(57)【要約】【課題】金属ガラスと結晶金属との突き合わせ面から金属ガラス側へ高エネルギービーム走査域をシフトする溶接によって接合するに当たって、溶接界面に形成される溶融部の組成を、より簡便で確実に、金属ガラス基材のガラス相形成のために必要な組成範囲とするための溶接方法の提供。【解決手段】結晶金属２側の開先の上端部に開先空間Ｙを形成し、金属ガラス１と結晶金属２を当接して、当接面から金属ガラス１側にシフトして、電子ビーム溶接を行い、結晶金属側の上端部の開先空間Ｙを含む広い領域の上端溶融部４１から下方に向かって細くなって下面に至る下方溶融部４２からなり、非晶質の金属ガラスとなる組成を有する溶融部４を形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ガラスと結晶金属を突き合わせて、ビームの照射位置を金属ガラス側にシフトして走査する高エネルギービーム溶接による接合方法であって、
突き合わせ面の結晶金属側の開先の上部に開先空間を形成して溶接する金属ガラスと結晶金属との高エネルギービームによる溶接方法。
【請求項２】
突き合わせ面の結晶金属側に形成する開先空間が、照射ビームによって形成される金属ガラスと結晶金属との溶融域内にあって、結晶金属の溶融等温線に沿って形成される請求項１に記載の金属ガラスと結晶金属との高エネルギービームによる溶接方法。
【請求項３】
高エネルギービームの照射中、接合金属ガラスと同一組成の金属ガラスを開先空間上部の空間に補充する請求項１または２に記載の金属ガラスと結晶金属との高エネルギービームによる溶接方法。
【請求項４】
金属ガラスと結晶金属を突き合わせて、ビームの照射位置を金属ガラス側にシフトして走査する高エネルギービーム溶接による接合方法であって、
突き合わせした金属ガラスと結晶金属の中の金属ガラス側を５°以上、高位置に傾斜させる金属ガラスと結晶金属との高エネルギービームによる溶接方法。
【請求項５】
請求項１に記載の突き合わせ面の結晶金属側の開先空間の上部に空間を形成するとともに、金属ガラス側を高位置に傾斜させる金属ガラスと結晶金属との高エネルギービームによる溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、 電子ビームあるいはレーザービームのような高エネルギービーム走査によるアモルファス金属および結晶相とアモルファス相の複合金属（以下金属ガラスと称する。）と通常の結晶構造を有する金属（以下、結晶金属と称する。）との接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属ガラスは、強度と硬さ、耐摩耗性、耐食性等に優れた特性を持ち、多くの分野への利用が期待されている。【０００３】
ところが、金属ガラスは、このように優れた特性がありながら、難加工性、難溶接性であるという欠点がある。その応用分野を広げるためには、金属ガラス間の溶接接合技術も重要であるが、実際の機器部品などを作成するためには、金属ガラスと実用金属材料との接合技術が必要である。そのための接合手段として、爆着法、摩擦圧接法、または、溶接法を適用した例が報告されている。【０００４】
しかしながら、接合手段として、接合部を溶融させる溶接法を適用した場合には、突き合わせ面に形成された溶融部において金属ガラスと結晶金属が溶け合うことによってガラス形成能が低下するために脆い金属間化合物が形成し、十分な溶接強度を持つ接合体が得られないことになる。【０００５】
このことから、非特許文献１には、溶接のための加熱源として、鋭い溶け込み形状を形成でき、局部的な急速加熱と急速冷却に適している電子ビームあるいはレーザービームといった高エネルギービームを使用する溶接が、溶接部における両接合部材の溶け合いを少なくするとともに急速加熱・急速冷却が達成されることから、金属ガラスと結晶金属との突き合わせ面に高エネルギービームを走査する溶接法を適用した例が報告されている。【０００６】
そして、その報告には、金属ガラスと結晶金属との間の溶接の良否は、その界面に形成される溶融部の結晶化ＴＴＴ曲線が、 高エネルギービーム溶接時の冷却曲線よりも長時間側となる組成範囲内にあるか否かに係っていることも開示されている。【０００７】
また、本願の発明者は、先に、特許文献１において、溶接時に突き合わせ面に形成される溶融部の組成を金属ガラスの形成能を有する成分組成とするために、金属ガラスと結晶金属との突き合わせ面から金属ガラス側へシフトさせて高エネルギービームを走査する溶接方法を開示した。【０００８】
