个被加工物，作为被加工物，至少用2个部件、在各部件间空出间隙进行焊接。
另一方面，粉末导入被加工物6由等离子电弧16熔化后生成的熔化坑15，在熔化坑15内熔敷并形成焊接焊道。从而，为了将粉末有效地熔敷而进行焦点距离d的设定，以便粉末能够喷出到表示熔化坑15生成范围的熔化坑宽度W内。熔化坑的宽度W因等离子电流、焊炬高度h、焊接速度等焊接条件不同而各异，所以焦点距离d的上限会因这些焊接条件而变化。在熔化坑的宽度W大时，焦点距离d即使大于焊炬高度h，粉末熔敷效率也不下降，而在以小电流焊接的场合等，熔化坑的宽度W小时，使焦点距离d大致与焊炬高度h相等来维持熔敷效率。为了变更焦点距离d，具有变更焊炬主体9的方法和变更焊嘴14的方法，从成本方面、交换性方面看，变更焊嘴14更好。图3所示为在焊嘴14上用于变更焦点距离d的形状参数的实施例。图3中标有焊嘴厚t、设于假想同心圆周上的粉末孔8的假想圆径r、粉末孔8的倾斜角β。为了改变焦点距离d而可进行焊嘴厚t、假想圆径r、倾斜角β的形状参数的变更。
表1
表1所示为形状参数值与得出的焦点距离d的关系例。焦点距离5、7、9mm的焊嘴是焊炬高度h为5mm用的焊嘴，焦点距离10、14mm的焊嘴为焊炬高度h为10mm用的焊嘴。另外，粉末孔8这时在假想圆周上以45°间隔设置了8个。从喷出粉末的均匀性考虑，个数越多越好，但若为仅一个方向的直线焊接的情况，即使只设1个也能适用。
接着，表2所示使用不同被加工物的粉末的成分例。
表2
本发明中熔化后的被加工物和粉末在熔化坑15内形成合金，因此合金成分选定为与被加工物相同成分的粉末成分，意在不引起焊接结果的劣化。这里所说的以与被加工物的成分相同的成分为主成分的粉末，是指合金成分采用与被加工物相同成分的粉末成分的粉末，以便不引起焊接结果的劣化，。
在焊接中，考虑到氧化消耗的情况，在SM490中使Si、Mn的成分量多于被加工材料、以及在不锈钢中使Cr的成分量多于被加工材料。另外，在SUS430中为提高焊接金属部的韧性而添加了0.81％的Nb。这样，即使以改善焊接部为目的而利用被加工物的成分之外的成分与加工物生成合金，也能在无影响的范围内添加无碍焊接部特性的成分。
如上所述，本发明具有以与被加工物的成分相同的成分为主要成分的粉末；将粉末供给向被焊接物的送料装置；在被加工物之间产生等离子并使送料装置供给的粉末聚焦后供给向被加工物的焊炬；向焊炬供电的电源，通过将从焊炬到粉末聚焦的焦点的距离定为与被加工物和焊炬的距离相等或超过这一距离，能将被加工物的加热和粉末的加热同时进行，并将多个被加工物进行熔焊。
权利要求
1.一种焊接装置，其特征在于，具有以与被加工物的成分相同的成分为主要成分的粉末；将所述粉末向被加工物供给的送料装置；在与所述被加工物之间产生等离子并使从所述送料装置供给的粉末聚焦、向被加工物供给的焊炬；向所述焊炬供电的电源，使从所述焊炬到所述粉末聚焦的焦点的距离，在作为所述被加工物与所述焊炬的距离的焊炬高度以上。
2.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，使从所述焊炬到所述粉末聚焦的焦点的距离与焊炬高度大致相等。
3.根据权利要求1或2所述的焊接装置，其特征在于所述焊炬具有在与所述被加工物之间产生等离子的电极；将所述粉末向所述被加工物供给的焊嘴。
4.一种焊接方法，其特征在于，具有所述被加工物与所述焊炬之间产生等离子的步骤；使以与被加工物的成分相同的成分为主成分的粉末从所述焊炬向所述被加工物聚焦供给的步骤，在将所述粉末向所述被加工物聚焦供给的步骤中，从所述焊炬到所述粉末聚焦的焦点的距离在焊炬高度以上。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于在产生所述等离子的步骤中，使从所述焊炬到粉末聚焦的焦点的距离与焊炬高度大致相等。
6.根据权利要求4或5所述的焊接方法，其特征在于在将所述粉末向所述被加工物聚焦供给的步骤中，作为所述被加工物，至少用2个部件、在各部件间空出间隙进行焊接。
7.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于变更焊嘴来作为变更到所述粉末聚焦焦点的距离的方法。
全文摘要
提供一种粉末等离子焊接装置，具有以与被加工物的成分相同的成分为主要成分的粉末；将粉末供给向被加工物的送料装置；在与被加工物之间产生等离子并使送料装置供给的粉末聚焦后供给向被加工物的焊炬；向焊炬供电的电源，将从焊炬到上述粉末聚焦的焦点的距离定为与焊炬高度相等或在其以上。
文档编号H05H1/26GK1517168SQ20041000240
公开日2004年8月4日 申请日期2004年1月5日 优先权日2003年1月6日
发明者印南哲, 木曾博之, 井原英树, 之, 树 申请人:松下电器产业株式会社
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