JP3509087B2 - チタン材又はチタン合金材の接合方法 - Google Patents

チタン材又はチタン合金材の接合方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、化学工業や石油工
業等に使用されるチタン材又はチタン合金材、例えばチ
タン又はチタン合金製の丸棒やパイプの接合方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】一般にチタン材又はチタン合金材は、ア
ーク溶接、電子ビーム溶接、摩擦圧接等による従来の接
合方法によっては必ずしも充分な接合強度が得られない
ため、それらが本来有する強度上の優位性が充分に発揮
されず、その利用が制限されている現状にある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、上述
に鑑みてなされたものであって、溶接割れや材質劣化等
が生じることなく所期の接合強度が得られるチタン材又
はチタン合金材の接合方法を提供しようとするものであ
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】そのため、本発明に係る
チタン材又はチタン合金材の接合方法は、チタン材又は
チタン合金材からなる接合部材の両端面に該接合部材の
融点Mより低い融点Jを有するチタン又はチタン合金か
らなる接合層を予め形成し、該接合部材をチタン材又は
チタン合金からなる被接合材の双方の接合面の間に介在
させ、該被接合材をJ<T<Mなる温度Tに加熱して一
定時間その温度Tに保持することにより液相拡散接合す
ることを特徴とする。
【0005】本発明の接合方法において、接合層を形成
する接合部材の両端面はその面粗さRmaxを50μm以下
とするのが好ましい。接合部材を介して双方の被接合材
をより強固に接合できるからである。同様の意味で、被
接合材の接合面は傾斜面とするのが好ましく、この場合
にはかかる被接合材の接合面と合うように接合部材の両
端面も傾斜面とする。
【0006】また本発明の接合方法において、接合層そ
れ自体は公知の各種の方法で形成できるが、イオンプレ
ーティング法、蒸着法又はスパッタリング法で形成する
のが好ましい。接合部材を介して双方の被接合材をより
強固に接合できるからである。同様の意味で、接合層は
その厚さを1μm以上且つ50μm以下とするのが好ま
しく、またTi、Zr、Cu及びNiからなり且つ20
mass%≦Ti、20mass%≦Zr、40mass%≦(Ti
+Zr)≦90mass%、10mass%≦(Cu+Ni)≦
60mass%の組成からなるものとするのが好ましい。
【0007】更に本発明の接合方法において、液相拡散
接合それ自体は公知の各種の方法を用いることができる
が、周波数200KHz以下の高周波誘導加熱法を用い
るのが好ましい。接合部材を介して双方の被接合材をよ
り強固に接合できるからである。同様の意味で、液相拡
散接合は酸素及び窒素の含有量がそれぞれ0.01vol
%以下の不活性ガス又は真空中で行うのが好ましい。
【0008】接合部材の両端面に形成した接合層を介し
て双方の被接合材を該接合部材に当接させ、その当接部
を前記した温度Tに加熱すると、接合層に一時的に液相
が生じる。そのまま一定時間、温度Tに保持すると、液
相を生じた部分の元素が拡散し、組成が変化して融点が
上昇する結果、一旦は液相を生じた部分が凝固する。か
くして接合部材を介して双方の被接合材を強固に接合で
きる。
【0009】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図1は本発明に用いる接合装置を示
す略視図である。図1において、1,3はチタン材又は
チタン合金材からなる被接合材、2は被接合材1を把持
する固定チャック、4は被接合材3を把持する可動チャ
ック、5は被接合材1,3の接合部を加熱する高周波誘
導コイル、6は接合部の温度を検出する放射温度計、7
は固定チャック2に設けられた圧力ゲージであって被接
合材3から被接合材1に及ぼされている接合部の圧力を
検出する圧力ゲージ(ロードセル)、8は高周波誘導コ
イル5による加熱及び可動チャック4による加圧力をコ
ントロールする制御装置をそれぞれ示している。図1で
は被接合材1と被接合材3との間に介在させる接合部材
の図示を省略しているが、制御装置8は放射温度計6に
より検出された接合部の温度及び圧力ゲージ7により検
出された接合部の圧力がそれぞれフィードバックされ、
それらを設定値どおりにコントロールするようになって
いる。
【0010】図2〜図7は本発明において接合層の種々
の形成形態を示す側面図である。図2〜図7において、
1,3はチタン材又はチタン合金材からなる被接合材、
