WO1997036711A1

WO1997036711A1 - Procede de soudage par diffusion de materiaux metalliques

Info

Publication number: WO1997036711A1
Application number: PCT/JP1997/001069
Authority: WO
Inventors: Masahiko Hamada; Yasuto Fukada; Masakatsu Ueda; Yuuichi Komizo
Original assignee: Sumitomo Metal Industries, Ltd.
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1997-10-09
Also published as: NO975502L; EP0847826A4; EP0847826A1; NO975502D0; CA2222288A1; US6059175A

Description

明細書金属材料の拡散接合方法技術分野

本発明は、金属製構造部材、微量の硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境下で高耐食性を有するステンレス鋼材等の接合方法、とくにコイルドチユービングを含む油井用鋼管の接合方法に関する。背景技術

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質に影響を受けることなく簡便に接合ができるという特徴を持つているので、近年注目を集めている。そのために、多くの発明の開示がなされている（特開平 6 — 7 9 6 7号公報、特開平 5 — 1 6 9 2 8 0号公報、特開平 5 — 1 6 1 9 8 4号公報、特開平 5 — 7 7 0 6 3号公報、特開平 5 — 2 2 0 5 8 5号公報、特開平 2 — 7 5 4 7 8号公報など）。以後の説明において、 "被接合材" と "母材" とは同じものを意味する _c 上記の拡散接合方法のうち、接合温度が比較的低くかつ接合部の塑性変形が小さいために、塑性変形が大きい従来のガス圧接方法に代わりうる拡散接合方法として特開平 2 — 7 5 4 7 8号公報に開示された方法がめ。

この方法では、拡散接合する際、接合部に発生する塑性変形が抑制されるので、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が防止される。しかしながら、この方法は、従来のガス圧接法に比べれば上記の性能改善は得られるものの、継手性能、とくに疲れ強さは十分とはいえない。したがって、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。

これに対処すべく、疲れ強さの向上を図る方法として、拡散接合とァーク溶接とを組み合わせて接合部の形状を矯正する方法が、特開平 5 — 2 2 0 5 8 5号公報に開示されている。しかし、この方法では、拡散接合の後でさらにアーク溶接をする必要があるので、経済性に劣るという問題がある。このため、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。

上記の接合方法は、接合部を含む部材が使用される環境はとくに限定しない場合の拡散接合方法に関する方法である。つぎに、特定の環境において腐食等による環境劣化が問題となる場合について説明する。

湿潤炭酸ガス環境は、石油掘削、石油生産、石油輪送および石油精製の各分野において石油を扱うときに、材料が必ず遭遇する、非常に重要な環境である。この湿潤炭酸ガス環境は、腐食という観点からは、湿潤炭酸ガスが単独で存在する環境と、これに微量の硫化水素が含まれる環境との 2つに大別される。腐食環境を問題にする場合、本発明は両方の環境とも対象にするので、以後の説明においては、 "微量の硫化水素を含まない湿潤炭酸ガス環境" をも含めて「微量の硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境」と記す。

微量の硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境において腐食しない耐久性のある材料への要望はきわめて強いものがあり、これらの環境に適合する各種の材料、とくに各種のステンレス鋼または高合金鋼が開発されてきた。

これらステンレス鋼等の接合に母材の溶融を伴う通常の溶接法を用いる場合には、母材が溶融するので、つぎの問題が生じる。

( 1 ) マルテンサイト系ステンレス鋼の場合は、溶接金属および熟影響部は焼入れままの硬化状態となるので、靱性が劣化し、かつ微量の硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境下での耐硫化物割れ性が悪くなる。

( 2) フェライト ' オーステナイト系（以後、「 2相系」と記す）ステンレス鋼の場合は、溶接金属においてフヱライト比率が高くなり、靱性および耐食性の劣化が生じる。

このような溶接方法に比べれば、拡散接合方法は、低い投入エネルギ密度で金属的な接合がえられるので有利である。

一方、これらステンレス鋼や高合金製の掘削用鋼管などの接続には、通常、鋼製のねじ継手が使用される。ねじ継手を構成する鋼材が単独で使用環境において耐食性を持っている場合には、ねじを締結した状態のままで使用することができる。しかし、ねじ継手には下記の問題がある。

(a) 精密なねじを切る必要があるため、多大なコストを要する。

( b) ねじ締結時の締め付け力にバラツキが生じるので、ねじ部の信頼性確保のためには作業者の熟練を必要とする。

(c) 運搬時にねじ部が損傷を受けやすい。

上述の拡散接合方法のうち、特開平 6 — 7 9 6 7号公報に開示された方法は、ねじ継手を使用しないで耐久性の低下を防止することができるねじ継手に代わる高合金油井管の "拡散接合方法" である。この方法は、拡散接合によって生じる接合部での軟化を防止するために管端に予め塑性加工を与えておくという方法である。しかし、塑性加工を予め与えることは製造コストの上昇をもたらす難点がある。

