JP6408824B2 - Metal clad welding material and method for producing metal clad welding material - Google Patents
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Description
本発明は、金属クラッド材を溶接して得た金属クラッド溶接材およびその製造方法に関し、とりわけ、融点差が大きい金属をクラッドして得たクラッド材同士を溶接した溶接材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a metal clad weld material obtained by welding metal clad materials and a method for producing the same, and more particularly to a weld material obtained by welding clad materials obtained by clad metals having a large melting point difference and a method for producing the same.
異なる2種類の金属(純金属または合金)をクラッドしたクラッド材が知られている。クラッド材の一例として、特許文献1は、マグネシウム合金と、例えばチタンまたはチタン合金等である別の金属とのクラッド材を開示している。マグネシウム合金とチタン合金(または純チタン)とのクラッド材の場合、耐食性に優れ、かつ高い比強度を有するチタンの特性と軽量でかつ比較的高い強度を有するマグネシウム合金の特性を活かして、軽量でかつ高い耐食性と、高い強度を実現できるという利点を有している。
このように、2種類の金属をクラッドしたクラッド材は、それぞれの金属の長所を活用し、1種類の金属からなる素形材では得ることができない特性を得ることができる。
A clad material in which two different kinds of metals (pure metal or alloy) are clad is known. As an example of a clad material, Patent Document 1 discloses a clad material of a magnesium alloy and another metal such as titanium or a titanium alloy. In the case of clad material of magnesium alloy and titanium alloy (or pure titanium), it is lightweight by taking advantage of the characteristics of titanium with excellent corrosion resistance and high specific strength and the characteristics of magnesium alloy that is lightweight and relatively high in strength. And it has the advantage that high corrosion resistance and high strength can be realized.
Thus, the clad material clad with two types of metals can take advantage of the advantages of the respective metals and obtain characteristics that cannot be obtained with a shape material made of one type of metal.
しかし、クラッド材の中には、溶接を行うことが困難なものがある。例えば、上述のマグネシウム合金とチタンとのクラッド材同士を従来の溶接方法を用いて、溶接しようとすると、融点が高いチタンを溶融するまで加熱すると、融点の低いマグネシウム合金も同じように昇温され、沸点を超えて気化してしまい溶接材を得ることができない。このようなマグネシウム合金とチタン合金のように、クラッドされている2種類の金属の融点が、例えば800℃以上と大きく異なる場合、従来の溶接方法では、溶接時に融点が高い方の金属を加熱して溶融させると、融点の低い金属も同じように昇温され、蒸発してしまうまたは流出してしまう等の過熱現象を生じ、溶接が行えなかった。
このため、クラッド材を例えば、パイプ形状、より広い表面積を有する板材および角筒形状のような所望の形状に加工することが困難となり、これらクラッド材の用途が制限されるという問題があった。
However, some cladding materials are difficult to weld. For example, if the clad material of the above magnesium alloy and titanium is to be welded using a conventional welding method, if the titanium having a high melting point is heated until it is melted, the magnesium alloy having a low melting point is similarly heated. , It evaporates beyond the boiling point, making it impossible to obtain a welding material. When the melting points of two kinds of clad metals such as magnesium alloy and titanium alloy are greatly different from, for example, 800 ° C. or more, the metal having the higher melting point is heated by the conventional welding method. When it was melted in this manner, the metal having a low melting point was heated in the same manner, causing an overheating phenomenon such as evaporation or outflow, and welding could not be performed.
For this reason, it becomes difficult to process the clad material into a desired shape such as a pipe shape, a plate material having a larger surface area, and a rectangular tube shape, and there is a problem in that the use of the clad material is limited.
そこで本願発明は、融点が800℃以上と大きく異なる2種類の金属をクラッドしたクラッド材を溶接した溶接材を提供することおよび当該溶接材の製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a welding material obtained by welding a clad material clad with two kinds of metals having melting points greatly different from 800 ° C. or higher, and to provide a method for manufacturing the welding material.
本発明の1つの態様は、1)第1の金属より成る第1金属層と、第1の金属よりも融点が800℃以上高くかつ熱伝導率が3分の1以下である第2の金属より成る第2金属層とをクラッドしたクラッド材の端部を2つ対向して配置する工程と、2)前記第1金属層の表面を冷却しながら、前記第2金属層の表面の一部にレーザを照射し、前記2つの端部の少なくとも一方の前記第2金属層の一部を溶融し、かつ前記第2の金属からの熱伝達により、前記2つの端部の前記第1金属層の少なくとも一方の一部を溶融する工程と、3)溶融した前記第1の金属および溶融した前記第2の金属を凝固させることにより、前記2つの端部の未溶融部分を繋ぐ凝固部を形成する工程と、を含むことを特徴とするクラッド溶接材の製造方法である。 One aspect of the present invention is: 1) a first metal layer made of a first metal, and a second metal having a melting point higher than that of the first metal by 800 ° C. or higher and a thermal conductivity of 1/3 or less. A step of disposing two opposite ends of the clad material clad with the second metal layer, and 2) a part of the surface of the second metal layer while cooling the surface of the first metal layer The first metal layer at the two end portions is irradiated with a laser to melt a part of the second metal layer at at least one of the two end portions and transfer heat from the second metal. A step of melting a part of at least one of 3), and 3) solidifying the molten first metal and the molten second metal to form a solidified portion that connects the unmelted portions of the two ends. A process for producing a clad welding material.
また、本発明の別の1つの態様は、第1の金属より成る第1金属層と、第1の金属よりも融点が800℃以上高くかつ熱伝導率が3分の1以下である第2の金属より成る第2金属層とをクラッドしたクラッド部と、2つの前記クラッド部の間を繋ぎ、凝固組織を有する溶接部と、を含み、前記凝固部は、前記2つのクラッド部それぞれの前記第1金属層を繋ぎ、かつ第1の金属から成る第1凝固部と、前記2つのクラッド部それぞれの前記第2金属層を繋ぎ、かつ第2の金属から成る第2凝固部と、を有し、前記2つのクラッド部を結ぶ方向において、前記第1凝固部の表面の長さが、前記第2凝固部の表面の長さよりも長いことを特徴とするクラッド溶接材である。 According to another aspect of the present invention, there is provided a first metal layer made of the first metal, a second metal having a melting point higher than that of the first metal by 800 ° C. or higher and a thermal conductivity of one third or less. A clad portion clad with a second metal layer made of a metal, and a welded portion connecting between the two clad portions and having a solidified structure, wherein the solidified portion is a portion of each of the two clad portions. A first solidified portion connecting the first metal layers and made of the first metal; and a second solidified portion connecting the second metal layers of each of the two cladding portions and made of the second metal. And the length of the surface of the said 1st solidification part is longer than the length of the surface of the said 2nd solidification part in the direction which connects the said 2 clad part, It is a clad welding material characterized by the above-mentioned.
本発明により、融点が800℃以上と大きく異なる2種類の金属をクラッドしたクラッド材を溶接したクラッド溶接材を提供することが可能となる。またこのような溶接材の製造方法の提供も可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a clad weld material obtained by welding clad materials clad with two kinds of metals having melting points greatly different from 800 ° C. or higher. Also, it is possible to provide a method for manufacturing such a welding material.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであり、本発明の技術的範囲を限定することを意図したものではないことに留意されたい。1つの実施形態において説明する構成は、特段の断りがない限り、他の実施形態にも適用可能である。以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語(例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語)を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, it should be noted that the embodiments described below are intended to embody the technical idea of the present invention and are not intended to limit the technical scope of the present invention. The configuration described in one embodiment is applicable to other embodiments unless otherwise specified. In the following description, terms indicating a specific direction or position (for example, “up”, “down”, “right”, “left” and other terms including these terms) are used as necessary. The use of the terminology is intended to facilitate understanding of the invention with reference to the drawings, and the technical scope of the present invention is not limited by the meaning of these terms.
本願発明者は鋭意検討した結果、第1の金属と、第1の金属よりも融点が800℃以上高い第2の金属の2種類の金属をクラッドしたクラッド材であっても、第2の金属の熱伝導率が、第1の金属の熱伝導率の3分の1以下と小さい場合はクラッド材の端部同士を溶接できる方法を見いだしたものである。 As a result of intensive studies by the inventors of the present application, even if the clad material clad with two kinds of metals, that is, a first metal and a second metal whose melting point is 800 ° C. or higher than the first metal, the second metal In the case where the thermal conductivity of the first metal is as small as one-third or less of the thermal conductivity of the first metal, a method for welding the ends of the clad material has been found.
