JP3511749B2 - Ｔｉ合金部材の接合方法 - Google Patents
Ｔｉ合金部材の接合方法Info
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- JP3511749B2 JP3511749B2 JP22233395A JP22233395A JP3511749B2 JP 3511749 B2 JP3511749 B2 JP 3511749B2 JP 22233395 A JP22233395 A JP 22233395A JP 22233395 A JP22233395 A JP 22233395A JP 3511749 B2 JP3511749 B2 JP 3511749B2
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/16—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating with interposition of special material to facilitate connection of the parts, e.g. material for absorbing or producing gas
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/001—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces
- B23K35/005—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces at least one of the workpieces being of a refractory metal
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- General Induction Heating (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種Ｔｉ合金製の
部材の接合方法に関する。
部材の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】たとえば海底に敷設される油送管には鋼
管が使用されているが、長期間にわたる耐食性を確保し
て、使用中の保守を軽減するために、耐食性のすぐれた
Ｔｉ合金管の採用が検討されている。Ｔｉ合金管を長尺
の連続体にするためには溶接が必要であり、ＴＩＧ溶接
が行なわれているが、作業に時間がかかることと、溶接
部分の品質を確保することに困難があるため、改善が求
められていた。
管が使用されているが、長期間にわたる耐食性を確保し
て、使用中の保守を軽減するために、耐食性のすぐれた
Ｔｉ合金管の採用が検討されている。Ｔｉ合金管を長尺
の連続体にするためには溶接が必要であり、ＴＩＧ溶接
が行なわれているが、作業に時間がかかることと、溶接
部分の品質を確保することに困難があるため、改善が求
められていた。
【０００３】発明者らは、Ｔｉ合金管の接合法を研究
し、Ｔｉ合金母材の融点より低融点の金属で製作した接
合材を使用するか、または接合端に低融点の金属の接合
層を形成しておき、接合面を突き合わせて加圧しつつ加
熱して、低融点金属の融点を超えるが母材の融点よりは
低い温度にすることによって接合する方法を確立し、す
でに提案した（特願平７−１５０７７９号）。
し、Ｔｉ合金母材の融点より低融点の金属で製作した接
合材を使用するか、または接合端に低融点の金属の接合
層を形成しておき、接合面を突き合わせて加圧しつつ加
熱して、低融点金属の融点を超えるが母材の融点よりは
低い温度にすることによって接合する方法を確立し、す
でに提案した（特願平７−１５０７７９号）。
【０００４】この接合方法は、母材金属中にＳ，Ｓｅ，
ＴｅおよびＲＥＭ，Ｃａなどのグループの成分を微量存
在させておき、それら成分が形成する介在物微粒子を結
晶粒生成の核として利用することにより、α−β変態温
度以上の高温におけるＴｉ合金母材の結晶粒粗大化を抑
制し、接合部の機械的性質の劣化を防ぐという機構を採
用している。
ＴｅおよびＲＥＭ，Ｃａなどのグループの成分を微量存
在させておき、それら成分が形成する介在物微粒子を結
晶粒生成の核として利用することにより、α−β変態温
度以上の高温におけるＴｉ合金母材の結晶粒粗大化を抑
制し、接合部の機械的性質の劣化を防ぐという機構を採
用している。
【０００５】これによりＴｉ合金管の接合が容易になっ
たが、母材金属に上記特定成分を添加してない常用のＴ
ｉ合金の部材を対象にしても、簡単な手法で信頼性の高
い接合を行なうことができれば、Ｔｉ合金管の使用が容
易になる。
たが、母材金属に上記特定成分を添加してない常用のＴ
ｉ合金の部材を対象にしても、簡単な手法で信頼性の高
い接合を行なうことができれば、Ｔｉ合金管の使用が容
易になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
のような事実にかんがみ、常用のＴｉ合金の部材を対象
にして、簡単な手法で接合を行なうことができ、接合部
分の特性が確保できるようなＴｉ合金部材の接合方法を
提供することにある。
のような事実にかんがみ、常用のＴｉ合金の部材を対象
にして、簡単な手法で接合を行なうことができ、接合部
