JPH09262684A - 金属材料の拡散接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】疲れ強さおよび継手強度を同時に満たす接合部
を得ることができる簡便な金属材料の拡散接合方法の提
供。 【解決手段】突き合わせた被接合材の間に低融点接合材
料を介在させて、低融点接合材料も含めた接合部３を加
熱し、８００℃以上となる加熱長さ２を３〜２０ｍｍの
範囲としつつ、被接合材の長手方向５に圧縮応力を加え
ることにより接合部３を横膨出率１．０〜１．１の範囲
に塑性変形させる金属材料の接合方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料からなる
構造部材、配管、とくにコイルドチュービングを含む油
井管の拡散接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】拡散接合方法は、接合部の材質劣化が起
こりにくいことおよび被接合材の材料に大きく依存する
ことなく簡便に接合ができるので、近年注目を集めてい
る接合方法であり、多くの発明の開示がなされている
（特開平６−７９６７号公報、特開平５−１６９２８０
号公報、特開平５−１６１９８４号公報、特開平５−７
７０６３号公報、特開平５−２２０５８５号公報、特開
平２−７５４７８号公報など）。

【０００３】これらのうち、従来のガス圧接方法に替わ
る、接合温度が比較的低く、かつ接合部の塑性変形を考
慮した拡散接合方法として、特開平２−７５４７８号公
報に開示された方法がある。この方法は、拡散接合する
際、接合部に発生する塑性変形を抑制することにより、
接合部の過度の膨らみに伴う疲れ強さの低下またはコン
クリートを充填した場合のコンクリートのひび割れの誘
発を防止する。

【０００４】この場合、従来のガス圧接法に比べれば効
果はあるものの、継手性能は十分とはいいがたく、接合
部の膨らみ形状をさらに改善し継手性能を向上させるこ
とが要望されている。

【０００５】また、拡散接合部の疲れ強さ向上を目的と
し、拡散接合とアーク溶接とを組み合わせた方法が、特
開平５−２２０５８５号公報に開示されている。しか
し、この方法においては、拡散接合だけではすまず、拡
散接合の後でアーク溶接をする必要があり、経済性に劣
るため、より簡便な方法による接合部の改善方法が要望
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、疲れ
強さ、継手強度および曲げ性が、母材と同等以上である
接合部を得ることができる簡便な金属材料の拡散接合方
法の提供にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図１は、拡散接合により
接合された接合部付近の断面を示す図面である。本説明
において、接合部３とは、加熱の影響の及ぶ部分をい
い、加熱長さ２とは、このうち８００℃以上に加熱され
る部分をさす。接合部３および加熱長さ２は、ともに、
後記する接合層１に関してほぼ対称な形状を有する。拡
散層４とは、拡散接合の結果、後記する低融点接合材料
中の合金元素が被接合材の端面に侵入拡散した層をい
う。接合層１とは、接合により変質した低融点接合材料
をはさんだ両側の被接合材の端面の拡散層を含んだ部
分、すなわち拡散層／変質した低融点接合材料／拡散層
からなり、実質的に接合を分担している部分をさす。ま
た、以後、低融点接合材料のことを“接合材”という。
接合材は、その融点が被接合材の融点よりも低いものを
対象とする。

【０００８】本発明者らは、これまで行った実験結果の
中に、接合部の径が増加しなくても、母材破断するも
の、換言すれば十分な接合強度を有するものがあること
に着目し、その原因を解明する試験をおこない、つぎの
事項を確認した。

【０００９】：条材の接合部の径の増加率が１．０〜
１．１の範囲であっても、８００℃以上に加熱される部
分の長さ、すなわち加熱長さを２０ｍｍ以下とした場合
には、接合部での軟化の影響は小さく、接合部を含む引
張試験では母材破断となる。

【００１０】：管の場合には、塑性変形はもっぱら管
の外側への肉厚の増加によって行われる。この場合で
も、管の肉厚の増加率を１．０〜１．１と制限しても、
８００℃以上に加熱される管軸方向の長さ（この場合も
加熱長さという）を２０ｍｍ以下とすることにより接合
強度は十分高いものとなる。

【００１１】以後、条材の径の増加、または管の肉厚の
増加のことを、“横膨出”といい、それぞれの増加率を
“横膨出率”という。すなわち、条材の場合には、（接
合後の接合部の最大径−接合前の径）／（接合前の径）
をさし、管の場合には、（接合後の接合部の最大肉厚−
接合前の肉厚）／（接合前の肉厚）をさすものとする。
以後、被接合材の径および肉厚を区別せず、単に肉厚と
いう。すなわち、図１の符号を用いれば、（Ｔmax-ｔ）
／ｔが横膨出率である。また、肉厚の増加は、管などの
場合は、肉厚中心に関して対称に起きるとは限らない。