本発明に係るクラッド溶接材の製造方法(溶接方法)では、第1の金属から成る第1金属層と第2の金属から成る第2金属層とをクラッドしたクラッド材において、端部同士を対向させて配置した後、第1金属層の表面を冷却しながら、第2金属層の表面をレーザ照射することにより溶接を行う。第2金属層は、レーザ光線のエネルギーにより溶融する。そしてレーザ光線により加熱昇温された第2金属層からの熱伝達により、融点の低い第1金属層が溶融する。
この際に、第1金属層は、第2金属層と比べて熱伝導率が3倍以上大きくかつその表面が冷却されていることから、比較的ゆっくりと第2金属層内を伝導し、第1金属層と第2金属層の界面に達した熱は、第1金属層に伝達され、その相当部分は内部を速い速度で伝導し、冷却している表面に達して第1金属層の外部に伝達される。
このため、第1金属層の昇温速度が第2金属層と比べ、かなり遅くなり、融点差が800℃以上あるにも関わらず、第1金属層が過熱状態に陥ることを抑制できる。
この結果、第1金属層と第2金属層の両方を適切な状態で溶融できる。その後、冷却し、この溶融した第1の金属および第2の金属を凝固させることで凝固部(溶接部)を形成できる。
以下に、この本願発明に係るクラッド溶接材の製造方法の詳細を説明する。
In the clad welding material manufacturing method (welding method) according to the present invention, the ends of the clad material clad with the first metal layer made of the first metal and the second metal layer made of the second metal are opposed to each other. Then, welding is performed by irradiating the surface of the second metal layer with a laser while cooling the surface of the first metal layer. The second metal layer is melted by the energy of the laser beam. The first metal layer having a low melting point is melted by heat transfer from the second metal layer heated and heated by the laser beam.
At this time, the first metal layer has a thermal conductivity that is at least three times larger than that of the second metal layer and its surface is cooled, so that the first metal layer conducts in the second metal layer relatively slowly. The heat that reaches the interface between the first metal layer and the second metal layer is transferred to the first metal layer, and a substantial part of the heat is conducted through the interior at a high speed, and reaches the cooling surface to reach the outside of the first metal layer. Is transmitted to.
For this reason, the temperature increase rate of the first metal layer is considerably slower than that of the second metal layer, and the first metal layer can be prevented from falling into an overheated state even though the melting point difference is 800 ° C. or more.
As a result, both the first metal layer and the second metal layer can be melted in an appropriate state. Thereafter, the solidified portion (welded portion) can be formed by cooling and solidifying the molten first metal and second metal.
Below, the detail of the manufacturing method of the clad welding material which concerns on this invention of this application is demonstrated.
1.クラッド溶接材の製造方法
図1は、本発明の1つの実施形態に係るクラッド溶接材の製造方法を例示する模式斜視図である。
(1)クラッド材
2つのクラッド材3(図1では、一方をクラッド材3Aとして示し、他方をクラッド材3Bとして示した)を用意する。クラッド材3(3A、3B)は、第1の金属より成る第1金属層1と、第2の金属より成る第2金属層2とがクラッド(接合)されている。
第2の金属の融点は第1の金属の融点よりも800℃以上高く、好ましくは900℃以上高い。すなわち、第1の金属と第2の金属は、従来の溶接方法では、クラッド材同士の溶接を行うことが困難であった金属の組み合わせである。
1. Clad Welding Material Manufacturing Method FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating a cladding welding material manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
(1) Cladding material Two cladding materials 3 (in FIG. 1, one is shown as the cladding material 3A and the other is shown as the cladding material 3B) are prepared. In the clad material 3 (3A, 3B), a first metal layer 1 made of a first metal and a second metal layer 2 made of a second metal are clad (bonded).
The melting point of the second metal is 800 ° C. or higher, preferably 900 ° C. or higher, than the melting point of the first metal. That is, the first metal and the second metal are a combination of metals that have been difficult to weld between clad materials by conventional welding methods.
第2の金属の熱伝導率は、第1の金属の熱伝導率の3分の1以下である。このように第1の金属が第2の金属と比べて相当大きな熱伝導率を有することから、本発明に係る製造方法を用いることで、2つのクラッド材同士の溶接を行うことができる。なお、熱伝導率は温度とともに変化するが、ここでいう熱伝導率は室温における熱伝導率を意味する。
このような条件を満たす限り、第1の金属と第2の金属は任意の金属であってよい。
第1の金属としてマグネシウム(純マグネシウム)、マグネシウム合金、アルミニウム(純アルミニウム)およびアルミニウム合金のいずれか1つを例示できる。好ましいマグネシウム合金として、AZ61合金を含むAZ合金を例示でき、このようなAZ合金に対応する組成範囲として、Al:1.4〜10.0質量%、Zn:0.2〜1.4質量%、残部:Mgと合計で4.0質量%以下のその他の元素(その他の元素の1つの例は、不可避的不純物であり、別の例は、0.2〜1.0質量%のMnおよび/または0.025〜2.5質量%のCaと不可避的不純物)を例示できる。
第2の金属として、チタン(純チタン)、チタン合金、鉄および鉄合金(鋼(ステンレス鋼を含む)を含む概念)を例示できる。
The thermal conductivity of the second metal is 1/3 or less of the thermal conductivity of the first metal. As described above, since the first metal has a considerably higher thermal conductivity than the second metal, the two cladding materials can be welded together by using the manufacturing method according to the present invention. In addition, although heat conductivity changes with temperature, heat conductivity here means the heat conductivity in room temperature.
As long as such a condition is satisfied, the first metal and the second metal may be any metal.
Examples of the first metal include magnesium (pure magnesium), magnesium alloy, aluminum (pure aluminum), and aluminum alloy. Examples of preferred magnesium alloys include AZ alloys including AZ61 alloy, and the composition ranges corresponding to such AZ alloys include Al: 1.4 to 10.0 mass%, Zn: 0.2 to 1.4 mass%. , Balance: Mg and other elements up to 4.0% by mass in total (one example of other elements is unavoidable impurities, another example is 0.2 to 1.0% by mass of Mn and And / or 0.025 to 2.5 mass% of Ca and inevitable impurities).
Examples of the second metal include titanium (pure titanium), titanium alloy, iron, and iron alloy (a concept including steel (including stainless steel)).
第1の金属の主成分と第2の金属の主成分との間に金属間化合物が形成されないことが好ましい。凝固時に多量の金属間化合物を形成すると、得られる溶接部が十分な延性を有しない場合があるからである。
ここで、「主成分」とは、質量比で最も多くの比率を占める元素を意味し、好ましい実施形態の1つでは、質量比で50%以上含まれる元素を意味する。
It is preferable that no intermetallic compound is formed between the main component of the first metal and the main component of the second metal. This is because, when a large amount of intermetallic compound is formed during solidification, the obtained welded portion may not have sufficient ductility.
Here, the “principal component” means an element that occupies the largest ratio by mass ratio, and in one preferred embodiment, means an element that is contained by 50% or more by mass ratio.
また、第1の金属と第2の金属の両方が溶融し凝固する過程で、第1の金属の主成分と第2の金属の主成分とが混合せずに(合金化せずに)2相分離状態となることが好ましい。第1の金属(少なくとも第1の金属の主成分)と第2の金属(少なくとも第2の金属の主成分)とが相分離することにより、得られた溶接部内において第1金属層に相当する第1の金属から成る第1凝固部と第2金属層に相当する第2の金属から成る第2凝固部を得ることができるからである。これについては、詳細を後述する。
なお、このような互いの主成分間で金属間化合物を形成しない、および/または互いの主成分間で相分離が生ずる、第1の金属と第2の金属の組み合わせは、例えば、第1の金属の主成分と第2の金属の主成分の2元系状態図を参照し、それぞれ、金属間化合物を形成するか、および/または互いの元素に対する固溶限が十分に小さいかを確認することで予測することができる。
Further, in the process in which both the first metal and the second metal are melted and solidified, the main component of the first metal and the main component of the second metal are not mixed (not alloyed) 2. A phase separation state is preferred. The first metal (at least the main component of the first metal) and the second metal (at least the main component of the second metal) are phase-separated to correspond to the first metal layer in the obtained welded portion. This is because the first solidified portion made of the first metal and the second solidified portion made of the second metal corresponding to the second metal layer can be obtained. Details will be described later.
Such a combination of the first metal and the second metal that does not form an intermetallic compound between the main components and / or causes phase separation between the main components is, for example, the first metal Referring to the binary phase diagram of the main component of the metal and the main component of the second metal, respectively, confirm whether to form an intermetallic compound and / or whether the solid solubility limit of each element is sufficiently small Can be predicted.
互いの主成分間で金属間化合物を形成せず、かつ互いの主成分間で相分離が生ずる、第1の金属と第2の金属の好ましい組み合わせとして、マグネシウムまたはマグネシウム合金である第1の金属と、チタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択される1つである第2の金属との組み合わせを挙げることができる。なお、ここで鉄合金とは、鋼を含む概念であり、鋼はステンレス鋼を含む概念である。また、「マグネシウム合金」のように金属元素名の後に「合金」が付された場合、当該金属元素が主成分である合金を意味する。すなわち、「マグネシウム合金」とはマグネシウムを主成分とする合金を意味する。 As a preferred combination of the first metal and the second metal, an intermetallic compound is not formed between the main components of each other, and phase separation occurs between the main components of the first metal, which is magnesium or a magnesium alloy. And a combination of a second metal that is one selected from titanium, a titanium alloy, iron, and an iron alloy. Here, the iron alloy is a concept including steel, and the steel is a concept including stainless steel. Further, when “alloy” is added after the name of a metal element such as “magnesium alloy”, it means an alloy containing the metal element as a main component. That is, “magnesium alloy” means an alloy containing magnesium as a main component.
