JP2000218388A

JP2000218388A - 金属材料の接合方法

Info

Publication number: JP2000218388A
Application number: JP11022066A
Authority: JP
Inventors: Takao Hiyamizu; 孝夫冷水; Koji Horio; 浩次堀尾; Kazunari Kito; 一成鬼頭; Shigeyuki Inagaki; 繁幸稲垣; Ryuzo Yamada; 龍三山田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-08

Abstract

(57)【要約】【課題】金属材料同士の接合面の品質が安定した接合
体を得るための接合方法を提供すること。【解決手段】金属材料同士を接合する過程において、
その接合面に超音波探傷エコーを照射し、その反射エコ
ー或いは透過エコーを計測し、その計測値によりその接
合状態をモニタリングし、そのモニタリングにより得ら
れた接合状況の情報に基づいて接合パラメータ（接合温
度、保持時間、加圧力等）を制御しながら接合を行う。
また、インサート材が介挿されているときには、そのイ
ンサート材による液相拡散接合の進行状況をモニタリン
グする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料の接合方
法に関し、更に詳しくは、金属材料同士の接合面にクラ
ックやピンホール等の欠陥のない接合品質の安定した接
合体（接合継手）を作製するのに好適な金属材料の接合
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属材料同士の接合方法には各種
の方法があり、例えば、溶接法（オービタルウェディン
グ法）、拡散接合法等が挙げられる。そのうち溶接法
は、金属材料同士の端面に開先を設けて突き合わせ、そ
の開先に溶融金属を肉盛りすることにより金属材料同士
を接合するものである。

【０００３】また拡散接合法は、金属材料同士を突き合
わせ、接合面を加圧しながら、その金属材料の融点より
も低い温度で加熱し、接合面における金属材料元素の拡
散により金属材料同士を接合するものである。これに
は、金属材料同士を直接突き合わせ固相状態を維持しな
がら金属材料元素の拡散を行わせる固相拡散接合と、接
合界面にその金属材料より低い融点を有するインサート
材を介挿しインサート材を加熱溶融させることにより、
その溶融成分の一部を金属材料側に拡散させる液相拡散
接合法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来一
般に行われている金属材料の接合方法によって作製され
た接合体では、その接合面にクラックやピンホール等を
有する不良品が生じてしまうことを避けられないものと
なっている。特に、被接合金属材料が大径の中実棒、或
いは大口径の中空管等の大型製品の場合には接合面全体
を均一に加熱することは困難で円周方向における接合強
度の安定性に不安が残ってしまう。

【０００５】従来の方法で作製された接合体では、その
品質を保証するために、超音波探傷により非破壊検査を
行ったり、或いは小物製品で数量も多いような場合には
抜き取り検査により接合面の破壊検査を行い、全体のロ
ットの品質保証をするということをしているが、その要
求品質が高い場合には、抜き取り検査だけでは、全数の
品質を保証し得ないため、全数の非破壊検査を行う必要
が生じてしまう。その場合には、品質検査に多くの時間
と労力とを費やさなければならず、生産能率の低下を招
来することになる。

【０００６】また、大型製品の品質保証においては、破
壊検査を行うことは現実的ではないばかりでなく、接合
後の非破壊検査で品質不良が発見されても、その修復に
は技術的困難と多大のコストを要するという問題があ
る。そこで、このような場合にも、金属材料同士の接合
面にクラックやピンホール等の欠陥のない接合品質の安
定した接合体方法の開発が望まれていた。

【０００７】本発明の解決しようとする課題は、金属材
料同士の接合中にその接合面の接合状況を監視（モニタ
リング）し、接合条件（接合パラメータ）を制御しなが
ら接合することにより接合品質の安定した接合体（接合
継手）を作製することのできる金属材料の接合方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明に係る金属材料の接合方法は、請求項１に記載
のように、被接合金属材料同士の接合過程を通じてその
接合面に超音波を照射し、その接合面からの反射エコー
或いはその接合面の透過エコーを計測し、その計測値に
よりその接合過程の進行状況をモニタリングし、そのモ
ニタリングによる接合過程の進行状況に基づいて接合パ
ラメータを制御しつつ接合するようにしたことを要旨と
するものである。

【０００９】そして、このように金属材料同士の接合過
程において超音波探傷による接合面の接合状況をモニタ
リングしながら接合し、時に接合パラメータを制御する
ことにより接合面の品質の安定した接合体が得られる。

