JPH0663769A - 溶接構造物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 難溶接材を使用した静水圧押出しビレット等
の溶接構造物において、難溶接材を直接溶接しても割れ
がない溶接部を得ることができると共に製品コストを低
減できる溶接構造物及びその製造方法を提供する。 【構成】 皮材１と押出し粕部２との突き合わせ部の内
側に整合させて円板状部材３等を配置し、溶込みがこの
円板状部材３等に到達するようにして、電子ビーム溶接
等の高エネルギー密度溶接にて溶接を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビーム溶接及びレ
ーザ溶接等の高エネルギー密度溶接方法を用いて製造さ
れた溶接構造物及びその製造方法に関し、特に熱間静水
圧押出し用ビレット及び熱間静水圧加圧プロセス（ＨＩ
Ｐ）用カプセル等のようにその溶接部の断面形状がリン
グ状の溶接構造物及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高強度、高弾性率、耐磨耗性、耐
食性、電気導電性及び軽量等の各種の特性を兼ね備えた
種々の複合材が開発され、実際に生産されている。これ
らの複合材を製造する場合に、ＨＩＰ法及び熱間静水圧
押出し法が多用されている。

【０００３】ＨＩＰ法により複合材を製造する場合は、
種々の形状の異材（材質が相互に異なる部材）同士、又
は共材（材質が相互に同一の部材）同士を組み立て、こ
の組み立て体を真空シールされたカプセル等に封入し、
このカプセル等を高温で加圧することにより、異材同士
又は共材同士を接合して複合材としている。

【０００４】また、熱間静水圧押出し法により複合材を
製造する場合は、各種異材を封入したビレットを真空シ
ール溶接し、これを熱間で押出して棒状又はパイプ状の
クラッド材を得ている。この熱間静水圧押出し法は、電
極材及び超電導線等の製造にも適用されている。

【０００５】これらの方法により製造された複合材にお
いては、異材の接合界面で良好な接合が得られているこ
とが極めて重要である。この接合性に大きく影響する因
子としては、組み立て前の部材の清浄度と、カプセル又
はビレットの内部の真空度とがある。

【０００６】従来、組み立て前の部材及びカプセル等を
酸洗浄及び脱脂洗浄することにより、組み立て前の部材
の清浄度を十分に向上させている。一方、カプセル等の
内部を真空にする場合は、カプセルを溶接組み立てする
際にカプセルの端部等に真空引き用の配管を設け、真空
ポンプ（ロータリーポンプ）でカプセル内を真空引きし
た後、前記配管を圧着接合することにより行なってい
る。しかし、この場合に、カプセル内の真空度は約１０
^-2torrと低いため、最近では、より一層高品質の接合部
を得るために、真空中での溶接が可能である電子ビーム
溶接で直接シール溶接する場合が増えている。

【０００７】電子ビーム溶接においては、電子ビーム溶
接室の真空度は一般的に１０^-4torrであり、ロータリー
ポンプによる真空引きに比較して真空度が極めて高いた
め、接合部における品質の安定性が著しく向上する。

【０００８】図３は、棒状のクラッド材の押出しに使用
される従来の静水圧押出しビレットの製造方法を示す断
面図である。この種のビレットは、一端が閉塞された筒
状の皮材１１の内側に心材１４を装入し、この皮材１１
の開放端を押出し粕部１２により閉塞して、皮材１１と
押出し粕部１２とを図中矢印で示す部分で周方向に沿っ
て溶接することにより製造されている。

【０００９】このビレットを熱間静水圧押出し法等によ
り棒状に押出すことにより、皮材１１と心材１４とが接
合して、クラッド材を得ることができる。

【００１０】ところで、カプセル又はビレット等を電子
ビームでシール溶接する場合に、溶接する部材が無酸素
銅又は純アルミニウム等のように割れ感受性が低い材質
からなるものであれば何ら不都合がなく溶接することが
できる。しかし、近年、特殊な用途の複合材を製造する
ために、カプセル等の材料として、電子ビーム溶接で健
全な溶接部を得ることが難しい合金材（以下、難溶接材
という：例えば、アルミニウム合金ではＡ２０１７及び
Ａ６０６１、銅合金ではＣｒ−Ｚｒ銅等）が用いられる
ことがある。この場合に、無酸素銅及び純アルミニウム
等の場合と同様に溶接を行なうと、良好な接合部が得ら
れず、例えば溶接部に割れが生じて、カプセル又はビレ
ット内の真空気密性が損なわれるという問題点が生じ
る。また、静水圧押出し加工の際に、溶接部が剥離しや
すいという問題点もある。