これらの中でも、例えば特許文献1に示されるような、第1の金属がマグネウシムまたはマグネシウム合金であり、第2の金属がチタンまたはチタン合金であるクラッド材3が好ましい。チタンおよびチタン合金は、優れた耐食性を有するとともに比強度が高いという利点があり、これを軽量でかつ比較的高い強度を有するマグネシウムまたはマグネシウム合金と組み合わせたクラッド材3は、より確実に、優れた耐食性、高い強度および軽量化を達成できるからである。また、第1の金属がマグネウシムまたはマグネシウム合金であり、第2の金属がチタンまたはチタン合金である場合、第2の金属の熱伝導率が、より確実に第1の金属の熱伝導率の3分の1以下になるという利点を有する。
しかし、チタンは融点が1668℃と高い。一方、マグネシウムは融点が650℃と低く、沸点も1090℃とチタンの融点よりも500℃以上低い。このため、従来の溶接方法ではチタンまたはチタン合金を溶融させるとマグネシウムまたはマグネシウム合金はその大半が気化してしまい溶接を行うことができなかった。
Among these, for example, as shown in Patent Document 1, a clad material 3 in which the first metal is magnesium or a magnesium alloy and the second metal is titanium or a titanium alloy is preferable. Titanium and titanium alloy have the advantage that they have excellent corrosion resistance and high specific strength, and the clad material 3 combined with magnesium or a magnesium alloy having light weight and relatively high strength is more reliable and excellent. This is because corrosion resistance, high strength and light weight can be achieved. Further, when the first metal is magnesium or a magnesium alloy and the second metal is titanium or a titanium alloy, the thermal conductivity of the second metal is more reliably 3 of the thermal conductivity of the first metal. It has the advantage of being less than a fraction.
However, titanium has a high melting point of 1668 ° C. On the other hand, magnesium has a melting point as low as 650 ° C. and a boiling point of 1090 ° C., which is 500 ° C. lower than the melting point of titanium. For this reason, in the conventional welding method, when titanium or a titanium alloy is melted, most of the magnesium or the magnesium alloy is vaporized and welding cannot be performed.
なお、クラッド材3の第1金属層1と第2金属層2は、好ましくは、加工組織または加工組織を熱処理した熱処理組織を有している。強度および延性等の好ましい特性を得ることができるからである。加工組織として、圧延組織(熱間もしくは温間圧延組織、または冷間圧延組織)および引き抜き組織を例示できる。加工組織を熱処理した熱処理組織として回復組織および再結晶組織、あるいは析出組織を例示できる。 The first metal layer 1 and the second metal layer 2 of the clad material 3 preferably have a processed structure or a heat-treated structure obtained by heat-treating the processed structure. This is because preferable characteristics such as strength and ductility can be obtained. Examples of the processed structure include a rolled structure (hot or warm rolled structure, or cold rolled structure) and a drawn structure. Examples of the heat-treated structure obtained by heat-treating the processed structure include a recovered structure, a recrystallized structure, and a precipitated structure.
クラッド材3は、圧延(例えば、特許文献1に記載の方法)、引き抜き、爆発接合、拡散接合を含む任意の方法で作製されてよい。 The clad material 3 may be produced by any method including rolling (for example, the method described in Patent Document 1), drawing, explosion bonding, and diffusion bonding.
また、図1に示す実施形態では、クラッド材3(3A、3B)は、厚さが均一な板状の形状を有しているが、これに限定されるものではない。第1金属層1が溶接時に冷却するための露出した表面(第2金属層2との接合部以外の表面)を有し、第2金属層2がレーザを照射できる露出した表面(第1金属層1との接合部以外の表面)を有する限り任意の形状を有してよい。このような形状として、厚さが均一な板に加え、厚さが変化するテーパー状の板、円筒および角筒(断面が多角形で中空の形状)を例示できる。 Moreover, in embodiment shown in FIG. 1, although the clad material 3 (3A, 3B) has a plate-shaped shape with uniform thickness, it is not limited to this. The first metal layer 1 has an exposed surface (surface other than the joint with the second metal layer 2) for cooling during welding, and the exposed surface (first metal) on which the second metal layer 2 can be irradiated with a laser. It may have any shape as long as it has a surface other than the joint with the layer 1. Examples of such a shape include a plate having a uniform thickness, a tapered plate having a variable thickness, a cylinder, and a rectangular tube (a hollow shape having a polygonal cross section).
クラッド材3の厚さ(図1のz方向の長さ)は任意の厚さで良いが、好ましくは0.1mm以上10mm以下であり、より好ましくは0.2mm以上5mm以下である。より確実に溶接材を得ることができるからである。
クラッド材3における、第1金属層1と第2金属層2の厚さの比率は、任意の比率であってよいが、第1金属層1の厚さを1とした場合、好ましくは、第2金属層2の厚さは、0.1〜10.0であり、より好ましくは第2金属層2の厚さは0.2〜5.0である。
第1の金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金であり、第2の金属がチタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択される1つである場合、クラッド材3において、軽量なマグネシウムの特性をより有効に得るために第1金属層1の方が第2金属層2よりも厚いことが好ましい。
The thickness of the clad material 3 (the length in the z direction in FIG. 1) may be any thickness, but is preferably 0.1 mm or more and 10 mm or less, more preferably 0.2 mm or more and 5 mm or less. It is because a welding material can be obtained more reliably.
The ratio of the thickness of the first metal layer 1 and the second metal layer 2 in the clad material 3 may be an arbitrary ratio, but preferably when the thickness of the first metal layer 1 is 1, The thickness of the second metal layer 2 is 0.1 to 10.0, and more preferably the thickness of the second metal layer 2 is 0.2 to 5.0.
When the first metal is magnesium or a magnesium alloy and the second metal is one selected from titanium, a titanium alloy, iron, and an iron alloy, the clad material 3 makes the characteristics of lightweight magnesium more effective. In order to obtain it, it is preferable that the first metal layer 1 is thicker than the second metal layer 2.
なお、クラッド材3の特性に異方性がある場合、例えば、加工方向(圧延方向、引き抜き方向等)に平行な方向と垂直な方向で特性が異なる場合、クラッド材3Aとクラッド材3Bを並べる方向(図1のx方向)に対して、加工方向を、例えば、垂直にするまたは平行にする等、適宜、調整してよい。また、クラッド材3がクラッド圧延材である場合、クラッド材3Aとクラッド材3Bを並べる方向と圧延方向とを垂直にすることによりクラッド溶接材の長尺物を得ることができる。 When the characteristics of the clad material 3 are anisotropic, for example, when the characteristics are different in a direction perpendicular to the direction parallel to the processing direction (rolling direction, drawing direction, etc.), the clad material 3A and the clad material 3B are arranged. The processing direction may be appropriately adjusted with respect to the direction (x direction in FIG. 1), for example, to be vertical or parallel. Further, when the clad material 3 is a rolled clad material, a long clad welded material can be obtained by making the direction in which the clad material 3A and the clad material 3B are arranged perpendicular to the rolling direction.
(2)溶接条件
・クラッド材の配置
図1に示すように、クラッド材3Aの端部(特に端面)とクラッド材3Bの端部(特に端面)を対向させて配置する。クラッド材3Aとクラッド材3Bは、所謂、突き合わせ溶接を行うように配置してよい。
なお、本明細書において、「クラッド材の端部」とはクラッド材の端面部分およびその近傍部を含み、詳細を後述するレーザ溶接によって溶融する部分と溶融しない部分(未溶融部)とを含む。例えば、クラッド材の端面から5mm以内の領域である。
得られた溶接材の強度(引張強度)を確実に確保するように、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bの第1金属層1同士および第2金属層2同士が接触するように配置することが好ましい。
このため、例えば回転砥石切断(マイクロカット)、ワイヤー放電加工およびレーザカット等の方法を用いてクラッド材3Aおよび3Bの平坦な端面(好ましくは主面に垂直な端面)を得た後、クラッド材3Aとクラッド材3Bの端面を接触させて、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bの第1金属層1同士および第2金属層2同士が接触するように配置してよい。
(2) Welding Conditions / Clad Material Arrangement As shown in FIG. 1, the end portion (particularly the end face) of the clad material 3A and the end part (particularly the end face) of the clad material 3B are placed opposite to each other. The clad material 3A and the clad material 3B may be arranged so as to perform so-called butt welding.
In this specification, the “end portion of the clad material” includes an end surface portion of the clad material and its vicinity, and includes a portion that is melted by laser welding, which will be described in detail later, and a portion that is not melted (unmelted portion). . For example, the region is within 5 mm from the end face of the clad material.
