JP4250422B2 - プラズマ溶接法 - Google Patents

Description

本発明は請求項１に記載のプラズマ溶接法に関する。

ここ数年、従来のプラズマ溶接法、例えばティグ溶接（ＴＩＧ）、または金属活性ガス溶接（ＭＡＧ）のパフォーマンスケイパビリティをさらに向上させ、発展させるために、多くの緻密な努力が払われてきた。

ＴＩＧ溶接の場合に、アークが不溶タングステン電極と製品との間で放電し、これによって製品が溶かされる。アークは約４５°の開散角を有する。これは、ＴＩＧトーチと製品との間の距離がパワー密度に著しく影響を及ぼし、これが概して比較的小さいことを意味する。金属の高い熱伝導率のために、熱の大部分が溶接継目の周囲に流入する。電極の寿命によって電流の強さが制限される場合には、従って、制限されたアークパワーの場合にも、比較的小さい溶接速度になる。

種々のプラズマ溶接法の場合に、プラズマジェットが水冷式拡張ノズルによって細められることが可能であり、このようにして、（目に見える）アーク開散を約１０°まで軽減することが達成されうる。従って、プラズマトーチと製品との間の距離が技術的に一般的なものである場合に、より大きいパワー密度、結果として、より高い溶接速度が同一のアークパワーで達成される。より安定な、かつ従来のＴＩＧ法と比較して、開散がより小さいプラズマジェットによって、溶接パラメータのアーク形状に与える影響がさらに小さくなる。

適当な電極配置の場合に、電流の強さを大きくすることによって、非常に大きいエネルギーがアークに供給されるならば、いわゆるボタン穴効果が現れる。適当な厚さで、製品は溶かされて目の形となり、プラズマトーチが連続して進む場合に、溶融金属がプラズマジェットの周りを流れ、その後で固まって戻る。

上述の方法の不都合な効果は、可能な電流の強さが電極の寿命によって制限され、従って、溶接速度もまた制限されるということである。この結果が、部品の大きい熱負荷、広範囲に及ぶ熱影響部、さらに、製品の実質的変形となる。

溶接速度をさらに大きくする技術的可能性は実質的に論じつくされてきた。結果として生じる経済的結果に加えて、これは、将来、単位長当たりのエネルギー、変形、および比較的広範囲に及ぶ熱影響部に因る特性の劣化に対する現行の限界より実質的に小さい結果を達成することが不可能であろうという追加的効果を有する。これは、さらに、近頃の高強度材料の潜在特性（この特性は特殊な熱処理によってのみ達成されうる）を、従来の溶接法の現行の開発状態に因って十分な余裕で利用することができないという点で特に不利である。

従来のプラズマ溶接法の別の不利益は、アクセス性が制限され、かつ溶接位置を観察する可能性が制限されることにある。これは小さい製品距離（約５ｍｍ）における比較的大きいノズル直径に起因する。

本発明の目的は、先行技術の欠点が回避されるプラズマ溶接法を提供することである。

この目的は請求項１に記載の方法によって達成される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の主題である。

本発明によって、自由マイクロ波誘導プラズマジェットがプラズマ溶接に使用される。これは次のように生成される。導波管に案内されるマイクロ波が高周波マイクロ波源で生成される。プロセスガスが、ｐ≧１バールの圧力で、ガス入口開口とガス出口開口とを備えるマイクロ波透過管内に管のガス入口を通して、接線方向の流れ成分を有するように導入される。プラズマがマイクロ波透過管内のプロセスガスの無電極点火によって生成され、このプラズマは管のガス出口開口に配置される金属製拡張ノズルを通して作業空間内に導入され、これによってプラズマジェットは生成される。

特に有利なプラズマ特性が、本発明による無電極プラズマ溶接法によって生成される。例として、プラズマの比エンタルピー、および関連プラズマエンタルピー束密度が増大する。これに関連して、プラズマおよびプラズマジェットの温度が高くなる。先行技術の溶接法と比較して、増大した溶接速度、およびより安い溶接継目コストに関する利点が、ここから生じる。従って、本発明によるプラズマ溶接法は、該溶接法を同時に広い範囲に適用することによる、相当な経済的かつ使用上の利点を呈する無電極溶接法を提供する。

