JP3551069B2 - チタン材の溶接接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、曲げ性の良好なチタン溶接継手を作業性良く低コストで実現するための“チタン材の溶接接合方法”に関するものである。
【０００２】
例えば純チタンあるいはチタン合金（本発明では“チタン”と総称する）の帯材を製造する圧延ラインや熱処理ライン等では、製品不良が生じやすい被処理材の先端部や後端部にダミ−材を溶接接合して処理を行い、これによってチタン材の製造歩留低下を防止する方策等が採られている。なお、この場合のダミ−材としてはやはりチタン（工業用純チタンあるいは各種チタン合金）を適用するのが一般的である。
【０００３】
【従来技術とその課題】
ところが、チタンは非常に活性な金属であり、そのため溶接等に供されるチタン材は表面が酸化スケ−ル等で覆われているのが普通である（例えば工業用純チタンの熱延板は数μｍ〜数十μｍ厚の酸化スケ−ルで覆われている）。
そこで、チタン材の溶接では、溶接に先立ってチタン表面に存在する酸化スケ−ル等の“チタンと反応して溶接後の品質を阻害する可能性のある物質”を酸洗や研削等の手段によって除去しておき、更に溶接時には、大気による汚染を防止するため溶接部の表裏面を不活性ガス（ＡｒやＨｅ等）にてシ−ルドしつつ溶接するという方法が一般的に採用されている。
そして、この方法によると比較的安定した溶接部特性が確保されることから、例えばチタン帯材の生産ライン等に適用することで生産設備通板時の曲げ等による溶接部割れといったようなトラブルが極力抑えられている。
【０００４】
しかしながら、チタン材の溶接では、ステンレス鋼等といった他材料の溶接に比べて前述したような“溶接前作業の負荷が大きいこと”や“不活性ガス使用によるコストアップ”等の問題が常に存在し、各種チタン製品の製造コスト低減を阻害する要因の１つとなっている。
そのため、例えば中間製品を多量供給する立場であるが故に処理コスト低減要求が特に厳しい前記チタン帯材（チタンコイル）の製造・処理ライン等では、高い作業性と低コストの下で十分な溶接部の強度，延性並びに曲げ性が確保される“ダミ−材とチタンコイルとの溶接接合方法”が特に切望されているのが現状である。
【０００５】
このようなことから、本発明が目的としたのは、作業の煩雑化やコスト増につながる手立てを要することなく、必要な溶接部強度，延性は勿論のこと、その後の処理や加工にも支障を生じることのない“溶接部の良好な曲げ性”をも確保できるチタン材の溶接接合方法を提供することであった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成すべく鋭意研究を行った結果、次に示す一連の知見を得ることができた。
ａ） 純チタン及び各種チタン合金相互間における同種あるいは異種の種々組み合わせの溶接において、母材が酸化スケ−ルで覆われた状況のままで既知の各種溶接法を適用して溶接を行った場合でも、得られる溶接部の常温及び高温での機械的性質（引張り特性）は、伸びがやや低下する程度で強度は殆ど変わらない。また、溶接時の不活性ガスによる表裏面のシ−ルド（アフタ−シ−ルド及びバックシ−ルド）を実施しても、それによる機械的性質（引張り特性）の変化は殆ど認められない。
ｂ） これに対して、溶接部の常温での曲げ性に関しては、溶接に供される母材表面の酸化スケ−ル有無で大きな違いが認められ、従来知見の通り酸化スケ−ルを除去しなければ十分な曲げ性が得られない。
ｃ） ところが、母材表面が酸化スケ−ルで覆われたままの状態で、また不活性ガスによるシ−ルド無しの所謂“無条件”で溶接を行った場合でも、溶接後に溶接部の表皮部分を取り除いてやると、溶接部の曲げ性が回復して満足できる曲げ性を示すチタン溶接継手が得られる。
【０００７】
本発明は、上記知見事項等に基づいてなされたものであり、「溶接によってチタン材同士を接合するに当り、 溶接部分を不活性ガスでシ−ルドすることなく溶接を行った後、 溶接部の表皮を取り除いて溶接部表層に形成されていた酸素リッチなα層の厚さ減少乃至は除去を行うことによって、 曲げ性の良好なチタン溶接継手を作業性良く低コストで得られるようにした点」に特徴を有している。
【０００８】
ここで、溶接に供されるチタン材の材質としては、工業用純チタンや、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金，Ｔｉ−５Ａｌ− ２．５Ｓｎ合金，Ｔｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ合金，Ｔｉ−０．１５Ｐｄ合金等といった既知の各種チタン合金の何れであっても良く、その組み合わせにも格別な制限はない。
また、溶接に供されるチタン材として“熱延材等のような熱間加工のままでスケ−ル除去がなされていないもの”を適用できることは、本発明の大きな特徴点の１つである。しかし、本発明においては、酸洗等を施してスケ−ル除去がなされたチタン材も対象となることは言うまでもない。
そして、本発明で適用される溶接方法としては、ＴＩＧ溶接，プラズマ溶接，ＭＩＧ溶接，電子ビ−ム溶接等、溶融溶接法であれば何れの溶接方法であっても構わない。
