JP2016032829A - 金属クラッド溶接材および金属クラッド溶接材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このように、2種類の金属をクラッドしたクラッド材は、それぞれの金属の長所を活用し、1種類の金属からなる素形材では得ることができない特性を得ることができる。
このため、クラッド材を例えば、パイプ形状、より広い表面積を有する板材および角筒形状のような所望の形状に加工することが困難となり、これらクラッド材の用途が制限されるという問題があった。
この際に、第1金属層は、第2金属層と比べて熱伝導率が3倍以上大きくかつその表面が冷却されていることから、比較的ゆっくりと第2金属層内を伝導し、第1金属層と第2金属層の界面に達した熱は、第1金属層に伝達され、その相当部分は内部を速い速度で伝導し、冷却している表面に達して第1金属層の外部に伝達される。
このため、第1金属層の昇温速度が第2金属層と比べ、かなり遅くなり、融点差が800℃以上あるにも関わらず、第1金属層が過熱状態に陥ることを抑制できる。
この結果、第1金属層と第2金属層の両方を適切な状態で溶融できる。その後、冷却し、この溶融した第1の金属および第2の金属を凝固させることで凝固部(溶接部)を形成できる。
以下に、この本願発明に係るクラッド溶接材の製造方法の詳細を説明する。
図1は、本発明の1つの実施形態に係るクラッド溶接材の製造方法を例示する模式斜視図である。
(1)クラッド材
2つのクラッド材3(図1では、一方をクラッド材3Aとして示し、他方をクラッド材3Bとして示した)を用意する。クラッド材3(3A、3B)は、第1の金属より成る第1金属層1と、第2の金属より成る第2金属層2とがクラッド(接合)されている。
第2の金属の融点は第1の金属の融点よりも800℃以上高く、好ましくは900℃以上高い。すなわち、第1の金属と第2の金属は、従来の溶接方法では、クラッド材同士の溶接を行うことが困難であった金属の組み合わせである。
このような条件を満たす限り、第1の金属と第2の金属は任意の金属であってよい。
第1の金属としてマグネシウム(純マグネシウム)、マグネシウム合金、アルミニウム(純アルミニウム)およびアルミニウム合金のいずれか1つを例示できる。好ましいマグネシウム合金として、AZ61合金を含むAZ合金を例示でき、このようなAZ合金に対応する組成範囲として、Al:1.4〜10.0質量%、Zn:0.2〜1.4質量%、残部:Mgと合計で4.0質量%以下のその他の元素(その他の元素の1つの例は、不可避的不純物であり、別の例は、0.2〜1.0質量%のMnおよび/または0.025〜2.5質量%のCaと不可避的不純物)を例示できる。
第2の金属として、チタン(純チタン)、チタン合金、鉄および鉄合金(鋼(ステンレス鋼を含む)を含む概念)を例示できる。
ここで、「主成分」とは、質量比で最も多くの比率を占める元素を意味し、好ましい実施形態の1つでは、質量比で50%以上含まれる元素を意味する。
なお、このような互いの主成分間で金属間化合物を形成しない、および/または互いの主成分間で相分離が生ずる、第1の金属と第2の金属の組み合わせは、例えば、第1の金属の主成分と第2の金属の主成分の2元系状態図を参照し、それぞれ、金属間化合物を形成するか、および/または互いの元素に対する固溶限が十分に小さいかを確認することで予測することができる。
しかし、チタンは融点が1668℃と高い。一方、マグネシウムは融点が650℃と低く、沸点も1090℃とチタンの融点よりも500℃以上低い。このため、従来の溶接方法ではチタンまたはチタン合金を溶融させるとマグネシウムまたはマグネシウム合金はその大半が気化してしまい溶接を行うことができなかった。
クラッド材3における、第1金属層1と第2金属層2の厚さの比率は、任意の比率であってよいが、第1金属層1の厚さを1とした場合、好ましくは、第2金属層2の厚さは、0.1〜10.0であり、より好ましくは第2金属層2の厚さは0.2〜5.0である。
第1の金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金であり、第2の金属がチタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択される1つである場合、クラッド材3において、軽量なマグネシウムの特性をより有効に得るために第1金属層1の方が第2金属層2よりも厚いことが好ましい。
・クラッド材の配置