【００１０】この場合に、前記超音波探傷によるモニタ
リングは、請求項２に記載のように、前記被接合金属材
料同士の予め求めた良好な接合に対する接合過程の進行
状況とその接合面からの反射エコー或いはその接合面の
透過エコーとの関係に関する情報と、進行中の接合過程
における接合面からの反射エコー或いはその接合面の透
過エコーに関する情報とを比較することにより行うのが
良い。超音波探傷エコーの比較により被接合金属材料同
士の接合状態の進行状況が正確に把握される。

【００１１】また、前記接合パラメータは、請求項３に
記載のように、接合温度、保持時間、加圧力のうちの選
択された１つ又は２つ以上の条件を含むものである。こ
れらの接合条件を制御することにより良品質の接合面を
有する接合体が得られる。

【００１２】更に本発明は、溶接法や拡散接合法等の各
種の接合法に適用されるが、特に請求項４に記載のよう
に、前記被接合金属材料の接合面には、これらの被接合
金属材料よりも融点の低い接合用インサート材を介挿
し、該インサート材の加熱溶融により前記被接合金属材
料同士を液相拡散接合するものにも好適なものとして適
用される。

【００１３】その場合に、請求項５に記載のように、前
記被接合金属材料は、炭素鋼、マルテンサイト系ステン
レス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、二相ステンレ
ス鋼等より選ばれた材料であり、前記インサート材がＮ
ｉ系合金或いはＦｅ系合金材料等であるものが、例え
ば、化学工業や石油化学工業等で用いられるプラント用
配管、パイプライン、或いは油井で用いられるケーシン
グチューブ、生産チューブ、コイルドチューブ等の油井
管等に好適なものとして適用される。

【００１４】そして、本発明では、前記被接合金属材料
が長尺状の棒材或いは管材である場合には、請求項６に
記載のように、前記超音波探傷によるモニタリングは超
音波探触子を前記被接合金属材料の表面周方向或いは半
径方向に相対移動させることにより行うか、或いは請求
項７に記載のように、前記超音波探傷によるモニタリン
グは超音波探触子を前記被接合金属材料の表面周方向に
複数配置することにより行うと良い。これにより、接合
体（接合継手）の接合面全周に亘って接合品質がモニタ
リングされることとなり、接合面の局所的な欠陥（ピン
ホール、クラック等）を見逃すことも回避される。

【００１５】更に、請求項８に記載のように、前記超音
波探傷によるモニタリングは、前記被接合金属材料の接
合面から前記超音波探触子に至るまでの間の一部を冷却
することにより行うと良い。これにより、超音波探触子
が接合面からの熱影響を受けることが回避され、また超
音波エコーが精度良く検知されてモニタリングの確実性
が担保される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施の形
態を図面を参照して詳細に説明する。図１は、被接合金
属材料同士をインサート材を介して加熱溶融拡散接合す
る状態を概念的に示している。この図では、金属棒或い
は金属管からなる被接合金属材料１０ａ、１０ｂの接合
面に、これらの被接合金属材料よりも融点の低い接合用
インサート材１２を介挿し、その周囲に配設した高周波
誘導加熱コイル１４に高周波電流を流すことにより、そ
の高周波誘導熱により前記インサート材１２を加熱溶融
し、そのとき一方の被接合金属材料１０ｂの端面より接
合面に加圧力を印加することにより被接合金属材料１０
ａ、１０ｂ同士を液相拡散接合法により接合するもので
ある。

【００１７】そして、この被接合金属材料１０ａ、１０
ｂ同士の液相拡散接合の際に、その接合過程における接
合状態の進行状況を超音波探傷によりモニタリングする
ものであり、一方の被接合金属材料１０ａの端面に送受
信用の超音波探触子１６を当て、その超音波探触子１６
より発信される超音波が被接合金属材料１０ａ、１０ｂ
の接合界面で反射されて受信される超音波（反射）エコ
ー、及びその接合界面を透過して加圧側の被接合金属材
料１０ｂの基端面（基底面）に到達した後、反射されて
再び接合界面を透過し受信される超音波（反射）エコー
を夫々計測し、その計測状況から被接合金属材料１０
ａ、１０ｂ同士の接合界面の接合過程における接合状態
の進行状況をモニタリングするものである。

