JPH06106367A

JPH06106367A - アルミニウム溶接方法および同方法に用いられる反応剤混合物

Info

Publication number: JPH06106367A
Application number: JP4263913A
Authority: JP
Inventors: David P Kovarik; ピー．コバリクデイビッド; James E Whetsel; イー．ウェッツェルジェイムズ; Ginger Ortman; オートマンジンジャー
Original assignee: Erico International Corp
Current assignee: Erico International Corp
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1992-10-01
Publication date: 1994-04-19
Also published as: EP0539670A3; AU659472B2; AU2105992A; BR9203821A; EP0539670A2; CA2077234A1; US5171378A

Abstract

(57)【要約】【構成】珪素、還元剤、その還元剤によって発熱を伴
って還元される金属化合物、およびその金属化合物と反
応しない充填用金属を含有する、新規な反応剤混合物お
よびそれを用いた、少なくとも２つのアルミニウム片を
接合するのに用いられる溶接金属の生成方法を提供す
る。本発明の反応剤混合物は十分な発熱を伴って反応し
充填用金属を融解して溶融溶接金属を形成し、生じる溶
融溶接金属の少なくとも約９０重量％がこの充填用金属
および珪素から形成される。【効果】テルミット法を用い、２つ以上のアルミニウ
ムのような非鉄金属片を接合するのに用いられ得る溶接
金属を、生成する方法および手段が提供される。本発明
の溶接金属の少なくとも約９０重量％が珪素および充填
用金属から生じ、少なくとも約９０重量％は接合しよう
とする金属片の少なくとも１つと実質的に同様の化学組
成を有している。化学的純度が高く、腐食に強い良好な
溶接を可能とする溶接金属が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に溶接技術に関す
る。より詳細には、本発明は、独特な溶接方法および同
方法に用いられる新規の反応剤混合物に関する。特に、
本発明はアルミニウム溶接におけるテルミット反応の新
規応用に関する。

【０００２】本出願は、1989年9月13日出願の「溶接方
法」と題された米国特許出願第07/406,607号の一部継続
出願である1990年11月30日出願の「溶接方法および同方
法に用いられる反応剤混合物」と題された米国特許出願
第07/620,137号の一部継続出願である。

【０００３】

【従来の技術】テルミット反応は、通常鉄道産業および
電力変圧に関連する溶接物を供給するために、長らく利
用されてきた。テルミット反応は、アルミニウム（Al）
と酸化金属との反応を包含し、この酸化金属が還元され
て充填用金属を提供する。すなわち、充填用金属のソー
スは、還元された酸化物である。「ゴールドシュミッ
ト」反応は、Charles A. Cadwellの米国特許第2,229,04
5号に記載された方法の応用の基本をなすものである。
この反応は下記で示される。

【０００４】

【数１】

【０００５】「ゴールドシュミット」反応は、鉄（Fe）
および銅（Cu）のような金属を溶接または接合するのに
何年にもわたって利用されており、良い結果を示してい
る。しかしながら、その方法は、銅（Cu）または鉄（F
e）の充填用金属を使用することが一般に不適切なアル
ミニウム（Al）のような金属の接合には、あまり格別に
適したものではない。

【０００６】Rejdakの米国特許第3,020,610号は、アル
ミニウム（Al）と他の金属を溶接する方法を開示してお
り、溶接物を提供するのに利用され得る反応生成物を生
成するのに利用可能な種々の反応の一覧表を提供してい
る。残念ながら、Rejdakが開示する方法では、形成され
る溶接は、いくつかの応用においては不適切なものであ
る。具体的に言えば、Rejdak法で形成された溶接金属
は、いくつかの応用例に要求される化学的純度を十分に
満たさない。例えば、ある環境下Rejdak法で生成された
溶接物は、得られた溶接物に不純物または望ましくない
元素が存在するため、かなりの程度の腐食に侵されやす
い。

【０００７】Schiltknechtの米国特許第2,569,956号
は、テルミット反応を金属片の回りのスリーブを融解す
ることにより、一対の非鉄金属片を接合するのに利用し
た方法を開示している。この方法は一般に、「アルスイ
ッセ法（Alusuisse Process）」と呼ばれる、チューリ
ッヒにあるスイスアルミニウム社によって開発された溶
接システムを指す。残念ながら、「アルスイッセ法」は
間接的な溶接方法であり（すなわち、テルミット反応に
より生じた熱は化学反応による溶接充填用金属を生成し
ない）、いくつかの接合に応用して用いられるには、不
適切なものである。

