JP3090030B2

JP3090030B2 - 液相拡散接合方法

Info

Publication number: JP3090030B2
Application number: JP08075869A
Authority: JP
Inventors: 昌彦濱田; 康人深田; 裕一小溝
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 2000-09-18
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: JPH09267184A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料からなる
構造材、例えば、管、条材、板材、形材など、とくにコ
イルドチュービングを含む油井管の簡便な拡散接合方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】低融点接合材料を介在させた接合部に圧
縮応力を付与しながら加熱することにより冶金的に接合
する拡散接合方法は、母材の溶融を伴う従来の溶接方法
に比べて熱変形や化学組成変化が少ないという優れた特
徴を有する。拡散接合方法には、被接合材の端面を、低
融点接合材料の有無によらず固相状態で突き合わせて接
合を行う固相拡散接合方法と低融点接合材料の利用によ
り被接合材の間に液相を介在させて接合を行う液相拡散
接合方法の２通りがある。

【０００３】固相拡散接合方法が、一般に高真空中で実
施されるのに対して、液相拡散接合方法は液相が被接合
材の端面を覆うので簡便なシールドガス雰囲気下でも実
施でき、また固相拡散接合方法に比べて接合に要する時
間を飛躍的に短縮できる特徴を有する。このような液相
拡散接合方法の特徴を生かして、高能率に優れた接合強
度を得る方法が、特開昭６２−９７７８４号公報に開示
されている。さらに特開平２−２４１６７７号公報に
は、加圧方法の工夫によりさらに高能率な接合を行う方
法が開示されている。

【０００４】しかしながら、これらの方法を用いて接合
を行った場合、接合部に大きな塑性変形が生じ、疲れ強
さの低下を生じる場合がある。また、施工能率向上の観
点から、さらに接合時間を短縮することが望まれてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、接合
時間を短縮しながら、高い接合強度および母材なみの疲
れ強さが得られる接合部を形成する液相拡散接合方法を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するために液相拡散接合の昇温時の圧縮応力を
変化させて、接合時間の短縮の可否を試験した結果、下
記の事項を確認した。

【０００７】（ａ）接合の昇温過程において高い圧縮応
力を短時間付与することにより、つぎの作用が得られ
る。

【０００８】（ａ−１）被接合材の端面同士を十分に密
着させる。

【０００９】（ａ−２）低融点接合材料の溶融により生
じた液相は十分排出される。これは後記するように接合
時間の短縮に有効である。

【００１０】（ｂ）初期の圧縮応力を比較的大きくした
うえで、加圧を短時間で終了すると、接合部の塑性変形
（横膨出）が抑制される。接合のための圧縮応力付与時
間の短縮も塑性変形抑制に有効である。

【００１１】（ｃ）圧縮応力を除いた後は接合部にかか
る応力を可能な限り小さくすることも塑性変形抑制に有
効に作用する。

【００１２】図１は、本発明方法に係る液相拡散接合方
法を適用することにより接合された部分の断面図であ
る。同図において、“接合部”２とは、加熱の影響が及
ぶ部分をさす。液相拡散接合においては、液相中に被接
合材から元素が侵入拡散し液相の融点を上昇させ凝固相
を生成させ接合を進行させるが、液相からも元素が被接
合材に拡散する。“拡散層”３とは、この拡散によって
組成が変化した被接合材料の端面付近の薄い部分をい
う。“接合層”１は、接合により変質した低融点接合材
料を含む拡散層付近の部分、すなわち、拡散層／変質し
た低融点接合材料／拡散層をさす。“接合が完了する以
前の接合層”とは、低融点接合材料およびその両側の拡
散層に相当する被接合材の端面付近をふくむ部分をさ
す。以後、“低融点接合材料”を“接合材”という。

【００１３】図２は、本発明方法に係る温度の時間推移
およびその温度に同期させた圧縮応力の時間推移をあら
わす図面である。圧縮応力は、昇温時、接合層１の温度
が接合材の融点Ｔｍを超え接合温度Ｔｄ未満のとき高
く、接合温度に到達した時点およびそれ以降では小さ
く、Ｔｄに到達してから３０秒間未満内にさらに減少さ
れる。