【００１１】このような場合、従来は、図４に示すよう
に、複合材として必要な第１の皮材２１の外側を溶接性
が良好な材質からなる第２の皮材２６で囲み、この第２
の皮材２６と押出し粕部２２とを電子ビームで真空シー
ル溶接し、熱間静水圧押出し法により棒状に押出した
後、第２の皮材２６を機械加工又は酸洗等により除去し
て、皮材２１と心材２４とのクラッド材を得ている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示す従来の溶接構造物の製造方法においては、前加工と
して第２の皮材を成形加工する工程と、後加工としてこ
の第２の皮材を除去する工程とが必要であるため、極め
て煩雑であり、製品コストの上昇を招来しているという
問題点がある。

【００１３】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、難溶接材を直接溶接することができて、溶
接部の割れ等を回避できると共に製品コストを低減でき
る溶接構造物及びその製造方法を提供することを目的と
する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る溶接構造物
は、高エネルギー密度溶接方法を用いて製造された溶接
構造物において、突き合わせ部がリング状の１対の第１
及び第２の部材と、この第１及び第２の部材の突き合わ
せ部の内側に整合して配置された第３の部材とを有し、
前記第１及び第２の部材の溶接時の溶込みが前記第３の
部材に到達していることを特徴とする。

【００１５】本発明に係る溶接構造物の製造方法は、突
き合わせ部がリング状の１対の第１及び第２の部材を相
互に突き合わせ、この突き合わせ部の内側に第３の部材
を配置し、溶込みをこの第３の部材に到達させつつ前記
第１及び第２の部材を高エネルギー密度溶接することを
特徴とする。

【００１６】

【作用】溶接部における割れの発生しやすさ（即ち、割
れ感受性）は、その合金特有のものであり、固相線及び
液相線の温度差が大きい合金又は高温において延性が極
端に低下する等の性質を有する合金においては割れが発
生しやすいことが知られている。本願発明者等は、難溶
接材において良好な溶接状態を得るべく種々実験研究を
行なった。その結果、高エネルギー密度溶接では、合金
自体の特性の外に、特に開先の構造及び溶込み形状が割
れ発生に大きく影響することを見い出した。即ち、従来
の静水圧押出しビレットの製造方法においては、例えば
図３に示すように真空シール溶接部１５はインローとな
っており、部分溶込み溶接をしている。部分溶込み溶接
では溶込み溶融した部分では溶湯の凝固時に収縮が生じ
るが、溶融していないビードの下部では収縮が生じな
い。このため、溶接ビードにおいてはその幅方向に大き
な応力が発生し、割れ感受性が高い材質からなる場合は
溶接部に割れが発生する。

【００１７】一方、本発明においては、第１及び第２の
部材の突き合わせ部の内側（開先裏面）にこの突き合わ
せ部に整合させて第３の部材を配置し、溶込みがこの第
３の部材まで到達するようにして電子ビーム溶接等の高
エネルギー密度溶接を実施する。そうすると、第１及び
第２の部材は第３の部材と独立しているため、溶接部が
溶融凝固する際の第１及び第２の部材のビード幅方向へ
の収縮は溶込み下部の影響を受けず、溶接部の収縮応力
は極めて小さくなる。これにより、割れ感受性が高い材
料を直接溶接しても割れを回避することができると共に
製品コストを低減できる。

【００１８】なお、第３の部材は凝固時における溶接部
の収縮を容易にするため及びビレット等の組み立てを容
易にするために、第１及び第２の部材から０．５ｍｍ程
度離隔させて配置することが好ましい。また、第１及び
第２の突き合わせ部の厚さをあまり厚くすると、貫通溶
接とした場合でも自拘束が強くなる。このため、ＨＩＰ
カプセル及び静水圧押出しビレットの場合は、第１及び
第２の部材の突き合わせ部の厚さは約３乃至１０ｍｍと
することが好ましい。