なお、本発明で言う「溶接部の表皮」とは溶接部の最外面（表裏面とも）に隣接した表層部を指すものであって、定まった特定の厚さ部分を意味するものではない。
【０００９】
【作用】
以下、本発明をその作用，効果と共に詳述する。
チタン材同士を溶接する場合、酸化スケ−ルが付着した状態のチタン材（例えば熱間圧延のままのチタン材）をそのまま溶接したり、あるいは溶接部位の不活性ガスシ−ルドを行わない所謂“無条件”で溶接したりすると、溶接部は酸化スケ−ルや大気中の酸素の影響を受けて汚染され母材部分よりも硬化するが、強度的には格別に不都合なほどの変化は生じない。
また、この場合、溶接部の常温及び高温における伸びも、母材に比べてやや低下する程度であるものの製品品質に悪影響を及ぼすほどの変化は見られない。
【００１０】
ところが、溶接部の常温での曲げ性は、酸洗等で酸化スケ−ルを除去したチタン材を不活性ガスシ−ルド下で溶接した場合に比べて大きく劣化し、曲げ応力が加わると曲げ部に決定的な欠陥が発生する懸念を抱えたものとなる。
【００１１】
ところで、溶接されたチタン材ではそのＨＡＺ部（熱影響部）はビ−ド部の熱影響によって焼鈍され軟化しているので、溶接部の曲げ性はＨＡＺ部の曲げ性によって決定されることになる。
そこで、本発明者等は、チタン材の溶接においてＨＡＺ部の曲げ性を劣化させる原因を究明すべく研究を行い、次のことを明らかにした。
【００１２】
即ち、熱間圧延され酸化スケ−ルが付着したままのチタン母材について、大気とのシ−ルドを十分に実施した状態で溶接すると、ビ−ド部近傍のＨＡＺ部表面は酸化スケ−ルが消失して銀白色の光沢を有した面に変わる。これは、酸化スケ−ルが溶接の熱影響によって分解し、解離した酸素がＨＡＺ部表面近傍に拡散したために生じた現象である。
この酸素の拡散層は高硬度を呈するものであり、形態的には表面から母材内部に向かって細長い針状のα相が形成されている領域であって（以降“α層”と呼ぶ）、明らかに他の地部分（マトリックス部分）と区別される。
なお、ＨＡＺ部付近の表層に認められるこのα層は、酸洗等で酸化スケ−ルを除去したチタン材を大気中で溶接した場合にも形成される。
【００１３】
本発明者等の研究によると、このα層部分の厚さは、チタン母材や溶接方法の種類に特に影響されずに概ね次の通りとなる。
Ａ） 酸化スケ−ル無しの母材を不活性ガスシ−ルド下で溶接した場合：α層の厚さは０μｍ（α層が生成せず），
Ｂ） 酸化スケ−ル無しの母材を不活性ガスシ−ルド無しで溶接した場合：α層の厚さは約５０μｍ，
Ｃ） 酸化スケ−ル有りの母材を不活性ガスシ−ルド下で溶接した場合：α層の厚さは５０〜１００μｍ，
Ｄ） 酸化スケ−ル有りの母材を不活性ガスシ−ルド無しで溶接した場合：α層の厚さは８０〜１２０μｍ。
【００１４】
そして、チタン材の溶接においてＨＡＺ部の曲げ性を劣化させる主要な原因はこの酸素リッチなα層（例えば酸素濃度が０．０４ｗｔ％の母材部に対してα層では酸素濃度が０．０８〜 ０．１ｗｔ％にもなる）にあり、溶接部の曲げ性は溶接部（特にＨＡＺ部）の表皮に存在するこの酸素リッチなα層を完全に除去するか少なくともその厚さを減じることによって回復できることが、本発明者等の試験によって確認された。
【００１５】
なお、曲げ性を回復するために必要な溶接部表皮の除去厚さについては、溶接施工条件や使用用途により異なるが、工業用チタン部材を製造する場合には溶接部（ＨＡＺ部のみではなく溶接金属部や母材の一部を含んでいても良い）をその外面から５０μｍ以上の深さで層状に除去することによって実際上α層の全部乃至は大半を取り除くことができ、実用上十分な曲げ性を確保することが可能である。
また、溶接部表皮の除去手段については、機械切削，機械研磨，酸性等の何れを採用しても構わない。
【００１６】
上述のように、本発明法を適用すると、例えばチタンの圧延ラインや熱処理ライン等のようにチタン熱延材とチタンダミ−材との迅速を溶接が必要とされる場合に、チタン熱延材の被溶接部分を酸洗してスケ−ル除去することなく、シャ−切断後のスケ−ル付着のままでグラインダ−加工又は機械切削による開先付けを行い、しかもそのまま溶接部表裏面の不活性ガスによるシ−ルド無しで溶接してから溶接部の表皮部を機械切削等で僅かに除去するだけで強度，延性，曲げ性の良好な溶接継手を得ることができるので、作業性や製品コスト面で極めて有利となる。勿論、上記ダミ−材としてチタン熱延材を用いることも可能になるので、製品コスト面で更なる優位性を確保することもできる。
【００１７】
次に、本発明を実施例によって説明する。
【実施例】
まず、溶接継手を作製するための試験材としてＪＩＳで規定するＴＰ２７０Ｃ相当の純チタン熱延板（厚さが ６．０ｍｍで黒皮のままのもの）を複数準備し、その一部については酸洗液（ＨＦ：１〜３ｗｔ％，ＨＮＯ_３ ：１０〜１４ｗｔ％）で処理することにより黒皮（酸化スケ−ル）を除去した。
【００１８】
次いで、これら各試験材に機械加工によってＩ開先を付与してから、表１に示す溶接条件でブラズマ溶接（溶加棒なし）を実施した。
なお、溶接時の表面シ−ルドガス（アフタ−シ−ルドガス），裏面シ−ルドガス（バックシ−ルドガス）及びプラズマのシ−ルドガスとしては何れもＡｒを使用した。
また、プラズマ発生用ガスとしては純Ａｒガスを使用した。
【００１９】
【表１】

