JPS6213111B2

JPS6213111B2 -

Info

Publication number: JPS6213111B2
Application number: JP56065578A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Kakimi; Megumi Nakanose; Hiroshi Sato; Takaaki Konishi; Hisanao Kita; Takamitsu Nakasaki
Original assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1987-03-24
Also published as: JPS57181776A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、α＋β型のチタン合金の接合方法に
関する。チタンは比重が小さいために軽量であり、六方
晶の結晶構造をもつているので強度が高く、耐熱
性ならびに耐食性等に優れており、通常のステン
レス鋼に対比できる特性を有していることから、
化学工業装置をはじめとして幅広い分野に使用さ
れるようになつてきている。そして、とくにアル
ミニウム等の合金元素を添加することによつてさ
らに高強度にした強力チタン合金は、比強度（強
度／密度）がかなり高くすぐれた特性を有してい
ることから、宇宙・航空関連分野たとえば航空機
外板やロケツトモーターケースなどにおいて幅広
く活用されるようになつてきており、これらに関
する研究も盛んに進められている。このような強力チタン合金の構造物を製作する
に際してチタン合金の接合をおこなう場合には、
たとえば溶接されるチタン合金の溶接部を突き合
わせた状態で電子ビーム溶接（EBW）により溶
接することもおこなわれる。しかしながら、この
溶接によると、溶接金属部（溶接によつて溶融化
し再度凝固した部分をいう。）は液相から固相へ
と急激な温度勾配をもつて成長した凝固組織を有
しており、溶接金属部の靭性・延性に影響するα
粒の微細化制御が困難であるため、溶接金属部の
靭性が他の母材金属部に比べて低下しやすく、溶
接後の熱処理によつても当該溶接金属部の機械的
性質を向上させることが困難であり、チタン合金
の種類によつては熱処理を施すことによりかえつ
て溶接金属部が脆化することもあるという問題を
有していた。そのほか、非消耗電極式の不活性ガ
スシールドアーク溶接法である通常のTIG溶接法
を使用し、溶加材として純チタン棒を用いること
もおこなわれるが、この場合に溶接金属部におい
て純チタンが残留し、他の母材金属部分に比べて
強度が低下することがあるという問題を有してい
た。本発明は、上述した従来の問題点に着目してな
されたもので、その目的とするところは、チタン
合金の溶接後における溶接金属部分の合金化が良
好におこなわれ、溶接欠陥の発生もなく、強度な
らびに靭性にすぐれ、溶接継手部分における機械
的性質の良好なα＋β型のチタン合金の接合方法
を提供することにある。すなわち、本発明は、α＋β型のチタン合金に
おけるAl元素は、α相安定元素であり、本合金
中におけるAl元素の濃度と合金の強度との間に
一定の関係が成立していることに着目してなされ
たもので、α＋β型のチタン合金同士を接合する
に際し、前記α＋β型のチタン合金同士を純チタ
ンもしくは3.0重量％以下のアルミニウムを含有
し残部実質的にチタンよりなるインサート材を介
装して突合せ、この状態で前記突合せ部を高エネ
ルギ密度溶接により溶接したのち熱処理を施すよ
うにしたことを特徴としている。本発明が適用されうるチタン合金としては、α
安定型元素であるAlを数％添加してチタンの固
溶強化をはかり、さらに第３元素としてＶ，
Cr，Mo等のβ安定型元素を加えてβ基地の固溶
強化をはかつたα＋β型のチタン合金たとえば
Ti―６％Al―４％ＶやTi―６％Al―６％Ｖ―２
％Snなどがある。次に、前記α＋β型のチタン合金同士の突合せ
部に介装するインサート材としては、純チタンも
しくは3.0重量％以下のアルミニウムを含有し残
部実質的にチタンよりなるものが使用される。純チタンとしては、JIS Ｈ 4650に規定する第
１種〜第３種に準じた化学成分の純チタンを使用
することができる。この場合の製造法としては、
スポンジチタンを主原料とし、消耗電極式アーク
炉またはプラズマビーム炉により真空または不活
性ガス中で溶製した鋳塊を用い、鍛造，押出し、
圧延等の加工によつて所定形状のインサート材に
成形する方法を採用できるが、さらには、純チタ
ンの原料をプラズマ溶解炉内で棒状に造塊し、こ
の棒状体を消耗電極として真空再溶解し、次いで
適宜の加工手段によつて所定形状のインサート材
を得るという二段溶解工程をとることも望まし
い。そのほか、純チタンとして、チタンの強度や靭
性などの性質に大きな影響を及ぼす侵入型の不純
物元素を少なくし、不純物としてＯ＜0.08％、Ｎ
＜0.01〜0.015％、Ｃ＜0.02〜0.03％程度におさえ
たELI（Extra Low Interstitial）チタンを使用
することもできる。また、溶接金属部における引張り強さや耐力な
どの強度をさらに向上させるために、3.0重量％
以下のアルミニウムを含有し残部実質的にチタン
よりなるインサート材を使用することも可能であ
る。この場合、アルミニウム含有量を3.0重量％
以下としたのは、溶接後の溶接金属部におけるア
ルミニウム含有量が、チタン中におけるアルミニ
ウムの固溶限とされる約６％を超えないように
し、溶接金属部の伸びや靭性がかえつて低下する
のを防ぐためである。前記した溶接されるα＋β型のチタン合金同士
の突合せ部に上記した純チタンもしくは3.0重量
％以下のアルミニウムを含有し残部実質的にチタ
ンよりなるインサート材を介装し、この状態で上
記突合せ部を高エネルギ密度溶接によつて溶接す
