JPH0246307B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はチタンとアルミニウムがその接合部の
界面で溶融するような大きさの溶接エネルギーを
使用して、溶接によりアルミニウムをチタンに接
合する方法に関する。更に本発明はチタンを溶接
によりアルミニウムに接合させた溶接物（weld
−ment）に関する。 塩化ナトリウムの電解においては、現在、少な
くとも電解槽の陽極を取付ける側にチタン製マン
トルがしばしば使用されている。この場合、陽極
の基材は通常、チタンである。一方の側面に陽極
を取付ける電解槽マントルまたは該電解槽マント
ルを貫通している陽極の端部はボルト接合により
アルミニウム製電流導体に接合されている。かか
るボルト接合により転移抵抗（transfer
resistance）（接合された２種の物体の間の接合
部を電流が通過するときに生ずる抵抗）が生じそ
れによつてエネルギーの損失を生ずるので、この
ボルト接合は好ましいものではない。 電解槽においてはアルミニウムとチタンとを接
合させることが要求されているため、この目的の
ために、種々の方法が開発されている。 英国特許第1125493号明細書には、かかる接合
方法として、圧延、爆発溶接および抵抗溶接が挙
げられている。しかしながら、圧延においては、
アルミニウムとチタンとの間に金属学的結合を生
ぜしめるのに大きな力を必要とし、従つてこの方
法は厄介なものである。この方法は非常に薄いシ
ートの場合に実施すべきであり、厚い電導体レー
ル（conducton rail）あるいは電解槽のアルミニ
ウム製支持構造体を接合させるのには不適当であ
る。更に、圧延法は特殊な装置を備えた機械工場
で行わなければならず、現場で行うのには不適当
である。チタンとアルミニウムは爆発溶接により
接合し得る。しかしながら、この方法も厚い導体
レールを電解槽のチタン製マントルに接合するの
には厄介でかつ高価な方法である。更に、爆発溶
接も特殊な装置を備えた工場においてしか実施で
きない。電解槽のチタン製マントルをこの方法に
よつてアルミニウムシートで“被覆”した場合に
は、アルミニウム製電流レール（current rail）
を更に別個の溶接によりアルミニウム製電流導体
（current conductor）に接合しなければならな
い。更に、かかるTi−Alマントル中にパイプ装
置を形成することは、マントルが上記２種の材料
からなるために、該マントルがチタンだけからな
る場合に比較して困難である。アルミニウムは電
気および熱の良好な導体であるため、抵抗溶接に
よつては薄いアルミニウムシートしかチタンシー
トに接合することができない。例えば、接合させ
るべきアルミニウムシートについて前記特許明細
書中で示されている最大の厚さは約３mmである。 英国特許第1127484号明細書には爆発溶接の他
に、ハンダ付けとロウ付けが記載されており、こ
の方法においては平担なチタンシートと比較的厚
いアルミニウム基材シートに接合している。しか
しながらハンダ付けおよびロウ付けは極めて厄介
な方法である；その理由は、最初にチタンシート
とアルミニウムシートの両者から酸化物被膜を除
去することが必要であり、その後、溶接を行うま
で、これらのシートを酸化されないようにするこ
と、例えば真空中で保存するかあるいはシールド
ガス中に保存することが必要であるからである。
更に種々のフイラー（filler）を通常必要とする。 上記英国特許明細書中には更に、電解槽から突
出する突出部をアルミニウムから注型により形成
することも記載されている。しかしながら、特に
上記突出部が比較的厚い電流レールである場合に
は、上記注型操作を行うことは困難である。電流
レールを接合するのに注型を行つた場合には、注
型温度より非常に高い融点を有する酸化物被膜が
チタンの表面に残留するために電気抵抗を有する
層が形成され、そのため、電流を導通したときに
エネルギーの損失を生ずる。従つて注型も電流レ
ールについては使用し得ない。更に、この方法は
大型の電解槽の支持構造体の接合に関しては問題
外である；何故ならば、この方法は上記の接合を
行う場合には実際上、実施することが困難であ
り、また前記した酸化物被膜により構造体の強度
が低下するからである。 英国特許第1522622号明細書には注型法と同等
の溶融溶接法が記載されている。この方法におい