【００１４】本発明は、上記の事項（ａ）〜（ｃ）を組
み合わせ、後記する自製の装置により鋼材を実際に接合
し、接合部の特性を調査することにより完成されたもの
で、接合層１の温度に合わせて圧縮応力を変化させる下
記の液相拡散方法を要旨とする（図１および図２参
照）。

【００１５】（１）突き合わせた被接合材１１、１２の
間に接合材を介在させて、接合部２を加熱することによ
り拡散接合する方法において、昇温時、接合層１の温度
が接合材の融点Ｔｍを超え接合温度Ｔｄ未満にある間で
は被接合材の長手方向４に加える圧縮応力の最高値であ
る初期応力を５０〜１５０ＭＰａとし、接合層１の温度
が接合温度に達した時点では初期応力より小さな圧縮応
力であって下記式で表される接合応力を１０〜４５Ｍ
Ｐａとし、その後も圧縮応力を保ち、接合層１の温度が
接合温度に達してから３０秒間以内に圧縮応力を１０Ｍ
Ｐａ未満とすることを特徴とする液相拡散接合方法。た
だし、接合温度Ｔｄは、接合材の融点Ｔｍより高く、被
接合材の融点未満とする。

【００１６】接合応力＝（接合温度に達した時点の長手方向の圧縮応力＋１０）／２・・・本発明における“被接合材”は、金属材料全般が対象と
なる。低融点接合材料、すなわち接合材は、その融点が
被接合材より低いものをさす。接合材を“介在させる”
とは、後記するインサート材のように被接合材料とは別
個独立な物の場合は被接合材の間にはさむことをいい、
めっき膜や溶射膜のように被接合材に取り付けられてい
る場合には、これら接合材が被接合材の間に存在すると
いう空間的な位置関係のことをさす。“接合温度”Ｔｄ
とは、接合材の融点Ｔｍ以上で、被接合材の融点より低
い、液相拡散接合を実質的に進行させるために保持され
る接合層１における温度をいう。この接合温度は一定で
ある必要はない。

【００１７】また、昇温時、接合層１が接合材の融点Ｔ
ｍを超え接合温度Ｔｄに到達するまでの長手方向の“圧
縮応力の最高値”を“初期応力”とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】つぎに本発明方法に係る液相拡散
接合の限定条件について説明する。

【００１９】１）圧縮応力：本発明に係る液相拡散接合
方法は、昇温時、接合層１の温度が接合材の融点Ｔｍを
超え接合温度Ｔｄに満たない温度域において初期応力を
５０〜１５０ＭＰａとする。

【００２０】接合の初期の昇温時に高い初期応力を付与
する目的は、被接合材の端面同士を十分に密着させると
ともに溶融した接合材（液相）を十分排出するためであ
る。液相の排出を十分に行うことにより、液相を凝固さ
せるのに必要な、被接合材から拡散してくる液相の融点
を上昇させる元素の必要量は減少する。液相拡散接合に
おいては、この拡散により液相が凝固することにより接
合が達成されるので、この拡散に要する時間が短縮され
れば直ちに接合時間の短時間化が可能となる。

【００２１】このときの圧縮応力が５０ＭＰａ未満で
は、液相の排除および被接合材の端面同士の密着は十分
ではない。一方、１５０ＭＰａを超えると塑性変形が大
きくなり、例えば、“接合後の最も増肉した位置での接
合前肉厚に対する増肉した肉厚の比率”、すなわち、
（接合後の最も増肉した位置での肉厚−接合前肉厚）／
接合前肉厚、によって定義される“横膨出率”が過大と
なり応力集中の増大に起因する疲れ強さの低下をきたす
ので、５０〜１５０ＭＰａの範囲とする。本発明方法を
適用した接合部の横膨出率は１．０〜１．１の範囲にあ
ることが望ましい。

【００２２】液相の排出を十分行い、同時に塑性変形も
抑制して、十分な疲れ強さと接合強度を余裕をもって確
保するためには、上記の初期応力は、７５〜１２０ＭＰ
ａの範囲にさらに限定することが望ましい。

