JPH1034356A

JPH1034356A - 金属材料の接合方法

Info

Publication number: JPH1034356A
Application number: JP19456796A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Fukada; 康人深田; Masahiko Hamada; 昌彦濱田; Hiromasa Hirata; 弘征平田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-07-24
Filing date: 1996-07-24
Publication date: 1998-02-10

Abstract

(57)【要約】【課題】拡散接合において、簡便な方法により塑性変形
を十分与えながら接合部の性能向上、特に疲労強度の向
上をもたらす金属材料の接合方法の提供。【解決手段】被接合材である金属材料の突き合わせ部の
間にインサート材を介在させて、突き合わせ部を加熱及
び加圧することにより拡散接合する方法において、金属
材料本体から突き合わせ部端面にかけて金属材料の厚さ
が次第に小さくなるように開先加工を施し、加熱及び加
圧により突き合わせ部を塑性変形させ、塑性変形させた
後の突き合わせ部の厚さを金属材料の厚さ以上とする金
属材料の接合方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料の拡散接
合において、接合部の性能を向上させる接合方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】被接合材の突き合わせ部を溶融しないで
接合を実現する拡散接合方法において、接合部の信頼性
を高めるために、通常、突き合わせ部に塑性変形を付加
することが行われる。しかし、この塑性変形は、多くの
有益な効果をもたらす一方で、応力集中を招くことがあ
り、常に接合部の信頼性を向上させることにならない。
また、条鋼等では、接合部に過度な膨らみがある場合疲
労強度の低下をきたし、また、コンクリートを充填した
場合にコンクリートのひび割れを誘発する。

【０００３】このため、接合部の性能を向上させる目的
で塑性変形を制御する方法が従来から開示されてきた。
例えば、上記の条鋼の場合、接合部の膨らみを少なくす
るために、両側の条鋼を固定して初期荷重のみを負荷し
加熱して接合する方法が開示されている（特開平２−７
５４７８号公報）。

【０００４】この技術の場合、従来のガス圧接に比べれ
ばその効果は確かに認められるものの、その効果は十分
ではなく、より一層接合部の形状を改善し、接合部の品
質を安定させることが要望されている。

【０００５】また、拡散接合部の疲労強度向上を目的と
し、拡散接合後にアーク溶接を行うことにより拡散接合
部の目違い段差等の不完全部分を解消させる方法も開示
されている（特開平５−２２０５８５号公報）。

【０００６】この場合、必ずアーク溶接をする必要があ
り、能率的にも、また、経済性にも劣るため、より簡便
な方法で性能改善を図ることができる技術が要望されて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、拡散接合す
るにあたり、簡便な方法により接合部に塑性変形を十分
与えながらその弊害を防止することにより接合部の性能
向上、特に疲労強度の向上をもたらす金属材料の接合方
法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に関わる接合方法
は、被接合材の間にインサート材を介在させて拡散接合
する際、被接合材の端面に開先加工を施し、突き合わせ
部の厚さを金属材料本体から端面にかけて被接合材本体
の厚さに比して次第に薄くしておく。突き合わせ部にこ
のような開先加工を施すことが本発明における第一の重
要なポイントである。

【０００９】この開先加工部を、例えば昇温過程で塑性
変形させ、その結果として接合部の厚さを被接合材本体
の厚さ以上とする。このような開先形状においては、塑
性変形は断面積の小さい端面ほど大きく生じ、その結果
大きな塑性変形を生じさせながら、接合部は殆ど均一な
断面形状とすることができる。開先加工という簡便な方
法によりこのような均一断面形状が得らるという効果
が、本発明における第二の重要なポイントである。従っ
て、大きな膨らみを形成しないため、応力集中個所とな
らず疲労強度が低下することもない。

【００１０】この結果、被接合材の突き合わせ部を塑性
変形させる下記の本来の目的を達成することができる。

【００１１】：接合に不必要なインサート材の接合端
面からの排出：被接合材間の密着：との作用に基づく元素の拡散の促進：接合面積の増大上記〜の結果、継手性能の大幅な向上が達成され
る。

【００１２】本発明は、各種の開先加工を施した鋼管又
は条鋼を拡散接合させ接合部について各種の試験を行
い、その効果を確認することにより完成されたもので、
下記の金属材料の拡散接合方法を要旨とする。