【００１８】図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、これらの
被接合金属材料１０ａ、１０ｂの液相拡散接合過程にお
ける接合状態の進行状況に応じて計測される超音波エコ
ーの波形発生位置とその波形の大きさを示したものであ
る。図２（Ａ）は高周波誘導加熱による加熱前（加熱ス
タート段階）の状態を示し、図２（Ｂ）は高周波誘導加
熱によるインサート材の加熱溶融が進行し、拡散接合が
進行している過程を、また図２（Ｃ）はインサート材が
完全に加熱溶融されて拡散接合が完了した段階での波形
を示している。

【００１９】図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示したよう
に、最初は被接合金属材料１０ａ、１０ｂ間にインサー
ト材１２が介挿されたままの状態であるから、そのイン
サート材の介挿面（接合面）で略１００％の反射エコー
が得られる（図２（Ａ））が、拡散接合が進行するにつ
れて超音波探触子１６より発信される超音波の一部が接
合面を透過し、相手方の被接合金属材料１０ｂの基端面
（基底面）で反射して再び接合面を透過してくる反射エ
コーが検知されるようになる（図２（Ｂ））。そして、
インサート材１２が完全に加熱溶融されて拡散接合が完
了した段階では、接合面にクラックやピンホール等の発
生異常がない限り、超音波探触子１６より発信された超
音波は略１００％接合界面を透過し、また相手方の被接
合金属材料１０ｂの基端面（基底面）で反射されること
により、この基底面からの反射エコーのみが検知される
こととなる（図２（Ｃ））。

【００２０】図３は、被接合金属材料１０ａ、１０ｂ同
士の拡散接合が進行するにつれて送受信用超音波探触子
１６により検知される接合面からの反射エコーと基底面
からの反射エコーの夫々の相対的変化を示したものであ
る。横軸に拡散接合を開始してからの時間を、縦軸に夫
々の反射エコーの大きさ（強さ）を採っている。

【００２１】この図３に示したように拡散接合が進行す
るにつれて接合面からの反射エコーは小さくなり、逆に
基底面からの反射エコーは大きくなっていく。そして、
ある時間が経過することにより、接合面からの反射エコ
ーの減少も基底面からの反射エコーの増加もなくなり、
この段階では拡散接合が略完了したことを示している。

【００２２】図４は、やはり被接合金属材料同士をイン
サート材を介して液相拡散接合を行う場合に、斜角透過
型の超音波探傷による接合面のモニタリングを行う場合
の概念図を示している。この例では、被接合金属材料１
０ａ、１０ｂが長尺の棒状或いは管状のものであって、
一方の被接合金属材料１０ａの外周表面に送信側超音波
探触子１８ａを当て、他方の被接合金属材料１０ｂの外
周表面に受信側超音波探触子１８ｂを当てている。

【００２３】そしてこの場合には、被接合金属材料１０
ａ、１０ｂ同士の拡散接合過程において送信側超音波探
触子１８ａより発信される超音波が接合面を透過し、受
信側超音波探触子１８ｂにより検知される超音波（透
過）エコーを計測することにより被接合金属材料１０
ａ、１０ｂの拡散接合過程における接合状態の進行状況
をモニタリングするものである。

【００２４】図５は、被接合金属材料１０ａ、１０ｂ同
士の拡散接合が進行するにつれて、受信側超音波探触子
１８ｂにより検知される透過エコーの大きさ（高さ）の
変化を示したものである。拡散接合が開始される前は透
過エコーは殆ど検知されず、零（ｄＢ）の値を示し、拡
散接合が進行するにつれて徐々に透過エコーの大きさが
増大していく。そして、ある時間が経過すると拡散接合
が略完了し、透過エコーの変化がなくなることを示して
いる。

【００２５】次に各種の実施例について説明する。（実施例１）被接合金属材料に径２０ｍｍφのチタン合
金棒（ＡＳＴＭ規格Ｂ３８１グレードＦ−９）を用い、
インサート材として板厚２０μｍのチタン箔（ＪＩＳ規
格Ｈ４６００、記号「ＴＰ２７０Ｃ」）を用いた。接合
条件としては、接合温度＝９３０℃、保持時間＝３００
ｓ、加圧力＝１０ＭＰａに設定し、接合部の加熱方法は
高周波誘導加熱法（電源周波数：３ｋＨｚ）を用いた。
接合過程におけるモニタリングのための超音波探傷試験
は、一方の被接合金属材料の端面に送受信用超音波探触
子を当てて接合面の反射エコーを検知する垂直探傷法
（周波数：５ＭＨｚ）によるものとした。その結果を表
１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１において、「比較例１」は被接合金属
材料同士の拡散接合中に超音波探傷によるモニタリング
を行わず、拡散接合が終了した後に接合体（接合継手）
の超音波探傷試験を行い、接合界面の欠陥（ピンホール
やクラック等）の有無を確認したものである。また、そ
の確認としては超音波探傷を行った接合部分より試験片
を切り出して引張り試験を実施したものである。

