JP5856734B2

JP5856734B2 - 白金溶接構造および方法

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Publication number: JP5856734B2
Application number: JP2010271210A
Authority: JP
Inventors: ヘルベルトゴラーマルティーン; マイロンラインマンデイヴィッド
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2030-12-06
Also published as: CN102152015A; TWI530351B; JP2011115854A; TW201127540A; US20110135957A1; KR20110063389A; KR101792255B1

Description

本発明は、溶接構造および方法に関し、より詳しくは、酸化物分散強化型白金および／または白金合金溶接構造および方法を含む、酸化物分散強化型貴金属溶接構造および方法に関する。

酸化物分散強化型貴金属からなる二片を互いに溶接することが知られている。例えば、Ｐｔ−１０ＲｈなどのＰｔ−Ｒｈ族の合金が、白金溶接構造を形成するために互いに溶接されることが知られている。酸化物分散強化型材料の場合、そのような構造の溶接接合部は、基材よりも弱い傾向にある。そのような白金溶接構造は、高温用途に使用されることが知られている。例えば、そのような溶接構造は、フュージョン・ドロー・ガラス製造システムの構成部材などの、ガラス溶融、供給および成形システムにおいてガラス溶融物と接触する構成部材（例えば、接続管、撹拌機構など）から構成されるであろう。

以下は、発明を実施するための形態に記載されたいくつかの例示の態様を基本的に理解できるように、開示の簡単な概要を提示するものである。

貴金属の溶接接合部は、形成された溶接接合部の組成を変えるために溶接材料中に１種類以上の添加剤を含ませることによって強化される。より詳しくは、増加したレベルのＺｒＯ₂および／またはロジウムを含有する溶接接合部は、クリープ破断特性を含む増加した強度の溶接接合部を提供する。このＺｒＯ₂レベルは、溶接接合部中のＺｒレベルを最初に増加させ、溶接接合部を酸化アニールなどにより処理して、ＺｒをＺｒＯ₂に転化することによって、増加させてもよい。

一例において、第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分および第１の白金または白金合金部分に溶接された、第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分を備えた白金溶接構造が提供される。第１と第２の部分の白金合金は、同じ組成のものであっても、異なる組成のものであってもよい。第２の部分は、白金または白金合金溶接ビードを含む溶接接合部により第１の部分に溶接されている。溶接ビードは、第１と第２の部分よりも高いレベルで、Ｚｒ、ＺｒＯ₂およびロジウムからなる群より選択される成分を少なくとも１種類さらに含んでいる。

白金溶接構造を製造する方法も提供される。上述したように、ＺｒＯ₂および／またはロジウムの少なくとも一方を、接合すべき部分に含まれるそのような成分のレベルまたは量と比べて、増加したレベルで含有する溶接接合部または溶接ビードによって接合された酸化物分散強化型白金または白金合金部分の溶接物が提供されるであろう。ＺｒＯ₂レベルは、溶接材料中に含まれるＺｒをＺｒＯ₂に転化することによって、または溶接接合部中のＺｒレベルを最初に増加させ、溶接接合部を、酸化アニーリングなどにより処理して、ＺｒをＺｒＯ₂に転化することによって、溶接プロセス自体の最中に増加させてもよい。先の方法において、クリープ破断強さを含む溶接の強さは、ＺｒＯ₂および／またはロジウムの、接合すべき部分およびそのような部分の材料の溶接充填剤から形成される溶接接合部中のそのような成分のレベルまたは量と比べて増加したレベルによって増大させられる。

本発明のいくつかの態様がここに開示される。これらの態様は、互いに重複してもしなくてもよいことが理解されよう。それゆえ、ある態様の部分が、別の態様の範囲内に含まれてもよく、その逆もまた同様である。文脈にそうではないと記載されていない限り、異なる態様は、範囲において互いに重複するものと考えてよい。

各態様は、数多くの実施の形態により例証され、それらの実施の形態は、転じて、１つ以上の特別な実施の形態を含み得る。その実施の形態は、互いに重複してもしなくてもよいことが理解されよう。それゆえ、１つの実施の形態の一部、またはその特別な実施の形態は、別の実施の形態、またはその特定の実施の形態の範囲内に含まれても含まれなくてもよく、その逆も同様である。文脈にそうではないと記載されていない限り、異なる実施の形態は、範囲において互いに重複するものと考えてよい。

