JP2003236684A - テルミット溶接具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】テルミット溶接の際にテルミット剤の遺漏や飛
散がないうえ、溶融金属とスラグとの分離がよく、巣を
生じさせることなく金属材同士を十分な強度で繰返し溶
接することができるテルミット溶接具を提供する。 【解決手段】テルミット溶接具１は、金属酸化物と還元
剤とからなるテルミット剤１８が収容されておりテルミ
ット剤１８を反応させるセラミックス製坩堝２０と、溶
接すべき金属材１１・１２が挿入された鋳型１０ａ・１
０ｂ・１０ｃとを有し、該坩堝２０の底部に金属酸化物
由来の溶融金属が流れ落ちる開口１６があいており、熱
溶融性部材１７で塞がれた開口１６が鋳型１０ａ・１０
ｂの湯口１５に通じている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材同士をテル
ミット溶接する際に用いられる溶接具に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ガス管、鉄筋、Ｈ形鋼、レールである鋼
材や、接地金具、網状接地のアース線、機器架台のアー
ス線、レールボンド、銅ヨリ線、銅帯ブスバーである銅
材等の金属材同士を接続する際、テルミット溶接が行わ
れている。

【０００３】テルミット溶接は、例えば酸化銅のような
金属酸化物と、アルミニウムのような還元剤とを含む粉
末のテルミット剤に点火して行われる。酸化銅とアルミ
ニウムとを含むテルミット剤によるテルミット反応を例
に説明すると、下記化学反応式(１)および(２) 3Cu0 ＋2Al→3Cu＋A1_２0_３＋ΔＨ・・・(１) 3Cu_２0＋2Al→6Cu＋A1_２0_３＋ΔＨ・・・(２) に示すように、酸化銅は還元されて比重の重い銅とな
り、生じた反応熱ΔＨで銅が溶融し、一方アルミニウム
は酸化されて比重の軽いアルミナを主とするスラグとな
る。比重差のためにスラグの分離した溶融銅が、金属材
同士を溶接する。

【０００４】従来、テルミット溶接には、図５に示すよ
うに、突き合わされる面対照な一組の黒鉛製鋳型の溶接
具４０ａ・４０ｂが汎用されていた。突きあわせた鋳型
４０ａ・４０ｂは、底の湯口４５が熱溶融性ディスク４
７で塞がれテルミット剤４８が充填されている反応窯５
０と、金属材４１・４２の溶接部位同士が挿入され溶融
銅が湯口４５から流れ込むキャビティ４４とを有してい
る。

【０００５】反応窯５０が黒鉛製であるとその潤滑性が
高いため、テルミット溶接の際、溶融銅とアルミナを主
とするスラグとの分離またはテルミット反応が不十分な
まま、反応物質が滞留することなく速やかに反応窯５０
からキャビティ４４へ流れ出る。充分に反応が進行しな
いまま反応物質がキャビティ４４に流れ込むと、溶接さ
れる金属材に熱を急激にうばわれて、スラグやガスが浮
かび上がらないうちに、溶融銅が固化してしまうため、
キャビティ４４の全体に流込み難いうえ、発生ガスによ
り生じた巣と呼ばれる低密度で不均質な溶接部分を生じ
る結果、溶接強度が弱くなってしまう。

【０００６】溶融銅の融点を降下させてその流動性を増
加させ溶融銅のキャビティ４４への充填性や、ガスやス
ラグの分離を向上させるため、テルミット剤４８に数重
量％の比でスズを添加することがある。金属材である鋼
材と銅材との溶接の際、鋼材の一部はＡ_１変態点以上に
上昇するため、オーステナイト組織に変態し、このオー
ステナイトの粒界に銅原子やスズ原子が浸入して粒界割
れが生じ易くなり、溶接後に繰返し応力を加えると亀裂
を誘発することがあった。

【０００７】さらに、鋳型４０ａ・４０ｂを繰返して使
用するにつれ、反応窯５０や湯口４５が、熱溶融性ディ
スク４７と接触したり、溶接後に付着したスラグを除去
するためブラシで擦られたりして、摩耗する。そのた
め、ディスク４７と鋳型４０ａ・４０ｂとの間に隙間が
生じるので、粉末のテルミット剤が遺漏するようになり
溶接が不十分となるうえ、高価な鋳型４０ａ・４０ｂが
数十回しか繰返し使用できない。また、屋外で溶接する
際、粉末のテルミット剤を反応窯５０に投入する時に風
で飛散すると、溶接が不十分となってしまう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記の課題を
解決するためになされたもので、テルミット溶接の際に
テルミット剤の遺漏や飛散がないうえ、溶融金属とスラ
グとの分離がよく、巣を生じさせることなく金属材同士
を十分な強度で繰返し簡便に溶接することができるテル
ミット溶接具を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めになされた本発明のテルミット溶接具１は、実施例に
対応する図２を参照して説明すると、金属酸化物と還元
剤とからなるテルミット剤１８が収容されておりテルミ
ット剤１８を反応させるセラミックス製坩堝２０と、溶
接すべき金属材１１・１２が挿入された鋳型１０ａ・１
０ｂ・１０ｃ（図１参照）とを有し、該坩堝２０の底部
に金属酸化物由来の溶融金属が流れ落ちる開口１６があ
いており、熱溶融性部材１７で塞がれた開口１６が鋳型
１０ａ・１０ｂの湯口１５に通じている。

