JPS63212083A - 形状記憶合金製部材の溶接方法および形状記憶合金製部材の溶接品 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は形状記憶合金製部材の溶接方法および形状記憶
合金製部材の溶接品、特に高密度エネルギビームを用い
た形状記憶合金の溶接技術に関する。

（従来の技術） 近年、形状記憶合金の工業的応用範囲は著しく広汎とな
り、実用段階では紅済的利用、さらに多機能、複雑形状
の製品開発に向って種々の研究が行なわれている。その
１つに形状記憶合金の溶接技術がある。形状記憶合金製
部材を溶接接合すれば、塑性加工の省略あるいは単純部
品の集合による複雑形状化等が可能と考えられるからで
ある。

ところが、形状記憶合金の場合には溶接部が凝固する際
に母材と異なる性質の金属間化合物が発生し易く、溶接
部において形状記憶機能が損われる場合が多い。例えば
、Ｎｉ−Ｔｉ系形状記憶合金ではＴｉ　　ＮｉやＴｉＮ
３などの析出により溶接部が脆化すると考えられる。即
ち、形状記憶機能を活用するために大ぎな変形を与えた
場合、溶接部に集中応力がかかり、接合界面で破所する
。

一方、これまで多くの溶接方法が試みられている。特に
工業的応用の進んでいるＮｉ−Ｔｉ系形状記憶合金に対
し、同材料の熱間押出しによる溶加材を用いたＴＩＧ溶
接、大気の混入を抑制した真空中での電子ビーム溶接、
あるいは接合界面に殆ど溶融部分の残らない突合せ圧接
などが試みられている（参考文献二月間誌「金属Ｊ　　
（１９８３年７月号）３６〜４１頁、株式会社アグネ発
行〕。

このうち、突合せ圧接は金属間化合物発生の可能性のあ
る溶融部分を接合部の外方に排出するなどの工夫により
、比較的小径の線材に好適とみられている。また、ＴＩ
Ｇ溶接や電子ビーム溶接は大型部品の溶接等への応用が
期待される。但し、突合せ圧接については蹟密制御の困
難性や適用範囲の制約等、実用化を進める上での課題が
あり、ＴＩＧ溶接や電子ビーム溶接等は実用化し易い反
面、金属間化合物の排除が困難で、期待する品質のもの
が得にくい問題がある。

これら諸般の事情から、形状記憶合金製部品についても
一体材料からなるものが多く、例えば環状部品について
は機械的切削加工品とされ、低製造能率、不経済性を余
儀なくされている。また、変態ｆＡｒ！１の異なる複数
種類の材料を組合せた部品は実用困難で、１種類の材質
の形状記憶合金製部品が多い。

（発明が解決しようとする問題点） 従来、形状記憶合金については金属間化合物の発生によ
り実用的な溶接技術が確立されず、製品の多機能化、複
雑化等への実現が困難となっている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、金属
間化合物の発生を抑え母材の形状記憶機能の低下防止を
図った形状記憶合金製部材の溶接方法、および形状記憶
機能を維持した複雑形状、多種材料結合品への応用が可
能な形状記憶合金製部材の溶接品を提供することを目的
とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本件第１番目の発明は、形状記憶合金製部材の接合部に
高密度エネルギビームを照射して母材溶融させ、これに
より両部材を直接溶接する方法において、溶接ビードを
断面形状が針状となる小幅なものに設定することにより
、両部材の非溶接部分への自然放熱で急冷させ、これに
より溶接ビードの材質を母材と同質のものに維持さぼる
ことを特徴とする形状記憶合金製部材の溶接方法である
。

また、本件第２番目の発明は、形状記憶合金製部材を突
合せ、その突合せ部に高密度エネルギビームを照射して
断面形状が針状となる母材溶融による溶接ビードを生じ
させ、その溶接ビードを母材と同質の材質に維持させて
なることを特徴とする形状記憶合金製部材の溶接品であ
る。

（作用） 溶接部の凝固による金属間化合物の発生状況を考察する
と、溶加材溶融部分や幅広な溶接ビード部分に多発して
いる。第１３図はＮｉ−Ｔｉ系形状記憶合金製部材を同
材質の溶加材を用いてＴＩＧ溶接した場合の溶接部所面
の模式図である。