In order to ensure the strength (tensile strength) of the obtained welding material, it is preferable to arrange the clad material 3A and the clad material 3B so that the first metal layers 1 and the second metal layers 2 are in contact with each other. .
For this reason, for example, after obtaining flat end faces (preferably end faces perpendicular to the main surface) of the clad materials 3A and 3B using a method such as cutting of a rotating grindstone (micro cut), wire electric discharge machining, and laser cut, the clad material The end surfaces of 3A and the clad material 3B may be brought into contact with each other so that the first metal layers 1 and the second metal layers 2 of the clad material 3A and the clad material 3B are in contact with each other.
しかし、クラッド材3Aとクラッド材3Bの配置はこれに限定されるものではない。得ようとするクラッド溶接材の用途等によっては、クラッド材3Aとクラッド材3Bとの間に例えば1mm以下の隙間を生じるように離間配置してもよい。また、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bの第1金属層1同士および第2金属層2同士のいずれか一方のみを接触させてもよい。 However, the arrangement of the clad material 3A and the clad material 3B is not limited to this. Depending on the use of the clad welding material to be obtained, the clad welding material may be spaced apart so as to generate a gap of, for example, 1 mm or less between the clad material 3A and the clad material 3B. Further, only one of the first metal layers 1 and the second metal layers 2 of the clad material 3A and the clad material 3B may be brought into contact with each other.
なお、図1に示す実施形態では、クラッド材3Aとクラッド材3Bは同じ形状を有しているがこれに限定されるものではない。上述のようにクラッド材3Aとクラッド材3Bの端部を対向して配置できる限り、クラッド材3Aとクラッド材3Bは異なる形状を有してもよい。
図1に示す実施形態では、また、クラッド材3Aとクラッド材3Bとは、分離した別個のクラッド材となっている。しかし、これに限定されるものではない。例えば、1つの板状のクラッド材を曲げて端面同士を対向させて溶接を行い、パイプを形成する場合のように、クラッド材3Aとクラッド材3Bは、連続したクラッド材の異なる部分(異なるクラッド部)であってよい。
In the embodiment shown in FIG. 1, the clad material 3A and the clad material 3B have the same shape, but the present invention is not limited to this. As described above, the clad material 3A and the clad material 3B may have different shapes as long as the end portions of the clad material 3A and the clad material 3B can be arranged to face each other.
In the embodiment shown in FIG. 1, the clad material 3A and the clad material 3B are separate and distinct clad materials. However, it is not limited to this. For example, the clad material 3A and the clad material 3B are formed of different portions of different clad materials (different clad materials) as in the case of forming a pipe by bending one plate-like clad material and welding the end faces to face each other. Part).
・第1金属層の冷却
詳細を後述するレーザ溶接の際に第1金属層1の表面を冷却する。冷却は、空冷(例えば、送風機により流動する空気を第1金属層1に接触させる)、水のような液体を接触させて冷却する(水冷等)、および放熱体を接触させる等の既知の任意の方法を用いてよい。
図1に示す実施形態では、放熱体14を接触させて冷却を行っている。放熱体14は、例えば金属板であってよく、また金属板にフィンを設けてもよい。放熱体14として金属板を用いる場合、好ましくは、金属板を構成する金属として、熱伝導率が第1の金属の熱伝導率より高い金属を用いる。これは、より効果的に第1金属層1を冷却できるからである。このような金属として、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金を例示できる。
-Cooling of 1st metal layer The surface of the 1st metal layer 1 is cooled in the case of the laser welding which mentions details later. Cooling is a known option such as air cooling (for example, air flowing by a blower is brought into contact with the first metal layer 1), cooling by bringing a liquid such as water into contact (water cooling or the like), and contacting a radiator. The method may be used.
In the embodiment shown in FIG. 1, the radiator 14 is brought into contact with the cooling. The radiator 14 may be a metal plate, for example, and may be provided with fins. When a metal plate is used as the radiator 14, it is preferable to use a metal whose thermal conductivity is higher than that of the first metal as the metal constituting the metal plate. This is because the first metal layer 1 can be cooled more effectively. Examples of such metals include copper, copper alloys, aluminum, aluminum alloys, silver, and silver alloys.
また、放熱体14は、好ましくは、水または防錆剤等の所定の成分を含む水のような、液体により冷却されている(例えば、水冷)。例えば、放熱体14の内部に設けた配管にこのような液体を流すことにより放熱体14を冷却してもよく、放熱体14の表面(例えば、第1金属層1と接していない表面)に液体を接触させることにより放熱体14を冷却してよい。 Moreover, the heat radiator 14 is preferably cooled by a liquid such as water or water containing a predetermined component such as a rust inhibitor (for example, water cooling). For example, the radiator 14 may be cooled by flowing such a liquid through a pipe provided inside the radiator 14, and the surface of the radiator 14 (for example, the surface not in contact with the first metal layer 1). The heat radiating body 14 may be cooled by contacting the liquid.
冷却する表面は、第1金属層1と第2金属層2との接合面以外でかつ露出した表面である。好ましい表面は、図1に示すように、第1金属層1と第2金属層2との接合面と反対側の表面である。第1金属層1のうち、レーザ光線により加熱された第2金属層2の直下に位置する部分を効率的に冷却できるからである。 The surface to be cooled is an exposed surface other than the joint surface between the first metal layer 1 and the second metal layer 2. A preferable surface is a surface opposite to the bonding surface between the first metal layer 1 and the second metal layer 2 as shown in FIG. This is because a portion of the first metal layer 1 located immediately below the second metal layer 2 heated by the laser beam can be efficiently cooled.
・レーザ溶接
レーザ装置10から出たレーザ光線12を第2金属層2の表面(第1金属層1との接合面と異なりかつ露出した表面、図1の実施形態では、第1金属層1との接合面と反対側の表面)の一部(クラッド材3Aおよび/またはクラッド材3Bの端部の一部)に照射する。
そして、レーザ装置10を図1の矢印Aの方向(y方向に平行な方向)に走査することにより、クラッド材3の幅方向(図1のy方向)全体に溶接部を形成することができる。
Laser welding The laser beam 12 emitted from the laser device 10 is exposed to the surface of the second metal layer 2 (the surface different from the bonding surface with the first metal layer 1 and exposed, in the embodiment of FIG. Is irradiated to a part (a part of the end of the clad material 3A and / or the clad material 3B).
And a welding part can be formed in the whole width direction (y direction of FIG. 1) of the clad material 3 by scanning the laser apparatus 10 in the direction of arrow A (direction parallel to y direction) of FIG. .
用いるレーザ装置10は、半導体レーザ、ファイバレーザ、YAGレーザおよび炭酸ガスレーザを含む任意の種類のレーザ装置であってよい。
レーザ装置10の出力は任意の出力であってよい。例えば、好ましい範囲として200W〜1kW、より好ましい範囲として325W〜600Wを例示できる。
レーザ光線12の好ましいスポットサイズ(スポット直径)d1として0.5〜3.0mm、より好ましいスポットサイズ(スポット直径)d1として、1.0〜2.0mmを例示できる。しかし、これに限定されるものではなく、他の条件に合わせてスポットサイズ(スポット径)d1を適宜選択してよい。
The laser device 10 used may be any type of laser device including a semiconductor laser, a fiber laser, a YAG laser, and a carbon dioxide laser.
The output of the laser device 10 may be an arbitrary output. For example, a preferable range is 200 W to 1 kW, and a more preferable range is 325 W to 600 W.
A preferable spot size (spot diameter) d1 of the laser beam 12 is 0.5 to 3.0 mm, and a more preferable spot size (spot diameter) d1 is 1.0 to 2.0 mm. However, the present invention is not limited to this, and the spot size (spot diameter) d1 may be appropriately selected according to other conditions.
なお、均質な溶接部(凝固部)を得るためにはレーザ光線12は、クラッド材3A、3Bの両方の端部の一部に照射される(すなわち、レーザ光線が照射されるスポット直径d1の領域内にクラッド材3Aとクラッド材3Bの末端が入っている)ことが好ましい。
しかし、これに限定されるものではなく、得られるクラッド溶接材の用途等によっては、レーザ光線12は、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bのいずれか一方の端部の一部にのみ照射されてもよい(例えば、レーザ光線が照射されるスポット直径d1の領域内にクラッド材3Aおよびクラッド材3Bのいずれか一方のみの末端が入っている)。この場合、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bの端部のうち、レーザ光線12が照射された端部の一部分が先に溶融し、その後、先に溶融した第2の金属から得た熱により、レーザ光線12が照射されていない端部の一部分が溶融してよい。
In order to obtain a homogeneous welded portion (solidified portion), the laser beam 12 is applied to a part of both ends of the clad materials 3A and 3B (that is, the spot diameter d1 to which the laser beam is applied). It is preferable that the ends of the clad material 3A and the clad material 3B are in the region.