【００２８】これに対して、本発明品の１つである「発
明例１」は、被接合金属材料同士の拡散接合中に超音波
探傷によるモニタリングを行ったものであり、その接合
過程における接合状態の進行状況を超音波探触子により
検知される接合界面の反射エコーの高さをモニタリング
し、この反射エコーの高さが予め求めた良好な接合に対
する接合過程で得られる反射エコーの時間的推移と比較
して高い場合には、高周波誘導加熱による加熱保持時間
を「〜４５０ｓ」の範囲まで延長するように制御しなが
ら作製したものである。

【００２９】また、本発明品の「発明例２」は、被接合
金属材料同士の拡散接合中に超音波探傷によるモニタリ
ングを行い、その接合過程における接合状態の進行状況
を超音波探触子により検知される接合界面の反射エコー
の高さが予め求めた良好な接合に対する接合過程で得ら
れる反射エコーの時間的推移と比較して高い場合に、高
周波誘導加熱による加熱接合温度を「〜９５０℃」の範
囲まで上昇させるように制御して作製したものである。

【００３０】尚、供試サンプル数は、「比較例１」、
「発明例１」、「発明例２」のいずれの場合も１０本ず
つとした。また、「比較例１」及び「発明例１」は拡散
接合終了後に超音波探傷試験による接合界面の欠陥エコ
ーの有無を調べているが、「発明例２」ではそれを省略
している。

【００３１】その結果、表１に示したように、比較例１
の供試サンプルについては、接合後の超音波探傷試験に
おいて接合界面からの反射エコーが認められるもの（×
印）が１０本中４本あり、また接合継手の引張り試験で
も、その×印のものは、接合界面での破断が生じ、引張
強さ（ＭＰａ）の値も大きくバラツク結果となってい
る。

【００３２】これに対して、本発明品である「発明例
１」の場合には、超音波探傷により接合界面の反射エコ
ーをモニタリングし、その反射エコーの高さが標準試料
よりも高い場合に高周波誘導加熱による保持時間を延長
したものであるから、接合後の超音波探傷試験において
接合界面からの反射エコーが認められるものは全くな
く、供試サンプル１０本とも良好（○印）との判定であ
った。

【００３３】また、接合継手の引張り試験においても１
０本の平均値Ｘ＝８５０．２（ＭＰａ）、標準偏差σ＝
２．０４０であり、しかも、いずれも母材での破断であ
って接合界面での破断が生じたものではなく、良好な結
果が得られた。ちなみに、本実施例に用いられた被接合
金属材料（チタン合金棒）の引張強さは、ＡＳＴＭ規定
では８２８ＭＰａ以上と定められており、これを十分に
満足するものである。

【００３４】また、本発明品である「発明例２」の場合
には、超音波探傷により接合界面の反射エコーをモニタ
リングし、その反射エコーの高さが標準試料よりも高い
場合に高周波誘導加熱による接合温度を上昇させたもの
であるから、接合後の超音波探傷試験は行っていない
が、接合継手の引張り試験において１０本の平均値Ｘ＝
８５０．７（ＭＰａ）、標準偏差σ＝１．６７６であ
り、しかも、いずれも母材での破断であって、接合界面
での破断が生じたものはなく、良好な結果が得られた。

【００３５】（実施例２）被接合金属材料に外径３５
５．６ｍｍφ、厚さ７．１ｍｍの配管用アーク溶接炭素
鋼鋼管（ＪＩＳ規格Ｇ３４５７、記号「ＳＴＰＹ４０
０」）を用い、インサート材として板厚４０μｍのニッ
ケルろう（ＪＩＳ規格Ｚ３２６５、ＢＮｉ−５相当の組
成を有する。融点：１１００℃）を用いた。そして接合
条件は、接合温度＝１３００℃、保持時間＝６０ｓ、加
圧力＝３．０ＭＰａに設定し、接合部の加熱にはやはり
高周波誘導加熱法（電源周波数：２０ｋＨｚ）を用い
た。更に、拡散接合時にモニタリングとして行う超音波
探傷試験は、一方の被接合金属材料の周面に当てた送信
用超音波探触子から送信される超音波を他方の被接合金
属材料の周面に当てた受信用超音波探触子により受信さ
せて接合面の透過エコーを検知する斜角探傷法（周波
数：５ＭＨｚ、屈折角：７０゜）によるものとした。そ
の結果を表２に示す。

