JPS5961584A - チタン合金の摩擦圧接法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、α＋β型チタン合金の丸棒又は管の摩擦圧
接法に関するものである。

近年、素材同士の摩擦熱を利用して２個の軸対象物体を
相互に接続するという摩擦圧接法が、自。

動車工業を中心とする機械部品、各種配管、電気機器部
品、工具類等を初めとして、多方面の機械工業分野で活
用されるようになってきた。

この摩擦圧接法は、同様の用途に用いられる他の溶接法
に比べて消費エネルギーや接続の際のアプセットしるが
少なくて済む等の運転経済性にすぐれており、パリ除去
等の後処理等も容易で、さらに、同一寸法のものを多量
加工する場合に極めて作業能率が高いうえ、異種金属や
難溶液材料の溶接ができるということから、その適用分
野が益々増大する傾向にある。

一方、航空・宇宙産業や海水利用産業等のめまぐるしい
発展にともなって、チタン及びチタン合金材料の需要も
飛躍的に伸びて来ており、これらの素材を接合強度高、
く、高能率で接合する方法に関しても種々な提案がなさ
れるようになってきた。

ところで、チタン及びチタン合金は、通常の溶接温度に
おいて、空気やその他のガスとの親和力が極めて強く、
これらのガスを吸収すると僅かの量で著しく硬さを増し
、靭性の低下を招くことが知られている。そこで、これ
らの素材の溶接に際しては、大気中の酸素をはじめ、窒
素、水素などの侵入を完全に遮断することが重要であシ
、これまでは。

１）不活性ガスボックス中での溶接、 ＋ｉ　）　　Ｔ、”　−ｘ、　ａ又はＭＩＧ溶接、１１
１）電子衝撃溶接、 ｉｖ）　　プラズマ溶接、 等の特殊な溶接法が採用されているのが現状であった。

従来、作業温゛度が比較的低く、作業時間も短いことか
ら、摩擦圧接法を大気中で実′施してチタン及びチタン
合金の接合を達成しようとの試みもいくつかなされ、そ
の作業条件についての断片的なデータの報告もなされて
いるが、いずれも機械的性質の十分に満足できる継手部
が常時得られるものではなく、任意寸法のチタン及びチ
タン合金部材であっても、その継手部に、十分満足でき
る機械的性質が確実に得られるような摩擦圧接方法の出
現が待たれているのが現状であった。

本発明者等は、上述のような観点から、チタン飼料の中
でも、今後最も多くの需要が見込まれているα＋β型チ
タン合金材について、面倒な雰囲気調整を行うことなく
、低コストで能率良く接合を行うには摩擦圧接法、特に
ブレーキ式摩擦圧接法が最適であるとの認識の下に、強
度並びに靭性等の機械的性質が各種用途に十分満足され
るような継手部を、安定確実に実現し得る摩擦圧接法を
見出すべく研究を行ったところ、 ａ）α＋β型チタン合金にあっては、摩擦圧接部の衝撃
値、が各種用途における要求値を満たしているならば、
引張９強度や曲げ強度等の他の機械的性質も十分に満足
できる値となっていること、ｂ）そして、継手部の衝撃
値は、摩擦圧接時のアプセット圧力に左右されるもので
あり、さらに、適正な継手部が得られるアプセット圧力
は、所定の摩擦時間内であれば丸棒又は管でらる素材の
周速と、素材同士の摩擦圧力とによって定まるものであ
って、これらの間には特定の、 Ｐ２　　≧　６６０　（ｎｄＰｌ　）　”’という関係
が存在し、例えば素材の周速が変化したとしても、摩擦
圧力を調整することによって、容易にこれを補償し、適
正なアプセット圧力を確保できること、 Ｃ）従って、素材寸法がどのように変化しようとも、上
記ｂ）項に示した式に基づいて、α＋β型チタン合金の
良好な摩擦圧接を安定確実に実施できること、 以−Ｌ　（ａｌ〜（Ｃ１に示ず如き知見を得るに至った
のである。

即ち、第１図は代表的なα＋β型チタン合金であるｌ”
１−６Ａ９−４Ｖ合金の、直径：３２ｇの丸棒をブレー
キ式摩擦圧接法によって接合した摩擦圧接継手について
、引張試験２曲げ試験、及び２Ｖシヤルピー衝撃試験を
行って、継手部の機械的性質が母材と同等以上になる限
界の摩擦圧接条件を調査した結果を示す線図であり、第
１図に示される結果からも、α＋β型チタン合金の摩擦
圧接継手部の機械的性質は、シャルピー衝撃値が所望値
を満たしておりさえすれば必然的に他のものも満足でき
る値となっていることがわかる。

また、第２図は、同様の材料の摩擦圧接継手部のシャル
ピー衝撃値に及はす摩擦圧接条件の影響、摩擦時間し、
の影響を示す線図であるが、この図からも、摩擦時間ｔ
１が３〜７秒の範囲内であれば、摩擦圧力Ｐよが変化し
ても継手性能に大きな差のないことが明らかである。

