(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン又はチタン合金材に孔を加工した後、これを鋼材に重ね、鋼部にチタン又はチタン合金部がクラッドされたクラッド片を前記孔内に配置し、クラッド片の鋼部を前記鋼材にアークスタッド溶接し、次いで前記クラッド片のチタン又はチタン合金部を前記孔の縁部において前記チタン又はチタン合金材にアーク溶接することを特徴とするチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法。
【請求項２】
チタン又はチタン合金材に孔を加工した後、これを鋼材に重ね、チタン又はチタン合金からなる小片を前記孔内において前記鋼材の表面に摩擦圧接により接合し、次いで前記チタン小片を前記孔の縁部において前記チタン又はチタン合金材にアーク溶接することを特徴とするチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法。
【請求項３】
チタン又はチタン合金材に孔を加工した後、これを鋼材に重ね、チタン又はチタン合金からなる小片を前記孔内において前記鋼材の表面と前記チタン又はチタン合金材の前記孔縁部に同時に圧接することを特徴とするチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法。
【請求項４】
チタン又はチタン合金材に孔を加工した後、これを鋼材に重ね、前記孔内において、ＭＩＧろう付法により、鋼材の表面と、チタン又はチタン合金材の孔周辺部とを同時にプラグ接合することを特徴とするチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法。
【請求項５】
前記ＭＩＧろう付に際し、固相線温度が１０５０℃以下の銅合金からなる溶接ワイヤを使用することを特徴とする請求項４に記載のチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法。
【請求項６】
前記溶接ワイヤが、Ｓｉを１乃至４重量％、Ｍｎを０．３乃至３重量％含むＳｉ青銅系の溶接ワイヤであることを特徴とする請求項５に記載のチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、港湾構造物又は化学容器等の耐食性を向上させるために、強度部材としての鋼材に、耐食性部材としてのチタン又はチタン合金（以下、総称してチタンという）材をライニングするチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材にチタン材をクラッドする方法としては、爆発圧接又は圧延によりチタンクラッド鋼を製造する方法があるが、このような面状に接合させる方法は別として、無垢のチタン板を鋼板に数点で固定してライニングする方法としては、以下に示すものがある。
【０００３】
即ち、図１０（ａ）に示すように、鋼板１及びチタン板２に貫通孔３を加工し、この孔３にチタン製ボルト４を挿通してナット５をボルト４に緊締し、鋼板１とチタン板２とを機械的に固定する。その後、図１０（ｂ）に示すように、チタン板２とボルト４の頭部とをアーク溶接して溶接部６を形成する。これにより、チタン板２が鋼板１にライニングされる。
【０００４】
また、図１１（ａ）に示すように、チタン板２に貫通孔を加工し、この貫通孔位置に整合する位置の鋼板１にネジ孔８を加工し、チタン製ビス７によりチタン板２を鋼板１に機械的に固定する。その後、図１１（ｂ）に示すように、ビス７の頭部とチタン板２とをアーク溶接して溶接部９を形成する。これにより、チタン板２が鋼板１にライニングされる。
【０００５】
これらの方法においては、チタン板２と鋼板１が直接融合混合して脆弱な金属間化合物を生成することがなく、安定した接合部が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来のライニング方法は、いずれも、チタン板２に設けた孔と、鋼材１に設けた孔又はネジ孔とを整合させる必要があるため、孔形成位置には、高精度が要求される。このため、これらの孔を別途に加工することが困難である。