【００２３】接合層１の温度が接合材の融点Ｔｍ以下で
は接合材は液相になっていないか、液相の流動性が小さ
いために、不必要な接合材の排除を十分おこなうことが
できず、また接合温度になっても同じ圧縮応力を付与し
ていると塑性変形が過大となる。この初期の応力の付与
は昇温時にのみおこなわれるので、上記の温度制限のも
とでの圧縮応力付与時間は、１〜１０秒程度となる。

【００２４】つぎに、接合温度に到達した時点では、圧
縮応力は初期応力より小さくし、接合温度到達時点での
圧縮応力と１０ＭＰａの中間値である式で定義される
接合応力を１０〜４５ＭＰａの範囲とする。

【００２５】この時点で初期応力より圧縮応力を小さく
するのは、上記したように横膨出率を十分抑制するため
である。また、接合応力が１０ＭＰａ未満では、被接合
材の端面同士の密着が十分ではなく、一方、４５ＭＰａ
を超えると上記の横膨出率が無視できなくなるからであ
る。接合応力は、接合温度に到達した時点の圧縮応力に
よって決まるが、接合応力が同じ場合、その後３０秒間
以内に圧縮応力を１０ＭＰａ未満にするなど本発明の範
囲にある限り、疲れ強さなどの接合部特性はそれほど大
きく変化しない。図２において、応力の推移曲線ａとｂ
は同じ接合応力ｃとなる。

【００２６】接合層１が接合温度に到達した時点の接合
応力を１０〜４５ＭＰａとすることは、式から逆算し
て、その時点の長手方向の圧縮応力を１０〜８０ＭＰａ
とすることに相当する。長手方向の圧縮応力が１０〜８
０ＭＰａの範囲にあるかぎり、被接合材の間の密着が保
たれ、かつ横膨出率も無視できる範囲となる。

【００２７】接合温度に到達した後、圧縮応力の付与
は、短時間で終了することが好ましく、接合層１が接合
温度に到達してから３０秒間以内に、１０ＭＰａ未満に
する。接合温度に到達して後の圧縮応力は、横膨出率を
抑制するために接合温度に到達した時点の圧縮応力と等
しくするか（図２のｂ）、それより小さくすること（図
２のａ）が望ましいが、横膨出が無視できる範囲でそれ
より大きくしてもよい。

【００２８】圧縮応力を１０ＭＰａ未満にするのを３０
秒間以内にするのは、３０秒間を超えて１０ＭＰａ以上
の圧縮応力を付与すると、微小な塑性変形の累積により
横膨出率が無視できなくなるからである。

【００２９】接合層１が接合温度に到達してから３０秒
間以内に、圧縮応力を１０ＭＰａ未満にする理由は、１
０ＭＰａ以上の圧縮応力では横膨出率が無視できなくな
るからである。

【００３０】２）接合温度：接合を進行させる温度は、
接合材の融点Ｔｍより高く被接合材の融点より低い温度
であれば、他に制限する必要はない。また、接合温度
は、前記したように一定である必要はない。この場合、
昇温時の接合層１が接合温度に到達した時点とは、昇温
を終了し接合を行わせる時間の最初に設定した温度に到
達した時点をさす。

【００３１】３）加熱および応力付加方法：被接合材で
ある金属材料を加熱して接合を実施するため、大気中で
接合する場合には被接合材、特に接合端面が酸化して継
手性能が低下することがある。このため、加熱に際して
は、少なくとも接合部３近傍については窒素ガス、アル
ゴンガス等によってシールドする等の酸化防止策を講ず
ることが望ましい。

【００３２】加熱方法としては高周波誘導加熱、還元ガ
ス炎による加熱、通電加熱等種々の方法が考えられる
が、加熱温度範囲、温度コントロールおよび雰囲気制御
の容易さから高周波誘導加熱を用いることが望ましい。

