(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体と、他の部材とを、溶融溶接で接合する場合には、溶融溶接時に、拡散接合体の拡散接合部は、母材である金属部材よりも高温で延性が低下する。これにより、拡散接合体の拡散接合部では、金属部材よりも割れ感受性が高くなるので、溶融溶接に伴うひずみにより、拡散接合部に割れが生じる可能性がある。
【0005】
そこで本発明の目的は、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体と、他の部材とを、溶融溶接で接合するときの拡散接合部の割れを抑制可能な拡散接合体の溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る拡散接合体の溶接方法は、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体と、他の部材と、を溶融溶接により接合する拡散接合体の溶接方法であって、前記拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域に、前記拡散接合部より延性が大きい緩衝層を形成する緩衝層形成工程と、前記緩衝層が形成された溶接領域と、前記他の部材とを、前記緩衝層の上から溶融溶接して接合する溶接工程と、を備えることを特徴とする。
【0007】
本発明に係る拡散接合体の溶接方法において、前記緩衝層形成工程は、前記緩衝層を肉盛溶接で形成することを特徴とする。
【0008】
本発明に係る拡散接合体の溶接方法において、前記緩衝層形成工程は、前記緩衝層を、粉末焼結、超音波接合、摩擦圧接、摩擦肉盛、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌プロセス、拡散接合、ろう付け、電磁圧接または爆着のいずれかのプロセスにより形成することを特徴とする。
【0009】
本発明に係る拡散接合体の溶接方法において、前記拡散接合体は、前記他の部材に、継手形式で溶融溶接されることを特徴とする。
【0010】
本発明に係る拡散接合体の溶接方法において、前記継手形式の溶融溶接は、はめ込み溶接、突合せ溶接、隅肉溶接または重ね溶接であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
上記構成によれば、溶融溶接に伴うひずみを緩衝層で吸収して緩衝するので、拡散接合体の拡散接合部の割れを抑制可能となる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図1は、拡散接合体の溶接方法の構成を示すフローチャートである。拡散接合体の溶接方法は、緩衝層形成工程(S10)と、溶接工程(S12)と、を備えている。
【0014】
緩衝層形成工程(S10)は、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域に、拡散接合部より延性が大きい緩衝層を形成する工程である。
図2は、緩衝層形成工程(S10)を説明するための図であり、
図2(a)は、全体概略図であり、
図2(b)は、
図2(a)のA−A方向の断面概略図である。
【0015】
まず、拡散接合体10について説明する。拡散接合体10は、金属部材12同士を拡散接合して形成されている。金属部材12は、インコネル625、インコネル617、ヘインズアロイ230等のNi合金や、オーステナイト系ステンレス鋼等のステンレス鋼等で形成されている。拡散接合体10は、一般的な金属材料の拡散接合法により形成されている。拡散接合体10は、金属部材12同士が拡散接合されている拡散接合部14を有している。
【0016】
後述する溶接工程(S12)で、拡散接合体10と、他の部材16とを溶融溶接(以下、「本溶接」と呼ぶ場合がある)により接合する場合には、本溶接時に、拡散接合部14は、高温に加熱される。拡散接合部14は、母材である金属部材12よりも高温で延性が低下しやすい。本溶接時には、拡散接合部14は高温に加熱されるので、拡散接合部14は延性が低下する。
図3は、拡散接合部14と、母材である金属部材12との延性を説明するための図である。
図3では、横軸に温度を取り、縦軸に延性を取り、拡散接合部14の延性曲線(E
db)を実線で示し、金属部材12の延性曲線(E
