JPH0284287A - 金属材料の溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は金属材料の溶接方法に関し、さらに詳しくは
内部に多数個の気孔を有する焼結金属材料から成る焼結
材と、内部が中実である鋳造金属材料あるいは塑性加工
金属材料から成る中実材とを溶接する方法に関する。

（従来の技術） 一般に焼結金属材料から成る部品は、その成形形状の制
約あるいは強度上の理由等により、たとえば鉄鋼材料の
ような内部が中実である金屈材料から成る部品と溶接す
る必要が生じる場合が多い。

この溶接は、従来はガス溶接やアーク溶接等の低エネル
ギ密度の熱源を用いる溶接法により、焼結材側にも直接
熱を加えて、焼結材中の気孔によって溶融部内に生ずる
内部気泡を長時間の加熱により蒸発させて溶接をおこな
っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが上記従来の溶接法によると、エネルギ密度が低
いため溶接に時間がかかり、量産品の溶接には適しない
うえ、溶接ひずみや残留応力が大きいという問題がある
。

そこで高エネルギ密度のレーザビームや電子ビーム等を
用いる高エネルギ密度溶接法により、短時間で溶接をお
こなうことも考えられるが、この場合ビームを材料の接
合面部に照射する通常法によると、次のような問題を生
じる。すなわち第５図（ａ）に示すように、多数個の気
孔４ａを有する焼結材４と内部が中実である中実材５と
の接合面８を目標位置としてレーザビーム等のビーム３
１を照射すると、焼結材４もビーム３１により直接加熱
されるため、同図（ｂ）に示すように焼結材４も急速に
溶融して中実材５の溶融物と相互混合して溶融部３２を
形成するとともに、焼結材４の気孔４ａに起因する気泡
３３が溶融部３２内において急膨張および集合して上方
へ噴出する結果、同図（Ｃ）に示すような大きなブロー
ホール３４となって、溶接欠陥をひきおこす。また接合
面８にビーム３１を正確に位置ぎめして照射するのは困
難であって、この位置ずれにより溶融部３２の断面形状
および溶接組織に変動が生じ、ばらつきの少ない均一な
溶接部を得ることは困難である。

この発明は上記各問題点を解決するもので、溶接時間が
短くて済み、溶接品の熱変形や熱応力が小さいうえ、溶
接欠陥の発生が少なく、ビーム照射位置の管理も容易な
金属材料の溶接方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この出願の第１の発明は、
内部に多数個の気孔を有する焼結材と、内部が中実であ
る中実材とを、高エネルギ密度のビームを熱源として溶
接する金属材料の溶接方法において、前記焼結材と前記
中実材の接合面から所定距１！１Ｉ１１１れた前記中実
材の表面に前記ビームの照射点を位置させるとともに、
前記ビームの進行側が前記焼結材側に向うように前記ビ
ームの軸線を傾斜させた状態で、前記ビームを前記接合
面に沿って前記中実材の表面に照射する構成とした。

またこの出願の第２の発明は、内部に多数個の気孔を有
する焼結材と、内部が中実である中実材とを、高エネル
ギ密度のビームを熱源として溶接する金属材料の溶接方
法において、前記中実材の表面部に前記中実材と前記焼
結材の接合面を越えて前記焼結材側に突出するつば部を
設け、このつば部が嵌合する段部を前記焼結材に設け、
前記つば部の先端より所定距１１１１Ｉ！１れた前記中
実材の表面に前記ビームの照射点を位置させて、前記ビ
ームを前記接合面に沿って前記中実材の表面に照射する
構成とした。

第２の弁明においては、ビームの軸線を接合面に対して
平行にしてもよいが、ビームの進行側が焼結材側に向う
ようにビームの軸線を傾斜させると、中実材の溶融物が
確実に焼結材側に駆動されて熱伝導が促進されるので、
特に好ましい。