これは高エネルギービームを金属ガラスと結晶金属との突き合わせ面より金属ガラス側へシフトし、溶融部への金属ガラスの溶解量を結晶金属の溶解量よりも多くすることによって溶融部の成分組成をガラス形成能を有する組成比の範囲内に入るようにするものである。
【非特許文献１】Materials Transactions, Vol.42. No.12 (2001),p.2649-2651
【特許文献１】特開２００６−８８２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、金属ガラスと結晶金属との溶接に際して、高エネルギービームの走査域を金属ガラスと結晶金属との突き合わせ面から金属ガラス側へシフトするにしても、溶融部に結晶金属成分を含まないように、しかも、金属ガラスの溶解量を少なくして、効率よく良質の接合状態を得るための最適なシフト量の決定は、金属ガラスと結晶金属の材質とサイズ、あるいは、溶接条件によっても異なり困難である。【００１０】
また、ビームの走査域を金属ガラス側にシフトさせても、溶融部のガラス形成能の維持と結晶金属との健全な接合の両方を同時に達成するためには、 金属ガラスと結晶金属の材質とサイズ、あるいは、溶接条件が限定されるという問題がある。【００１１】
この発明において解決すべき課題は、金属ガラスと結晶金属との突き合わせ面から金属ガラス側へ高エネルギービーム走査域をシフトする溶接法によって金属ガラスと結晶金属とを接合するに当り、溶接界面に形成される溶融部のガラス形成能を低下させないで強固な接合強度を得るための簡便な溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、高エネルギービームの走査線を金属ガラスと結晶金属の突き合わせ面から金属ガラス側にシフトする金属ガラスと結晶金属との溶接法において、突き合わせ面の結晶金属側上端のみに開先空間を形成することによって前記の課題を達成した。【００１３】
本発明の前提となる走査ビームの金属ガラス側へのシフト量は、先の特許文献１に開示した要領で、溶融部の結晶化のＴＴＴ曲線のノーズ時間が２．０秒以上になるガラス形成能を有する組成の範囲内になるように、突き合わせ面から金属ガラス側に偏った位置である。【００１４】
本発明において、突き合わせ面の結晶金属側の上端部に形成する開先空間は、照射ビームの走査時の結晶金属の溶融等温線の形状に沿って形成される。【００１５】
この発明に基づいて突き合わせ面の結晶金属側の上端部にのみに開先空間を形成し、高エネルギービームを金属ガラスと結晶金属の突き合わせ面から金属ガラス側にシフトした位置で走査することによって、溶融部が金属ガラスになり、結晶金属側から溶融部への溶け込み量が極めて少なく、溶融部の組成は高ガラス形成能組成範囲から外れることがない。【００１６】
また、突き合わせ面の結晶金属側上端部のみに開先空間を形成するとともに、または、単独に、金属ガラスと結晶金属との突き合わせ材を傾斜することによっても、 溶融部の組成を高ガラス形成能組成範囲に制御することができる。通常の高エネルギービームによる溶接の場合、 溶融部よりも熱影響部の方が結晶化しやすく、また、被接合材の板厚が厚くなるほど冷却速度が遅くなり結晶化しやすくなる。【００１７】
この発明を適用できる金属ガラスとしては、
（１）前提として、 高エネルギービーム溶接時に熱影響部の結晶化が生じないようなガラス形成能を有するものである必要がある。すなわち、溶接時の加熱・冷却曲線に交差しないような固体加熱時の結晶化ＴＴＴ曲線を持つようなガラス形成能を持つ必要がある。 溶接時の加熱・冷却速度は被接合材の板厚が厚くなるほど遅くなるが、例えば、板厚２ｍｍの場合には、固体加熱時の結晶化ＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上（これは液体冷却時の結晶化ＴＴＴ曲線のノーズ時間が５秒以上に相当する）であれば、溶融部のみならず熱影響部も結晶化させないで溶接することができる。【００１８】
（２）さらに、溶融部（元の金属ガラスに結晶金属の成分が混じったもの）のガラス形成能として、液体冷却時の結晶化ＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のであればこの溶接は容易となる。すなわち、溶融部の液体冷却時の結晶化ＴＴＴ曲線が溶接時の冷却曲線よりも長時間側となるのが望ましい。溶接時の冷却速度は被接合材の板厚が厚くなるほど遅くなるが、例えば、板厚２ｍｍの場合には液体冷却時の結晶化ＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を持つものであればこの溶接は容易となる。【００１９】