【００１３】すなわち、「被接合材である金属材料の突
き合わせ部の間にインサート材を介在させて、突き合わ
せ部を加熱及び加圧することにより拡散接合する方法に
おいて、金属材料本体から突き合わせ部端面にかけて金
属材料の厚さが次第に小さくなるように開先加工を施
し、加熱及び加圧により突き合わせ部を塑性変形させ、
塑性変形させた後の突き合わせ部の厚さを金属材料の厚
さ以上とする金属材料の接合方法」とするものである。

【００１４】上記において、インサート材の融点は被溶
接材の融点より低いのが一般的である。加熱温度はイン
サート材の融点を超え、被溶接材の融点未満であること
が望ましいが、必ずしもインサート材の融点以上にする
必要はなく、インサート材が固相であってもよい。すな
わち、本発明方法において拡散接合は液相拡散接合であ
ることは、接合時間の短縮をもたらし望ましいが、必ず
しも液相拡散接合である必要はない。

【００１５】厚さが本体から突き合わせ部端面にかけて
次第に小さくなる開先加工とは、被接合材の端面におい
て、板の場合は厚さ、管の場合は管の肉厚、条材の場合
は円形断面の半径を、それぞれ本体の部分から端面にか
けてテーパーを付けて次第に小さくすることをさす。こ
の場合、板の上面と下面、管の内面と外面の両方にテー
パーをつける必要はない。板の上面又は管の内面のみテ
ーパーをつけるだけでもよい。

【００１６】突き合わせ面となる端面のフラットな部分
は残した形状とすることが望ましい。

【００１７】塑性変形は、主に昇温時に行うが、昇温時
に限定されない。

【００１８】金属材料は、全ての金属材料が対象になる
が、特に鋼が主な対象になる。金属材料の形状は、板、
管、条材など特に限定しない。

【００１９】被接合材料である金属材料が、アルミ等の
低融点金属材料の場合には、上記したように液相拡散接
合のほうが望ましいため、インサート材はアルミよりも
低融点の材料とすることが望ましい。また、用途によっ
ては、耐食性、とくに耐隙間腐食性を向上させるインサ
ート材としてもよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】つぎに本発明の限定要因について
説明する。

【００２１】１．開先加工図１は、管の端面における開先を例示する図面である。
図１においては管の内面と外面のテーパー部分の長さを
区別しているが必ずしも区別する必要はなく、外面と内
面のテーパーの勾配および長さを同じにしてもよく、む
しろ同じ場合が一般的である。また、図１においてはテ
ーパーの肩の部分に一定の曲率Ｒを設ける記載がなされ
ているが、曲率を設けることは望ましいが、必ずしも曲
率をもうけなくてもよい。また、図１においては端面の
厚さについての表示Ｔout等がなされているが、この部
分の厚さについては、塑性変形の制御により厚さを調整
できるので、Ｔout等の制限は必ずしも必要ではない。

【００２２】テーパーの内外面が同じ場合、厚さを逓減
する軸方向のテーパー長さ(Ｌ)は加熱コイルの幅(Ｗ)と
の関係で決まり、(１)式を満足することが望ましい。Ｗ／１６≦Ｌ≦Ｗ／２・・・・(１) これは被接合材を塑性変形させる場合、温度が上昇して
いる領域が優先的に変形するため、狭すぎれば開先加工
以外の加熱域も変形が加わり大きく膨らんでしまい、広
すぎれば開先加工した部分の温度が低く、塑性変形を加
えても接合部より離れた箇所は変形せず、接合後も被接
合材の厚さ以上にはならないためである。テーパーの勾
配は、塑性変形により調節が可能なので特に制限を設け
る必要はない。

【００２３】２．塑性変形被接合材の端面に開先加工を施す目的は、接合後の過度
な膨らみを抑制するためで、接合部での形状不連続に起
因した応力集中を避けるためであり、開先加工量に応じ
て被接合材に塑性変形を加えればよい。制御が容易であ
ることから、加熱は高周波加熱、また、加圧は油圧によ
り付加することが望ましく、これらを用いて通常の方法
により容易に実施できる。

【００２４】突き合わせ部の厚さは、被接合材の厚さ以
上とすることが必要であり、一方、被接合材の厚さの
１．１倍未満とすることが望ましい。

【００２５】塑性変形後、接合部の厚さが被接合材厚さ
より小さいと接合断面積が被接合材断面積より小さくな
り、強度確保が困難となるため、被接合材厚さより厚く
する必要がある。