【０００８】

【発明の要旨】本発明は、２つ以上の金属片または部品
を溶接または接合するのに用いられる溶融溶接金属を生
成する新規な改良方法および手段を提供するものであ
り、先行技術に対して種々の卓越した利点を有する。よ
り詳細には、本発明は、接合しようとする金属片と実質
的に同様の化学組成を有する溶接金属を生成し得る。従
ってアルミニウムのような非鉄金属を接合するのに用い
られ得る、直接的テルミット溶接方法を提供する。加え
て、本方法は、接合される金属片と実質的に同様の化学
組成を有する溶融溶接金属を生成するのに利用される反
応剤混合物中の、充填用金属の使用を提供する。この充
填用金属は、テルミット反応には関与せず、結果として
の溶接金属を生成する働きをする。本発明は、このよう
にして粗い充填用金属（従来の方法に要求される細かい
充填用金属よりも一般に安価である）の使用を可能に
し、また発生する気体の少ない遅い燃焼反応を生じる結
果となる。

【０００９】一般に、本方法は、還元剤、その還元剤に
よって発熱を伴って還元される金属化合物、およびその
金属化合物とは反応しない充填用金属を含む反応剤混合
物を提供する工程を包含する。還元剤と金属化合物とを
発熱反応させる際に、熱、金属酸化物スラグ、放出気体
および溶融溶接金属が生成される。

【００１０】本明細書および請求項で用いられる「溶接
金属」とは、あらゆるスラグおよび放出ガスを除く、テ
ルミット反応の結果生じる生成物である金属を意味す
る。溶接金属は接合しようとする金属片を互いに溶接ま
たは結合させる働きをする。充填用金属は、得られる溶
接金属の少なくとも約９０重量％を生成する。好ましく
は少なくとも約９５重量％、より好ましくは少なくとも
約９７重量％の溶接金属が充填用金属により生成され
る。

【００１１】少なくとも約９０重量％の溶接金属は、接
合しようとする金属片の少なくとも１つと実質的に同様
の化学組成を有する。好ましくは少なくとも約９５重量
％の、より好ましくは少なくとも約９７重量％の溶接金
属は、接合しようとする金属片の少なくとも１つと実質
的に同様の化学組成を有する。

【００１２】本方法は、アルミニウム（Al）またはアル
ミニウム合金のような非鉄金属の２つ以上の断片を接合
するのに特に適している。アルミニウム（Al）またはア
ルミニウム合金断片が接合される場合、反応剤混合物
は、約２０重量％から約５０重量％の硫酸マグネシウム
（MgSO₄）、硫酸バリウム（BaSO₄）、または硫酸カルシ
ウム（CaSO₄）のような金属硫酸塩、約４０重量％から
約７０重量％のアルミニウム（Al）、約０．１重量％か
ら約４５重量％の珪素（Si）、最高約１０重量％までの
塩化ナトリウム（NaCl）または塩化カルシウム（CaCl）
のような塩化物塩、および最高１０重量％までのフッ化
カルシウム（CaF₂）のような適切な融剤を含有する。好
ましくは反応剤混合物は、約３０重量％から約４５重量
％の金属硫酸塩、約４２重量％から約６０重量％のアル
ミニウム（Al）、約０．２重量％から約９重量％の珪素
（Si）、約２重量％から約７重量％の塩化物塩、および
約２重量％から約１０重量％の融剤を含有する。さらに
好ましくは、反応剤混合物は、約３５重量％から約４２
重量％の金属硫酸塩、約４５重量％から約５２重量％の
アルミニウム（Al）、約０．２重量％から約９重量％の
珪素（Si）、約４重量％から約５重量％の塩化物塩、お
よび約５重量％から約７重量％の融剤を含有する。

【００１３】

【発明の構成】本発明の反応剤混合物は、発熱反応を開
始させると、２つ以上のアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金の断片を接合するのに用いられる溶融溶接金属を
形成する反応剤混合物であって、珪素、還元剤、金属化
合物、および充填用金属を含有する。充填用金属は、還
元剤と金属化合物との間の発熱反応の開始時において金
属化合物と化学的に反応せず、発熱反応は充填用金属を
融解するに十分な熱を発生して溶融溶接金属を形成す
る。なお、溶融溶接金属の少なくとも約９０重量％は充
填用金属および珪素から形成される。

【００１４】好適な実施態様態様においては、還元剤は
アルミニウム（Al）を含有し、金属化合物は金属硫酸塩
を含有し、充填用金属はアルミニウム（Al）を含有す
る。

【００１５】好ましくは、本発明の反応剤混合物は約２
０重量％から約５０重量％の還元剤、約４０重量％から
約７０重量％のアルミニウム（Al）、約０．１重量％か
ら約４５重量％の珪素（Si）、および最高約１０重量％
の融剤を含有する。

