JP6897110B2 - 拡散接合体の溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、拡散接合体の溶接方法に係り、特に、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体と、他の部材と、を溶融溶接により接合する拡散接合体の溶接方法に関する。

熱交換器、熱交換型リアクタやマイクロチャネル装置等では、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体からなる部品が用いられている。このような拡散接合体を、他の部材と組み合わせて組み立てる際に、溶接による接合が行われている（例えば、特許文献１参照）。

Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐａｃｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄｅｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ２４９（２０１２）４９−５６

ところで、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体と、他の部材とを、溶融溶接で接合する場合には、溶融溶接時に、拡散接合体の拡散接合部は、母材である金属部材よりも高温で延性が低下する。これにより、拡散接合体の拡散接合部では、金属部材よりも割れ感受性が高くなるので、溶融溶接に伴うひずみにより、拡散接合部に割れが生じる可能性がある。

そこで本発明の目的は、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体と、他の部材とを、溶融溶接で接合するときの拡散接合部の割れを抑制可能な拡散接合体の溶接方法を提供することである。

本発明に係る拡散接合体の溶接方法は、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体と、他の部材と、を溶融溶接により接合する拡散接合体の溶接方法であって、前記拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域に、前記拡散接合部より延性が大きい緩衝層を形成する緩衝層形成工程と、前記緩衝層が形成された溶接領域と、前記他の部材とを、前記緩衝層の上から溶融溶接して接合する溶接工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る拡散接合体の溶接方法において、前記緩衝層形成工程は、前記緩衝層を肉盛溶接で形成することを特徴とする。

本発明に係る拡散接合体の溶接方法において、前記緩衝層形成工程は、前記緩衝層を、粉末焼結、超音波接合、摩擦圧接、摩擦肉盛、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌プロセス、拡散接合、ろう付け、電磁圧接または爆着のいずれかのプロセスにより形成することを特徴とする。

本発明に係る拡散接合体の溶接方法において、前記拡散接合体は、前記他の部材に、継手形式で溶融溶接されることを特徴とする。

本発明に係る拡散接合体の溶接方法において、前記継手形式の溶融溶接は、はめ込み溶接、突合せ溶接、隅肉溶接または重ね溶接であることを特徴とする。

上記構成によれば、溶融溶接に伴うひずみを緩衝層で吸収して緩衝するので、拡散接合体の拡散接合部の割れを抑制可能となる。

本発明の実施の形態において、拡散接合体の溶接方法の構成を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において、緩衝層形成工程を説明するための図である。 本発明の実施の形態において、拡散接合部と、母材である金属部材との延性を説明するための図である。 本発明の実施の形態において、拡散接合部と、母材である金属部材と、緩衝層との延性を説明するための図である。 本発明の実施の形態において、拡散接合部の延性と、緩衝層形成時に生じるひずみとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態において、溶接工程を説明するための図である。 本発明の実施の形態において、比較例の溶接方法におけるアーク溶接後の光学顕微鏡による観察結果を示す写真である。 本発明の実施の形態において、実施例の溶接方法におけるアーク溶接後の光学顕微鏡による観察結果を示す写真である。

以下に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、拡散接合体の溶接方法の構成を示すフローチャートである。拡散接合体の溶接方法は、緩衝層形成工程（Ｓ１０）と、溶接工程（Ｓ１２）と、を備えている。

緩衝層形成工程（Ｓ１０）は、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域に、拡散接合部より延性が大きい緩衝層を形成する工程である。図２は、緩衝層形成工程（Ｓ１０）を説明するための図であり、図２（ａ）は、全体概略図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ方向の断面概略図である。

まず、拡散接合体１０について説明する。拡散接合体１０は、金属部材１２同士を拡散接合して形成されている。金属部材１２は、インコネル６２５、インコネル６１７、ヘインズアロイ２３０等のＮｉ合金や、オーステナイト系ステンレス鋼等のステンレス鋼等で形成されている。拡散接合体１０は、一般的な金属材料の拡散接合法により形成されている。拡散接合体１０は、金属部材１２同士が拡散接合されている拡散接合部１４を有している。