【００１９】また、本発明に係る溶接構造物は、第１及
び第２に部材の突き合わせ部の内側に第３の部材が配設
され、前記第１及び第２の部材の溶接時における溶込み
がこの第３の部材にまで到達しているため、溶接部にお
ける内部応力が極めて少なく、例えば静水圧押出し加工
を施しても、接合部の剥離等の欠陥の発生を防止でき
る。

【００２０】

【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。

【００２１】図１は、本発明の第１の実施例に係る高エ
ネルギー密度溶接方法を静水圧押出しビレットの製造に
適用した例を示す断面図である。皮材１は一端が閉塞さ
れた円筒状の部材であり、開放端側の内側には段差が設
けられている。この皮材１は、例えばＡ６０６１合金
（アルミニウム合金）からなる。

【００２２】先ず、この皮材１の内側に、例えばＳｉＣ
ウィスカ入りのアルミニウム合金からなる心材４を装入
する。次に、この皮材１の開放端側端部に、前記段差に
嵌合させて円板状部材３を配置する。この円板状部材３
は、例えば皮材１と同一のアルミニウム合金からなる。

【００２３】次に、皮材１の開放端側端部に例えばＡ６
０６１合金からなる押出し粕部２を配置する。この押出
し粕部２は、皮材１側の面に段差が設けられており、こ
の段差に円板状部材３が嵌合し、この円板状部材３の周
面に沿って皮材１と押出し粕部２との開先を形成するよ
うになっている。

【００２４】この状態で、開先部分（図中矢印で示す部
分）を周方向に沿って電子ビーム溶接し、心材４を密封
する。このとき、溶込みが円板状部材３に到達するよう
にする。これにより、静水圧押出しビレットが完成す
る。

【００２５】本実施例においては、溶接部５が溶融凝固
する際に、ビードの幅方向の収縮は溶込み下部の影響を
受けず、収縮応力が小さいため、割れ感受性が高い材質
であっても、溶接部の割れを回避できる。また、本実施
例においては、最終的に除去すべき皮材等を使用しなく
てもよいため、作業性が良好であると共に、製品コスト
を低減できる。

【００２６】図２は、本発明の第２の実施例に係る高エ
ネルギー密度溶接方法を示す断面図である。本実施例
も、静水圧押出しビレットの製造に適用した例である。

【００２７】本実施例が第１の実施例と異なる点は円板
状部材に替えてリング状部材３ａを使用することにあ
り、その他の構成は基本的には第１の実施例と同様であ
るので、図２において図１と同一物には同一符号を付し
てその詳しい説明は省略する。

【００２８】本実施例においては、押出し粕部２ａの皮
材１側の面にリング状に凹部が設けられており、この凹
部をリング状部材３ａに嵌合させて押出し粕部２ａを皮
材１の端部に配置する。

【００２９】その後、第１の実施例と同様に、皮材１と
押出し粕部２ａとの突き合わせ部（開先）を電子ビーム
溶接して、心材４を密封する。このとき、溶込みがリン
グ状部材３ａに到達するようにする。

【００３０】本実施例においても、第１の実施例と同様
の効果を得ることができる。

【００３１】次に、本発明の実施例方法により実際に静
水圧押出しビレットを製造し、熱間静水圧押出し加工を
行った結果についてその比較例と比較して説明する。

【００３２】先ず、図１に示す方法により、静水圧押出
しビレットを製造した。即ち、皮材１、押出し粕部２及
び円板状部材３をいずれもＡ６０６１合金により形成し
た。皮材１の外径は１４３ｍｍであり、皮材１及び押出
し粕部２の突き合わせ厚さは５ｍｍである。また、円板
状部材３の直径は１３２ｍｍ、厚さは１５ｍｍである。

【００３３】皮材１の内側に、心材４としてＳｉＣウィ
スカ入りのアルミニウム合金材を配設し、円板状部材３
及び押出し粕部２を図１に示すように配置して、加速電
圧が１２０ｋＶ、ビーム電流が３０ｍＡ、溶接速度が５
ｍｍ／秒の条件で電子ビーム溶接を実施して、ビレット
を得た。

【００３４】溶接の後、溶接部５の浸透探傷検査を実施
した。その結果、欠陥は全く認められなかった。また、
このビレットを熱間静水圧押出し加工して、接合部の組
織を観察した。その結果、剥離等の欠陥は全く認められ
なかった。