【０００７】
また、図１０に示す方法においては、使用中にボルト４が緩んでくるという問題点がある。また、図１１に示す方法では、鋼板１のネジ孔８の深さによっては、結合強度が不十分であり、チタン板２の剥離が起こる虞がある。このように、いずれの従来技術も難点がある。また、いずれの従来技術も、チタン材と鋼材との双方に前加工を行う必要があり、工程が複雑であるという欠点がある。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、前加工が不要で工程が簡素であると共に、強固にチタン材を鋼材に固定することができるチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１のチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法は、チタン又はチタン合金材に孔を加工した後、これを鋼材に重ね、鋼部にチタン又はチタン合金部がクラッドされたクラッド片を前記孔内に配置し、前記クラッド片の鋼部を前記鋼材にアークスタッド溶接し、次いでクラッド片のチタン又はチタン合金部を前記孔の縁部において前記チタン又はチタン合金材にアーク溶接することを特徴とする。
【００１０】
本第１発明においては、チタンクラッド鋼からなるクラッド片を使用して、このクラッド片の鋼部と鋼材とをアークスタッド溶接し、クラッド片のチタン又はチタン合金部とチタン又はチタン合金材とをアーク溶接するから、異種金属が溶融混合することがなく、脆弱な金属間化合物の生成もない。
【００１１】
本発明に係る第２のチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法は、チタン又はチタン合金材に孔を加工した後、これを鋼材に重ね、チタン又はチタン合金からなる小片を前記孔内において前記鋼材の表面に摩擦圧接により接合し、次いで前記チタン小片を前記孔の縁部において前記チタン又はチタン合金材にアーク溶接することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る第３のチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法は、チタン又はチタン合金材に孔を加工した後、これを鋼材に重ね、チタン又はチタン合金からなる小片を前記孔内において前記鋼材の表面と前記チタン又はチタン合金材の前記孔縁部に同時に圧接することを特徴とする。
【００１３】
本第２発明及び第３発明においては、チタン又はチタン合金の小片を使用して、この小片と鋼材とを摩擦圧接により接合し、小片とチタン又はチタン合金材とをアーク溶接又は摩擦圧接により接合しているので、同様にチタン又はチタン合金材と鋼材とが溶融混合することがない。
【００１４】
本発明に係る第４のチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法は、チタン又はチタン合金材に孔を加工した後、これを鋼材に重ね、前記孔内において、ＭＩＧろう付法により、鋼材の表面と、チタン又はチタン合金材の孔周辺部とを同時にプラグ接合することを特徴とする。
【００１５】
このチタン又はチタン合金材の鋼材へのライニング方法において、前記ＭＩＧろう付に際し、固相線温度が１０５０℃以下の銅合金からなる溶接ワイヤを使用することができる。また、前記溶接ワイヤが、Ｓｉを１乃至４重量％、Ｍｎを０．３乃至３重量％含むＳｉ青銅系の溶接ワイヤであることが好ましい。
【００１６】
ＭＩＧろう付けの場合は、通常のアーク溶接の場合に比して極めて低い電流条件で接合することができる。従って、鋼材及びチタン又はチタン合金材の双方共、必要にして最少の溶融（希釈）状態で金属接合が得られ、健全な接合部が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本第１発明の実施例を示す断面図である。先ず、図１（ａ）に示すように、チタン板１２に孔１３を穿設し、鋼板１１にチタン板１２を重ねる。この場合に、鋼板１１には孔は形成されておらず、従って孔位置を整合させる位置合わせは不要である。