後述する溶接工程（Ｓ１２）で、拡散接合体１０と、他の部材１６とを溶融溶接（以下、「本溶接」と呼ぶ場合がある）により接合する場合には、本溶接時に、拡散接合部１４は、高温に加熱される。拡散接合部１４は、母材である金属部材１２よりも高温で延性が低下しやすい。本溶接時には、拡散接合部１４は高温に加熱されるので、拡散接合部１４は延性が低下する。図３は、拡散接合部１４と、母材である金属部材１２との延性を説明するための図である。図３では、横軸に温度を取り、縦軸に延性を取り、拡散接合部１４の延性曲線（Ｅ_ｄｂ）を実線で示し、金属部材１２の延性曲線（Ｅ_ｂ）を２点鎖線で示している。拡散接合部１４は、高温域で、母材である金属部材１２よりも延性が低下する。金属部材１２がＮｉ合金やステンレス鋼で形成されている場合には、拡散接合部１４の延性が低下する温度領域は、一般に１０００℃近傍の温度領域である。

図３に、拡散接合体１０と、他の部材１６とを本溶接して接合するときの本溶接に伴うひずみのひずみ曲線（Ｓ_ｗ）を破線で示す。拡散接合体１０と、他の部材１６とが本溶接により接合されると、変形が拘束されるので、本溶接に伴うひずみが大きくなる。ひずみ曲線（Ｓ_ｗ）が、拡散接合部１４の延性曲線（Ｅ_ｄｂ）と交差して、延性曲線（Ｅ_ｄｂ）を超える温度域では、拡散接合部１４に高温割れの一種である延性低下割れが発生する可能性がある。拡散接合部１４の延性低下割れは、本溶接時の拘束が大きくなるほど発生し易くなる。このような拘束が大きい溶接には、例えば、はめ込み溶接等がある。

緩衝層２０は、拡散接合体１０の拡散接合部１４を含む溶接領域として形成されている。緩衝層２０は、拡散接合部１４よりも大きい延性を有している。緩衝層２０は、後述する溶接工程（Ｓ１２）で、本溶接に伴うひずみを吸収して緩衝する機能を有している。

図４は、拡散接合部１４と、母材である金属部材１２と、緩衝層２０との延性を説明するための図である。図４では、横軸に温度を取り、縦軸に延性を取り、拡散接合部１４の延性曲線（Ｅ_ｄｂ）を太い実線で示し、母材である金属部材１２の延性曲線（Ｅ_ｂ）を２点鎖線で示し、緩衝層２０の延性曲線（Ｅ_ｉ）を細い実線で示している。また、図４には、拡散接合体１０と、他の部材１６とを、本溶接して接合するときの本溶接に伴うひずみのひずみ曲線（Ｓ_ｗ）を破線で示している。

緩衝層２０は、拡散接合部１４よりも、高温での延性が大きい。この結果、緩衝層２０の延性曲線（Ｅ_ｉ）は、ひずみ曲線（Ｓ_ｗ）と交わらずに、ひずみ曲線（Ｓ_ｗ）より上方に位置する。これにより、後述する溶接工程（Ｓ１２）で、緩衝層２０が設けられた拡散接合部１４と、他の部材１６とを、本溶接で接合するときに、本溶接に伴うひずみを緩衝層２０で吸収して緩衝するので、拡散接合部１４での割れが抑制される。緩衝層２０の厚みは、緩衝層２０を形成する金属材料や、本溶接の拘束条件等により相違するが、例えば、１ｍｍから１０ｍｍ程度とするとよい。

緩衝層２０は、拡散接合体１０の拡散接合部１４を含む溶接領域に形成されており、緩衝層形成時には他の部材１６との拘束が殆どないので、容易に変形可能である。このため緩衝層形成時は、後述する溶接工程（Ｓ１２）での本溶接時よりも拘束が小さいことから、緩衝層形成に伴うひずみを、本溶接に伴うひずみよりも小さくすることができる。

図５は、拡散接合部１４の延性と、緩衝層形成に伴うひずみとの関係を示す図である。図５では、横軸に温度を取り、縦軸に延性を取り、拡散接合部１４の延性曲線（Ｅ_ｄｂ）を太い実線で示し、母材である金属部材１２の延性曲線（Ｅ_ｂ）を２点鎖線で示し、緩衝層２０の延性曲線（Ｅ_ｉ）を細い実線で示している。また、図５には、緩衝層形成に伴うひずみのひずみ曲線（Ｓ_ｃ）と、本溶接に伴うひずみのひずみ曲線（Ｓ_ｗ）と、を各々破線で示している。