分の特性が確保できるようなＴｉ合金部材の接合方法を
提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に従うＴｉ合金部
材の接合方法の原理を説明すれば、図１に示すように、
接合すべき２箇のＴｉ合金部材、図示した例ではＴｉ合
金管（１）の間に、Ｔｉの層、図示した例ではＴｉシー
ト（３）を挟んで両部材を突き合わせ、非酸化性雰囲気
中で、接合面に５ＭＰａ以上の圧力を加えつつ、接合部
をＴｉ合金の変態温度に近い高温であるがそれよりは低
い温度に加熱し.少なくとも３分間保持することからな
る。
材の接合方法の原理を説明すれば、図１に示すように、
接合すべき２箇のＴｉ合金部材、図示した例ではＴｉ合
金管（１）の間に、Ｔｉの層、図示した例ではＴｉシー
ト（３）を挟んで両部材を突き合わせ、非酸化性雰囲気
中で、接合面に５ＭＰａ以上の圧力を加えつつ、接合部
をＴｉ合金の変態温度に近い高温であるがそれよりは低
い温度に加熱し.少なくとも３分間保持することからな
る。
【０００８】本発明に従うＴｉ合金部材の接合方法の具
体的なひとつの態様は、図２に示すように、接合すべき
２箇のＴｉ合金部材、図示した例ではＴｉ合金棒（２
Ａ，２Ｂ）の少なくとも一方（図示した例は２Ａ）の接
合面にあらかじめ厚さ１μm以上のＴｉ層（４）を形成
しておいて両部材を突き合わせ、非酸化性雰囲気中で、
接合面に５ＭＰａ以上の圧力を加えつつ、接合部をＴｉ
合金の変態温度に近い高温であるがそれよりは低い温度
に加熱し.少なくとも３分間保持することからなる。
体的なひとつの態様は、図２に示すように、接合すべき
２箇のＴｉ合金部材、図示した例ではＴｉ合金棒（２
Ａ，２Ｂ）の少なくとも一方（図示した例は２Ａ）の接
合面にあらかじめ厚さ１μm以上のＴｉ層（４）を形成
しておいて両部材を突き合わせ、非酸化性雰囲気中で、
接合面に５ＭＰａ以上の圧力を加えつつ、接合部をＴｉ
合金の変態温度に近い高温であるがそれよりは低い温度
に加熱し.少なくとも３分間保持することからなる。
【０００９】本発明に従うＴｉ合金部材の接合方法のい
まひとつの態様であり、より実用的と考えられるもの
は、図３に示すように、接合すべき２箇のＴｉ合金部
材、図示した例では、同じく２本のＴｉ合金棒（２Ｂ）
の問に、両端面に厚さ１μm以上のＴｉ層（４）を形成
してある接合用部材（５）を介して両部材を突き合わ
せ、非酸化性雰囲気中で、接合面に５ＭＰａ以上の圧力
を加えつつ、接合部をＴｉ合金の変態温度に近い高温で
あるがそれよりは低い温度に加熱し、少なくとも３分間
保持することからなる。
まひとつの態様であり、より実用的と考えられるもの
は、図３に示すように、接合すべき２箇のＴｉ合金部
材、図示した例では、同じく２本のＴｉ合金棒（２Ｂ）
の問に、両端面に厚さ１μm以上のＴｉ層（４）を形成
してある接合用部材（５）を介して両部材を突き合わ
せ、非酸化性雰囲気中で、接合面に５ＭＰａ以上の圧力
を加えつつ、接合部をＴｉ合金の変態温度に近い高温で
あるがそれよりは低い温度に加熱し、少なくとも３分間
保持することからなる。
【００１０】上記のいずれの態様によるとしても、Ｔｉ
合金部材の接合面が部材の加圧方向と垂直な面であるこ
とが作業に好都合なことはもちろんである。しかし、接
合される部材の軸の一致が高度に要求されない場合や、
適切なガイド手段、たとえばセラミックス製の管などが
使用できる場合は、接合面を傾いた面とすることができ
る。図４は、そのような変更態様の一例を示す。
合金部材の接合面が部材の加圧方向と垂直な面であるこ
とが作業に好都合なことはもちろんである。しかし、接
合される部材の軸の一致が高度に要求されない場合や、
適切なガイド手段、たとえばセラミックス製の管などが
使用できる場合は、接合面を傾いた面とすることができ
る。図４は、そのような変更態様の一例を示す。
【００１１】本発明の実施に当って、接合部分の突き合
わせには、さまざまなパターンがあり得る。その代表的
なものを、図６にまとめて掲げる。これらのそれぞれ
に、上記した接合面が傾いた変更態様が可能である。
わせには、さまざまなパターンがあり得る。その代表的
なものを、図６にまとめて掲げる。これらのそれぞれ
に、上記した接合面が傾いた変更態様が可能である。
【００１２】本発明により接合できるＴｉ合金は、Ｔｉ
原子が部材の接合を達成する程度に拡散するのに実用的
でないほどの長時間を要しない高さの変態温度をもつも
のである限り、任意に選択できる。具体的にいえば、一
般にＴｉ合金は下記１のグループからえらんだ添加元素
を含有し、 （１）Ａｌ：１０％以下、Ｖ：２５％以下、Ｓｎ：１５
％以下、Ｃｏ：１０％以下、Ｃｕ：１０％以下、Ｔａ：
１５％以下、Ｍｎ：１０％以下、Ｈｆ：１０％以下、
Ｗ：１０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｂ：２０％以
下、Ｚｒ：１０％以下、Ｍｏ：１５％以下およびＯ：
０．１％以下の1種または2種以上（2種以上の場合は合
計で）３０％以下残部が、実質的にＴｉからなる合金組
成を有する。
原子が部材の接合を達成する程度に拡散するのに実用的
でないほどの長時間を要しない高さの変態温度をもつも
のである限り、任意に選択できる。具体的にいえば、一
般にＴｉ合金は下記１のグループからえらんだ添加元素
を含有し、 （１）Ａｌ：１０％以下、Ｖ：２５％以下、Ｓｎ：１５
％以下、Ｃｏ：１０％以下、Ｃｕ：１０％以下、Ｔａ：
１５％以下、Ｍｎ：１０％以下、Ｈｆ：１０％以下、