てはアルミニウムピンを摩擦溶接により電解槽の
チタン製マントルに接合している。ピンを油圧モ
ーターにより回転させ、チタンと接触しているピ
ンの表面を溶接させる。しかしながら、この方法
は電導体レールを使用する場合は、同様の方法で
ピーンを更にレールに接合しなければならないと
いう欠点を有する。更にこの方法は回転可能な部
品に限定される。 上記英国特許明細書にはコンデンサー放電溶接
も記載されている。この方法も一種の抵抗溶接法
であり、溶接させるべき部品を相互に圧着させつ
いで部品を通じて放電を行わせその際にアルミニ
ウムを溶融させる。しかしながら、この方法はア
ルミニウム部品の大きな電導性と熱伝導性によ
り、接合させるべき部品の厚さあるいはその断面
面積が制限され、従つて、この方法は比較的薄い
部品あるいは断面面積の小さい部品の場合にしか
使用できないという欠点を有する。その理由は厚
い部品の場合には電気と熱とが横方向に急速に伝
達し、その結果、溶接を行うのに十分な熱エネル
ギーを溶接すべき帯域で得ることができないとい
うことにある。 ドイツ特許出願公開第2735059号公報に記載さ
れる特殊なロウ付け法は多数の工程とフイラーの
使用を必要とし更に、特殊な装置を必要とする。
従つてこの方法も実施が困難である。 英国特許第1237090号明細書にはチタンをTIG
溶接によりアルミニウムに溶接し得ると記載され
ている。しかしながら、上記特許明細書で問題と
している方法はフイラー材料（溶接ワイヤー）を
使用しないという点で、実際のガスアーク溶接法
ではなく溶融法であることに注意すべきである。
上記特許明細書には、接合させるべき部分は、弾
力性であるためには、十分に薄くなければならな
いと記載されている。従つて、上記英国特許明細
書記載の方法によつてはより厚い部品を接合する
ことはできないということが判る。この方法は通
常の溶接接合を行うのには使用し得ないが、その
理由は溶融物の組成が制御されておらず従つて
TiとAlの部品を確実に接合し得ないということ
にある。一方、上記特許明細書には、Alの厚み
がこれに接合されるべきTiの厚さの少なくとも
４倍大きくなければならないということ以外、溶
融物をどのようにして制御し得るかについては何
ら記載されていない。厚さについて上記したごと
き条件を満すことが要求されるため、この方法を
適用し得る構造体の範囲が著しく制限されてい
る。 かかる複雑な方法を採用するのは、いずれの場
合も、ガスアーク溶接法をTiとAlの溶接に適用
した場合には脆弱な金属化合物が生ずるために、
上記ガスアーク溶接をTiとAlの溶接には適用し
得ないことによるものである。 米国特許第4264426号明細書記載の方法におい
てはアルミニウム製電流導体を例えば電解槽のチ
タン製マントルに直接接合するのにガスアーク溶
接法を適用している。 フインランド特許第58164号明細書に記載の方
法においては、アルミニウム支持構造体および補
剛材（stiffener）とチタン製電解槽とを接合する
のにガスアーク溶接を適用し、それによつて上記
電解槽について単純でかつ強固な支持構造体を
得、かつ、従来使用された複雑な構造体を排除し
ている。 従来からガスアーク溶接法を適用することは可
能であつたが、この方法を十分に制御することは
できなかつた。 今般、本発明者は、驚くべきことに、溶接を行
う際に、商業的に入手され得る装置により容易に
制御し得るある温度を使用することにより、確実
にかつ良好な再現性で溶接を行うことができその
結果、チタンとアルミニウムとの間に、温度を加
えた場合にも堅牢な、強固な接合部を形成させ得
ることを知見した。 本発明によれば、合金化溶融物（alloying
melt）境界部のチタン側の温度は約2000℃とな
るかまたは2000℃以下に留まるが、チタンの融点
以上の温度となるような大きさのエネルギーのみ
が使用される。この場合、溶接部の中央の溶融物
の温度は最高で1500℃でありそして、チタン側の
溶融物についての最高許容温度より平均して500
〜800℃低いことが好ましい。一方、アルミニウ
ム側においては溶融物の温度はアルミニウムの融
点以上の温度である。かく得られる溶接物におい
ては、チタンとアルミニウムとの界面附近のβ−
相は、主として、アルミニウムマトリツクス中に
分散した不連続β−相（Al₃Ti）のみからなる。 本発明の方法に従つて溶接を行つた場合には、
