專利名稱：粉末等離子焊接裝置與焊接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬材料的焊接中以粉末為填充金屬的等離子焊接裝置與焊接方法(下稱粉末等離子焊接裝置及粉末等離子焊接方法)。
背景技術：
等離子焊接法是一種因電弧能量密度高、與TIG焊接法相比可提高焊接效率且焊接質(zhì)量也不比TIG焊接法差的焊接法。作為此等離子焊接法的填充金屬而使用粉末的粉末等離子焊接法，近年多用來作為改良被加工物表面的堆焊焊接法。
以往，用于此粉末等離子焊接法的粉末諸如為提高耐磨性而具有不同于被加工物的成分(例如參照特開平11-277246號公報(第2-4頁、第1圖))。
又，設定長的焊炬高度并使粉末噴出的焦點距離短于焊炬高度(例如參照特開平8-300157號公報(第2-3頁、第1圖、第2圖))。
圖4所示為上述以往的粉末等離子焊接法的焊炬前端的焊嘴與被加工物的關系圖。粉末等離子焊接裝置由焊嘴101、等離子孔102、粉末孔103、電極104、被加工物105構(gòu)成。圖4中標有焊炬高度h、粉末孔開口的假想圓的直徑P、相對的粉末孔軸線的交叉角度α，其交叉點與焊嘴101前端的焦點距離d。
關于上述結(jié)構(gòu)的粉末等離子焊接法的工作說明如下。等離子電弧在電極104與被加工物105之間，穿過等離子孔102而產(chǎn)生。另一方面，粉末從粉末孔103的開口部與運載氣體一起噴出。噴出的粉末由等離子電弧的熱熔化并到達被加工物105的表面。這里，焊炬高度為10mm＜h＜20mm，在防止被加工物的過度熔化的同時，將取決于假想圓的直徑P及交叉的角度α之組合的焦點距離d的范圍作為焊炬高度的50～60％，先將噴出的粉末導入等離子電弧中，在加熱熔化后熔著于被加工物105上。通過這樣的配置，將粉末選擇性地熔化并抑制被加工物的熔化，可防止熔著于被加工物表面的粉末成分被加工物成分稀釋。
以往這種粉末等離子焊接法的目的是將具有不同于被加工物材質(zhì)的表面改良用成分的粉末熔著于被加工物表面。由此，為了避免粉末成分被被加工物成分稀釋而失去粉末成分本來性質(zhì)或為了避免由于兩方成分的化合而生成有害成分，要將被加工物的熔化限制在最小限度。為此，便產(chǎn)生了所謂“不適合將被加工物彼此間充分熔化后相互接合的熔焊”的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種焊接裝置，該裝置具有以與被加工物的成分相同的成分為主要成分的粉末；將粉末供給向被加工物的送料裝置；在與被加工物之間產(chǎn)生等離子并使從送料裝置供給的粉末聚焦后供給向被加工物的焊炬；向焊炬供電的電源，從焊炬到上述粉末聚焦的焦點的距離在作為被加工物與焊炬的距離的焊炬高度以上。


圖1為本發(fā)明實施例的焊炬前端部截面與被加工物的位置關系圖；圖2為本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實施例的焊嘴剖視圖；圖4為以往的焊嘴截面與被加工物的位置關系圖。
具體實施例方式
在圖2中，粉末等離子焊接裝置具有焊炬3；向焊炬3供電的電源1；向焊炬3供給粉末的送料裝置2；向焊炬3及送料裝置2供氣的供氣裝置4；向電源1及送料裝置2輸出設定信號的控制裝置5；被加工物6。
關于上述結(jié)構(gòu)的焊接裝置的工作說明如下?？刂蒲b置5將粉末給送量的焊接條件設定值及焊接起動信號輸出至電源1及送料裝置2。送料裝置2按來自控制裝置5的粉末給送量設定值決定粉末給送量水平。電源1按由控制裝置5輸入的設定值決定向焊炬3的輸出電力水平。另外，電源1一旦接收到來自控制裝置5的焊接開始的起動信號，便在向焊炬3供給規(guī)定電力的同時，向供氣裝置4及送料裝置2輸出ON信號。供氣裝置4接收到上述ON信號后，向焊炬3給送等離子氣、向送料裝置2供給用于將粉末給送焊炬3的運載氣體。接著，送料裝置2接收到ON信號后將規(guī)定的粉末量供給焊炬3。焊炬3在與被加工材料6之間產(chǎn)生等離子電弧的同時，向被加工材料噴出粉末。