溶接ビード部１が幅広な椀形で多層粒界状をなしている
。この部分は母材２ａ、２層部分に比べて形状回復Ｉａ
能が著しく劣る。これは溶加棒を用いた溶接ビード断面
を幅広としたことから溶接ビード部の凝固速度もＩく、
金属間化合物の析出が促進するものと考えられる。

本発明の溶接方法によると、溶加材を用いることなく、
高エネルギビームで直接母材を溶融することから、溶接
ビード部の幅の拡大が抑υ１される。

しかも、母材の非溶融部分への放熱作用で溶接ビード部
が急冷される断面針状に設定することにより、金属間化
合物の析出が抑制される。

また、本発明の溶接品は溶接ビード部での金属間化合物
発生が抑制されており、例えば板材の折曲先端同士を溶
接するなどの複雑形状部品に適用したとしても全体とし
て均一な形状記憶機能が保持され、また材質の異なる複
雑種類の形状記憶合金を結合することにより多段階の形
状回復機能が発揮され、部品の複雑化、多機能化が推進
される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

まず、第１図〜第７図によって形状記憶合金製部材の溶
接方法を説明する。

この実施例では高エネルギビームとしてレーザビームを
使用した。溶接装置は第１図に示すように、発振器から
のレーザビームを集光する集光レンズ１１、アシストガ
スの導入管１２およびこれらを結合した加工ヘッド１３
を有するものであり、下方の焦点位置にレーザビーム１
４を照射するとともに、その外側をアシストガス１５で
被覆する。

なお、溶加材は用いない。

被溶接物は第２図に示すように、Ｎｉ−Ｔｉ系形状記憶
合金製の平板状部材１６とし、これを互いに同一平面上
で突合せる。そして、この各部材１６に前記レーザビー
ム１４を一定の条件で照射することにより、溶接ビード
１７の断面形状が釘状となるレーデビーム溶接を施す。

溶接条件を３種類、以下に例示する。

〈条件１〉 レーザ出力　　　　・・・・・・２．５ＫＷ溶接速度　
　　　　・・・・・・６ｍ／■１０レンズ焦点距離　　
・・・・・・２５４ｍｇｍ焦点位置　　　　　・・・・
・・部材１６の表面１６ａの下方３５１１１ アシストガス　　　・・・・・・Ａｒ アシストガス流量　・・・・・・５０１１　／ｇａｉｎ
く条件２〉 レーザ出力　　　　・・・・・−２ＫＷ溶接速度　　　
　　・・・・・・４７ＦＬ／ｗｉｎレンズ焦点距離　　
・・・・・・２５４履焦点位置　　　　　・・・・・・
部材１６の表面１６ａの下方１．５履 アシストガス　　　・・・・・・Ａｒ アシストガス流量　・・・・・・７０７／ａｋｉｎ〈条
件３〉 レーザ出力　　　　・・・・・・５ＫＷ溶接速度　　　
　　・・・・・・２ｒｒＬ／ｌ１ｌｉｎレンズ焦点距離
　　・・・・・・３８０層焦点位置　　　　　・・・・
・・部材１６の表面１６ａの位置 アシストガス　　　・・・・・・Ｈｅ アシス＋ガス流吊　・・・・・・８０　ｊ！　／ｓｉｎ
第３図はく条件１〉によって得られた溶接ビード部の顕
微鏡写真である。なお、く条件２〉および〈条件３〉に
ついても略同様の組織が得られる。

ここで、写真中央の細長粒界状部分が溶接ビード部で、
全体としては第２図の如く針状断面をなすものである。

このような針状断面の溶接ビード１７は、少な（とも部
材１６の幅がビード幅の５倍以上のときに得られる。即
ち、溶接ビード１７は母材の非溶融部分への放熱によっ
て急冷され、溶込みによる粒界は前記写真に示された如
く、溶接ビード１７の中央部から側端までに亘って１層
となり、第１３図に示した従来のＴＩＧ溶接法のような
幅方向への多層形状のものとは異なっている。

