JP4796922B2 - チタン溶接接合体 - Google Patents

Description

本発明は、溶接部の結晶粒が微細なチタン溶接接合体に関する。

チタン材は、海水の耐食性や耐酸性に優れているために、発電所や化学工業用の熱交換器管、海洋構造物、更に電解箔製造用ドラム材等としても使用されている。これらの製品においては、製造工程の中で少なからず溶接を行う必要がある。そのとき、溶接部（本明細書において、溶接部とは溶接金属とその近傍の溶接熱影響部とを合わせた部分を意味する。）の結晶粒の粗大化が生じる。この結晶粒粗大化に起因して強度の低下が生じるため、構造物等では補強等が必要になる。特に電解箔製造用ドラムでは、ドラム表面に電解金属箔を析出させるので、粗大化したチタンドラム表面の結晶粒の凹凸が電解箔に転写され、品質の劣化を引き起こす。

上記の問題を解決するために、溶接方法を制限したり（例えば、特許文献１および特許文献２）、溶接部近傍を冷間加工した後に熱処理を施して細粒化を図る（例えば、特許文献３および特許文献４）という対策が提案されている。しかし、これらの対策は製造コストを上昇させる原因になる。

一方、Ｂを含有させることによって凝固組織を微細化し、チタン材の結晶粒を微細化する方法（例えば特許文献５、特許文献６および特許文献７）が提案されている。しかし、通常の溶解−凝固のヒートパターンは、溶接におけるそれとは大きく異なる。即ち、溶接時には、溶接部は再溶解され、その後に急冷されるから、溶接部の熱履歴は、通常の溶解−凝固のそれとは異なるのである。当然に溶接熱影響部の熱履歴も溶解−凝固のそれとは異なってくる。したがって、特許文献５から７までに提案される方法は、溶接部の組織の微細化に関しては、何らの示唆も与えない。

特開平11−114684号公報 特開2003−311322号公報 特許第2,967,239号公報 特許第3,005,755号公報 特開平5−255780号公報 特開平5−279773号公報 特開2004−277873号公報

本発明の目的は、溶接によって再溶解される溶接金属部およびその周りの熱影響部（前記のとおり、これらを合わせて「溶接部」という。）の結晶粒粗大化のないチタン溶接接合体を提供することにあり、特に、チタン材の結晶粒径が製品の品質に直結する、電着金属箔製造用チタン製ドラムとして用いるのに好適なチタン溶接接合体を提供することにある。

本発明の要旨は「溶接される母材および溶接金属が、Ｂを0.05〜1.0質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるチタン合金であることを特徴とするチタン溶接接合体」にある。

ここで、チタン溶接接合体とは、少なくとも一箇所の溶接接合部を有するチタン材製品であり、その形状は問わない。製品の種類としては、例えば板、管、それらを組み合わせた各種の構造物がある。代表例としては、電着金属箔製造用ドラムがある。

本発明のチタン溶接接合体は、溶接部の結晶粒径が微細であるから、その機械的性質が優れ、電着金属箔製造用ドラムとして用いた場合にも前述の悪影響が生じない。また、本発明のチタン溶接接合体は、母材となるチタン材および溶接材料に所定量のＢを含有させるだけで製造することができるから、製造コストの著しい増加という不利益もない。

以下、本発明のチタン溶接接合体について詳しく説明する。なお、以下において、成分含有量に関する％は「質量％」を意味する。

チタンにＢを添加すると、アーク溶解後にＴｉＢとして晶出し、そのピン止め効果により凝固組織を細粒化する効果がある。その後、鍛造、熱間圧延、必要に応じて冷間圧延、焼鈍を経て、チタン材はさらに細粒化される。

本発明者は、Ｂを含有するチタン合金を溶接材料として溶接した場合、チタン合金が一旦溶解し再凝固する溶接金属部では、上記の凝固組織よりも更に細粒の組織が得られ、鍛造などの加工を受けた製品に近い微細粒径の組織が得られることを見出した。

上記の現象のメカニズムは、未だ明確ではない。しかし、溶接金属部は短時間内に溶解されるために、母材の製造過程の凝固時に晶出したＴｉＢが完全に溶解せず、再凝固時のピン止め効果が発揮されること、および溶接後は急冷されるために、固溶したＢの過飽和度が高くなり、微細なＴｉＢが晶出し、これが強力なピン止め効果を発揮するために鍛造品と同程度の細粒なチタンの溶接金属が得られるものと推測される。