【００２６】また、小径鋼管を拡散接合するとき、内面
側は接合後に手入れができないため開先を切ることが必
要であるが、外面側は接合後手入れ可能のため、さほど
開先の必要性はない。そのため、小径鋼管を本発明で拡
散接合する場合は、内面の開先加工は必須であるが、外
面側の開先加工については、継手性能との兼ね合いで省
略することも可能である。

【００２７】３．金属材料本発明では、被接合材はとくに限定されることはなく、
拡散接合に適用できる素材の中から用途に応じて適宜選
定することが可能であり、例えば、鉄筋コンクリート用
棒鋼等の条材、各材質の鋼管やその他の金属材料が適用
可能である。

【００２８】また、接合に供する被接合材は必ずしも同
一ないしは同種のものに限定されず異種のものも適用可
能である。

【００２９】４．インサート材本拡散接合に用いるインサート材も特に限定されるもの
でなく、被接合材の材質等に応じて適宜選定できる。さ
らにアモルファス金属等も適用可能であり、むしろその
ほうが一般的である。アモルファス金属としては、Ｎｉ
−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ合金アモルファス薄帯（厚さ２５μ
ｍ、融点１１４０℃）等を用いることができ、たとえば
アライドケミカル社製Ｍ８Ｆ−５０等の市販品がある。

【００３０】本発明は拡散接合方法なので、接合に際し
ての加熱温度は、通常、被接合材の融点未満である。ま
た、インサート材の融点が母材より低い場合、インサー
ト材融点以上に加熱すれば、拡散接合法のうちでも液相
拡散接合法となる。この液相拡散接合法の方が被接合材
とのなじみが良好のため健全な接合部が得られやすい。

【００３１】インサート材を被接合材間に介在させる方
法は、特に限定しないが、スポット溶接、接着法等が適
用可能である。

【００３２】５．その他大気中で金属を加熱した場合、特に接合端面が酸化する
ことが懸念される。接合端面が酸化した場合、接合欠陥
が発生しやすくなるため継手性能が劣化する場合があ
る。そこで、加熱に際しては、不活性ガス雰囲気で行う
ことが望ましい。

【００３３】加熱方法は種々考えられるが、温度コント
ロールが容易で、雰囲気制御も行いやすいことから、高
周波誘導加熱が望ましい。

【００３４】さらに、被接合材の種類によっては、接合
後の冷却速度が接合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してもよい。

【００３５】本接合法により、継手性能が優れていなが
ら、見かけ上の被接合材の変形が少ない継手が得られ
る。

【００３６】

【実施例】つぎに実施例により本発明の効果を説明す
る。

【００３７】［実施例１］被接合材として、０．２４％
Ｃ−０．２５％Ｓｉ−１．１３％Ｍｎ−０．４８％Ｃｒ
−０．０２６％Ｔｉの合金元素を含む、外径１３０ｍ
ｍ、肉厚１５ｍｍの焼き入れ（９５０℃）−焼き戻し
（６２０℃）処理されたシームレス鋼管を用いて以下の
試験を行った。ここで鋼管の引張強さは８６０ＭＰａで
あった。

【００３８】表１は試験に用いた開先条件を示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】インサート材として１．４％Ｂ−７．３％
Ｓｉ−５．３％Ｃｒ−残Ｎｉの組成を有し、融点１１４
０℃、厚さ３０μｍの薄帯を用い、窒素ガスシールドの
もと、加熱温度１２５０℃、保持時間３００秒の条件
で、後述する種々の突き合わせ形状で接合した。加圧は
油圧シリンダを用いて行い、均一断面等になるように熱
膨張を考慮して予め定めた圧縮変位になるように制御し
た。

【００４１】図２は、本実施例１および後記する実施例
２の接合に用いた接合システムの模式図である。

【００４２】加熱は、高周波誘導加熱方式とし、加熱コ
イル幅Ｗを５０ｍｍとした。従って、〜の開先は望
ましい範囲である式（１）を満足する。

【００４３】試験番号及びの開先については接合
時、突き合わせ部が鋼管の肉厚に対し、１．００〜１．
０３倍となるように加圧力を調整し、塑性変形量をコン
トロールした。試験番号及びについては開先加工し
ている内面側がほぼ鋼管内表面と一致するように塑性変
形量をコントロールしたが、その時の外面側のはみ出し
量は、鋼管の肉厚に対し、１．１８倍となっていた。ま
た、試験番号の接合に対しては、の開先での条件と
同一とした。その時の変形量（突き合わせ部の厚さ）は
鋼管の肉厚に対し、１．３８倍となっていた。