さらに、プラズマジェットの特性は、小さくした直径、および小さくしたジェット角開散によって改善される。さらに、円筒形の対称なプラズマジェットが、本発明による方法で、トーチと製品との間の距離の変化がプラズマジェットの製品中への侵入の形状に及ぼす影響が小さくなるように、平行に広がる。別の利点は、このようにして、プラズマジェットへのアクセス性（トーチと製品との間のより大きい可能な距離によって導入される）が改善されることである。従って、本発明による方法によって、３０ｍｍ〜１００ｍｍのトーチと製品との間の距離が、製品上の１ｍｍ〜３ｍｍのプラズマジェット直径で可能である。従って、１．５×１０^５Ｗ／ｃｍ^２より大きいパワー密度が、本発明によるプラズマ溶接法によって生成されうる。

プロセスガスのマイクロ波透過管内への接線方向の供給が、本発明による、小さいジェット角開散を有するプラズマジェットの生成を支える。プロセスガスの接線方向の供給に起因する半径方向の加速（この半径方向の加速は、膨張ノズルのノズル出口の方向への横断面の収縮によってさらに強化される）のために、不均一に加速される自由電荷キャリアが、拡張ノズル出口の方向へ連続的に狭くなるらせん状トラックを移動し、これによって、電荷キャリアの求心加速が増大する。この運動はまた拡張ノズルから作業空間内へ出射後に電荷キャリアによって保持される。様々なイオンおよび電子移動度に因って、いかなる電荷中性も局所的に存在しないので、軸方向に配向された磁界がプラズマジェット内に引き起こされ、この磁界は、ノズルから出射後にプラズマジェットの流れ狭窄（ｚピンチ）をもたらす。磁気流体効果（ＭＨＤ効果）がこの方法に包含される。

本発明による方法の別の利点は、プラズマジェットは、低価格かつ頑丈な高周波装置、例えばマグネトロンまたはクライストロンによって生成されうることである。これらの高周波装置によって、有利なマイクロ波源が、１００ｋＷまでの必要な出力範囲で、かつ０．９５ＧＨｚ〜３５ＧＨｚの周波数範囲でアクセス可能である。具体的にいえば、この場合に、低価格であり、かつ産業および家庭用分野で広く行き渡ったマイクロ波源が包含されるので、周波数２.４６ＧＨｚのマイクロ波が使用されうる。

本発明によるプラズマ溶接法において、さらに、エネルギー効率が従来のプラズマ溶接法に比べて向上する。例として、マイクロ波源の照射野からのパワーの結合が９０％より大きい、マイクロ波誘導プラズマを生成することが可能である。その結果として、高性能ダイオードによる溶接法に比べて１．５倍、かつレーザー溶接法に比べて２０倍に向上したエネルギー効率が生じる。

マイクロ波源の高周波エネルギーの関係プロセスガスへの結合が、プラズマ生成の必要に応じて、関係プロセスガスの電磁材料定数に、具体的にいえば、複素誘電率εに依存する。

複素誘電率は温度の非線形関数であり、かつ周波数の線形関数である。複素誘電率の虚数部と実数部との関係が、誘電損失角φで表わされ、高周波エネルギーに対するプロセス媒体の吸収確率を規定する。

基本的高周波吸収媒体（この場合、適当なプロセスガス）による高周波エネルギーの体積固有吸収が、次のように与えられる。

νは吸収容積内で電界強度Ｅを有する吸収高周波放射の周波数である。もし吸収容積内の高周波放射の吸収損失が、（周波数に依存する）導電率σ（単位（Ωｍ）^−１）によって主に規定されうるならば、磁性効果は無視することができ、次式が当てはまる。