緩衝層形成時は、後述する溶接工程（Ｓ１２）での本溶接時よりも拘束が小さいことから、ひずみ曲線（Ｓ_ｃ）は、ひずみ曲線（Ｓ_ｗ）よりも下方に位置する。この結果、ひずみ曲線（Ｓ_ｃ）は、拡散接合部１４の延性曲線（Ｅ_ｄｂ）と交わらず、延性曲線（Ｅ_ｄｂ）より下方に位置する。これにより、緩衝層形成時において、拡散接合部１４の割れを抑制することができる。

緩衝層２０は、母材である金属部材１２と同種材料で形成するとよい。緩衝層２０を金属部材１２と同種材料で形成することにより、強度分布による局所変形や、ガルバニ腐食、異材界面からのコンタミネーション（異物混入）を抑制できる。例えば、金属部材１２がＮｉ合金で形成されている場合には、緩衝層２０をＮｉ合金で形成することが可能である。また、緩衝層２０は、金属部材１２と同じ合金組成の金属材料で形成してもよい。例えば、金属部材１２がヘインズアロイ２３０で形成されている場合には、緩衝層２０をヘインズアロイ２３０と同じ合金組成の金属材料で形成することができる。

緩衝層２０は、母材である金属部材１２と異種材料で形成してもよい。緩衝層２０を金属部材１２と異種材料で形成する場合には、緩衝層２０には、金属部材１２よりも低降伏応力で高延性の軟質材料を用いるとよい。このような軟質材料を用いることにより、本溶接に伴うひずみが緩衝層２０に集中すると共に、拡散接合部１４に緩衝層２０の降伏応力以上の応力が負荷されないようにすることが可能となる。これにより、緩衝層２０を金属部材１２と同種材料で形成する場合より緩衝層２０の厚さを小さくしても、同等以上の割れ防止効果を得ることができる。

緩衝層２０の形成方法には、緩衝層形成に伴うひずみをより小さくするために、拘束がより小さくなる形成方法を用いるとよい。このような緩衝層２０の形成方法には、肉盛溶接（バタリング）を用いるとよい。肉盛溶接（バタリング）は、拡散接合部１４を含む溶接領域に、溶着金属を肉盛する方法であるので、拘束が殆どなく、緩衝層形成に伴うひずみをより小さくすることができる。肉盛溶接に用いられるプロセスとして、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、抵抗溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、溶射等で行うことができる。溶接材料には、金属部材１２と同種材料を用いてもよいし、金属部材１２と異種材料を用いてもよい。溶接材料には、金属部材１２と同じ合金組成の金属材料を用いることもできる。緩衝層２０を肉盛溶接で形成する場合には、１回のパスで溶接ビードを形成し１層としてもよいし、２層以上形成してもよい。また溶接材料を用いず、ノンフィラーにて表面部を局所的に溶融・凝固させることでも緩衝層を形成させることができる。このような緩衝層２０の形成方法には、肉盛溶接の他に、薄板金属片の突合せ溶接や、薄板金属片の重ね溶接等を用いることも可能である。

緩衝層２０の形成方法には、緩衝層２０の形成に伴うひずみをより小さくするために、温度変化によるひずみが小さく溶融凝固に伴うひずみも生じない固相接合を用いるとよい。このような緩衝層２０の形成方法としては、粉末焼結、超音波接合、摩擦圧接、摩擦肉盛、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌プロセス、拡散接合、ろう付け、電磁圧接、爆着等を用いることが可能である。

緩衝層２０の形成方法には、拘束がより小さくなる形成方法と、低ひずみの固相接合とを、組み合わせて用いてもよい。このような緩衝層２０の形成方法としては、例えば、肉盛溶接を、低入熱の摩擦肉盛で行えばよい。これにより、緩衝層形成に伴うひずみが更に小さくなるので、拡散接合部１４の割れを更に抑制することができる。