b)を2点鎖線で示している。拡散接合部14は、高温域で、母材である金属部材12よりも延性が低下する。金属部材12がNi合金やステンレス鋼で形成されている場合には、拡散接合部14の延性が低下する温度領域は、一般に1000℃近傍の温度領域である。
【0017】
図3に、拡散接合体10と、他の部材16とを本溶接して接合するときの本溶接に伴うひずみのひずみ曲線(S
w)を破線で示す。拡散接合体10と、他の部材16とが本溶接により接合されると、変形が拘束されるので、本溶接に伴うひずみが大きくなる。ひずみ曲線(S
w)が、拡散接合部14の延性曲線(E
db)と交差して、延性曲線(E
db)を超える温度域では、拡散接合部14に高温割れの一種である延性低下割れが発生する可能性がある。拡散接合部14の延性低下割れは、本溶接時の拘束が大きくなるほど発生し易くなる。このような拘束が大きい溶接には、例えば、はめ込み溶接等がある。
【0018】
緩衝層20は、拡散接合体10の拡散接合部14を含む溶接領域として形成されている。緩衝層20は、拡散接合部14よりも大きい延性を有している。緩衝層20は、後述する溶接工程(S12)で、本溶接に伴うひずみを吸収して緩衝する機能を有している。
【0019】
図4は、拡散接合部14と、母材である金属部材12と、緩衝層20との延性を説明するための図である。
図4では、横軸に温度を取り、縦軸に延性を取り、拡散接合部14の延性曲線(E
db)を太い実線で示し、母材である金属部材12の延性曲線(E
b)を2点鎖線で示し、緩衝層20の延性曲線(E
i)を細い実線で示している。また、
図4には、拡散接合体10と、他の部材16とを、本溶接して接合するときの本溶接に伴うひずみのひずみ曲線(S
w)を破線で示している。
【0020】
緩衝層20は、拡散接合部14よりも、高温での延性が大きい。この結果、緩衝層20の延性曲線(E
i)は、ひずみ曲線(S
w)と交わらずに、ひずみ曲線(S
w)より上方に位置する。これにより、後述する溶接工程(S12)で、緩衝層20が設けられた拡散接合部14と、他の部材16とを、本溶接で接合するときに、本溶接に伴うひずみを緩衝層20で吸収して緩衝するので、拡散接合部14での割れが抑制される。緩衝層20の厚みは、緩衝層20を形成する金属材料や、本溶接の拘束条件等により相違するが、例えば、1mmから10mm程度とするとよい。
【0021】
緩衝層20は、拡散接合体10の拡散接合部14を含む溶接領域に形成されており、緩衝層形成時には他の部材16との拘束が殆どないので、容易に変形可能である。このため緩衝層形成時は、後述する溶接工程(S12)での本溶接時よりも拘束が小さいことから、緩衝層形成に伴うひずみを、本溶接に伴うひずみよりも小さくすることができる。
【0022】
図5は、拡散接合部14の延性と、緩衝層形成に伴うひずみとの関係を示す図である。
図5では、横軸に温度を取り、縦軸に延性を取り、拡散接合部14の延性曲線(E
db)を太い実線で示し、母材である金属部材12の延性曲線(E
b)を2点鎖線で示し、緩衝層20の延性曲線(E
i)を細い実線で示している。また、
図5には、緩衝層形成に伴うひずみのひずみ曲線(S
c)と、本溶接に伴うひずみのひずみ曲線(S
w)と、を各々破線で示している。
【0023】
緩衝層形成時は、後述する溶接工程(S12)での本溶接時よりも拘束が小さいことから、ひずみ曲線(S
c)は、ひずみ曲線(S
w)よりも下方に位置する。この結果、ひずみ曲線(S
c)は、拡散接合部14の延性曲線(E
db)と交わらず、延性曲線(E
db)より下方に位置する。これにより、緩衝層形成時において、拡散接合部14の割れを抑制することができる。
【0024】
緩衝層20は、母材である金属部材12と同種材料で形成するとよい。緩衝層20を金属部材12と同種材料で形成することにより、強度分布による局所変形や、ガルバニ腐食、異材界面からのコンタミネーション(異物混入)を抑制できる。例えば、金属部材12がNi合金で形成されている場合には、緩衝層20をNi合金で形成することが可能である。また、緩衝層20は、金属部材12と同じ合金組成の金属材料で形成してもよい。例えば、金属部材12がヘインズアロイ230で形成されている場合には、緩衝層20をヘインズアロイ230と同じ合金組成の金属材料で形成することができる。
【0025】