従って、高周波放射を入射する場合に電気的吸収媒体内で変換されうる全損失出力密度が、次式によって与えられる。

ガス中の高周波放射によるプラズマ生成の場合に、点火手順（小さい導電率）とプラズマを維持する手順（少なくとも３桁だけ相当する非イオン化ガスの導電率よりも大きい、典型的なプラズマガスの導電率）を識別する必要がある。プラズマ点火の場合、およびプラズマの動作中、両方で、変換できる損失パワー密度が局部的電界強度Ｅの絶対二乗に依存するために、大きい局部的電界強度Ｅは一般に有用である。

無電極プラズマ生成のために、本発明によって本方法で用いられうるプロセスガスに関して制限が無い。従って、本発明による方法は、電極誘導プラズマの場合に、反応が用いられるプロセスガスと電極材料との間に起きて、例えば、タングステン電極の場合に酸化タングステンまたは窒化タングステンを形成するか、または水素脆化が生じるという先行技術の問題を解決する。本方法に適した適当なガスまたは混合ガスの選択によって、プラズマと製品との間の改善された熱伝導に関連してプラズマの比エンタルピーを増大することがそれゆえに可能である。本発明の有利な実施形態において、パウダー(powder)がプロセスガスにマイクロ波透過管内へ入る前に供給されることが可能である。このようにして、例えば、本発明による方法をパウダー強化溶接法として用いることが可能である。勿論、パウダーをプラズマジェットへ拡張ノズルから出射後に供給することもまた可能である。

無電極プラズマ溶接のために、望ましくない電極材料が溶接材料中へ入るのもまた防止される。さらに、障害の無い、無人かつ自動の溶接法が、摩耗部品の持続的交換無しに可能である。

本発明によるプラズマ溶接法の別の利点が、プラズマジェットに因る製品上の熱影響部が実質的に小さくなり、これは、より小さい熱入力、縮小した製品の変形、および材料に対する損傷の減少という結果になるということである。さらに、より小さいエッジノッチ、およびより小さい溶接継目間隙率に関する、不良の少ない溶接が、本発明によるプラズマ溶接法によって可能になる。

本発明の有利な実施形態において、管に流れ込むプロセスガスが接線方向の流れ成分を有し、ガス出口開口の方向に向けられる軸方向の流れ成分を有するように、プロセスガスはマイクロ波透過管内へノズルを通って導入される。

本発明の別の有利な実施形態において、プラズマの流れる方向から見ると、金属製拡張ノズルは、先すぼみの入口をプラズマ側に、自由な、または末広の出口をプラズマジェット側に有する。このようにして、ジェット角開散の減少に関してプラズマジェットの特性を改善することが可能である。さらに、ジェット直径が拡張ノズルの開口断面によって制限されうる。高いプラズマ温度のために、金属製拡張ノズルは、本発明の有利な実施形態において、冷却されうる。

本発明による方法に必要なプラズマの信頼できる動作および信頼できる点火を確かにするために、マイクロ波の案内のために存在する導波管が、本発明の有利な実施形態において、断面が制限される。そのときに導波管は、マイクロ波透過管が導波管を通って案内される位置で制限されることが好ましい。本発明の都合のよい実施形態において、次いで導波管および透過管は互いに直角に向けられる。この利点は断面制限の位置における電界強度の増大である。このようにして、プロセスガスの点火特性が一方で改善され、プラズマのパワー密度が他方で増大する。

本発明の別の有利な実施形態において、プラズマを点火する火花すきまを用いることもまた可能である。

本発明は図面を用いてさらに詳細に以下に説明される。

マイクロ波誘導熱プラズマは、具体的にいえば、本発明による方法を用いて生成される。これらのプラズマは、プラズマからの種々のエンタルピー寄与の間の局部的熱力学平衡（ＬＴＥ）を特徴とする。そのときにプラズマの全エンタルピーが、プロセスガスの分子性状に基づいて、次の寄与によって決定される。
移動、回転、および振動における自由度からのエンタルピー
解離からのエンタルピー
イオン化からのエンタルピー