図1に示すように、クラッド材3Aの端部(特に端面)とクラッド材3Bの端部(特に端面)を対向させて配置する。クラッド材3Aとクラッド材3Bは、所謂、突き合わせ溶接を行うように配置してよい。
なお、本明細書において、「クラッド材の端部」とはクラッド材の端面部分およびその近傍部を含み、詳細を後述するレーザ溶接によって溶融する部分と溶融しない部分(未溶融部)とを含む。例えば、クラッド材の端面から5mm以内の領域である。
得られた溶接材の強度(引張強度)を確実に確保するように、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bの第1金属層1同士および第2金属層2同士が接触するように配置することが好ましい。
このため、例えば回転砥石切断(マイクロカット)、ワイヤー放電加工およびレーザカット等の方法を用いてクラッド材3Aおよび3Bの平坦な端面(好ましくは主面に垂直な端面)を得た後、クラッド材3Aとクラッド材3Bの端面を接触させて、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bの第1金属層1同士および第2金属層2同士が接触するように配置してよい。
図1に示す実施形態では、また、クラッド材3Aとクラッド材3Bとは、分離した別個のクラッド材となっている。しかし、これに限定されるものではない。例えば、1つの板状のクラッド材を曲げて端面同士を対向させて溶接を行い、パイプを形成する場合のように、クラッド材3Aとクラッド材3Bは、連続したクラッド材の異なる部分(異なるクラッド部)であってよい。
詳細を後述するレーザ溶接の際に第1金属層1の表面を冷却する。冷却は、空冷(例えば、送風機により流動する空気を第1金属層1に接触させる)、水のような液体を接触させて冷却する(水冷等)、および放熱体を接触させる等の既知の任意の方法を用いてよい。
図1に示す実施形態では、放熱体14を接触させて冷却を行っている。放熱体14は、例えば金属板であってよく、また金属板にフィンを設けてもよい。放熱体14として金属板を用いる場合、好ましくは、金属板を構成する金属として、熱伝導率が第1の金属の熱伝導率より高い金属を用いる。これは、より効果的に第1金属層1を冷却できるからである。このような金属として、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金を例示できる。
レーザ装置10から出たレーザ光線12を第2金属層2の表面(第1金属層1との接合面と異なりかつ露出した表面、図1の実施形態では、第1金属層1との接合面と反対側の表面)の一部(クラッド材3Aおよび/またはクラッド材3Bの端部の一部)に照射する。
そして、レーザ装置10を図1の矢印Aの方向(y方向に平行な方向)に走査することにより、クラッド材3の幅方向(図1のy方向)全体に溶接部を形成することができる。
レーザ装置10の出力は任意の出力であってよい。例えば、好ましい範囲として200W〜1kW、より好ましい範囲として325W〜600Wを例示できる。
レーザ光線12の好ましいスポットサイズ(スポット直径)d1として0.5〜3.0mm、より好ましいスポットサイズ(スポット直径)d1として、1.0〜2.0mmを例示できる。しかし、これに限定されるものではなく、他の条件に合わせてスポットサイズ(スポット径)d1を適宜選択してよい。
しかし、これに限定されるものではなく、得られるクラッド溶接材の用途等によっては、レーザ光線12は、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bのいずれか一方の端部の一部にのみ照射されてもよい(例えば、レーザ光線が照射されるスポット直径d1の領域内にクラッド材3Aおよびクラッド材3Bのいずれか一方のみの末端が入っている)。この場合、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bの端部のうち、レーザ光線12が照射された端部の一部分が先に溶融し、その後、先に溶融した第2の金属から得た熱により、レーザ光線12が照射されていない端部の一部分が溶融してよい。
なお、図1に示す実施形態では、クラッド材3A、3Bの幅方向全体に亘ってレーザ光12が照射されるが、レーザ光線12をクラッド材3A、3Bの幅方向の一部分にだけ照射して、クラッド材3A、3Bの幅方向の一部分だけを溶接してもよい。例えば、それほど強度を必要としない場合等、用途に応じて、このようなスポット溶接により形成したクラッド溶接材を用いることができる。
