JPH0724945B2

JPH0724945B2 - 焼結材のレーザ溶接方法

Info

Publication number: JPH0724945B2
Application number: JP3074137A
Authority: JP
Inventors: 高橋英司; 村井康生
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-03-13
Filing date: 1991-03-13
Publication date: 1995-03-22
Anticipated expiration: 2010-03-22
Also published as: JPH04284989A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として自動車の動力
伝達系等に用いられる多孔質の焼結部品同志或いは焼結
部品と鋼材とを溶融接合する際の接合方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】鋼材同志の接合は、一般のアーク溶接、
或いは電子ビーム、レーザビームなどの高エネルギー密
度ビーム溶接により広く行なわれている。しかしなが
ら、焼結材の場合には、多孔質であるため、これらの方
法で溶接すると母材の空孔が集合し、大きなブローホー
ルが溶接金属に形成され、溶接部の強度が確保できなく
なると共に、割れが発生する。このため、従来、焼結材
の接合方法として、下記の方法が提案されているが、そ
れぞれ問題があった。

【０００３】ろう付けによる方法ろう材の選定、ろう付条件がむずかしく、ろう材の濡れ
性が良すぎると、ろうが母材の空孔に吸収され、接合界
面のろうが不足し、一方、ろう材の濡れ性が悪いと、特
に中、高炭素組成の焼結材に対しては良好な結合が行な
えない。また、ろう付時に接合界面の周辺の空孔が成長
することもあり、安定した強度が得にくい。

【０００４】焼きばめに類する方法２つの部材の線膨張係数の違いを利用して、焼結時に接
合したり、焼結後焼きばめ或いは冷しばめにより接合す
る方法であるが、このような方法で接合したものは、使
用条件が限定される。

【０００５】溶浸による方法２つの部材の接合部に銅等の溶浸材をセットし、溶浸材
を溶融させることによって接合部の空孔を溶融金属で満
たす方法であるが、接合強度は溶浸材に依存するため、
接合部の強度が母材に比べて著しく低くなる。また、こ
の方法で接合されたものは継手が劣化し易い。

【０００６】溶浸後高エネルギー密度ビーム溶接を行
なう方法特開平２−１６０１８５号に示されている方法であり、
空孔を溶浸材で満たしたうえで、ビーム溶接することに
より、ブローホールの発生に対しては改善される可能性
があるが、その他の欠陥の発生に対しては対策が施され
ていない。すなわち、通常、焼結材には強度を確保する
ために０.４〜１％程度の炭素が添加されるが、これを
冷却速度の早い高エネルギー密度ビーム溶接で溶接する
と、低温割れが発生する。また、銅を代表とする溶浸材
のため、溶接金属中の銅含有量が増加し、母材中のＳ等
の不純物とあいまって著しく高温割れ感受性が高まり、
溶接金属の高温割れ(凝固割れ)が避けられない。また溶
浸、ビーム溶接と２つの工程が必要であり、生産性の面
でも有利な方法とはいい難い。

【０００７】以上のように、従来の接合方法並びに溶加
材は、欠陥発生防止、接合部の強度、生産性及び接合部
の靭性の点で不十分であり、すべてを満足できる接合方
法は見当らないのが現状である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】焼結材同志或いは焼結
材と鋼材の接合に対しては、前述の高エネルギー密度ビ
ーム溶接が適用できれば、溶込み深さ、強度、生産性、
歪みの面で有利と考えられる。しかしながら、焼結材
は、通常かなり高いＣ含有量であること、及び空孔が存
在することから、低温割れやブローホール等の欠陥発生
は避けられない。したがって、これを実用化するために
は、低温割れやブローホール等の発生の防止を図ったう
えで、適切な強度の溶接部が得られることが必要であ
る。更に、溶接そのものが安定して行えなければ、生産
性を重視する分野においては実用化ができない。

