JPH0645071B2 - バイメタル板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 利用産業分野 この発明は、２層構造及び３層構造のバイメタル板の製
造方法に係り、レーザービームの照射面同志を対向，冷
間圧接することにより、表面品質並びに密着強度のすぐ
れたバイメタル板を得る製造方法に関する。

背景技術 一般に、高膨脹側合金と低膨脹側合金とからなる２枚重
ねのバイメタルは、熱制御機器用部品等に用いられ、ま
た、高膨脹側合金と低膨脹側合金との間に中間層合金を
介在圧着した３枚重ねのバイメタルは、電流ブレーカー
用等に用いられるが、いずれも同様の工程で製造され
る。

一例として、２枚重ねのバイメタルの製造方法について
説明すると、まず、高膨脹側合金コイル及び低膨脹側合
金コイルを巻き戻しながら、圧接被着予定面をワイヤバ
フ等の機械的研摩法にて清浄化したのち、冷間圧接し、
拡散焼鈍、中間冷延及び中間焼鈍、仕上冷延する。

しかし、ワイヤバフ研摩等の機械的研摩では、所要圧接
予定研摩表面に、研摩による微少亀裂の発生や鱗片状金
属粉の発生付着及び異物が残存する恐れがあり、前記両
合金コイルの圧接の際に圧接面に金属粉，該異物の巻き
込みが起り、密着強度の低下に伴ない、バイメタル板が
剥離する問題がある。

発明の目的 この発明は、従来のバイメタル板の製造方法における高
膨脹側及び低膨脹側合金板表面の清浄化に基因する問題
点を解消し、圧着強度の向上を図り、すぐれた品質を有
するバイメタル板が得られる製造方法を目的としてい
る。

発明の構成と効果 この発明は、バイメタル板の製造方法における高膨脹側
及び低膨脹側合金板表面の清浄化、圧着強度の向上、バ
イメタル板の品質向上を目的に種々検討した結果、走行
中の前記両合金板表面の圧接予定表面に、レーザービー
ムを、ジグザグ状，蛇行あるいは縞状に照射を行ない、
接合不良の原因となる異物，油脂，水分に吸収され易い
波長のレーザービームを照射することにより、表面に付
着している異物，油脂，水分がレーザー光を吸収してガ
ス化し、除去されるため、清浄な表面が得られ、さら
に、前記合金板の照射面同志を圧接すると、表面が清浄
なために容易に原子間結合が起り、実用上、差支えない
範囲の充分な接着強度が得られることを知見した。

さらに、異物等だけでなく、両合金板及び中間層金属板
にも吸収され易い波長、すなわち、波長５μｍ以下のレ
ーザービームを用いれば、10μｍ以下、望ましくはサブ
ミクロンオーダーの極表面層を、溶融凝固させて硬化層
を形成し、中間層金属及び圧接材の冷間圧接時に、基板
表面の硬化層に内部のすべり変形によって表面に微細な
亀裂を生じさせることにより、内部の新生面を露出させ
て両合金板あるいはさらに中間層金属板と両合金板との
密着強度を著しく向上させることができ、従来のワイヤ
バフ等の機械的研摩にともなう表面の割れ，金属粉，残
留異物の発生，付着を防止でき，圧接強度が高く品質の
すぐれたバイメタル板が得られることを知見し、この発
明を完成したものである。

すなわち、この発明は、２層構造バイメタル板の場合、 高膨脹側合金板と低膨脹側合金板を圧接したバイメタル
板の製造方法において、高膨脹側合金板及び低膨脹側合
金板の片面に、レーザービームを照射し、両板の前記照
射により形成された照射層を含む圧接予定表面を対向さ
せて、冷間圧接することを特徴とするバイメタル板の製
造方法である。

