(57)【要約】【課題】  冷間圧延に供される高融点金属材と低融点金属材の溶接金属部における高融点金属リッチ層の発生を防止し、溶接後の冷間圧延工程における溶接金属部の亀裂発生を防止することができる異種金属材の溶接方法を提供する。【解決手段】  冷間圧延に供される高融点金属からなる第一金属材１と低融点金属からなる第二金属材２とを突合せ溶接により接合する異種金属材の溶接方法であって、第一金属材１と第二金属材２の突合せ部に、第一金属材１側にのみベベル角度φ＝３０°〜６０°の開先３を形成したレ形開先４を設け、このレ形開先４部をアーク溶接する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷間圧延に供される高融点金属からなる第一金属材と低融点金属からなる第二金属材とを突合せ溶接により接合する異種金属材の溶接方法であって、前記第一金属材と前記第二金属材の突合せ部に、前記第一金属材側にのみベベル角度３０°〜６０°の開先を形成したレ形開先を設け、このレ形開先部をアーク溶接することを特徴とする異種金属材の溶接方法。
【請求項２】
冷間圧延に供される高融点金属からなる第一金属材と低融点金属からなる第二金属材とを突合せ溶接により接合する異種金属材の溶接方法であって、前記第一金属材と前記第二金属材の突合せ部に、下式（１），（２）を満たすベベル角度φ１の開先を前記第一金属材側に形成するとともにベベル角度φ２の開先を前記第二金属材側に形成した非対称Ｖ形開先を設け、この非対称Ｖ形開先部をアーク溶接することを特徴とする異種金属材の溶接方法。
３０°≦１.７φ２＋φ１≦６０°‥‥（１）
φ１≧２５°‥‥（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は異種金属材の溶接方法、詳しくは冷間圧延に供される高融点金属材と低融点金属材の溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に帯板材を可逆式圧延機によりリバース圧延する際には、冷間圧延機の前後に配置した巻取・巻戻装置に帯板材が巻付いたまま圧延されない部分が発生し、未圧延部分となり歩留りを低下させるので、帯板材の前後両端部に帯板材より安価なダミー材を溶接してからリバース圧延することがおこなわれている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１１−３４２４０２号公報
【０００３】
そして上記の帯板材とダミー材の溶接としては、突合せ溶接が一般的であるが、被圧延材である帯板材がＮｂやＷなどの高融点金属からなる場合、これより融点の低いＣｕやＴｉなどの低融点金属からなるダミー材を、このダミー材と帯板材の突合せ部に形成した通常のＶ形開先部のアーク溶接により帯板材と溶接すると、溶接後の冷間圧延工程において溶接部に亀裂を生じ、圧延工程を中断しなければならないという問題があった。
【０００４】
そこでこの亀裂発生の原因を発明者らが詳細な実験により追求したところ、図３（ａ）に示すように高融点金属材２１と低融点金属材２２の接合部に、通常の対称形のＶ形開先２３を設け、このＶ形開先２３部をＴＩＧ溶接あるいはＭＩＧ溶接すると、同図（ｂ）に示すように低融点金属材２２側が広範囲に溶融し、溶接金属２４の撹拌が不十分となる結果、高融点金属材２１側の表層部に高融点金属成分を多量に含む高融点金属リッチ層２５が形成され、このリッチ層部は、融点が高く冷却の最終段階で凝固し、延性が乏しく、結晶粒も粗いため、次工程の冷間圧延時における溶接部の亀裂発生の原因となっていることが判明した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明は上記の点にかんがみてなされたもので、冷間圧延に供される高融点金属材と低融点金属材の溶接金属部における高融点金属リッチ層の発生を防止し、溶接後の冷間圧延工程における溶接金属部の亀裂発生を防止することができる異種金属材の溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の異種金属材の溶接方法は、冷間圧延に供される高融点金属からなる第一金属材と低融点金属からなる第二金属材とを突合せ溶接により接合する異種金属材の溶接方法であって、前記第一金属材と前記第二金属材の突合せ部に、前記第一金属材側にのみベベル角度３０°〜６０°の開先を形成したレ形開先を設け、このレ形開先部をアーク溶接することを特徴とする。
【０００７】
また請求項２記載の異種金属材の溶接方法は、冷間圧延に供される高融点金属からなる第一金属材と低融点金属からなる第二金属材とを突合せ溶接により接合する異種金属材の溶接方法であって、前記第一金属材と前記第二金属材の突合せ部に、下式（１），（２）を満たすベベル角度φ１の開先を前記第一金属材側に形成するとともにベベル角度φ２の開先を前記第二金属材側に形成した非対称Ｖ形開先を設け、この非対称Ｖ形開先部をアーク溶接することを特徴とする。
３０°≦１.７φ２＋φ１≦６０°‥‥（１）
φ１≧２５°‥‥（２）
【０００８】
