JPH0350634B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はクラツド金属板の製造方法、詳細には
電子ビーム溶接による素材金属板の組立溶接を適
切に行うための方法に関する。

［従来の技術］ ２枚以上の金属板を積層接着させたクラツド金
属板は、耐食性、耐摩耗性あるいは耐熱性の優
れ、かつ高強度を安価な構造用材料として広い分
野で使用されている。

クラツド金属板を製造する方法として、爆着
法、肉盛法、圧延法等があるが、大面積のものを
高能率かつ安価に製造できる圧延法が最も一般的
に用いられている。

圧延法は接合する面を清浄にして積層し熱間ま
たは温間で圧延し治金的に接合させる方法であ
る。

圧延法によるクラツド製造において留意すべき
点は接合面間の雰囲気清浄度である。すなわち接
合面を清浄にしても接合面間に大気が存在する場
合には加熱時及び圧延時に酸化物等が形成され、
これが治金的接合を妨げ十分な接合強さが得られ
ない原因となる。従つて十分な接合強さを有する
クラツド金属板を製造するには、クラツド組立て
の段階で接合面間に存在する大気が極力排気し低
圧力の状態にしておく必要がある。この他接合面
間の大気を不活性ガスで置換する方法もあるが、
加熱時に接合面間のガスが膨張して圧着を妨げる
方向に作用するため、前者の接合面間を低圧力に
する方法に比し劣つている。

接合面間を低圧力の状態にしかつクラツドの組
立溶接を能率的に行う方法として、電子ビーム溶
接による密閉溶接が提案されている。この方法は
真空室の中に組立溶接すべき部材をセツトし、所
定の真空度まで排気した後電子ビーム溶接で部材
の周囲を密閉溶接する方法である。

［発明が解決すべき問題点］ 電子ビームによる密閉溶接の方法は、第７図Ａ
に示すように基材３と合せ材２との接合面４に対
し電子ビーム５を垂直に照射する方法と、同図Ｂ
に示すように接合面４に対し平行ビーム５を照射
する方法とに大別できるが、現状では双方の方法
とも以下に述べる問題を抱えており、実用化に当
つてはその克服が大きな課題になつている。

(1) 接合面に対しビームを垂直に照射する方法に
おいては、加熱及び圧延時にかかるせん断力を
接合面位置における溶接金属幅で支えなければ
ならない。しかし、電子ビーム溶接における溶
接金属幅は広くとも５〜６mmが限界であり、せ
ん断力によつて電子ビーム溶接ビード部１ａが
破断し、密閉性が打ち破られる危険性が極めて
高い。また基材３と合せ材２の組合せによつて
は溶接時に溶接金属中に割れの発生する恐れが
ある。例えば、基材が炭素鋼、合せ材がオース
テナイト系ステンレス鋼の組合せでは、溶接金
属のミクロ組織はオーステナイトとマルテンサ
イトとの混合組織から成るため溶接割れ感受性
が非常に高く割れが発生してしまう。

(2) 接合面に対しビームを平行に照射する方法に
おいては、溶接ビード１ｂの溶込み深さで圧延
時のせん断力を支えるため、溶込み深さを調整
することによつてこのせん断力に十分耐えるこ
とができる。従つて、この方法は接合面に対し
ビームを垂直に照射する方法よりも、より実用
的であると言える。しかしながら、良好な密閉
溶接ビードを形成する点においては、ビームを
垂直に照射する方法以上に問題がある。すなわ
ち、電子ビーム溶接は細く絞られたビームを用
いて溶接するため、密閉溶接すべき突合せ面に
間隙が存在すると、第８図に示すように電子ビ
ームの多くはこの間隙を素通りし本来溶接され
るべき所には溶接ビードはほとんど形成されな
くなる。間隙を素通りしたビームが発散して広
がつた地点で溶接ビード１ｃが形成されること
もあるが、この場合のビードのノド厚はせん断
力に耐えられる程ではなく、またこの部分は圧
延後切り捨てることになるため歩留りが低下す
る他、ビードが形成される場所も不確定であり
実用上極めて問題である。

本発明者らの実験によれば、基材と合せ材を支
障なく密閉溶接するためには突合せ面の間隙を
0.5mm以内に抑えなければならないが、実際のク
ラツド組立部材においてはそれ以上の間隙が存在
し、全溶接線にわたつて間隙が0.5mm以内になる
ことは皆無に近い。間隙を0.5mm以内に制御する
には、基材と合せ材の接合面の平坦度を厳しく管
理する必要がある。そのためには基材、合せ材双
方の接合面全面にわたつて機械加工を施し平坦な
面に仕上げる必要があるが、これには莫大な研削
設備投資及び多大な工数が強いられ、その実際上
の適用はほとんど不可能に近い。