また、３層構造バイメタル板の場合、 中間層金属板を介在させて高膨脹側合金板と低膨脹側合
金板を圧接したバイメタル板の製造方法において、高膨
脹側合金板及び低膨脹側合金板の一方面の全面及び中間
層金属板の両面の全面に、レーザービームを照射し、両
面に前記照射により形成された照射層を有する中間層金
属板を挟み、両合金板の前記照射により形成された照射
層を含む圧接予定表面を対向させて、一度に３枚を冷間
圧接することを特徴とするバイメタル板の製造方法であ
る。

あるいは、必要に応じて 高膨脹側合金板または低膨脹側合金板の片面及び中間金
属板の片面に、レーザービームを照射し、片面に前記照
射により形成された照射層を有する中間層金属板と前記
合金板の照射層を含む圧接予定表面を対向させて冷間圧
接し、圧接後の中間層金属板側の他面と残る低膨脹側合
金板または高膨脹側合金板の他面に、レーザービームを
照射し、圧接後の中間層金属板側の他面と残る低膨脹側
合金板または高膨脹側合金板の該照射により形成された
照射層を含む圧接予定表面を対向させて冷間圧接するの
もよい。

発明の好ましい実施態様 この発明において、高膨脹側合金板は、 Ni17wt％〜26wt％に Cr2.5wt％〜12wt％，Mn5wt％〜7wt％， Mo3wt％〜7wt％の１種を含有するFe合金 あるいはMn70wt％〜80wt％、Ni5wt％〜15wt％含有、残
部CuからなるMn合金、 低膨脹側合金板には、 Ni35wt％〜50wt％またはCr13wt％〜18wt％含有のFe合金
が利用し得る。

この発明において、高膨脹側Fe合金板は、Niが17wt％未
満では熱膨脹係数が小さくなりすぎ、また、26wt％を越
えると同様に熱膨脹係数が小さくなりすぎて好ましくな
い。また、Mnが5wt％未満、Crが2.5wt％未満、Mo3wt％
未満では、高膨脹特性の安定性の点で好ましくなく、Mn
が7wt％を越えると耐食性が悪くなり、また、Crが12wt
％を越えたり、Moが7wt％を越えると加工性が悪くなる
ため好ましくない。

従って、高膨脹側Fe合金板は、 Ni17wt％〜26wt％にMn5wt％〜7wt％またはCr2.5wt％〜1
2wt％あるいはMo3wt％〜7wt％の１種を含有するFe合金
とし、特に、 Ni19〜21−Cr5〜7.0−Fe合金（wt％）、 Ni19.0〜23−Cr2.5〜5.0−Fe合金（wt％）、 Ni17.0〜20.0−Cr10.0〜12.0−Fe合金（wt％）、 Ni23〜27−Mo3.0〜7.0−Fe合金（wt％）、 Ni19.0〜24.0−Mn5.0〜7.0−Fe合金（wt％）が好まし
い。

また高い膨脹係数が得られるMn合金として、Mn70wt％〜
80wt％、Ni5wt％〜15wt％、残部CuからなるMn合金が好
ましい。

また、低膨脹側Fe合金板は、Niが35wt％未満、Crが13wt
％未満では熱膨脹係数が大きくなりすぎ、また、Niが50
wt％を越え、またCrが18wt％を越えると、同様に熱膨脹
係数が大きくなりすぎて好ましくないため、Ni35wt％〜
50wt％、またはCr13wt％〜18wt％含有のFe合金とし、ア
ンバー合金，Ni38wt％−Fe合金、Ni42wt％−Fe合金、Cr
13〜18wt％−Fe合金が好ましい。

中間層金属板は、バイメタル板の電気抵抗を調整するた
め、その用途等に応じて、Ni合金あるいはCu合金から適
宜選定すればよい。

この発明において、レーザービームの照射方法は、中間
層金属板の両面及び高低膨脹両合金板の圧接予定表面
に、スポット状のビームをミラーを用いて２次元的に走
行、あるいはレンズ，ミラーを用いて、ビームを拡げて
板幅方向に一括照射を行ない、被着予定表面の全面に均
一に照射するか、あるいは被着予定表面上にビームをジ
グザグ走行，蛇行させたり、縞状に部分照射するもので
ある。