緩衝層20は、母材である金属部材12と異種材料で形成してもよい。緩衝層20を金属部材12と異種材料で形成する場合には、緩衝層20には、金属部材12よりも低降伏応力で高延性の軟質材料を用いるとよい。このような軟質材料を用いることにより、本溶接に伴うひずみが緩衝層20に集中すると共に、拡散接合部14に緩衝層20の降伏応力以上の応力が負荷されないようにすることが可能となる。これにより、緩衝層20を金属部材12と同種材料で形成する場合より緩衝層20の厚さを小さくしても、同等以上の割れ防止効果を得ることができる。
【0026】
緩衝層20の形成方法には、緩衝層形成に伴うひずみをより小さくするために、拘束がより小さくなる形成方法を用いるとよい。このような緩衝層20の形成方法には、肉盛溶接(バタリング)を用いるとよい。肉盛溶接(バタリング)は、拡散接合部14を含む溶接領域に、溶着金属を肉盛する方法であるので、拘束が殆どなく、緩衝層形成に伴うひずみをより小さくすることができる。肉盛溶接に用いられるプロセスとして、被覆アーク溶接(SMAW)、MIG溶接、TIG溶接、抵抗溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、溶射等で行うことができる。溶接材料には、金属部材12と同種材料を用いてもよいし、金属部材12と異種材料を用いてもよい。溶接材料には、金属部材12と同じ合金組成の金属材料を用いることもできる。緩衝層20を肉盛溶接で形成する場合には、1回のパスで溶接ビードを形成し1層としてもよいし、2層以上形成してもよい。また溶接材料を用いず、ノンフィラーにて表面部を局所的に溶融・凝固させることでも緩衝層を形成させることができる。このような緩衝層20の形成方法には、肉盛溶接の他に、薄板金属片の突合せ溶接や、薄板金属片の重ね溶接等を用いることも可能である。
【0027】
緩衝層20の形成方法には、緩衝層20の形成に伴うひずみをより小さくするために、温度変化によるひずみが小さく溶融凝固に伴うひずみも生じない固相接合を用いるとよい。このような緩衝層20の形成方法としては、粉末焼結、超音波接合、摩擦圧接、摩擦肉盛、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌プロセス、拡散接合、ろう付け、電磁圧接、爆着等を用いることが可能である。
【0028】
緩衝層20の形成方法には、拘束がより小さくなる形成方法と、低ひずみの固相接合とを、組み合わせて用いてもよい。このような緩衝層20の形成方法としては、例えば、肉盛溶接を、低入熱の摩擦肉盛で行えばよい。これにより、緩衝層形成に伴うひずみが更に小さくなるので、拡散接合部14の割れを更に抑制することができる。
【0029】
溶接工程(S12)は、拡散接合体10における緩衝層20が形成された溶接領域と、他の部材16と、を、緩衝層20の上から溶融溶接して接合する工程である。
図6は、溶接工程(S12)を説明するための図であり、
図6(a)は、全体概略図であり、
図6(b)は、
図6(a)のA−A方向の断面概略図である。
【0030】
拡散接合体10における緩衝層20が形成された溶接領域と、他の部材16とを、緩衝層20の上から本溶接して接合する。これにより溶接層22が形成され、拡散接合体10と、他の部材16とが、溶接接合される。本溶接には、アーク溶接、被覆アーク溶接(SMAW),TIG溶接、MIG溶接等の一般的な溶接方法を用いることが可能である。例えば、大入熱の被覆アーク溶接(SMAW)等により、複数の溶接ビードを重畳させてアーク溶接することができる。溶接材料には、金属部材12と同種材料を用いてもよいし、金属部材12と異種材料を用いてもよい。溶接材料には、金属部材12と同じ合金組成の金属材料を用いることもできる。
【0031】
拡散接合体10が、他の部材16に本溶接で接合されて拘束される場合でも、本溶接に伴うひずみが緩衝層20で吸収されて緩衝されるので、拡散接合部14の割れが抑制される。より詳細には、
図4で説明したように、本溶接に伴うひずみのひずみ曲線(S
w)は、緩衝層20の延性曲線(E
i)よりも下方に位置している。これにより、本溶接時に拡散接合部14の延性が低下した場合でも、本溶接に伴うひずみが緩衝層20で吸収されて緩衝されるので、拡散接合部14の割れが防止される。
【0032】