統計熱力学を用いて、温度に依存する全エンタルピーＨ（Ｔ）、および温度に関する一次微分によってこれから決定されうる、温度に依存する熱容量Ｃ_ｐ（Ｔ）が計算されうる。そのときに、それぞれの分子自由度が、移動、回転、および振動に対する全状態で考慮される必要がある。次いで、対応する全状態が、解離およびイオン化の存在下で、それぞれの平衡定数から計算されうる（さらに詳しくは実行されない）。

本発明によるプロセス工程を用いて生成された窒素プラズマの計算した温度依存エンタルピーが、図１に表わされる。この図は温度２０，０００Ｋまで非常に急な上向きの傾斜を示す（縦軸は対数表示）。

図２は、本発明による方法を実行する装置の断面を示す。この表示は、マイクロ波源（図示せず）によって生成されるマイクロ波を伝送する導波管１を通って直角に案内される、マイクロ波透過管２を示す。マイクロ波透過管２は、導波管１の上部に位置決めされた開口部１４を通って、かつ導波管１の底部に位置決めされた開口部１５を通って案内される。

マイクロ波透過管２は、プロセスガス用のガス入口開口４と、プラズマ７用のガス出口開口３と、を有する。マイクロ波透過管２は導波管１を通って延びる領域１２において、プラズマ７はマイクロ波吸収によって生成される。

ガス供給ユニット６が、マイクロ波透過管の破壊を避けるために、例えば圧着接続を用いて、マイクロ波透過管２のガス入口開口４に接続される。プロセスガスがこれを通してマイクロ波透過管２内へ供給されるノズル（図示せず）が、このガス供給ユニット６内に存在する。この構成で、ノズルは、入ってくるプロセスガスが接線方向の流れ成分を有し、かつガス出口開口３の方向に向けられる、軸方向の流れ成分を有するように配置される。プロセスガスは、具体的にいえば、マイクロ波透過管内のらせん状トラックに案内される。これはマイクロ波透過管２の内面の方向にガスの強い求心加速を起こし、管軸に沿ってくぼみの形成を起こす。このくぼみはさらにまたプラズマの点火を容易にする。

プラズマは、火花すきま（図示せず）、例えばアーク放電、または点火スパークによって点火されうる。導波管システムの最適整合、すなわち管軸の位置におけるマイクロ波の最大電界強度の場合に、自律プラズマ点火もまた可能である。

金属製拡張ノズル５がマイクロ波透過管２のガス出口開口３に取り付けられる。この構成で、拡張ノズル５は、導波管１の開口部１４が閉じられるように配置される。マイクロ波透過管２を固定するために、開先またはウェブ１１が拡張ノズル５の下面に機械加工される。この構成で、ウェブ１１は導波管空間内に数ミリメータ突き出るだけであり、これは、導波管１内のマイクロ波電界への妨害を防止する。

その下面に、すなわちプラズマ７の方を向く面に、拡張ノズル５は先すぼみの入口を有する。この制限に因って、プラズマ７中の電荷キャリアが出口開口１７までさらに加速される。次いでプラズマ７は、プラズマジェット８として、出口開口１７を通って作業空間１６に入る。本表現において、拡張ノズル５の出口が自由出口として表示される。しかしながら、末広の出口もまた可能である。

プラズマ７中の電荷キャリアの求心加速は、拡張ノズル５を通って出射後に自由プラズマジェット８内で続けられる。プラズマジェット８内の電荷キャリアの求心加速のために、軸方向磁界が、序文に説明したように、プラズマジェット８内に誘起され、このようにして、流れの制限は拡張ノズル５の出口開口１７を超えても続けられる。従って、小さいジェット角開散を有するプラズマジェット８が生成される。

図３は例示的拡張ノズルの断面を示す。マイクロ波透過管（図示せず）を固定するウェブ１１が、拡張ノズル５の下面に機械加工される。ウェブ１１は、具体的にいえば、円形の構成を有し、マイクロ波透過管の外径に相当する内径を有する。