第４図は溶接ビード部の形状記憶機能の試験結果を示し
ている。即ち、く条件１〉の溶接品に対し、マルテンサ
イト変態点（Ｍｆ点）以下、例えば−８０℃で溶接ビー
ド幅方向に引張り力を作用させ、７％の歪を与えたく矢
線ａ）。その後、負荷を除去し、オーステナイト変態点
（Ａ、点）以上、例えば４０℃まで加熱し、形状回復に
ついて試験した。その結果、第４図の如く、４０℃にて
歪は完全に回復することが認められた（矢線ｂ）。

この歪曲線は、第５図に示す母材についての歪曲線と略
一致した。

なお、歪を与える温度を０℃として試験したところ（図
示省略）、応力は４００ＭＰａ程度まで上昇するが、こ
の場合も残留歪は残らず、形状記憶合金として使用可能
なことが確められた。

第６図は、母材金属部とビード溶接台！ｉｊ＆部との成
分分析結果を示すもので、Ｎ１についての分析波形と、
Ｔｉについての分析波形のオシログラフとを、溶接部表
面写真と複合して示している。この図より、各波形は母
材側から溶接金属側に至るまでそれぞれ一様であり、し
たがって、組成的変化がないことが認められる。なお、
Ｃ−Ｃ線間の部分が母材と溶接金属との接合界面である
。

以上のように、この実ｍ例の溶接方法によれば、溶接ビ
ード部への金Ｈ間化合物の発生が抑制され、母材の形状
記憶機能が充分に維持できるものが得られる。

なお、上記の方法はさらに後処理によって充実すること
ができる。即ち、溶接品に歪を与える温度を０℃の如く
比較的高くした場合、歪を繰返し与えると形状記憶機能
による回復が完全に行なえない場合があった。そこで、
このような場合でも完全回復を行なわせるための後処理
として、熱処理を施すものである。この熱処理としては
、３００〜５５０℃の範囲に溶接品全体を加熱して約１
時間保持した後、常温まで急冷するものである。

第７図は加熱温度を種々に設定しく横軸）、溶接品に０
℃で歪を繰返し作用させた場合の完全回復が得られる歪
の繰返し数（縦４４１）についての試験結果である。図
示の如く、溶接後放置した場合や、２５０℃以下または
６００℃以上の加熱保持後に急冷した場合に比べて、３
００〜５５０℃以上の加熱保持（１［４間）後に急冷し
た場合には完全回復が得られる歪の繰返し数が増大でき
ることが判る。なお、加熱保持時間は溶接品の大きさに
応じて調整することが可能である。

このように、熱処理を施すことにより、高温での繰返し
歪に対する完全回復の度数を増大することができる。

次に、第８図〜第１２図によって形状記憶合金製部材の
溶接品についての実施例を説明する。

第８図および第９図は円環状の管継手について実施した
場合を示している。この管継手２０は形状記憶機能によ
って径方向に拡縮し、配管への着脱を温度変化によって
行なうようにしたものである。即ち、第８図に示すよう
に、配管２１．２２の接続端部にフランジ２１ａ、２２
ａがそれぞれ設けられ、その７ランジ２１ａ、２２ａの
外周部にＯリング２３が嵌着されている。形状記憶合金
製の管継手２０は縮径時にＯリング２３を介してフラン
ジ２１ａ、２２ａを締付け、配管２１．２２の接続部を
真空シールする。

この管継手２０は例えばＮ：・Ｔｉ系形状記憶合金製の
１枚の平板状素材を環状に湾曲させてその端部同士を突
合せ、その部分を高密度エネルギビーム、例えばレーデ
ビームによる断面針状の溶接ビードで接合したものであ
る。

第９図はその加エエ稈を示している。即ち、まずＮｉ　
−１”　ｉ系形状記憶合金によって平板状の素材２０ａ
をつくる（第９図（ａ））。次に、この素材２０ａを治
具を用いて円環状に湾曲させ（同図（ｂ））、端部同士
を突合せる。そして、その素材２０ａの接合端部をレー
ザビーム溶接し、その溶接ビード２０ｂは断面形状が針
状となる母材溶融によるものとしたものである（同図（
Ｃ））。

溶接方法には、前述した本件第１番目の発明の実施例を
適用した。そして、溶接後に形状記憶熱処理を施してい
る。形状記憶熱処理の手段は硬々知られているが、例え
ば４００〜５００℃程度の温度で１時間前後保持する中
温処理が簡便である。

