JPH04504980A - 接合方法 - 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】 接　合　方　法 本発明は基材上に被覆層を接合する方法に関するものである０例えば、本発明は 異る材料又は化合物で基材を覆うときに特に適用可能なものである。

手動金属アーク、サブマージアーク、フラックス入りワイヤのような種々の方法 によるアーク溶接による被覆は、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接のように、制御されて いるか又は不活性雰囲気を用いる技術としてよく知られている。一般に、あらゆ るアーク溶接においては母材又は基材の溶融が顕著で、代表的なもので母材の約 ３０％が溶着材料と混合する。この被覆の希釈混合によって被覆の化学的成分が 変化し、強度、耐蝕性又は耐磨耗性等に関して有害な性質を引出す可能性がある 。このようなアーク溶接において、被覆を一連の多層をなすように溶着し、各層 が一つ前の層から幾らかの材料を拾い上げるようにすることは一般に行われる慣 行である。従って、この拾い上げが３０％程度である場合は、多層溶着では三番 目の溶着層は元の基材の約３％を含有するだけとなり得る。低い希釈混合を達成 する他の技法には、溶加ワイヤを加える方法があり、溶加ワイヤは基材の溶造を 比較的低く押える結果となるＴＩＧ溶接又はプラズマアーク溶接のような工程に よって予熱することができる。こういった技法に関する他の変形法では、比較的 厚い溶着によって総合的希釈混合を例えば−回の操作で３％に減すことにより、 基材の溶造を最小とすることが出来る点を目標にしている。

その他の被覆方法では、被覆層を基材に接合するろう付けあるいは拡散、接合、 又は溶極が基材上の可塑化層として溶着される摩擦サーフェシングのように、基 材の溶融を避けている。こうぃつた種々の技法は、薄層による小さな部品の被覆 から１ｍ平方を超えるような表面寸法の非常に大きな部品まで、あらゆるサイズ の部品には必ずしも適用できるとは限らない、経験した困難さの中には、基材に 対して十分に一様な溶着物又は十分に一様な接合を得ることや、大きな部品では 一回の操作で加熱及び被覆に必要な全久方電力を提供することなどがある。

本発明によれば、基材に被覆層を接合する方法は、被覆層の一部を基材上に置き 、被覆層と基材の間の接触領域を露出するように被覆層の残部を基材から離した 状態にすること、基材と被覆層とを一緒に接合又は融接するように接触領域上に パワービームを収束させること、及びこの後次の三つの動作とから成る。

ａ）接触領域の位置を変えるように、基材に向って被覆層の離した部分を移動さ せる。

ｂ）　収束したパワービームを接合又は融接するように新しい接触領域上に入射 させる。

Ｃ）被覆層が基材に接合又は融接されるまでａ）とｂ）のステップを繰返す。

収束させたパワービームが被覆層と基材との間に配置した閉じて行く空隙に導か れ、それぞれの表面が接合又は融接を生じるように加熱され、この接合又は融接 が被覆しようとしている面に沿って閉じていく空隙で規定される軸に事実上直角 の方向に漸次伝播していくという、新しい方法を提案する０本発明は、被覆層の 外側又は露出の表面において、基材による被覆層の希釈混合又は汚染が事実上無 い状態で、被覆層を基材に接合又は融着できるようにする。

適当なパワービームの例にはレーザビームや電子ビームがある。

収束させたビームは、深さく奥行）／帽の比が比較的大、例えば基材表面に直角 な方向に比ベビーム軸の方向が５／１と過度である、軟化した又は溶融した帯域 を生ずることが望ましい、このようにして、この幅は（通常わずかに焦点におい てビーム寸法よりも大きい）、ビームに関して横方向の溶融の程度を示すもので ある。こういう場合に、収束させたビームによって生じる軟化した、又は、溶融 した領域の幅は（代表的な値としては深さ７幅比が１よりも小さい）アーク溶接 、特に全溶融幅（被覆及び基材）が被覆層の厚さより小さい場合、例えばこの厚 さの半分未満であるような場合に得られる幅に比べて小さい。

通常接触境界の位置で基材と被覆の両者に当ることを避けることは困難であるか ら、ビームは両者に入射する。しかしビームは他方よりも一方により多く入射す るよう偏倚させることはできる。ただし、一般に接触材の一方にだけ入射させる ことは十分ではないと思われる。

