JPS5819393B2 - 摩擦溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、摩擦溶接方法に係り、特に母材の少なくとも
一方に７００’Ｃ，１０３時間のクリープ破断強度が２
０ｋｇ／−以上であり且つＭＣ型炭化物を有する合金を
用いたものの摩擦溶接方法に関する。

摩擦溶接は、２個の母材を相対的に回転させると共に加
圧して被溶接面を接触させ、前記接触部に生ずる摩擦熱
により溶接する方法である。

前記加圧の方法としては、圧力を二段階に変えて前者を
低く後者を高くする方法が主流をなしている。

又、前記回転を停止する時期としては、圧力が低い状態
にあるときに停止するのが一般であり、たまに圧力を高
圧側に高める途中で停止することがある。

しかし、前記従来の摩擦溶接方法は、一般に超合金と呼
ばれているニッケル基合金或はコバルト基合金或は鉄基
合金を母材の少なくとも一方に用いたときには、良い結
果を与えなかった。

すなわち、溶接部の機械的強度が低いものしか得られず
、引張り試験すると溶接部から破断した。

超合金は、「特殊鋼便覧」理工学社発行１９６９年２３
−１２頁によれば「高温（６５０℃）で比較的高い応力
で使用され一機械的にも熱的にも強い合金」と定義され
ている。

前記従来の摩擦溶接方法で良い結果を与えたものとそう
でないものとを前記定義にならって区別したところ、７
００°ｃ、ｉｏ３時間のクリープ破断強度が２０ ｋｇ
／ｍｔＡ以上である合金を母材の少なくとも一方に用い
たときに、前記溶接部の破断が生じることがわかった。

本発明の目的は、母材の少なくとも一方に７００’Ｃ，
１０３時間のクリープ破断強度が２０ｋｇ／−以上であ
り且つＭＣ型炭化物を有する合金を用いたものの摩擦溶
接において、溶接継手を引張り試験したときに溶接部か
ら破断しない方法を提供するにある。

本発明は、圧力を高圧側に高めてから、母材の回転を停
止するものである。

このとき母材の回転速度と高圧側に高められる二次圧力
の大きさは、ＭＣ型炭化物の溶接部への整列を防止する
のに十分な大きさとする。

ここで、回転の停止とは、回転を停止する動作に入って
から、その動作を終了するまでを含む。

ニッケル基合金において、一般に超合金と呼ばれるもの
は、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、タングス
テン、バナジウムおよびジルコニウムの少なくとも１つ
を主要な構成元素とするＭＣ型の炭化物を含んでいる。

この合金は７００°Ｃ２１０３時間のクリープ破断強度
が２０ ｋｇ／ｍａ以上であり、前記した従来の方法で
摩擦溶接すると、継手を引張り試験したときに必ずと云
ってよいほど溶接部から破断する。

このことから、このニッケル基合金を例にとって溶接部
から破断する原因を調べた。

その結果、溶接部の破断の原因は、ＭＣ型炭化物が溶接
部に集まって整列するためであることがわかった。

すなわち、整夕ＩルたＭＣ型炭化物と基地との境界が強
度的に弱くなり、引張り試験したときにそこから優先的
に破断することがわかった。

そこで、ＭＣ型炭化物を溶接部に整列させないことを条
件にした研究を行ない、加圧力を高めてから母材の回転
を停止すれば、ＭＣ型炭化物をはりとしてほとんど除去
することができ、溶接部に整列するのを防止できること
を見出した。

又、母材の加圧力は、最初の圧力すなわち一次圧力を３
〜４０ ｋｇ／ｍｒＡの範囲にして、次の圧力すなわち
二次圧力を５〜５０ｋｇ／−の範囲にすべきであること
、特に望ましくは、一次圧力を５〜２０ ｋｇ／ｍ７？
Ｌの範囲にし、二次圧力を１０〜４０ｋｇ／−の範囲に
して、二次圧力を一次圧力のおよそ２倍にすべきである
ことを見出した。

又、母材の回転速度は、母材の円周Ｘ３０００ｍｍ１分
を超えない範囲が望ましいことも見出した。

前記加圧力を、一次圧力について３〜４０ｋｇ／ｍａの
範囲にしたのは、３ｋｇ／−よりも低いと発熱が少なく
て適切な深さの軟化層が得られず、一方、４０ｋｇ／ｍ
ａよりも高くなると母材が割れてクラックが入る危険性
が多いことからである。