溶融金属の大きさは、可能な限り少量のチタンが
アルミニウム中に溶解するように小さい状態に保
持することができ、最高15％のチタンがチタン界
面附近のアルミニウムマトリツクス中に析出して
いることが好ましい。この場合、合金化金属の界
面がギヤツプ（gap）の表面を意味する。 本発明の方法においては、TIG、MIGおよび
プラズマ溶接のごとき任意のガスアーク溶接法な
らびにエネルギーを溶接電極によつて導入せずに
直接導入する溶接法、例えばレーザー溶接法を使
用し得る。 アルミニウムフイラー（溶接ワイヤー）を使用
してチタンとアルミニウムを溶接する場合には、
チタン側の合金化溶融物境界部においてその温度
が最高約2000℃、好ましくはチタンの融点（1672
℃）に近い温度、例えば1750℃であることが本質
的な特徴である。 溶接を余りに大きい量のエネルギーを使用して
行つた場合には、温度が明らかに2000℃以上に上
昇し、それによつて多量の溶融金属が生成し、多
量のチタンがアルミニウムと合金を形成する。か
かる溶融物が固化した場合、接合境界部のチタン
側にチタン−アルミニウム化合物、すなわち、
γ、δおよびβ−相の化合物（ASTM Metal
Handbook、Vol.8、“Metallography、
Structures and phase Diagrams、第８版、
（1973）、第264頁参照）が多量に生成する。これ
らの相はチタンの表面側から始まつてγ、δ、β
相の順序で連続層を形成する。勿論、少なくとも
β相は脆弱である。アルミニウムの熱膨張係数は
チタンの少なくとも３倍であり、従つて、溶接帯
域を冷却した場合に、チタンとアルミニウムとの
間の境界帯域に大きな応力が生ずる。これらの応
力の影響下においては、脆弱なβ−相からなる連
続層が破壊され、その結果、β−相とγ−相との
境界帯域において溶接部が破壊される。これに対
して、合金化溶融物境界部のチタン側の温度を約
2000℃またはそれ以下に保持した場合には、著し
く少量のチタンがアルミニウム中に溶解し、溶融
物を固化した場合、チタンと溶融金属との間の境
界に薄い、β相からなる不連続層（Al₃Ti）が形
成され、分散したβ−相粒子がチタンの附近のア
ルミニウムマトリツクス中に形成される。かかる
接合部は、β−相からなる連続層がチタンの境界
面に形成されないため、強固である。 合金化溶融物境界部のアルミニウム側の温度は
アルミニウムの融点、すなわち、約660℃以上で
なければならない。チタン側の合金化溶融物境界
部の温度が約2000℃以上に上昇した場合、合金化
溶融物境界部のアルミニウム側の温度は、良好な
接合が得られない程、高い温度に上昇する。実際
には、溶融物の中央の平均温度はチタン側溶融物
の最高温度より約500〜800℃低く設定する。チタ
ン側における合金に溶融物境界部の温度が最高の
約2000℃である場合には、前記平均温度は約1500
℃以上には殆んど上昇せず、アルミニウム側の接
合は良好になるであろう。この場合には、チタン
境界部に多量のγ−およびδ−相が生成せず、ま
た、β−相からなる連続層も形成されないため、
溶接された接合部は全体として、強固なものとな
るであろう。原則的には、接合を行うのに多量の
合金化は必要ではないので、上記したごとき温度
より低い温度においても操作を行い得る。しかし
ながら、このような場合には、低温流れが生じ、
そのため、溶接部の強度が低下する危険性があ
る。従つて溶融物の中央部の温度についての実際
的な下限値は1000〜1100℃である。 チタンとアルミニウムの溶融を可能な限り少量
にするために、溶融金属の量を可能な限り少量に
することが提案されている。しかしながら、この
ことは勿論、相対的な問題である；その理由は、
例えばTIG溶接法においてはレーザー溶接法にお
けるより多量の溶融物が生じ、この場合、必要に
応じて、エネルギーのビームを小さな特定部分に
当てることができる。 なお、アルミニウム フイラー（溶接ワイヤ
ー）またはアルミニウム基材（溶接させるべき部
品）を純粋なあるいはほぼ純粋なアルミニウムの
濃度に対応しない濃度でアルミニウムを含有する
合金からも構成し得ることに注意すべきである。
この場合、基材合金およびアルミニウム フイラ
ーはチタンを10％以上含有してはならず、５％以
下のチタンを含有していることが好ましい。 上述したところから明らかな通り、前記した温
度範囲内においてはチタンとアルミニウムの合金