るが、この場合の溶接手段としては、電子ビーム
を熱源とする電子ビーム溶接、レーザビームを熱
源とするレーザビーム溶接、プラズマアークを熱
源とするプラズマ溶接、タングステン等の非消耗
電極を使用して好ましくは作動ガスとしてHeを
加えた不活性ガスシールドの下でパルスを重畳し
てアーク溶接するTIG溶接などを適用することが
できる。これらのうち、電子ビームやレーザビームを熱
源とするものでは、アークを熱源とするものに比
べてさらに大きなエネルギ密度を有すると共に、
熱源を制御しやすいという特徴を有することから
とくに有利であり、高精度でかつ高能率の溶接が
可能となる。そして、上記電子ビーム溶接の如き
高密度エネルギ溶接の場合には、単位長あたりの
溶接線に必要なエネルギは非常に少なく、溶融部
およびその付近の熱影響部の領域がかなり狭くな
り、残留する歪，応力は小さく、このような劣化
領域が局部化されるために、熱処理を施さない溶
接のままの状態においてもすぐれた機械的性質を
示し、熱処理を施すことによつて機械的性質のよ
り一層の向上をはかることができる。また、この
ような高密度エネルギ溶接をおこなつた場合に
は、ビーム（アーク）の照射部分において著しい
沸騰現象を生じ、適度の撹拌を伴う溶融池が形成
されるため、純チタン等よりなるインサート材が
そのままの組成で溶接金属部に残留することはな
く、溶接金属部において合金化が良好におこなわ
れ、機械的性質のすぐれたものとすることができ
る。次に、溶接の際における姿勢としては、大別し
て鉛直ビーム（アーク）による下向溶接と、水平
ビーム（アーク）による水平溶接とがあり、それ
ぞれに貫通溶接と非貫通溶接（部分溶込み溶接）
とがある。上記のうち、下向溶接において貫通溶
接をおこなう場合に、合金の厚さ（溶接部の厚
さ）によつては裏ビードの表面張力だけでは溶融
池（溶接時に溶融化した部分）を支えきれなくな
ることがあり、この場合には溶融池が落下しない
ように裏当金を使用して部分溶込みの状態にする
工夫も時には必要である。これに対して水平溶接
の場合には上記下向溶接の場合に比べて溶融池の
自重による影響が少なく、ビーム孔などの安定性
にもすぐれており、貫通溶接が容易にできること
から、水平溶接の方がより適している。また、水
平溶接であつても大別して上進溶接、下進溶接、
横向溶接、円周溶接などがあり、溶接対象物や溶
接条件等によつて適宜選定して実施することが望
ましい。なお、電子ビーム溶接の如き高エネルギ密度ビ
ーム溶接の場合に、貫通溶接，非貫通溶接のいず
れにおいてもビーム出力の増大につれて溶融池の
幅が増大するとともに溶融池内が激しく撹拌され
て、溶融池内から溶融金属が流出して溶接金属部
に凹部が発生するなどの溶接欠陥を生ずることが
あるので、溶接の際の溶融池運動と関連するビー
ム振動の振動数、振幅、振動方向などを選定し、
加えてビーム貫通率、ビーム電流などを適宜選定
することが望ましい。また、溶接線近傍のみを真
空にする局所真空溶接法を併用することも場合に
よつては好ましい。また、TIG溶接の場合にはパルスを伴う溶接を
おこなうことによつて溶接金属部における合金化
を一層良好にすることができ、機械的性質のすぐ
れた溶接継手を得ることができる。次に、介装するインサート材の割合について
は、溶融金属部の単位体積当り５〜85％となるよ
うにすることが望ましい。すなわち、第１図およ
び第２図に示す場合において、インサート材の厚
さt₁と溶接金属部の厚さt₂との比t₁／t₂の百分率
が、５〜85％の範囲となるようにすることが望ま
しい。これは、インサート材の割合が５％よりも
少ないと、溶接金属部の靭性が他の母材金属部分
に比べて低下するおそれがあるためであり、85％
を超えると例えば電子ビーム溶接のビーム巾より
インサート材の厚さが大きくなり、インサート材
が溶融したとしても撹拌が不十分となつて溶接金
属部にインサート材成分がそのまま偏在し、機械
的性質を低下させるためである。次に、溶接後の熱処理としては、応力歪取り処
理（SR処理）、拡散処理（Ｄ処理）、固溶体化処
理＋時効処理（STA処理）などを適宜選んでお
こなう。これらのうち、応力歪取り処理をおこなう場合
には、およそ450〜950℃の温度で約15分〜15時間
加熱後空冷ないしは水冷する処理を施すのが良
い。また、拡散処理をおこなう場合には、およそ
800℃以上の温度で約15分〜15時間加熱後水冷な
いしは空冷する処理を施すのが良い。さらに、固溶体化処理＋時効処理をおこなう場
合には、固溶体化処理として、およそ800〜1000
℃の温度で約15分〜６時間加熱後水冷，油冷もし
くは空冷する処理を施すのが良く、時効処理とし
ておよそ400〜680℃の温度で約15分〜15時間加熱
する処理を施すのが良い。なお、時効処理におい
ては複数回に分けてこれをおこなうこともでき、
過時効を伴う処理を施すこともできる。なお、チタン合金において、α型合金は低温安
定相であるため熱処理性は期待できないので、上
記固溶体化処理＋時効処理はα＋β型合金が対象
となり、α＋β型合金においてαβ変態に関連
して金属の微細組織の調節をおこない、機械的性
質の向上と安定化をはかるようにする。このようにして、α＋β型のチタン合金を溶接
するに際して、上記のインサート材を介装させた
状態で突合わせ、この突合わせ部を高エネルギ密
度溶接により溶接し、その後熱処理を施すことに
よつて、溶接金属部のα粒内におけるAl元素の
濃度を適切なものに制御し、これによつて溶接金
属部の強度は若干低下することがありうるものの
靭性，延性を向上させることができ、機械的性質
のすぐれた溶接継手を得ること可能となる。実施例１第１図に示すように、溶接母材１，２として板
厚Ｔ＝40mmでかつ第１表に示す化学成分のチタン
合金板を用意した。また、インサート材３とし
て、板厚t₁＝0.6mmおよびt₁＝1.2mmの二種類でか
ついずれも第２表に示す化学成分の純チタン板を
用意した。