また、仮に接合面の突合せ間隙が0.5mm以内に
納める場合でも、前述の如く基材と合せ材の組合
せによつては溶接時に溶接金属中に割れが発生す
る可能性が非常に高い。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者らは、密閉溶接方法として、上記後者
の電子ビームを接合面に平行に照射する方法が実
用的であるのと考えから、上記問題点を解決すべ
く検討を行つた。この結果、溶接部に対しフイラ
ワイヤ等の溶加材を特定の条件で供給しつつ電子
ビーム溶接することにより、溶接面の突合せ精度
を厳しく管理することなく良好な密閉溶接が行え
ることを見い出した。また、このような溶接を行
うことにより、溶接金属の成分値を自在に調整
し、その適正化を図れることも判つた。

電子ビーム溶接においては、従来溶加材を溶接
部に安定して供給しつつ溶接することは困難とさ
れ、このため溶加材を用いた溶接を実用に供する
といつた試みはなされておらず、またこれが開先
面の突合せ精度に対する厳しい要求につながつて
いた。発明者らは溶加材連続供給電子ビーム溶接
に関し詳細な実験を行つた結果、電子ビーム溶接
においても溶加材の供給角度及び供給位置を適正
に制御することにより、十分安定して溶接部に溶
加材を供給できることを見出したものであり、そ
の基本的構成は重ね合された金属板の接合面を、
溶加材を溶接進行方向後方から供給しつつ、接合
面に対し平行または斜角をもつた電子ビームを照
射することにより密閉溶接するようにし、しかも
上記溶加材を電子ビームにより接合面に形成され
るビーム孔内部で電子ビームと衝突させ、且つ電
子ビームのビーム軸に対する角度αを5°≦α≦
（65−0.4d）°（但し、ｄ（mm）：溶接溶込み深さ）
とするよう供給するようにしたものである。

第１図および第２図は本発明の実施状況を示す
もので、１は溶接ビード、６は溶加材である。

本発明では重ね合わされた基材３と合せ材２と
の接合面を、溶加材６を供給しつつ電子ビーム５
を照射することにより密閉溶接する。電子ビーム
５は接合面に対して平行または斜角をもつて照射
され、接合面に沿つて溶接を行う。

被溶接材に電子ビームを照射すると、被溶接材
は加熱・溶融され、一部蒸発に至る。この時、蒸
発反力により溶融池７にはビーム孔８が形成され
るが、前記溶加材６は溶接進行方向に対しビーム
後方側からこのビーム孔８内に供給され、電子ビ
ーム５と該ビーム孔内で衝突せしめられる。溶加
材６としては、所謂フイラワイヤのほか帯状、棒
状等の適宜な形状のものを用いることができる。

溶接進行方向においてビーム後方から供給され
る溶加材６は、電子ビーム５のビーム軸に対し所
定の角度αをもたせることが必要であり、具体的
には、供給角度α（deg）を、溶け込み深さをｄ
（mm）とした場合、ビーム軸に対して5°≦α≦（65
−0.4d）の範囲内にする必要がある。供給角度が
5°未満では溶加材の供給位置の微小変動で、ビー
ムとの衝突位置が著しく変動することになり、安
定した溶加材の溶融が困難となる。また、供給角
度が（65−0.4d）°を超えると、溶加材の供給位
置の微小変動で溶加材が溶融池７に接触あるいは
突入してしまい、溶加材の溶融が不可能になる。
すなわち溶融池に溶加材が接触或いは突入する
と、溶加材の周囲の溶融金属が熱を奪われて温度
が低下（極端な場合には凝固する場合もある）
し、このため溶加材の円滑な供給、押し込みがで
きなくなり、無理に溶加材を供給しようとする溶
加材が曲がつたり、供給方向に狂いを生じ、溶加
材の適切な供給と溶融が困難となる。したがつ
て、溶加材が溶融池に接触或いは突入することは
絶対に避けなければならない。このようなことか
ら供給角度αは上記範囲に規制される。第３図
は、溶け込み深さｄと溶加材供給角度αとの関係
を示すもので、斜線で囲まれる［］の領域が適
正領域となる。