そして、レーザ装置10が離れていくと、溶融した第1および第2の金属は入熱が減少し、温度が下がり凝固して溶接部を形成する。
次に上述のクラッド溶接材の製造方法により得られたクラッド溶接材について以下に説明する。
図2は、本発明の1つの実施形態に係るクラッド溶接材100の断面を示す模式断面図である。なお、溶接材の形態の詳細は、溶接条件により変動することから、図2に示すクラッド溶接材100は、本発明に係るクラッド溶接材の製造方法により得られるクラッド溶接材の形態の1つを例示するものである点は留意されたい。
第1凝固部21は、クラッド材3Aの第1金属層1とクラッド材3Bの第1金属層1とを接続している。同様に、第2凝固部22は、クラッド材3Aの第2金属層2とクラッド材3Bの第2金属層2とを接続している。
なお、溶接工程では高温まで昇温され、溶融した第1金属層1および第2金属層2において、その成分の一部は気化しうること、また、溶融した第1金属層1および第2金属層2の成分の一部は混ざり合うことがある等の理由により、溶接部の組成が非溶接部(溶接時に溶融していない部分)の組成と同一にならないことが多いことは当業者の技術常識である。
従って、「第1凝固部21は、第1の金属から成る」とは、第1凝固部21の組成がクラッド材3A、3Bの第1金属層1の組成と全く同じであることを必要とするものではなく、少なくとも互いの主成分(元素)が同じであることを意味するものである。同様に「第2凝固部22は、第2の金属から成る」とは、第2凝固部22の組成がクラッド材3A、3Bの第2金属層2の組成と全く同じであることを必要とするものではなく、少なくとも互いの主成分(元素)が同じであることを意味するものである。
このような特性として、継手効率を挙げることができる。継手効率とは、溶接前のクラッド材3の強度に対するクラッド溶接材100の強度(溶接部が最も弱いため溶接部の強度に相当する)の比である。
上述の好適な溶接条件下で溶接を行い、凝固部23に第1凝固部21と第2凝固部22が形成されている場合、0.2%耐力については70%以上の継手効率を得ることができ、引張強さについては60%以上の継手効率を得ることができる。
その他にも、耐食性のよい第2金属層(チタン、チタン合金、ステンレス鋼等)の特性を活かしたクラッド材3特有の性質を、クラッド溶接材100の凝固部23においてもほぼ達成する可能性が高い。
これは、第1の金属の熱伝導率が第2の金属の熱伝導率の3倍以上と大きいため、第1金属層1内では熱が表面方向(図2の−z方向)に伝わる際に横方向(図2のx方向、−x方向)にも広がるためである。表面を冷却しているため第1凝固部21は図1に示すように−z方向の途中で長さが最大となった後、表面に向けて長さが短くなっている(すなわち、図2に示すように第1凝固部21は樽型となっている)が、長さL1は長さL2よりも長くなっている。このような、第1凝固部21が樽型の形状となるかおよび長さL1が長さL2よりも長くなるかは、溶接条件によるため、得られた全てのクラッド溶接材で実現されるわけではない。しかし、多くの場合、長さL1が長さL2よりも長くなっており、本発明に係る製造方法により得たクラッド溶接材に特徴的に現れる現象である。
特許文献1に記載された方法を用いて作製した、AZ61マグネシウム合金と工業用純チタン(1種)のクラッド圧延材を用いた。第1金属層1であるAZ61マグネシウム合金層の厚さは0.375mmであり、第2金属層2であるチタン層の厚さは0.125mmであった(従って、第1金属層1と第2金属層2の厚さの比は3:1であり、クラッド材3の厚さは0.5mmであった)。
このクラッド圧延材から、圧延方向に50mm、板幅方向に40mmの板を切り出し、クラッド材3(3A、3B)を得た。切断面が接合面(溶接面)となる部分の切断には回転砥石切断(マイクロカット)を用いた。また接合面以外の部分の切断については簡便に切断することができるせん断により行った。
なお、AZ61マグネシウム合金の熱伝導率は63.2W・m−1・K−1(Int J Thermophys (2013) 34:2343-2350. DOI 10.1007/s10765-011-1145-1による)であり、1種純チタンの熱伝導率は16W・m−1・K−1(Metals Handbook, 10th edition, Volume 2, Wrought Titanium and Titanium Alloys, p. 620, (ASM International 1990)による)である。
