JP2008155276A - テルミット溶接用坩堝及びテルミット溶接具 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔性の陶器からなる坩堝内を液密に構成して、坩堝内の点火材及びテルミット材を水分や油分から保護する。
【解決手段】本発明によるテルミット溶接具は、貫通部を有する有底円筒状の坩堝とテルミット溶接具本体部とを有して構成される。坩堝には、その内面又は外面上にガラス層又は金属層が形成され、テルミット溶接具本体部には、溶着部を形成する空洞部と、貫通部と空洞部に連通する通路とを有して構成される。坩堝はカートリッジ型で着脱自在とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、テルミット溶接に用いられる坩堝およびその坩堝を利用したテルミット溶接具に関するもので、詳細には、テルミット溶接用坩堝内のテルミット溶接の溶材となるテルミット材を、外部からの湿気や油等から保護することができる坩堝およびその坩堝を利用したテルミット溶接具に関する。

テルミット溶接は、溶接される母材近傍でアルミニウムと酸化銅（または酸化鉄）の混合粉（以下、テルミット材と称する）を燃焼させて、以下の化学反応式に示される化学反応によって生じた発熱により溶融した銅（または鉄）を母材の表面に導入して母材表面の一部を溶融して溶着を行う溶接技術である。

２Ａｌ＋３ＣｕＯ → ３Ｃｕ＋Ａｌ_２Ｏ_３＋ΔＱ（発熱）
（２Ａｌ＋３ＦｅＯ → ３Ｆｅ＋Ａｌ_２Ｏ_３＋ΔＱ（発熱））

テルミット材の燃焼は、通常、高温耐熱性の黒鉛からなる炉（以下、坩堝と称する）内にテルミット材を点火材（火薬）等とともに充填し、点火材を点火することにより行われる。上記化学反応は、Ｃｕ（銅）とＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）に分離され、比重の軽いアルミナが溶融銅の上に液状に積層された状態となる。続いて、下層の溶融銅から母材表面の溶着部に向けて流動し、最終的に溶融銅がテルミット溶接されるべき溶着金属として母材に溶着され、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）が不要部（以下、スラグと称する）として溶着金属の外周部に堆積される。

以下、図３を参照して一般的なテルミット溶接に用いられるテルミット溶接具の構成及びテルミット溶接の工程について説明する。（ａ）はテルミット材及び点火材を充填する前の状態であり、（ｂ）はテルミット材及び点火材並びに端子付導線等を配置済みの状態である。
テルミット溶接具６１は、その内部にテルミット材６２と点火材６３とを収容し、点火材に点火してそれらを燃焼させるための坩堝６５と、燃焼後に溶融したテルミット材６２を流動させるための通路６７と、溶融したテルミット材６２を通路６７を介して流入させて母材表面に溶着部を形成するための凹部６８と、溶着部とともに溶接される、導線に接続された端子７１等を挿入するための挿入部６９とからなる。燃焼前の状態において、坩堝６５内の底部はスチール製ディスク６４で塞がれている。

続いて、（ｂ）の状態から図示されていない母材表面を面７０に密着させて凹部６８を密封する。そして、テルミット溶接を行うために点火材６３に点火すると、テルミット材６２が燃焼及び溶融し、それに伴いスチールディスク６４も溶融して、溶融金属が通路６７を通って凹部６８内に流れ込む。このようにして、溶融金属は、開口部を有する面７０と当接させた母材表面の一部を溶融して母材表面上に凹部６８の内部形状に相当する溶着部を形成する。
特許第３６１９１６８号

従来のテルミット溶接具には、上記のように、坩堝６５と一体形成された構造を有する形態や、坩堝のみを別部材として、例えば、テルミット材及び点火材を充填したカートリッジ型としてテルミット溶接具本体部から着脱可能に交換できる構造を有する形態がある。
前者の形態においては上記の黒鉛以外に高温耐熱性の陶器で製作することも可能であり、後者の形態においては、一般的に、カートリッジ型の坩堝を高温耐熱性の陶器で製作し、テルミット溶接具本体部を黒鉛又は陶器で製作する。
これらの形態のテルミット溶接具は、何れも坩堝内にテルミット材及び点火材（火薬等）の混合粉が充填されるので、水分等の影響を受けないように坩堝内部が一定の低湿度に保持されていることが望ましい。