【表】

【表】次に、前記溶接母材１，２の間に上記二種類の
インサート材３を各々別個に介装して突合せ、こ
の状態でそれぞれの突合せ部を電子ビーム溶接し
た。このとき、電子ビームを矢印Ａ方向に略水平
に向け矢印Ｂ方向に横向進行させる水平貫通溶接
をおこなつた。このときの溶接条件を第３表に示
す。

【表】なお、溶接に際しては、そのほかビーム振動の
振動数、振幅、振動方向などを適宜調節して溶接
欠陥の発生をなくすようにすると共に、第２図に
示す溶接後における溶接金属部４の厚さt₂が4.5
mmとなるようにした。次に、上記溶接後の溶接母材１，２を当該溶接
金属部４を中心にして板厚５mm，板幅12.5mm，長
さ300mmの試料を切り出し、次いで各試料につい
て熱処理を施し、その後上記試料から溶接線の方
向に第３図に示す試験片５を切り出して上記溶接
線の方向に引張試験をおこなつた。なお、上記熱
処理は、固溶体化処理として933℃で30分間加熱
したのち水冷し、次いで時効処理として545℃で
６時間加熱したのち空冷して施した。また、試験
片５の寸法は、全長Ｌ_T＝100mm、平行部の長さＰ
＝45mm、標点距離Ｌ＝35mm、直径Ｄ＝４±0.05
mm、肩部の半径Ｒ＝10mm、ねじ部Ｓ＝M10×1.5
である。この引張試験の結果を同じく第４表に示
す。