また、この発明において、レーザービームを部分的に照
射した合金板あるいは中間層金属板の表面状態は、前記
の如く、照射表面の清浄化と極表面層の溶融凝固による
硬化層を形成し、非照射部分も周囲の照射部分の熱影響
により、表面が清浄化されている。このため、高膨脹側
合金板及び低膨脹側合金板の片面および／または中間層
金属板の両面のレーザービームの照射部分に、前記合金
板あるいは中間層金属板を介してを冷間圧接すると、前
述の如く、照射部分において、前記高低膨脹両合金板同
志あるいは中間層金属板を介して強固に接着し、非照射
部分も表面が清浄化されるため、前記高低膨脹両合金板
あるいは中間層金属との密着性が向上して充分な接着強
度が得られる。

この発明において、レーザービームの照射は、表面の付
着物，油脂，水分の除去ができればよく、好ましくは10
μｍ以下の極表面層の溶融凝固が可能であれば、いかな
る方法でもよく、例えば、スポット状にビームを集光さ
せて合金板表面の直交方向に照射したり、合金板とレー
ザービームとを合金板の長手方向に同方向あるいは逆方
向に移動させたり、さらには、レーザービームを振幅方
向に振幅させながら板長手方向に移動させるなどの方法
が採用できる。

また、レーザービームは、レーザー発振器から発振され
て、コリメータ，レンズにより集光し、光ファイバーに
て所要位置に導いて照射する方法も採用できる。

この発明において、レーザービームの照射条件として、
ビームのパワー密度は、100kW/mm²〜1500kW/mm²の範囲
が好ましく、さらに好ましくは、300kW/mm²〜900kW/mm²
である。

レーザービームのパワー密度が100kW/mm²未満では、圧
接に対する表面清浄化の効果がなく、また、1500kW/mm²
を越えると、表面の凹凸が激しくなり、パワー密度の上
昇に伴ない板に孔が生成し好ましくない。

また、レーザー波長は、５μｍ以下であれば有効である
が、２μｍを越えると合金板への吸収効果が低下するた
め、２μｍ以下の波長を用いることが望ましい。

さらに、レーザービームの照射能率を向上させるため
に、前記高低膨脹両合金の所要面あるいは中間層金属板
両面にレーザービームを照射する前に、無酸化雰囲気中
にて、200℃〜500℃に予熱することが好ましい。

発明の図面に基づく開示 第１図はこの発明によるレーザービームの照射と圧接を
示す合金板の斜視説明図である。

高膨脹側合金板(1)コイルは、アンコイリングされて冷
間圧接ロール(2)方向へ進行する。圧接ロール(2)後方に
は、通過する合金板(1)の上面にレーザービームを照射
するための照射ボックス(3)が配置され、照射ボックス
(3)は合金板(1)全体を包囲し、内部にArガスを通気して
あり、Arガス雰囲気中でレーザービームを照射できる構
成である。

レーザービームは、例えば、発振装置(4)において、YAG
レーザーのレーザー発振器から発振されてコリメーター
を通して、ガルバニックミラー(5)にて所要角度に反射
され、ｆθレンズ(6)により集光し焦点を結んだのち、
焦点より所要距離、離間した位置で、合金板(1)の所要
幅部分を照射できるよう、ｆθレンズ(6)位置が調整さ
れており、かかる照射装置が４台、合金板(1)幅方向に
並列配置され、板幅全面にレーザービームを照射できる
構成である。

なお、この発明に使用されるレーザービーム発生装置
は、ガルバニックミラー(5)に代えて、多面体ミラーも
しくはセグメントミラーを用いることにより、レーザー
走査速度を速くすることができ、また、シリンドリカル
レンズを用いて、板幅方向を一括して照射することによ
り、加工速度の向上を図ることができる。

合金板(1)は、軸方向全面を、全面照射あるいはジグザ
グ状、縞状に、レーザービーム照射されて、極表面層が
溶融凝固し、表面の付着物，油脂，水分が除去された新
生面となる。