このような本発明法によれば、許容できる開先
間隙幅を約３mm程度まで拡大できることができ、
これにより接合面の突合せ精度を大幅に緩和する
ことができる。また本発明によれば、溶加材を用
いることにより溶接金属の成分の適正化が図ら
れ、基材と合せ材の組み合せ如何にかかわらず、
溶接欠陥のない健全な溶接部を得ることができ
る。

［実施例］ 以下本発明の実施例を説明する。

実施例 １ 基 材 SM41 80×1000×500mm 合せ材 SUS304 20×1000×500mm 上記材料それぞれにつき接合すべき面を機械加
工して清浄にした後重ね合せたが、基材と合せ材
は密着させず、間隔２mmを設け接合面を突合せ
た。この後真空室内に部材を搬入し、15Pa以下
の真空度の下で10分間排気後、積層材の周辺をフ
イラワイヤを連続供給しながら接合面に平行方向
に電子ビームを照射して溶接した。溶接条件は加
速電圧150kV、ビーム電流100ｍＡ、溶接速度30
cm／min、フイラワイヤSUS312（1.2φ）、フイラ
ワイヤ供給角度α40°、フイラワイヤ供給量16ｍ／
minとし、第１図に示されるように、横向姿勢で
溶接した。この時のビートの溶込み深さは約30mm
であつた。電子ビーム溶接で密閉溶接された材料
を1250℃で均一加熱した後圧下比３で圧延した。
圧延終了時の温度は1050℃であつた。加熱及び圧
延時に溶接ビードは破断することなくせん断力に
十分に耐えた。

圧延後接合面全面にわたつて超音波試験を実施
したが、欠陥エコーは全く検出されなかつた。圧
延後の材料について圧延材の両端及中央部から各
３個のせん断試験片を取り出しせん断強度を調べ
たが、35〜39Kgｆ／mm²の値が得られ、JISで規定
されているせん断強度（≧20Kgｆ／mm²）を十分に
上回る良好な結果が得られた。また表、裏及び側
曲げ試験も実施したが、接合面でのハクリは全く
認められなかつた。接合面のミクロ組織を第４図
に示すが、基材と合せ材は十分に接合している。

実施例 ２ 実施例１では基材と合せ材を密着せず接合面間
に２mmの間隙を設け、フイラワイヤを連続供給し
て密閉溶接を行つた。ここでは基材及び合せ材の
材種及び寸法は実施例１と同一とし、接合面間隙
を０mmすなわち基材と合せ材を密着して重ね合せ
た。この場合基材と合せ材の接合面は機械加工を
施し平坦にした。真空排気及びフイラワイヤ供給
量以外の溶接条件は実施例１と同一である。ビー
ド形状的にはフイラワイヤの供給を必要としない
が、基材と合せ材をフイラワイヤ無しに直接電子
ビーム溶接すると溶接金属中に割れがしばしば発
生した。この割れを防止するためSUS312系統の
フイラワイヤ（1.2φ）を連続的に供給しながら電
子ビーム溶接を行つた。

割れ防止に必要なフイラワイヤの最低供給量は
1.2ｍ／minであるが、フイラワイヤの供給量が
多くなると溶融金属が過剰になり、溶接部表面か
ら溶融金属が垂れ落ち溶接金属内部に空洞欠陥を
発生させるため、その供給量の上限を2.8ｍ／
min以下にする必要があつた。実際の密閉溶接に
おいては、フイラワイヤ供給量を1.8ｍ／minに
設定して電子ビーム溶接を行つた。密閉溶接され
た材料を1250℃で均一加熱した後圧下比３で圧延
した。ビードは加熱及び圧延時のせん断力に十分
耐えた。圧延材の接合面全面にわたつて超音波試
験を行つたが、欠陥エコーは検出されなかつた。
圧延材の両端及び中央部からそれぞれ３個のせん
断試験片を採取し接合部のせん断強度を調べたが
34〜39Kgｆ／mm²の値が得られJIS規格値（≧20Kg
ｆ／mm²）を大幅に上回る良好な結果が得られた。
また表、裏及び側試験も実施したが、接合面での
ハクリは全く認められなかつた。

実施例 ３ 実施例１及び２では接合面を機械加工したが、
実際の上では大面積の接合面を機械加工すること
は種々の困難を伴なう。そこで接合する面を機械
加工せずスケールを落して清浄にするのみで基材
（SM41）と合せ材（SUS304）を重ね合せた。こ
の場合、基材及び合せ材の平坦度はあまり良好で
なく、第５図に示すように突合せ面の間隙は０〜
３mmの間で変化した。予じめ間隙を測定し、間隙
に応じてフイラワイヤの供給量を変化させ電子バ
ーム溶接による密閉溶接を行つた。基本的な溶接
条件は実施例１と同様である。溶接線全線にわた
つて良好なビード形状が得られ、溶接割れも観察
されなかつた。