これまでのところ、高い疲れ強さを有する接合部、または硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境などで高い耐食性を有する接合部が得られる簡便な拡散接合方法は、未だ開示されていないといってよい。

本発明は、つぎの拡散接合方法の提供を主要な目的とする。

一つは、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金属材料の拡散接合方法の提供である。他の一つは、微量の硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境下において高い耐食性を有し、同時に十分な機械的性能をも備える接合部をもたらすステンレス鋼材の拡散接合方法の提供である。

発明の開示

図 1 は、本発明の拡散接合方法により接合された条材または管材の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、加熱の影響が及ぶ広い部分をいい、加熱長さ 2 とは、このうち 8 0 0 °C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 に関してほぼ対称である。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母材の端面（接合面）に侵入し、拡散した層をいう。接合層 1 とは、変質した低融点接合材料をはさんだ両側の母材の端面の拡散層を含んだ部分、すなわち拡散層ノ変質した低融点接合材料/拡散層からなり、実質的に接合を生じている部分をさす。以後、低融点接合材料のことを "接合材" という。接合材は、その融点が母材の融点よりも低いものを対象とする。

本発明は、後記する自製した拡散接合装置を用いて、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼等からなる条、管、板等を接合し、その接合部の特性を調査することによって完成された。本発明の要旨は、条、管、ステンレス鋼等に対する下記の拡散接合方法にある（図 1参照）。

( 1 ) 突き合わせた母材の間に接合材を介在させて、 8 0 0 °C以上となる加熱長さ 2が 3〜 2 O mmとなるように接合部 3を加熱し、母材の長手方向 5に圧縮応力を加え、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により疲れ強さおよび継手強度に優れた接合部を形成させる金属材料の拡散接合方法（以後、〔発明 1〕とする）。

( 2 ) 母材 1 2は 9重量％以上の C r を含有するステンレス鋼とし、接合材は厚さ 1 0〜 8 0 mの 5重量％以上の C rを含有する融点 1 1 5 0で以下の N i 基合金とし、母材長手方向の圧縮応力は突き合わせた端面において 0. 5〜 2 k g f Zmm² の圧力とし、接合層 1 の温度を接合材の融点以上で母材の融点以下の温度域に 1 2 0秒間以上保持する〔発明 1〕に記載の金属材料の拡散接合方法（以後、〔発明 2〕とする）， ( 3 ) 接合部の横膨出率が 1. 0〜 1. 1 であり、かつ熱影響部の長さが 3〜 2 O mmである拡散接合部を有する接合構造物（以後、〔発明 3〕とする）。

( 4 ) 母材は 9重量％以上の C r を含有するステンレス鋼であり、接合層 1 のどの部分も C r を 5重量％以上含み、接合層 1 の厚さは 0. 5〜

8 0 " mであり、かつ接合部の横膨出率が 1. 0〜 1. 1 であり、熱影響部の長さが 3〜 2 0 mmである拡散接合部を有する接合構造物（以後、〔発明 4〕とする）。

(5 ) 接合材として金属の結晶質薄帯または非晶質薄帯からなるインサ — ト材を用いる〔発明 1 〕に記載の金属材料の拡散接合方法（以後、

〔発明 5〕とする）。

( 6 ) 接合材として金属の結晶質薄帯または非晶質薄帯からなるインサ — ト材を用いる〔発明 2〕に記載の金属材料の拡散接合方法（以後、

〔発明 6〕とする）。

( 7 ) スプリングを備えるクランプ 1 4により母材 1 2をクランプし、このスプリングにより熱膨張反力を調節することにより、母材長手方向に圧縮応力を付与する〔発明 1〕に記載の金属材料の拡散接合方法（以後、〔発明 7〕とする）。

( 8 ) スプリングを備えるクランプ 1 4により母材 1 2をクランプし、このスプリングにより熟膨張反力を調節することにより、母材長手方向に圧縮応力を付与する〔発明 2〕に記載の金属材料の拡散接合方法（以後、〔発明 8〕とする）。

( 9 ) 油圧により外部から圧力を加え、母材長手方向に圧縮応力を付与する〔発明 1 〕に記載の金属材料の拡散接合方法（以後、〔発明 9〕とする）。

( 1 0 ) 油圧により外部から圧力を加え、母材長手方向に圧縮応力を付与する〔発明 2〕に記載の金属材料の拡散接合方法（以後、〔発明 1 0〕とする）。

( 1 1 ) 不活性ガスもしくは窒素ガスまたは不活性ガスと窒素ガスの混合ガスの雰囲気中で行う〔発明 1 〕の金属材料の拡散接合方法（以後、〔発明 1 1 〕とする）。

( 1 2 ) 不活性ガスもしくは窒素ガスまたは不活性ガスと窒素ガスの混合ガスの雰囲気中で行う〔発明 2〕の金属材料の拡散接合方法（以後、〔発明 1 2〕とする）。