クラッド材3Aとクラッド材3Bを並べる方向と圧延方向が垂直になるように、クラッド材3Aとクラッド材3Bを配置した。すなわち、圧延方向が図1のy方向と平行になるように配置した。また、クラッド材3Aとクラッド材3Bの上述の回転砥石による切断面が互いに接触するように、より詳細には、クラッド材3Aとクラッド材3Bの第1金属層1が互いに接触し、かつクラッド材3Aとクラッド材3Bの第2金属層2が互いに接触するように配置した。
そして、図1に示すようにクラッド材3Aとクラッド材3Bの第1金属層1の表面(第2金属層2との接合面と反対側の表面)に放熱体(裏当て金)14を接触させた。
放熱体14は空冷(自然冷却)または水冷により冷却した。空冷の場合は、放熱体14として、縦(図1のy方向)60mm、横(図1のx方向)60mm、高さ(図1のz方向)3mmの銅板を用いた。水冷の場合は、放熱体14として、縦(図1のy方向)300mm、横(図1のx方向)20mm、高さ(図1のz方向)20mmの銅のブロックを用い、当該ブロックの内部に設けた直径10mmの導水路に冷却水循環装置を用いて12℃の水を流して水冷を行った。
空冷および水冷に用いた放熱体14は、鋼製の治具を介して鋼製の移動台に固定した。すなわち、移動台の上に、クラッド材3Aとクラッド材3Bと放熱体14を配置した。
用いたレーザ装置10は、高出力半導体レーザである。
表1に示すようにレーザ光線のスポットサイズd1を1.5mm、レーザ出力を250〜450W、レーザ光線12の走査速度を5〜15mm/秒と変化させてサンプルを作製した。なお、レーザ光線12の走査速度については、移動台を図1の矢印Aと反対方向に移動させることにより、クラッド材3A、3Bおよび放熱体14を一体的に移動させて実現した。
また、何れのサンプルについても溶接時に溶融金属が大気に触れるのを抑制するために、シールドガスとして溶接部にアルゴンガスを20L/分流した。
(1)外観観察結果
溶接後の外観を目視により確認した。外観の確認は、第1金属層1と第2金属層2(すなわち、クラッド溶接材の両面)について行った。結果を表2に示す。表2において、◎は凝固部(溶接部)表面が平滑な状態で溶接されていることを示し、○は凝固部表面が荒く不均一な部分があることを示し、△は溶接できていない部分があることを示す。
図3は、表面観察結果の例として実施例9サンプルの表面観察結果を示す。図3(a)は第2金属層の表面観察結果を示し、図3(b)は、第1金属層の表面観察結果を示す。なお、実施例9のサンプルにおいて、クラッド材3Aのクラッド部とクラッド材3Bのクラッド部を結ぶ方向(すなわち、図3(a)、(b)の左右方向)において、第1凝固部21の表面の長さL1と第2凝固部22の表面の長さL2を測定した。L1が2.39mmであり、L2が2.35mmであり、L1の方がL2より長かった。なお、これは、溶接ビードのきれいな場所3箇所で測定した値の平均値である。L1およびL2は3箇所以上(好ましくは5箇所以上)で測定し、平均値を用いるのが精度上好ましい。
得られたそれぞれのクラッド溶接材サンプルから放電加工機を用いて引張試験片を切り出した後、これらの引張試験片を用いて引張試験を行い、それぞれのサンプルの0.2%耐力と引張強さを求めた。室温、大気中でひずみ速度1.67×10−3/秒で、クラッド材の圧延方向(RD)に対して垂直な方向(TD)に引張試験を行った。いずれのサンプルについても3回試験を行い、平均値を算出した。
図4は、用いた引張試験片の形状を示す平面図である。表3に引張試験結果を示す。表3には比較のために、溶接を行う前のクラッド材3の引張試験結果も示した。
この理由として、水冷の方がより効果的にマグネシウム合金層(第1金属層)1を冷却でき、マグネシウムまたはマグネシウム合金の気化をより確実に抑制できること、および水冷の方が溶融した第1の金属(マグネシウム合金)および第2の金属(チタン)ともに凝固時の冷却速度が速く、空冷の場合よりも結晶粒が微細になったことが考えられる。
これら高い強度を示した3サンプルでは、0.2%耐力について継手効率が0.75〜0.82と十分に高い値を示し、引張強さについても継手効率が0.64〜0.68と十分に高い値となっている。
以上の結果から、強度をより重視する場合には放熱体を水冷し、延性をより重視する場合には放熱体を空冷することが好ましい。