Ｗ：１０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｂ：２０％以
下、Ｚｒ：１０％以下、Ｍｏ：１５％以下およびＯ：
０．１％以下の1種または2種以上（2種以上の場合は合
計で）３０％以下残部が、実質的にＴｉからなる合金組
成を有する。
【００１３】高温に加熱することは結晶粒の粗大化を招
くから、それを防ぐために下記（２）のグループの元素
を添加して、生成する微細な介在物を結晶成長防止のた
めの粒子として利用することが推奨される： （２）Ｓ：０．０１〜１０％、Ｓｅ：０．０１〜１０％
およびＴｅ：０．０１〜１０％の１種または２種以上
（２種以上の場合は合計で）１０％以下と、ＲＥＭ：
０．０１〜１０％およびＣａ：０．０１〜１０％の１種
または２種（２種の場合は合計で１０％以下）との組み
合わせ。
くから、それを防ぐために下記（２）のグループの元素
を添加して、生成する微細な介在物を結晶成長防止のた
めの粒子として利用することが推奨される： （２）Ｓ：０．０１〜１０％、Ｓｅ：０．０１〜１０％
およびＴｅ：０．０１〜１０％の１種または２種以上
（２種以上の場合は合計で）１０％以下と、ＲＥＭ：
０．０１〜１０％およびＣａ：０．０１〜１０％の１種
または２種（２種の場合は合計で１０％以下）との組み
合わせ。
【００１４】常用のTi合金の中から、本発明の接合方法
の対象とするに適した代表的なものを、その変態温度と
ともに列挙すれば、つぎのとおりである:
の対象とするに適した代表的なものを、その変態温度と
ともに列挙すれば、つぎのとおりである:
【００１５】接合を行なう部分をとりかこむ非酸化性雰
囲気とは、ＴｉおよびＴｉ合金にとってその加熱温度に
おいて実質上酸化が進行せず、かつ窒素の侵入による合
金特性の変化をも防ぐことのできる雰囲気を意味する。
そのような雰囲気は、Ｏ２およびＮ２の含有量がともに
０．０１容量％以下である、常圧またはその付近の圧力
の不活性ガス雰囲気、または圧力１０-4Torr以下の真空
である。非酸化性雰囲気の形成は、もちろん接合を行な
おうとする部分とその近傍においてだけ行なえばよい。
囲気とは、ＴｉおよびＴｉ合金にとってその加熱温度に
おいて実質上酸化が進行せず、かつ窒素の侵入による合
金特性の変化をも防ぐことのできる雰囲気を意味する。
そのような雰囲気は、Ｏ２およびＮ２の含有量がともに
０．０１容量％以下である、常圧またはその付近の圧力
の不活性ガス雰囲気、または圧力１０-4Torr以下の真空
である。非酸化性雰囲気の形成は、もちろん接合を行な
おうとする部分とその近傍においてだけ行なえばよい。
【００１６】接合部を加熱する手段は任意であって、電
気炉の輻射熱や通電によってもよいし、雰囲気条件を損
なわない限り高温のガスを使用することもできるが、通
常は高周波誘導加熱が適切である。誘導加熱は、棒状な
いし管状の物体の加熱に好都合なこと、短時間で所望の
高温に到達できること、温度の制御が容易なことなどの
諸点から、最も有利な加熱方法といえる。
気炉の輻射熱や通電によってもよいし、雰囲気条件を損
なわない限り高温のガスを使用することもできるが、通
常は高周波誘導加熱が適切である。誘導加熱は、棒状な
いし管状の物体の加熱に好都合なこと、短時間で所望の
高温に到達できること、温度の制御が容易なことなどの
諸点から、最も有利な加熱方法といえる。
【００１７】誘導加熱装置に供給する高周波電力の周波
数は、通常、２００ｋＨｚ以下とする。高い周波数は、
よく知られている表皮効果のため、棒材や肉厚の管の接
合には不適当である。一方、あまり低い周波数では温度
の上昇に長時間かかる。多くの場合、１０ｋＨｚ程度の
低い周波数が適切である。
数は、通常、２００ｋＨｚ以下とする。高い周波数は、
よく知られている表皮効果のため、棒材や肉厚の管の接
合には不適当である。一方、あまり低い周波数では温度
の上昇に長時間かかる。多くの場合、１０ｋＨｚ程度の
低い周波数が適切である。
【００１８】誘導加熱によるときは、図５に示すよう
に、加熱される接合部の泌望を誘導加熱用のコイル
（８）を通して設けた放射温度計（９Ａ）により測定
し、その結果をコントローラ（９Ｂ）に送って、高周波
電源（９Ｃ）からコイル（８）に供給する高周波電力を
コントロールすることにより、所望の温度への速やかな
到達と温度の維持を行なうとよい。図４において、符号
（７Ａ）は固定チャック、（７Ｂ）は可動チャックをあ
らわし、これらは共同してチタン合金棒（２Ａ）を加圧
下に保持する。
に、加熱される接合部の泌望を誘導加熱用のコイル
（８）を通して設けた放射温度計（９Ａ）により測定
し、その結果をコントローラ（９Ｂ）に送って、高周波
電源（９Ｃ）からコイル（８）に供給する高周波電力を
コントロールすることにより、所望の温度への速やかな
到達と温度の維持を行なうとよい。図４において、符号
（７Ａ）は固定チャック、（７Ｂ）は可動チャックをあ
らわし、これらは共同してチタン合金棒（２Ａ）を加圧
下に保持する。
【００１９】
【作用】図1の原理的な説明図においては、２本のＴｉ
合金管（１）の間に接合用のＴｉシート（３）のような
Ｔｉ層を挟んで突き合わせ、接合面に圧力を加えつつ接
合部を加熱すると、Ｔｉ層のＴｉ原子が両側のＴｉ合金
管の端面に拡散して行き、固相拡散による接合が行なわ
れる。符号（６）は、このようにして生成した拡散接合
層をあらわす。母材のＴｉ合金管には、温度がそれぞれ