【０００９】本発明は、かゝる要請に応えるべくなされ
たものであって、レーザ溶接による焼結材の接合におい
て低温割れやブローホール等の欠陥の発生のない接合方
法を提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者等が鋭意研究を重ねた結果、焼結材のレー
ザ溶接に固有の条件を見い出し、ここに本発明をなした
ものである。

【００１１】すなわち、本発明は、多孔質の焼結部品同
志或いは該焼結部品と鋼材とを接合するに際し、Ｃr、
Ｍo及びＳiのうちの少なくとも１種と、Ｎi、Ｃ及びＭn
のうちの少なくとも１種と、Ａl、Ｔi、Ｚr及びＶのう
ちの少なくとも１種を含有する成分系の溶加材を供給し
ながら、レーザビームを照射することを特徴とする焼結
材のレーザ溶接方法を要旨とするものである。

【００１２】以下に本発明を更に詳述する。

【００１３】

【作用】機械部品として用いられる焼結材は、一般に、
強度改善のために、純鉄粉或いは合金粉に０.４％以上
のＣを添加し、焼結助剤として約２.５％以下のＣuとバ
インダーを混ぜ合わせたうえで圧粉体を形成し焼結され
る。このような焼結材を高エネルギー密度ビーム溶接で
溶接すると、前述の如く、母材の空孔に起因するブロー
ホールが発生すると共に、低温割れが発生する。

【００１４】これに対し、本発明の作用は以下のとおり
である。まず、溶接方法をレーザ溶接とすることによ
り、より深い溶込み深さが、少ない歪のもとで得られ
る。また、大気中で溶接できるレーザ溶接にすることに
より、一般に真空中で溶接する電子ビーム溶接法に比べ
て、母材の空孔に起因するブローホールの発生に対して
より有利である。

【００１５】しかしながら、単にレーザ溶接するので
は、前述の欠陥は防止できないので、本発明では溶加材
（フィラーワイヤ）を用いる。すなわち、溶接金属のマ
ルテンサイト変態に起因する低温割れを防止するため
に、Ｃ、Ｎi、Ｍｎ等のオーステナイト形成元素を、Ｃ
r、Ｍo、Ｓiを代表とするフェライト形成元素に対し、
適正な比率にて含有させたワイヤを用いることにより、
溶接金属の組織がオーステナイト或いはオーステナイト
とマルテンサイトの混合組織となり、マルテンサイト変
態が抑制され、低温割れが防止できるのである。

【００１６】一方、ブローホールの発生に対しては、強
力な脱酸剤であるＡl、Ｔi、Ｚr、Ｖのうちの少なくと
も１種を適正量にて添加することにより防止する。これ
らの元素は脱酸剤であると同時に、窒素吸収作用があ
る。すなわち、焼結材における空孔には酸素のみでな
く、当然窒素が含まれるため、Ｍn、Ｓi等の脱酸剤だけ
ではブローホールの発生防止に対して不充分であること
から、上記脱窒兼脱酸剤を適正量にて添加することによ
り、完全にブローホールの発生を防止できるのである。

【００１７】以下に本発明における適正な条件の溶加材
を示す。

【００１８】Ｃ含有量の比較的高い焼結材に対して、溶
加材を供給しながら高エネルギー密度ビーム溶接する場
合、溶接金属全体を溶加材組成とすることは不可能であ
る。溶接金属全体に対する溶加材成分の割合は、ワイヤ
供給安定性等を考慮すると、実用的には５０％程度が限
界である。このような前提で、溶接金属の組織をオース
テナイト或いは或る硬さ以下（低温割れの問題のない硬
さ）のオーステナイトとマルテンサイトの混合組織とす
るには、以下の式を満足し、残部が実質的にＦeである
成分系の溶加材が適切である。

【００１９】Ｙ≧−（１／３）Ｘ＋２３Ｙ≧１２但し、Ｘ＝Ｃr(％)＋Ｍo(％)＋１.５Ｓi(％) Ｙ＝１.２Ｎi(％)＋２０Ｃ(％)＋０.８Ｍn(％)