【００３５】次に、図２に示す方法により、静水圧押出
しビレットを製造した。即ち、皮材１、押出し粕部２ａ
及びリング状部材３ａをいずれもＡ６０６１合金により
形成した。皮材１の外径は１４３ｍｍであり、皮材１及
び押出し粕部２ａの突き合わせ厚さは５ｍｍである。ま
た、リング状部材３ａの外径は１３２ｍｍ、幅は１５ｍ
ｍ、厚さは１５ｍｍである。

【００３６】皮材１の内側に、心材４としてＳｉＣウィ
スカ入りのアルミニウム合金材を配設し、リング状部材
３ａ及び押出し粕部２ａを図２に示すように配置して、
加速電圧が１２０ｋＶ、ビーム電流が３０ｍＡ、溶接速
度が５ｍｍ／秒の条件で電子ビーム溶接を実施して、ビ
レットを得た。

【００３７】溶接の後、溶接部５の浸透探傷検査を実施
した。その結果、欠陥は全く認められなかった。また、
このビレットを熱間静水圧押出し加工して、接合部の組
織を観察した。その結果、剥離等の欠陥は全く認められ
なかった。

【００３８】次いで、比較例として、図３に示す方法に
より、静水圧押出しビレットを製造した。即ち、皮材１
１及び押出し粕部１２をいずれもＡ６０６１合金により
形成した。皮材１１の外径は１４３ｍｍであり、皮材１
１及び押出し粕部１２の突き合わせ厚さは２０ｍｍであ
る。

【００３９】皮材１１の内側に、心材１４としてＳｉＣ
ウィスカ入りのアルミニウム合金材を配設し、押出し粕
部１２を図３に示すように配置して、加速電圧が１２０
ｋＶ、ビーム電流が３０ｍＡ、溶接速度が５ｍｍ／秒の
条件で電子ビーム溶接を実施して、ビレットを得た。

【００４０】溶接後、溶接部１５の浸透探傷検査を実施
した。その結果、割れが認められた。また、このビレッ
トを熱間静水圧押出し加工して、接合部の組織を観察し
た。その結果、溶接部の剥離が認められた。

【００４１】なお、上述の各実施例においてはいずれも
静水圧押出しビレットの場合について説明したが、本発
明は突き合わせ部の形状がリング状のものであれば、ビ
レット以外の溶接構造物にも適用可能であることは勿論
である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る溶接構
造物は、第１及び第２の部材の突き合わせ部の内側に第
３の部材が配置されており、前記第１及び第２の溶接時
の溶込みが前記第３の部材に到達しているため、例えば
静水圧押出し加工を施しても溶接部の剥離等の不都合の
発生を回避できる。

【００４３】また、本発明方法においては、第１及び第
２の部材の突き合わせ部の内側に第３の部材を配置し、
溶込みをこの第３の部材に到達させつつ前記第１及び第
２の部材を高エネルギー密度溶接するから、割れ感受性
が高い材料においても溶接部の割れを回避することがで
きて、信頼性が高い溶接継手を得ることができる。ま
た、最終的に除去すべき部材を使用しなくてもよいた
め、作業性が良好であると共に、製品コストを低減でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る高エネルギー密度
溶接方法を示す断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る高エネルギー密度
溶接方法を示す断面図である。

【図３】従来の静水圧押出しビレットの製造方法を示す
断面図である。

【図４】従来の静水圧押出しビレットの製造方法の他の
例を示す断面図である。

【符号の説明】

１，１１，２１，２６；皮材 ２，２ａ，１２，２２；押出し粕部 ３；円板状部材 ３ａ；リング状部材 ４，１４，２４；心材 ５，１５；溶接部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高エネルギー密度溶接方法を用いて製造
   された溶接構造物において、突き合わせ部がリング状の
   １対の第１及び第２の部材と、この第１及び第２の部材
   の突き合わせ部の内側に整合して配置された第３の部材
   とを有し、前記第１及び第２の部材の溶接時の溶込みが
   前記第３の部材に到達していることを特徴とする溶接構
   造物。
2. 【請求項２】 突き合わせ部がリング状の１対の第１及
   び第２の部材を相互に突き合わせ、この突き合わせ部の
   内側に第３の部材を配置し、溶込みをこの第３の部材に
   到達させつつ前記第１及び第２の部材を高エネルギー密
   度溶接することを特徴とする溶接構造物の製造方法。