拡張ノズル５の入口領域９が先すぼみの構成を有し、これは、出口開口１７までプラズマの電荷キャリアの流速の増大をもたらす。拡張ノズル５の出口領域１０は末広の構成を有する。

作業空間１６の圧力とマイクロ波透過管の内側１２の圧力との間の適当な圧力関係の場合に、出口開口１７の適当なサイズの場合に、かつ拡張ノズル５の入口領域９および出口領域１０の適当な構成の場合に、超音波速度で作業空間１６内へ広がるプラズマジェット（図示せず）を維持することが可能である。

図４は、プロセスガスをマイクロ波透過管２へ供給する、ガス供給ユニットの平面図を表わす。プロセスガスをマイクロ波透過管２内へ２つの反対方向に供給する、２つのノズル１８が、ガス供給ユニット６で具体化される。このようにして、プロセスガスの接線方向の供給が達成される。

統計熱力学を用いて計算した窒素プラズマの温度依存エンタルピーを示す図である。 導波管、拡張ノズル、マイクロ波透過管、およびプロセスガス供給ユニットによって、本発明による方法を実行する装置の断面図である。 例示的拡張ノズルの断面図である。 プロセスガス供給ユニットの平面図である。

Claims (9)

1. 自由マイクロ波誘導プラズマジェットを用いるプラズマ溶接法であって、
   マイクロ波を高周波マイクロ波源で生成する工程と、
   前記マイクロ波を導波管（１）内に案内する工程と、
   プロセスガスを、ｐ≧１バールの圧力で、ガス入口開口（４）とガス出口開口（３）とを備えるマイクロ波透過管（２）内へ導入する工程であって、前記プロセスガスを、それが前記マイクロ波透過管（２）の軸方向に対して垂直な面におけるマイクロ波透過管（２）の接線方向の流れ成分を有するように、前記ガス入口開口（４）を通って前記マイクロ波透過管（２）内へ導入し、マイクロ波透過管（２）の内周面に形成されたらせん状トラックに沿って移動させて、該らせん状トラックによってプロセスガスに求心方向の力を与える工程と、
   前記プロセスガスの無電極点火を用いて、前記マイクロ波透過管（２）内でプラズマ（７）を生成する工程と、
   前記マイクロ波透過管（２）の前記ガス出口開口（３）に配置された金属製拡張ノズル（５）において、自由電荷キャリアを該金属製拡張ノズル出口の方向へ向かうに連れて連続的に狭められたらせん状トラックに沿って移動させる工程と、
   前記プラズマ（７）を作業空間（１６）内へ、前記金属製拡張ノズル（５）を通して導入することによって、プラズマジェット（８）を生成する工程と、を含む方法。
2. 前記マイクロ波透過管（２）へ流入する前記プロセスガスが、前記マイクロ波透過管（２）の軸方向に対して垂直な面におけるマイクロ波透過管（２）の接線方向の流れ成分を有し、かつ前記ガス出口開口（３）の方向に向けられる、軸方向の流れ成分を有するように、前記プロセスガスが前記マイクロ波透過管（２）内へノズル（１８）を用いて導入されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記プラズマの流れの軸方向から見ると、前記金属製拡張ノズル（５）が、先すぼみの入口（９）を前記プラズマ側に、末広の出口（１０）を前記プラズマジェット側に有することを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 前記金属製拡張ノズル（５）が冷却されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. ０．９５ＧＨｚ〜３５ＧＨｚの周波数範囲のマイクロ波が、前記プラズマの生成のために用いられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記マイクロ波透過管（２）に対して直角に向けられる前記導波管（１）が、前記マイクロ波透過管（２）が前記導波管（１）を通って案内される位置で断面が制限されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. ドーピング無しの純粋な形態のＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３の誘電特性を有する管が、前記マイクロ波透過管（２）として用いられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 火花すきまが前記プラズマを点火するために用いられることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. パウダーが、前記マイクロ波透過管（２）内へ入る前に、前記プロセスガスに供給されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。

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