【００１８】
図１（ｂ）はクラッド片１４を示す。このクラッド片１４は、チタン材と鋼材とを爆着法又は圧延法等によりクラッドしたチタンクラッド鋼から採取し、所定形状に加工したものである。即ち、クラッド片１４は孔１３より若干小径の鋼部１６と、この鋼部１６及び孔１３より大径のチタン部１５とを有する。
【００１９】
そして、図１（ｃ）に示すように、このクラッド片１４をその鋼部１６を孔１３内に挿入し、鋼部１６とその下方に位置する鋼板１１とをアークスタッド溶接により溶接する。この場合に、アークスタッド溶接においては、チタン板１２をアークによって溶融させることがないため、溶接機のスタッドと鋼板１１との間に生成した溶融金属と、チタンとは溶融反応しない。このため、鉄とチタンとの極めて脆弱な金属間化合物は形成せれず、鋼同士の強固な金属結合が生じる。
【００２０】
次いで、図１（ｄ）に示すように、クラッド片１４のチタン部１５とチタン板１２の孔周辺部とを、アーク溶接により接合し、接合部１７を形成する。このアーク溶接は、チタン板１２の下方に位置する鋼板１１までは溶融させない条件で溶接する。これにより、このアーク溶接は、通常のチタン同士の溶接になるため、冶金的問題を生じることなく溶接することが可能である。以上の工程により、強固にチタン材を鋼材にライニングすることができる。
【００２１】
なお、本実施例においては、鋼板には前加工を施さなかったが、スタッド溶接時の溶融金属のスペースを確保するという観点から、図３に示すように、鋼板１１にも浅い凹部１８を加工しておくことができる。
【００２２】
次に、本願第２発明及び第３発明の実施例について説明する。チタン又はチタン合金材と鋼材とを直接溶融接合すると、極めて脆弱な金属間化合物が生成し、溶接部に割れが生じてしまう。しかし、摩擦圧接においては、基本的には接合界面は溶融混合せず、高温での短時間の拡散反応が生じるだけである。このため、摩擦圧接においては、圧接条件を最適化することにより、チタン又はチタン合金材と鋼材とを直接接合することが可能である。
【００２３】
図４は本願第２発明の実施例を示す断面図である。図４（ａ）に示すように、孔２３が穿設されたチタン板２２を鋼板２１に重ねる。図４（ｂ）は、チタン又はチタン合金からなる小片２４を示し、この小片２４は孔２３より大径の大径部２５と孔２３より若干小径の小径部２６とを有する形状に加工しておく。そして、この小片２４を、図４（ｃ）に示すように、その小径部２６を孔２３に嵌合し、この小径部２６の下面と鋼板２１とを摩擦圧接する。このときの、圧接の条件としては、鉄とチタンとの反応を極力抑制し、強固に接合できるものとする。この条件として、例えば、摩擦圧力：７乃至９ｋｇｆ／ｍｍ２、アプセット圧力：１５乃至２５ｋｇｆ／ｍｍ２、摩擦代２乃至４ｍｍ、回転数２０００乃至６０００ｒｐｍがある。
【００２４】
その後、図４（ｄ）に示すように、チタン小片２５の上部大径部２５とチタン板２２の孔周辺部とを、アーク溶接し、溶接部２７を形成する。このアーク溶接に際して、当然のことながら、チタン板２３の下方に位置する鋼板２１まで溶融させない条件で溶接する。このアーク溶接においては、通常のチタン同士の溶接になるため、チタン又はチタン合金と鋼との混合溶融の問題がなく、脆化が生じない接合が可能である。以上の工程により、強固にチタン板２２を鋼板２１にライニングすることができる。
【００２５】
図５は本願第３発明の実施例を示す断面図である。本実施例においては、チタン小片２８はチタン板２１に設けた孔２３より大径の円柱状をなす。そして、図５（ａ）に示すように、孔２３を設けたチタン板２２を鋼板２１に重ね、孔２３内にてチタン片２８を鋼板２１の表面及びチタン板２２の孔周辺部に対して同時に摩擦圧接により接合する。
【００２６】
このときのチタン小片は２８チタン板２２に設けられた孔２３の径より大径のものとする。チタン小片の径がチタン板２２の孔径より小さい場合は、図６に示すように、チタン同士の接合部２９における圧接時の圧力が不足し、健全な接合部を得ることができない。
