JP7765276B2 - 銅およびステンレス鋼の接合体ならびに銅およびステンレス鋼の溶接方法 - Google Patents

Description

本開示は、銅およびステンレス鋼の接合体ならびに銅およびステンレス鋼の溶接方法に関する。

従来から、銅材料および鋼材料を溶接する方法が知られている。この種の技術が、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１には、銅材料からなる配管および鋼材料からなる配管の端部同士を突き合わせ、アーク溶接によって両配管を接合する方法が開示されている。この方法では、鉄の含有量が２０％以上である溶接ワイヤが用いられている。

特開２０１６－８７６８８号公報

特許文献１に開示される配管の接合体では、銅材料からなる配管および鋼材料からなる配管の接合強度を高めるのが困難という課題がある。これは、一般的に、銅および鉄が互いに混ざり難い性質を有するためである。

本開示の目的は、接合強度がより向上した銅およびステンレス鋼の接合体、ならびに当該接合体を製造可能な銅およびステンレス鋼の溶接方法を提供することである。

本開示に従った銅およびステンレス鋼の接合体は、銅からなる第１部材と、ステンレス鋼からなる第２部材と、第１部材および第２部材を接合する接合部と、を含む。上記接合部では、鋼の結晶粒界に沿って銅が存在し、かつ鋼の結晶粒内に粒状の銅が分散している。

本開示に従った銅およびステンレス鋼の溶接方法は、銅からなる第１部材を準備する第１準備工程と、ステンレス鋼からなる第２部材を準備する第２準備工程と、第１部材および第２部材を互いに突き合わせ、第１部材と電極との間にアークを形成しつつ銅または銅合金からなる溶加材を供給して、第１部材、第２部材および溶加材を加熱して溶融させ、溶融池を形成する溶融工程と、溶融池を凝固させる凝固工程と、を含む。溶融工程では、第１部材の入熱量が第２部材の入熱量よりも多くなるように、電極を移動させる。

本開示によれば、接合強度がより向上した銅およびステンレス鋼の接合体、ならびに当該接合体を製造可能な銅およびステンレス鋼の溶接方法を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る銅およびステンレス鋼の接合体の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、実施の形態に係る銅およびステンレス鋼の接合体の接合部の構造を模式的に示す図である。 図３は、実施の形態に係る銅およびステンレス鋼の溶接方法の手順を示すフローチャートである。 図４は、実施の形態に係る銅およびステンレス鋼の溶接方法を説明するための模式図である。 図５は、銅およびステンレス鋼の接合体の接合部の顕微鏡写真である。 図６は、銅およびステンレス鋼の接合体の接合部のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）写真である。 図７は、銅およびステンレス鋼の接合体の接合部における銅の分布をＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によりマッピングした写真である。 図８は、銅およびステンレス鋼の接合体の接合部における鉄の分布をＥＤＳによりマッピングした写真である。

［実施形態の概要］
本開示に従った銅およびステンレス鋼の接合体は、銅からなる第１部材と、ステンレス鋼からなる第２部材と、第１部材および第２部材を接合する接合部と、を含む。上記接合部では、鋼の結晶粒界に沿って銅が存在し、かつ鋼の結晶粒内に粒状の銅が分散している。

本発明者らは、銅およびステンレス鋼の接合体における接合強度を向上させるための方策について、鋭意検討を行った。その結果、本発明者らは、銅およびステンレス鋼の接合部において、鋼の結晶粒界に沿って銅が存在するとともに鋼の結晶粒内に粒状の銅が分散する構造を形成することによって接合強度が飛躍的に向上することを新たに見出し、本発明に想到した。

本開示は、上記のような観点に基づくものである。すなわち、本開示の銅およびステンレス鋼の接合体の接合部では、鋼の結晶粒界に沿って銅が存在し、かつ鋼の結晶粒内に粒状の銅が分散している。このため、本開示の銅およびステンレス鋼の接合体によれば、従来に比べて接合強度を向上させることができる。

上記銅およびステンレス鋼の接合体において、第１部材は、第１金属管であってもよい。第２部材は、第２金属管であってもよい。第１金属管の長さ方向の端部および第２金属管の長さ方向の端部は、接合部を介して接合されていてもよい。

本開示に従った銅およびステンレス鋼の溶接方法は、銅からなる第１部材を準備する第１準備工程と、ステンレス鋼からなる第２部材を準備する第２準備工程と、第１部材および第２部材を互いに突き合わせ、第１部材と電極との間にアークを形成しつつ銅または銅合金からなる溶加材を供給して、第１部材、第２部材および溶加材を加熱して溶融させ、溶融池を形成する溶融工程と、溶融池を凝固させる凝固工程と、を含む。溶融工程では、第１部材の入熱量が第２部材の入熱量よりも多くなるように、電極を移動させる。