二次圧力を５〜５０ ｋｇ／ｍ４の範囲にしたのは、一
次圧力との関係において、この範囲が効果的であると判
断したからである。

なお、本発明においては、二次圧力に達したならば、速
やかに母材の回転を停止してしまうことが望ましい。

このようにすれば、二次圧力を４０ｋｇ／−よりも高い
５０に９７ｍａにしても殆ど母材自身が割れる心配はな
い。

一次圧力および二次圧力の前記した特に望ましい範囲は
、その範囲内で常に良い結果が得られたことから決めた
。

又、母材の前記望ましい回転速度は、回転速度をそれよ
りも高めて、二次圧力になってから回転を停止したとき
に、ＭＣ型炭化物が溶接部に多少残って整列することが
あったので、それを防ぐ意味で規定した。

７００°Ｃ１１０３時間のクリープ破断強度が２０ｋ１
９／ｍＡ以上であり且つＭＣ型炭化物を有する合金には
、前記ニッケル基合金のほかに、コバルト基超合金と通
称されるクロム炭化物を含むコバルト基合金或は鉄基の
超合金などが含まれる。

本発明は、これらを母材の少なくとも一方とするものの
摩擦溶接においても、前記したニッケル基合金の場合と
同じように常に良い結果を与えることができる。

本発明において、母材の一方の被溶接面を斜面にし、そ
の傾斜角度を０．３〜１．２度の範囲にすることは望ま
しく、この結果、よりしろ、すなわち摩擦溶接によって
母材の長さが減少する割合のばらつきが殆どなくなり、
寸法の一定した溶接継手が得られるようになる。

実施例 １ 母材の一方に７００°Ｇ、１０３時間のクリープ破断強
度が２０ｋｇ／ｗ？を以上であるニッケル基台金アロイ
（Ａｌｌｏｙ） ７１３ Ｃを用い、他方にクロム−モ
リブデン鋼の調質材を用いて、本発明と従来の一般的な
方法とによって摩擦溶接を行なった。

アロイ７１３Ｃは、化学組成が、クロム１２重量％とモ
リブデン４重量％とアルミニウム５．５重量％とチタン
０．５重量％とニオブ２重量％および炭素０．１２重量
％を含み、残部がニッケルからなる。

又、１０３時間のクリープ破断強度は８１６℃で約３３
ｋｇ／ｍ４を有し、９８２℃で約１０．５ｋｇ／ｍ４を
有する。

本発明および従来の方法について、図面を用いて詳しく
説明する。

本発明は第１図に示してあり、従来法は第２図に示しで
ある。

第１図および第２図中のアルファベットでＰは母材の加
圧力を示し、Ｎは母材の回転数およびＴは時間を示す。

母材の形状はいずれも丸棒状で、寸法はニッケル基合金
が直径１９ｒＩｔｍφ、クロム−モリブデン鋼が直径２
４關φである。

。母材の回転に当っては、ニッケル基合金のみを一
回転させ、クロム−モリブデン鋼は回転させなかった。

本発明の摩擦溶接工程は、まず、ニッケル基合金を回転
数Ｎで回転させ、次いで、クロム−モリブデン鋼を前記
ニッケル基合金に一次圧力Ｐ１で押し付けてＴ１時間保
持し、その後、圧力を二次圧力Ｐ２に高めて１３時間保
持し、そこで回転を停止させ、回転停止後、二次圧力Ｐ
２の状態を少し維持してから圧力を開放することよりな
る。

一方、従来の摩擦溶接工程は、ニッケル基合金を回転さ
せ、次いでクロム−モリブデン鋼を前記ニッケル基合金
に一次圧力Ｐ１で押し付けるまでは本発明と同じである
が、そのあとの工程が異なる。