化は僅かしか行われず、その結果、溶接された接
合部は強固なものになる。実際には、溶接に使用
されるエネルギーの量を調節することにより前記
温度範囲を容易に得ることができる。例えば、
MIG溶接法においては電圧により、またTIG溶
接法においては電流の強さにより、エネルギーの
調節を行い得る。更に、溶接操作は溶接ワイヤー
の供給速度により調節し得る。後記実施例１〜３
に溶接操作の制御が例示されている。 本発明による溶接方法を使用した場合には、ア
ルミニウムおよびチタンの厚さに制限がない。例
えば、バツト（butt）接合溶接法を同一の厚さの
Ti部品とAl部品を使用して行い得る。通常のフ
イラー溶接を行う場合には、溶接させるべき部品
の厚さの割合は重要ではない；その理由は、部品
は全体が溶融せず、Tiの界面での溶接接合部は
溶接フイラー（溶接ワイヤー）から形成されるか
らである。 本発明の溶接方法によれば、それ自体、簡単な
接合方法により、アルミニウム製電流レールを例
えば電解槽のチタン製マントルに有利に溶接し得
る。更に、例えばボルト接合を行つた場合と異
り、チタンとアルミニウムとの間に転移抵抗が生
じないという利点を有する。 本発明によるアルミニウムとチタンとの溶接方
法はチタン製槽、晶出器および他の装置について
支持構造体および補剛材を形成するのにも有利に
使用し得る。槽に関しては、通常、槽全体を包囲
する支持構造体が必要とされる。従来、この支持
構造体は、例えば、チタン製槽の周囲に比較的薄
いチタン製フランジを溶接することにより行われ
ている。この場合、上記フランジに十分なかつ一
定の間隔で孔を穿設する。 ついで上記フランジの孔を対応する孔を有する
実際の鋼製補剛材を、槽壁に溶接されたチタン製
フランジにボルトにより接合する。本発明による
Al溶接法を使用することにより、アルミニウム
製補剛用リングをチタン製槽の壁に直接、溶接し
得る。この場合には最も多い時にはチタン製フラ
ンジを接合させる場合と同一の数の溶接工程を必
要とするが、非常に複雑な鋼製補剛材構造体は必
要でない。チタンを溶接する場合には、実際的な
理由から、TIG溶接を使用することが多くの場合
必要であるが、アルミニウムリングはMIG溶接
によつても溶接することができ、その結果、
MIG溶接はTIG溶接より短時間で行い得るので、
溶接時間が半分に短縮される。 以下においては、本発明を実施例によりかつ図
面を参照しながらより詳細に説明する。第１図お
よび第２図は本発明の方法に従つて溶接した試料
の上面図および側面図であり、第３図は引張試験
片の、溶接物材料とチタンシートとの間の境界帯
域内のかつ溶接部の底部に近い部分についての、
溶接物の垂直断面の顕微鏡写真である。溶接物材
料は破壊されたβ−相粒子を分散して含有してい
る。 第１図および第２図において、１はチタン、２
はアルミニウム、そして３は溶接された接合部を
表わす。 実施例 １ 溶接トランスL1−350K（Kemppi Oy、フイン
ランド）をTIG溶接に使用した。溶接ワイヤ−と
して直径３mmのAl含有量約99％のAl−ワイヤー
を使用して、アルミニウムビーズを厚さ６mmのシ
ートに溶接した。溶接装置のアーク電圧を29〜
34Vとし、公称電流を75Aに、また、溶接速度を
約200mm／分に調節した。溶融を制御するために、
Al−溶接ワイヤ−はタングステン電極の後方に
供給した。チタンの最高温度は1900℃であつた。
この場合に、良好に溶接した接合部が得られ、
Tiの境界面の近くでの合金化は約５％であつた。 公称電流を80Aに増大させた場合には、チタン
最高温度は約2100℃に上昇した。この場合、チタ
ン境界面の近くでの合金化は著しく大きく、約20
％であり、得れた溶接物は脆弱であつた。 実施例 ２ 一連のMIG溶接を行つた。溶接トランス
RA325（Kemppi Oy、フインランド）を使用し
た。 20mm×35mmの断面を有するAl−レールを厚さ
５mmのTi−シートに溶接した。フイラーとして
直径1.2mmの、純度約99％のAl−ワイヤーを使用
した。溶接装置の電圧は種々の値に設定した。31
−25Vの電圧を用いた場合に良好な溶接結果が得
られた。約31Vでは溶接部が脆弱となり、一方、
25V以下の電圧では溶接接合部に低温流れが生じ
て、溶接物の強度が低下した。 溶接接合部の品質を種々の方法で測定した。一
般的な方法の一つは、いわゆる0.2％限界値の測