However, the present invention is not limited to this, and the laser beam 12 may be irradiated only on a part of one end of either the clad material 3A or the clad material 3B depending on the use of the obtained clad weld material. It is preferable (for example, only one end of either the clad material 3A or the clad material 3B is in the region of the spot diameter d1 irradiated with the laser beam). In this case, of the ends of the clad material 3A and the clad material 3B, a part of the end irradiated with the laser beam 12 is melted first, and then the laser is obtained by the heat obtained from the melted second metal. A part of the end portion that is not irradiated with the light beam 12 may be melted.
レーザ装置10の走査速度を適宜選択してよい。好ましい走査速度として、2mm/秒〜30mm/秒、より好ましい走査速度として4mm/秒〜12mm/秒を例示できる。なお、本明細書において、「レーザ装置の走査速度」とは、レーザ装置と溶接される材料(すなわち、クラッド材3A、3B)との相対速度を意味する。従って、レーザ装置を移動させることに代えてまたは加えて、溶接される材料を移動させてもよい。
なお、図1に示す実施形態では、クラッド材3A、3Bの幅方向全体に亘ってレーザ光12が照射されるが、レーザ光線12をクラッド材3A、3Bの幅方向の一部分にだけ照射して、クラッド材3A、3Bの幅方向の一部分だけを溶接してもよい。例えば、それほど強度を必要としない場合等、用途に応じて、このようなスポット溶接により形成したクラッド溶接材を用いることができる。
You may select the scanning speed of the laser apparatus 10 suitably. A preferable scanning speed is 2 mm / second to 30 mm / second, and a more preferable scanning speed is 4 mm / second to 12 mm / second. In the present specification, the “scanning speed of the laser device” means a relative speed between the laser device and the material to be welded (that is, the cladding materials 3A and 3B). Accordingly, the material to be welded may be moved instead of or in addition to moving the laser device.
In the embodiment shown in FIG. 1, the laser beam 12 is irradiated over the entire width direction of the cladding materials 3A and 3B, but the laser beam 12 is irradiated only to a part of the cladding materials 3A and 3B in the width direction. Alternatively, only a part of the clad materials 3A and 3B in the width direction may be welded. For example, a clad welding material formed by such spot welding can be used depending on the application, such as when strength is not so high.
溶融した第1の金属および/または第2の金属が大気に触れるのを抑制するために、シールドガスとして溶接部分に、アルゴン、ネオン等の不活性ガス(場合によっては窒素ガスを用いてもよい)を供給することが好ましい。 In order to prevent the molten first metal and / or second metal from coming into contact with the atmosphere, an inert gas such as argon or neon (in some cases, nitrogen gas may be used as a shielding gas for the welded portion. ) Is preferably supplied.
クラッド材3Aの端部およびクラッド材3Bの端部のうち、少なくとも一方(好ましくは両方)にレーザ光線12が照射され、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bの少なくとも一方(好ましくは両方)の端部の第2金属層2の一部が溶融する(すなわち、溶融した第2の金属が出現する)。また、レーザ照射により加熱された第2の金属からの熱伝達により、クラッド材3Aおよびクラッド材3Bの少なくとも一方(好ましくは両方)の端部の第1金属層1の一部が溶融する(すなわち、溶融した第1の金属が出現する)。第1の金属は熱伝導率が高いこと、および第1金属層1の表面が冷却されていることから、第1金属層1は過熱が抑制された状態で溶融する。
そして、レーザ装置10が離れていくと、溶融した第1および第2の金属は入熱が減少し、温度が下がり凝固して溶接部を形成する。
At least one (preferably both) of the end of the clad material 3A and the end of the clad material 3B is irradiated with the laser beam 12, and the end of at least one (preferably both) of the clad material 3A and the clad material 3B is irradiated. A part of the second metal layer 2 is melted (that is, a melted second metal appears). Further, due to heat transfer from the second metal heated by the laser irradiation, a part of the first metal layer 1 at the end of at least one (preferably both) of the clad material 3A and the clad material 3B is melted (that is, both). The first molten metal appears). Since the first metal has a high thermal conductivity and the surface of the first metal layer 1 is cooled, the first metal layer 1 melts in a state where overheating is suppressed.
As the laser device 10 moves away, the melted first and second metals decrease in heat input, and the temperature decreases and solidifies to form a weld.
本発明に係るクラッド溶接材の製造方法(溶接方法)の利点の1つは、溶接棒または溶接ワイヤー等を用いて、溶加材およびフラックスを供給する必要のないことである。しかし、このことは溶加材およびフラックスを使用してはならないことを意味するものではなく、必要に応じて溶加材および/またはフラックスを使用してもよい。 One of the advantages of the clad welding material manufacturing method (welding method) according to the present invention is that it is not necessary to supply a filler material and a flux using a welding rod or a welding wire. However, this does not mean that the filler material and the flux should not be used, and the filler material and / or the flux may be used as necessary.
2.クラッド溶接材
次に上述のクラッド溶接材の製造方法により得られたクラッド溶接材について以下に説明する。
図2は、本発明の1つの実施形態に係るクラッド溶接材100の断面を示す模式断面図である。なお、溶接材の形態の詳細は、溶接条件により変動することから、図2に示すクラッド溶接材100は、本発明に係るクラッド溶接材の製造方法により得られるクラッド溶接材の形態の1つを例示するものである点は留意されたい。
2. Next, the clad welding material obtained by the above-described method for producing a clad welding material will be described.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a cross section of the clad welding material 100 according to one embodiment of the present invention. Since the details of the form of the welded material vary depending on the welding conditions, the clad welded material 100 shown in FIG. 2 has one of the forms of the clad welded material obtained by the method for producing a clad welded material according to the present invention. It should be noted that this is an example.
クラッド材3Aの端部のうち溶融しなかった部分(以下、「クラッド材3Aのクラッド部」という)とクラッド材3Bの端部のうち溶融しなかった部分(以下、「クラッド材3Bのクラッド部」という)の間には、溶接部23が形成されている。溶接部23は凝固組織を有しており、クラッド材3Aのクラッド部とクラッド材3Bのクラッド部とを繋いでいる。 Of the end portion of the clad material 3A, the portion that was not melted (hereinafter referred to as “clad portion of the clad material 3A”) and the portion of the end portion of the clad material 3B that was not melted (hereinafter referred to as “the clad portion of the clad material 3B”). ”), A welded portion 23 is formed. The welded portion 23 has a solidified structure, and connects the clad portion of the clad material 3A and the clad portion of the clad material 3B.
上述したように、第1の金属の主成分と第2の金属の主成分との間に金属間化合物が形成されないように第1の金属と第2の金属を選択した場合、凝固部23は、脆化の原因となる金属間化合物を実質的に含まないか、または含んでいてもかなり少ない。 As described above, when the first metal and the second metal are selected so that an intermetallic compound is not formed between the main component of the first metal and the main component of the second metal, the solidified portion 23 is The intermetallic compound that causes embrittlement is substantially not contained, or even very little.
さらに、上述のように第1の金属と第2の金属が凝固する過程で、第1の金属の主成分と第2の金属の主成分とが混合せずに(合金化せずに)2相分離状態となるように第1の金属と第2の金属を選択することで、図2に示すように、第1凝固部21と第2凝固部22を含む凝固部23を形成することができる。
第1凝固部21は、クラッド材3Aの第1金属層1とクラッド材3Bの第1金属層1とを接続している。同様に、第2凝固部22は、クラッド材3Aの第2金属層2とクラッド材3Bの第2金属層2とを接続している。
Further, in the process of solidifying the first metal and the second metal as described above, the main component of the first metal and the main component of the second metal are not mixed (not alloyed) 2. By selecting the first metal and the second metal so as to be in the phase separation state, as shown in FIG. 2, the solidified part 23 including the first solidified part 21 and the second solidified part 22 can be formed. it can.
The first solidified portion 21 connects the first metal layer 1 of the cladding material 3A and the first metal layer 1 of the cladding material 3B. Similarly, the second solidified portion 22 connects the second metal layer 2 of the clad material 3A and the second metal layer 2 of the clad material 3B.
また、第1凝固部21は、第1の金属から成り、第2凝固部22は、第2の金属から成る。
なお、溶接工程では高温まで昇温され、溶融した第1金属層1および第2金属層2において、その成分の一部は気化しうること、また、溶融した第1金属層1および第2金属層2の成分の一部は混ざり合うことがある等の理由により、溶接部の組成が非溶接部(溶接時に溶融していない部分)の組成と同一にならないことが多いことは当業者の技術常識である。
従って、「第1凝固部21は、第1の金属から成る」とは、第1凝固部21の組成がクラッド材3A、3Bの第1金属層1の組成と全く同じであることを必要とするものではなく、少なくとも互いの主成分(元素)が同じであることを意味するものである。同様に「第2凝固部22は、第2の金属から成る」とは、第2凝固部22の組成がクラッド材3A、3Bの第2金属層2の組成と全く同じであることを必要とするものではなく、少なくとも互いの主成分(元素)が同じであることを意味するものである。
Moreover, the 1st solidification part 21 consists of a 1st metal, and the 2nd solidification part 22 consists of a 2nd metal.