圖1所示，為焊炬3的前端部的細部與被加工物及焊接焊道的關系圖。圖1中，粉末等離子焊接裝置設有焊嘴14；具有與電極12中心軸一致的中心軸的等離子孔7；具有與等離子孔7的中心軸相對傾斜的中心軸并配置在同心的假想圓上的多個粉末孔8。焊炬主體9將焊嘴用螺絲固定，粉末導管11將送料裝置2與焊炬主體9加以連接，粉末積存槽10是連接于粉末導管出口且在焊炬主體前端部開口的環(huán)形槽。等離子氣體通道13位于電極12與焊炬主體9之間且連接于等離子孔7，熔化坑15由等離子電弧16加熱熔化。另外，圖中標有熔化坑寬度W；作為焊嘴14前端與被加工物6的距離的焊炬高度h；電極12中心軸與粉末孔8中心軸的交點同焊嘴14前端的焦點距離d。
上述結(jié)構(gòu)的工作說明如下。當由電源1供電時，電極12與被加工物6之間產(chǎn)生等離子電弧16。等離子電弧16的周圍，從供氣裝置4、經(jīng)等離子氣體通道13、等離子孔7被供給等離子氣體。作為等離子氣體，使用純氬氣，但也可使用氬氣中混合氫氣的氣體、氬氣中混合氦氣的氣體、或純氦氣氣體等非氧化性氣體。等離子電弧16由等離子氣體和等離子孔7的壁面進行緊縮。其結(jié)果，被加工物6在熔化寬度W的區(qū)域進行熔化。
另一方面，粉末由送料裝置2通過運載氣體經(jīng)粉末導管11導入焊炬主體9的粉末積存槽10。
粉末積存槽10的作用說明如下。其目的在于應對因焊嘴14與焊炬主體9以螺絲連結(jié)、而焊炬主體9與粉末孔8的位置關系不定的狀況。假如粉末積存槽10不呈環(huán)狀的槽形、而導粉末孔8同樣被配置成假想同心圓周狀的圓筒狀的孔的話，可想而知，由于螺絲連結(jié)，粉末孔8與粉末積存槽10的位置將錯開，粉末將滯留在粉末積存槽10且無法導入粉末孔8。為了具有這種防止因位置錯動造成的粉末滯留的功能，故將粉末積存槽10做成環(huán)狀的槽形。
因為粉末孔8以具有與等離子孔7的中心軸相對傾斜的中心軸的方式設置，所以從粉末孔8噴出的粉末在焦點距離d的位置聚集。
接著，就本發(fā)明的焦點距離d與焊炬高度h的關系說明如下。本發(fā)明的要點是為焊接多個被加工物而將等離子電弧16的能量有效作用于被加工物6上。為此，在實施例中，通過等離子電弧16熔化被加工物6并利用其熔化能量使粉末熔化附著。也就是說，在焦點距離d比焊炬高度h還短時，由于粉末大量導入等離子電弧16中，等離子電弧16的能量被粉末熔化所消耗，一定程度上導致對被加工物6的熔化能量減少。這種情況成為引起對多個被加工物16的熔化不足的原因，其結(jié)果將造成無法熔焊。因而，焦點距離d必須在焊炬高度h以上，使等離子電弧16能夠?qū)Ρ患庸の?提供充分的能量。
另外，為了熔焊多個被加工物，作為被加工物，至少用2個部件、在各部件間空出間隙進行焊接。
另一方面，粉末導入被加工物6由等離子電弧16熔化后生成的熔化坑15，在熔化坑15內(nèi)熔敷并形成焊接焊道。從而，為了將粉末有效地熔敷而進行焦點距離d的設定，以便粉末能夠噴出到表示熔化坑15生成范圍的熔化坑寬度W內(nèi)。熔化坑的寬度W因等離子電流、焊炬高度h、焊接速度等焊接條件不同而各異，所以焦點距離d的上限會因這些焊接條件而變化。在熔化坑的寬度W大時，焦點距離d即使大于焊炬高度h，粉末熔敷效率也不下降，而在以小電流焊接的場合等，熔化坑的寬度W小時，使焦點距離d大致與焊炬高度h相等來維持熔敷效率。為了變更焦點距離d，具有變更焊炬主體9的方法和變更焊嘴14的方法，從成本方面、交換性方面看，變更焊嘴14更好。圖3所示為在焊嘴14上用于變更焦點距離d的形狀參數(shù)的實施例。圖3中標有焊嘴厚t、設于假想同心圓周上的粉末孔8的假想圓徑r、粉末孔8的傾斜角β。為了改變焦點距離d而可進行焊嘴厚t、假想圓徑r、傾斜角β的形狀參數(shù)的變更。
表1

表1所示為形狀參數(shù)值與得出的焦點距離d的關系例。焦點距離5、7、9mm的焊嘴是焊炬高度h為5mm用的焊嘴，焦點距離10、14mm的焊嘴為焊炬高度h為10mm用的焊嘴。另外，粉末孔8這時在假想圓周上以45°間隔設置了8個。從噴出粉末的均勻性考慮，個數(shù)越多越好，但若為僅一個方向的直線焊接的情況，即使只設1個也能適用。