【００２０】なお、上記式において、Ｘ成分はＣr、Ｍ
o、Ｓiのうちの少なくとも１種からなり、Ｙ成分はＮ
i、Ｃ、Ｍnのうちの少なくとも１種からなるものであ
る。

【００２１】このような基本的思想を図２を参照して説
明する。なお、母材はＣを０.７％含有する鉄基焼結材
の場合である。図において、上方の白印又は一点白印の
領域は、低温割れが発生し、且つ、オーステナイト組織
（又は低温割れの発生しない程度にオーステナイト組織
を含有するオーステナイトとマルテイサイト組織の混合
組織）の溶接金属が安定して得られる溶加材成分領域で
あり、一方、下方の黒印又は半黒印の領域は、低温割れ
が発生し、且つ、マルテイサイト組織（又は低温割れが
発生する程度にオーステナイト組織を含有するオーステ
ナイトとマルテイサイト組織の混合組織）の溶接金属が
得られる領域であり、両者の領域の境界はＹ＝−（１／
３）Ｘ＋２３、Ｙ＝１２である。

【００２２】更に、ブローホール防止対策として、本発
明においては、溶加材にＡl、Ｔi、Ｚr、Ｖの少なくと
も１種を添加するが、適正量は０.３〜５％である。上
述の如く、Ａl、Ｔi、Ｚr、Ｖは強力な脱酸剤であると
共に窒素吸収に効果があるため、これらの少なくとも１
種を適量（０.３〜５％）にて添加する。Ｍn量がかなり
高い場合は、これらの元素の含有量は低くてもよいが、
その場合でも０.３％以上必要である。

【００２３】ところで、前記組成の溶加材を供給しなが
らレーザ溶接するに際し、種々の溶接条件に対して、安
定して健全な溶接部が得られなければ、実用に耐える技
術とは云えない。したがって、前記溶加材の直径を１.
６mmφ以下とし、ワイヤの供給速度をレーザ出力条件と
の関係により適正に規制するのが好ましい。

【００２４】すなわち、前記溶加材を供給しながらレー
ザ溶接する場合、レーザ出力或いは溶接速度に応じた量
の溶加材を供給し、所望の溶接金属組織にする必要があ
る。本発明者等の種々の実験の結果、所要ワイヤ供給量
はレーザ出力により大きく依存され、溶接速度にはあま
り依存しないことが見い出された。具体的には、溶接時
の溶加材供給量が、ｙ≧４２５ｘ−８５０（但し、ｘ：
レーザ出力（ＫＷ）、ｙ：ワイヤ供給量（mm³／min））
を満足するように溶加材を供給するのである。この限定
条件は、広いレーザ出力或いは溶接速度条件に対して、
健全な溶接部が得られる溶加材供給条件である。

【００２５】なお、本発明における溶加材は、ソリッド
ワイヤ或いはコアドワイヤのいずれの態様も可能であ
り、ソリッドワイヤは供給安定性に優れ、更にストラン
ド構造にすれば一層安定して供給できる。

【００２６】次に本発明の実施例を示す。

【００２７】

【実施例１】本例は焼結材同士のレーザ溶接の例であ
る。

【表１】に示す化学成分（wt％）及び密度の焼結材（１２t×２
０w×１００l）に対し、種々の化学成分の溶加材を供給
しながら

【表２】に示す条件でレーザ溶接した。用いた溶加材は１.２mm
φのワイヤであり、

【表３】に示す化学成分のものである。図１に溶接状況を示す。
溶接後、溶接部のＸ線検査及び断面検査により欠陥の有
無を調べた。その結果を表３に併記する。

【００２８】図２は本試験結果における溶加材の化学成
分と欠陥の有無の関係を整理したものである。同図よ
り、Ｙが−（１／３）Ｘ＋３２以上で、かつ、１２以上
の化学成分であって、しかもＡl、Ｔi、Ｚr及びＶのう
ちの少なくとも１種を含有し、その合計量が０.３〜５
％の範囲である溶加材を用い、かつ、溶加材供給量を適
正にすることにより、空孔欠陥及び低温割れ共に防止し
得ることが明らかである。なお、本試験における溶加材
供給速度は、このレーザ出力及び溶接速度条件に対し、
安定して供給できるほぼ限界の速度に近いことから、本
試験条件で欠陥を防止できない溶加材は実用上問題があ
ると判断した。