【００１６】さらに好ましくは、本発明の反応剤混合物
は、約３０重量％から約４５重量％の還元剤、約４２重
量％から約６０重量％のアルミニウム（Al）、約０．２
重量％から約９重量％の珪素（Si）、約２重量％から約
１０重量％の塩化物塩、および約２重量％から約１０重
量％の融剤を含有する。

【００１７】最も好ましくは、本発明の反応剤混合物
は、約３５重量％から約４２重量％の還元剤、約４５重
量％から約５２重量％のアルミニウム（Al）、約０．２
重量％から約９重量％の珪素（Si）、約４重量％から約
５重量％の塩化物塩、および約５重量％から約７重量％
の融剤を含有する。

【００１８】本発明の金属硫酸塩は好ましくは、硫酸マ
グネシウム、硫酸バリウム、または硫酸カルシウムから
選択される。

【００１９】好ましくは、本発明の反応剤混合物は、約
２０重量％から約５０重量％の金属硫酸塩、約４０重量
％から約７０重量％のアルミニウム（Al）、約０．１重
量％から約４５重量％の珪素（Si）、最高約１０重量％
の塩化物塩、および最高約１０重量％の融剤を含有す
る。

【００２０】本発明の塩化物塩は好ましくは、塩化カル
シウム（CaCl）または塩化ナトリウム（NaCl）から選択
され、金属硫酸塩は硫酸マグネシウム（MgSO₄）、硫酸
バリウム（BaSO₄）、または硫酸カルシウム（CaSO₄）か
ら選択され、融剤はフッ化カルシウム（CaF₂）、フッ化
マグネシウム（MgF₂）、または氷晶石（Na₃AlF₆）から
選択される。

【００２１】本発明の方法は、少なくとも２つのアルミ
ニウム（Al）断片を接合するのに用いられる溶接金属を
生成する方法であって、上述の反応剤混合物を提供する
工程、並びに充填用金属を融解するに十分な熱が発生し
て、アルミニウム断片を接合する溶融溶接金属が形成さ
れるように還元剤および金属化合物を発熱を伴って反応
させる工程を包含する。

【００２２】本発明の方法は、少なくとも２つのアルミ
ニウム（Al）断片を接合するのに用いられる溶接金属を
生成する方法であって、上述の反応剤混合物を提供する
工程、並びに還元剤および金属化合物を発熱を伴って反
応させる工程を包含する。

【００２３】本発明に従えば、複数の充填用金属が、溶
融物を生成するが充填用金属を実際に反応に加わらせる
ことのない、テルミット反応によって使用され得ること
が判明した。よって、本発明に従えば、溶融物に用いら
れる充填用金属は金属化合物と混合されて提供され、こ
の金属化合物は還元剤により発熱を伴って還元されて、
充填用金属を融解する熱を生じ、その後この充填用金属
が溶接金属として反応剤および生成混合物から流れ出
て、溶接物を提供する。その他の生成成分は、発生した
反応ガスの放出を伴って、スラグに残留される。本方法
は一般に下記のように表される。

【００２４】

【数２】

【００２５】本発明に従えば、上記の反応において、還
元剤はアルミニウム（Al）、マグネシウム（Mg）、ジル
コニウム（Zr）、および金属と還元される金属化合物と
の間で生じる反応生成物に関して熱力学的に高い熱の発
生があるような化合物である、同等の金属からなる群よ
り選択され得ることが見いだされた。例えば、アルミニ
ウム（Al）は金属酸化物または金属硫酸塩を還元して、
酸化アルミニウム（Al₂O₃）を形成し得、この時摂氏２
５℃で３９９ｋｃａｌ／モルの熱の発生を示す。そのよ
うな反応は高度に発熱性であるので、充填用金属を融点
を超える温度にまで上昇せしめるに十分な熱を提供し、
それにより、溶融した充填用金属が溶接のためのキャビ
ティ、すなわち型に流れ込み、溶接が行われて２つ以上
の金属片または部品が接合され得る。

【００２６】金属化合物は一般に硫酸マグネシウム（Mg
SO₄）、硫酸カルシウム（CaSO₄）、および硫酸バリウム
（BaSO₄）、フッ化化合物、および還元の際に１または
それ以上の元素が還元剤により発熱を伴って化合物を形
成するのに寄与する同等の物質からなる群より選択され
得る。好ましくは金属化合物は無水物の形態で使用し、
そして好ましくは反応物は全て使用前に湿気を帯びない
ように保護する。湿気による汚染は発熱反応を抑制し得
るからである。