しかし、陶器からなるテルミット溶接具又はカートリッジ型の坩堝は、多孔性で水分や油分を吸収しやすく、外部環境の湿度に応じて坩堝内の湿度が変動したり、テルミット溶接時の作業等で油分がテルミット溶接具又はカートリッジ型の坩堝の外表面に付着して油分が滲み込んで坩堝内に吸収されたりしてしまう可能性がある。坩堝内の湿度が変動すると、例えば、カートリッジ型の坩堝は、その内部にテルミット材および点火材を充填して長期間保存する場合に、火薬が湿って点火材としての機能を発揮できなくなったり、坩堝内に油分が吸収されると、テルミット溶接に悪影響を及ぼす油分によって溶接不良が引き起こされたりする可能性がある。

したがって、本発明は、内部において一定の低湿度が保持され、かつ、油分等が混入しないよう高い液密性を有することにより、内部にテルミット材及び点火材を充填した状態であってもテルミット溶接前に長期間保存可能な陶器製の坩堝又はテルミット溶接具を提供することを目的とする。

（１）上述の目的を達成するために、本発明の坩堝は、テルミット材を溶融させる坩堝であって、その内部表面又は外部表面上に、ガラス層又は金属層が形成されていることを特徴とする。
（２）また、本発明の坩堝は、外部との貫通部が設けられた底部を有する筒状のテルミット溶接用坩堝であって、筒内面又は外面上に、ガラス層又は金属層が形成されていることを特徴とする。
（３）さらに、本発明の坩堝の金属層は、銅、アルミ、ニッケル、亜鉛又はこれらの合金からなることが好ましい。
（４）さらに、本発明の坩堝は、ガラス層が形成されている場合に、テルミット溶接時に混入されるガラスの質量がテルミット材の質量の１／４５以下であることが好ましい。
（５）さらに、本発明の坩堝は、その坩堝内部が耐湿性を有することが好ましい。
（６）さらに、本発明のテルミット溶接具は、
（２）ないし（５）の何れかに記載の坩堝と、
溶着部を形成する空洞部と、一方の開口部において前記貫通部に連通するとともに、他方の開口部において前記空洞部に連通する通路とを有して構成される本体部と、
を有して構成される。
（７）さらに、本発明のテルミット溶接具は、前記坩堝が前記本体部から着脱自在であることが好ましい。

（発明の効果）
（１）に係る発明は、ガラス層又は金属層が形成されているので、坩堝内部を気密に一定の低湿度に保持することができ、例えば、テルミット材及び点火材を内部に充填したカートリッジ型の坩堝を採用する場合に、点火材等を湿気らせることなく、当該カートリッジ型の坩堝を長期間保存することができる。また、坩堝内は高い液密性を有することとなり、外部から水分や油分が混入するのを防止することができる。
（２）に係る発明は、外部との貫通部が設けられた底部を有する筒状のテルミット溶接用坩堝であるので、テルミット溶接時に溶融金属を母材表面の所定位置に流動させることができるカートリッジ型の坩堝を提供することができる。
また、ガラス層又は金属層が形成されているので、（１）と同様に、坩堝内部を気密に一定の低湿度に保持することができ、例えば、テルミット材及び点火材を内部に充填したカートリッジ型の坩堝を採用する場合に、点火材等を湿気らせることなく、当該カートリッジ型の坩堝を長期間保存することができる。また、坩堝内は高い液密性を有することとなり、外部から水分や油分が混入するのを防止することができる。
（３）に係る発明は、金属層が、銅、アルミ、ニッケル、亜鉛又はこれらの合金からなるので、テルミット溶接前には外部環境から侵入する湿気や油等から坩堝内部を液密に保護し、テルミット溶接時には金属層をテルミット材とともに溶融し、テルミット溶接後には金属層の金属を溶着金属の一部、又は、スラグとなるようテルミット溶接を行うことができる。
（４）に係る発明は、テルミット溶接時に混入されるガラスの質量がテルミット材の質量の１／４５以下であるので、例えば、坩堝内面に層として形成されたガラスは、テルミット溶接時に溶融した金属に混入されても、銅とアルミナとの分離に影響を与えずにテルミット溶接後に溶着金属の一部となり、本発明の目的を達成することができる。
（５）に係る発明は、坩堝内部が耐湿性を有するので、点火材に水分が吸収されることなく湿気らせずに良好なテルミット溶接を行うことができる。
（６）に係る発明は、上述した特徴を有する坩堝を具備したテルミット溶接具を提供し、所要のテルミット溶接を行うことができる。
（７）に係る発明は、前記坩堝が前記本体部から着脱自在であるので、例えば、カートリッジ型の坩堝とテルミット溶接具本体部とを別部材として構成して、テルミット溶接を行うごとにカートリッジ型の坩堝のみを交換してテルミット溶接具本体部を再利用することができる。