【００１２】：横膨出率が１．０〜１．１の範囲にあ
れば、接合部に発生する応力集中は大きくならず、接合
部の疲れ強さおよび曲げ性は母材と同等となる。

【００１３】：管の場合、横膨出率が１．０〜１．１
の範囲にあれば、腐食性の強い流体が管内を流れても接
合部で大きく滞留することもなく、防食という観点から
も許容される。

【００１４】本発明者らは、後記する自製した拡散接合
装置を用いて、上記の事項を組み合わせた方法を鋼管に
適用し、その効果を確認することによって本発明方法を
完成した。

【００１５】本発明方法は疲れ強さおよび継手強度に優
れた接合部を形成する下記の金属材料の拡散接合方法を
要旨とする（図１参照）。

【００１６】（１）突き合わせた被接合材の間に接合材
を介在させて、接合部３を加熱し、８００℃以上となる
加熱長さ２を３〜２０ｍｍの範囲とし、被接合材の長手
方向５に圧縮応力を加えることにより接合部３を横膨出
率１．０〜１．１の範囲に塑性変形させることを特徴と
する疲れ強さおよび継手強度に優れた接合部を形成する
金属材料の拡散接合方法。

【００１７】本発明において、接合材には、アモルファ
ス（非晶質）と結晶体とを問わず合金薄帯などのいわゆ
るインサート材が最もよく用いられる。しかし、インサ
ート材のように被接合材とは別個独立した物に限定され
ず、例えば、めっき膜や溶射膜などのように予め被接合
材の端面に取り付けられているものであってもよい。ま
た、インサート材をスポット溶接や鍛接などにより被接
合材端面に取り付けてもよい。

【００１８】“接合材を介在させる”とは、インサート
材の場合には被接合材の間にはさむことをいい、まため
っき膜や溶射膜の場合には、接合の際、空間的な位置関
係としてこれら接合材が被接合材の間に存在する状態を
さす。

【００１９】本発明に係る拡散接合は、接合材を溶融さ
せて行う液相拡散接合および接合材を溶融させない温度
域で行う固相拡散接合の両方の場合を含む。

【００２０】被接合材は金属材料全般を対象とするが、
とくに鋼材の場合に本発明方法の利用頻度が大きく、実
用価値も高くなる。被接合材の形状は、管、条材、棒材
および板材などが対象となり特定の形状に限定されな
い。管には、直管のみならずコイル状に卷かれたコイル
ドチュービングが含まれる。コイルドチュービングの場
合には、接合材にはもっぱらインサート材が使用され
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】つぎに本発明方法の条件の限定理
由について説明する。

【００２２】１）横膨出率：本発明に係わる接合方法
は、突き合わせた被接合材である金属材料の端面の間に
接合材を介在させ加熱して拡散接合する際、被接合材１
２の長手方向５に応力を加えることにより接合部３に塑
性変形をおこし、接合部における横膨出率を１．０〜
１．１の範囲とする。

【００２３】接合部３を、横膨出率１．０〜１．１の範
囲に塑性変形させるのは、つぎの目的のためである。

【００２４】：液相拡散接合の場合には、不必要な溶
融状態のインサート材の接合端面からの排出の促進と同
時に、その結果起きる接合部の表面での溝または切り欠
き発生の防止。

【００２５】：突き合わせた被接合材端面同士の密着
性向上。これは、とくに固相拡散接合の場合に、接合層
１における欠陥を防止して、接合面積を増大させるので
重要である。

【００２６】：とに起因する接合材の合金元素の
被接合材端面への侵入および拡散の促進。

【００２７】ここで、横膨出率を１．１以下としたのは
接合後の過度な膨らみを抑制し、接合部での形状不連続
に起因した応力集中をさけるためである。また１．０以
上としたのは、１．０未満では、接合層１における接合
面積が金属材料の断面積より小さくなり、例えば表面に
溝または切り欠きを生じた状態となり強度確保が困難と
なるからである。

【００２８】一般に、通常の溶接法による溶接部の疲れ
強さは、溶接ビードに垂直な断面での被接合材表面付近
の溶接ビードの形状、すなわち止端部形状に支配され、
その部位の応力集中度で決定される。拡散接合方法の場
合も、応力集中度によって支配されるという点で同様で
あって、接合部３に形状不連続部が存在すれば、その部
位での応力集中度によって疲れ強さが支配される。横膨
出率を１．０〜１．１とすることにより応力集中度は許
容される範囲となる。十分な継手強度と疲れ強さを同時
に余裕をもって満足するためには、横膨出率は１．０２
〜１．０８の範囲にさらに限定することが望ましい。