高い深さ７幅比で行うこれらの技法にょる融接においては、被覆、基材両材料の かなりの量が溶融されるが、混合帯域は基材から遠い被覆材料の表面までは拡が らない。被覆材の厚さの１／２未満が基材と混合するか又は合金となるように、 溶融帯域又はその位置の幅寸法を減少することには利点がある。これにより被覆 の相当量が変化しないまま残り、基材で希釈されたり、基材で汚染されたりしな い。

横方向に限定された寸法となっている比較的小さい基材に関しては、収束ビーム をゆっくり掃引又は往復運動させて、往復運動と同じ面内で基材又は被覆の全寸 法に沿って、交接する被覆と基材の間に、加熱又は溶融帯域を拡げることができ る。従って被覆されつつある基材の全幅が漸次加熱又は溶融、あるいはその両方 が行われ、その結果溶造の深さが収束ビームによって決定されつつ、往復運動の 程度によって決る帯域内で被覆が基板に接合される。これに代るものとしては、 また大きな基材に対しては特に、収束ビームを被覆されつつある基材の全幅を横 切るようにする。これには基材の全幅が走査されるように基板に関して収束ビー ムのエネルギー源を移動することを必要とするか、又はレーザビームの場合のよ うに、収束しない又は事実上コリメートした（平行した）ビームを、交接する表 面の界面領域の焦点に持来す前にミラーで適当にそらせてもよい。

代表的な例としては、パワービームを完全な界面領域全部に沿って掃引する。た だし、基板と被覆を代りに又は同様にビームに対して移動することができなけれ ばならない。

これら両方の場合、加工物（基材と被覆層）は収束ど一ムの連続する掃引によっ て新しい領域が順次加工物に沿って、上記の基板の横方向幅に直角な方向に加熱 されるように、事実上収束ビームの方向に漸次割出し動作させるか移動させられ る。

関係する材料は普通金属及びその合金を含むが、レーザビーム加熱ではプラスチ ックス、特に熱可塑性複合体を含む熱可塑性物質のような非金属をも含むことが できる。

それでは付属の図面を参照して、基材を被覆する方法の幾つかの例を述べること にする。ここで、図１は電子ビームを収束・偏向する機器の線図を示し、 図２はレーザビームを収束・偏向する装置の線図を示す。

図３８は平面の藁材の被覆を説明してξす、図３ｂは円筒の被覆を説明し、 図４８と図４ｂは円筒の被覆の連続する段階を説明しているが、図４０から図４ ０までは円筒を被覆する変更を加えた方法を説明している。

図５は多層被覆法を説明し、 図６はシリンダを被覆するまた別の例を説明している。

図１はあるパワー源（図示せず）から発生した電子ビーム１を図式的に説明した もので、電子ビームは中空の陽極（図示せず）の中心を通過した後、収束レンズ ２によって収束され、被覆と基材（図示せず）の間の界面５に沿って収束された ビーム４を偏向させ、普通の偏向コイル３の間に供給される。界面５に沿う走査 と同時に、ビームは走査方向に正弦波又は鋸歯状にビームが移動するように、ビ ーム軸の周りに振動させられる。界面５の横方向の長さに沿フた全走査に従って 、界面をビーム軸の方向に進めるように被覆を基材の方へ移動する。

例えば、図１に説明しているように、電子ビーム装置が偏向コイルから５００■ ■の作動距離で細かく収束したビームを提供している状態で、約±４局°の偏向 によって約±４０璽皇の走査が得られる。前方へ２０００■ｌ／分前後の鋸歯状 掃引速度と急速引返しによって、５■■を超える溶込みを生ずる５にＷのビーム パワーにおいて、横方向の溶接は各掃引の間に約４１園進むことができ、最大１ ００ｍｍ　／分程度の平均前進速度を与える。主掃引の中間で、ビーム電流は低 い値に減らされるか、又はビームは加工物の隣りではあるが分離した場所に休止 するか、あるいはその両方を行い、これが次の掃引を始める前、加工物の寸動前 進が完了するまで続く、理論的には５００ｍｍの半径のところでの焦点は±４０ 嘗膳の掃引に対して約１．６霞■変動するであろう、しかし、電子ビームによっ て得られる溶込みは理論的焦点よりはむしろ交接表面の位置によって決る故、こ の変動は重要ではない、どの場合も、その半径の所では溶込み域の実効深さは± １０１−の程度で、この中では溶接の挙動は事実上同じである。