【００４４】この接合部に対して継手引張試験（試験
片：JIS Z3121 4号）、曲げ試験（試験片：JIS Z3122
の管に対する試験片(図２)）、疲労試験（試験片：JIS
Z3103）を実施した。

【００４５】疲労試験の条件は４点曲げの疲労試験で曲
げ応力を２００ＭＰａとして破壊発生までの寿命（回
数）を調査した。

【００４６】表２は試験結果を示す一覧表である。

【００４７】

【表２】

【００４８】継手引張試験ではいずれも界面破断せず、
母材破断であった。鋼管の肉厚よりはみ出し部がある試
験番号及びが若干ではあるが、高い強度を示した。
また、側曲げ試験もいずれの開先条件でも合格となっ
た。

【００４９】疲労試験では、従来法の試験番号の開先
でも使用上は十分な特性を有するが、開先加工を施すこ
とにより、疲れ寿命が１オーダー以上も改善され、本発
明方法の効果が歴然としている。その中でも、試験番号
にあるように開先肩部にＲを設けないものは若干では
あるが、疲れ寿命が低下する傾向にある。しかし、それ
でも従来法の試験番号に比較すれば、十分改善され
る。

【００５０】［実施例２］０．２３％Ｃ−０．３６％Ｓ
ｉ−１．４４％Ｍｎの組成を有するＳＤ３４５グレード
の鉄筋コンクリート用棒鋼のサイズＤ５１（公称径５
０．８ｍｍ）を用いて実験した。

【００５１】接合条件は、インサート材として１８．５
％Ｃｒ−７．５％Ｓｉ−１．５％Ｂ−残Ｎｉよりなる厚
さ２５μｍの薄帯を用い、１２００℃加熱−３００秒保
持の条件で接合した。また、加熱は窒素ガスシールド中
で行い、高周波誘導で加熱した。

【００５２】開先は２種類とし、開先加工を施さないも
のと、中央部にφ３０ｍｍの突き合わせ部を設け周囲に
４５゜の角度で開先加工を施したものである。塑性変形
は開先加工付の試験片で突き合わせ部がほぼ鉄筋径と同
一になるように制御した。また、開先加工を施さないも
のも、開先加工付試験片と同一条件で接合した。このと
きの外径膨らみ量は素材の外径に対して、１．２９倍と
なっていた。

【００５３】これらの接合部から引張試験片（JIS Z312
1 4号）、側曲げ試験片（JIS Z3122の管に対する試験
片(図２)）および疲労試験片を採取して各試験を行っ
た。疲労試験は荷重制御片振り引張疲労試験（試験片：
JIS Z3103 ）により繰り返し速度５．８Ｈｚ、繰り返し
数２×１０⁶ で破断しない負荷応力の上限を疲労強度と
した。

【００５４】表３はこの試験結果を示す。

【００５５】

【表３】

【００５６】引張試験は、いずれも母材破断となり、良
好であった。また、曲げ試験も結果は良好であった。

【００５７】疲労試験は、開先加工を施していない試験
番号の場合は、１４８Ｎ／ｍｍ²であったのに対し、
開先加工を施したの場合は、１８６Ｎ／ｍｍ² と約２
５％もの疲労強度の改善効果が認められた。

【００５８】

【発明の効果】本接合方法により、簡便な方法により、
塑性変形を十分与えながら大きな膨らみを生じることな
く、優れた接合継手性能が得られる拡散接合方法を提供
でき、関連産業にとって貴重な技術となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】管の開先形状を例示する図面である。

【図２】本発明の実施例の接合に用いた接合システムの
模式図である。

【符号の簡単な説明】

１…加熱コイル兼ガスシールド治具２…管、板又は条材３…冷却ジャケット４…クランプ５…高周波電源６…制御盤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被接合材である金属材料の突き合わせ部の
間にインサート材を介在させて、突き合わせ部を加熱及
び加圧することにより拡散接合する方法において、金属
材料本体から突き合わせ部端面にかけて金属材料の厚さ
が次第に小さくなるように開先加工を施し、加熱及び加
圧により突き合わせ部を塑性変形させ、塑性変形させた
後の突き合わせ部の厚さを金属材料の厚さ以上とするこ
とを特徴とする金属材料の接合方法。