【００２７】アルミニウム（Al）と、酸化物および硫酸
塩のような酸素を含有する金属化合物との反応は、酸化
アルミニウム（Al₂O₃）が形成される時、高熱が発生す
るため特に有用である。しかし他の発熱反応、例えばマ
グネシウム（Mg）とポリテトラフルオロエチレン（C
₂F₄）_n'とを反応させてフッ化マグネシウム（MgF₂）を
形成し、充填用金属を溶解させる熱を発生させるような
反応を用いてもよい。フッ化マグネシウム（MgF₂）は摂
氏２５℃で２６４ｋｃａｌ／モルの熱を発生する。本発
明で用いられる金属化合物は一般に、還元剤との反応に
よる還元の際に、充填用金属として働くか、または溶接
金属の一部となる、金属相を提供することはない。事
実、本発明の金属化合物は還元剤と反応させて還元させ
ると、通常、スラグまたは酸化残留物に関連した無機質
を形成する。このことは、金属化合物（すなわち酸化鉄
（Fe₂O₃））が還元されると金属相になり、充填用金属
または溶接金属（すなわち鉄（Fe））になるというCadw
ellの米国特許第2,229,045号が開示の方法とは対照的で
ある。

【００２８】本発明の充填用金属は溶接方法に利用する
のに望ましいものならどのような金属でもよい。電気変
圧に応用するなら、充填用金属としてアルミニウム（A
l）および銅（Cu）がそれぞれアルミニウム（Al）およ
び銅（Cu）部品を溶接するのに特に有用である。１また
はそれ以上のアルミニウム（Al）部品が接合されるアル
ミニウム（Al）溶接の場合には、充填用金属および還元
剤は共にアルミニウム（Al）である。一方、１またはそ
れ以上の銅（Cu）部品が接合される銅（Cu）溶接の場合
には、銅（Cu）およびアルミニウム（Al）の混合物また
は合金が還元工程に提供するため、また充填用金属に提
供するために用いられ得る。さらなる充填用金属として
は鉄（Fe）、鉄合金、非鉄金属および合金、はんだ、お
よびろう付けする充填用金属、または、発熱反応により
生じる熱が充填用金属を融点を超える温度にまで上昇さ
せ、また金属片を接合するための溶接金属を生成する上
で有用であるように充填用金属をさらに過熱させるに充
分である他の充填用金属、からなる群から選択される。

【００２９】反応剤混合物は、混合物および生成物の融
点を低めるためにさらに融剤を含有し得る。一般に利用
されている融剤、例えばフッ化カルシウム（CaF₂）、フ
ッ化マグネシウム（MgF₂）、氷晶石（Na₃AlF₆）、およ
び他の物質、例えばアルカリ化合物、特にアルカリ珪酸
塩およびフルオロ珪酸塩等が、溶融した充填用金属が容
易にスラグから分離して型のキャビティに流れ込むよう
に、反応生成物（すなわち「スラグ」）の融点を低めて
流動率を高めるのに用いられ得る。

【００３０】本発明の方法に使用される反応剤の粒子サ
イズに関して予期しなかった利点が判明した。テルミッ
ト溶接の従来技術では粒子サイズが３２５メッシュより
小さい（すなわち粒子径が４４マイクロメートルより小
さい）アルミニウム（Al）が使用されている。酸化金属
としては通常、３２５メッシュより大きい粒子サイズが
使用されている。本発明に従えば、還元剤としてアルミ
ニウム（Al）を採用する時は、粒子サイズがアルミニウ
ム（Al）の９０重量％より多くについて３２５メッシュ
より大きいものが使用され得る。このことは２つの予期
しなかった利点をもたらす。第１にはガス放出が少な
く、均一で遅い燃焼速度を示す、反応速度が得られるこ
とである。第２の利点は粗いアルミニウム（Al）は通常
要求される細かい物質より安価なことである。

【００３１】本発明のさらに他の予期しなかった利点
は、充填用金属が所望の元素または合金を９７％以上含
有する溶接金属を生成出来ることである。現在、アルミ
ニウム（Al）伝導体の溶接に際して溶接金属にこれ程の
純度を提供する直接的テルミット法は、存在しないと考
えられる。世界中で多くの電力変圧がアルミニウム（A
l）伝導体で達成されていることから、この事は本発明
の方法が、維持されねばならない機械的接合具にとって
より効果的で効率が良いこと、または高価なＴＩＧ溶接
（ガスタングステン−アーク溶接）もしくはＭＩＧ溶接
（金属不活性ガス溶接）が不要となることを意味してい
る。