溶接工程（Ｓ１２）は、拡散接合体１０における緩衝層２０が形成された溶接領域と、他の部材１６と、を、緩衝層２０の上から溶融溶接して接合する工程である。図６は、溶接工程（Ｓ１２）を説明するための図であり、図６（ａ）は、全体概略図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ方向の断面概略図である。

拡散接合体１０における緩衝層２０が形成された溶接領域と、他の部材１６とを、緩衝層２０の上から本溶接して接合する。これにより溶接層２２が形成され、拡散接合体１０と、他の部材１６とが、溶接接合される。本溶接には、アーク溶接、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ），ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の一般的な溶接方法を用いることが可能である。例えば、大入熱の被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）等により、複数の溶接ビードを重畳させてアーク溶接することができる。溶接材料には、金属部材１２と同種材料を用いてもよいし、金属部材１２と異種材料を用いてもよい。溶接材料には、金属部材１２と同じ合金組成の金属材料を用いることもできる。

拡散接合体１０が、他の部材１６に本溶接で接合されて拘束される場合でも、本溶接に伴うひずみが緩衝層２０で吸収されて緩衝されるので、拡散接合部１４の割れが抑制される。より詳細には、図４で説明したように、本溶接に伴うひずみのひずみ曲線（Ｓ_ｗ）は、緩衝層２０の延性曲線（Ｅ_ｉ）よりも下方に位置している。これにより、本溶接時に拡散接合部１４の延性が低下した場合でも、本溶接に伴うひずみが緩衝層２０で吸収されて緩衝されるので、拡散接合部１４の割れが防止される。

上記の拡散接合体１０の溶接方法については、拡散接合体１０が、他の部材１６に、継手形式で溶融溶接される場合にも用いることが可能である。このような継手形式の溶融溶接は、はめ込み溶接、突合せ溶接、隅肉溶接または重ね溶接とすることができる。また、上記の拡散接合体１０の溶接方法については、はめ込み溶接等の拘束度が高い形状で溶融溶接される継手形式に好適に用いることができる。例えば、熱交換型リアクタに用いられる反応容器は、高温高圧で腐食性が高い流体を扱うため、厚板のＮｉ合金部材で形成されている高剛性の反応容器である。この反応容器は、Ｎｉ合金部材を拡散接合して形成した拡散接合体からなる。この反応容器を、厚板のフランジに取り付ける際には、反応容器をフランジに、はめ込み溶接する。

反応容器と、フランジとの剛性が各々高く、これらの部品がはめ込み溶接されるため、本溶接に伴うひずみがより大きくなる。このような拘束が大きくなるはめ込み溶接の場合でも、反応容器の拡散接合部を含む溶接領域に緩衝層を形成した後に、緩衝層の上からフランジと本溶接して接合することで、反応容器の拡散接合部の割れを抑制することができる。

以上、上記構成によれば、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域に、拡散接合部より延性が大きい緩衝層を形成する緩衝層形成工程と、拡散接合体における緩衝層が形成された溶接領域と、他の部材とを、緩衝層の上から溶融溶接して接合する溶接工程と、を備えることから、溶融溶接に伴うひずみを緩衝層で吸収して緩衝させるので、拡散接合部の割れを抑制することができる。

拡散接合体の溶接試験を行った。

（比較例）
まず、比較例の溶接方法について説明する。拡散接合体は、複数のＮｉ合金部材を拡散接合して形成した。Ｎｉ合金部材は、ヘインズアロイ２３０で形成した。拡散接合体は、Ｎｉ合金部材同士の間に拡散接合部を有している。比較例の溶接方法では、拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域と、金属製ブロックとをアーク溶接して溶接層を形成し、拡散接合体と、金属製ブロックとを接合した。溶接材料には、ヘインズアロイ２３０と同じ合金組成の材料を用いた。

アーク溶接後に、溶接層の直下の拡散接合部を光学顕微鏡で観察した。図７は、比較例の溶接方法におけるアーク溶接後の光学顕微鏡による観察結果を示す写真であり、図７（ａ）は、溶接層の直下の拡散接合部の断面を示す写真であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す割れの拡大写真である。溶接層の直下の拡散接合部で数ｍｍ以上の貫通した割れが発生した。なお、母材であるＮｉ合金部材や、溶接層には、割れが発生していなかった。