【００３６】

【表２】

【００３７】表２において、「発明例３」は、送信用と
受信用の超音波探触子を夫々金属材料接合物の外表面の
円周方向に当て、およそ３０ｒｐｍの回転速度で移動さ
せながら接合面を透過した超音波エコーの高さを計測
し、その超音波エコーの高さが良好な接合継手（標準試
料）に対して予め求められた「接合面の透過エコー」と
比較して小さい場合には、両者が一致するまで保持時間
を「〜１８０ｓ」までの範囲で延長するように制御しな
がら作製したものである。

【００３８】また「発明例４」は、送信用と受信用の超
音波探触子を夫々金属材料接合物の外表面の円周方向に
４カ所（９０゜の等間隔）に配置し、各受信用の超音波
探触子により接合面を透過した超音波エコーの高さを計
測し、良好な接合継手に対して予め求めた「接合面の透
過エコー」と比較して「透過エコーの高さ」が小さい場
合には、両者が一致するまで接合温度を「〜１３５０
℃」の範囲まで上昇させるように制御して作製したもの
である。

【００３９】尚、表２に示した「比較例２」は、拡散接
合中には超音波探傷試験によるモニタリングを行わず、
拡散接合の終了後に超音波探傷試験及び引張り試験を実
施して品質を確認するようにしたものである。「発明例
３」「発明例４」「比較例２」は、いずれも供試サンプ
ル数を３本（表中Ａ、Ｂ、Ｃ）とした。また、引張り試
験は夫々のサンプルにつき、円周方向の４カ所（９０゜
の等間隔）から試験片を切り出して実施している。

【００４０】その結果、表２に示したように、比較例２
の供試サンプルについては、接合後の超音波探傷試験に
おいて３本中２本の供試サンプルに接合界面からの超音
波エコーが認められ、その超音波エコーが認められた箇
所の試験片についての引張り試験では接合界面での破断
が生じ、引張強さ（ＭＰａ）の値も大きくバラツク結果
となった。

【００４１】これに対して、本発明品である「発明例
３」の場合には、超音波探傷により接合界面の透過エコ
ーをモニタリングし、その透過エコー高さが標準試料よ
りも低い場合に高周波誘導加熱による保持時間を延長す
るように制御しながら作製したものであるから、接合後
の超音波探傷試験において接合界面からの超音波エコー
が認められるものは全くなく、供試サンプル３本とも円
周方向４カ所ずつ探傷試験を行ったが全て良好（○印）
との判定であった。

【００４２】また、接合継手の引張り試験においても供
試サンプル３本とも円周方向４カ所の平均値及び標準偏
差とも安定しており、全体としての平均値Ｘ＝４６２．
８（ＭＰａ）、標準偏差σ＝３．３３７も安定したもの
であった。勿論、いずれも母材での破断であって、接合
界面での破断が生じるものはなかった。

【００４３】また、本発明品である「発明例４」の場合
には、超音波探傷試験により接合界面の透過エコーをモ
ニタリングし、この透過エコーの高さが標準試料よりも
低い場合に高周波誘導加熱による接合温度を上昇させる
ように制御しながら作製したものであるから、接合後の
超音波探傷試験は行ってないが、接合継手の引張り試験
において各供試サンプル３本の円周方向４カ所における
平均値及び標準偏差が安定しており、全体の平均値Ｘ＝
４６２．９（ＭＰａ）、標準偏差σ＝５．３１４も良好
な結果であった。勿論いずれも母材での破断であって、
接合界面での破断が生じたものはなかった。

【００４４】以上のことから、金属材料を拡散接合する
際に、その接合界面の反射エコー或いは透過エコーをモ
ニタリングして接合状況を把握し、それによって接合条
件を変えるようにすることで、接合体の品質を向上させ
ることができ、クラックやピンホール等の欠陥のない接
合体を作製できることが確認された。