【００３２】本発明の方法はまた、溶接金属に、従来技
術のアルミニウム（Al）伝導体を溶接するテルミット方
法において見られる、アルミニウム（Al）およびスズ
（Sn）のような成分の溶解性が限られていることから生
じる偏析が、生じることをなくす助けとなる。本方法は
また、ガルヴァーニ腐食を生じる元素が存在することを
なくすことにも役立ち、従って電力変圧および接地のた
めの屋外での接続を可能とする。本方法はまた、「アル
スイッセ法」に要求される追加的工程もしくは装置、ま
たは鋳造溶接工程で用いられる溶鉱炉を必要としない。

【００３３】本発明の方法はまた、アルミニウム（Al）
またはその合金を溶接する時、永久的な鋼製の型の使用
を可能とする。本発明の反応剤混合物は、反応の開始の
ために高温を必要とするので使用上の安全性を得る助け
となる。反応は遅く、安定しているため、暴発を防ぐ助
けとなり、スラグ物質は処理上の問題を起こさない。

【００３４】本発明の方法は、Rejdakの米国特許第3,02
0,610号に示されているような２つのグラファイトブロ
ックまたは他の種々の物質から形成される溶接装置と共
に使用するのに特に適している。Rejdakの米国特許第3,
020,610号に開示されていることは全てここに参照とし
て援用する。図１は本発明に使用し得る溶接装置１の一
例である。溶接装置１は、一対のブロック２を包含し、
ブロック２にはくぼみがあり、そこに上部ルツボ部分３
および型のキャビティ部分４が設けられている。ブロッ
ク２は種々ある手段の１つにより、取り外し可能なよう
に接続またはクランプされている。金属片、特にケーブ
ル末端５および６は型のキャビティ部分４にクランプさ
れ、それらの反対側の末端はスプルー７に実質的に垂直
に下方に位置しており、このスプルー７は小さい金属デ
ィスク８により閉じられている。ここで、反応剤混合物
９は、ルツボ部分３に入れられ、次いで開始物質１０が
反応剤混合物９の上に置かれる。開始物質１０は、フリ
ントガンで点火され、次にその開始物質１０が反応剤混
合物９を点火して発熱反応を起こし、溶融金属を生成す
る。この溶融金属は溶融してディスク８を通過し、型の
キャビティ部分４に滴下して、それによりケーブル５お
よび６の末端を接触および接合する。フリントガンに加
えて別の点火手段、例えばAmosらの米国特許第4,885,45
2号に開示の電気点火システムもまた採用し得ることが
認識されよう。Amosらの米国特許第4,885,452号は、こ
こに参照として援用される。

【００３５】

【実施例】本発明の方法を一般に説明してきたが、以下
に特定の実施例を述べる。

【００３６】〔実施例１〕本明細書の教示に従うテルミ
ット反応を以下のように行った。反応は下記のテルミッ
ト混合物を用いて、接合しようとするケーブルを保持し
ており、ケーブル接合部に鋳型を備えている鋼型の上に
設けられた、セラミックのルツボ中で行った。

【００３７】

【表１】

【００３８】溶接金属ナゲットを化学分析した結果以下
の溶接金属組成が判明した。

【００３９】

【表２】

【００４０】本方法で製造された溶接物をさらに乾燥さ
せた後、続いて疑似海水（蒸留水中3.5％の塩化ナトリ
ウム（NaCl））に浸漬することにより試験した。１カ月
の処理で、この方法で製造した溶接物は腐食の兆候を示
さない。一方、既存の技術およびRejdakの米国特許第3,
020,610号に開示された方法によるスズ（Sn）および銅
（Cu）を含有する溶接物は全て腐食の兆候を示す。

【００４１】〔実施例２〕実施例１の方法を用いて、２
本の２５０ＭＣＭアルミニウム（Al）ケーブル（直径0.
575インチの１９ストランド）を互いに溶接した。

【００４２】〔実施例３〕実施例１の方法を用いて、２
本の２／０アルミニウム（Al）ケーブル（直径0.419イ
ンチの７ストランド）を接合して、１００マイクロオー
ムの抵抗値を得た（全抵抗値はストランドケーブルを測
定する技術により大きく左右されるため、通常の技術を
用いる時は、比較値がかなり重要となる）。

【００４３】〔実施例４〕本明細書の教示に従うテルミ
ット反応を、下記の混合物を用いてグラファイトルツボ
および型で行い、２／０アルミニウム（Al）ケーブル部
品を溶接した。

【００４４】

【表３】

【００４５】接合したケーブルを抵抗値および最大引張
強度について試験した。二試行の溶接物を切断し、空隙
の存在を検出してケーブル末端の融合を評価した。結果
は以下の通りである。