そして、第３図は、同様材質の、直径が２０ｍｍ＋３２
ｍｒ１．及び４０ｍ、の丸棒について、第１図で示した
ように、シャルピー衝撃値で評価した摩擦圧接条件の限
界値を示す線図であるが、この図からは、丸棒の径が細
くなるとアブセント圧力Ｐ２が増犬することがわかる。

そこで、丸棒径か細くなると必要なアプセット圧力Ｐ２
の増大する理由は、平均周速又は最大周速が減少して平
均発熱量の低下を来たすためであるとの仮説の下に、直
径：３２羽の丸棒を基準として、これより直径が減少す
るのに見合う分だけ摩擦圧力Ｐ１を増大させて発熱量が
同じになるように実験結果を整理したところ、いずれも
直径　３２ｍ、の丸棒の場合における限界線に一致する
値が得られるという結果がもたらされたのである。即ち
、直径が３２　ｍｍ、の丸棒の限界線は第１図に示され
るように、式、 Ｐ２　　≧　　４．８Ｐ。

で表わされるか、ら、任意の直径ｄの場合には１式５％
式％（１） で限界線を表わせることが判明したのである。そして、
周速の変化は、材料の直径差によって起シ、また回転数
そのものを直接変化させても起るものであるが、この場
合も、周速の補償は摩擦圧力を補正することによってな
し得ることが明らかであるから、前記限界線は、第１図
に示す値が２４００ｒｐｍの回転数差の下で得られたも
のであることをふまえれば、式、 Ｐ２＝４．８（□・−・　Ｐｌ）−０４４２４００３２ 〔但し、ｎは回転数差（ｒｐｍ　）　〕で表わすことが
でき、さらに、これは概略、ｐ２＝　　６　ＢＯ（ｎｄ
Ｐｌ）　ｏ４４という式で表わすことのできるものであ
る。そこで、この式に基づいて、健全な継手の得られる
ブレーキ式摩擦圧接条件を、α＋β型チタン合金につい
てより詳細に検討したところ、実際」−は、前記限界線
を、式、 ｐ２＝　　６６０　（ｎｄＰ、　）−””どしても十分
に良好な結果が得られることが明らかとなったのである
。

この発明は、上記知見に基いてなされたものであって、
α＋β型チタン合金の丸棒又は管を、摩擦時間が３〜７
秒で、かつ、式、 Ｐ２　　≧　６６０　（ｎｄＰｌ）−””を満足する条
件にてブレーキ式摩擦圧接することによって、健全な継
手部を安定して確実に実現することに特徴を有するもの
である。

なお、この発明の方法において対象となるα＋β型チタ
ン合金とは、Ｔｉ−６Ａｉ！−４Ｖ合金、Ｔ」−６Ａｅ
−６Ｖ−２Ｓｎ合金、　Ｔｉ−３Ａ１！　−２，５Ｖ合
金。

Ｔｉ−２Ａｌｔ　−’　２Ｍｎ合金、　　Ｔｉ−６ＡＡ
　−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ合金等の如き、常温でα相
とβ相とが混在する組織を有するチタン合金のすべてを
意味するものであって、特定の種類のものに限定される
もので々いことはもちろんのことである。

また、ブレーキ式摩擦圧接とは、一定回転式摩擦圧接と
も呼ばれるところの古くから知られている摩擦圧接方法
であって、素材間の相対運動をブレーキによって停止す
るという、簡単な機構の装置によって実施される摩擦圧
接手段を指すものであることももちろんのことである。

きらに、この発明の方法によれば、対象部口が丸棒材で
あっても管材であっても、十分に満足し得る摩擦圧接を
実施できるものであるが、管材の場合には、特に外径；
４５〜５５Ｈｚ、肉厚；４〜’ｉ’　ｍ７Ｍのもので、
式、 Ｐ２　　≧　６６０　（（３Ｃ）〜３５　）　ｎＰｌ　
）−””の条件でブレーキ式摩擦圧接することが好まし
い。

第４図は、直径、３２朋の丸棒と、直径゛４５ｍｍ　Ｘ
肉厚：４ｍｍと直径　５５朋×肉厚　７　ｍｍの管の好
シャルピー衝撃値の限界線を示す線図であるが、この場
合の管の限界線は直径：３０〜３５ｇの丸棒の限界線、
即ち直径：３２ｍｍの丸棒の限界線にほぼ一致している
ことがわかる。即ち、これらの管の場合には、直径：３
２ｇの丸棒よりも周速か大きくなるが、肉厚が薄いため
に、管の内側への放射による熱の放出が大きく、従って
直径：３２朋の丸棒の熱的状態とほぼ一致したものと推
測される。