10は接合層、11はチタン材又はチタン合金材からな
る接合部材をそれぞれ示しており、接合層10は被接合
材1,3及び接合部材11の融点Mより低い融点Jを有
するチタン又はチタン合金からなっている。
【0011】図2〜図7のうちで、図2〜図4は被接合
材1,3の接合面が鉛直面となっている例であり、した
がって接合部材11の両端面も鉛直面となっている例で
ある。また図5〜図7は被接合材1,3の接合面が傾斜
面となっている例であり、したがって接合部材11の両
端面も傾斜面となっている例である。そして図2及び図
5は接合部材11の両端面にのみ接合層10が形成され
ている例、図3及び図6は一方の被接合材1の接合面に
接合層10が形成されており且つ接合部材11の両端面
に接合層10が形成されている例、図4及び図7は双方
の被接合材1,3の接合面に接合層10が形成されてお
り且つ接合部材11の両端面に接合層10が形成されて
いる例である。
【0012】図2〜図7に示した各例の被接合材1,3
及び接合部材11を、図1に示した接合装置に供して、
それらの接合部をJ<T<Mなる温度Tに加熱し、一定
時間その温度Tに保持することにより、接合部材11を
介して被接合材1と被接合材3とを液相拡散接合する。
【0013】
【実施例】表1は直径20ミリのチタン材又はチタン合
金材からなる丸棒を試験片(被接合材1,3及び接合部
材11)とし、その接合面に接合層10を前記図2〜図
4の各位置に予めイオンプレーティング法を用いて形成
しておき、これらの試験片を加圧力4.9MPaで、真
空(10-3mmHg)中にて高周波誘導加熱法(周波数50
KHz)により接合温度T(ただしJ<T<M)に加熱
し、その温度Tを300秒保持することにより液相拡散
接合した接合継手の引張試験結果を示す。尚、接合層を
形成する前の試験片の接合面の面粗さRmaxは2.5μm
とし、また表中の接合層10の組成はAがTi−40Z
r−15Cu−10Niであり、BがTi−35Zr−
15Cu−15Niである。
【0014】
【表1】
【0015】表1中の例1は接合層なしのものを比較例
として表示した。表1から、接合層の厚さは1μm以上
で50μm以下が望ましいといえる。
【0016】表2は同様に直径20ミリのチタン材から
なる丸棒を試験片(被接合材1,3及び接合部材11)
とし、その接合面にTi−40Zr−15Cu−10N
iの接合層10を前記図2の位置に予めイオンプレーテ
ィング法により形成しておき、接合温度を900℃と
し、その保持時間を300秒とし、高周波誘導加熱の周
波数を400KHz〜3KHzに種々変化させ、真空(1
-3mmHg)中にて液相拡散接合した接合継手の引張試験
結果を示す。表2では接合層を形成する前の試験片の接
合面の面粗さRmaxを2.5μmとした。表2から400
KHzの例5では接合界面での破断が認められ、これに
より、高周波誘導加熱時における周波数は200KHz
以下が望ましいことが判明した。
【0017】
【表2】
【0018】表3の例10〜例15に示した接合継手の
引張試験結果は、Ti−35Zr−15Cu−15Ni
の接合層を厚さ20μmに形成し、接合位置を図4のも
のとして、高周波誘導加熱(25KHz)で接合温度9
00℃、保持時間300秒、加圧力4.9MPaによ
り、接合雰囲気の組成を種々変化させて液相拡散接合さ
せたものの試験結果を示す。表3では接合層を形成する
前の試験片の接合面の面粗さRmaxを12.5μmとし
た。表3中の例10、例15で示すように、雰囲気の酸
素や窒素の含有量が0.01vol%付近になると、接合
界面での破壊がおこり易くなるので、これらはそれぞれ
0.01vol%以下にするのが望ましい。
【0019】
【表3】
【0020】表4は同様の試験片を図6,図7に示した
接合形態にて真空中で液相拡散接合した接合継手の引張
試験結果及び曲げ試験結果を示す。図6,図7は接合面
が中心線と75度傾斜したものである。表4では接合層
を形成する前の試験片の接合面の面粗さRmaxを2.5μ
mとした。表4から、接合面を傾斜させることにより一
層接合強度が向上し、特に曲げ試験(曲げ半径=2×
D:40mm)において良い結果が得られることが判明し
た。
【0021】
【表4】
【0022】表5は組成を変えた同様の試験片に厚さ1
0μmの接合層をイオンプレーティング法により形成
し、高周波誘導加熱の周波数を8KHzとして、真空
(10-3mmHg)中にて液相拡散接合した接合継手の引張
試験結果を示す。表5では接合層を形成する前の試験片
の接合面の面粗さRmaxを2.5μmとした。表5から、
本発明の接合方法がチタン材だけではなく、各種のチタ
ン合金材に対しても有効であることが判る。
【0023】
【表5】
【0024】表6は同様の試験片を対象とし、接合層を
形成する前の試験片の接合面の面粗さRmaxを変え、また