図２はレーザビーム装置を説明しており、この装置ではあるレーザ源（図示せず ）から発したレーザビーム６をコリメートしたものは９０″ミラー７上に入射し 、そこで反射されて界面５にビームを収束する収束レンズ８に入る。収束ビーム は、図２の矢印２１で示すようにミ°ラー７とレンズ８を位置７′及び８′に横 移動させることにより、界面５の長さに沿フて移動させられる０例えばこの光学 系の横移゛動により、界面上のレーザビーム入射点を元のコリメートしたビーム の方向に１００ｍｍの長さを通じて横移動させることができる。

収束レーザビームの場合には、動作収束長さは代表的なもので１００〜４００ｍ 鳳の程度であり、これに対して収束系の移動は角度スイープが好ましい０代表的 には収束した点は収束レンズ８から約２５０ｍｍである。原則として、レーザビ ームの横方向位置決めは例えば２０ｍまでのかなりの距離にわたつて拡げること ができる。

それよりも大きい距離に対しては、且つ焦点でビームの良質性を確保するために は、レーザビームヘッドに関して加工物は横方向に動かすことができる。ビーム 自身は加工物とレンズ８の間に回転へロゲン化物ブロック２０によりて、その軸 の周りに振動させることができる。典型的なものはこのブロックは約６ｍ思の厚 さで光軸に対して約１２°から１８°の角度になつており、光軸周りのビームの 振動を約５０１（ｚで生じるように約３００゜ｒｐｍといった、５００ｒｐ■を 超える速さで回転する。ブロック２０はミラー７及びレンズ８と共に位置２０′ へ横移動する。

図３８は界面領域が被覆９を基材地金１０に接合するとき生じる様子を説明して いる。被覆９と基材地金１０とはフィードローラ１１．１２の間に供給され、被 覆９が収束加熱ビーム（図１の電子ビーム又は図２のレーザビーム）に関する空 隙を露出するため、基材１０から隙間をとり又は曲げて離れてξす、空隙の頂点 が界面５を定めていることがわかるであろう、界面領域５に沿ったパワービーム の完全掃引に従い、フィートローラ１１、１２は漸次空隙を閉じて行き、基材地 金１０と被覆９とを１３の方向に移動させるよう回転する。接合する両面の密接 点が収束装置からの距離において事実上−貫したままであるように、加工物を加 熱源から離すように移動することが都合がよい、二つの加工部品のうすい方を曲 げることは便利である。従って一般に比較的厚い平面を被覆する場合は、うすい 方の被覆材は、アークの中で曲げられ、接合が進行するにつれて平らな面にわた って漸次圧縮しながら引出される。これに代るものとして、又はそれに加えて、 基材は例えば操作器によって漸次圧縮ローラの方へ強制することができる。

図３ｂはフィードローラ１５の隣りに位置し、これとシリンダ１４との間に被覆 材９があるような、シリンダ１４の被覆法を説明している。この場合には、ｐ　 ３　ａの場合もそうであるが、基材は接合面とビーム収束装置との間の一貫した 並置位置を維持するように、（直線的又は回転によってそれぞれ）移動させられ る。二つの加工物部品を一緒にくっつけるだけでなく、接合帯域又は溶接帯域の 合体を助けるため、接触点で圧力を加えることが都合が良い、従って加圧ロール １５はシリンダ１４に間して調節可能で、印加荷重と被覆９の曲りの程度の両方 を調節することが望ましい。一般に加圧ロールは被覆材を基材と接触するように 曲げるため、溶接帯域のビーム側に向って位置させる。

円筒形対象物を被覆する場合は、図４ａ及び図４ｂに示すように、被覆面の最終 閉止のためスカーフ継手を設けるように、オーバラップ部分の近傍において取付 けられた被覆層を斜にそぐことが都合がよい、特にオーバラップ部分の近傍で被 覆材の希釈又は汚染を避けることが望ましい場合は、オーバラップ部分は周囲部 分の残りに関して接合又は溶接してもよい、但し、接合帯域又は溶接部が、オー バラップ部分が機械的に閉じられる前に終ってしまう場合を除く。その後引続い て被覆材だけがそれ自身に（基材の混合物を含む前の溶接帯域から拾い上げるこ となく）接合されるように、過度の溶込みを避ける動作条件を利用しながら、被 覆オーバラップ部分の露出端４０を接合するため加熱処理を適用する。