本発明の好ましい実施形態について実施例を挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図において、同じ構成要素には同じ符号を用い、適宜その説明を省略する場合がある。

図１は、テルミット溶接具本体部２とカートリッジ型の坩堝３とを有して構成された本発明によるテルミット溶接具１の斜視図を示しており、テルミット溶接具１において、カートリッジ型の坩堝３がテルミット溶接具本体部２に装着された状態で縦方向に縦断した断面状態図を示している。

カートリッジ型の坩堝３は、１回の使用ごとに交換できるようテルミット溶接具本体部２に対して着脱可能で、筒状、好ましくは、有底円筒状に高耐熱性の陶器等で形成され、底部には外部と貫通する貫通部６が設けられている。また、カートリッジ型の坩堝３内部には、貫通部６を液密及び気密に封鎖するスチール製ディスク８が配置されるとともに、点火材３及びテルミット材４の混合粉が充填されている（図２参照）。また、カートリッジ型の坩堝３は、テルミット溶接本体部２に装着前には蓋等（図示せず）で内部が気密又は液密に密封された状態で長期間保管可能である。

テルミット溶接具本体部２は、黒鉛、陶器又はその他の高耐熱性を有する材料からなり、空洞部１０と、通路１１及び通路９とを有している。通路１１及び通路９は連通した通路を形成しており、カートリッジ型の坩堝３がテルミット溶接具本体部２に装着されると、前記貫通部６が通路１１の一方の開口部近傍に配置される。貫通部６は、スチール製ディスク８で遮断されていない場合には通路１１に連通するように形成されている。また、通路９は、その一方の開口部において、空洞部１０に連通するように形成されている。なお、空洞部１０への通路は、図１のように、空洞部に流入する付近を外部から視認できるようにしてもよいし、視認できないように空洞部まで完全な内部連通孔として形成することもできる。

図２は、本発明によるカートリッジ型の坩堝３の断面図を示している。図２（ａ）には、カートリッジ型の坩堝３の内表面及び外表面に金属又はガラスからなる層１４が形成されており、カートリッジ型の坩堝３内が気密及び液密となっている。したがって、カートリッジ型の坩堝３内部は水滴や油滴等が混入されず、耐湿性能を有する。層１４の厚みは、後述するように、気密機能及び液密機能を有するようにできるだけ薄く形成するのが好ましい。
なお、本発明におけるガラスは、昇温によりガラス転移現象を示す非結晶質固体、あるいは、ガラス転移温度以下の状態（ガラス状態）にある物質をいい、例示的に、ガラス状態となるケイ酸塩を主成分とするケイ酸ガラス（石英ガラス等）や、ケイ酸以外を主成分とするアクリルガラス、有機ガラス、カルコゲンガラス、金属ガラス、有機ガラス等を含む。
金属層は、公知の無電解めっき法や蒸着法を用いて生成することができ、ガラス層は、ディッピング法により坩堝を溶融ガラス内に浸漬して生成したり、スプレー法により、例えば、坩堝の所望の面にスプレー被覆されると常温で空気中の水分と化学反応を起こして高純度シリカガラス膜に変化する物質を利用して生成したりすることができる。