上記の〔発明 1 〕および〔発明 2〕において、接合材には、ァモルファス（非晶質）であるか結晶質であるか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、母材と一体になつていない別の物、すなわちインサート材、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母材の端面（接合面）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母材の端面に取り付けてもよい。

"接合材を介在させる" とは、インサート材の場合には母材の間にはさむことをいい、まためつき膜や溶射膜の場合には、接合の際、これら接合材が母材の間に存在する状態をさす。

「橫膨出」は、条材の径の増加、または管の外径の増加のことをいい，それぞれの増加率を "橫膨出率" 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、管の場合には外径をさすものとする。すなわち、条材の「径」を管の「外径」に置き換えたものをさす。

図 1 の符号を用いれば、（T max - t ) t が横膨出率である。また、条材、管などの場合は、径ゃ外径の増加は軸に関して対称に起きるとは限らない。このため、拡散接合後の最大径または最大外径によって橫膨出率を定義する。

〔発明 1 〕において拡散接合は、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接合方法を含む。これに対して、〔発明 2〕においては、接合材の融点以上に加熱することにより拡散接合する。すなわち、〔発明 2〕の拡散接合においては、溶融材中の合金元素が母材であるステンレス鋼に侵入拡散し、同時にステンレス鋼の合金元素が溶融状態の接合材中に拡散し溶融相の融点が上昇することにより、溶融相が凝固する現象に基づいて拡散接合が起こる。本接合方法をも "拡散接合方法'' というが、とくに区別が必要な場合には "液相拡散接合方法" という。

〔発明 1 〕および〔発明 3〕における母材は金属材料全般を対象とする。とくに鋼材の場合に本発明方法の利用頻度が高く、実用価値も高くなる。母材の形状は、管、条、棒および板などが対象となり特定の形状に限定されない。図 1 においては、母材が条材または管材の場合を説明したが、板材等も対象になる。板の場合には、条材の径に相当するものは、板厚である。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には、接合材には主にィンサート材が使用される。

〔発明 2〕および〔発明 4〕においては、母材であるステンレス鋼は、マルテンサイト系および 2相系ステンレス鋼とする。また、ステンレス鋼材は、ステンレス鋼管、とくに油井用の鋼管を主要な対象とするが、鋼管に限定されず、棒鋼、形鋼または鋼板も対象となる。油井用継目無鋼管のうちには、〔発明 1 〕と同様に、直管およびコイルドチュービングと呼ばれるコイル状にまかれた継目無鋼管もふくまれる。

〔発明 3〕または〔発明 4〕は、それぞれ〔発明 1 〕または〔発明 2〕の方法を適用して得られた拡散接合部分を有する接合構造物である。ここで、接合構造物とは、管、板、条等が拡散接合された構造物をさし、とくに直管状の鋼管、または鋼製コイルドチュービングが拡散接合された構造物が該当する。〔発明 3〕または〔発明 4〕における「熱影響部」は、 8 0 0 °C以上に加熟された部分であり、その測定方法については後述する。図面の簡単な説明

図 1 は、〔発明 1 〕に係る拡散接合方法で接合される条材または管材の接合部を示す図面である。符号 1 は接合層、 2 は加熱長さ、 3は接合部、 4は拡散層、 5は母材の長手方向、 T maxは "接合部の最大径" または "接合部の最大外径" 、 t は母材の径または外径、をあらわす。

図 2は、本発明の実施に用いた装置の概要をあらわす図面である。符号 1 1 は加熱コイル兼ガスシールド治具、 1 2は母材（条材、管材等）、 1 3 は冷却ジャケット、 1 4 はクランプ、 1 5 は高周波電源、 1 6 は制御盤をあらわす。

図 3は、実施例 1 の試験結果を示す図面である。

図 4は、実施例 2の拡散接合方法に用いたィンサート材の化学組成、融点を示す図面である。

図 5は、実施例 2において拡散接合したステンレス鋼管の化学組成、その鋼の融点、耐カを示す図面である。

図 6は、実施例 2の試験結果を示す図面である。

図 7は、接合部の引張試験に用いた引張試験片の形状を示す図である。図 8 ( a ) は、接合部の曲げ試験に用いた曲げ試験片を示す図である。図 8 ( b ) は、曲げ試験後の試験片を示す図面である。

図 9 ( a ) は、耐腐食割れ試験片の形状を示す図面である。図 9 ( b ) は応力を負荷された状態の試験片および治具の断面を示す図である。発明を実施するための最良の形態

本発明者らは、条材または管材の接合部の径が目立って増加しなくても、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管および条材についておこない、つぎの事項を確認し〔発明 1 〕を完成することができた。

① ：条材の接合部の径の増加率が微小範囲であっても、 8 0 0 °C以上に加熱される部分の長さ、すなわち加熱長さが一定範囲にあれば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。