接合層の形成方法を変えて、高周波誘導加熱の周波数を
10KHzとし、純Ar雰囲気中にて液相拡散接合した
接合継手の引張試験結果を示す。表6から、接合層を形
成する前の試験片の接合面の面粗さRmaxは50μm以下
とするのが望ましく、また接合層の形成方法としてイオ
ンプレーティング法、スパッタリング法が有効であるこ
とが判る。
【0025】
【表6】
【0026】表7は試験片として外径100mmで肉厚1
0mmのチタン合金材からなる丸パイプを用い、高周波誘
導加熱の周波数を10KHzとして、純Ar雰囲気中に
て液相拡散接合した接合継手の引張試験結果を示す。表
7から、本発明の接合方法がパイプに対しても有効であ
ることが判る。
【0027】
【表7】
【0028】表8は母材である試験片として外径150
mmで肉厚10mmのチタン合金材からなる丸パイプを用
い、また接合部材である試験片として外径150mmで肉
厚10mmのチタン材からなる丸パイプ片を用いて、接合
部材の両端面に形成した接合層の厚さを変え、高周波誘
導加熱の周波数を10KHzとし、純Ar雰囲気中にて
液相拡散接合した接合継手の引張試験結果を示す。表8
から、接合層の厚さは10μm以下が望ましいことが判
る。
【0029】
【表8】
【0030】
【発明の効果】このように本発明によれば、チタン材又
はチタン合金材を液相拡散接合により非常に高強度に接
合できるので、機械的及び化学的性質に優れたチタン材
又はチタン合金材の加工、更にはその組立等を容易なら
しめ、その利用を促進させる有益な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いる接合装置を示す略視図。
【図2】本発明において接合層の形成例を示した正面
図。
【図3】本発明において接合層の形成例を示した正面
図。
【図4】本発明において接合層の形成例を示した正面
図。
【図5】本発明において接合層の形成例を示した正面
図。
【図6】本発明において接合層の形成例を示した正面
図。
【図7】本発明において接合層の形成例を示した正面
図。
【符号の説明】
1,3・・・被接合材、2・・・固定チャック、4・・
・可動チャック、5・・・誘導コイル、6・・・放射温
度計、7・・・圧力ゲージ、8・・・制御装置、10・
・・接合層、11・・・接合部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 20/00 - 20/26

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チタン材又はチタン合金材からなる接合
    部材の両端面に該接合部材の融点Mより低い融点Jを有
    するチタン又はチタン合金からなる接合層を予め形成
    し、該接合部材をチタン材又はチタン合金材からなる被
    合材の双方の接合面の間に介在させ、該被接合材をJ
    <T<Mなる温度Tに加熱して一定時間その温度Tに保
    持することにより液相拡散接合することを特徴とするチ
    タン材又はチタン合金材の接合方法。
  2. 【請求項2】 接合層を形成する接合部材の両端面の面
    粗さRmaxが50μm以下である請求項1記載のチタン材
    又はチタン合金材の接合方法。
  3. 【請求項3】 接合層をイオンプレーティング法、蒸着
    法又はスパッタリング法を用いて形成する請求項1又は
    記載のチタン材又はチタン合金材の接合方法。
  4. 【請求項4】 接合層の厚さが1μm以上且つ50μm
    以下である請求項1、2又は3記載のチタン材又はチタ
    ン合金材の接合方法。
  5. 【請求項5】 接合層がTi、Zr、Cu及びNiから
    なるものであり、且つ20mass%≦Ti、20mass%≦
    Zr、40mass%≦(Ti+Zr)≦90mass%、10
    mass%≦(Cu+Ni)≦60mass%の組成からなるも
    のである請求項1、2、3又は4記載のチタン材又はチ
    タン合金材の接合方法。
  6. 【請求項6】 周波数200KHz以下の高周波誘導加
    熱法を用いて液相拡散接合する請求項1、2、3、4
    は5記載のチタン材又はチタン合金材の接合方法。
  7. 【請求項7】 酸素及び窒素の含有量がそれぞれ0.0
    1vol%以下の不活性ガス又は真空中で液相拡散接合す
    る請求項1、2、3、4、5又は6記載のチタン材又は
    チタン合金材の接合方法。
  8. 【請求項8】 接合面が傾斜面である請求項1、2、
    3、4、5、6又は7記載のチタン材又はチタン合金材
    の接合方法。
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