【００１０】セラミックス製坩堝２０は、アルミナ製、
アルミナおよび／またはシリカからなるセラミックスフ
ァイバー製、ムライト製、またはコージライト製である
ことが好ましい。セラミックスファイバーは、例えば減
圧吸引成型材である。鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃは、
黒鉛製であることが好ましい。

【００１１】坩堝２０内でテルミット剤が点火されて、
テルミット反応の進行により生じた溶融金属は、熱溶融
性部材１７を溶融して開口１６から湯口１５へ流れ落
ち、金属材１１・１２が挿入された鋳型のキャビティ１
４を充填して金属材１１・１２同士を溶接する。

【００１２】坩堝２０がセラミックス製であると、溶融
金属との摩擦抵抗が大きいので、溶融金属の坩堝内での
滞留時間は比較的長くなる結果、テルミット剤のテルミ
ット反応が完全に進行し、期待通りのΔＨを確保でき、
生成した溶融金属等の温度が高くなるとともに、金属酸
化物に由来して生じた溶融金属と還元剤に由来して副生
したスラグとが充分に分離する。さらに、セラミックス
製坩堝２０は断熱性が高いため、反応熱の逃散が少な
く、溶融金属の温度が低下し難くなり、溶融金属の粘度
が小さいまま維持される結果、スラグが一層分離し易い
うえ、溶融金属がキャビティ１４の全体へ充分に流れ込
んで充填される。冷却された溶接部位は、スラグを含ん
でいないので緻密であり巣が発生しておらず、溶接強度
が大きい。

【００１３】鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃは、断熱性の
高い坩堝からの熱の伝播が少ないので過度に熱くなら
ず、引続き次の溶接に使用でき、取り扱い易い。高価な
黒鉛製の鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃは、数百回繰返し
使用でき、経済的である。

【００１４】安価なセラミックス製の坩堝２０は、分離
したスラグの一部がセラミック表面と焼結し、ブラシ等
で擦取ることはできないため、溶接の度に取り替える。

【００１５】テルミット剤１８は、酸化金属として例え
ば酸化銅、酸化鉄が含まれ、還元剤として例えばＡｌ、
Ｐ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｂｅが含まれている。テ
ルミット剤１８に融点降下剤およびフラックスとして、
例えばスズ、フッ化カルシウム、氷晶石、硅化カルシウ
ム、酸化亜鉛等が添加されていてもよい。なお、坩堝２
０を使うと、溶融金属の粘度が低くなりスラグが分離し
易くなるので、テルミット剤１８に鋼材の粒界割れを生
じ易いスズ等を添加しなくてもよい。

【００１６】テルミット剤１８と、その上で接触してい
る点火剤１９とが圧填されていることが好ましい。圧填
されていると、テルミット剤１８が坩堝から遺漏せず、
また風で飛散しない。

【００１７】テルミット溶接具１は、図３に示すよう
に、坩堝２０を覆っている蓋２２に耐熱容器３０が差し
込まれ、耐熱容器３０の底穴３１が熱溶融性部材３２で
塞がれ、テルミット剤１８と同組成のテルミット溶接誘
起薬３３が、点火薬３４と接触して充填されていてもよ
い。耐熱容器３０中の点火薬３４への点火によりテルミ
ット溶接誘起薬３３が反応し、生じた溶融金属が坩堝２
０内のテルミット剤１８に垂れてテルミット反応を誘起
する。

【００１８】

【発明の実施の形態】 以下に、本発明を適用するテル
ミット溶接具１の実施例を詳細に説明する。

【００１９】図１は、テルミット溶接具１の実施例を示
す外観斜視図である。図２は、そのＡ−Ａ断面図であ
る。

【００２０】テルミット溶接具１は、図１に示すとお
り、下部に黒鉛製の鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃを有
し、その上部にセラミックス製の坩堝２０が載置されて
いる。