なお、８００℃以上まで加熱して焼鈍し、その後２００
〜３００℃程度で記憶処理する低温処理も可能である。

形状記憶熱処理終了後、表面の酸化皮膜を除去し、必要
寸法まで内外表面の機械加工を施して円環状の管継手２
０の製品とした。

このような構成の管継手２０によると、従来品に比べて
大幅な材料、加工コストの削減と、製作時間の短縮が可
能となる。即ち、従来では適切な溶接技術がないことか
ら、このような環状製品を形状記憶合金でつくるには円
柱状素材の切削に依存しており、このため材料の無駄、
多くの加工手間を費していたものである。

これに対し、実施例のものは溶加材を用いることもなく
、溶接ピード断面形状を針状にして急冷する溶接に基づ
き、材質上の不均一化の防止、接合面積（板状素材２０
ａの接合端面の面積）に対する溶融部分の減少、さらに
非溶融部分への熱的悪影響がないこと等により、形状記
憶効果を損うことのない高信頼性の溶接品を得ることが
できる。

したがって、板状素材２０ａからの加工により、余分な
切削を排除して歩留りの向上、加工の容易化等が図れる
ものである。

なお、前記実施例では円環状の管継手２０について述べ
たが、その他の形状の他の部品の溶接体として適用でき
ることは勿論であり、種々複雑形状の溶接品が同様に安
価に提供できるようになる。

−第１０図〜第１２図は２段階回復用のスプリングにつ
いて実施した場合を示している。即ち、このスプリング
３０は第１０図に仮想線で示すように、コイル状のもの
である。このスプリング３０は、まず同図に実線で示す
ように、Ｎｒ−Ｔｔ組成の比率の異なる２種類の棒状の
形状記憶合金部材３１．３２を互いに突合せ、これらを
本件第１番目の発明の実施例と同様の方法で断面針状の
溶接ビード３３によって接合し、この接合体に形状記憶
熱処理を施して、仮想線の如くコイル状に形成したもの
である。

一方の部材３１の組成はＮｉ比率が低く、例えば５０．
１３ｔ％Ｎｉであり、他方の部材３２の組成はＮｉ比率
が高く、例えば５１．１ａｔ％Ｎｉである。これにより
一方の部材３１よりも他方の部材３２のマルテンサイト
変ｌｆｉ度が約１００に高く設定しである。

形状記憶熱処理としては、例えば冷開加工によるコイル
状の曲げ加工を施す。即ち、第１１図は両部材のオース
テナイト変ａｍ度（Ｍｆ湯温度Ｍｆ３１１Ｍｆ３２とマ
ルテンサイト変態温度（Ａ。

温度）　Ａｆ３１．Ａｆ３２との関係を示す。この各変
態温度の差に基づき、接合体に曲げ加工を施すものであ
る。例えば接合体を第１１図のＭｆ３１温度以下で圧縮
し、第１０図の仮想線の如く全体をコイル状に形成し、
これによりスプリング３０とする。

このスプリング３０を所定の装置（図示せず）に装着し
、第１１図のＡ、３１温度以上、Ａ、３２′ｆＡ度以下
の範囲に保持して使用する。この場合はオーステナイト
変態に至るのは一方の部材３１のみであるから、この一
方の部材３１が完全に形状回復しようとするばね力が発
生する。次にスプリング３０をＡ、３２温度以上に保持
したとする。そうすると、この場合は他方の部材３２も
オーステナイト変態に至り、形状回復しようとするため
、両部材３１．３２の合計のばね力が発生する。このば
ね力の状態を第１２図に示す。Ａｆ３１．Ａｆ３２で段
階的にばね力が変化することが判る。

したがって、この実施例によれば、変態温度の異なる２
種類の形状記憶合金製部材の接合により、温度変化に応
じた２段階のばね力の制御が自動的に行なえるスプリン
グ３０が実現し、形状記憶合金の多機能化が図られる。

しかも、この実施例のスプリング３０は、レーザビーム
により断面針状の溶接ビード３３をもって接合され、前
述の如く溶接部への金Ｒ間化合物の発生が抑制されて母
材本来の形状記憶機能が保持されるものであるから、機
構部品として高度の信頼性をもつものとなる。