In the welding process, the components of the first metal layer 1 and the second metal layer 2 that have been heated to a high temperature and melted can be vaporized, and the first metal layer 1 and the second metal that have been melted can be vaporized. It is known to those skilled in the art that the composition of the welded part often does not become the same as the composition of the non-welded part (the part that is not melted during welding) because some of the components of the layer 2 may be mixed. It is common sense.
Therefore, “the first solidified portion 21 is made of the first metal” requires that the composition of the first solidified portion 21 is exactly the same as the composition of the first metal layer 1 of the cladding materials 3A and 3B. It means that at least the main components (elements) of each other are the same. Similarly, “the second solidified portion 22 is made of the second metal” requires that the composition of the second solidified portion 22 is exactly the same as the composition of the second metal layer 2 of the cladding materials 3A and 3B. It means that at least the main components (elements) of each other are the same.
以上から判るように、図2に示す実施形態では、凝固部23は、クラッド材3A、3Bの第1金属層1および第2金属層2にそれぞれ相当する第1凝固部21および第2凝固部22を有している。このため、凝固部(溶接部)23もクラッド材3に近い特性を得ることができる。
このような特性として、継手効率を挙げることができる。継手効率とは、溶接前のクラッド材3の強度に対するクラッド溶接材100の強度(溶接部が最も弱いため溶接部の強度に相当する)の比である。
上述の好適な溶接条件下で溶接を行い、凝固部23に第1凝固部21と第2凝固部22が形成されている場合、0.2%耐力については70%以上の継手効率を得ることができ、引張強さについては60%以上の継手効率を得ることができる。
その他にも、耐食性のよい第2金属層(チタン、チタン合金、ステンレス鋼等)の特性を活かしたクラッド材3特有の性質を、クラッド溶接材100の凝固部23においてもほぼ達成する可能性が高い。
As can be seen from the above, in the embodiment shown in FIG. 2, the solidified portion 23 includes the first solidified portion 21 and the second solidified portion corresponding to the first metal layer 1 and the second metal layer 2 of the cladding materials 3A and 3B, respectively. 22. For this reason, the solidified part (welded part) 23 can also obtain characteristics close to those of the clad material 3.
Such characteristics can include joint efficiency. The joint efficiency is a ratio of the strength of the clad welding material 100 to the strength of the clad material 3 before welding (corresponding to the strength of the welded portion because the welded portion is weakest).
When welding is performed under the above-described preferable welding conditions and the first solidified portion 21 and the second solidified portion 22 are formed in the solidified portion 23, a joint efficiency of 70% or more is obtained for 0.2% proof stress. As for tensile strength, a joint efficiency of 60% or more can be obtained.
In addition, there is a possibility that the properties unique to the clad material 3 utilizing the characteristics of the second metal layer (titanium, titanium alloy, stainless steel, etc.) having good corrosion resistance can be substantially achieved in the solidified portion 23 of the clad weld material 100. high.
なお、図1に示す実施形態では、クラッド材3Aのクラッド部とクラッド材3Bのクラッド部を結ぶ方向(すなわち、図1のx方向)において、第1凝固部21の表面の長さL1が、第2凝固部22の表面の長さL2よりも長くなっている。
これは、第1の金属の熱伝導率が第2の金属の熱伝導率の3倍以上と大きいため、第1金属層1内では熱が表面方向(図2の−z方向)に伝わる際に横方向(図2のx方向、−x方向)にも広がるためである。表面を冷却しているため第1凝固部21は図1に示すように−z方向の途中で長さが最大となった後、表面に向けて長さが短くなっている(すなわち、図2に示すように第1凝固部21は樽型となっている)が、長さL1は長さL2よりも長くなっている。このような、第1凝固部21が樽型の形状となるかおよび長さL1が長さL2よりも長くなるかは、溶接条件によるため、得られた全てのクラッド溶接材で実現されるわけではない。しかし、多くの場合、長さL1が長さL2よりも長くなっており、本発明に係る製造方法により得たクラッド溶接材に特徴的に現れる現象である。
In the embodiment shown in FIG. 1, the length L1 of the surface of the first solidified part 21 in the direction connecting the clad part of the clad material 3A and the clad part of the clad material 3B (that is, the x direction in FIG. 1) is It is longer than the length L2 of the surface of the second solidified portion 22.
This is because the heat conductivity of the first metal is as large as three times or more of the heat conductivity of the second metal, so that heat is transferred in the surface direction (the -z direction in FIG. 2) in the first metal layer 1. This is because it also extends in the horizontal direction (x direction and -x direction in FIG. 2). Since the surface is cooled, the first solidified portion 21 becomes maximum in the middle of the −z direction as shown in FIG. 1 and then decreases toward the surface (that is, FIG. 2). As shown in FIG. 1, the first solidified portion 21 has a barrel shape), but the length L1 is longer than the length L2. Whether such a first solidified portion 21 has a barrel shape and whether the length L1 is longer than the length L2 depends on the welding conditions, and is thus realized with all the obtained clad welding materials. is not. However, in many cases, the length L1 is longer than the length L2, which is a phenomenon that appears characteristically in the clad welding material obtained by the manufacturing method according to the present invention.
1.クラッド材
特許文献1に記載された方法を用いて作製した、AZ61マグネシウム合金と工業用純チタン(1種)のクラッド圧延材を用いた。第1金属層1であるAZ61マグネシウム合金層の厚さは0.375mmであり、第2金属層2であるチタン層の厚さは0.125mmであった(従って、第1金属層1と第2金属層2の厚さの比は3:1であり、クラッド材3の厚さは0.5mmであった)。
このクラッド圧延材から、圧延方向に50mm、板幅方向に40mmの板を切り出し、クラッド材3(3A、3B)を得た。切断面が接合面(溶接面)となる部分の切断には回転砥石切断(マイクロカット)を用いた。また接合面以外の部分の切断については簡便に切断することができるせん断により行った。
なお、AZ61マグネシウム合金の熱伝導率は63.2W・m−1・K−1(Int J Thermophys (2013) 34:2343-2350. DOI 10.1007/s10765-011-1145-1による)であり、1種純チタンの熱伝導率は16W・m−1・K−1(Metals Handbook, 10th edition, Volume 2, Wrought Titanium and Titanium Alloys, p. 620, (ASM International 1990)による)である。
1. Clad material A clad rolled material of AZ61 magnesium alloy and industrial pure titanium (1 type) produced using the method described in Patent Document 1 was used. The thickness of the AZ61 magnesium alloy layer as the first metal layer 1 was 0.375 mm, and the thickness of the titanium layer as the second metal layer 2 was 0.125 mm (thus, the first metal layer 1 and the first metal layer 1 The ratio of the thicknesses of the two metal layers 2 was 3: 1, and the thickness of the clad material 3 was 0.5 mm).
From this clad rolled material, a plate of 50 mm in the rolling direction and 40 mm in the plate width direction was cut out to obtain the clad material 3 (3A, 3B). Rotating grindstone cutting (micro cut) was used for cutting the portion where the cut surface becomes the joint surface (welded surface). Moreover, about the part other than a joining surface, it performed by the shear which can be cut | disconnected simply.
The thermal conductivity of AZ61 magnesium alloy is 63.2 W · m −1 · K −1 (according to Int J Thermophys (2013) 34: 2343-2350. DOI 10.1007 / s10765-011-1145-1). The thermal conductivity of seed pure titanium is 16 W · m −1 · K −1 (from Metals Handbook, 10th edition, Volume 2, Wrought Titanium and Titanium Alloys, p. 620, (ASM International 1990)).
2.突き合わせ溶接
クラッド材3Aとクラッド材3Bを並べる方向と圧延方向が垂直になるように、クラッド材3Aとクラッド材3Bを配置した。すなわち、圧延方向が図1のy方向と平行になるように配置した。また、クラッド材3Aとクラッド材3Bの上述の回転砥石による切断面が互いに接触するように、より詳細には、クラッド材3Aとクラッド材3Bの第1金属層1が互いに接触し、かつクラッド材3Aとクラッド材3Bの第2金属層2が互いに接触するように配置した。
そして、図1に示すようにクラッド材3Aとクラッド材3Bの第1金属層1の表面(第2金属層2との接合面と反対側の表面)に放熱体(裏当て金)14を接触させた。
放熱体14は空冷(自然冷却)または水冷により冷却した。空冷の場合は、放熱体14として、縦(図1のy方向)60mm、横(図1のx方向)60mm、高さ(図1のz方向)3mmの銅板を用いた。水冷の場合は、放熱体14として、縦(図1のy方向)300mm、横(図1のx方向)20mm、高さ(図1のz方向)20mmの銅のブロックを用い、当該ブロックの内部に設けた直径10mmの導水路に冷却水循環装置を用いて12℃の水を流して水冷を行った。
空冷および水冷に用いた放熱体14は、鋼製の治具を介して鋼製の移動台に固定した。すなわち、移動台の上に、クラッド材3Aとクラッド材3Bと放熱体14を配置した。
2. Butt welding The clad material 3A and the clad material 3B were arranged so that the direction in which the clad material 3A and the clad material 3B are arranged and the rolling direction are perpendicular to each other. That is, the rolling direction was arranged so as to be parallel to the y direction in FIG. More specifically, the clad material 3A and the first metal layer 1 of the clad material 3B are in contact with each other so that the cut surfaces of the clad material 3A and the clad material 3B by the above-described rotating grindstone are in contact with each other. 3A and the 2nd metal layer 2 of the clad material 3B were arrange | positioned so that it might mutually contact.