【００２１】この鋳型は、底部鋳型１０ｃに、面対照な
二つの黒鉛製の側部鋳型１０ａ・１０ｂが載せられたも
のである。側部鋳型１０ａと１０ｂとに蝶番２７（図２
参照）が付けられている。一方の側部鋳型１０ａと底部
鋳型１０ｃとはクランプ２６で離れないように固定され
ている。他方の側部鋳型１０ｂは、蝶番２７によって開
閉可能となっており、留具２５で開かないように留めら
れている。突き合わせた二つの側部鋳型１０ａ・１０ｂ
に、セラミックス製の坩堝２０が載置されている。坩堝
２０を覆って蓋２２がかぶされている。

【００２２】図２に示すように、坩堝２０の底にあいて
いる開口１６は、熱溶融性部材１７で塞がれている。坩
堝２０に、酸化銅とアルミニウムとを含有するテルミッ
ト剤１８と、その上にまぶされている点火剤１９とが、
圧填されている。

【００２３】底部鋳型１０ｃの上面と、側部鋳型１０ａ
・１０ｂの下面との接触面には、テルミット溶接すべき
金属材である２本の銅より線１１と１本の銅より線１２
とを僅かに余裕をもって左右から挿入する金属材挿入穴
１３を形成するための溝と、挿入穴１３に繋がりそれよ
り広径であって銅より線１１・１２の溶接部位を溶融金
属で溶接するキャビティ１４を形成するための溝とが、
設けられている。

【００２４】側部鋳型１０ａおよび１０ｂが突き合わさ
れる面には、坩堝２０を填込む坩堝填込穴２１を形成す
るための穴の半身と、坩堝填込穴２１からキャビティ１
４へ導通させる湯口１５を形成するための溝とが、設け
られている。

【００２５】底部鋳型１０ｃの上に、側部鋳型１０ａ・
１０ｂを突き合わせつつ載せると、金属材挿入穴１３、
キャビティ１４、湯口１５、および坩堝填込穴２１が形
成される。

【００２６】左右の金属剤挿入穴１３から夫々銅より線
１１および１２が挿入され、銅より線１１および１２の
溶接部位同士がキャビティ１４に至るまで、押し込まれ
ている。

【００２７】金属材１１および１２は、以下のようにし
てテルミット溶接される。

【００２８】着火具２４により点火剤１９に点火する
と、テルミット剤１８のテルミット反応が誘発されて、
溶融金属である溶融銅とアルミナを主成分とするスラグ
とが生成する。比重が軽いスラグは溶融銅から浮き上が
り、一方比重が重い溶融銅は沈降する。スラグと分離し
た溶融銅は、その熱により遂には熱溶融性部材１７を溶
融して開口１６から流れ出る。この溶融銅は、湯口１５
を伝ってキャビティ１４に流れ込み隙間なく充填され
て、銅より線１１および１２の溶接部位の両端面を溶か
し、両端を渾然一体として分子的に凝固結合させる。側
部鋳型１０ａ・１０ｂおよび底部鋳型１０ｃを引き剥が
し、側部鋳型１０ａ・１０ｂおよび底部鋳型１０ｃに付
着したスラグをウエスやブラシ等で擦り取る後処理を行
ってから、同様な溶接を繰り返す。

【００２９】本発明を適用するテルミット溶接具を用い
前記の実施例に従ってテルミット溶接した例を以下の実
施例１および２に示し、本発明を適用外のテルミット溶
接具を用いてテルミット溶接した例を比較例１および２
に示す。

【００３０】（実施例１）セラミックス製坩堝２０とし
て、高さ６０ｍｍ外径６２ｍｍの円筒であって、上縁が
内径５０ｍｍで、底に直径１２ｍｍの開口１６があいて
いるコージライト製のものを用いた。その開口１６を塞
ぐ熱溶融性部材として、厚さ０．３ｍｍの鉄製ディスク
１７を用いた。テルミット剤１８は、主剤である酸化銅
および銅−アルミニウム合金と、融点降下剤およびフラ
ックスであるスズ、フッ化カルシウム、硅化カルシウ
ム、酸化亜鉛とが混合され、その上にまぶされた点火剤
とともに圧填されたものを用いた。鋳型１０ａ・１０ｂ
・１０ｃは、外形が幅８０ｍｍ高さ２００ｍｍ奥行８０
ｍｍの直方体の黒鉛製のものである。突きあわされた側
部鋳型１０ａ・１０ｂは、直径６４ｍｍ深さ６０ｍｍの
坩堝填込穴２１が設けられている。溶接すべき金属材
は、断面積５５ｍｍ^２の２本の銅より線１１および断面
積１１５ｍｍ^２の１本の銅より線１２である。５回連続
して、テルミット溶接した。