なお、接合する形状記憶合金部材の数を３種類以上にす
れば、３段階以上の複雑なスプリングとなり、さらに高
機能化が図られる。

また、スプリングとしてはコイル状のものに限らず板ば
ね状のものとしてもよく、さらにスプリング以外の各種
構成材について実施することも可能である。

さらにまた、以上の各実施例では、高エネルギビームに
よる溶接手段としてレーザビームを使用した場合につい
て述べたが、本発明はその他の高エネルギビーム、例え
ば電子ビームを使用することも可能なことは勿論である
。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明に係る形状配憶合金製部材の溶接
方法によれば、溶加材を用いない高エネルギビーム溶接
によって断面針状の溶接ビードを形成し、母材放熱によ
る急冷効果で金属間化合物の発生を抑制するので、形状
記憶機能を損うことなく形状記憶合金部材の溶接が行な
えるようになり、実用化を大きく促進できるという優れ
た効果が奏される。

また、本発明に係る形状記憶合金製部材の溶接品によれ
ば、高エネルギビームによる針状断面の溶接ビードによ
って形状記憶機能が損われない各種の溶接品が実現し、
例えば複雑形状の部品が切削加工によらずに容易かつ安
価に提供でき、あるいは各種温度で形状回復機能が異な
る多ｉ能の複合化部品が高信頼性をもって提供できるな
ど汎用性を高める効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本件第１番目の発明を説明するための
もので、第１図は溶接装置を示す概略図、第２図は溶接
状態を示す断面図、第３図は溶接組織を示す顕微鏡写真
、第４図および第５図は形状回復機能を示すグラフ、第
６図は金属組成の分析状況を示す写真、第７図は後処理
としての熱処理の作用を示すグラフ、第８図〜第１２図
は本件第２１目の発明を説明するためのもので、第８図
は管継手について実施した場合を示す断面図、第９図（
ａ）、（ｂ）、（ｃ）はその製造工程を示す図、第１０
図はスプリングについて実施した場合を示す外観図、第
１１図および第１２図はその形状記憶効果を示すグラフ
、第１３図は従来例を説明するための模式図である。 １４・・・レーザビーム、１６・・・形状記憶合金製部
材、１７，２０ｔ）、３３・・・溶接ビード、２０・・
・管継手（溶接品）、２０ａ・・・平板状素材、３０・
・・スプリング（溶接品）、３１．３２・・・変態温度
の異なる形状記憶合金製部材。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第４図 第５図 第７　図 （Ｃ） 第１０図 （３１）　　　　　　Ｃ３２） 通　度 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、形状記憶合金製部材の接合部に高密度エネルギビー
   ムを照射して母材溶融させ、これにより両部材を直接溶
   接する方法において、溶接ビードを断面形状が針状とな
   る小幅なものに設定することにより、両部材の非溶接部
   分への自然放熱で急冷させ、これにより溶接ビードの材
   質を母材と同質のものに維持させることを特徴とする形
   状記憶合金製部材の溶接方法。 ２、高密度エネルギビームとして、レーザビームまたは
   電子ビームを用いる特許請求の範囲第１項記載の形状記
   憶合金製部材の溶接方法。 ３、形状記憶合金としてＮｉ・Ｔｉ系合金を適用し、溶
   接後に３００〜５５０℃の範囲に加熱後、急冷する熱処
   理を施す特許請求の範囲第１項記載の形状記憶合金製部
   材の溶接方法。 ４、形状記憶合金製部材を突合せ、その突合せ部に高密
   度エネルギビームを照射して断面形状が針状となる母材
   溶融による溶接ビードを生じさせ、その溶接ビードを母
   材と同質の材質に維持させてなることを特徴とする形状
   記憶合金製部材の溶接品。 ５、形状記憶合金製部材は平板状素材を環状に湾曲させ
   てその端部同士を突合せ、その部分を高密度エネルギビ
   ームによる断面針状の溶接ビードで接合して環状製品と
   した特許請求の範囲第４項記載の形状記憶合金製部材の
   溶接品。 ６、形状記憶合金製部材は互いに異なる変態温度を有す
   る２種以上のものとし、これらの突合せ部分を高密度エ
   ネルギビームによる断面針状の溶接ビードで接合してな
   る特許請求の範囲第４項記載の形状記憶合金製部材の溶
   接品。