一方、母材がＢを含むチタン合金であれば、溶接金属周辺の熱影響部においては、溶接時の加熱が短時間であることから、母材製造過程の凝固時に晶出したＴｉＢが消失せず、そのピン止め効果により、粒成長が抑制されるものと推測される。

本発明の溶接接合体は、母材としてＢを0.05〜1.0％含有するチタン材を使用し、これを溶接することによって得られる。溶接方法は、ＴＩＧ溶接、電子ビーム溶接等のいずれでもよい。溶接材料（ワイヤ等）を使用する場合は、溶接金属が前記の組成（Ｂを0.05〜1.0％含む組成）となるように組成を調整したものを使用する。

Ｂを0.05〜1.0％含有するチタン材は、溶製時に例えばＢ_４Ｃの粉末を添加することによって製造することができる。Ｂ_４Ｃは溶解時に分解してＴｉＢとして晶出する。このＴｉＢが前述のとおりピン止め効果を発揮して結晶粒の微細化に寄与するのである。

次にＢの含有量について説明する。

前記の粗粒化を防止する効果、言い換えれば細粒化を促進する効果、を得るためには、溶接金属および母材の熱影響部には0.05％以上のＢが含有されていることが必要である。一方、その含有量が1.0％を超えると効果が飽和するばかりか、チタン材の加工性が低下する。以上の理由から、母材および溶接金属のＢ含有量の0.05〜1.0％とする。なお、より好ましい含有量の範囲は、0.05〜0.5％である。

［実施例１］
スポンジチタンに種々の割合のＢ_４Ｃを添加した原料を、非消耗タングステンアーク溶解炉を用い、高純度アルゴン雰囲気で溶製して鋳塊とした。得られた鋳塊を熱間加工して厚さ５ｍｍの板材とした。その板の化学組成を表１に示す。

上記板材から採取した試料に、溶接時の熱影響部の熱履歴に相当する熱履歴の熱処理を施して、結晶粒径に与える影響を調査した。熱処理のヒートパターンを図１に示す。

図２は、試料のＢ含有量とβ−Ｔｉの平均結晶粒径との関係を示す図である。図示のとおり、Ｂ含有量が多くなるにつれて平均結晶粒径が小さくなっている。この結果から、Ｂを0.05％以上含有させることによって、溶接時の熱影響部の結晶粒の粗大化の防止が可能なことが明らかである。

［実施例２］
実施例１と同様の方法でＢを0.8％含有するチタン合金を溶製し、鍛造後、５ｍｍ厚まで熱間圧延し、表面切削を行って黒皮を除去した後、ＴＩＧ溶接を行い、溶接金属部、熱影響部および通常部（母材の溶接熱影響のない部分）のミクロ観察を行った。溶接条件は、アルゴンシール、電圧25Ｖ、電流180Ａ、溶接速度750ｍｍ／minとした。

得られた溶接接合体の通常部（母材の溶接熱影響のない部分）、溶接熱影響部および溶接金属部のそれぞれについて、表層と板厚中心部で顕微鏡観察を行って、結晶粒径を観察した。その結果を図３〜図５に示す。

図３は通常部、図４は溶接熱影響部、図５は溶接金属部である。図４の溶接熱影響部は、図３の通常部とほとんど差のない微細結晶粒である。図５の溶接金属部は、結晶粒がやや粗大であるが、機械的性質等に実質的な悪影響の生じない程度に微細である。

本発明によれば、チタン材および溶接材料に所定量のＢを含有させることによって、溶接時の溶接金属および熱影響部の結晶粒の粗大化を抑制でき、溶接条件を細かく制限する必要がなくなり、また溶接後の加工熱処理を簡略化することができる。本発明のチタン溶接接合材は、微細結晶組織を有するので、機械的性質に優れており、各種の機器や構造物として利用できる。

実施例における試験材の熱処理のヒートパターンを示す図である。 試験材のＢ含有量と平均結晶粒径との関係を示す図である。 本発明のチタン溶接接合体の通常部の顕微鏡組織の図である。 同じく、溶接熱影響部の顕微鏡組織の図である。 同じく、溶接金属部の顕微鏡組織の図である。

Claims (1)

1. 溶接される母材および溶接金属が、Ｂを0.05〜1.0質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるチタン合金であることを特徴とするチタン溶接接合体。

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