【００２７】
図５に示した本実施例方法においては、使用目的によっては圧接後のチタン小片２８の頭部の手入れが必要となるものの、図４に示す第２実施例に比して、その接合作業が極めて能率的である。
【００２８】
次に、本願第４発明の実施例について説明する。チタン又はチタン合金と鋼とを直接溶融接合すると、極めて脆弱な金属間化合物が生成し、割れの発生を回避することは困難である。従って、溶接ワイヤを使用する場合を含めて、チタン材と鋼材とを直接接合する際に、如何にしてチタン材中のチタンと鋼材中の鉄とを溶融混合させずに、溶接金属そのものの延性を確保するかということ、また如何にして、チタン材と鋼材との界面近傍に脆い反応層を生成させないかということが重要である。
【００２９】
本願第４発明においては、ＭＩＧろう付け法によりチタン材と鋼材とを直接接合する。このＭＩＧろう付による方法では、通常のアーク溶接によるものに比して、極めて低い電流条件を適用することができる。これは、ＭＩＧ溶接においては、ワイヤに融点の低い銅合金を使用することができること、及び細径ワイヤを使用することによる効果である。
【００３０】
図９は本第４発明の実施例を示す断面図である。鋼板３１上に、孔３３が穿設されたチタン板３２を重ね、この孔３３内において、ＭＩＧスポットろう付けにより孔周辺部のチタン板３２と孔下部の鋼板３１とを接合する。これにより、孔３３内を充填した溶接金属３４がプラグ状に孔３３から盛り上がって形成される。
【００３１】
本実施例においては、ＭＩＧろう付けにより鋼板３１とチタン板３２とを孔３３内で接合するから、融点が低い銅合金系の溶接ワイヤを使用し、低電流条件で溶接することができる。
【００３２】
このため、本実施例においては、チタン板３２中のチタンと鋼板３１中の鉄との溶融混合を防止でき、チタン板と鋼板との界面近傍における脆い反応層の生成を抑制しつつ、チタン板と鋼板とを直接接合することができる。
【００３３】
而して、溶接ワイヤとしてＳｉ青銅系のワイヤを使用すれば、チタン材側及び鋼材側の双方に対して溶接金属の濡れ性が優れたものとなり、これにより良好かつ密着性が優れたビードが得られる。このような溶接ワイヤにより、適正範囲でのアーク条件で、チタン又はチタン合金材の孔内で、このチタン又はチタン合金材とその下方の鋼材とをＭＩＧスポットろう付することにより、前記孔内が溶接金属で充填され、プラグ状の溶接部が得られる。これにより、チタン材側及び鋼材側とも、必要にして最小の溶融（希釈）状態で、金属接合状態が得られる。また、ＭＩＧろう付時には、Ａｒを代表とする不活性ガスでシールドし、直流のアークにより電極（ワイヤ）側を正極として施工する。これにより、アーク発生時に母材側でクリーニングアクションが起こるため、チタン材側及び鋼材側とも接合部の清浄度が向上し、より健全な接合部が得られる。
【００３４】
施工能率の面においても、本実施例は、溶接ビードの手入れ作業は別として、１工程で施工が完了するため、極めて能率的である。
【００３５】
なお、本実施例方法で使用される溶接ワイヤの径については、前述のように、基本的には低電流の条件で、安定したアークを発生させる必要があるため、０．８乃至１．２ｍｍであることが好ましい。ワイヤ径が１．２ｍｍを超えると、安定したアークを得るための電流が過大となり、母材を過剰に溶融させてしまい、前述の脆弱な化合物の生成につながる。一方、ワイヤ径が０．８ｍｍ未満になると、ワイヤそのものの製造コストが極めて高くなると共に、ワイヤの送給性が劣るという不利がある。このため、ワイヤ径は０．８乃至１．２ｍｍにすることが好ましい。
【００３６】
【実施例】
次に、本発明の第１実施例方法により、鋼板にチタン板をライニングし、その品質を試験した結果について説明する。ＪＩＳＨ４６００、ＴＰ２７０の板厚１ｍｍのチタン板を、板厚１２ｍｍの軟鋼板に固定した。試験板の平面サイズは双方とも５０ｍｍ×１００ｍｍとし、チタン板材の中央に直径が４乃至１２ｍｍの種々の孔を加工した後、これを軟鋼板上に重ねた。
【００３７】