の変態点より低ければ、組織上の変化は生じない。少な
くとも３分間という保持時間は、Ｔｉ層中のＴｉ原子の
拡散による接合が、変態点に近い高温度であれば、十分
に進行するに足りるよう決定した時間である。圧力５Ｍ
Ｐａ以上も、Ｔｉシート中のＴｉ原子がＴｉ合金部材中
に拡散できる条件を与えるものである。
合金管（１）の間に接合用のＴｉシート（３）のような
Ｔｉ層を挟んで突き合わせ、接合面に圧力を加えつつ接
合部を加熱すると、Ｔｉ層のＴｉ原子が両側のＴｉ合金
管の端面に拡散して行き、固相拡散による接合が行なわ
れる。符号（６）は、このようにして生成した拡散接合
層をあらわす。母材のＴｉ合金管には、温度がそれぞれ
の変態点より低ければ、組織上の変化は生じない。少な
くとも３分間という保持時間は、Ｔｉ層中のＴｉ原子の
拡散による接合が、変態点に近い高温度であれば、十分
に進行するに足りるよう決定した時間である。圧力５Ｍ
Ｐａ以上も、Ｔｉシート中のＴｉ原子がＴｉ合金部材中
に拡散できる条件を与えるものである。
【００２０】Ｔｉシートで代表的に示したＴｉ層は、厚
さを最大５００μmまでとする。この限界は、上記の機
構により接合が行なわれたとき、接合部にＴｉ層が実質
的な厚さをもって残存しないようにとの見地から決定し
たものである。いうまでもなく、純ＴｉはＴｉ合金より
軟らかい金属であるから、接合部に純Ｔｉまたはほとん
どＴｉからなる層が存在すると、そこが接合体にとっ
て、機械的には弱点となる。そこで、拡散によってＴｉ
原子をＴｉ合金母材中に十分侵入させ、層を残さないよ
うにすることが好ましい。接合に必要なＴｉシートの厚
さは数μmあれば足りる。
さを最大５００μmまでとする。この限界は、上記の機
構により接合が行なわれたとき、接合部にＴｉ層が実質
的な厚さをもって残存しないようにとの見地から決定し
たものである。いうまでもなく、純ＴｉはＴｉ合金より
軟らかい金属であるから、接合部に純Ｔｉまたはほとん
どＴｉからなる層が存在すると、そこが接合体にとっ
て、機械的には弱点となる。そこで、拡散によってＴｉ
原子をＴｉ合金母材中に十分侵入させ、層を残さないよ
うにすることが好ましい。接合に必要なＴｉシートの厚
さは数μmあれば足りる。
【００２１】これまでの説明から理解されるように、本
発明の具体的な態様に従って、接合すべき２箇のＴｉ合
金部材の少なくとも一方の接合面にＴｉ層を形成してお
いて両部材を突き合わせる場合も、また接合すべき２箇
のＴｉ合金部材の間に、両端面にＴｉ層を形成してある
接合用部材を介して両部材を突き合わせる場合も、接合
の機構は同じである。Ｔｉ層の形成には、蒸着、スパッ
タリング、あるいはイオンプレーティングなどの手段を
選択使用すればよい。これらの手段で厚いＴｉ層を形成
しようとすると長い時間がかかって不利であるから、な
るべく薄いＴｉ層で間に合わせたい。接合面の平滑度を
高くとることにより、必要なＴｉ層の厚さを薄くできる
が、通常の端面仕上げ手段によった場合、１μmに満た
ない厚さのＴｉ層では、突き合わせた接合面全体にわた
るＴｉ原子の拡散が確保できないおそれがある。実用上
は２μm以上５μm程度が適当で、１０μmを超える厚さ
は不要である。
発明の具体的な態様に従って、接合すべき２箇のＴｉ合
金部材の少なくとも一方の接合面にＴｉ層を形成してお
いて両部材を突き合わせる場合も、また接合すべき２箇
のＴｉ合金部材の間に、両端面にＴｉ層を形成してある
接合用部材を介して両部材を突き合わせる場合も、接合
の機構は同じである。Ｔｉ層の形成には、蒸着、スパッ
タリング、あるいはイオンプレーティングなどの手段を
選択使用すればよい。これらの手段で厚いＴｉ層を形成
しようとすると長い時間がかかって不利であるから、な
るべく薄いＴｉ層で間に合わせたい。接合面の平滑度を
高くとることにより、必要なＴｉ層の厚さを薄くできる
が、通常の端面仕上げ手段によった場合、１μmに満た
ない厚さのＴｉ層では、突き合わせた接合面全体にわた
るＴｉ原子の拡散が確保できないおそれがある。実用上
は２μm以上５μm程度が適当で、１０μmを超える厚さ
は不要である。
【００２２】本発明の第二の態様すなわち両端面にＴｉ
層を有する接合用部材を使用する接合方法は、長尺の部
材の端にあらかじめＴｉ層を形成しておく面倒さをなく
したものであるから、実際上、最も実施しやすい態様と
いえる。
層を有する接合用部材を使用する接合方法は、長尺の部
材の端にあらかじめＴｉ層を形成しておく面倒さをなく
したものであるから、実際上、最も実施しやすい態様と
いえる。
【００２３】以下の実施例において、*印を付したもの
は比較例である。
は比較例である。
【００２４】〔参考例１〕
突き合わせパターンが図６に示すＡ、すなわち接合用の
純Ｔｉシートを挟んで突き合わせる接合を実施した。接
合したＴｉ合金部材は、外径１００mm×肉厚１０mmのパ
イプであって、材質は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖである。接
合用Ｔｉシートは、No.１およびNo.３，４はＪＩＳ−Ｈ
４６００に定める１種のもの、No.２は同２種のものを
用いた。加熱には高周波誘導炉を用いた。
純Ｔｉシートを挟んで突き合わせる接合を実施した。接
合したＴｉ合金部材は、外径１００mm×肉厚１０mmのパ
イプであって、材質は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖである。接