この代りにあるいは追加して、シリンダ１４は適当な切込み溝２２をつけること ができ、そうすると最終段階を溶接する際、基材から材料が図４Ｃのように閉止 溶接部に溶けこまなくなる。なお再び、このような溝２２は被覆材の帯状片２３ で充填してもよく、そうすると再び最終溶接部は基材で汚染されないですむ、帯 状片２３はそれ自身電子ビーム又はレーザ溶接によって溝２２の側面にくっつけ ることができ帯状片の基材による汚染の程度を制限しながら高い深さ７幅比の溶 接帯域を与える。図４ｄ参照、別の代替法として、シリンダ１４に予め面取り部 ２４を設けておき、被覆材を先づ本発明に基づき界面のところで溶接し、続いて 最終閉止段階で被覆材を自身に溶接することもできる０図４０参照。

これらの配置法及びその他の配置法は、最終の被覆製品の要求事項及びその形状 によって採用することができ、しかもなお基材の汚染又は混合物のない、被覆に 対する外面を維持することができる。

図１及び図２と関連して述べたとおり、収束ビームはその軸に間して、重大なこ とではないが小距離内を、例えば加熱帯域プロフィールをより良く制御するため 振動させることができる。このような振動は、界面領域５に沿った横方向の掃引 に比べて小さい振幅のものが代表的であり、１０Ｈｚを超える、５０Ｈｚの程度 で、電子ビームに対しては５００Ｈｚまでにも及ぶ周波数の範囲で１１厘未満が 典型的である。

ある特別な応用は、長さにして約５〜９ｍ、直径にして１〜１．５ｍを巻取るこ とのできる製紙工業で使用されるロールの被覆において見られる。ここでは、紙 の表面を引裂いたり損傷を与えないで湿った紙を引はがすのに適当な性質を持っ た、適切な金属層で金属基材を被覆することができる９本発明に従って述べたよ うにしである層を、例えばレーザ加熱を使って被覆し、基材から過度の汚染を受 けないように終らせることができる。露出した被覆の表面はその後望むだけ機械 加工され、あるいは研磨及びつや出しされる。

本発明はうすい単一の被覆層を基材にはり付けるのに特に有効ではあるが、多層 技法によってより厚い被覆を作成するのに利用することもできる。この方法は比 較的厚い被覆を、厚い被覆を曲るのが都合が悪いか困難であるような比較的小半 径の曲率の、円筒又は棒か管の上に作りたい場合に、有用である０例えば、回転 軸３０の摩耗部分を強化する（図５）際、あるいは回転軸の限られた帯域に特別 の性質を持つ軸受面を作る際、既述の方法でうすい被覆層３１をはり付け、追加 の層３２．３３を置きながら基板の複数回の回転に対して動作を続けることが望 ましい、従って、１■厚のインコネル被覆によって、全部で３■厚の溶着層が前 記のとおり何ら汚染することなく、公称基材の３回転から得られる。更に多層法 によって、溶接幅に関する比較的きびしい限度と深さ対幅の比の高い値が緩和さ れる。

こうして事実上被覆材の全厚さまで延びている広い溶接部が、多層配置では最も 外側の層での無視し得る程度の汚染又は希釈に到達することができる。更に、界 面の連続的溶接及び接触帯域の連続前進によって、（特に小さい継目距離に対し 、且つ図１におけるような角度偏向のビームを使って）事実上連続的なビームの 掃引を有することにより、生産性が向上する。このような条件下では、速かに繰 返すビームの掃引（又は、事実上連続的な鋸歯状振動又は十分に高い周波数にお けるラスタさえも）を使うと、深い溶込みに対する要求事項も緩和され、僅か１ 又は２ｍｍのビームによる溶込みで十分である筈である。連続的加熱により、比 較的低い深さ対幅の比の導電型溶接プールができ、これは溶接幅が被覆の外表面 にまで突抜ける程大きくない限り、なお受入れ可能である。