それゆえ、第１の態様によれば、白金溶接構造は、（ｉ）第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分；および（ｉｉ）白金または白金合金溶接ビードを含む溶接接合部によって、第１の白金または白金合金部分に溶接された第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分を有してなり、その溶接ビードが、第１と第２の部分よりも高いレベルでＺｒ、ＺｒＯ₂およびロジウムからなる群より選択される成分を少なくとも１種類さらに含んでいる。

第１の態様のある実施の形態において、溶接ビードは、第１と第２の部分よりも高いレベルでＺｒＯ₂を含む。

第１の態様のある実施の形態において、溶接ビードは、約０．１質量％から約１質量％のＺｒＯ₂を含む。

第１の態様のある実施の形態において、溶接ビードは、約０．２質量％から約１質量％のＺｒＯ₂を含む。

第１の態様のある実施の形態において、溶接ビードは、酸化物分散安定化白金合金を含む。

第１の態様のある実施の形態において、溶接ビードの白金合金は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、および金からなる群より選択される元素を少なくとも１種類含む。

第１の態様のある実施の形態において、溶接ビードの白金合金は、第３の白金−ロジウム合金を含む。

第１の態様のある実施の形態において、第３の白金−ロジウム合金は、少なくとも約１：１の白金対ロジウムの質量比を有する。

第１の態様のある実施の形態において、第３の白金−ロジウム合金は、少なくとも約４：１の白金対ロジウムの質量比を有する。

第１の態様のある実施の形態において、第３の白金−ロジウム合金は、少なくとも約９：１の白金対ロジウムの質量比を有する。

第１の態様のある実施の形態において、第３の白金−ロジウム合金は、第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分および第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分よりも、高いパーセントでロジウムを含む。

第１の態様のある実施の形態において、第１の白金または白金合金部分および第２の白金または白金合金部分の内の少なくとも一方は、白金−ロジウム合金を含む。

本発明の第２の態様は、白金溶接構造を製造する方法において、（Ａ）第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分および第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分を提供する工程、（Ｂ）白金含有溶接材料を提供する工程、および（Ｃ）この白金含有溶接材料により、第１の白金または白金合金部分を第２の白金または白金合金部分に溶接する工程であって、第１と第２の部分よりも高いレベルで、Ｚｒ、ＺｒＯ₂およびロジウムからなる群より選択される成分を少なくとも１種類含む、白金または白金合金溶接ビードを形成する工程を含む工程を有してなる方法に関する。

第２の態様のある実施の形態において、溶接ビードは、第１と第２の部分よりも高いレベルでＺｒＯ₂を含む。

第２の態様のある実施の形態において、溶接ビードは、約０．１質量％から約１質量％のＺｒＯ₂を含む。

第２の態様のある実施の形態において、溶接ビードは、約０．２質量％から約１質量％のＺｒＯ₂を含む。

第２の態様のある実施の形態において、溶接ビードは、酸化物分散安定化白金合金を含む。

第２の態様のある実施の形態において、溶接ビードの第３の白金合金は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、および金からなる群より選択される元素を少なくとも１種類含む。

第２の態様のある実施の形態において、第３の白金−ロジウム合金は、少なくとも約１：１の白金対ロジウムの質量比を有する。

第２の態様のある実施の形態において、少なくとも１種類の成分はＺｒであり、溶接ビード中のＺｒＯ₂レベルが第１と第２の部分におけるよりも大きくなるようにこのＺｒの少なくとも一部をＺｒＯ₂に転化させる工程をさらに含む。

第２の態様のある実施の形態において、第３の白金−ロジウム合金は、第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分および第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分よりも、高いパーセントでロジウムを含む。

第２の態様のある実施の形態において、溶接工程において、溶接材料は、ＺｒＯ₂のＺｒへの還元を防ぐために、酸化雰囲気中に保持される。

これらと他の態様は、添付の図面を参照して以下の発明を実施するための形態を読んだときに、よりよく理解されるであろう。

本発明にしたがって互いに溶接すべき第１と第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分の一例の平面図溶接棒および溶接トーチにより部分的に溶接されている部分を示す、図１に似た平面図溶接前の互いに接触して配置されている部分を示す、図２の線３−３に沿った断面図２つの部分を接合するために溶接棒および溶接トーチによって形成されている溶接接合部を示す、図２の線４−４に沿った断面図白金または白金合金溶接ビードを含む、本発明のある実施の形態による溶接接合部により互いに完全に溶接された部分を示す平面図溶接されていないシート素材および異なる溶接充填剤により溶接されたシート素材のクリープ破断データを示すグラフ異なる溶接充填剤により溶接されたシート素材の寿命予測を示すグラフ