図２はクラッド片の形状及び寸法を示す。このクラッド片は爆着法により製作したチタンクラッド鋼から数種の孔部直径のものを採取し、試験に供した。クラッド片のスタッド溶接は、市販のアークスタッド溶接機を用い、それぞれの直径により電流及びアークタイム条件を変化させて溶接した。その後、クラッド片とチタン板との溶接は、ＴＩＧ溶接法により、電流条件：１５０〜１８０Ａ、電圧条件：１２〜１４Ｖで溶接した。下記表１はスタッド溶接条件を示す。
【００３８】
溶接完了後、チタン板を鋼板から剥がす試験を行った。下記表２は各試験条件と引き剥がし試験での評価結果を示す。ＴＩＧ溶接部の周りのチタン板母材が破れ、所謂ボタン破断したものを合格（○）とし、ＴＩＧ溶接部で破断した場合を不合格（×）とした。
【００３９】
この表１及び２から、適切な条件を選定することにより、強固なライニングが可能であることがわかる。
【００４０】
【表１】
0003617585.tif 000002
【００４１】
【表２】
0003617585.tif 000003
【００４２】
次に、本願第２発明の実施例方法により、鋼板にチタン板をライニングし、その品質を試験した結果について説明する。材質がＪＩＳＨ４６００、ＴＰ２７０、板厚が１ｍｍのチタン板を、板厚が１２ｍｍの軟鋼板にライニングする試験を行った。試験板の平面サイズは双方とも５０ｍｍ×１００ｍｍとし、チタン板の中央に直径９ｍｍの孔を加工したうえで、軟鋼板に重ねた。チタン小片として、図７に示す形状及び寸法のものを使用した。このチタン小片の摩擦圧接は、市販の摩擦圧接機を用い、種々の条件で圧接した。チタン小片とチタン板との間は、ＴＩＧ溶接法により、電流：１５０〜１８０Ａ、電圧：１２〜１４Ｖの範囲の条件で溶接した。
【００４３】
溶接完了後、チタン板を鋼板から剥がす試験を行った。下記表３はチタン小片の鋼板に対する摩擦圧接条件及び引き剥がし試験での評価結果を示す。ＴＩＧ溶接部の周りのチタン板母材が破れ、所謂ボタン破断したものを合格（○）、溶接部から破断したものを不合格（×）とした。
【００４４】
この表３に示すように、適切な条件を選定することにより、強固なライニングが可能であった。
【００４５】
【表３】
0003617585.tif 000004
次に、本願第３発明の実施例方法により、鋼板にチタン板をライニングし、その品質を試験した結果について説明する。上記第２発明の実施例と同様に、ＪＩＳＨ４６００、ＴＰ２７０の板厚１ｍｍのチタン板を、板厚１２ｍｍの軟鋼板に固定してライニングする試験を行った。試験板の平面サイズは双方とも５０ｍｍ×１００ｍｍとし、チタン板の中央に直径６ｍｍの孔を加工したうえで、軟鋼板を重ねた。チタン小片として、図８に示す形状及び寸法のものを製作し、接合試験に供した。即ち、このチタン小片とチタン板及び鋼板の双方とを同時に摩擦圧接した。この摩擦圧接は、市販の摩擦圧接機を使用し、回転数を３０００ｒｐｍと一定とし、下記表４に示す種々の条件で圧接した。
【００４６】
溶接完了後、チタン板材を鋼板から引き剥がす試験を行った。下記表４の評価結果欄において、圧接部の界面から破断したものは不合格（×）、チタン板母材が破れる所謂ボタン破断したものを合格（○）とした。
【００４７】
下記表４に示すように、適切な条件を選定することにより、チタン板を１工程で鋼板に強固にライニングすることが可能である。
【００４８】
【表４】
0003617585.tif 000005
【００４９】
次に、本願第４発明の実施例方法により、鋼板とチタン板とをスポット接合し、その接合部の品質を調査した結果について説明する。ＪＩＳＨ４６００、ＴＰ２７０の板厚１ｍｍのチタン板を、板厚１２ｍｍの軟鋼板に固定した。試験板の平面サイズは双方とも５０ｍｍ×１００ｍｍとし、チタン板材の中央に直径８ｍｍの孔を加工したうえで、軟鋼板に重ね、種々の溶接ワイヤを使用したアーク溶接方法（ＭＩＧ及びＭＩＧろう付け）で両者を溶接した。
【００５０】
溶接完了後、目視及び浸透探傷検査により、溶接部の割れの有無を調べ、施工条件の適否を判定した。
【００５１】