【表】

【表】第４表において明らかなように、インサート材
３を介装して溶接したものでは、インサート材を
介装しないで共金溶接したものに比べて靭性がか
なり向上していることが確認された。これは、イ
ンサート材３を介装して溶接したものでは、溶接
金属部のα粒内におけるAl元素の濃度を適切な
ものに制御することにより、溶接金属部の靭性，
延性を向上させることができたことによるもので
あり、溶接後に熱処理を施した場合にはいずれも
強度がさらに向上していることが確認された。実施例２溶接母材１，２として板厚Ｔ＝40mmでかつ前記
第１表に示す化学成分のα＋β型のチタン合金板
を用意した。また、インサート材３として、板厚
t₁＝0.6mmおよびt₁＝1.2mmの二種類でかついずれ
も第５表に示す化学成分のTi―1.5重量％Al板を
用意した。

【表】次に、前記溶接母材１，２の間に上記二種類の
インサート材３を各々別個に介装して突合せ、こ
の状態で電子ビームを矢印Ａ方向に略水平に向け
て前記第３表に示す条件で溶接をおこなつた。次いで、上記溶接後の母材１，２を当該溶接金
属部４を中心にして前記実施例１の場合と同じ寸
法の試料を切り出し、次いで各試料について実施
例１の場合と同じ条件で固溶体化処理＋時効処理
を施し、その後上記試料から溶接線の方向に同じ
く第３図に示す試験片５を切り出して引張試験を
おこなつた。この結果を第６表に示す。

【表】

【表】第６表において明らかなように、インサート材
３を介装して溶接した後熱処理を施したもので
は、インサート材を介装しないで共金溶接した後
熱処理を施したものに比べて靭性が著しく向上し
ていることが認められた。実施例３実施例１と同じ第１表に示す化学成分でかつ板
厚Ｔ＝40mmの溶接母材１，２（第１図参照）と、
第２表に示す化学成分でかつ板厚t₁＝0.6mmのイ
ンサート材３（第１図参照）をそれぞれ用意し、
次いで上記溶接母材１，２の間に上記インサート
材３を介装して突合せ、この状態で第３表に示す
条件で電子ビーム溶接をおこなつた。次に、上記
溶接後の母材１，２を当該溶接金属部４を中心に
して板厚５mm、板幅12.5mm、長さ300mmの試料を
切り出し、次いで948℃の温度で10時間加熱した
のち水冷して拡散処理をおこない、その後溶接金
属部４の厚さ方向に等間隔でＸ線マイクロアナラ
イザーにより化学成分の分布を調べた。その結果
を第７表に示す。

【表】第７表に示すように、溶接の際における溶融金
属部の撹拌が良好であるため、溶接金属部４の部
分において合金化が十分におこなわれており、純
チタンの残留は認められず、非常に良好な結果が
得られたことを確認できた。実施例４実施例１と同じ第１表に示す化学成分でかつ板
厚Ｔ＝2.5mmの溶接母材１，２（第１図参照）
と、第２表に示す化学成分でかつ板厚t₁＝0.5mm
の純チタンインサート材３（第１図参照）をそれ
ぞれ用意し、次いで上記溶接母材１，２の間に上
記インサート材３を介装して突合せ、この状態で
第８表に示す条件でパルス重畳TIG溶接をおこな
つた。

【表】次いで、溶接後に固溶体化処理として真空炉中
において933℃で20分間加熱したのち油冷し、引
続いて時効処理として545℃で５時間加熱したの
ち空冷する熱処理を施し、溶接線の方向に溶接金
属部４より試験片を切り出して機械的性質の試験
をおこなつたところ、強度および靭性とも良好な
結果を得た。また、溶接金属部４の厚さ方向にＸ
線マイクロアナライザーによつて一定間隔で成分
分析をおこなつたところ、十分に分散合金化され
た組織となつていることが確認された。以上詳述したように、本発明によれば、チタン
合金の溶接接合をきわめて良好におこなうことが
でき、溶接金属部において溶接欠陥がみられない
と共に溶接金属部における分散合金化をかなり良
好になすことができ、熱処理を施すことによつて
強度の向上をはかることが可能であり、機械的性
質のすぐれた溶接継手を介してチタン合金を接合
することができるという著しい効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例による
溶接状況のそれぞれ溶接前および溶接後の斜面説
明図、第３図は機械的性質の試験に使用した引張
試験片の説明図である。１，２…溶接母材、３…インサート材、４…溶
接金属部。

Claims

【特許請求の範囲】

１ α＋β型のチタン合金同士を接合するに際
し、前記α＋β型のチタン合金同士を純チタンも
しくは3.0重量％以下のアルミニウムを含有し残
部実質的にチタンよりなるインサート材を介装し
て突合せ、この状態で前記突合せ部を高エネルギ
密度溶接により溶接したのち熱処理を施すことを
特徴とするチタン合金の接合方法。