ここで、例示の実施の形態が示された添付の図面を参照して、実施例を以下により詳しく説明する。可能な限り、同じまたは同様の部品を称するために、図面に亘り同じ参照番号が使用されている。しかしながら、態様は、多くの異なる形態で実現してよく、ここに述べられた実施の形態に制限されるものと解釈すべきではない。

白金溶接構造または溶接物は、様々な酸化物分散強化型白金または白金合金部分により形成されるであろう。そのような白金溶接構造は、ガラス溶融、供給、取扱い、状態調節および成形システムの構成部材などの様々な高温用途に使用してよい。そのような用途において、白金溶接構造としては、フュージョン・ドロー・ガラス成形プロセスにまたはそのために使用されるものなどの、撹拌機構、接続管、取付部品またはガラス溶融、供給、状態調節、取扱い成形システムの他の構成部材が挙げられる。

第１と第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分１０１，１０３を有してなるそのような構造の例が図１に示されている。図のように、第１の部分１０１は第１の溶接エッジ１０５を備え、第２の部分１０３は第２の溶接エッジ１０７を備えている。第１と第２の部分１０１，１０３は、同じまたは異なる組成を有していてよい。例えば、酸化物分散強化型部分１０１，１０３は、各々が、白金、同じまたは異なる白金合金もしくはそれらの組合せから形成されていてよい。第１と第２の部分１０１，１０３の内の少なくとも一方は、酸化物分散強化型白金−ロジウムを含んでよい。例示の酸化物分散強化型白金−ロジウム合金としては、Ｐｔ−１０ＲｈおよびＰｔ−２０Ｒｈが挙げられる。

図１に示すように、第１と第２の部分１０１，１０３は、矢印の方向に互いに向かって動かされる。次いで、図３に示すように、第１の部分１０１の第１の溶接エッジ１０５が第２の部分１０３の第２の溶接エッジ１０７と接触させられる。第１の部分１０１を第２の部分１０３に効果的に溶接するために、第１と第２の溶接エッジ１０５，１０７は、互いに対して密接に配置され、例えば、互いに接触させられ、それらの間に溶接接合部を形成するための区域を提供してよい。図のように、第１の溶接エッジ１０５および第２の溶接エッジ１０７は、溶接接合部が形成される空間３０１を形成するために、テーパー状にすることもできる。

本発明のある実施の形態によれば、溶接棒２０１は、第１と第２の部分より高いレベルで、Ｚｒ、ＺｒＯ₂および／またはＲｈからなる群より選択される成分を少なくとも１種類含む添加剤を含む白金含有溶接材料から形成されている。溶接中、溶接材料中のＺｒは、利用できる酸素によりＺｒＯ₂を形成する。これにより得られた溶接ビードまたは接合部は、第１と第２の部分よりも高いレベルでＺｒＯ₂および／またはＲｈを含有する。また、上述したように、溶接ビードは高レベルのＺｒを含有していてよく、これは、酸化アニーリングなどのその後の加工処理によって、少なくとも一部はＺｒＯ₂に転化される。したがって、溶接棒または充填剤は、増加したクリープ破断抵抗を含む増加した強さを有する溶接接合部を形成するのに十分な量でＺｒ、ＺｒＯ₂および／またはＲｈを含む。

白金含有溶接材料の例としては、酸化物分散安定化白金合金が挙げられる。この酸化物分散安定化白金合金は、約０．２質量％から約２質量％のＺｒＯ₂、または約０．４質量％から約２質量％のＺｒＯ₂を含有してよい。ＺｒＯ₂の上限は、溶接材料の製造適性および溶接構造の形状要件により決定される。白金含有溶接材料は白金合金溶接材料であってよい。白金合金溶接材料は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金などの他の金属を含んでもよい。一例において、白金合金溶接材料は白金−ロジウム合金である。白金−ロジウム合金溶接材料中のロジウムのパーセントは、４０質量％より高くてよいが、約１０質量％から約４０質量％までの範囲内にあってもよい。