接著，表2所示使用不同被加工物的粉末的成分例。
表2

本發(fā)明中熔化后的被加工物和粉末在熔化坑15內(nèi)形成合金，因此合金成分選定為與被加工物相同成分的粉末成分，意在不引起焊接結(jié)果的劣化。這里所說的以與被加工物的成分相同的成分為主成分的粉末，是指合金成分采用與被加工物相同成分的粉末成分的粉末，以便不引起焊接結(jié)果的劣化，。
在焊接中，考慮到氧化消耗的情況，在SM490中使Si、Mn的成分量多于被加工材料、以及在不銹鋼中使Cr的成分量多于被加工材料。另外，在SUS430中為提高焊接金屬部的韌性而添加了0.81％的Nb。這樣，即使以改善焊接部為目的而利用被加工物的成分之外的成分與加工物生成合金，也能在無影響的范圍內(nèi)添加無礙焊接部特性的成分。
如上所述，本發(fā)明具有以與被加工物的成分相同的成分為主要成分的粉末；將粉末供給向被焊接物的送料裝置；在被加工物之間產(chǎn)生等離子并使送料裝置供給的粉末聚焦后供給向被加工物的焊炬；向焊炬供電的電源，通過將從焊炬到粉末聚焦的焦點的距離定為與被加工物和焊炬的距離相等或超過這一距離，能將被加工物的加熱和粉末的加熱同時進行，并將多個被加工物進行熔焊。
權(quán)利要求
1.一種焊接裝置，其特征在于，具有以與被加工物的成分相同的成分為主要成分的粉末；將所述粉末向被加工物供給的送料裝置；在與所述被加工物之間產(chǎn)生等離子并使從所述送料裝置供給的粉末聚焦、向被加工物供給的焊炬；向所述焊炬供電的電源，使從所述焊炬到所述粉末聚焦的焦點的距離，在作為所述被加工物與所述焊炬的距離的焊炬高度以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接裝置，其特征在于，使從所述焊炬到所述粉末聚焦的焦點的距離與焊炬高度大致相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的焊接裝置，其特征在于所述焊炬具有在與所述被加工物之間產(chǎn)生等離子的電極；將所述粉末向所述被加工物供給的焊嘴。
4.一種焊接方法，其特征在于，具有所述被加工物與所述焊炬之間產(chǎn)生等離子的步驟；使以與被加工物的成分相同的成分為主成分的粉末從所述焊炬向所述被加工物聚焦供給的步驟，在將所述粉末向所述被加工物聚焦供給的步驟中，從所述焊炬到所述粉末聚焦的焦點的距離在焊炬高度以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接方法，其特征在于在產(chǎn)生所述等離子的步驟中，使從所述焊炬到粉末聚焦的焦點的距離與焊炬高度大致相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的焊接方法，其特征在于在將所述粉末向所述被加工物聚焦供給的步驟中，作為所述被加工物，至少用2個部件、在各部件間空出間隙進行焊接。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接方法，其特征在于變更焊嘴來作為變更到所述粉末聚焦焦點的距離的方法。
全文摘要
提供一種粉末等離子焊接裝置，具有以與被加工物的成分相同的成分為主要成分的粉末；將粉末供給向被加工物的送料裝置；在與被加工物之間產(chǎn)生等離子并使送料裝置供給的粉末聚焦后供給向被加工物的焊炬；向焊炬供電的電源，將從焊炬到上述粉末聚焦的焦點的距離定為與焊炬高度相等或在其以上。
文檔編號H05H1/26GK1517168SQ20041000240
公開日2004年8月4日 申請日期2004年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月6日
發(fā)明者印南哲, 木曾博之, 井原英樹, 之, 樹 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社