上記溶接方法によれば、第１部材および第２部材の接合部に、鋼の結晶粒界に沿って銅が存在するとともに鋼の結晶粒内に粒状の銅が分散する構造を形成することができる。したがって、接合強度がより向上した銅およびステンレス鋼の接合体を製造することができる。

［実施形態の具体例］
次に、本開示の銅およびステンレス鋼の接合体ならびに銅およびステンレス鋼の溶接方法の具体的な実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（銅およびステンレス鋼の接合体）
まず、実施の形態に係る銅およびステンレス鋼の接合体１（以下、単に「接合体１」とも称する）の構成を、図１および図２に基づいて説明する。図１は、接合体１の構成を模式的に示す断面図である。図２は、接合体１の接合部３０の構造を模式的に示す図である。図１に示すように、接合体１は、銅からなる第１部材１０と、ステンレス鋼からなる第２部材２０と、第１部材１０および第２部材２０の間に位置する接合部３０とを含む。第２部材２０の材料であるステンレス鋼は、例えばオーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましいがこれに限定されず、フェライト系ステンレス鋼であってもよい。

本実施の形態では、第１部材１０は、第１金属管（銅管）である。一方、第２部材２０は、第２金属管（ＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）管）である。図１に示すように、第１金属管（第１部材１０）の長さ方向の端部１１および第２金属管（第２部材２０）の長さ方向の端部２１は、接合部３０を介して接合されている。

図２に示すように、接合部３０では、鋼の結晶粒界３１Ａに沿って銅４０が存在し、かつ鋼の結晶粒３１内に粒状の銅４１が分散している。銅４０は、鋼の結晶粒界３１Ａに沿って連続するネットワーク状に形成されていてもよいがこれに限定されず、結晶粒界３１Ａの途中で途切れていてもよい。

（銅およびステンレス鋼の溶接方法）
次に、実施の形態に係る銅およびステンレス鋼の溶接方法を、図３および図４に基づいて説明する。本実施の形態では、ＴＩＧ（ティグ）溶接によって第１部材１０および第２部材２０が接合される場合を一例として説明する。

まず、第１準備工程が実施される（図３の工程Ｓ１０）。この工程Ｓ１０では、銅からなる第１部材１０（銅管）が準備される。

次に、第２準備工程が実施される（図３の工程Ｓ２０）。この工程Ｓ２０では、ステンレス鋼からなる第２部材２０（ＳＵＳ管）が準備される。

次に、溶融工程が実施される（図３の工程Ｓ３０）。この工程Ｓ３０では、図４に示すように、第１部材１０（銅管）の長さ方向の端部１１および第２部材２０（ＳＵＳ管）の長さ方向の端部２１を互いに突き合わせ、第１部材１０と電極５２との間にアークβを形成しつつ銅または銅合金からなる溶加材６０を供給して、第１部材１０、第２部材２０および溶加材６０を加熱して溶融させ、溶融池を形成する。溶加材６０は、銅を主成分として含有するものである。具体的には、溶加材６０は、９０質量％以上の銅を含有していてもよいし、９５質量％以上の銅を含有していてもよい。溶加材６０の材料としては、例えば、純Ｃｕ、Ｃｕ－Ｆｅ合金、Ｃｕ－Ｓｉ合金またはＣｕ－Ｓｎ合金などの材料を採用することができる。

溶接工程Ｓ３０では、第１部材１０の入熱量が第２部材２０の入熱量よりも多くなるように、電極５２を第１部材１０および第２部材２０の長さ方向に往復移動させる。電極５２は、例えばタングステンなどの高融点の金属材料からなり、中空円筒状のノズル５１内に挿入されている。電極５２の外周面およびノズル５１の内周面の間の環状の空間は、シールドガスαが流通可能となっている。図４に示すように、電極５２の先端は、ノズル５１の先端よりも第１部材１０側に突き出ている。電極５２は、ノズル５１とともに溶接トーチ５０を構成している。

溶接工程Ｓ３０では、第１部材１０の端部１１および第２部材２０の端部２１を互いに突き合わせた状態で、第１部材１０および第２部材２０を周方向に１回転だけ回転させつつ、両端部の突き合わせ部を跨ぐように溶接トーチ５０を第１部材１０および第２部材２０の間で往復移動させる。このとき、溶接トーチ５０を第１部材１０側で第１時間だけ待機させた後に第２部材２０側へ移動させるとともに、溶接トーチ５０を第２部材２０側で第２時間（第１時間よりも短い時間）だけ待機させた後に第１部材１０側へ戻す。このような溶接トーチ５０の動きが、第１部材１０および第２部材２０が周方向に１回転する間継続される。これにより、第１部材１０の端部１１を含む部分および第２部材２０の端部２１を含む部分に、溶融池が形成される。