光学顕微鏡で溶接部の横断面観察を行った。回転砥石切断(マイクロカット)を用いて横断面を切り出した後、耐水エメリー紙で#2000まで研磨し、1.0μmおよび0.25μmのダイヤモンドペーストを用いてバフ研磨を施して横断面観察用のサンプルを得た。
図5は、代表的な溶接部の断面写真を示す。図5(a)は実施例4サンプルの断面を示し、図5(b)は実施例5サンプルの断面を示し、図5(c)は実施例9サンプルの断面を示し、図5(d)は実施例10サンプルの断面を示し、図5(e)は実施例12サンプルの断面を示す。
すなわち、溶接部でもクラッドに相当する構造が確認された。
放熱体14を空冷したサンプルでは、第2凝固部(チタン)22近傍の第1凝固部(マグネシウム合金)21にボイドが存在する傾向があるのに対して、放熱体14を水冷したサンプルにボイドはほとんど発生していない。
また、放熱体14を空冷した場合に、第1凝固部21の下部2箇所に比較的大きい窪みが生じている。これは溶融したマグネシウム合金が更なる温度上昇により、ある程度気化したためと考えられる。
以上の結果から、放熱体14を水冷した方がより好ましい第1凝固部21が得られることがわかる。
2 第2金属層
3、3A、3B クラッド材
10 レーザ装置
12 レーザ光線
14 放熱体
21 第1凝固部
22 第2凝固部
23 凝固部
Claims (8)
- 1)第1の金属より成る第1金属層と、第1の金属よりも融点が800℃以上高くかつ熱伝導率が3分の1以下である第2の金属より成る第2金属層とをクラッドしたクラッド材の端部を2つ対向して配置する工程と、
2)前記第1金属層の表面を冷却しながら、前記第2金属層の表面の一部にレーザを照射し、前記2つの端部の少なくとも一方の前記第2金属層の一部を溶融し、かつ前記第2の金属からの熱伝達により、前記2つの端部の前記第1金属層の少なくとも一方の一部を溶融する工程と、
3)溶融した前記第1の金属および溶融した前記第2の金属を凝固させることにより、前記2つの端部の未溶融部分を繋ぐ凝固部を形成する工程と、
を含むことを特徴とするクラッド溶接材の製造方法。 - 前記工程3)において、前記凝固部が、第1の金属から成り、前記2つの端部それぞれの未溶融部分の第1金属層を繋ぐ第1凝固部と、第2の金属から成り、前記2つの端部それぞれの未溶融部分の第2金属層を繋ぐ第2凝固部とを有することを特徴とする請求項1に記載のクラッド溶接材の製造方法。
- 前記第1の金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金であり、前記第2の金属がチタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択されるいずれかであることを特徴とする請求項1または2に記載のクラッド溶接材の製造方法。
- 前記工程2)の前記第1金属層の冷却が、該第1金属層に放熱体を接触させることにより行われることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のクラッド溶接材の製造方法。
- 前記放熱体が液体により冷却されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のクラッド溶接材の製造方法。
- 前記放熱体が前記第1の金属よりも大きな熱伝導率を有する金属により形成されていることを特徴とする請求項4または5に記載のクラッド溶接材の製造方法。
- 第1の金属より成る第1金属層と、第1の金属よりも融点が800℃以上高くかつ熱伝導率が3分の1以下である第2の金属より成る第2金属層とをクラッドしたクラッド部と、
2つの前記クラッド部の間を繋ぎ、凝固組織を有する溶接部と、
を含み、
前記凝固部は、前記2つのクラッド部それぞれの前記第1金属層を繋ぎ、かつ第1の金属から成る第1凝固部と、前記2つのクラッド部それぞれの前記第2金属層を繋ぎ、かつ第2の金属から成る第2凝固部と、を有し、
前記2つのクラッド部を結ぶ方向において、前記第1凝固部の表面の長さが、前記第2凝固部の表面の長さよりも長いことを特徴とするクラッド溶接材。 - 前記第1の金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金であり、前記第2の金属がチタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択されるいずれかであることを特徴とする請求項7に記載のクラッド溶接材。
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