Then, as shown in FIG. 1, a radiator (backing metal) 14 is brought into contact with the surface of the first metal layer 1 of the clad material 3A and the clad material 3B (the surface opposite to the joint surface with the second metal layer 2). I let you.
The radiator 14 was cooled by air cooling (natural cooling) or water cooling. In the case of air cooling, a copper plate having a length (y direction of FIG. 1) of 60 mm, a width (x direction of FIG. 1) of 60 mm, and a height (z direction of FIG. 1) of 3 mm was used as the radiator 14. In the case of water cooling, a copper block having a vertical (y direction of FIG. 1) of 300 mm, a horizontal (x direction of FIG. 1) of 20 mm, and a height (z direction of FIG. 1) of 20 mm is used as the radiator 14. Water cooling was performed by flowing 12 ° C. water through a water conduit having a diameter of 10 mm provided inside using a cooling water circulation device.
The radiator 14 used for air cooling and water cooling was fixed to a steel moving table via a steel jig. That is, the clad material 3A, the clad material 3B, and the heat radiator 14 were disposed on the moving table.
このように配置したクラッド材3A、3Bについてレーザ装置10を用いて、溶接(突き合わせ溶接)を行った。レーザ光線12は、クラッド材3Aとクラッド材3Bの両方の第2金属層2に照射された。すなわち、レーザ光線12の照射スポットの略中心が、クラッド材3Aの第2金属層2とクラッド材3Bの第2金属層2との接触部分を通るように位置合わせをした後、クラッド材3Aの第2金属層2とクラッド材3Bの第2金属層2との接触部分に沿って図1の矢印Aの方向に照射スポットを走査した。
用いたレーザ装置10は、高出力半導体レーザである。
表1に示すようにレーザ光線のスポットサイズd1を1.5mm、レーザ出力を250〜450W、レーザ光線12の走査速度を5〜15mm/秒と変化させてサンプルを作製した。なお、レーザ光線12の走査速度については、移動台を図1の矢印Aと反対方向に移動させることにより、クラッド材3A、3Bおよび放熱体14を一体的に移動させて実現した。
また、何れのサンプルについても溶接時に溶融金属が大気に触れるのを抑制するために、シールドガスとして溶接部にアルゴンガスを20L/分流した。
The clad materials 3A and 3B thus arranged were welded (butt welding) using the laser device 10. The laser beam 12 was applied to the second metal layer 2 of both the clad material 3A and the clad material 3B. That is, after aligning so that the approximate center of the irradiation spot of the laser beam 12 passes through the contact portion between the second metal layer 2 of the clad material 3A and the second metal layer 2 of the clad material 3B, the clad material 3A The irradiation spot was scanned in the direction of arrow A in FIG. 1 along the contact portion between the second metal layer 2 and the second metal layer 2 of the clad material 3B.
The used laser device 10 is a high-power semiconductor laser.
As shown in Table 1, samples were prepared by changing the spot size d1 of the laser beam to 1.5 mm, the laser output to 250 to 450 W, and the scanning speed of the laser beam 12 to 5 to 15 mm / second. The scanning speed of the laser beam 12 was realized by moving the moving base in the opposite direction to the arrow A in FIG.
Moreover, in order to suppress that a molten metal touches air | atmosphere at the time of welding also about any sample, argon gas was flowed into the welding part 20L / min as a shielding gas.
3.クラッド溶接材の評価
(1)外観観察結果
溶接後の外観を目視により確認した。外観の確認は、第1金属層1と第2金属層2(すなわち、クラッド溶接材の両面)について行った。結果を表2に示す。表2において、◎は凝固部(溶接部)表面が平滑な状態で溶接されていることを示し、○は凝固部表面が荒く不均一な部分があることを示し、△は溶接できていない部分があることを示す。
図3は、表面観察結果の例として実施例9サンプルの表面観察結果を示す。図3(a)は第2金属層の表面観察結果を示し、図3(b)は、第1金属層の表面観察結果を示す。なお、実施例9のサンプルにおいて、クラッド材3Aのクラッド部とクラッド材3Bのクラッド部を結ぶ方向(すなわち、図3(a)、(b)の左右方向)において、第1凝固部21の表面の長さL1と第2凝固部22の表面の長さL2を測定した。L1が2.39mmであり、L2が2.35mmであり、L1の方がL2より長かった。なお、これは、溶接ビードのきれいな場所3箇所で測定した値の平均値である。L1およびL2は3箇所以上(好ましくは5箇所以上)で測定し、平均値を用いるのが精度上好ましい。
3. Evaluation of clad welding material (1) Appearance observation result The appearance after welding was confirmed by visual observation. The appearance was confirmed for the first metal layer 1 and the second metal layer 2 (that is, both surfaces of the clad welding material). The results are shown in Table 2. In Table 2, ◎ indicates that the surface of the solidified part (welded part) is welded in a smooth state, ○ indicates that the surface of the solidified part is rough and uneven, and △ indicates a part that is not welded Indicates that there is.
FIG. 3 shows the surface observation result of the sample of Example 9 as an example of the surface observation result. FIG. 3A shows the surface observation result of the second metal layer, and FIG. 3B shows the surface observation result of the first metal layer. In the sample of Example 9, the surface of the first solidified part 21 in the direction connecting the clad part of the clad material 3A and the clad part of the clad material 3B (that is, the horizontal direction in FIGS. 3A and 3B). Length L1 and the surface length L2 of the second solidified portion 22 were measured. L1 was 2.39 mm, L2 was 2.35 mm, and L1 was longer than L2. In addition, this is an average value of the values measured at three places where the weld bead is clean. L1 and L2 are measured at three or more (preferably five or more), and it is preferable in terms of accuracy to use an average value.
(2)引張試験
得られたそれぞれのクラッド溶接材サンプルから放電加工機を用いて引張試験片を切り出した後、これらの引張試験片を用いて引張試験を行い、それぞれのサンプルの0.2%耐力と引張強さを求めた。室温、大気中でひずみ速度1.67×10−3/秒で、クラッド材の圧延方向(RD)に対して垂直な方向(TD)に引張試験を行った。いずれのサンプルについても3回試験を行い、平均値を算出した。
図4は、用いた引張試験片の形状を示す平面図である。表3に引張試験結果を示す。表3には比較のために、溶接を行う前のクラッド材3の引張試験結果も示した。
(2) Tensile test After a tensile test piece was cut out from each obtained clad welding material sample using an electric discharge machine, a tensile test was performed using these tensile test pieces, and 0.2% of each sample Yield strength and tensile strength were determined. A tensile test was performed in a direction (TD) perpendicular to the rolling direction (RD) of the clad material at a strain rate of 1.67 × 10 −3 / sec in the air at room temperature. Each sample was tested three times and the average value was calculated.
FIG. 4 is a plan view showing the shape of the tensile test piece used. Table 3 shows the tensile test results. Table 3 also shows the tensile test results of the clad material 3 before welding for comparison.
表3から、総じて、放熱体14を空冷したサンプル(実施例1〜6)よりも放熱体14を水冷したサンプル(実施例7〜13)の方が0.2%耐力および引張強度とも高く、またデータのばらつきも少ない傾向が見られた。
この理由として、水冷の方がより効果的にマグネシウム合金層(第1金属層)1を冷却でき、マグネシウムまたはマグネシウム合金の気化をより確実に抑制できること、および水冷の方が溶融した第1の金属(マグネシウム合金)および第2の金属(チタン)ともに凝固時の冷却速度が速く、空冷の場合よりも結晶粒が微細になったことが考えられる。
From Table 3, the 0.2% proof stress and tensile strength of the samples (Examples 7 to 13) in which the radiator 14 is water-cooled are generally higher than the samples in which the radiator 14 is air-cooled (Examples 1 to 6). In addition, there was a tendency for data variation to be small.
The reason for this is that the water cooling can more effectively cool the magnesium alloy layer (first metal layer) 1 and can more reliably suppress the vaporization of magnesium or the magnesium alloy, and the water cooling can melt the first metal. (Magnesium alloy) and the second metal (titanium) both have a high cooling rate during solidification, and it is considered that the crystal grains became finer than in the case of air cooling.