また、上記溶融部への結晶金属の溶け落ちを防ぐ手段として、上記の結晶金属の側の上端部に開先空間を形成するのに代えて、金属ガラス１と結晶金属２との当接状態において、金属ガラス１側を５°程度またはそれ以上、高くする溶接時の傾斜手段を採用することによって溶接時の傾斜によって、当接面３における結晶金属の溶け込みを少なくすることもできる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によって、十分な接合強度を持つ金属ガラスと結晶金属との接合体が得られ、また、溶接条件範囲の拡大、被溶接材の大型化、適用金属ガラスの拡大、適用結晶金属の拡大を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明において、開先空間の形状は、ガラス形成能が低い金属ガラスを用いた接合を行うことによって、その断面の組織観察（断面のエッチング写真）から金属ガラスの溶融等温線を求め、これを基に、金属ガラスと結晶材料の融点、比熱、熱伝導率などの熱物性から結晶材料の融点の等温線を計算で求め、これを基にして、融点以上になる部分が含まれないように結晶材料の開先空間の形状を単純形状となるように加工して得る。【００２２】
また、金属ガラスとある結晶金属とを、当接面から金属ガラス側に特定量（例えば、０．２ｍｍ）シフトして溶接し、結晶金属側が溶け落ちた形状が示さている断面を観察し、その断面形状から結晶金属側の上端部の開先空間形状を決定する事が出来る。さらにこれを工業的に簡単になるように単純化して直線で近似することもできる。
【実施例】
【００２３】
図１は、本発明の溶接法を示す。同図において、金属ガラス１としてＺｒ基金属ガラスを、また、結晶金属２として、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，ＳＵＳ３１６Ｌを用いた。  金属ガラス１と結晶金属２を当接するに当たっては、結晶金属２側の開先空間の上部に、深さが０．５ｍｍ、巾が０．５ｍｍの直線状にカットされた開先空間Ｙを形成した。溶接条件として、加速電圧は６０ｋＶ一定とし、電流と速度を変化させ、当接面から結晶金属２側にシフトして溶接を行った。【００２４】
図２は、この結晶金属側に形成した開先空間によって形成される空間への金属ガラス１の溶解充填状態を示す。同図に示すように、当接面には、上端部の開先空間を含む広い領域の上端溶融部４１から下方に向かって細くなって下面に至る下方溶融部４２からなる溶融部４を形成し、接合部位の表面には凹部が形成された。この表面凹部の形成を少なくするためには、接合部に補充用の金属ガラスを配置して、ビーム照射によって融解して、開先空間に補充したり、あるいは、ビーム照射位置に粉末状あるいは線状の金属ガラスを供給するなどの手段を講じることもできる。また、必要に応じて予熱を講じてもよい。【００２５】
表１は、従来法と本発明との接合状態の良否の判定結果を示す。同表に示す照射タイプ  イ，ロ，ハは図３に示すもので、イは金属ガラス１と結晶金属２との当接面に高エネルギービームＸを射照する場合を、ロは高エネルギービームＸの射照位置を当接面から金属ガラス側にシフトする場合を、また、ハは本発明に基づき高エネルギービームＸの射照位置を当接面から金属ガラス側にシフトするとともに結晶金属側のみの上端部に開先空間を形成した場合を示す。
【表１】
2009014221.tif 000003
【００２６】
同表において、接合状態を◎、○、△、ｘによって示す。◎は接合部位が接合した金属ガラスと全く同一のアモルファス組織を有し接合効率１００％以上で曲げ試験で破断しないものであった。○は接合効率が１００％以上であって、曲げ試験で破断し、溶接金属が金属ガラスと同一のアモルファス組織を有するものである。△は接合効率５０％以上１００％未満であり、ｘは接合効率５０％未満であって、金属化合物が存在し、接合した金属ガラスとは異質の組織を有するものであった。【００２７】
同表から明かなとおり、結晶金属がＺｒの場合は、高エネルギービームの照射が何れの場合であっても完全な接合状態を呈し、Ｔｉの場合は、高エネルギービームの照射位置が金属ガラス側にシフトしておれば、結晶金属側に開先空間を設ける如何に拘わらず、金属ガラスと同質の組織を形成した。しかしながら、ＮｉとＳＵＳの場合は、本発明の溶接法の下で、金属ガラスと同質の組織の形成が可能になった。【００２８】