【００４５】図６（ａ）、（ｂ）は、被接合金属材料の
拡散接合時に接合部近傍を冷却しながら接合過程におけ
る接合状態の進行状況をモニタリングする方法を図示し
たものである。いずれの実施例図も一方の被接合金属管
１０ａの外表面に送信側超音波探触子１８ａを当て、他
方の被接合金属管１０ｂの外表面に受信側超音波探触子
１８ｂを当てて、斜角透過型探傷法により接合部の超音
波エコーをモニタリングするものであるが、図６（ａ）
の場合、接合部の近傍に位置して夫々の被接合金属管１
０ａ、１０ｂの外表面に冷却ジャケット２０ａ、２０ｂ
を配設し、それよりも接合部から遠い位置に送信側超音
波探触子１８ａと受信側超音波探触子１８ｂとを当てる
ようにしたものである。

【００４６】また、図６（ｂ）の場合には、逆に被接合
金属管１０ａ、１０ｂの内側に夫々冷却ジャケット２２
ａ、２２ｂを配設し、それよりも接合部から遠くに位置
して一方の被接合金属管１０ａの外表面に送信側超音波
探触子１８ａを当て、他方の被接合金属管１０ｂの外表
面に受信側超音波探触子１８ｂを当てるようにしたもの
である。

【００４７】図６（ａ）、（ｂ）の実施例はいずれの場
合も、高周波誘導加熱コイル１４に電流を流すことによ
り両被接合金属管１０ａ、１０ｂ間に介挿されるインサ
ート材１２が加熱溶融されて拡散接合が行われるが、そ
のときに接合部の熱が被接合金属管１０ａ、１０ｂを伝
搬していく過程で冷却ジャケット２０ａ、２０ｂを流れ
る冷却水によって冷やされることから送信側超音波探触
子１８ａ、受信側超音波探触子１８ｂともに、その熱影
響を受けることが回避される。したがって、このような
構成とすることにより、両超音波探触子１８ａ、１８ｂ
を被接合金属管１０ａ、１０ｂの接合部に近づけること
ができ、超音波エコーの検知感度が高まり、精度の高い
モニタリングが行えることになる。

【００４８】図７（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、更に別の
冷却手段を用いたモニタリング方法を示したものであ
る。図７（ｃ）及び（ｄ）は、垂直探傷法の例を示して
おり、図７（ｅ）は斜角探傷法の例を示している。初め
に図７（ｃ）の例では、一方の被接合金属材料１０ａの
端部に送受信用超音波探触子１６を当てるものである
が、この超音波探触子１６がその被接合金属材料１０ａ
の端部とともに冷却水タンク２４の冷却水内に浸漬さ
れ、この状態で超音波探傷によるモニタリングが行われ
るようにしたものである。

【００４９】また、図７（ｄ）の例では、超音波探触子
１６そのものは冷却タンク２４内に浸漬されず、被接合
金属材料１０ａの超音波探触子１６に近い部分を冷却タ
ンク２４内の冷却水により冷やすようにしたものであ
る。また、図７（ｅ）の例は、斜角超音波探触子２６を
冷却水タンク２４内に浸漬した状態で被接合金属材料１
０ａの外表面に当てるようにしたものである。

【００５０】図７（ｃ）によれば、超音波探触子１６が
接合部で発生する熱の影響を受けないばかりでなく、そ
の超音波探触子１６と被接合金属材料１０ａとの間に接
触触媒が介在されることにより超音波の送受信が効率良
く行われることになる。接触触媒としては、冷却水のほ
か、油やグリセリン等も適用可能である。

【００５１】図７（ｄ）の場合は、超音波探触子１６が
直接冷却水タンク２４内に浸漬されるものではないが、
被接合金属材料１０ａが冷却水で冷やされることにより
接合部で発生する熱の影響を超音波探触子１６が受ける
ことは回避することができる。

【００５２】そして、図７（ｅ）の場合は、やはり図７
（ｃ）の場合と同様に超音波探触子２６が冷却水中に浸
漬されるものであるから、接合部で発生する熱の影響を
受けないし、その超音波探触子２６と被接合金属材料１
０ａとの間に接触媒体が介在されて超音波の送受信が効
率良く行われるものである。

【００５３】図８（ｆ）、（ｇ）は、斜角透過型超音波
探傷法により接合部のモニタリングを行う例である。図
８（ｆ）の場合は、一方の被接合金属管１０ａの外表面
に当接される送信側超音波探触子１８ａと他方の被接合
金属管１０ｂの外表面に当接される受信側超音波探触子
１８ｂのいずれもが冷却水槽２８ａ、２８ｂ内の冷却水
により冷やされているので、夫々の超音波探触子１８
ａ、１８ｂが接合部からの熱影響を受けることがないば
かりか、夫々の探触子１８ａ、１８ｂと被接合金属管１
０ａ、１０ｂとの間に接触媒体が介在されることにより
超音波の送受信が効率良く行われ、精度の高いモニタリ
ングが達成される。