放熱体14を空冷したサンプルの中では、レーザ出力が400W、走査速度5mm/秒の実施例4サンプルで特に高い強度を示し、放熱体14を水冷したサンプルの中では、レーザ出力400W、走査速度5mm/秒の実施例9サンプルおよびレーザ出力450W、走査速度10mm/秒の実施例12サンプルで高い強度を示した。
これら高い強度を示した3サンプルでは、0.2%耐力について継手効率が0.75〜0.82と十分に高い値を示し、引張強さについても継手効率が0.64〜0.68と十分に高い値となっている。
Among the samples in which the radiator 14 was air-cooled, the laser output was 400 W and the scanning speed of 5 mm / second was particularly high in Example 4, and in the samples in which the radiator 14 was water-cooled, the laser output was 400 W and the scanning speed. The Example 9 sample at 5 mm / sec and the Example 12 sample at a laser output of 450 W and a scanning speed of 10 mm / sec showed high intensity.
In these three samples showing high strength, the joint efficiency shows a sufficiently high value of 0.75 to 0.82 for 0.2% proof stress, and the joint efficiency is 0.64 to 0.68 for tensile strength. It is a sufficiently high value.
また、溶接部の強度が母材(溶接前のクラッド材)の強度よりも低いため、引張試験の破断は全てのサンプルにおいて溶接部で起こった。それゆえ、溶接前のクラッド材ではTD方向引張りで13.5%の伸びが得られたのに対して、クラッド溶接材では最大の伸びが得られた実施例4(放熱体を空冷、レーザ出力が400W、走査速度5mm/秒)でも1.4%であった。しかし、これは、引張試験片の平行部が10mmであり、溶接前のクラッド材では平行部全体(長さ10mm)で均一伸びが生じるのに対して、クラッド溶接材ではレーザスポットサイズに相当する領域(長さ1.5mm程度)に変形が集中するためである。したがって、伸びが比較的大きかったクラッド溶接材の溶接部では1.4%×10mm/1.5mm≒9.3%に相当する伸びが実際に生じていることになる。すなわち、母材の13.5%に対して、実用上、十分な延性を示していることが判る。
以上の結果から、強度をより重視する場合には放熱体を水冷し、延性をより重視する場合には放熱体を空冷することが好ましい。
Moreover, since the strength of the welded portion was lower than the strength of the base material (clad material before welding), the tensile test fracture occurred in the welded portion in all samples. Therefore, while the clad material before welding had an elongation of 13.5% by tensile in the TD direction, the clad weld material had the largest elongation. Example 4 (The radiator was air-cooled, the laser output was Was 400 W and the scanning speed was 5 mm / second). However, this is because the parallel part of the tensile test piece is 10 mm, and the clad material before welding causes uniform elongation over the entire parallel part (length 10 mm), whereas the clad weld material corresponds to the laser spot size. This is because deformation concentrates on the region (about 1.5 mm in length). Therefore, an elongation corresponding to 1.4% × 10 mm / 1.5 mm≈9.3% actually occurs in the welded portion of the clad welding material having a relatively large elongation. That is, it can be seen that 13.5% of the base material exhibits practically sufficient ductility.
From the above results, it is preferable that the radiator is water-cooled when the strength is more important and the radiator is air-cooled when the ductility is more important.
(3)溶接部の断面
光学顕微鏡で溶接部の横断面観察を行った。回転砥石切断(マイクロカット)を用いて横断面を切り出した後、耐水エメリー紙で#2000まで研磨し、1.0μmおよび0.25μmのダイヤモンドペーストを用いてバフ研磨を施して横断面観察用のサンプルを得た。
図5は、代表的な溶接部の断面写真を示す。図5(a)は実施例4サンプルの断面を示し、図5(b)は実施例5サンプルの断面を示し、図5(c)は実施例9サンプルの断面を示し、図5(d)は実施例10サンプルの断面を示し、図5(e)は実施例12サンプルの断面を示す。
(3) Cross section of weld zone The cross section of the weld zone was observed with an optical microscope. After cutting the cross section using a rotating grindstone cutting (micro cut), polishing to # 2000 with water-resistant emery paper, and buffing using 1.0 μm and 0.25 μm diamond paste for cross section observation A sample was obtained.
FIG. 5 shows a cross-sectional photograph of a typical weld. 5 (a) shows a cross section of the sample of Example 4, FIG. 5 (b) shows a cross section of the sample of Example 5, FIG. 5 (c) shows a cross section of the sample of Example 9, and FIG. Shows the cross section of the sample of Example 10, and FIG. 5E shows the cross section of the sample of Example 12.
いずれの実施例においても、クラッド材3Aのクラッド部の第1金属層1とクラッド材3Bのクラッド部の第1金属層1とを繋ぐ第1凝固部21およびクラッド材3Aのクラッド部の第2金属層2とクラッド材3Bのクラッド部の第2金属層2とを繋ぐ第2凝固部22が認められた。
すなわち、溶接部でもクラッドに相当する構造が確認された。
放熱体14を空冷したサンプルでは、第2凝固部(チタン)22近傍の第1凝固部(マグネシウム合金)21にボイドが存在する傾向があるのに対して、放熱体14を水冷したサンプルにボイドはほとんど発生していない。
また、放熱体14を空冷した場合に、第1凝固部21の下部2箇所に比較的大きい窪みが生じている。これは溶融したマグネシウム合金が更なる温度上昇により、ある程度気化したためと考えられる。
以上の結果から、放熱体14を水冷した方がより好ましい第1凝固部21が得られることがわかる。
In any of the embodiments, the first solidified part 21 that connects the first metal layer 1 of the clad part of the clad material 3A and the first metal layer 1 of the clad part of the clad material 3B and the second of the clad part of the clad material 3A. A second solidified portion 22 connecting the metal layer 2 and the second metal layer 2 of the clad portion of the clad material 3B was observed.
That is, a structure corresponding to the clad was also confirmed at the weld.
In the sample in which the radiator 14 is air-cooled, voids tend to exist in the first solidified portion (magnesium alloy) 21 in the vicinity of the second solidified portion (titanium) 22, whereas in the sample in which the radiator 14 is water-cooled, Almost never occurred.
In addition, when the radiator 14 is air-cooled, relatively large dents are generated in two lower portions of the first solidified portion 21. This is presumably because the molten magnesium alloy was vaporized to some extent due to further temperature rise.
From the above results, it can be seen that the first solidified portion 21 is obtained when the radiator 14 is water-cooled.
1 第1金属層
2 第2金属層
3、3A、3B クラッド材
10 レーザ装置
12 レーザ光線
14 放熱体
21 第1凝固部
22 第2凝固部
23 凝固部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st metal layer 2 2nd metal layer 3, 3A, 3B Clad material 10 Laser apparatus 12 Laser beam 14 Radiator 21 1st solidification part 22 2nd solidification part 23 Solidification part
Claims (8)
2)前記第1金属層の表面を冷却しながら、前記第2金属層の表面の一部にレーザを照射し、前記2つの端部の少なくとも一方の前記第2金属層の一部を溶融し、かつ前記第2の金属からの熱伝達により、前記2つの端部の前記第1金属層の少なくとも一方の一部を溶融する工程と、
3)溶融した前記第1の金属および溶融した前記第2の金属を凝固させることにより、前記2つの端部の未溶融部分を繋ぐ凝固部を形成する工程と、
を含むことを特徴とするクラッド溶接材の製造方法。 1) A first metal layer made of a first metal, and a second metal layer made of a second metal having a melting point higher than that of the first metal by 800 ° C. and a thermal conductivity of less than one third. A step of arranging two opposite ends of the clad clad material,
2) While cooling the surface of the first metal layer, a part of the surface of the second metal layer is irradiated with a laser to melt a part of the second metal layer of at least one of the two end portions. And melting a part of at least one of the first metal layers at the two end portions by heat transfer from the second metal;
3) forming a solidified portion that connects the unmelted portions of the two end portions by solidifying the molten first metal and the molten second metal;
The manufacturing method of the clad welding material characterized by including.
2つの前記クラッド部の間を繋ぎ、凝固組織を有する凝固部と、
を含み、
前記凝固部は、前記2つのクラッド部それぞれの前記第1金属層を繋ぎ、かつ第1の金属から成る第1凝固部と、前記2つのクラッド部それぞれの前記第2金属層を繋ぎ、かつ第2の金属から成る第2凝固部と、を有し、
前記第1の金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金であり、前記第2の金属がチタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択されるいずれかであり、
前記第1金属層は、前記第2金属層よりも厚く、
前記2つのクラッド部を結ぶ方向において、前記第1凝固部の表面の長さが、前記第2凝固部の表面の長さよりも長いことを特徴とするクラッド溶接材。 The first metal layer made of the first metal and the second metal layer made of the second metal having a melting point higher than that of the first metal by 800 ° C. and a thermal conductivity of not more than one third were clad. A cladding part;
Connecting between the two clad parts, a solidified part having a solidified structure ;
Including
The solidified portion connects the first metal layer of each of the two clad portions, connects the first solidified portion made of the first metal, and the second metal layer of each of the two clad portions, and A second solidified portion made of two metals,
The first metal is magnesium or a magnesium alloy, and the second metal is any one selected from titanium, a titanium alloy, iron, and an iron alloy;
The first metal layer is thicker than the second metal layer,
A clad welding material, wherein a length of a surface of the first solidified portion is longer than a length of a surface of the second solidified portion in a direction connecting the two clad portions.
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