【００３１】（実施例２）スズを含んでいないテルミッ
ト剤を用いたこと以外は実施例１と同様にしてテルミッ
ト溶接を行った。

【００３２】（比較例１および２）セラミックス製坩堝
を有するテルミット溶接具に代えて、図５に示すような
黒鉛製の溶接具を用いたこと以外は実施例１および２と
同様にして、各々テルミット溶接を行った。

【００３３】テルミット溶接して得た各５検体の溶接部
位の外観を観察し、アルミナを主とするスラグの巻き込
みの有無、溶融銅のキャビティへの充填の不足について
調べた。また溶接部位を高速回転カッターで切断し、巣
の発生の有無について調べた。結果を表１に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】比較例では点火剤への点火から溶融銅が坩
堝から流れ出すまでの時間は、約０.９秒であるのに対
し、実施例１および２ではそれより約１秒長かった。そ
のため、スラグと溶融銅との分離に差が生じる。その結
果、表１に示すとおり、実施例１および２では、良好な
溶接であったのに対し、比較例１および２では、スラグ
の巻込み、溶融銅の充填不足、巣の発生が認められ、溶
接不良の検体が多くなっている。

【００３６】なお、図３に示すように、点火薬３４とテ
ルミット溶接誘起薬３３とを充填した耐熱容器３０が蓋
２２に取り付けられていてもよい。図３および図４に示
すように、坩堝２０や耐熱容器３０には、テルミット剤
１８やテルミット溶接誘起薬３３の輸送時の漏洩を防止
するキャップ２３・３５を付しておき、テルミット溶接
開始直前にキャップ２３・３５を外してから、溶接を行
ってもよい。キャップ２３を外してから坩堝２０を鋳型
１０ａ・１０ｂに載置してもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明のテ
ルミット溶接具を用いて溶接すると、溶融金属とスラグ
との分離がよく、巣を生じさせることなく金属材同士を
溶接することができる。溶接強度は充分に強い。テルミ
ット溶接具は、鋳型が過熱しないので、直ぐに次の溶接
に使用でき取り扱い易い。鋳型を繰返し使用できるの
で、経済的である。さらに溶接作業中にテルミット剤の
遺漏や飛散がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用するテルミット溶接具の実施例を
示す斜視図である。

【図２】本発明を適用するテルミット溶接具の実施例を
示す断面図である。

【図３】本発明を適用するテルミット溶接具の別な実施
例を示す要部断面図である。

【図４】本発明を適用するテルミット溶接具の別な実施
例を示す要部断面図である。

【図５】本発明を適用外のテルミット溶接具の断面図で
ある。

【符号の説明】

１はテルミット溶接具、１０ａ・１０ｂは側部鋳型、１
０ｃは底部鋳型、１１・１２は金属材、１３は金属材挿
入穴、１４はキャビティ、１５は湯口、１６は開口、１
７は熱溶融性部材、１８はテルミット剤、１９は添加
剤、２０はセラミックス製坩堝、２１は坩堝填込穴、２
２は蓋、２３はキャップ、２４は着火具、２５は留具、
２６はクランプ、２７は蝶番、３０は耐熱容器、３１は
底穴、３２は熱溶融性部材、３３はテルミット溶接誘起
薬、３４は点火薬、３５はキャップ、４０ａ・４０ｂは
黒鉛製鋳型、４１・４２は金属材、４４はキャビティ、
４５は湯口、４７は熱溶融性ディスク、４８はテルミッ
ト剤、４９は点火剤、５０は反応窯である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属酸化物と還元剤とからなるテルミ
   ット剤が収容されており該テルミット剤を反応させるセ
   ラミックス製坩堝と、溶接すべき金属材が挿入された鋳
   型とを有し、該坩堝の底部に該金属酸化物由来の溶融金
   属が流れ落ちる開口があいており、熱溶融性部材で塞が
   れた該開口が鋳型の湯口に通じていることを特徴とする
   テルミット溶接具。
2. 【請求項２】 該セラミックス製坩堝が、アルミナ
   製、アルミナおよび／またはシリカからなるセラミック
   スファイバー製、ムライト製、またはコージライト製で
   あり、該鋳型が黒鉛製であることを特徴とする請求項１
   に記載のテルミット溶接具。
3. 【請求項３】 該テルミット剤と、その上で接触して
   いる点火剤とが圧填されていることを特徴とする請求項
   １に記載のテルミット溶接具。
4. 【請求項４】 該坩堝を覆っている蓋に耐熱容器が差
   し込まれ、該耐熱容器の底穴が熱溶融性部材で塞がれ、
   該テルミット剤と同組成のテルミット溶接誘起薬が、点
   火薬と接触して充填されていることを特徴とする請求項
   １に記載のテルミット溶接具。