本発明において、摩擦時間を３〜７秒と限定したのは、
摩擦時間が３秒未満では素材の直径、回転数差、及び摩
擦圧力の如何にかかわらず、摩擦圧接に必要な熱量を得
ることができないので十分に満足できる継手特性を得る
ことができず、一方摩擦時間が７秒を越えてもそれ以上
の継手特性向上効果が得られないという理由によるもの
である。

また、アプセット圧力Ｐ２を、式 ％式％） で得られる値以上と限定したのは、その値未満のアプセ
ット圧力にすると、前述したように継手部の機械的性質
が母材のそれに匹敵するような良好なものとならないか
らである。

ついで、実施例により、比較例と対比しながらこの発明
を具体的に説明する。

実施例　ｌ まず％ＡＡ　：　５．９４重量％、Ｖ：４．０５５重量
％０：Ｏ１２重量’％、Ｔｉ及びその他の不可避不純物
：残り、から成る成分組成を有し、直径が３２ｍ。

のチタン合金丸棒を用意し、との丸棒同士を第１表に示
されるような摩擦圧接条件にてブレーキ式摩擦圧接を行
った。

得られた圧接部材について、その継手部の機械的性質を
測定したところ、同じく第１表に示されるような結果が
得られた。なお、同様部材の母料部の機械的性質をも測
定したところ、シャルピー衝撃値は４．’　３　ｋｇ・
ｍ／ｃｒｌ、曲げ強度は公称最大曲げ応力で３８０　ｋ
ｇ７ｍａ　＋引張強さが９８．０ｋｇ／−の値を示した
。

第１表に示される結果からも、摩擦圧接条件が本発明の
範囲を満足している試験番号ｌのものは、その継手部の
機械的性質が母材、とほとんど変わらないすぐれた値を
示しているのに対して、アプセット圧力が、式、 ６　６　０　　（ｎｄＰｌ　） の値より低いアプセット圧力Ｐ２の試験番号２のものは
、曲げ強度が母材相当に達しているにもかかわらず、特
に継手部のシャルピー衝撃値が極めて低くなっているこ
とがわかる。

実施例　２ Ａｅ　：　５：　７９重量％、Ｖ：５．３５重量％、　
Ｓｎ二１．７６重量％、　Ｃｕ　：　０．４５重量％、
Ｏ：０．１５重量％、Ｔｉ及びその他不純物：残り、か
ら成る成分組成を有し、外径が４６ｍｍ、　肉厚が４　
ｍｍのチタン合金管を用意し、この管材同士を第２表に
示されるような摩擦圧接条件にてブレーキ式摩擦圧接を
行った。

得られた圧接部材について、その継手部の機械的１４［
質を測定したところ、同じく第２表に示されるような結
果が得られた。なお、同様部材の母材部の機械的性・質
を測定したところ、シャルピー衝撃値は２８ｋｇ・ｍ１
ｃｒｌ、公称最大曲げ強度は４１０ｋｇ／　ｍｍ　＋　
引張強さが１１３　ｋｇ７ｍ１？Ｌの値を示した。

第２表に示される結果からも、摩擦圧接条件が本発明の
範囲を満足している試験番号３のものは、その継手部の
機体的性質が母材とほとんど変わらないすぐれた値を示
しているのに対して、アプセット圧力が、式、 ６６０（ｎｄＰｘ　つ−０４４ の値より低いアプセット圧力Ｐ２の試験番号４のものは
、特に継手部のシャルピー衝撃値が極めて低くなってい
ることがわかる。

上述のように、この発明によれば、α＋β型チタン合金
材を、面倒な雰囲気調整を行彦うこともなく、低コスト
で能率良く接合することができ、しかも母材とほとんど
変わらない良好な機械的性質を有する継手部を安定・確
実に実現できるなど、工業上有用な効果がもたらされる
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図はＴ１−６ＡＱ−４Ｖに関する摩擦圧接条件と各
種継手性能との関係を示した線図、第２図はＴｉ−６Ａ
Ｐ、−４Ｖに関する摩擦圧接条件とシャルピー衝撃値と
の関係を示す線図、第５図はＴｉ−６ＡＡ−４Ｖに関す
る丸棒の最良継手性能に及ぼす丸棒寸法の影響を示す線
図、第４図はＴｉ、−６ＡＩＬ−４Ｖに関する径：３２
ｍｍの丸棒及び種々の径の管の最良継手性能と摩擦圧接
条件との関係を示す線図である。 出願人　　住友金属工業株式会社 代理人　　富　　１）　和　　夫　ほか１名第　１　層 摩擦、圧　ｆｉ　　　ｒＰｔＪ　　　（ｋｇｆ／ｍｍ２
）禦２Ｒ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. α＋β型チタン合金の丸棒又は管を、摩擦時間が３〜７
   秒で、かつ下記式を満足する条件にてブレーキ式摩擦圧
   接することを特徴とするα＋β型チタン合金の摩擦圧接
   方法。