この発明において高エネルギ密度のビームとは、エネル
ギ密度が５００ｋｗ／ｃｄ以上であって、穿孔溶融現象
（キーホール現象）を生じさせるビームを称し、レーザ
ビーム、電子ビーム、プラズマビーム等がこのビームに
含まれる。

またこの発明において内部が中実である中実材とは、圧
延、鍛造などの塑性加工を施した塑性加工材や鋳造品な
どが含まれる。

〔作用〕 この発明においては、高エネルギ密度のビームは中実材
に照射されてこの中実材を直接加熱して溶融させ、この
溶融物からの熱伝導により焼結材が間接的に加熱されて
溶融する。このため焼結材はビームにより直接加熱され
る場合に比べて昇温速度が十分遅く、溶融時に気孔に起
因する気泡が発生しても、この気泡は時間をかけて溶融
部内を上昇して気泡成分が表面から放出されて消泡し、
ブローホールの生成が防止される。

〔実施例〕

以下第１図および第２図により第１の発明の一実施例を
説明する。

図中、１は炭酸ガスレーザ発撮灘から成るレーザ発振機
、２はペンドミラー、３は集光レンズである。４は自動
車用ピニオンである焼結材で、５ＩＪＳ３０４材に相当
する組成を有する密度６．６９　／　ｃｔｉの焼結晶で
ある。また５はビニオン駆動軸である中実材で、５ＵＳ
３０３製の引抜材を直径５ｍに研削仕上して成り、焼結
材４の中心孔に圧入されている。この中実材５は図示し
ない回転治具にチャッキングされ、レーザビーム６の軸
線６ａに対してα＝１５度傾斜した軸心５ａのまわりに
一定速度（１回転所要時間＝５秒）で回転駆動されるよ
うになっている。

上記構成の装置において、レーザ発振機１の発振するレ
ーザ光７をペンドミラー２により屈折させ、集光レンズ
３により絞って照射位置（中実材５の表面５ｂ）におけ
るエネルギ密度＝５０００ｋＷ／ｃＩｉのレーザビーム
６として、焼結材４と中実材５の接合面（嵌合面）８か
ら”１／　＝　０．５　ｔｍ離れた中実材５の表面５ｂ
上の照射点９に照射し、中実材５を軸心５ａのまわりに
１回転させて溶接をおこなった。得られた溶接品は、溶
接部表面にブローホールは認められず、縦断テストピー
スの検査によっても、溶接部内部におけるブローホール
は認められなかった。

第２図は上記溶接時における溶融進行状態を示し、同図
（ａ）に示すように接合面８から所定距離ｙだけ離れた
照射点９に照射されたレーザビーム６により、同図（ｂ
）に示すように先ず中実材５が溶融し、次にこの溶融部
１０からの熱伝導により隣接する焼結材４が溶融すると
ともに、同図（Ｃ）に示すように中実材５の溶融部１０
はレーザビーム６により駆動されて焼結材４の溶融部１
１側に侵入する。また焼結材４の気孔４ａは、焼結材４
の溶融に伴って溶融部１１内に気泡１２を形成するが、
この気泡１２は中実材５の溶融部１０からの熱伝導のよ
り比較的ゆるやかに加熱されて溶融部１１中を上昇して
外部へ放出され、凝固後は同図（ｄ）に示すようにブロ
ーホールのない良好な組織の溶接部１３が形成されるの
である。

このように焼結材４の溶融は、中実材５の溶融部１０を
介しての間接加熱によりおこなわれるため、接合面８か
ら照射点９までの距離ｙの変動が多少あっても、溶接部
１３の断面形状や組織に大きな影響はなく、レーザビー
ム６の照射位置の管理は容易である。