【００３３】このような加熱および圧縮応力付加を可能
とする装置として、例えば、つぎのようなものを用いる
ことができる。

【００３４】図３は、後記する本発明の実施に用いた装
置の概要を示す縦断面図である。被接合材１１、１２は
上下の保持具１３、１４により保持され、上下の加圧ラ
ム１５、１６を介して油圧シリンダ１７により圧縮応力
が付与され、応力はロードセル１８によって測定する。
加熱は、高周波加熱コイル１９により、チェンバー２０
に窒素ガス等を導入し雰囲気を調整しながら行われる。
接合層１の温度は接合層近接部に溶接された熱電対によ
り計測される。

【００３５】被接合材の種類、用途により、接合後の冷
却速度が接合性能に影響する場合には接合部の冷却速度
を制御しても良い。

【００３６】４）被接合材：本発明では、被接合材の材
質は特に限定されることはなく、液相拡散接合に適用で
きる金属材料の中から適宜選択することが可能である。
形状についても同様で、金属材料からなる構造部材、配
管などが対象となり、とくに鉄筋コンクリート用棒鋼等
の条材、各材質の鋼管、なかでもコイルドチュービング
を含む継目無鋼管を対象とする。

【００３７】５）接合材：本拡散接合に用いる接合材も
特に限定されるものではなく、被接合材の材質等に応じ
て適宜選択できる。接合材の例としては、非晶質（アモ
ルファス）と結晶体とを問わず合金薄帯を含む各種金属
箔、金属微粒子とバインダーからなるシートなどが適用
できる。被接合材と別個独立な接合材をインサート材と
呼んで区別する場合がある。インサート材の端面への介
在のさせ方は、特に限定されるものではなく、接合現場
においてはさんでもよいし、予めスポット溶接、接着等
により被接合材端面に取り付けておいてもよい。

【００３８】被接合材の端面にめっきや蒸着等等の手段
により、接合材を介在させてもよい。油井管のように連
続的に同じ形状の被接合材を接合する場合には、これ
ら、めっきや蒸着は被接合材の片側端面のみに施しても
よいし、両側におこなってもよい。

【００３９】

【実施例】つぎに実施例により本発明方法を説明する。

【００４０】０．２５％Ｃ−０．２％Ｓｉ−１．２％Ｍ
ｎ−０．５％Ｃｒ−０．０２５％Ｔｉ−残部実質Ｆｅか
らなる、外径１３０ｍｍ、肉厚１５ｍｍの焼き入れ（９
５０℃）−焼き戻し（６２０℃）処理された継目無鋼管
から１１ｍｍ角７５ｍｍ長さの角材を採取し、図３に示
した装置を用いて、角材同士の液相拡散接合をおこなっ
た。鋼管の引張強さおよび後記する試験方法による疲れ
寿命は、それぞれ８６０ＭＰａおよび２５０ＭＰａ以上
（片振りの２５０ＭＰａ応力負荷により、２×１０⁶ ま
で破断せず）であった。

【００４１】接合材としてのインサート材は市販のアモ
ルファス箔ＭＢＦ５０（１９％Ｃｒ−７．３％Ｓｉ−
１．５％Ｂ：融点１１４４℃）を用いた。加熱パターン
は、昇温速度を５０℃／秒、接合温度を１２５０℃の一
定とし、接合時間を３０、６０、１２０および２４０秒
間に変化させた。接合は、窒素ガス雰囲気にて実施し
た。

【００４２】１１５０℃から１２５０℃に至る直前の約
１．９秒間の昇温時、“初期応力”、すなわち昇温時の
接合層１の温度が接合材の融点を超え接合温度未満のと
きの最高の圧縮応力を３、６、１２および１８ｋｇｆ／
ｍｍ² （それぞれ２９．４、５８．８、１１７．６およ
び１７６．５ＭＰａ）に変化させ、その後、接合温度に
達した時点で圧縮応力を減じ、２ｋｇｆ／ｍｍ² （１
９．６ＭＰａ）の一定とし付与時間を変化させた後、ゼ
ロとした。接合応力は、この場合、（１９．６＋１０）
／２＝１４．８ＭＰａであり、上記した接合応力の範
囲、１０〜４５ＭＰａに入っている。したがって良好な
密着と小さい横膨出が期待できる。また比較のため昇温
時に圧縮応力を付与しない条件での接合も実施した。