上記の拡散接合体10の溶接方法については、拡散接合体10が、他の部材16に、継手形式で溶融溶接される場合にも用いることが可能である。このような継手形式の溶融溶接は、はめ込み溶接、突合せ溶接、隅肉溶接または重ね溶接とすることができる。また、上記の拡散接合体10の溶接方法については、はめ込み溶接等の拘束度が高い形状で溶融溶接される継手形式に好適に用いることができる。例えば、熱交換型リアクタに用いられる反応容器は、高温高圧で腐食性が高い流体を扱うため、厚板のNi合金部材で形成されている高剛性の反応容器である。この反応容器は、Ni合金部材を拡散接合して形成した拡散接合体からなる。この反応容器を、厚板のフランジに取り付ける際には、反応容器をフランジに、はめ込み溶接する。
【0033】
反応容器と、フランジとの剛性が各々高く、これらの部品がはめ込み溶接されるため、本溶接に伴うひずみがより大きくなる。このような拘束が大きくなるはめ込み溶接の場合でも、反応容器の拡散接合部を含む溶接領域に緩衝層を形成した後に、緩衝層の上からフランジと本溶接して接合することで、反応容器の拡散接合部の割れを抑制することができる。
【0034】
以上、上記構成によれば、金属部材同士を拡散接合して形成した拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域に、拡散接合部より延性が大きい緩衝層を形成する緩衝層形成工程と、拡散接合体における緩衝層が形成された溶接領域と、他の部材とを、緩衝層の上から溶融溶接して接合する溶接工程と、を備えることから、溶融溶接に伴うひずみを緩衝層で吸収して緩衝させるので、拡散接合部の割れを抑制することができる。
【実施例】
【0035】
拡散接合体の溶接試験を行った。
【0036】
(比較例)
まず、比較例の溶接方法について説明する。拡散接合体は、複数のNi合金部材を拡散接合して形成した。Ni合金部材は、ヘインズアロイ230で形成した。拡散接合体は、Ni合金部材同士の間に拡散接合部を有している。比較例の溶接方法では、拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域と、金属製ブロックとをアーク溶接して溶接層を形成し、拡散接合体と、金属製ブロックとを接合した。溶接材料には、ヘインズアロイ230と同じ合金組成の材料を用いた。
【0037】
アーク溶接後に、溶接層の直下の拡散接合部を光学顕微鏡で観察した。
図7は、比較例の溶接方法におけるアーク溶接後の光学顕微鏡による観察結果を示す写真であり、
図7(a)は、溶接層の直下の拡散接合部の断面を示す写真であり、
図7(b)は、
図7(a)に示す割れの拡大写真である。溶接層の直下の拡散接合部で数mm以上の貫通した割れが発生した。なお、母材であるNi合金部材や、溶接層には、割れが発生していなかった。
【0038】
(実施例)
次に、実施例の溶接方法について説明する。拡散接合体には、比較例の溶接方法で使用した拡散接合体と同様のものを用いた。まず、拡散接合体の拡散接合部を含む溶接領域に、肉盛溶接により緩衝層を形成した。肉盛溶接はTIG溶接を用いた。溶接条件は、アーク電圧12V、溶接電流80A、溶接速度100mm/minとした。肉盛溶接は、フィラー有りとした。フィラーには、ヘインズアロイ230と同じ合金組成の材料を用いた。肉盛溶接は、2パス行い、2層の肉盛層からなる緩衝層を形成した。緩衝層の厚みは、2.5mmとした。緩衝層を形成した後に、超音波探傷検査及び浸透探傷検査を行い、緩衝層や、緩衝層の直下の拡散接合部に割れが発生していないことを確認した。
【0039】
次に、緩衝層が形成された溶接領域と、金属製ブロックとを、緩衝層の上からアーク溶接して溶接層を形成し、拡散接合体と、金属製ブロックとを接合した。アーク溶接は、比較例の溶接方法と同じとした。溶接材料には、ヘインズアロイ230と同じ合金組成の材料を用いた。アーク溶接後に、溶接層を除去し、緩衝層と、緩衝層の直下の拡散接合部とを光学顕微鏡で観察した。
【0040】
図8は、実施例の溶接方法におけるアーク溶接後の光学顕微鏡による観察結果を示す写真であり、
図8(a)は、緩衝層の直下の拡散接合部を示す写真であり、
図8(b)は、
図8(a)の拡大写真である。緩衝層と、緩衝層の直下の拡散接合部では、割れの発生は認められなかった。これらの結果から、拡散接合部を含む溶接領域に緩衝層を形成し、緩衝層の上からアーク溶接することにより、アーク溶接に伴うひずみが緩衝層で吸収されて緩衝され、拡散接合部の割れを抑制できることがわかった。