図２（ｂ）及び図２（ｃ）には、図２（ａ）の変形例を示す。図２（ｂ）は、カートリッジ型の坩堝３の外表面にのみ層１４を形成しており、図２（ｃ）は、カートリッジ型の坩堝３の内表面にのみ層１４を形成している。図２（ａ）ないし（ｃ）における層１４の金属層としては、例えば、銅、アルミ、ニッケル、亜鉛又はこれらの合金としてもよいし、その他、溶融したテルミット溶材とともに溶融して溶着金属とすることができる金属を選択することもできる。図２（ｂ）又は（ｃ）の何れの実施例においても、カートリッジ型の坩堝３内部の気密及び液密性能は発揮され、一定の湿度に保持する耐湿性能を有する。これによって、カートリッジ型の坩堝３内部に充填された点火材４及びテルミット材５を一定の低湿状態に保つことができる。

続いて、本発明によるテルミット溶接具を用いてテルミット溶接が行われる工程を以下に説明する。最初に、本発明によるカートリッジ型の坩堝３をテルミット溶接具本体部２に装着する（図１参照）。続いて、母材表面とのテルミット溶接を行う導線等に接続された端子等（図示せず）を挿入部７に配置する。端子は、挿入部７の内表面に密着するようなドーム状の外郭形状を有し、かつ、面１２に面一となる平面部を有するように形成されている。端子は、少なくとも先端部が空洞部１０内に位置し、テルミット溶接後に溶着部内に包まれるように、挿入部７に配置される。これによって、挿入部７と空洞部１０との間が密封状態となる。さらに、母材表面（図示せず）と端子の平面部及び面１２とを当接して空洞部１０を封止する。以上の準備工程が完了したら、カートリッジ型の坩堝３の蓋等（図示せず）を外して、所定の方法で坩堝３内の点火材４に点火して発火熱でテルミット材５を、カートリッジ型の坩堝３の底部に配置されたスチールディスク８とともに溶融させる。

ここで、図２（ａ）及び図２（ｃ）のカートリッジ型の坩堝３を使用する場合は、坩堝３の内表面の層１４がテルミット材５と接触しているので、テルミット材５が溶融されると、その熱によって層１４も共に溶融される。
そして、層１４が金属である場合には、テルミット材５に、銅、アルミ、ニッケル、亜鉛又はこれらの合金等が混入されても、銅又はその主合金はテルミット材と同一材、又は、主材料が同一材であるので溶着金属の一部として取り込まれ、アルミ又はその主合金はスラグ（アルミナ）として取り込まれ、ニッケル、亜鉛又はそれらの主合金はテルミット材である銅の溶着金属として取り込まれる。このとき、ニッケル、亜鉛又はそれらの主合金の層１４は、上述したように、薄く形成されていると、テルミット材の質量に対して極少量であるので、溶融したテルミット材５が上記の何れの金属と混合しても、母材表面に溶着するテルミット材の溶着金属としての溶着能の劣化を生じさせない。
また、層１４がガラスである場合には、テルミット材の銅６７ｇに石英ガラスを混入してテルミット溶接を行った結果、ガラスの質量が１．５ｇまでは溶融した銅とスラグとが良好に分離される結果が得られており、つまり、テルミット材５に混入されるガラスの質量が、テルミット材の質量の約１／４５（１．５ｇ／６７ｇ）以下であれば、テルミット溶接時にスラグとテルミット材との分離に影響を及ぼすことなく、層１４が金属である場合と同様に、母材表面に溶着するテルミット材５の溶着金属としての溶着能の劣化を生じさせない。よって、ガラス層は、テルミット材５とともに溶融する部分の質量がテルミット材の質量の１／４５以下となるように坩堝内表面上に比較的薄く形成される。