【００５４】また、図８（ｇ）の場合は、ケーシング３
０ａ、３０ｂにより支持された送信側及び受信側の夫々
の超音波探触子１８ａ、１８ｂが、そのケーシング３０
ａ、３０ｂ内を流れる冷却水により冷やされると同時
に、その冷却水が夫々の超音波探触子１８ａ、１８ｂの
表面と被接合金属管１０ａ、１０ｂの外表面との間に介
在されるようにしたものであり、この場合も接合部から
の熱影響を受けず、超音波エコーの検知精度が良いとの
同様の効果が生じるものである。

【００５５】図９は、被接合金属材料間にインサート材
を介挿した場合と介挿しない場合とで拡散接合を行った
ときの超音波エコー高さの推移を一般論として比較して
示したものである。○印がインサート材が介在されない
場合であり、●印がインサート材が介在された場合であ
る。いずれも健全な拡散接合が行われたものであり、接
合時のモニタリングの超音波探傷は垂直探傷法を用いて
いる。横軸に拡散接合を開始してからの経過時間（秒）
を採り、縦軸に接合部の超音波エコー高さ（ｄＢ）を採
っている。被接合金属材料やインサート材の組成、接合
条件等は省略している。

【００５６】この図では、インサート材が介挿されてい
ない場合（○印）も、介挿されている場合（●印）も、
およそ７６０℃の加熱温度域で超音波エコーが急激に低
下しており、この時点で金属材料の相変態が生じたもの
と想定される。そして、いずれの場合も一旦超音波エコ
ーが高くなり、再び低下していくが、このときにインサ
ート材が介挿されている場合（●印）には、インサート
材が加熱溶融されるおよそ１０００℃の加熱温度域で再
び超音波エコーが急激に低下する傾向が見られる。

【００５７】したがって、このような傾向を各種金属材
料毎に、或いはインサート材の有無や種類の違いに応じ
た標準（スタンダード）曲線データを用意しておくこと
が望ましい。そして、この標準曲線データとの比較にお
いて現実に接合を行っている被接合金属材料の接合状態
をモニタリングすることが、実際の接合作業として行わ
れることになる。

【００５８】本発明は、上記した実施例に何等限定され
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々
の改変が可能である。例えば、上記実施例では、被接合
金属材料として、チタン合金棒、及び炭素鋼の例を示し
たが、これ以外に各種のステンレス鋼にも適用できるも
ので、またインサート材についてもチタン箔やニッケル
ろう材料に限られず、被接合金属材料の種類に応じて適
宜選択されるものである。

【００５９】そして、接合時のモニタリングに採用され
る超音波探傷も、垂直探傷法、斜角探傷法のいずれも用
いることができ、しかも超音波エコーも反射エコー或い
は透過エコーのいずれを検知するものであっても良く、
被測定物が長尺物であるか短尺物であるか、或いは大径
であるか小径であるか等、その形状や形態等によって決
定すれば良いことである。

【００６０】

【発明の効果】本発明に係る金属材料の接合方法によれ
ば、金属材料同士を接合する際に、その接合面に超音波
探傷エコーを照射し、その反射エコー或いは透過エコー
の計測により、その接合進行状態をリアルタイムでモニ
タリングし、その接合状態を判断しながら接合条件（パ
ラメータ）を制御するものであるから、接合面にクラッ
クやピンホール等の欠陥のない良品質の接合体が確実に
得ることができ、その接合体の非破壊検査をする手間を
省略することができる。

【００６１】したがって、本発明方法を例えば、化学工
業や石油化学工業等で用いられるプラント用配管、パイ
プライン、或いは油井で用いられるケーシングチュー
ブ、生産チューブ、コイルドチューブ等の油井管等に適
用することは、品質の安定性の面で極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る金属材料の接合方法
として垂直超音波探傷によるモニタリングの例を概念的
に示した図である。

【図２】図１に示した接合方法において超音波探傷によ
り検知される反射エコーの波形を、（Ａ）加熱前、
（Ｂ）インサート材溶融過程、（Ｃ）インサート材完全
溶融の各過程毎に概念的に示した図である。