② ：管の場合には、観察できる塑性変形は管の外径の増加として現れる。管の場合でも、条材と同様に、管の外径の増加率が微小であっても、

8 0 0 °C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）を一定範囲内とすることにより接合強度は十分高いものとなる。

③ ：横膨出率が微小であれば、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。

④ ：管の場合、横膨出率が微小範囲にあれば、腐食性の強い流体が管内を流れても、接合部で著しく滞留することもない。したがって、微小な横膨出率は防食という観点からも許容される。

本発明者らは、上記の検討に加えて、微量の硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境において十分な耐食性を確保することを目的に〔発明 1 〕の方法の適用の検討をおこなった結果、下記の事項を確認し、〔発明 2〕を完成することができた。

( a ) 接合部の湿潤炭酸ガス環境での耐食性は、母材および接合材の C r含有率を一定以上とすることにより確保される。

( b ) 上記母材および接合材には接合のための加熱途中に強固な酸化膜が表面に形成される。したがって、その酸化膜が排出除去されやすいように接合材が溶融する温度にまで加熱して接合を行うのがよい。すなわち、液相拡散接合を行う必要がある。この点で、〔発明 2〕は、接合材の溶融または非溶融の別を問わない〔発明 1 〕の拡散接合方法と異なる。なお、本明細書において合金元素の「％」は、全て「重量％」を表す。 ( C ) 接合部の機械的性質のうち最も達成が困難な、母材と同等以上の

0 . 2 %耐カ（以下、「Y S」と記す）は、液相拡散接合の際に 8 0 0 で以上に加熱される接合部の長さを一定範囲に制限することにより確保できる。

( d ) 耐力と同様に達成が難しい接合部での曲げ性能は、低融点接合材料の厚さ、加圧力、および接合材の融点以上の加熱時間を一定範囲に制限することにより確保できる。

つぎに本発明方法の接合条件の限定理由について説明する。

1 . 〔発明 1 〕

1 ) 横膨出率

本発明の接合方法では、突き合わせた母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、母材 1 2の長手方向 5に応力を加えることにより接合部 3に塑性変形を起こさせる。塑性変形に伴って生じる接合部における横膨出の横膨出率を 1 . 0 〜 1 . 1 の範囲とする。

ここで、横膨出率を 1 . 1 以下とする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、横膨出率が 1 . ◦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。

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母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 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つて満足するためには、横膨出率は 1. 0 2〜に 0 8の範囲にすることが望ましい。

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、 8 0 0 °C以上に加熟される領域、すなわち加熱長さ 2を 3〜 2 0 m mとする必要がある。これは、接合時の加熱による軟化は 8 0 0 °C以上で生じるので、その領域を 2 O mm以下とすることにより接合後の継手強度の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る。そのために、継手の強度が向上する。しかし、加熱長さが 3 mm未満では、局所的に温度勾配が大きくなるので、安定した接合が不可能となる。したがって、加熱長さは 3〜 2 0 m mとする。

この加熱長さは接合が行われた後では、熱影響部として特定される ( 〔発明 3〕）。

炭素鋼の場合、 8 0 0で以上に加熱されると、フヱライト相とオーステナイト相の 2相共存域に加熱されるのでフヱライト相とオーステナイト相の比率から認定される。厳密な 8 0 0 °C以上に加熱された部分の測定は、同一の母材について 8 0 0 °C未満、 8 0 0でおよび 8 0 0 を超える何点かの温度に加熱してそれらの組織と拡散接合部の各位置の組織とを照合させることにより可能である。

オーステナイト系ステンレス鋼においては粒の成長および粒界で炭化物の固溶析出が生じるので、粒径と炭化物に着目して、拡散接合部のみを観察することによりおよそのところを、また厳密には同一材料を 8 0 0で付近に加熱する上記の方法により測定可能である。鋼以外の他の金属材料についても、粒径の変化に着目して測定することができる。マルテンサイト系ステンレス鋼または 2相系ステンレス鋼については、後述する〔発明 2〕において説明する。観察手段は光学顕微鏡でもよいし、必要に応じて電子顕微鏡を用いてもよい。

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る装置の概要を示す図面である。同図に示すように、この装置は銅製の 1 ターンの加熱コイル兼ガスシールド治具 1 1、その両側の母材 1 2の冷却ジャケット 1 3、加圧用クランプ 1 4からなる接合用へッドと高周波電源 1 5および制御盤 1 6により構成される。

接合材は融点が母材より低い材料を対象とする。これは、〔発明 1 〕でも〔発明 2〕でも同じである。接合材を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、母材とのなじみが良いため健全な接合層が得られやすい。

〔発明 1 〕では、接合材を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母材端面への侵入拡散が促進され、強固な接合部を得ることができる。