【００４６】Ａ．抵抗値および引張強度

【００４７】

【表４】

【００４８】Ｂ．空隙率結果は裸眼で確認して空隙が全く認められないものから
溶接ナゲットの頂点近くに３未満の空隙ができるものま
であった。

【００４９】Ｃ．ケーブル末端の融合度中心のストランドを含めてケーブル末端は充填用金属に
融合していた。

【００５０】〔実施例５〕本明細書の教示に従うテルミ
ット反応は、下記のテルミット混合物を用いて、グラフ
ァイト型の上に配置したセラミックルツボで行い、２／
０アルミニウム（Al）ケーブルを溶接した。

【００５１】

【表５】

【００５２】溶接キャビティ内に少量の空隙率を有し、
容認し得る程度にケーブル末端が融合した良質の溶接物
が得られた。

【００５３】〔実施例６〕1/4×4"のアルミニウム（A
l）母線の直線状スプライスになった溶接物を、実施例
１に開示したRejdakの米国特許第3,020,610号に記載の
方法を用いて、下記処方を用いて製造した。

【００５４】

【表６】

【００５５】よって、本発明の方法は、珪素（Si）のよ
うな合金元素を反応剤混合物に導入して好適に使用し得
る。

【００５６】ある応用では、反応剤混合物に珪素を導入
することは特に好ましい。とりわけ、珪素は溶融金属が
凝固するより低い範囲の温度を提供して、溶融溶接金属
に凝固界面を形成せしめ、実質的に高温割れを起こさせ
ずに、接合される断片を湿らせて、凝固中にガスを逃し
て、それによって特に広い面積の溶接の空隙率を減少さ
せることが判明した。珪素は溶接金属を強化させる効果
をも有する。

【００５７】珪素を反応剤混合物に採用する場合、塩化
物塩をも含ませることが有益であると判っている。塩化
物塩は、おそらく溶液中の水素と結合して、ガス抜剤と
して作用するようである。

【００５８】塩化カルシウムまたは塩化ナトリウムのい
ずれかが用いられ得る。塩化ナトリウムが容易に入手で
き、安価であり、種々の異なる粒子サイズが入手でき、
吸湿性でないため好ましい。塩化ナトリウムは過度の反
応熱で分解し、塩素が溶融したアルミニウム溶接金属の
水素と結合して、飛んで消えてしまう微量の塩化水素ガ
スを発生すると考えられている。

【００５９】また、珪素を反応剤混合物に使用する時
は、金属硫酸塩の粒子サイズが重要であることも判って
いる。とりわけ、微細な硫酸塩粉末（３μｍ未満）が反
応剤混合物を塊にする傾向があることがＳＥＭ分析によ
り測定されている。微細な粒子サイズ（平均約１．４μ
ｍ）の硫酸カルシウムを混合物に添加した場合、ミキサ
ー中で反応剤混合物が極微細なスフェロイドの塊になっ
て、物質がより良く流れ出すのが認められた。粉末の流
動度は、溶接方法の一貫性にかなり重要であることがわ
かった。Rejdakの米国特許第3,020,610号に開示の方法
で用いられたものと類似した形態のルツボおよび型を用
いると、ルツボ内の流れない粉末は一貫性でない燃焼お
よび「トンネル」を引き起こし、それにより実際の溶接
が始まる前に物質の全部が反応を起こさない。混合粉末
が十分に流れないと、エアポケットがルツボに残され
得、その結果物質の反応は不均一となる。この不均一な
反応は「冷えどまり」の一因となる。「冷えどまり」が
生じると、溶接金属はドロップして凝固し、さらに金属
がその上にドロップして、溶接金属とスラグの分離が悪
くなる。過度に微細な金属硫酸塩は過度に暴発性の反応
を引き起こし、溶接金属は滴下して溶接物とならずに、
ルツボから外に吹き飛ぶ傾向があることもまた測定され
た。

【００６０】反応剤混合物に珪素を用いた別の実施例を
以下に述べる。以下の実施例における各成分の粒子サイ
ズは以下の通りである。

【００６１】

【表７】

【００６２】

【表８】

【００６３】〔実施例７〕２０個の溶接物を、Rejdakの
米国特許第3,020,610号に記載の方法を用いて、下記処
方を用いて２つの1/4×4"のアルミニウム母線を直線状
スプライスに溶接して製造した。

【００６４】

【表９】

【００６５】さらに６つの溶接物を、Rejdakの米国特許
第3,020,610号に記載の方法を用いて、下記処方により
２つの1/4×4"のアルミニウム母線を直線状スプライス
に溶接して製造した。

【００６６】

【表１０】

【００６７】上記のセクションＩの処方に従い製造され
た２０個のスプライスの平均引張荷重値は15,040ポンド
であり、標本標準偏差は880ポンドであった。セクショ
ンIIの処方に従い製造された６個のスプライスの平均引
張荷重値は6960ポンドであり、標本標準偏差は2150ポン
ドであった。