図４および図５は、金属ガラスと結晶金属であるステンレス鋼との溶接部付近の溶接金属の組成の変化を測定した結果を示す。図４に示すビーム照射位置のシフトとともに開先空間を設けた本発明の実施例の場合、その組成は上端溶融部から下方溶融部に亘って金属ガラス１の組成を持ち、金属ガラス１と均質であって、結晶金属２は混合しておらず、非晶質の金属ガラスとなり得る組成を有するものであった。また、図５に示すビーム照射位置のシフトのみを行った比較例の場合は、上端溶融部は結晶金属が混入した組成であって、溶接金属内で脆性を示す結晶化域が観察された。【００２９】
図６および図７は、金属ガラスとステンレス鋼の接合体の各部分の結晶化の有無を微少領域X線回折法によって調べた結果を示す。これらの図は、上部の接合体の状態を示す図のｐはステンレス鋼を、ｑは上端溶融部を、ｒは下方溶融部を、またｓは金属ガラスを示もので、下方の微少領域X線回折試験の結果は、これに対応するものである。図６に示すビーム照射位置のシフトとともに開先空間を設けた本発明の実施例の場合、その溶接金属は、上端溶融部から下方溶融部に亘って金属ガラス１の組成を持ち、金属ガラス１と均質であって、結晶化は発生しておらず、非晶質の金属ガラスであった。一方、図７に示すビーム照射位置のシフトのみを行った比較例の場合は、上端溶融部は結晶金属が混入したものであって、溶接金属内で脆性を示す結晶化域が観察された。【００３０】
（実施例から見た本発明による効果の総合評価）
表２は、上記個々の実施例における総合評価を示す。
【表２】
2009014221.tif 000004
【００３１】
同表によって、本発明によって十分な接合強度を持つ金属ガラスと結晶金属との接合体が得られ、また、溶接条件範囲の拡大、被溶接材の大型化、適用金属ガラスの拡大、適用結晶金属の拡大の効果を奏することができる。【００３２】
図８は、Ｚｒ基金属ガラスに各種結晶金属が溶解した場合の溶融部のガラス形成能の変化に対する結晶金属成分の影響の度合いを示すもので、Ｎｉ，ＳＵＳはＺｒ、Ｔｉより融点が低いので溶け込みやすく、特にＳＵＳは今回使用した金属ガラスの構成成分と異なるため、溶接金属中に僅かに溶け込むだけで、ガラス形成能を大きく損なってしまうということを示している。【００３３】
図９は、Ｚｒ基金属ガラスに各種結晶金属がある一定量溶解した場合における溶接の困難さと板厚の関係ならびに各溶接方法で良好な溶接ができる範囲を示す概念図であって、高エネルギービームの適用によっても、従来、溶接が不可能であったＳＵＳにおいても本発明を適用することによって溶接が可能になった。【００３４】
以上の実施例によって、その他、以下の効果が明白に示された。【００３５】
・上端部に開先空間を取ることで、結晶金属が溶接金属内へ溶け出すことが抑えられる。したがって、Ｎｉ、ＳＵＳの例に見られるとおり、溶接金属の組成を、ガラス形成能を損なわない組成範囲内に制御でき、ビーム走査位置を界面側に近づけても、十分な接合強度を持つ接合体が得られる。ビーム走査位置を離さなければ接合できなかった組み合わせでも、開先空間を取ることによって、開先空間を取らない場合に接合できなかったビーム走査位置で溶接を行い、接合強度の向上ができた。【００３６】
・上端部に開先空間を取ることで、結晶金属を溶融させる分のエネルギーを金属ガラスの溶融に使うことができるため、より少ない入熱で金属ガラスのみを溶解させて十分な接合強度を持つ接合体を得ることが可能となる（例  Ｔｉ）。  上端部に開先空間を取ることによって、より低い入熱であっても同じ接合強度が得られた。【００３７】
・板厚の大きな部材を溶接する際、貫通溶接をするために溶接入熱を上げなければならない。その結果、溶融幅が広くなる。開先空間を取らない場合結晶金属側が大きく溶解され、溶接金属の組成が大きく変化するが、結晶金属側に上端部の開先空間を取ることで、結晶金属の溶解を抑えられ溶接金属の組成がガラス形成能を損なわない組成に保つことができ、十分な接合強度を持つ接合体を得ることが可能となる（例  Ｔｉ）。ｔ＝２ｍｍの場合、開先空間を取らなくても十分な接合強度が得られたが、ｔ＝３ｍｍとしたときは十分な強度が得られなかった。しかし。ｔ＝３ｍｍの場合でも開先空間を取ることで、優れた接合強度を持つ接合体が得られた。【００３８】
・ガラス形成能の劣る金属ガラスの溶接においても、結晶金属側の上端部に開先空間を取ることによって、結晶金属の溶解が抑えられ、溶接が可能となり、十分な強度を持った接合体を得ることができる（例  金属ガラスｂ）。【００３９】