〔発明 1 〕および〔発明 2〕ともに、接合に際しての加熱温度は母材である金属材料の融点未満とする。

本発明の接合方法の適用をする場合、大気中で加熱すると、母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、接合層に欠陥が発生し、継手強度が劣化する場合がある。加熱は、図 2 におけるガスシールド治具 1 1 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用いても、不活性ガスを使用する場合と同等の効果が得られる。これらの雰囲気を用いた拡散接合方法は〔発明 1 1 〕または〔発明 1 2〕が該当する。

加熱方法としては、加熱長さの制御が容易で、かつ雰囲気制御もしゃすい高周波誘導加熱が望ましい。さらに、母材の種類によっては、接合後の冷却速度が速い場合には母材の変態により硬化して接合部の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。

加熱長さ 2は、加熱コイル 1 1 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 1 3の摑み位置または冷却能 (流水量）を調節することによつても制御できる。

母材の接合部 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、または横膨出率を適正に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、 ①母材 1 2 をクランプ 1 4 によりクランプし、熟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、 ②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。上記の方式①は、〔発明 7〕および〔発明 8〕の方法であり、方式②は、〔発明 9〕および〔発明 1 0〕の方法である。加圧は、加熱中の所定時間のみ行い、横膨出率を所期の値にした後は加圧力を小さくするか、または加圧を中止する。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、横膨出により母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。

4 ) 接合材

本接合方法に用いる接合材は、その融点が母材のそれより低い限り特に限定されるものでなく、母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には、アモルファス（非晶質）または結晶化した合金薄帯等のィンサート材が適用できる。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。接合材にインサート材を用いる方法は、〔発明 5〕および〔発明 6〕の方法である。

これらインサート材を母材間に介在させる際には、接合現場で手作業によりはさんでもよいし予め母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。母材端面にこれらィンサ一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接合して全長数千メートルに及ぶ接合を行う場合には、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。

5 ) 母材

本発明の方法では、対象とする母材はとくに限定されない。例えば、鉄筋コンクリート用棒鋼等の条材、各種の材質の管やその他の金属材料を対象とする。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、接合する母材同士は必ずしも同一または同種のものに限定されず異種のものであってもよい。 2. 〔発明 2〕

つぎに、〔発明 2〕の方法の接合条件を限定した理由について説明する。

1 ) 母材

本発明における母材は、 9 %以上の C r を含むマルテンサイト系または 2相系ステンレス鋼である。母材の C rが 9 %未満では 1 0 0 °C以下の炭酸ガス環境で十分な耐食性を確保できないので、 9 %以上とする。 C r含有率の上限は加工性を確保するためおよそ 3 2 %とすることが望ましい。 C r以外の合金元素としては、 C : 0. 0 0 5〜 0. 3 %、 S i : 0. 0 2〜 2 %、 M n : 0〜 3 %、 C u : 0〜 3 %、 N i : 0〜 1 0 %、 M o : 0〜 4 %、 N : 0. 0 0 1 〜 0. 3 %、 P b : 0〜 0. 5 %および必要に応じてその他の A 1 などの微量元素が含まれてもよい。

マルテンサイト系または 2相系ステンレス鋼とするのは、十分な耐食性と Y Sの両方を同時に確保するためである。他の種類のステンレス鋼、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼では、耐食性はあるが十分な Υ Sを確保できない。

2 ) 接合材

接合材は、その融点が 1 1 5 0 °C以下で、厚さは 1 0〜 8 0 mの合金とする。接合材は、上記したように、急冷凝固させた箔であるインサ — ト材、ステンレス鋼端面に予めおこなった "めっき'' 、またはプラズマ溶射もしくは肉盛溶射後切削などにより厚さを調整した溶射膜などであればよい。これらめつきまたは溶射膜は、片方の管の端だけでもよく、また両方の管端に行ってもよい。両側の管端ともにめっき膜または溶射膜が施されている場合、両側のめっき膜を合わせた厚さ、または両側の溶射膜を合わせた厚さが 1 0〜 8 0 mの範囲にあることとする。

上記したコイルドチュービングの場合は、主にィンサート材が使用されるが、そのほかのステンレス鋼ではめつきまたは溶射膜も使用される。しかし、使用の簡便さおよび製造コストなどから、接合材は、ほとんどの場合、インサート材を使用することが望ましい。

接合材の厚さが、 l O w m未満では、接合界面の凹凸部を完全に埋め切れないため、接合強度の低下を招く。一方、 8 0 mを超えると、 S i、 Bなどの拡散に長時間の加熱を要するため、接合能率を低下させる。また、このような厚い接合材を用いた短時間の加熱では、 S i、 Bなどが接合層中に偏祈し、接合部の耐食性を維持できない。

〔発明 4〕における接合層 1 の厚さは、前記したように拡散層 4 も含む厚さである。〔発明 4〕において接合層 1 が 8 0 i mを超えると接合層 1 における耐食性が劣化するので 8 0 m以下とする。一方、接合層 1 の厚さが 0. 5 m未満では接合が不十分となり強度が確保できないので 0. 5 i m以上とする。より良好な耐食性と接合強度を確保するためには 2〜 5 0 mとすることが望ましい。