（実施例）
次に、実施例の溶接方法について説明する。拡散接合体には、比較例の溶接方法で使用した拡散接合体と同様のものを用いた。まず、拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域に、肉盛溶接により緩衝層を形成した。肉盛溶接はＴＩＧ溶接を用いた。溶接条件は、アーク電圧１２Ｖ、溶接電流８０Ａ、溶接速度１００ｍｍ／ｍｉｎとした。肉盛溶接は、フィラー有りとした。フィラーには、ヘインズアロイ２３０と同じ合金組成の材料を用いた。肉盛溶接は、２パス行い、２層の肉盛層からなる緩衝層を形成した。緩衝層の厚みは、２．５ｍｍとした。緩衝層を形成した後に、超音波探傷検査及び浸透探傷検査を行い、緩衝層や、緩衝層の直下の拡散接合部に割れが発生していないことを確認した。

次に、緩衝層が形成された溶接領域と、金属製ブロックとを、緩衝層の上からアーク溶接して溶接層を形成し、拡散接合体と、金属製ブロックとを接合した。アーク溶接は、比較例の溶接方法と同じとした。溶接材料には、ヘインズアロイ２３０と同じ合金組成の材料を用いた。アーク溶接後に、溶接層を除去し、緩衝層と、緩衝層の直下の拡散接合部とを光学顕微鏡で観察した。

図８は、実施例の溶接方法におけるアーク溶接後の光学顕微鏡による観察結果を示す写真であり、図８（ａ）は、緩衝層の直下の拡散接合部を示す写真であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の拡大写真である。緩衝層と、緩衝層の直下の拡散接合部では、割れの発生は認められなかった。これらの結果から、拡散接合部を含む溶接領域に緩衝層を形成し、緩衝層の上からアーク溶接することにより、アーク溶接に伴うひずみが緩衝層で吸収されて緩衝され、拡散接合部の割れを抑制できることがわかった。

１０ 拡散接合体
１２ 金属部材
１４ 拡散接合部
１６ 他の部材
２０ 緩衝層
２２ 溶接層

Claims (8)

1. 金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体と、他の部材と、を溶融溶接により接合する拡散接合体の溶接方法であって、
   前記金属部材は、Ｎｉ合金またはステンレス鋼で形成されており、
   前記拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域に、前記拡散接合部の延性が低下する高温域で前記拡散接合部より延性が大きい緩衝層を形成する緩衝層形成工程と、
   前記緩衝層が形成された溶接領域と、前記他の部材とを、前記緩衝層の上から前記拡散接合部の延性が低下する高温域で溶融溶接して接合する溶接工程と、
   を備える、拡散接合体の溶接方法。
2. 請求項１に記載の拡散接合体の溶接方法であって、
   前記緩衝層形成工程は、前記緩衝層を肉盛溶接で形成する、拡散接合体の溶接方法。
3. 請求項１に記載の拡散接合体の溶接方法であって、
   前記緩衝層形成工程は、前記緩衝層を、粉末焼結、超音波接合、摩擦圧接、摩擦肉盛、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌プロセス、拡散接合、ろう付け、電磁圧接または爆着のいずれかのプロセスにより形成する、拡散接合体の溶接方法。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の拡散接合体の溶接方法であって、
   前記拡散接合体は、前記他の部材に、継手形式で溶融溶接される、拡散接合体の溶接方法。
5. 請求項４に記載の拡散接合体の溶接方法であって、
   前記継手形式の溶融溶接は、はめ込み溶接、突合せ溶接、隅肉溶接または重ね溶接である、拡散接合体の溶接方法。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の拡散接合体の溶接方法であって、
   前記金属部材同士と、前記緩衝層とは、Ｎｉ合金で形成されている、拡散接合体の溶接方法。
7. 請求項１から５のいずれか１つに記載の拡散接合体の溶接方法であって、
   前記金属部材同士と、前記緩衝層とは、ステンレス鋼で形成されている、拡散接合体の溶接方法。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載の拡散接合体の溶接方法であって、
   前記金属部材同士と、前記緩衝層とは、同じ合金組成の金属材料で形成されている、拡散接合体の溶接方法。

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