【００２９】２）加熱長さ：本発明方法において、疲れ
強さに加えて十分な継手強度を確保するには、８００℃
以上に加熱される領域、すなわち加熱長さ２を３〜２０
ｍｍとする必要がある。これは、接合時の加熱による軟
化は８００℃以上で生じるので、その領域を２０ｍｍ以
下とすることにより接合後の継手強度低下を最小限に抑
えることができるからである。加熱長さが短ければ軟化
部分が短いので、接合部が引張荷重を受けた場合に周囲
の領域で軟化領域の変形が拘束され所望の継手強度が得
られる。しかし、加熱長さが３ｍｍ未満では、局所的に
温度勾配が大きくなり安定した接合が不可能となるの
で、加熱長さは３〜２０ｍｍとする。

【００３０】３）加熱および応力付加方法：図２は、本
発明を適用するのに用いた装置の概要を示す図面であ
る。同図に示すように銅製の１ターンの加熱コイル兼ガ
スシールド治具１１、その両側の被接合材１２の冷却ジ
ャケット１３、加圧用クランプ１４からなる接合用ヘッ
ドと高周波電源１５および制御盤１６により構成され
る。

【００３１】拡散接合方法においては、接合材の融点は
母材より低いものを対象とする。加熱温度を接合材の融
点以上に加熱すれば、液相拡散接合となる。固相拡散接
合方法に比べて液相拡散接合法は、被接合材とのなじみ
が良いため健全な接合層１が得られやすい。

【００３２】接合材の融点以下に加熱する固相拡散接合
方法も本発明の対象となる。固相拡散接合方法であって
も、上記したように塑性変形を加えることにより、接合
材の合金元素の被接合材端面への侵入拡散が促進される
ので、液相拡散接合方法に比べてそれほど多くの接合時
間を必要としない。

【００３３】拡散接合方法においては、接合に際しての
加熱温度は被接合材である金属材料の融点未満である。

【００３４】本接合方法の適用をする場合、大気中で加
熱すると、被接合材の端面が酸化される懸念がある。接
合端面が酸化すると、接合層１に欠陥が発生し、継手強
度が劣化する場合があるので、加熱に際しては、図２に
おけるガスシールド治具１１に不活性ガスを通すことに
より不活性ガス雰囲気で行うことが望ましい。また、窒
素ガスシールドを行っても、不活性ガスを使用する場合
と同等の効果が得られる。

【００３５】加熱方法としては、温度コントロールが容
易で、加熱長さ２の制御も容易で、かつ雰囲気制御もし
易いことから、高周波誘導加熱が望ましい。さらに、被
接合材の種類によっては、接合後の冷却速度が被接合材
の変態により硬化して接合性能に影響することがあるた
め、接合部の冷却速度を制御するようにしてもよい。

【００３６】加熱長さ２は、加熱コイル１１の長さを調
節することによって制御することができる。また、冷却
ジャケット１３の掴み位置または冷却能（流水量）を調
節することによっても制御できる。

【００３７】被接合材の接合部３に塑性変形を加え、表
面における溝や切り欠きの発生を防止し、または横膨出
を適正量生じさせるためには、長手方向５への圧縮応力
の付加、すなわち加圧は必須である。加圧は、図２に示
す装置により、被接合材１２をクランプ１４によりク
ランプし、熱膨張反力を利用して加圧する方法（クラン
プにスプリングを入れて熱膨張反力の一部を逃がして加
圧力を調整する）、または、油圧により外部から加圧
力を調節する方法、などを用いることができる。加圧
は、加熱中の所定時間おこない、横膨出率を所期の量に
した後は加圧力を小さくするか、または加圧を行わな
い。

【００３８】所定の横膨出率になったか否かは大気中で
行う場合は肉眼やゲイジなどにより容易に判断できる。
コイルの中で横膨出が生じている場合には、予め、所定
の横膨出により膨らむ位置に電極などを固定し、横膨出
により被接合材が接触することにより電気抵抗が小さく
なることを利用したセンサーを組み込むことによって検
出できる。また、経験的に接合条件と横膨出率との関係
が把握できている場合には、経験に基づいて予め接合条
件を設定するによって横膨出率を制御してもよい。

【００３９】４）接合材：本接合方法に用いる接合材
は、その融点が被接合材のそれより低い限り特に限定さ
れるものでなく、被接合材の材質等に応じて適宜選定で
きる。前記したように接合材をインサート材として、ア
モルファス（非晶質）または結晶化した合金薄帯が適用
できる。これら合金薄帯は自製することもできるし、市
販されている合金薄帯を使用することもできる。