この接合層 1 の厚さは、 E P M A (Electron Probe Micro Analyser) 、 I MMA (Ion-probe Mass Micro Analyser ) 等を用いて測定することができる。また、接合層 1 に平行な面を順に切削し各面について分光分折して測定することも可能である。

〔発明 2〕において、接合材の C r を 5 %以上にするのは、 C r 5 % 未満では、十分な耐食性が接合層において確保できないからである。 C r の上限はとくに設けないが、接合材等の取扱い易さから 3 8 %以下とすることが望ましい。

接合材の融点を 1 1 5 0 °C以下とするためには、その合金は、例えば化学組成が後記する図 4 に記載された接合材のような N i 合金であればよい。合金元素の範囲は、 C r ： 5〜 3 8 %、 M o ： 0〜 5 %、 S i ： 4〜 1 0 %ぉょび8 : 0. 5〜 4 %が望ましく、必要に応じて他の元素を含むものであってよい。

また、融点を 1 1 5 0 °C以下にできれば、 Bと S i の含有率の合計が 1 2 %を超えない範囲で、 Bと S i の含有率を変えてもよい。

3 ) 加熱

接合層を含む 8 0 0 以上に加熱される接合部の長さ、すなわち加熱長さ 2 を 3〜 2 0 mmとする。これは、 8 0 0で以上に加熱される部分の長さが 2 0 mmを超えると、接合時の加熱により、接合部近傍の耐カおよび靭性の劣化が生じ、一方、 3 mm未満の場合には局所的に大きな温度勾配を生じて安定な接合が不可能となるからである。

加熱長さ 2 0 mm以下の加熱は、例えば高周波加熱装置のコイルの長さを 2 0 mm以下に抑えることにより実現できる。これにより、 8 0 0 °C以上に加熱される部分を片側各約 1 O mm以下とでき、同時に加熱される領域は、接合面からフラットに同一長さ、すなわちステンレス鋼の端面と長さ方向に垂直な平面で囲まれた領域とすることができる。

鋼管を接合する場合には、接合部を加熱するための、図 2 に示した装置の両側に位置する部分に、高熱伝導性の材料で作られた鋼管冷却用の水冷ジャケット 1 3 を装着して、加熱装置の外側の鋼管部分の熱伝導による温度上昇や加熱領域の拡大を抑えるようにすることが望ましい。加熱温度は、接合層において接合材の融点以上でステンレス鋼の融点以下とし、加熱時間は 1 2 0秒間以上とする。加熱温度がステンレス鋼の融点以上では、健全な接合部が得られない。また接合材の融点未満では迅速な接合を可能とする液相拡散接合とならない。

突き合わせた端面同士の密着性を確保し、さらに接合材中の元素を十分に拡散させ、接合層の化学組成をステンレス鋼に近いものにして、接合強度、曲げ性、靱性および耐食性を確保するためには、少なくとも 1 2 0秒間以上の加熱保持時間が必要である。上限は特に限定する必要はないが、長時間の加熱保持は加熱長さ 2が、本発明の範囲を超える場合があるので、例えば 6 0 0秒間以下とすることが望ましい。

〔発明 4〕における熱影響部は、〔発明 2〕において 8 ◦ 0 °C以上に加熱された部分である。 2相系ステンレス鋼においては、炭素鋼と同様にフ I ライト相とオーステナイト相の 2相共存域に加熱されるので、比較的容易に光学顕微鏡による組織観察により測定可能である。また、炭化物に着目して電子顕微鏡観察によっても測定できる。

また、マルテンサイト系ステンレス鋼の場合はフェライト相とオーステナイト相の 2相共存域またはフヱライト相単相域に加熟される。 8 0 0 °C付近の加熱で、フェライト相単相域の加熱の場合は、焼戻しに伴うフェライトラス幅の増大、炭化物の固溶等が生じるので電子顕微鏡等により熱影響部の長さを測定することが可能である。

4 ) 圧縮応力（加圧力）長手方向 5の圧縮応力（加圧力）は、接合層の温度が接合材の融点以上にいたるまでは、接合材を保持するのに必要なわずかな圧力でもよい。接合材の融点以上では、突き合わせた端面において 0. 5 〜 2 k g f / m m ² の圧力とする。この加圧力が 0. 5 k g f /mm ² 未満では接合時に接合界面の全体の密着が保たれず、一方、 Z k g f Zmm² を超えると接合部の変形が大きくなりすぎ、滑らかな形状とならず、腐食性流体の滞留などを生じ局部的な腐食が進行する場合があるので 0. 5 〜 2 k g f /mm² とする。加圧力が 2 k g f /mm² を超えて変形が大きい場合には、変形した部位に応力集中を生じ曲げ性も劣化する。