合用Ｔｉシートは、No.１およびNo.３，４はＪＩＳ−Ｈ
４６００に定める１種のもの、No.２は同２種のものを
用いた。加熱には高周波誘導炉を用いた。
【００２５】冷却後、接合体について引張試験および曲
げ試験を行ない、接合継手強度比（継手強度／母材強度
の比、以下「強度比」で示す。）を測定するとともに、
破断位置をしらべた。
げ試験を行ない、接合継手強度比（継手強度／母材強度
の比、以下「強度比」で示す。）を測定するとともに、
破断位置をしらべた。
【００２６】接合作業の条件および試験結果を、表1に
まとめて示す。
まとめて示す。
【００２７】
表1 No.１ No.２ No.３* No.４*
Ｔｉシート（μｍ） ５００ １００ ０※ １０００
温度 （℃） ９５０ ９５０ ９５０ ９５０
周波数 （ｋＨｚ） ３ ３ ３ ３
雰囲気 Ａｒ Ｈｅ Ａｒ Ｈｅ
Ｎ2（vol％） 0.005 0.005 0.005 0.005
Ｏ2（vol％） 0.005 0.005 0.005 0.005
圧力 （MPa） ５ １０ １０ １０時間 （分） ３ ５ ５ ５
引張試験 強度比 １．０ １．０ ０．５ ０．８
破断 母材 母材 接合界面 Tiシート内
曲げ試験 強度比 １．０ １．０ ０．２ ０．８ 破断 しない しない 接合界面 接合部
※パイプの直接突き合わせ。No.３*は接合用Ｔｉシートを使用しなかったため、
好適な接合ができなかった。No.４*はＴｉシートが厚すぎて接合部に残存したた
め、接合部の強度が低かった。
【００２８】〔参考例２〕
参考例１と同じ操作を繰り返した。ただし、パイプの材
質を、No.５はＴｉ−３Ａ１−２Ｖ、No.６，７およびN
o.８*はＴｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎとした。操作条件
および試験結果を、表２に示す。
質を、No.５はＴｉ−３Ａ１−２Ｖ、No.６，７およびN
o.８*はＴｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎとした。操作条件
および試験結果を、表２に示す。
【００２９】
表２ No.５ No.６ No.７ No.８*
Ｔｉシート（μｍ） １００ １００ １００ １００
温度 （℃） ９１０ ９００ ９２０ ９２０
周波数 （ｋＨｚ） ３ ３ ２００ ４００
雰囲気 Ａｒ Ａｒ 真空 真空
Ｎ2（vol％） 0.008 0.006 (10-4Torr) (10-4Torr)
Ｏ2（vol％） 0.007 0.004 − −
圧力 （MPa） １０ １０ ５ １０時間 （分） ５ ５ ３ ５
引張試験 強度比 １．０ １．０ ０．５ ０．８
破断 母材 母材 母材 接合部
曲げ試験 強度比 １．０ １．０ １．０ ０．４ 破断 しない しない しない 接合部
No８*のデータは、加熱に用いた高周波の周波数が高す
ぎ、接合面全体に加熱が及ばなかったことを示してい
る。
ぎ、接合面全体に加熱が及ばなかったことを示してい
る。
【００３０】〔参考例３〕
パターンＡの接合を、加熱手段として管状炉を使用して
行なった。パイプの材質は、No.９およびNo.１１*〜１
３*がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、No.１０およびNo.１４*がＴ
ｉ−５Ａ１−２Ｃｒ−１Ｆｅである。Ｔｉシートは、N
o.９が前記ＪＩＳの３種、残りはすべて１種である。操
作条件および試験結果を、表３に示す。
行なった。パイプの材質は、No.９およびNo.１１*〜１
３*がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、No.１０およびNo.１４*がＴ
ｉ−５Ａ１−２Ｃｒ−１Ｆｅである。Ｔｉシートは、N
o.９が前記ＪＩＳの３種、残りはすべて１種である。操
作条件および試験結果を、表３に示す。
【００３１】
表３ No.９ No.10 No.11 No.12* No.13* No.14*
Ｔｉシート（μｍ） ２０ １００ ２０ ２０ ２０ １００
温度 （℃） ９９０ ９５０ １０５０ ９５０ ９５０ ９５０
雰囲気 真空 Ａｒ 真空 真空 真空 Ａｒ
Ｎ2（vol％） − 0.01 − − − 0.01
Ｏ2（vol％） − 0.01 − − − 0.01
圧力 （MPa） １５ １０ １０ １０ ３ １０時間 （分） ４ ５ ５ ２．５ ５ ５
引張試験 強度比 １．０ １．０ １．０ ０．８ ０．６ １．０
破断 母材 母材 母材 接合部 接合部 母材
曲げ試験 強度比 １．０ １．０ ０．９ ０．８ ０．５ ０．７ 破断 しない しない 接合部 接合部 接合部 接合部
No.１１*は加熱温度が高すぎたため、結晶粒が成長した
結果、接合部が脆くなった。No.１２*は保持時間が不足
で、No.１３*は圧力が不足で、どちらも接合不十分であ
る。No.１４*は雰囲気中のＯ２量が多かったため酸化が
起り、接合が不完全に終った。
結果、接合部が脆くなった。No.１２*は保持時間が不足
で、No.１３*は圧力が不足で、どちらも接合不十分であ
る。No.１４*は雰囲気中のＯ２量が多かったため酸化が
起り、接合が不完全に終った。
【００３２】〔実施例１〕
突き合わせパターンＢ−１の接合を行なった。Ｔｉ合金
部材はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを径２０mmの丸棒に成形した