複数の被覆層もまた、被覆と基材が冶金学的に矛盾するか、又はもろい金属間合 金を生ずるに至るような場合は利点がある。各層が基材又は前の層と矛盾せず、 最終の被覆又は次の層とも一貫性がある場合は、一つ以上の中間層が溶着される 。もう一度言うと、収束ビームを使用する境界面接合又は融接は、被覆の外側の 層による基材の汚染又は拾い上げの問題を避けるものである。

ある種の適用においては、被覆にとって基材に連続的に接合されることは必要で なく、ステッチ溶接によって十分な強度が得られる。このことは生産性を高める ことに結びつく、従って、被覆と基材との間の接触帯域の一つの溶接部が完成す ると、加工物は次の溶接部が最初の溶接部から間をあけるようにある一定量たけ 前進することができる。このようにして図４の説明とは異り、各溶接部にとって 前回の溶接帯域に接触するような溶込みであり、そのような位置におかれる必要 がない、−例を図６に示すが、ここでは溶接部分３４の互いに離れている状態だ けでなく、溶接帯域間で基材から被覆層が離れていることを示すために、誇張し た状態を用いている。この配置は更に、使用している被覆層の冷却又は加熱を助 けるため、例えば溶接帯域の間に流体を流すことの出来るチャネルを許容するよ うに作成することができる。

幾つかの材料については、特にフェライト系合金では、このような深さ対幅の比 が大きい狭い溶接部の迅速冷却により、過度の硬化（変態硬化）を生ずるに至る 。この影響を減らす又は緩和するため、加工物は溶接動作の中で約３００℃以上 に予熱することが望ましい０代りとして、加工物（被覆及び基材）の硬さを減す ため、特に変態硬化した被覆層での硬さを下げるため、溶接後熱処理する。

これら及びその他の処理は溶接並びに冶金学の分野ではよく知られており、望む だけ適用して被覆層の外表面で好ましい特性を得ることができる。この被覆層は 本発明により、事実上基材からの拾い上げが無く、被覆材のみから成っている。

国際調査報告 国際調査報告 ＧＯ９０００６８３ Ｓ＾　３６５６６

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．被覆層の一部を基材上に置き、被覆層の残りの部分を被覆層と基材との間の 接触領域を露出するように基材から離しておくこと、収束させたパワービームを 、基材と被覆層とを一緒に接合又は融接するように接触領域に入射させること、 及びその後次の三つの動作を行わせることから成る、被覆層を基材に接合する方 法； ａ）接触領域の位置を変えるように、基材に向って被覆層の離した部分を移動さ せる。 ｂ）接合又は融接を生じるように、新しい接触領域上に収束したパワービームを 人射させる。 ｃ）被覆層が基材に接合または融接されてしまうまでａ）とｂ）のステップを繰 返す。
2. ２．前記パワービームがレーザビーム又は電子ビームから成ることを特徴とする 、請求項１の方法。
3. ３．前記パワービームが、基材表面に直角な方向に比べビーム軸の方向に、５： １を超える深さ／帽の比を有する軟化帯域又は溶融帯域を生じることを特徴とす る、請求項１の方法。
4. ４．前記パワービームが基材と被覆層の両方の上に入射することを特徴とする、 請求項１の方法。
5. ５．被覆層の厚さの半分未満が基材と混合又は合金となることを特徴とする、請 求項１の方法。
6. ６．前記ビームが被覆されつつある基材の全幅を横切ることを特徴とする、請求 項１の方法。
7. ７．前記ビームが横方向の移動の他に、その軸に関して振動することを特徴とす る、請求項６の方法。
8. ８．前記ビームが正弦波状又は鋸歯状の振動を行うことを特徴とする、請求項７ の方法。
9. ９．前記振動の割合が１０Ｈｚを超えることを特徴とする、請求項７の方法。
10. １０．被覆層の両端が重ねさせられ、被覆層の下側になる部分が重なりの近傍で 斜にそがれることを特徴とする、円形基材上に被覆層を設けるための、請求項１ の方法。
11. １１．被覆工程の最初の位置に隣接して溝が位置されていることを特徴とする、 円形基材を被覆するための、請求項１の方法。
12. １２．上記溝が被覆材の帯状片で充填されていることを特徴とする、請求項１１ の方法。
13. １３．請求項１におけるステップｂが基材に沿って間をおいて離れた各位置で行 われることを特徴とする、請求項１の方法。
14. １４．基材と被覆層が金属又は金属合金から成ることを特徴とする、請求項１の 方法。