加圧時間も加熱に同期させて加熱と同じ 1 2 0秒間以上保持してもよいし、溶融した接合材の融点が上昇して凝固相を生じた時点で終了して、後は加熱のみ行ってもよい。実施例

(実施例 1 )

つぎに実施例 1 により〔発明 1 〕の効果を説明する。

母材として、 0. 2 4 % C — 0. 2 5 % S i - 1 . 1 3 % M n - 0. 4 8 % C r 一 0. 0 2 6 % T i 一残部実質的に F eの化学組成を有する外径 1 3 0 mm、肉厚 1 5 mmの焼入れ（焼入れ温度 9 5 0で）および焼戻し（焼戻し温度 6 2 0で）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（T S ) は 8 6 0 M P aであった。

接合材はインサート材とし（〔発明 5〕）、 1. 4 % B — 7. 3 % S i 一 5. 3 % C r 一残部 N i の化学組成からなる融点が 1 1 4 0 °Cで、厚さが 3 0 mの合金薄帯を使用した。

接合条件は、窒素ガスシールドのもと、接合層 1 における温度 1 2 5 0 °C, 加熱保持時間 3 0 0秒間とした。加熱は、高周波誘導加熱方式とし、加熱コイル幅を 1 0 〜 5 0 mmの範囲で変え、また同時に加熱コィルの外側に冷却ジャケッ卜を設けて冷却能を変える条件で行い、この加熟により、加熱長さを変化させた。

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。この加圧力の調整は、前記した加圧力の説明のうち、 ②の油圧による方法により、すなわち〔発明 7〕の方法により行った。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。

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、各試験に供した。引張試験片および曲げ試験片の形状は、 J I S Z 220 1および J 1 S Z 2204に準じ、試験方法は、 J I S Z 224 1および J 1 S Z 2248によった。

疲労試験は 4点曲げにより行い、片振りの曲げ応力を 2 0 0 M P a として亀裂発生までの回数（寿命）を調査した。

図 3は、接合後の横膨出率、加熱長さおよび上記試験の結果を示す図である。

図 3 において、試験番号①および②は本発明例であり、継手の T Sおよび疲れ寿命ともに優れており、また曲げ性も良好であった。

比較例である試験番号③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た。

また、試験番号④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、継手の T Sが著しく低下していることがわかる。

(実施例 2 )

つぎに〔発明 2〕に係る方法の効果を実施例 2により説明する。

図 4 は、実験に用いた接合材であるインサート材（〔発明 6〕 ) の組成を示す。

ィンサート材は、成分調整した溶湯を回転するロール表面に落下させる溶湯急冷法により製造した薄帯である。薄帯の厚さは溶湯の供給量とロールの回転速度により調整され、後記する図 6に示されている。

図 5は母材であるマルテンサイト系および 2相系のステンレス鋼管の化学組成および Y Sを示す。これら鋼管は、いずれも外径： 1 3 0 m m、肉厚： 1 5 m mの継目無鋼管である。

拡散接合は、実施例 1 と同様に、前記図 2 に示す装置を調整した装置により行った。加熱長さ 2は、加熱コイルの幅を 1 0 〜 5 O m mと変え、さらに、その外側の鋼管 1 2 の冷却ジャケット 1 3 (このジャケットは、鋼管 1 2 を摑み、ジャケット内部に冷却水を循環するもの）の冷却能を変えることにより調節された。

加圧は、前記の加圧力の 2つの方式① （熱膨張反力）および② （油圧力）、すなわち〔発明 8〕および〔発明 1 0〕によりおこなった。

この装置に、端面間にインサート材をはさんだ鋼管を装着し、加熱および加圧を一定時間保持することにより接合をおこなった。

図 6は、各試験符号におけるインサート材と鋼管の組み合わせおよび接合における条件を示す。

これら接合部から試験片を採取し、引張試験、曲げ試験および耐腐食割れ試験を行い評価した。曲げ試験片および耐腐食割れ試験片は、試験片の厚さ中心を鋼管の肉厚中心に合わせて所定の厚さに加工した。

図 7は引張試験片の形状をあらわす図面である。

図 8 ( a ) は曲げ試験片の形状を、図 8 ( b ) は曲げ試験後の試験片の形状をあらわす図面である。

また、図 9 ( a ) は、耐腐食割れ試験片の形状を、図 9 ( b ) は、耐腐食割れ試験において負荷状態で湿潤炭酸ガス環境におかれる試験片と治具の断面をあらわす図面である。試験片中央において、母材の Y Sの 1 0 0 %の応力が負荷されるように曲げが与えられている。