次に第３図は第２の発明の一実施例を示し、中実材５の
先端部に、巾Ａ＝　１ｍ、厚さＢ　＝　０．５　ｍのつ
ば部２１を設け、このつば部２１が嵌合する段部２２を
焼結材４に設け、レーザビーム６の照射点９をつば部２
１の先端からＹ＝１ｍの位置とした他は、前記実施例と
同装置および同条件で溶接をおこなった。得られた溶接
品の溶接部には、ブローホールは見出されなかった。

この実施例においては、つば部２１が存在するため、レ
ーザビーム６の照射点９を接合面８に近接させてもレー
ザビーム６が焼結材４に直接照射されることがなく、接
合面８の両側にほぼ等しい断面積の溶融部１０および１
１（第２図参照）を形成させることもできる。さらに照
射点９は、接合面８を越えてつば部２１の範囲内に位置
させることもできる。そして照射点９が接合面８に近接
し、あるいはつば部２１の範囲内にある場合には、レー
ザビーム６の軸１６ａは中実材５の軸心５ａと平行、す
なわち接合面８と平行にしても、中実材５の溶融部によ
って焼結材４の溶融を確実におこなうことができる。

この発明は上記各実施例に限定されるものではなく、た
とえば接合面は円筒面のほか、平面等であってもよく、
また中実材５の表面５ｂは、第４図に示すような凹凸面
であってもよく、また焼結０４の表面４ｂ（第１図参照
）と而−でなくてもよい。なお第４図において第１図と
同一または相当部分には、第１図と同一符号を付しであ
る。

またビームとして電子ビームやプラズマビームを用いる
場合は、これらのビームに適したビーム発生装置および
照射装置を用いればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、焼結材と中実材
は高エネルギ密度のビームにより短時間で溶接すること
ができ、溶接品の熱変形や残留応力が小さい。またビー
ムは直接焼結材に照射されず、焼結材はビームの照射に
より溶融した中実材の溶融物により間接的に加熱される
ため、気泡による溶接欠陥の発生が防止され、さらにビ
ームの照射点の位置ずれによる溶接部の断面形状および
組織への影響が少ないので、ビーム照射位置の管理が容
易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明の一実施例を示す機器配置図、第２
図は同じく溶接進行状態を示す部分拡大断面図、第３図
は第２の発明の一実施例を示す機器配置図、第４図は第
１の発明の他の実施例を示１要部縦所而図、第５図は従
来の溶接法を示す第２図相当図である。 １・・・レーザ発振機、４・・・焼結材、４ａ・・・気
孔、５・・・中実材、５ｂ・・・表面、６・・・レーザ
ビーム、６ａ・・・軸線、８・・・接合面、９・・・照
射点、２１・・・つば部、２２・・・段部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部に多数個の気孔を有する焼結材と、内部が中実
   である中実材とを、高エネルギ密度のビームを熱源とし
   て溶接する金属材料の溶接方法において、前記焼結材と
   前記中実材の接合面から所定距離離れた前記中実材の表
   面に前記ビームの照射点を位置させるとともに、前記ビ
   ームの進行側が前記焼結材製に向うように前記ビームの
   軸線を傾斜させた状態で、前記ビームを前記接合面に沿
   って前記中実材の表面に照射することを特徴とする金属
   材料の溶接方法。 ２、内部に多数個の気孔を有する焼結材と、内部が中実
   である中実材とを、高エネルギ密度のビームを熱源とし
   て溶接する金属材料の溶接方法において、前記中実材の
   表面部に前記中実材と前記焼結材の接合面を越えて前記
   焼結材側に突出するつば部を設け、このつば部が嵌合す
   る段部を前記焼結材に設け、前記つば部の先端より所定
   距離離れた前記中実材の表面に前記ビームの照射点を位
   置させて、前記ビームを前記接合面に沿って前記中実材
   の表面に照射することを特徴とする金属材料の溶接方法
   。 ３、ビームの進行側が前記焼結材側に向うように前記ビ
   ームの軸線を傾斜させた状態で、前記ビームの照射をお
   こなう請求項２記載の金属材料の溶接方法。