次に、凝固工程が実施される（図３の工程Ｓ４０）。この工程Ｓ４０では、上記工程Ｓ３０で形成された溶融池を凝固させる。これにより、接合部３０（図１）が形成され、第１部材１０および第２部材２０が互いに接合される。以上の工程Ｓ１０からＳ４０により、本実施の形態に係る銅およびステンレス鋼の溶接方法が終了する。

以上の通り、本実施の形態に係る銅およびステンレス鋼の接合体１の接合部３０では、鋼の結晶粒界３１Ａに沿って銅４０が存在し、かつ鋼の結晶粒３１内に粒状の銅４１が分散している。このため、接合体１によれば、第１部材１０および第２部材２０の間の接合強度を向上させることができる。

図５は、上記実施の形態における溶接方法によって銅およびステンレス鋼を接合したときの、接合部の顕微鏡写真である。図５の通り、鋼の結晶粒３１の境界（結晶粒界）に沿って銅４０が存在しているとともに、結晶粒３１内に粒状の銅４１が分散（点在）している。また接合体の引張試験を実施したところ、接合部３０における破断は見られず、良好な接合強度が確認された。図５の顕微鏡写真の接合部を形成したときの溶接条件は、以下の通りである。このとき、第１部材１０および第２部材２０の管内に、バックシールドとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを流した。
第１部材および第２部材の管の外径：８ｍｍ
第１部材および第２部材の管の厚み：１ｍｍ
第１部材の材料：銅
第２部材の材料：ＳＵＳ３０４
溶接電流（パルス溶接法）：２５Ａ
フィラー形状：φ１．２ｍｍ
シールドガス：Ａｒ（１０Ｌ／ｍｉｎ）

図６は、上記実施の形態における溶接方法によって銅およびステンレス鋼を接合したときの、接合部のＳＥＭ写真である。図７は、当該接合部においてＥＤＳによって銅をマッピングしたときの画像である。図８は、当該接合部においてＥＤＳによって鉄をマッピングしたときの画像である。図６から図８の通り、鋼の結晶粒界に沿って銅が存在するとともに（図７の写真で白く見える線状の部分）、鋼の結晶粒内に粒状の銅が分散して存在している様子が観察された（図７の写真で白く見える点状の部分）。

ここで、その他実施の形態について説明する。

上記実施の形態では、ＴＩＧ溶接によって第１部材１０および第２部材２０を溶接する場合を一例として説明したがこれに限定されず、ＭＩＧ溶接が採用されてもよい。この場合、電極が溶加材を兼ねる。

上記実施の形態では、第１部材１０および第２部材２０がともに金属管である場合を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、第１部材および第２部材は、金属板であってもよい。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 銅およびステンレス鋼の接合体（接合体）、１０ 第１部材、１１，２１ 端部、２０ 第２部材、３０ 接合部、３１ 結晶粒、３１Ａ 結晶粒界、４０，４１ 銅、５０ 溶接トーチ、５１ ノズル、５２ 電極、６０ 溶加材、α シールドガス、β アーク。

Claims (3)

1. 銅からなる第１部材と、
   ステンレス鋼からなる第２部材と、
   前記第１部材および前記第２部材を接合する接合部と、を含み、
   前記接合部では、鋼の結晶粒界に沿って銅が存在し、かつ鋼の結晶粒内に粒状の銅が分散している、銅およびステンレス鋼の接合体。
2. 前記第１部材は、第１金属管であり、
   前記第２部材は、第２金属管であり、
   前記第１金属管の長さ方向の端部および前記第２金属管の長さ方向の端部は、前記接合部を介して接合されている、請求項１に記載の銅およびステンレス鋼の接合体。
3. 銅からなる第１部材を準備する第１準備工程と、
   ステンレス鋼からなる第２部材を準備する第２準備工程と、
   前記第１部材および前記第２部材を互いに突き合わせ、前記第１部材と電極との間にアークを形成しつつ銅または銅合金からなる溶加材を供給して、前記第１部材、前記第２部材および前記溶加材を加熱して溶融させ、溶融池を形成する溶融工程と、
   前記溶融池を凝固させる凝固工程と、を含み、
   前記溶融工程では、前記第１部材の入熱量が前記第２部材の入熱量よりも多くなるように、前記電極を移動させ、
   前記凝固工程によって、前記溶融池を凝固させた、鋼の結晶粒界に沿って銅が存在し、かつ鋼の結晶粒内に粒状の銅が分散した接合部を介して、前記第１部材および前記第２部材が接合される、銅およびステンレス鋼の溶接方法。