耐食性試験は、微量硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境での割れ試験によりおこなった。微量の硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境は、圧力 0. 0 0 I M P aの H ₂S と圧力 3. O M P aの C〇 ₂の混合ガスで飽和された 5 %N a C l 水溶液とした。試験温度は、前記の特開平 6 — 7 9 6 7 号公報において最も割れ感受性が高い温度と開示されている温度、すなわちマルテンサイト系ステンレス鋼に対しては 2 5 t：、 2相系ステンレス鋼に対しては 8 0 °Cとした。試験時間は、どちらも 3 3 6 hとし、試験後割れを発生していないものを、合格（ y e s ) とした。

図 6は、上記した各試験体の接合条件とともに、これらの試験結果をしめす。本発明例はすべて、 Y Sは図 5に示す母材の Y Sを超え、曲げ試験および腐食割れ試験においても割れの発生が認められなかった。

これに対して、比較例の試験符号 B 1 は加圧力が大きいことを反映して Y Sは高いが、曲げおよび耐腐食割れ性において不十分であり、また、試験符号 B 2においては加熱領域が長いために曲げ試験において合格するが、 Y Sおよび腐食割れ試験においては不合格（N o ) であった。その他の比較例である、試験符号 B 3は加熱温度が低すぎ、 B 4は加熱保持時間が短すぎ、 B 5は加圧力が過小であり、また、 B 6はインサ一ト材の厚さが過大であるためにいずれも Y S、曲げおよび耐腐食割れ性のすべてにおいて好ましくない結果となった。

これらの結果より、本発明方法を適用した接合部は Y Sは母材のそれを超え、曲げ性能および耐腐食割れ性能は、非常に良好であることが分かる。産業上の利用可能性

本発明によれば、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る。さらに、微量の硫化水素を含む湿潤炭酸ガス環境下で母材と同等以上の耐食性を有し、同時に強度および曲げ性にも優れた接合部を得ることができる。これらの発明は、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ものである。とくに具体的には、油井管、とくにコイルドチュービングを使用する産業に資するところ大である。

Claims

請求の範囲

1. 突き合わせた母材の間に接合材を介在させて、 8 0 CTC以上となる加熱長さ（ 2 ) が 3〜 2 O mmとなるように接合部を加熱し、母材の長手方向（ 5 ) に圧縮応力を加え、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により疲れ強さおよび継手強度に優れた接合部を形成させる金属材料の拡散接合方法。

2. 母材（ 1 2 ) は 9重量％以上の C r を含有するステンレス鋼とし、接合材は厚さ 1 0〜 8 0 mの 5重量％以上の C r を含有する融点 1 1 5 0で以下の N i 基合金とし、母材長手方向の圧縮応力は突き合わせた端面において 0. S Z k g f Zmm² の圧力とし、接合層（ 1 ) の温度を接合材の融点以上で母材の融点以下の温度域に 1 2 0秒間以上保持する請求の範囲 1 に記載の金属材料の拡散接合方法。

3. 接合部の横膨出率が 1. 0〜 1. 1 であり、かつ熱影響部の長さが 3〜 2 0 mmである拡散接合部を有する接合構造物。

4. 母材は 9重量％以上の C r を含有するステンレス鋼であり、接合層 ( 1 ) のどの部分も C r を 5重量％以上含み、接合層（ 1 ) の厚さは 0.

5〜 8 0 〃 mであり、かつ接合部の横膨出率が 1. 0〜 1. 1 であり、熱影響部の長さが 3〜 2 0 mmである拡散接合部を有する接合構造物。

5. 接合材として、金属の結晶質薄帯または非晶質薄帯からなるインサ一ト材を用いる請求の範囲 1 に記載の金属材料の拡散接合方法。

6. 接合材として金属の結晶質薄帯または非晶質薄帯からなるインサート材を用いる請求の範囲 2 に記載の金属材料の拡散接合方法。

7 . スプリングを備えるクランプ 1 4 により母材 1 2 をクランプし、このスプリングにより熱膨張反力を調節することにより、母材長手方向に圧縮応力を付与する請求の範囲 1 に記載の金属材料の拡散接合方法。

8 . スプリングを備えるクランプ 1 4 により母材 1 2 をクランプし、このスプリングにより熟膨張反力を調節することにより、母材長手方向に圧縮応力を付与する請求の範囲 2 に記載の金属材料の拡散接合方法。

9 . 油圧により外部から圧力を加え、母材長手方向に圧縮応力を付与する請求の範囲 1 に記載の金属材料の拡散接合方法。

1 0 . 油圧により外部から圧力を加え、母材長手方向に圧縮応力を付与する請求の範囲 2 に記載の金属材料の拡散接合方法。

1 1 . 不活性ガスもしくは窒素ガスまたは不活性ガスと窒素ガスの混合ガスの雰囲気中で行う請求の範囲 1 の金属材料の拡散接合方法。

1 2 . 不活性ガスもしくは窒素ガスまたは不活性ガスと窒素ガスの混合ガスの雰囲気中で行う請求の範囲 2の金属材料の拡散接合方法。