【００６８】２つの1/4×4"のアルミニウム母線を１本
の直線状スプライスに溶接した６つのスプライスを、先
行技術のRejdakタイプの処方を用いても製造した。Rejd
akタイプの処方によると、平均引張荷重値は13,330ポン
ドであり、標本標準偏差は1400ポンドであった。Rejdak
タイプの処方の詳細は下記の通りである。

【００６９】

【表１１】

【００７０】〔実施例８〕２０個の１００ｇ反応物を、
溶接金属の空隙率を悪化させるように設計された「ペン
シル」型で製造した。反応物は適切なサイズのルツボで
製造され、溶融溶接金属は２５度の角度に設定された直
径1/2"の孔に滴下される。実施例７のセクションＩおよ
びIIの各処方で１０個の反応物を製造した。２０個のペ
ンシルの各々のかさ密度を計算して、その値を適切な理
論上の密度で割り、理論上の空隙率の値を得た。実施例
７のセクションＩの処方を用いた溶接金属の理論上の平
均空隙率は9.5%で標本標準偏差が1.0％であり、反応は
一定しているようであった。実施例７のセクションIIの
処方を用いた溶接金属の理論上の平均空隙率は12.1％
（27％より高い）で標本標準偏差が1.1％であり、反応
には相当に変化があった。

【００７１】〔実施例９〕Rejdakの米国特許第3,020,61
0号に開示の方法に従い、実施例７のセクションＩ、I
I、およびIIIの処方を用いて、市販の２／０アルミニウ
ムケーブルを直線状スプライスになるように溶接した。
これらの溶接を３カ月間、塩スプレーに露出して腐食耐
性を試験した。溶接を視覚により評定し、また張力の試
験にかけた。実施例７のセクションIII、II、およびＩ
の処方を用いて製造した３つの溶接の平均強度は、それ
ぞれ、980ポンド、1050ポンド、および1230ポンドであ
った。３カ月塩スプレーした後、実施例７のセクション
IIIの処方を用いて製造した溶接は、溶接とケーブルの
間の界面に顕著な腐食の兆候が見られたが、他の２つ
は、（実施例７のセクションＩおよびIIの処方）には見
られなかった。実施例７のセクションIII、II、および
Ｉの処方を用いて製造した溶接の３カ月後の引張強度
は、それぞれ820ポンド、960ポンド、および1250ポンド
であった。実施例７のセクションIIIの処方を用いて製
造した溶接は、６カ月の塩スプレー後完全に分離した。

【００７２】〔実施例１０〕３つの直線状スプライス溶
接物を1/4×4"のアルミニウム母線片の間に、下記の組
成を用いて製造した。

【００７３】

【表１２】

【００７４】全てのバーが溶接され、平均引張強度は、
12,450ポンドであった。このことは溶接が、かなり高い
珪素含有量で製造し得たことを示している。溶接を引っ
張った後、それぞれをハンマーで打ち、溶接が砕けやす
いかを見た。破損はしなかったが各々が末端で変形し
た。

【００７５】〔実施例１１〕さらに３つの溶接を下記の
処方を用いて製造した。

【００７６】

【表１３】

【００７７】全てのバーが溶接され、平均引張強度は、
10,860ポンドであった。しかし溶接は脆く、ハンマーで
打つと粉々になった。

【００７８】〔実施例１２〕３つの直線状スプライス溶
接物を1/4×4"のアルミニウム母線片の間に、下記の２
つの処方をそれぞれ用いて製造した。

【００７９】

【表１４】

【００８０】セクションＩの処方を用いて製造した溶接
の引張強度を試験した。この平均引張強度は、11,600ポ
ンドであった。セクションIIの処方を用いた場合の平均
引張強度は13,000ポンドであった。セクションＩの処方
はおそらく適度な強度を与えたが、破断した表面を調べ
ると、バーは完全に溶接されておらず、かなりのガスの
気泡が溶接部中に閉じ込められていた。セクションIIの
処方で製造された溶接部中では、気泡は実質的に小さ
く、界面は完全に溶接されていた。界面は溶接部の電気
特性にとって決定的なものである。

【００８１】よって、本発明の方法は、溶接物を生成す
る新規な方法、および溶接物を生成するためにテルミッ
ト反応を利用する新規な方法を提供する。

【００８２】本発明は特定の好適な実施態様に関して示
され記載してきたが、本明細書を読み理解することによ
り同等な様々の変更および修飾がされ得ることは当業者
には自明である。本発明はそのような同等な変更および
修飾をも包含するものであり、特許請求の範囲によって
のみ制限されるものである。