【図３】図１に示した接合方法において接合開始してか
らの接合面及び基底面からの反射エコーの高さの変化を
経時的に示した図である。

【図４】本発明の他の実施形態に係る金属材料の接合方
法として斜角透過型超音波探傷によるモニタリングの例
を概念的に示した図である。

【図５】図４に示した接合方法において接合開始してか
らの透過エコーの高さの変化を経時的に示した図であ
る。

【図６】超音波探触子が接合部からの熱影響を受けない
ように冷却手段を用いた実施例を示した図である。

【図７】超音波探触子が接合部からの熱影響を受けない
ように冷却手段を用いた実施例を示した図である。

【図８】超音波探触子が接合部からの熱影響を受けない
ように冷却手段を用いた実施例を示した図である。

【図９】金属材料の接合部にインサート材を介挿しない
場合と介挿した場合との接合時における超音波エコーの
高さの推移を経時的に比較して示した図である。

【符号の説明】

１０ａ、１０ｂ被接合金属材料（棒材、管材）１２接合用インサート材１４高周波誘導加熱コイル１６送受信用超音波探触子１８ａ送信側超音波探触子１８ｂ受信側超音波探触子２６斜角超音波探触子

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 33/20 Ｇ０１Ｎ 33/20 Ｐ // Ｇ０１Ｎ 29/10 ５０５ 29/10 ５０５ (72)発明者稲垣繁幸愛知県名古屋市南区天白町３−９−11 大同特殊鋼天白荘205 (72)発明者山田龍三愛知県知多市大草四方田48番地の１大同特殊鋼臨海荘Ａ−301 Ｆターム(参考） 2G047 AA06 AB01 AB07 BA03 BB01 BB02 BC03 BC07 GG27 2G055 AA03 AA08 BA07 CA07 CA11 FA08 4E067 AA02 AA03 AB02 AB05 AD02 BA05 BH01 DC01 DC04 DC07 EC05 EC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被接合金属材料同士の接合過程を通じて
その接合面に超音波を照射し、その接合面からの反射エ
コー或いはその接合面の透過エコーを計測し、その計測
値によりその接合過程の進行状況をモニタリングし、そ
のモニタリングによる接合過程の進行状況に基づいて接
合パラメータを制御しつつ接合するようにしたことを特
徴とする金属材料の接合方法。
【請求項２】前記超音波探傷によるモニタリングは、
前記被接合金属材料同士の予め求めた良好な接合に対す
る接合過程の進行状況とその接合面からの反射エコー或
いはその接合面の透過エコーとの関係に関する情報と、
進行中の接合過程における接合面からの反射エコー或い
はその接合面の透過エコーに関する情報とを比較するこ
とにより行うことを特徴とする請求項１に記載される金
属材料の接合方法。
【請求項３】前記接合パラメータは、接合温度、保持
時間、加圧力のうちの選択された１つ又は２つ以上の条
件を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載される
金属材料の接合方法。
【請求項４】前記被接合金属材料の接合面には、これ
らの被接合金属材料よりも融点の低い接合用インサート
材を介挿し、該インサート材の加熱溶融により前記被接
合金属材料同士を液相拡散接合することを特徴とする請
求項１、２又は３に記載される金属材料の接合方法。
【請求項５】前記被接合金属材料が、炭素鋼、マルテ
ンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス
鋼、二相ステンレス鋼より選ばれた材料であり、前記イ
ンサート材がＮｉ系合金或いはＦｅ系合金材料であるこ
とを特徴とする請求項４に記載される金属材料の接合方
法。
【請求項６】前記被接合金属材料が長尺状の棒材或い
は管材であって、前記超音波探傷によるモニタリングは
超音波探触子を前記被接合金属材料の表面周方向或いは
半径方向に相対移動させることにより行うことを特徴と
する請求項１乃至５に記載される金属材料の接合方法。
【請求項７】前記被接合金属材料が長尺状の棒材或い
は管材であって、前記超音波探傷によるモニタリングは
超音波探触子を前記被接合金属材料の表面周方向に複数
配置することにより行うことを特徴とする請求項１乃至
５に記載される金属材料の接合方法。
【請求項８】前記超音波探傷によるモニタリングは、
前記被接合金属材料の接合面から前記超音波探触子に至
るまでの間の一部を冷却することにより行うことを特徴
とする請求項１乃至７に記載される金属材料の接合方
法。