図４に示すように、溶接棒２０１が、第１と第２の溶接エッジ１０５，１０７を一緒に配置することによって形成された空間３０１に隣接して配置されている。トーチ２０３および溶接棒２０１を使用して、部分１０１，１０３が互いにトーチ溶接されて、溶接ビード２０５が形成される。この溶接方法は、ＴＩＧ溶接などの任意の標準的な溶接方法を含み、鍛接などの特別な溶接方法は必要ない。

上述した溶接方法を使用することによって、図５に示すように、白金溶接構造５０１が形成される。この白金溶接構造５０１は、第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分１０１、第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分１０３、および溶接接合部５０３を有してなる。この溶接接合部５０３は溶接ビード２０５を含んでいる。

溶接棒２０１およびその中の特定の添加剤の組成にしたがって、溶接ビード２０５は、第１と第２の部分１０１，１０３よりも高いレベルでＺｒＯ₂および／またはＲｈを含有し、Ｒｈについては約０．４質量％から５０質量％までである。一例において、溶接ビード２０５は、第１と第２の部分１０１，１０３よりも高いレベルでＺｒＯ₂を含む。別の例において、溶接ビード２０５は、約０．１質量％から約１質量％のＺｒＯ₂、または約０．２質量％から約１質量％のＺｒＯ₂を含む。溶接ビード中の増加したレベルのＺｒＯ₂のために、溶接接合部の機械的性能が向上する。より高いレベルのＺｒおよび／またはＺｒＯ₂を有する溶接材料は、溶接ビード２０５中のより高いＺｒＯ₂の残留レベルを提供し、このことは、溶接ビード２０５の改善されたクリープ挙動に寄与する。あるいは、溶接ビード２０５は、第１と第２の部分よりも高いレベルで、約５０質量％までロジウムを含んでよい。一例において、溶接ビードは、約１０質量％から約５０質量％まで、より好ましくは約３０質量％から約５０質量％までのレベルでＲｈを含有してもよい。溶接ビード２０５中のより高いロジウムレベルは、溶接ビード２０５の改善された機械的強さも提供する。一例において、溶接材料はＰｔ−５０Ｒｈを含む。

溶接ビード２０５は、酸化物分散安定化白金合金を含んでもよい。溶接ビード２０５の白金合金は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金などの他の金属を含んでもよい。一例において、溶接ビード２０５の白金合金は、白金−ロジウム合金である。溶接ビード２０５の白金−ロジウム合金中の白金対ロジウムの比は、少なくとも約１：１、または少なくとも約４：１、または少なくとも約９：１であってよい。

図５に示された白金溶接構造５０１を、１７００℃でのＡＳＴＭＥ１３９様式のクリープ破断試験を使用することによって、機械的強さについて試験する。このクリープ破断試験を使用は、白金溶接構造５０１上に一定の応力を印加し、白金溶接構造５０１の破断に必要な、時間で表された期間を測定することによって行われる。

試験目的のために、第１と第２の部分１０１，１０３を、厚さが０．０３０インチ（約０．７５０ｍｍ）であり、９０質量％の白金、１０質量％のロジウムおよび０．１６〜０．２質量％のＺｒＯ₂を含有する組成を有する市販のシート素材から形成した。これらの部分を、表１に報告された以下の組成の溶接棒２０１を使用して、上述したように溶接した。

材料１は、製造された材料片として形成された、したがって、同じ組成を有する、溶接棒または充填剤を使用したやり方を示している。材料２は、本発明のある実施の形態によるものであり、溶接ビード２０５に、第１と第２の部分に含まれるよりも多いＺｒＯ₂含有量を与える。材料３は、材料１とは異なるプロセスから製造されている。材料３は、溶接後に、材料１より高いレベルのＺｒＯ₂をもたらすと考えられる。材料３は微量の希土類をさらに含む。