【００２０】
そして、このようにして得られた溶接継手の常温での溶接部の機械的性質を表２に、また高温（８００℃）での溶接部の機械的性質を表３に示す。なお、溶接部の機械的性質は、各溶接継手から切り出したＪＩＳ１３Ｂ号試験片を引張り試験片に供して測定した。
【００２１】
【表２】

【００２２】
【表３】

【００２３】
さて、表２に示される結果からも確認できるように、チタン材を酸化スケ−ル付着状況のままで溶接しても、常温での溶接部の機械的性質は酸化スケ−ル除去材を溶接した場合に比べて伸びがやや低下する程度で、 ０．２％耐力，引張強さは殆ど変わらない。
また、アフタ−シ−ルド，バックシ−ルドを実施しても溶接部の機械的性質は殆ど変化せず、溶接部の機械的性質は、“酸化スケ−ル除去材を不活性ガスシ−ルド下で溶接した場合”も“酸化スケ−ル除去処理を行わない黒皮のままの材料を不活性ガスシ−ルドすることなく溶接した場合”もそれほど変わらないことが分かる。
なお、高温での溶接部の機械的性質にも同様のことを指摘できることが、表３に示される結果から明らかである。
【００２４】
一方、表４は、前記表１に示した条件で溶接して得た各チタン溶接継手Ａ〜Ｅをそのまま種々の曲げ半径条件で常温曲げ試験した結果と、表１における試験番号５の条件で溶接して得たチタン溶接継手（Ｅ）に対して更にその溶接部の表皮（両面）を表面から各５０μｍの深さで切削除去したもの（Ｆ）の常温曲げ試験結果と、表１における試験番号５の条件で溶接して得たチタン溶接継手（Ｅ）に対して更にその溶接部の表皮（両面）を表面から各１００μｍの深さで切削除去したもの（Ｇ）の常温曲げ試験結果とを、それぞれ対比して示したものである。
【００２５】
【表４】

【００２６】
表４に示される結果からも明らかなように、チタン溶接継手の常温での曲げ性に関しては溶接に供するチタン材の酸化スケ−ルの有無で大きな違いが見られ、従来の知見通り、酸化スケ−ルを除去しなければ十分な曲げ性が得られないことが分かる。
【００２７】
しかしながら、表４に示される結果は、酸化スケ−ル付着のままで、かつ溶接部の不活性ガスシ−ルド無しの条件にて溶接された溶接部においても、溶接後に溶接部の表皮を表面から５０μｍ程度切削除去して酸素リッチなα層の厚さを減じると、溶接部の曲げ性が大きく改善されることも示している。
また、溶接後に溶接部の表皮を表面から１００μｍ切削除去すると溶接部に生成したα層は殆ど取り除かれてしまうが、このような処理を施すことによって、溶接部の曲げ性は“酸化スケ−ル除去材を不活性ガスシ−ルド下で溶接したチタン溶接継手”と特に変わらない程度にまで改善されることも確認できる。
【００２８】
【効果の総括】
以上に説明した如く、この発明によれば、チタン材のスケ−ル除去処理や溶接部の不活性ガスシ−ルド処理といった手間やコストのかかる作業を要することなく、曲げ性を始めとした溶接部性能の良好なチタン溶接継手を実現することが可能となり、チタン材の溶接接合作業の著しい高能率化，低コスト化が達成できるなど、産業上有用な効果がもたらされる。

Claims (1)

1. 溶接によってチタン材同士を接合するに当り、溶接部分を不活性ガスでシ−ルドすることなく溶接を行った後、溶接部の表皮を取り除いて溶接部表層に形成されていた酸素リッチなα層の厚さ減少乃至は除去を行うことを特徴とする、チタン材の溶接接合方法。