一次圧力Ｐ１にＴ０時間保持すると同時又はその前にニ
ッケル基合金の回転を停止し、その後、二次圧力Ｐ２に
高めて１４時間保持してから圧力を開放することよりな
る。

本発明および従来の一般的な摩擦溶接方法におけるＮ
、 Ｐｌ、 Ｐ２． Ｔ１等の具体的な条件を第１表に
示す。

なお、本発明の実施例において、Ａ６．５の場合は母材
である丸棒の中央に直径１０罷φの孔を設けて管状にし
、それを摩擦溶接した。

得られた溶接継手について引張り試験を行なったときの
破断位置ならびに引張り強さを第２表に示す。

本発明によるものは、破断位置がいずれもニッケル基合
金側であり、又、引張り強さはいずれも６０ｋｇ／−以
上であった。

これに対して、従来の方法によるものは、破断位置がい
ずれも溶接部であり、引張強さも本発明によるものの１
／２又はそれ以下ときわめて低かった。

前記した違いの原因をつかむために本発明による屑２と
従来の方法による／Ｉ６７について、溶接部の断面の組
織を顕微鏡写真にとった。

第３図は本発明であり、第４図は従来の方法によるもの
である。

第３図および第４図中で黒く塗りつぶされたように見え
る部分がクロム−モリブデン鋼の他の組織でベイナイト
であり、灰色の部分がニッケル基合金である。

本発明によるものは黒く塗りつぶれた部分と灰色の部分
との境界の近傍に何の介在物も見られないが、従来の方
法によるものはＭＣ型炭化物が整夕１ルでいるのが見ら
れる。

溶接継手の引張試験において、従来の方法によるものが
溶接部から破断し、又、本発明によるものにくらべてき
わめて低い引張強さを示したのは、明らかにこのＭＣ型
炭化物の整列が原因であると思われる。

実施例 ２ アロイ７１３Ｃの被溶接面に傾斜を設け、その角度を０
．１５〜１．２度の範囲内でいろいろに変えて、本発明
の方法により摩擦溶接を行なった。

摩擦溶接の条件は、Ｎ ： ８００ｒｌ）ｍ 、 Ｐｌ
： １０に９／ｍＡ。

Ｐ２：２５ｋｇ／−２Ｔ１：４秒、Ｔ３：１秒およびＴ
４：６秒にした。

その結果、傾斜角度が大きくなるにつれてよりしるが多
くなるという傾向はあるが、傾斜角度がある範囲内にお
さまっていれば、それ以外の角度のものにくらべて、よ
りしるのばらつきがかなり少なくなることをつきとめた
。

すなわち、傾斜角度が０．３度より小さいとき、具体的
には０．１５〜０．２４度のときにはよりしろが１．５
〜４、９ ｍｍの範囲でばらつき、その差は３．４ｍｍ
であったが、傾斜角度を０．３〜１．２度にしたときに
は、よりしるが３．６〜５．２ ｍｍの範囲でばらつく
ものの、その差はＬ６ｍｍと約１／２になることがわか
った。

以上、実施例について述べたことから明らかなように、
本発明によれば、７００°ｃ、ｉｏ３時間のクリープ破
断強度が２０に９／−以上であり且つＭＣ型炭化物を有
する合金を母材の少なくとも一方に用いたものの摩擦溶
接において、引張り試験しても溶接部から破断しない溶
接継手を得ることができる。

この種材料の従来の摩擦溶接方法では、溶接継手を引張
試験したときに溶接部から破断するのが常であり、溶接
部の信頼性に問題があったから、溶接部から破断せずに
母材側で破断させることができる本発明の方法は、これ
に代わるものとして適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の摩擦溶接方法の説明図、第２図は従来
の一般的な摩擦溶接方法の説明図、第３図は本発明の一
実施例による溶接部の顕微鏡組織写真および第４図は従
来の方法による溶接部の顕微鏡写真である。 Ｒ・・・・・・回転数、Ｐｌ・・・・・・一次圧力、Ｐ
２・・・・・・二次圧力。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １２個の母材を相対的に回転させると共に加圧して接触
   させ、加圧力を低圧の一次圧力から高圧の二次圧力へと
   二段階に切換え、高圧になってから前記母材の回転を停
   止する摩擦溶接方法において、前記母材の少なくとも一
   方が７００℃、１０３時間のクリープ破断強度２０ｋｇ
   ／−以上を有し且つＭＣ型炭化物を含む超合金からなり
   、前記−次圧力を３〜４０ｋｇ／−１前記二次圧力を５
   〜５０ｋｇ／ｒｔｎ？ｔ、前記母材の回転速度を母材の
   円周の長さＸ ３０００ｍｍ７分を超えない範囲とし、
   前記二次圧力と前記回転速度をＭＣ型炭化物の溶接部へ
   の整列を防止するのに十分な値に調整することを特徴と
   する摩擦溶接方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記超合金がニッ
   ケル基合金からなることを特徴とする摩擦溶接方法。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記母材の一方の
   被溶接面が斜面になっており、その角度が０．３〜１．
   ２度であることを特徴とする摩擦溶接方法。