ものであり、イオンプレーティングにより、一方の端に
Ｔｉ層を形成して用いた。加熱は高周波誘導である。操
作条件と試験結果を、表４に示す。
部材はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを径２０mmの丸棒に成形した
ものであり、イオンプレーティングにより、一方の端に
Ｔｉ層を形成して用いた。加熱は高周波誘導である。操
作条件と試験結果を、表４に示す。
【００３３】
No.１６*はＴｉ層の厚さが不足で、拡散接合が不十分で
あった。
あった。
【００３４】〔実施例２〕
突き合わせパターンＢ−２の接合を行なった。Ｔｉ合金
部材はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの径２０mmの丸棒であり、加
熱は周波数２５ｋＨｚの高周波誘導加熱を行なった。操
作条件と試験結果を、表５に示す。
部材はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの径２０mmの丸棒であり、加
熱は周波数２５ｋＨｚの高周波誘導加熱を行なった。操
作条件と試験結果を、表５に示す。
【００３５】
表５ No.17 No.18 No.19* No.20* No.21*
Ｔｉ層 （μｍ） ５ １０ ５ ５ ５
形成法 スパッタ 蒸着 イオンプレーティング
温度 （℃） ９５０ ９５０ １０５０ ９５０ ９５０
雰囲気 Ａｒ Ｈｅ Ａｒ Ａｒ Ａｒ
Ｎ2（vol％） 0.005 0.003 0.008 0.008 0.008
Ｏ2（vol％） 0.005 0.006 0.007 0.007 0.007
圧力 （MPa） ５ １５ １０ １０ ３時間 （分） ３ ５ ５ ２．５ ５
引張試験 強度比 １．０ １．０ １．０ ０．８ ０．６
破断 母材 母材 母材 接合部 接合部
曲げ試験 強度比 １．０ １．０ ０．８ ０．６ ０．６ 破断 しない しない 接合部 接合部 接合部
No.１９*は温度が高すぎ、No.２０*は保持時間の不足、
No.２１*は加圧力の不足で、いずれも接合が不完全であ
った。
No.２１*は加圧力の不足で、いずれも接合が不完全であ
った。
【００３６】〔実施例３〕
突き合わせパターンＣ−１の操作接合を行なった。Ｔｉ
合金部材は、No.２３に限りＴｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓ
ｎ、その他はＴｉ−３ＡＩ−２Ｖを用い、やはり径２０
mmの丸棒である。高周波誘導加熱により、真空（１０-4
Torr）中で接合した。条件と試験結果を表６に示す。
（表のＴｉ層形成法の欄で、「イオン」はイオンプレー
ティングの略である。）
合金部材は、No.２３に限りＴｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓ
ｎ、その他はＴｉ−３ＡＩ−２Ｖを用い、やはり径２０
mmの丸棒である。高周波誘導加熱により、真空（１０-4
Torr）中で接合した。条件と試験結果を表６に示す。
（表のＴｉ層形成法の欄で、「イオン」はイオンプレー
ティングの略である。）
【００３７】
表６ No.22 No.23 No.24* No.25* No.26* No.27*
Ｔｉ層 （μｍ） １ ５ ０．５ １０ ５ ５
形成法 スパッタ イオン スパッタ 蒸着 イオン イオン
温度 （℃） ９００ ９２０ ９００ １０００ ９００ ９００
周波数 （ｋＨｚ） ３ １００ ３ ３ ３ ３
圧力 （MPa） ５ １０ １０ １０ １０ ３時間 （分） ３ ４ ５ ４ ２．５ ５
引張試験 強度比 １．０ １．０ ０．７ １．０ ０．８ ０．６
破断 母材 母材 接合部 母材 接合部 接合部
曲げ試験 強度比 １．０ １．０ ０．５ ０．８ ０．６ ０．５ 破断 しない しない 接合部 接合部 接合部 接合部
No.２４*はＴｉ層の厚さが不足であり、No.２５*は接合
部加熱温度が高すぎ、No.２６*は保持の時間が短く、N
o.２７*は圧力不足のため、それぞれ不満足な結果とな
った。
部加熱温度が高すぎ、No.２６*は保持の時間が短く、N
o.２７*は圧力不足のため、それぞれ不満足な結果とな
った。
【００３８】〔実施例４〕
引続き、突き合わせパターンＣ−１の接合を行なった。
Ｔｉ合金部材としてＴｉ−５Ａ１−２Ｃｒ−１Ｆｅの径
２０mmの丸棒を用い、接合用のＴｉ層はスパッタリング
により各層厚さ５μmに形成した。加熱は管状炉で行な
った。結果を表７に示す。
Ｔｉ合金部材としてＴｉ−５Ａ１−２Ｃｒ−１Ｆｅの径
２０mmの丸棒を用い、接合用のＴｉ層はスパッタリング
により各層厚さ５μmに形成した。加熱は管状炉で行な
った。結果を表７に示す。
【００３９】
No.２９*は雰囲気中のＮ２ガスのため接合部が脆化し
た。
た。
【００４０】〔実施例５〕
突き合わせパターンＣ−２およびＣ−３の接合を行なっ
た。Ｔｉ合金部材は、No.３０およびNo.３１がＴｉ−３
Ａｌ−２Ｖ、No.３２がＴｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ
で、いずれも径２０mmの丸棒である。加熱は真空（１０
-4Ｔｏｒｒ）中の高周波誘導加熱によった。操業条件お
よび試験結果を表８に示す。
た。Ｔｉ合金部材は、No.３０およびNo.３１がＴｉ−３
Ａｌ−２Ｖ、No.３２がＴｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ
で、いずれも径２０mmの丸棒である。加熱は真空（１０
-4Ｔｏｒｒ）中の高周波誘導加熱によった。操業条件お
よび試験結果を表８に示す。
【００４１】
いずれも好成績であった。
【００４２】〔実施例６〕
突き合わせパターンＢ−１， Ｂ−２，Ｃ−２およびＣ
−３のそれぞれの変更態様、すなわち、各接合面を加圧
面に対して４５度傾けて突き合わせたパターンの接合を
行なった。Ｔｉ合金部材はいずれもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
の径２０mmの丸棒である。加熱は、真空（10-4Torr）
中、周波数３ｋＨｚの高周波導加熱によった。操業条件
および試験結果を表９に示す。
−３のそれぞれの変更態様、すなわち、各接合面を加圧
面に対して４５度傾けて突き合わせたパターンの接合を
行なった。Ｔｉ合金部材はいずれもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
の径２０mmの丸棒である。加熱は、真空（10-4Torr）
中、周波数３ｋＨｚの高周波導加熱によった。操業条件
および試験結果を表９に示す。
【００４３】
表９ No.３３ No.３４ No.３５ No.３６
突き合わせパターン Ｂ−１変更 Ｂ−２変更 Ｃ−２変更 Ｃ−３変更
Ｔｉ層 （μｍ） ５ １ １ ５
形成法 蒸着 スパッタ スパッタ イオン
温度 （℃） ９５０ ９５０ ９５０ ９５０
圧力 （MPa） １０ ５ １０ １５時間 （分） ４ ３ ５ ５
引張試験 強度比 １．０ １．０ １．０ １．０
破断 母材 母材 母材 母材
曲げ試験 強度比 １．０ １．０ １．０ １．０ 破断 しない しない しない しない
いずれも満足な接合を行なうことができた。
【００４４】
【発明の効果】本発明により、Ｔｉ合金の管をはじめと
する各種部材の接合が、常用のＴｉ合金の製品を対象に
して、簡単な手法で高い信頼性をもって実施できるよう
になった。本発明の接合方法は、石油採取のライザーチ
ューブのように、現場で次々とパイプを接合して行く必
要があるようなところに適用したとき、とくにその意義
が大きい。
する各種部材の接合が、常用のＴｉ合金の製品を対象に
して、簡単な手法で高い信頼性をもって実施できるよう
になった。本発明の接合方法は、石油採取のライザーチ
ューブのように、現場で次々とパイプを接合して行く必
要があるようなところに適用したとき、とくにその意義
が大きい。
【図１】 本発明の接合方法の原理を説明する図であっ
て、上段は接合されるＴｉ合金の管で接合用のＴｉシー
トを挟んで管を突き合わせた段階を示し、下段は接合を
終った段階を示す、ともに縦断面図。
て、上段は接合されるＴｉ合金の管で接合用のＴｉシー
トを挟んで管を突き合わせた段階を示し、下段は接合を
終った段階を示す、ともに縦断面図。
【図２】 本発明の接合方法の第一の態様を説明する図
であって、図1と同様に、上段は接合されるＴｉ合金の
棒の一方の端部に接合用Ｔｉ層が形成されているもの
を、Ｔｉ層をもたない棒と突き合わせた段階を示し、下
段は接合を終った段階を示す、ともに縦断面図。
であって、図1と同様に、上段は接合されるＴｉ合金の
棒の一方の端部に接合用Ｔｉ層が形成されているもの
を、Ｔｉ層をもたない棒と突き合わせた段階を示し、下
段は接合を終った段階を示す、ともに縦断面図。
【図３】 本発明の接合方法の第二の態様を説明する図
であって、図１および図２と同様に、上段は接合される
Ｔｉ合金の棒を、両端に接合用Ｔｉ層が形成されている
接合用部材を介して突き合わせた段階を示し、下段は接
合を終った段階を示す、ともに縦断面図。
であって、図１および図２と同様に、上段は接合される
Ｔｉ合金の棒を、両端に接合用Ｔｉ層が形成されている
接合用部材を介して突き合わせた段階を示し、下段は接
合を終った段階を示す、ともに縦断面図。
【図４】 本発明の接合方法の変更態様である、接合面
が加圧面に対して垂直でない場合を説明する図であっ
て、図１〜３と同様に、上段は端に接合用Ｔｉ層を設け
たＴｉ合金部材どうしを突き合わせた段階を示し、下段
は接合を終った段階を示す、ともに縦断面図。
が加圧面に対して垂直でない場合を説明する図であっ
て、図１〜３と同様に、上段は端に接合用Ｔｉ層を設け
たＴｉ合金部材どうしを突き合わせた段階を示し、下段
は接合を終った段階を示す、ともに縦断面図。
【図５】 本発明の接合方法を実施するのに適した装置
の構成を示す図。
の構成を示す図。
【図６】 本発明の接合方法において選択する、突き合
わせパターンをまとめて示す図。
わせパターンをまとめて示す図。
１ Ｔｉ合金管
２Ａ，２Ｂ Ｔｉ合金棒
３ 接合用Ｔｉシート
４ 接合用Ｔｉ層
５ 接合用部材
６ 拡散接合層
７Ａ 固定チャック ７Ｂ 可動チャック
８ コイル
９Ａ 放射温度計 ９Ｂ コントローラ ９Ｃ 高
周波電源
周波電源
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
// Ｂ２３Ｋ 103:14 Ｂ２３Ｋ 103:14
Claims (6)
- 【請求項１】 接合すべき２箇のＴｉ合金部材の少なく
とも一方の接合面にあらかじめ厚さ１μm以上のＴｉ層
を形成しておいて両部材を突き合わせ、非酸化性雰囲気
中で、接合面に５ＭＰａ以上の圧力を加えつつ、接合部
をＴｉ合金の変態温度に近い高温であるがそれよりは低
い温度に加熱し、少なくとも３分間保持することからな