また、前記のレーザービーム照射と同様方法にて、片面
の全面に照射面を設けて巻き取られた低膨脹側合金板
(7)コイルがアンコイリングされたのち、高膨脹側合金
板(1)上方より圧接ロール(2)へ送給され、前記のレーザ
ービーム照射による照射面上に低膨脹合金板(7)の照射
面が対向されて圧接される。

この際、両合金板(1)(7)の照射面の溶融凝固層が内部の
すべり変形の影響により表面に微細な亀裂を生じ、内部
の新生面が露出して高膨脹側合金板(1)と低膨脹側合金
板(7)が圧接されるため、従来の機械的研摩表面に比較
して、洗浄度がすぐれ、かつ密着強度が向上した品質の
すぐれたバイメタル板を得ることができる。

また、高膨脹側合金板(1)と低膨脹側合金板(7)のそれぞ
れにレーザービームの照射面を設けたのち、これを巻き
取り、あらためて両合金コイルを巻き戻して、両者を圧
接するのもよく、さらに、３層構造のバイメタル板の構
造の場合、前記方法にて両面を個別にレーザービーム照
射した中間層金属板を介在させて、高膨脹側合金板(1)
と低膨脹側合金板(7)を圧接する方法もよい。

従って、バイメタル板の構成材料の材質や寸法等によ
り、レーザービームの発振方法や照射出力，ｆθレンズ
による焦点と照射表面までの距離、被照射側の移動速度
などを適宜選定する必要がある。

実施例 高膨脹側合金板には、 板厚2.50mm、板幅300mmの20％Ni−６％Cr−Fe合金板（w
t％）を使用し、 低膨脹側合金板には、 板厚2.5mm、板幅300mm、36％Ni-Fe合金板（wt％）を使
用した。

また、照射ボックス内雰囲気ガスはArガス、前記合金板
移動速度は1m/minであった。

レーザー照射装置には、出力100Ｗ，10kHzQスイッチレ
ーザーを３台用い、上述した第１図のこの発明と同様方
法で、 レンズ焦点間距離100mm、 波長；1.06μｍ、 レーザーパワー密度；500kW/mm²の条件で、合金板幅方
向100mmの３条を合金板長手方向に連続して、レーザー
ビームによる照射面をそれぞれ形成した。

前記の両合金板の照射面同志を対向させて、圧接ロール
にて、圧延率50％で冷間圧接した。

さらに、拡散焼鈍、中間圧延、仕上圧延を施したのち、
スリッターにて板厚み0.4mm×板幅50mmの２層構造のバ
イメタル板を得た。

また、比較のため、同種の高膨脹側合金板及び低膨脹側
合金板を用い、各合金板の片面の全面に、0.5mmΦワイ
ヤー回転ブラシ、移動速度17m/minのワイヤーバフ研摩
条件で、従来の機械的研摩を施したのち、前記と同一の
条件にて、冷間圧接、拡散焼鈍、中間圧延、仕上圧延を
施したのち、スリッターにて板厚み0.4mm×板幅50mmの
バイメタル板を得た。

得られた２種のバイメタル板の圧着強度及び外観性状を
調べ、その結果を第１表に示す。

圧着強度は、第２図ａ図に示す如く、バイメタル板を長
さ方向に40mm長さに切断した後、圧着部長さ10mm部分
を、圧着して張合わせた高膨脹側合金板(1)と低膨脹側
合金板(7)間で開き、断面Ｔ字型状となした試験片(10)
を30個作製し、圧着部に直角方向に引張り、圧着部が剥
れる時の荷重にて圧着強度を評価した。

第１表から明らかなように、本発明方法によると、従来
法より圧着強度が高くかつそのばらつきも少なく、外観
性状もすぐれ、すこぶる品質のよいバイメタル板が得ら
れることが分る。