定であり、これによつて0.2％伸長させるのに要
する力が示される。他の一般的な方法は破壊強度
の測定である。 実施例 ３ 種々の形式の引張試験片についてSF標準試験
法3173に従つて引張試験を行つた結果を以下に示
す。

【表】 溶接に使用した材料について製造業者により示
されている数値は下記の通りである： Ti（約99.5％Ti）0.2限界値≧274N／mm²、破壊
強度390−540N／mm² Al（97.2−99.2％Al）0.2限界値≧176N／mm²、破
壊強度≧216 Al−ワイヤ−φ1.2mm（約99.5％Al）0.2限界値
≧59N／mm²、破壊強度≧69 引張試験片の0.2％限界値と基材材料の0.2％限
界値との比較は余り重要でない；その理由は主と
して基材材料の間に強度の相違がありまた、溶接
フイラーの強度が明らかに少さいために、溶接部
が伸長性を示すからである。一方、破壊強度の測
定値は溶接部が良好な破壊強度を有することを示
している。 試料１〜２においては、合金化が僅かであり、
その破壊強度はAl−フイラーより大きい。試料
３〜５においては合金化が僅かである。これらの
試料３〜５は試料を行うまで約１年間放置した。
更に、これらの試料の溶接接合部３は試料１〜２
より小さかつた。従つて試料３〜５においては経
時変化により強度が増大していることが判る。 これらの場合のいずれにおいても、破壊は主と
して溶接接合部の中央で起り、例えばTi１とAl
２との界面では生起しなかつた。 溶接に関連して、使用されるAl基材２がアニ
ールされており（solution heat−treated）かつ
人工的に老化されている（aged）ため、Al基材
２中に部分的柔軟化が生ずることに注意すべきで
ある。同様な柔軟化現象はAl試験片（No.６〜７）
の機械加工との関係においても生起し、このこと
は前記の試験によつて得られた結果が原料製造業
者により報告されている値と同一でないことによ
り示される。試験の結果から溶接接合部３の強度
が、使用したAl−フイラーより大きく従つて、
溶接結果が良好であることが判る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明に従つて溶接した
試料の上面図および側面図である。第３図は溶接
物の垂直断面の顕微鏡写真である。 第１図および第２図において、１……チタン、
２……アルミニウム、３……溶接された接合部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ チタンとアルミニウムが接合境界部において
   溶融するような大きさの溶接エネルギーを使用し
   かつアルミニウムフイラーを使用してアルミニウ
   ムを溶接によりチタンに接合させる方法におい
   て、合金化溶融物からなる境界部のチタン側の温
   度が最高で約2000℃となるような大きさの溶接エ
   ネルギーを使用することを特徴とする、アルミニ
   ウムを溶接によりチタンに接合する方法。 ２ 合金化溶融物からなる境界部のチタン側の温
   度が、少なくともチタンの融点となるような大き
   さの溶接エネルギーを使用する、特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３ 溶接接合部の中央の、合金化溶融物の帯域の
   温度が最高で1500℃となるような大きさの溶接エ
   ネルギーを使用する、特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の方法。 ４ 合金化溶融物からなる境界部のアルミニウム
   側の温度がアルミニウムの融点以上になるような
   大きさのエネルギーを使用する、特許請求の範囲
   第１項〜第３項のいずれかに記載の方法。 ５ チタンをアルミニウムフイラーによりアルミ
   ニウムに接合させた溶接物であつて、かつ、アル
   ミニウムとアルミニウムフイラーとが最高10％の
   チタンを含有している溶接物において、チタンと
   アルミニウムとの境界附近の相がアルミニウムマ
   トリツクス中に分散した、不連続β−相のみから
   主としてなることを特徴とする溶接物。 ６ チタンの境界附近の溶接接合部のアルミニウ
   ムマトリツクス中において、最高15％のチタンが
   アルミニウム中で合金化されている、特許請求の
   範囲第５項記載の溶接物。