【００２９】

【実施例２】本例は焼結材同士のレーザ溶接の例であ
る。表１に示した焼結材（１２t×２０w×１００l）に
対し、表３に示したＮo.２０並びにＮo.２４の組成の溶
加材で、それぞれ０.８mmφ、１.０mmφ、１.２mmφ、
１.４mmφのものを用いて、

【表４】に示す各種溶接条件でレーザ溶接した。溶接後、実施例
１の場合と同様に欠陥の有無を調べた。その結果を図３
に示す。同図はレーザ出力・ワイヤ供給量と溶接部の欠
陥の関係をまとめたものである。図に示すように、ｙ≧
４２５ｘ−８５０（但し、ｘ：レーザ出力（ＫＷ）、
ｙ：ワイヤ供給量（mm³／min））を満足する条件におい
て、健全な溶接部が得られることが確認された。

【００３０】

【実施例３】本例は焼結材と鋼材のレーザ溶接の例であ
る。表１に示した焼結材（１２t×２０w×１００l）と
Ｓ４５Ｃの鋼材（１２t×２０w×１００l）を突き合わ
せ、異材のレーザ溶接試験を行った。溶加材は表３に示
したＮo.２４の化学成分でワイヤ径１.２mmφのものを
用いた。レーザ溶接条件は、溶接速度１.５m／min、出
力５ＫＷ、ワイヤ供給速度２m／min（ワイヤ供給量２２
６２mm³／min）とした。溶接後、実施例１の場合と同様
に欠陥の有無を調べた結果、何らの欠陥も認められず、
健全な溶接部が得られていることが確認された。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
多孔質で、かつＣ含有量の高い焼結材部品同士或いは該
焼結部品と鋼材の接合において、従来法では得られなか
った健全な溶接部が得られると共に、レーザ溶接が適用
できるため、信頼性のみならず生産性の高い接合技術を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ溶接の要領及び溶接状況を説明する図で
ある。

【図２】溶加材の化学成分と欠陥の関係を示す図であ
る。

【図３】レーザ出力・ワイヤ供給量と溶接部の欠陥の関
係を示す図である。

【符号の説明】

１母材２溶加材３レーザ取り出しノズル４レーザビーム５ガスシールドノズル６溶接ビード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多孔質の焼結部品同志或いは該焼結部品
と鋼材とを接合するに際し、Ｃr、Ｍo及びＳiのうちの
少なくとも１種と、Ｎi、Ｃ及びＭnのうちの少なくとも
１種と、Ａl、Ｔi、Ｚr及びＶのうちの少なくとも１種
を含有する成分系の溶加材を供給しながら、レーザビー
ムを照射することを特徴とする焼結材のレーザ溶接方
法。
【請求項２】溶加材の組成が、Ｙ≧−（１／３）Ｘ＋
２３、Ｙ≧１２（但し、Ｘ＝Ｃr(％)＋Ｍo(％)＋１.５
Ｓi(％)、Ｙ＝１.２Ｎi(％)＋２０Ｃ(％)＋０.８Ｍn
(％)）を満足するように含有し、更にＡl、Ｔi、Ｚr及
びＶのうちの少なくとも１種を合計で０.３〜５％含有
し、残部が実質的にＦeである組成で、ワイヤ径が１.６
mm以下である請求項１に記載の方法。
【請求項３】溶接時の溶加材供給量が、ｙ≧４２５ｘ
−８５０（但し、ｘ：レーザ出力（ＫＷ）、ｙ：ワイヤ
供給量（mm³／min））を満足する請求項２に記載の方
法。