材料１〜３を使用して得られた溶接構造にクリープ破断試験を行う。図６はクリープ破断試験の結果を示しており、ここで、ｘ軸は時間で表された期間を示し、ｙ軸はＭＰａで表された応力を示す。図６に示された三角形のデータ点６０１により表されるように、溶接されていないシート素材は破断せず、試験を中止した。他方で、図６によれば、材料３で溶接されたシート素材は線６０７により表され、これは最良の結果を示し、次に、線６０５により表される材料２、次いで、線６０３により表される材料１が続く。実際に、材料１と比較した材料２の増加したクリープ破断特徴は、方向６０９に沿った、線６０３に対する線６０５のシフトにより表される。同様に、材料１と比較した材料３の増加したクリープ破断特徴は、方向６１１に沿った、線６０３に対する線６０７のシフトにより表される。溶接材料中のＺｒＯ₂の量が０．１６〜０．２質量％から０．４質量％に増加したときに、クリープ破断特徴が、ＭＰａで表された同じ応力下で劇的に改善することが図６から明らかである。

図７は、上述した材料１、２および３の各々を使用して調製したクリープ破断溶接物の寿命予測を示している。ｘ軸はＭＰａで表された応力を示し、ｙ軸は時間で表された期間を示す。材料１は関数７０３により表され、材料２は関数７０５により表され、材料３は関数７０７により表される。図７に示されるように、寿命クリープ破断性能も、溶接材料中のＺｒＯ₂のレベルが０．１６〜０．２質量％から０．４質量％に増加するにつれて、材料１から材料２へと劇的に改善される。

本発明によれば、機械的強さが改善された溶接構造が提供される。改善された機械的強さは、溶接構造をより薄くできることによって、コスト削減の努力に寄与するであろう。例えば、溶接構造の厚さを０．０４０インチ（約１ｍｍ）から０．０３０インチ（約０．７５ｍｍ）に減少させることが可能である。

請求項に記載された本発明の精神および範囲から逸脱せずに、様々な改変および変更を行えることが当業者には明らかであろう。

１０１，１０３酸化物分散強化型白金または白金合金部分
１０５，１０７溶接エッジ
２０１溶接棒
２０３溶接トーチ
２０５溶接ビード
５０１白金溶接構造
５０３溶接接合部

Claims

白金溶接構造において、
第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分、および
白金または白金合金溶接ビードを含む溶接接合部により前記第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分に溶接された第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分を有してなり、
前記溶接ビードが、前記第１と第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分よりも高いレベルで、ロジウム、またはロジウムとＺｒおよび/またはＺｒＯ₂ の組合せをさらに含むものである、
白金溶接構造。
前記溶接ビードが、前記第１と第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分よりも高いレベルでＺｒＯ₂を含むことを特徴とする請求項１記載の白金溶接構造。
前記溶接ビードが約０．１質量％から約１質量％のＺｒＯ₂を含むことを特徴とする請求項２記載の白金溶接構造。
前記溶接ビードが第３の酸化物分散安定化白金合金を含むことを特徴とする請求項１または２記載の白金溶接構造。
白金溶接構造を製造する方法において、
第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分および第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分を提供する工程、
白金含有溶接材料を提供する工程、および
前記白金含有溶接材料により、前記第１の酸化物分散強化型白金または白金合金部分を前記第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分に溶接する工程であって、この溶接する工程が、前記第１と第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分よりも高いレベルで、ロジウム、またはロジウムとＺｒおよび/またはＺｒＯ₂ の組合せを含む白金または白金合金溶接ビードを形成することを含む、溶接する工程、
を有してなる方法。
前記溶接ビードが、前記第１と第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分よりも高いレベルでＺｒＯ₂を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
前記溶接ビードが約０．１質量％から約１質量％のＺｒＯ₂を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
前記溶接ビードが酸化物分散安定化白金合金を含むことを特徴とする請求項５または６記載の方法。
前記溶接ビードがＺｒを含み、前記溶接ビード中のＺｒＯ₂レベルが第１と第２の酸化物分散強化型白金または白金合金部分におけるよりも大きくなるように該Ｚｒの少なくとも一部をＺｒＯ₂に転化させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項５または６記載の方法。
前記溶接する工程において、前記溶接材料が、ＺｒＯ₂のＺｒへの還元を防ぐために、酸化雰囲気中に保持されることを特徴とする請求項５または６記載の方法。
前記溶接ビードが５０質量％までの量のロジウムを含むことを特徴とする請求項１記載の白金溶接構造。
前記溶接ビードが５０質量％までの量のロジウムを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。