・金属ガラスの成分であるＺｒ、Ｔｉはある程度溶接金属内に溶け込んでもガラス形成能を損なうことはないが、金属ガラスに含まれない成分が結晶金属側から溶接金属内に溶け込むと、ガラス形成能に大きな影響を与えるため、極力それらの成分の溶解を抑制しなければ、十分な接合強度を持った接合体は得られない。そこで結晶金属側の上端部に開先空間を取ることによって、結晶金属の溶解が抑えられ、溶接金属の組成変化が小さくなるため、開先空間を取らない場合には溶接不可能であった結晶金属と金属ガラスとの組み合わせの接合体を得ることができる  （例   金属ガラスａ−ＳＵＳ、Ｎｉ）。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による溶接方法の概要を示す。
【図２】本発明による溶接方法において、開先空間へ金属ガラスが溶融し充填された状態を示す。
【図３】ビーム照射の体系化を示す図である。
【図４】本発明による溶接箇所の溶接金属の組成に変化がないことを示す図である。
【図５】従来法による溶接箇所の溶接金属の組成に変化があることを示す図である。
【図６】本発明による金属ガラスとステンレス鋼の接合体の微少領域X線回折試験の結果を示す図である。
【図７】従来法による金属ガラスとステンレス鋼の接合体の微少領域X線回折試験の結果を示す図である。
【図８】Ｚｒ基金属ガラスに各種結晶金属が溶解した場合の溶融部のガラス形成能の変化を示す概念図である。
【図９】Ｚｒ基金属ガラスに各種結晶金属がある一定量溶解した場合における溶接の困難さと板厚の関係ならびに各溶接方法で良好な溶接ができる範囲を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  金属ガラス
２  結晶金属
３  接合面
４  溶融部    ４１  上端溶融部    ４２  下方溶融部
Ｘ  高エネルギ−ビーム
Ｙ  開先空間形成線
【図１】
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【図２】
2009014221.tif 000006
【図３】
2009014221.tif 000007
【図４】
2009014221.tif 000008
【図５】
2009014221.tif 000009
【図６】
2009014221.tif 000010
【図７】
2009014221.tif 000011
【図８】
2009014221.tif 000012
【図９】
2009014221.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成22年1月22日(2010.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、突き合わせ面の結晶金属側上端部のみに開先空間を形成するとともに、または、単独に、金属ガラスと結晶金属との突き合わせ材を高エネルギービームに対して傾斜することによっても、
溶融部の組成を高ガラス形成能組成範囲に制御することができる。通常の高エネルギービームによる溶接の場合、
溶融部よりも熱影響部の方が結晶化しやすく、また、被接合材の板厚が厚くなるほど冷却速度が遅くなり結晶化しやすくなる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
図１は、本発明の溶接法を示す。同図において、金属ガラス１として Ｚｒ基金属ガラスを、また、結晶金属２として、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，ＳＵＳ３１６Ｌを用いた。  金属ガラス１と結晶金属２を当接するに当たっては、結晶金属２側の開先空間の上部に、深さが０．５ｍｍ、巾が０．５ｍｍの直線状にカットされた開先空間Ｙを形成した。溶接条件として、加速電圧は６０ｋＶ一定とし、電流と速度を変化させ、当接面から金属ガラス１側にシフトして溶接を行った。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
同表において、接合状態を◎、○、△、ｘによって示す。◎は接合部位が接合した金属ガラスと全く同一のアモルファス組織を有し接合効率１００％以上で曲げ試験で破断しないものであった。○は接合効率が１００％以上であって、曲げ試験で破断し、溶接金属が金属ガラスと同一のアモルファス組織を有するものである。△は接合効率５０％以上１００％未満であり、ｘは接合効率５０％未満であって、金属間化合物が存在し、接合した金属ガラスとは異質の組織を有するものであった。
【国際調査報告】
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