続いて、坩堝３内でテルミット材５を溶融させた後、溶融したテルミット材５は、重力に従って貫通部６を通過して通路１１及び通路９を流動して空洞部１０内に流入及び充填される。充填されたテルミット材５の溶融金属は、図示されていない母材表面の一部を溶融して、冷却後に空洞部１０の形状の溶着部として母材表面上に溶着される。最後に、溶融したテルミット材５に続いてスラグも空洞部１０内に流入して溶着部表面に付着するので、それを所要の工具を用いて除去しつつ溶着金属を打撃等により所定形状に整形してテルミット溶接が完了する。

以上のように、本発明による着脱可能なカートリッジ型の坩堝はその外表面又は内表面にガラス層又は金属層が形成されているので、テルミット溶接前に坩堝内を気密及び液密にしてテルミット材及び点火材が充填された状態で一定の湿度で保存することができるとともに、テルミット溶接時に層として形成されたガラス又は金属がテルミット材に混入されても溶着金属の溶着能を損なわずにテルミット溶接を行うことができる。
実施例では、テルミット溶接具本体部２に着脱可能なカートリッジ型の坩堝を用いて説明したが、テルミット溶接具本体部２と一体となった坩堝の内面においてガラス層又は金属層を形成しても本発明の効果が得られることは当業者には自明である。
以上、実施例を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲で適宜、付加、変形をなし得るものである。

図１は、テルミット溶接具１を縦方向に縦断した断面図を示している。 図２（ａ）は内表面及び外表面に金属又はガラスからなる層１１が形成されたカートリッジ型の坩堝の断面図である。図２（ｂ）は外表面にのみ層１１を形成したカートリッジ型の坩堝の断面図である。図２（ｃ）は内表面にのみ層１１を形成したカートリッジ型の坩堝の断面図である。 図３は、従来のテルミット溶接に用いられるテルミット溶接具の構成を示した図であり、（ａ）はテルミット材及び点火材を充填する前の状態であり、（ｂ）はテルミット材及び点火材並びに端子付導線等を配置済みの状態である。る。

符号の説明

１・・・テルミット溶接具
２・・・テルミット溶接具本体部
３・・・カートリッジ型の坩堝
４・・・点火材
５・・・テルミット材
６・・・貫通部
７・・・挿入部
８・・・スチール製ディスク
９・・・通路
１０・・空洞部
１１・・通路
１２・・面
１４・・層
６１・・テルミット溶接具
６２・・テルミット材
６３・・点火材
６４・・スチール製ディスク
６５・・坩堝
６７・・通路
６８・・凹部
６９・・挿入部
７０・・面
７１・・平面部

Claims (7)

1. テルミット材を溶融させる坩堝であって、その内部表面又は外部表面上に、ガラス層又は金属層が形成されていることを特徴とする坩堝。
2. 外部との貫通部が設けられた底部を有する筒状のテルミット溶接用坩堝であって、筒内面又は外面上に、ガラス層又は金属層が形成されていることを特徴とする坩堝。
3. 金属層は、銅、アルミ、ニッケル、亜鉛又はこれらの合金からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の坩堝。
4. ガラス層が形成されている場合に、テルミット溶接時に混入されるガラスの質量がテルミット材の質量の１／４５以下であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の坩堝。
5. 前記坩堝内部が耐湿性を有することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の坩堝。
6. 請求項２ないし５の何れかに記載の坩堝と、
   溶着部を形成する空洞部と、一方の開口部において前記貫通部に連通するとともに、他方の開口部において前記空洞部に連通する通路とを有して構成される本体部と、
   を有して構成されるテルミット溶接具。
7. 前記坩堝が前記本体部から着脱自在であることを特徴とする請求項６に記載のテルミット溶接具。

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