【００４３】表１は、これらの接合条件および接合した
結果生じた横膨出率を示す一覧表である。

【００４４】

【表１】

【００４５】接合された継手について、疲労試験、継手
引張試験および曲げ試験をおこなった。これらの試験方
法は、疲労試験以外は通常のＪＩＳ規格による方法によ
り行った。疲労試験は下記の条件により行った。

【００４６】繰り返し速度：１０Ｈｚ負荷条件：片振り引張荷重制御荷重：１５０ＭＰａ、２００ＭＰａ、２５０ＭＰａ繰り返し数：２×１０⁶まで実施評価：２×１０⁶ まで破断しなかったものを合格
（○）、破断したものを不合格（×）とした。

【００４７】表２は、これらの試験結果を示す一覧表で
ある。

【００４８】

【表２】

【００４９】試験番号（以下、番号）８および番号９は
昇温時に圧縮応力を付与せず接合温度到達と同時に圧縮
応力を付与して接合を行った場合の結果である。このよ
うな昇温時に応力を付与しない方法では、十分な接合強
度を得るためには１２０秒間では足りず、２４０秒間と
いう長い接合時間を要する。

【００５０】番号１０は昇温時の応力が不足しており、
端面間に形成された液相の排出が十分でなく、このため
接合時間３０秒間以内では十分な接合強度が得られな
い。番号１１は昇温時の圧縮応力を過大に付与した場合
であり、継手の強度は良好であるが、横膨出率が大きい
ため応力集中度を増し、疲労強度の低下を起こしてい
る。番号１２は、接合温度での１０ＭＰａ以上の圧縮応
力の付与時間が本発明の範囲から逸脱しており、番号１
１と同じく横膨出率が過大となる。

【００５１】このような比較例に対して本発明例では短
時間の接合により十分な強度特性を示すとともに、接合
部の横膨出率が抑制されているこを反映して２００ＭＰ
ａの応力を２×１０⁶ 回付与しても破断せず、疲れ強さ
が改善されていることが明白である。

【００５２】

【発明の効果】本接合方法により、接合時間を短縮した
うえで小さな塑性変形に起因する母材なみの疲れ強さお
よび十分な接合強度をもつ接合部が形成される簡便な液
相拡散接合が可能となり、このような基礎技術を多用す
る関連業界に波及する効果は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】液相拡散接合を行った接合部の断面をあらわす
図面である。

【図２】本発明方法に係る接合層の温度および圧縮応力
の時間推移をあらわす図面である。

【図３】本発明方法の実施に用いた装置の概要を示す縦
断面図である。

【符号の説明】

１…接合層２…接合部３…拡散層４…被接合材料の長手方向Ｔｍ…接合材の融点Ｔｄ…接合温度ａ、ｂ…圧縮応力推移曲線ｃ…接合応力１１、１２…被接合材１３、１４…上下保持具１５、１６…上下加圧ラム１７…油圧シリンダ１８…ロードセル１９…ヒータ２０…チャンバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−318143（ＪＰ，Ａ) 特開平８−224673（ＪＰ，Ａ) 特開平８−206853（ＪＰ，Ａ) 特開平８−276281（ＪＰ，Ａ) 特開平６−210465（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】突き合わせた被接合材（１１、１２）の間
に低融点接合材料を介在させて、接合部（２）を加熱す
ることにより拡散接合する方法において、昇温時、接合
層（１）の温度が低融点接合材料の融点（Ｔｍ）を超え
接合温度（Ｔｄ）未満にある間では被接合材の長手方向
（４）に加える圧縮応力の最高値である初期応力を５０
〜１５０ＭＰａとし、接合層（１）の温度が接合温度に
達した時点では初期応力より小さな圧縮応力であって下
記式で表される接合応力を１０〜４５ＭＰａとし、そ
の後も圧縮応力を保ち、接合層（１）の温度が接合温度
に達してから３０秒間以内に圧縮応力を１０ＭＰａ未満
とすることを特徴とする液相拡散接合方法。ただし、接
合温度（Ｔｄ）は、低融点接合材料の融点（Ｔｍ）より
高く、被接合材の融点未満とする。接合応力＝（接合温度に達した時点の長手方向の圧縮応力＋１０）／２・・・