実施例１と同一の条件で圧延した圧延材につい
て、超音波試験を実施したが欠陥エコーは検出さ
れなかつた。圧延材の両端及び中央部からそれぞ
れ３個のせん断試験片を採取し接合部のせん断強
度を調べたが、36〜40Kgｆ／mm²の値が得られ良好
な結果が得られた。また、表、裏及び側曲げ試験
も実施したが、接合面のハクリは全く認められな
かつた。

実施例ではSM41とSUS304の組合せで圧延ク
ラツドを製造したが、これ以外の組合せでも適正
成分のフイラワイヤを供給することにより良好な
密閉溶接ができた。

以上の如く、クラツド金属板の組合溶接に本発
明の溶加材供給電子ビーム溶接法を適用すること
により、基材の合せ材の材種の組合せ如何に拘ら
ず溶接割れの無い溶接ビードを形成することがで
きる。同時に接合部の突合せ面に３mm程度の間隙
が生じても十分に対応可能であり良好な溶接ビー
ドを形成できる。従つて現状の基材及び合せ材の
平坦度でも本発明を適用することによつて良好な
密閉溶接が可能であり、圧延後の接合部の諸性質
も十分に満足できるものであることが判明し、本
発明の有効性が確認された。

また、電子ビームによる密閉溶接は例えば３面
を従来のアーク溶接法で溶接し残りの１面を真空
室の中で電子ビーム溶接する等種々のプロセスが
考えられるが、何れの場合においても電子ビーム
による密閉溶接においては溶加材を供給して溶接
することが肝要であり、本発明の適用されるとこ
ろである。

なお、上記の密閉溶接は接合面に平行に電子ビ
ームを照射する方法で行つたが、第６図に示すよ
うに接合面に対しある程度角度を持たせて電子ビ
ームを照射する方法も有効であつた。但し角度θ
を20°を越えて設定すると溶加材の安定供給が困
難になるため電子ビームの入射角度θは20°以下
に制限される。

上記は合せ材と基材が異種材料の組合せの場合
であるが、本発明は当然ながら合せ材と基材が同
種材料の組合せの場合も極めて有効に利用できそ
の効果が大なることを確認している。

溶接姿勢に関しても、本発明は横向姿勢のみな
らず下向及び立向姿勢における溶接にも十分適用
可能であり、クラツド部材を立てて下向きあるい
は立向姿勢で溶接することもできる。

［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば、許容できる開先間
隙幅を従来に較べ著しく拡大することができ、こ
れにより接合面の突合せ精度を大幅に緩和するこ
とができ、加えて、溶加材を用いることにより溶
接金属の成分の適正化を可能ならしめ、基材と合
せ材の組み合せ如何にかからず溶接欠陥のない健
全な溶接部を得ることができるという優れた効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の実施状況を示すも
ので、第１図は斜視説明図、第２図は溶接部の部
分拡大図である。第３図は溶接溶け込み深さと溶
加材供給角度との関係を示すものである。第４図
は実施例１における接合面の金属組織を示す顕微
鏡拡大写真である。第５図は実施例３における基
材と合せ材の重合状態を示す斜視説明図である。
第６図は本発明の他の実施状況を示す斜視説明図
である。第７図Ａ及びＢはそれぞれ従来の電子ビ
ーム溶接方法を示す説明図である。第８図は従来
法における溶接状況を示す説明図である。 図において、１は溶接ビード、２は合せ材、３
は基材、５は電子ビーム、６は溶加材、８はビー
ム孔を各示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同種または異種の金属板を２枚以上重ね合わ
   せ、電子ビームにより真空中で密閉溶接した後、
   熱間圧延または温間圧延を行い、クラツド金属板
   を製造する方法において、上記重ね合わされた金
   属板の接合面を、溶加材を溶接進行方向後方から
   供給しつつ、接合面に対し平行または斜角をもつ
   て電子ビームを照射することにより密閉溶接し、
   前記溶加材を電子ビームにより接合面に形成され
   るビーム孔内部で電子ビームと衝突させ、且つ、
   電子ビームのビーム軸に対する角度αを、5°≦α
   ≦（65−0.4d）°（但し、ｄ（mm）：溶接溶込み深
   さ）とするよう供給することを特徴とするクラツ
   ド金属板の製造方法。