下記表５は溶接方法及び溶接条件とその判定結果を示す。表５に示すように、ＭＩＧ溶接によるものは割れの発生を回避できなかったが、比較的低い電流条件による溶接が可能なＭＩＧろう付けによる本実施例方法では、割れの発生が認められず、良好な溶接品質が得られた。
【００５２】
【表５】
0003617585.tif 000006
【００５３】
次に、本願第４発明の実施例方法において、チタン板に設けた孔の直径を種々変更してその溶接品質を調査した結果について説明する。表５に示す実施例と同様にＪＩＳＨ４６００、ＴＰ２７０の板厚１ｍｍのチタン板材と、板厚１２ｍｍの軟鋼板とを使用した。試験板の平面サイズは双方とも５０ｍｍ×１００ｍｍとし、チタン板の中央に種々の径の孔を加工した上で、軟鋼板に重ね、直径が０．８ｍｍの３％Ｓｉ−Ｃｕ青銅系ワイヤを使用して、ＭＩＧスポット溶接を行った。
【００５４】
溶接完了後、目視及び浸透探傷検査により、溶接部の割れの有無を調べると共に、割れが認められなかったものについては、チタン板材を鋼板から引き剥がす試験を行い、溶接部の界面から破断したものは不合格（×）、チタン板母材が破れ、所謂ボタン破断したものを合格（○）とした。
【００５５】
下記表６はその試験条件及び評価結果を示す。この表６に示すように、適切な条件を選定することにより、チタン板を１工程で鋼板に強固にライニングすることが可能である。
【００５６】
【表６】
0003617585.tif 000007
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チタン又はチタン合金材と鋼材とを、チタン部と鋼部とからなるクラッド片を使用し、チタン又はチタン合金材及び鋼材とクラッド片との同種材料同士を溶接するか、又はチタン小片を使用し、このチタン小片と鋼材又は鋼材及びチタン又はチタン合金材とを摩擦圧接により接合するか、又はチタン又はチタン合金材の孔内でチタン又はチタン合金材と鋼材とをＭＩＧ溶接により接合するので、チタンと鉄とが溶融混合することなく、チタン又はチタン合金材と鋼材とを固定し、チタン又はチタン合金材を鋼材にライニングすることができる。従って、脆弱な金属間化合物を形成することなく、高強度の接合部を得ることができる。また、本発明によれば、チタン又はチタン合金材と鋼材に対する前加工が不要であり、両者の位置合わせも不要であって、工程が簡素であり、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例を示す断面図である。
【図２】同じくその試験に使用したクラッド片を示す図である。
【図３】同じくその変形例を示す断面図である。
【図４】第２実施例を示す断面図である。
【図５】第３実施例を示す断面図である。
【図６】その比較例を示す断面図である。
【図７】同じくその試験に使用するチタン小片を示す図である。
【図８】同じくその試験に使用するチタン小片を示す図である。
【図９】第４実施例を示す断面図である。
【図１０】従来の機械的結合方法を示す断面図である。
【図１１】従来の他の機械的結合方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１、２１、３１：鋼板
２，１２、２２、３２：チタン板
３、１３、２３、３３：孔
４：ボルト
５：ナット
６：溶接部
７：ビス
８：ネジ孔
１４：クラッド片
１５：チタン部
１６：鋼部
１７、２７、２９：接合部
１８：凹部
２４、２８：チタン小片
２５：大径部
２６：小径部
３４：溶接金属
【図１】
0003617585.tif 000008
【図２】
0003617585.tif 000009
【図３】
0003617585.tif 000010
【図４】
0003617585.tif 000011
【図５】
0003617585.tif 000012
【図６】
0003617585.tif 000013
【図７】
0003617585.tif 000014
【図８】
0003617585.tif 000015
【図９】
0003617585.tif 000016
【図１０】
0003617585.tif 000017
【図１１】
0003617585.tif 000018