るＴｉ合金部材の接合方法。 - 【請求項２】 接合すべき２箇のＴｉ合金部材の間に、
両端面に厚さ１μm以上のＴｉ層を形成してある接合用
部材を介して両部材を突き合わせ、非酸化性雰囲気中
で、接合面に５ＭＰａ以上の圧力を加えつつ、接合部を
Ｔｉ合金の変態温度に近い高温であるがそれよりは低い
温度に加熱し、少なくとも３分間保持することからなる
Ｔｉ合金部材の接合方法。 - 【請求項３】 Ｔｉ合金として、下記（１）のグループ
の添加元素、または下記（１）および（２）のグループ
の添加元素を含有し、 （１）Ａｌ：１０％以下、Ｖ：２５％以下、Ｓｎ：１５
％以下、Ｃｏ：１０％以下、Ｃｕ：１０％以下、Ｔａ：
１５％以下、Ｍｎ：１０％以下、Ｈｆ：１０％以下、
Ｗ：１０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｂ：２０％以
下、Ｚｒ：１０％以下、Ｍｏ：１５％以下およびＯ：
０．１％以下の１種または２種以上（２種以上の場合は
合計で）３０％以下 （２）Ｓ：０．０１〜１０％、Ｓｅ：０．０１〜１０％
およびＴｅ：０．０１〜１０％の１種または２種以上
（２種以上の場合は合計で）１０％以下と、ＲＥＭ：
０．０１〜１０％およびＣａ：０．０１〜１０％の１種
または２種（２種の場合は合計で１０％以下）との組み
合わせ残部が実質的にＴｉからなる合金を使用して実施
する請求項１または２の接合方法。 - 【請求項４】 非酸化性雰囲気が、Ｏ２およびＮ２の含
有量がともに０．０１容量％以下である常圧またはその
付近の圧力の不活性ガス雰囲気であるか、または圧力１
０-4Torr以下の真空である請求項１〜３のいずれかの接
合方法。 - 【請求項５】 加熱を、周波数２００ｋＨｚ以下の高周
波誘導加熱により行なう請求項１〜４のいずれかの接合
方法。 - 【請求項６】 高周波誘導加熱を、被加熱部分の温度を
測定してその結果にもとづき誘導コイルヘの高周波電力
の供給を制御することにより、被加熱部分を所定の温度
に保持しつつ行なう請求項５の接合方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22233395A JP3511749B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | Ｔｉ合金部材の接合方法 |
| US08/646,483 US5699955A (en) | 1995-08-30 | 1996-05-08 | Method of bonding Ti-alloy members |
| EP96107386A EP0761373A3 (en) | 1995-08-30 | 1996-05-09 | Method of bonding Ti-alloy members |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22233395A JP3511749B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | Ｔｉ合金部材の接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0966372A JPH0966372A (ja) | 1997-03-11 |
| JP3511749B2 true JP3511749B2 (ja) | 2004-03-29 |
Family
ID=16780709
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22233395A Expired - Fee Related JP3511749B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | Ｔｉ合金部材の接合方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
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| US (1) | US5699955A (ja) |
| EP (1) | EP0761373A3 (ja) |
| JP (1) | JP3511749B2 (ja) |
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-
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- 1995-08-30 JP JP22233395A patent/JP3511749B2/ja not_active Expired - Fee Related
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- 1996-05-08 US US08/646,483 patent/US5699955A/en not_active Expired - Fee Related
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- 1996-05-20 NO NO19962053A patent/NO316060B1/no not_active IP Right Cessation
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