実施例２ 高膨脹側合金板には、 板厚2mm、板幅240mmの50％Mn-23％Ni-Fe合金板（wt％）
を使用し、 低膨脹側合金板には、 板厚2mm、板幅240mm、38％Ni-Fe合金板（wt％）を使用
し 中間層金属板には、 板厚0.5mm、板幅240mm、１％Fe-Ni合金板（wt％）を使
用した。

また、照射ボックス内雰囲気ガスはArガス、前記合金板
板移動速度は1.5m/minであった。

レーザー照射装置には、出力100Ｗ，10kHzQスイッチレ
ーザーを３台用い、上述した第１図のこの発明と同様方
法で、 レンズ焦点間距離100mm、 波長；1.06μｍ、 レーザーパワー密度；500kW/mm²の条件で、合金板幅方
向80mmの３条を、高膨脹，低膨脹各合金板の長手方向に
連続して、一方面にレーザービームによる照射面をそれ
ぞれ形成した。同様に中間層金属板の両面に照射面を形
成した。

前記の中間層金属板の両面の照射面に、それぞれ高膨
脹，低膨脹各合金板の照射面を対向させて、圧接ロール
にて、圧延率55％で冷間圧接した。

さらに、拡散焼鈍、中間圧延、仕上圧延を施したのち、
スリッターにて板厚み0.5mm×板幅79mmの３層構造バイ
メタル板を得た。

また、比較のため、同種の高膨脹側合金板，低膨脹側合
金板及び中間層金属板を用い、各合金板の片面の全面及
び中間層金属板の両面の全面に、0.5mmΦワイヤー回転
ブラシ、移動速度10m/minのワイヤーバフ研摩条件で、
従来の機械的研摩を施したのち、前記と同一の条件に
て、冷間圧接、拡散焼鈍、中間圧延、仕込圧延を施した
のち、スリッターにて板厚み0.5mm×板幅79mmのバイメ
タル板を得た。

得られた２種のバイメタル板の圧着強度及び外観性状を
調べ、その結果を第２表に示す。

圧着強度は、第２図b,c図に示す如く、バイメタル板を
長さ方向に、40mm長さ切断した後、圧着部長さ10mm部分
を、被測定面となる各積層面毎に開いた構成、すなわ
ち、高膨脹側合金板(1)と中間層金属板(8)間を開き断面
Ｔ字型状となした試験片(11)と、中間層金属板(8)と低
膨脹側合金板(7)間を開き断面Ｔ字型状となした試験片
(12)を各々30個作製し、圧着部に直角方向に引張り、圧
着部が剥れる時の荷重にて圧着強度を評価した。

第２表から明らかなように、本発明方法によると、従来
法より圧着強度が高くかつそのばらつきも少なく、外観
性状もすぐれ、すこぶる品質のよいバイメタル板が得ら
れることが分る。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明によるレーザービームの照射と圧接を
示す合金板の斜視説明図である。第２図は圧着強度の評
価の試験方法を示す試験片の説明図である。 １…高膨脹側合金板、２…圧接ロール、３…照射ボック
ス、４…発振装置、５…ガルバニックミラー、６…ｆθ
レンズ、７…低膨脹側合金板、８…中間層金属板、10,1
1,12…試験片。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高膨脹側合金板と低膨脹側合金板を圧接し
   たバイメタル板の製造方法において、高膨脹側合金板及
   び低膨脹側合金板の片面に、レーザービームを照射し、
   両板の前記照射により形成された照射層を含む圧接予定
   表面を対向させて、冷間圧接することを特徴とするバイ
   メタル板の製造方法。
2. 【請求項２】中間層金属板を介在させて高膨脹側合金板
   と低膨脹側合金板を圧接したバイメタル板の製造方法に
   おいて、高膨脹側合金板及び低膨脹側合金板の片面及び
   中間層金属板の両面に、レーザービームを照射し、両面
   に前記照射により形成された照射層を有する中間層金属
   板を挟み、両合金板の前記照射により形成された照射層
   を含む圧接予定表面を対向させて、冷間圧接することを
   特徴とするバイメタル板の製造方法。