【００４０】これらインサート材の被接合材間に介在さ
せる方法はとくに限定しないが、接合現場で手作業によ
りはさんでもよいし予め被接合材端面にスポット溶接、
鍛接または接着等により取り付けておいてもよい。被接
合材端面にこれらインサート材を取り付ける場合および
前記しためっき膜や溶射膜の場合であって、管を連続的
に数百本も接合して全長数千メートルに及ぶ場合には、
一本の管の両端にこれら接合材を施したものを用いても
よいし、または片方の端面に施したものを用いてもよ
い。

【００４１】５）被接合材：本発明では、被接合材はと
くに限定されることはなく、例えば、鉄筋コンクリート
用棒鋼等の条材、各材質の管やその他の金属材料が適用
可能である。管の場合には、直管のみならずコイルドチ
ュービングも含まれることは前記したとおりである。ま
た、被接合材は必ずしも同一ないしは同種のものに限定
されず異種のものも適用可能である。

【００４２】

【実施例】つぎに実施例により本発明の効果を説明す
る。

【００４３】被接合材として、０．２４％Ｃ−０．２５
％Ｓｉ−１．１３％Ｍｎ−０．４８％Ｃｒ−０．０２６
％Ｔｉ−残部実質的にＦｅの組成を有する外径１３０ｍ
ｍ、肉厚１５ｍｍの焼き入れ（９５０℃）−焼き戻し
（６２０℃）処理された継目無鋼管を用いた。この鋼管
の母材の引張強さは８６０ＭＰａであった。

【００４４】接合材はインサート材とし、１．４％Ｂ−
７．３％Ｓｉ−５．３％Ｃｒ−残部Ｎｉの組成からなる
融点が１１４０℃の厚さ３０μｍの合金薄帯を使用し
た。

【００４５】接合は、窒素ガスシールドのもと、接合層
１における温度１２５０℃、加熱保持時間３００秒間の
条件により、種々の横膨出率になるように接合した。加
熱は、高周波誘導加熱方式とし、加熱コイル幅を１０〜
５０ｍｍと変え、また同時に加熱コイルの外側に冷却ジ
ャケットを設けて冷却能を変えることにより、加熱長さ
を変化させた。

【００４６】接合部の横膨出率は接合中の加圧力を変え
ることにより変化させた。加圧力の調整は、前記の説明
のうち、の油圧による方法により行った。横膨出率の
検出には前記の電気抵抗の変化に基づくセンサーを使用
した。

【００４７】接合後、接合層１を中央に含む引張試験
片、曲げ試験片および疲労試験片を採取して、これら試
験を行った。引張試験片および曲げ試験片の形状は、JI
S Z 2201およびJIS Z 2204に準じ、試験方法は、JIS Z
2241およびJIS Z 2248によった。

【００４８】疲労試験は４点曲げにより行い、片振りの
曲げ応力を２００ＭＰａとして亀裂発生までの回数（寿
命）を調査した。

【００４９】表１は、接合後の横膨出率と加熱長さおよ
び上記試験の結果を示す一覧表である。

【００５０】同表において、番号およびは本発明例
であり、継手強度および疲れ強さともに優れており曲げ
性も良好である。

【００５１】

【表１】

【００５２】番号は接合部が過度に変形して、横膨出
率が本発明範囲を超えた場合である。継手強度は良好で
あるが、疲れ寿命が本発明例と比べて１オーダー低下し
ており、応力集中の影響が明確に現れている。

【００５３】また、は加熱長さが本発明の範囲を超え
て大きい場合である。疲れ寿命も本発明例と比較して低
下しているが、継手強度が著しく低下していることがわ
かる。

【００５４】

【発明の効果】本発明方法を適用し、拡散接合において
横膨出率および加熱長さを適正な範囲にするという簡便
な方法により、疲れ強さおよび継手強度が優れた接合部
を得ることができ、金属材料の接合を必要とする産業界
に波及効果の大きい基本的な技術を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法に係る拡散接合方法で接合された接
合部の断面図である。

【図２】本発明の実施に用いた装置の概要を示す図面で
ある。

【符号の簡単な説明】

１…接合層 ２…加熱長さ ３…接合部 ４…拡散層 ５…被接合材の長手方向 Ｔmax…接合部の最大肉厚 ｔ…被接合材の肉厚 １１…加熱コイル兼ガスシールド治具 １２…被接合材（鋼管あるいは鉄筋など） １３…冷却ジャケット １４…クランプ １５…高周波電源 １６…制御盤

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】突き合わせた被接合材の間に低融点接合材
   料を介在させて、接合部（３）を加熱し、８００℃以上
   となる加熱長さ（２）を３〜２０ｍｍの範囲とし、被接
   合材の長手方向（５）に圧縮応力を加えることにより接
   合部（３）を横膨出率１．０〜１．１の範囲に塑性変形
   させることを特徴とする疲れ強さおよび継手強度に優れ
   た接合部を形成する金属材料の拡散接合方法。