【００８３】〔要約〕本発明は、２つ以上のアルミニウ
ム断片を接合するのに用いられる溶接金属を生成する方
法および手段を提供するものである。本発明の方法には
珪素、還元剤、その還元剤によって発熱を伴って還元さ
れる金属化合物、およびその金属化合物と反応しない充
填用金属を含有する新規な反応剤混合物を提供する工程
を包含する。次に本発明の反応剤混合物は、発熱を伴っ
て反応せられ、金属片を接合する溶接金属を形成する。
本発明の溶接金属の少なくとも約９０重量％が珪素およ
び充填用金属から生成され、少なくとも約９０重量％は
接合された金属片の少なくとも１つと実質的に同様の化
学組成を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の使用に好適な溶接装置の断面図
である。

【符号の説明】

１溶接装置２ブロック３ルツボ部分４型のキャビティ部分５、６ケーブル７スプルー８金属ディスク９反応剤混合物１０開始物質

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジェイムズイー．ウェッツェルアメリカ合衆国オハイオ 44146，ベッドフォード，グランドブールバード 48 (72)発明者ジンジャーオートマンアメリカ合衆国オハイオ 44224，ストウ，オセイジ 4113

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱反応を開始させると、２つ以上のアル
ミニウムまたはアルミニウム合金の断片を接合するのに
用いられる溶融溶接金属を形成する反応剤混合物であっ
て、該反応剤混合物は珪素、還元剤、金属化合物、およ
び充填用金属を含有し、該充填用金属は、該還元剤と該
金属化合物との間の発熱反応の開始時において該金属化
合物と化学的に反応せず、発熱反応は該充填用金属を融
解するに十分な熱を発生して該溶融溶接金属を形成し、
該溶融溶接金属の少なくとも約９０重量％が該充填用金
属および該珪素から形成される、反応剤混合物。
【請求項２】前記還元剤がアルミニウム（Al）を含有
し、前記金属化合物が金属硫酸塩を含有し、前記充填用
金属がアルミニウム（Al）を含有する、請求項１に記載
の反応剤混合物。
【請求項３】約２０重量％から約５０重量％の還元剤、
約４０重量％から約７０重量％のアルミニウム（Al）、
約０．１重量％から約４５重量％の珪素（Si）、および
最高約１０重量％の融剤を含有する、請求項１に記載の
反応剤混合物。
【請求項４】約３０重量％から約４５重量％の還元剤、
約４２重量％から約６０重量％のアルミニウム（Al）、
約０．２重量％から約９重量％の珪素（Si）、約２重量
％から約１０重量％の塩化物塩、および約２重量％から
約１０重量％の融剤を含有する、請求項１に記載の反応
剤混合物。
【請求項５】約３５重量％から約４２重量％の還元剤、
約４５重量％から約５２重量％のアルミニウム（Al）、
約０．２重量％から約９重量％の珪素（Si）、約４重量
％から約５重量％の塩化物塩、および約５重量％から約
７重量％の融剤を含有する、請求項１に記載の反応剤混
合物。
【請求項６】前記金属硫酸塩が硫酸マグネシウム、硫酸
バリウム、または硫酸カルシウムから選択される、請求
項２に記載の反応剤混合物。
【請求項７】約２０重量％から約５０重量％の金属硫酸
塩、約４０重量％から約７０重量％のアルミニウム（A
l）、約０．１重量％から約４５重量％の珪素（Si）、
最高約１０重量％の塩化物塩、および最高約１０重量％
の融剤を含有する、請求項１に記載の反応剤混合物。
【請求項８】前記塩化物塩が塩化カルシウム（CaCl）ま
たは塩化ナトリウム（NaCl）から選択され、前記金属硫
酸塩が硫酸マグネシウム（MgSO₄）、硫酸バリウム（BaS
O₄）、または硫酸カルシウム（CaSO₄）から選択され、
前記融剤がフッ化カルシウム（CaF₂）、フッ化マグネシ
ウム（MgF₂）、または氷晶石（Na₃AlF₆）から選択され
る、請求項７に記載の反応剤混合物。
【請求項９】少なくとも２つのアルミニウム（Al）断片
を接合するのに用いられる溶接金属を生成する方法であ
って、（Ａ）請求項１に記載の反応剤混合物を提供する工程；
および（Ｂ）充填用金属を融解するに十分な熱が発生して、該
アルミニウム断片を接合する溶融溶接金属が形成される
ように還元剤および金属化合物を発熱を伴って反応させ
る工程；を包含する、方法。
【請求項１０】少なくとも２つのアルミニウム（Al）断
片を接合するのに用いられる溶接金属を生成する方法で
あって、請求項３に記載の反応剤混合物を提供する工
程、前記還元剤および前記金属化合物を発熱を伴って反
応させる工程を包含する、方法。