この発明において高融点金属とは、融点が２４００℃以上の金属を称し、たとえばＮｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗなどをこの高融点金属の例として挙げることができる。またこの発明において低融点金属とは、融点が１０００℃〜１９００℃の金属を称し、たとえばＡｕ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｐｔ，Ｚｒなどをこの低融点金属の例として挙げることができ、第二金属材はこれらの金属単体からなる単一金属材、およびこれらの金属を主成分とする合金材の、両方を含むものとする。そして溶接する高融点金属と低融点金属との組合わせは、冷間圧延対象となる高融点金属と全率固溶として合金化される低融点金属を選択することで決定される。具体的にはＮｂに対してはＣｕ，Ｚｒ，Ｖ，Ｔｉが、Ｍｏに対してはＡｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｖ，Ｔｉ，Ｐｔが、Ｗに対してはＣｒ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｖが、Ｔａに対してはＺｒ，Ｔｉが、それぞれ好適な組合わせとして用いられる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の異種金属材の溶接方法によれば、冷間圧延に供される高融点金属材と低融点金属材の溶接金属部における高融点金属リッチ層の発生を防止し、溶接後の冷間圧延工程における溶接金属部の亀裂発生を防止することができる。
【００１０】
また上記の効果に加えて請求項１記載の発明によれば、第二金属材側の開先加工は不要であるので、開先加工費が低コストで済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図１により、請求項１記載の発明（以下第１発明という）の実施の形態を説明する。図中、１は高融点金属からなる板状の第一金属材、２は低融点金属からなる板状の第二金属材で、図は両金属材の突合せ部を拡大図示した断面図である。溶接にあたっては、先ず図１（ａ）に示すように、第一金属材１にのみベベル角度φ＝３０°〜６０°の開先３を形成したレ形開先４を設ける。
【００１２】
そしてこのレ形開先４部を、第二金属材２と同種の低融点金属を溶加材としてアーク溶接し、図１（ｂ）に示すように第一金属材１と第二金属材２が溶接金属５部により接合された突合せ溶接状態を得る。
【００１３】
このとき開先部は、高融点金属からなる第一金属材１側にのみ開先を設けたレ形開先４であるので、アーク溶接時における熱源の中心が高融点金属側にシフトされ、高融点金属側に安定したアーク熱を投射することにより溶融池の撹拌が十分おこなわれ、溶接金属５部は概ね均一な成分となり、従来例のような高融点金属リッチ層２５（図３参照）の形成が防止され、後工程の冷間圧延時における溶接継手部の亀裂発生が防止されるのである。
【００１４】
また第１発明においてレ形開先４の開先角度である第一金属材１側に設ける開先３のベベル角度φを３０°〜６０°に限定するのは、発明者らが後述する実施例および比較例を含む多数の実験をおこなって見出した知見にもとづくものである。すなわち、このベベル角度φが３０°未満だと溶融範囲が狭すぎて、アーク溶接中における溶融池の撹拌が不十分になり、高融点金属リッチ層が溶接金属５の表層部に残存して冷間圧延時の亀裂発生の原因となりやすく、またベベル角度φが６０°を越えると、高融点金属（第一金属材１）および溶加材にアーク熱が大量に奪われ、低融点金属（第二金属材２）側の溶け込み不良により、冷間圧延時に第二金属材側のボンド部で破断しやすいということが、上記実験により確認されたので、上記ベベル角度φを３０°〜６０°の範囲に限定するものである。
【００１５】
上記のアーク溶接は種々の方式のものでおこなうことができるが、高融点金属の高温時における酸化を防止するためにＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接などのガスシールドアーク溶接によるのが特に好ましい。そして冷間圧延工程において、第一金属材１（高融点金属）からなる帯板材の両端部に第二金属材２（低融点金属）からなるダミー材を溶接する場合は、可逆式圧延機の前工程側の圧延ライン上で、上記の開先加工および開先部のアーク溶接をおこなうようにすればよい。
【００１６】
またこの第１発明の溶接方法による場合は、上記のように第一金属材１側にのみ開先を形成するレ形開先４の採用により、第二金属材２側の開先加工は不要であり、開先加工費が低コストで済む。
【００１７】
次に図２により、請求項２記載の発明（以下第２発明という）の実施の形態を説明する。図中、１１は高融点金属からなる板状の第一金属材、１２は低融点金属からなる板状の第二金属材で、図は両金属材の突合せ部を拡大図示した断面図である。溶接にあたっては、先ず図２（ａ）に示すように、第一金属材１１に下式（１），（２）を満たすベベル角度φ１の開先１３を形成するとともにベベル角度φ２の開先１４を第二金属材１２に形成して、非対称Ｖ形開先１５を設ける。
３０°≦１.７φ２＋φ１≦６０°‥‥（１）
φ１≧２５°‥‥（２）
【００１８】
そしてこの非対称Ｖ形開先１５部を、第二金属材１２と同種の低融点金属を溶加材としてアーク溶接し、図２（ｂ）に示すように第一金属材１１と第二金属材１２が溶接金属１６部により接合された突合せ溶接状態を得る。
【００１９】
このとき開先部は、高融点金属からなる第一金属材１１側のベベル角度φ１が低融点金属からなる第二金属材１２側のベベル角度φ２より大きい非対称Ｖ形開先１５であるので、アーク溶接時における熱源の中心が高融点金属側にシフトされ、高融点金属側に安定したアーク熱を投射することにより溶融池の撹拌が十分おこなわれ、溶接金属１６部は概ね均一な成分となり、従来例のような高融点金属リッチ層２５（図３参照）の形成が防止され、後工程の冷間圧延時における溶接継手部の亀裂発生が防止されるのである。
【００２０】
また第２発明において上記ベベル角度φ１，φ２を上記式（１），（２）を満たす角度に限定するのは、発明者らが後述する実施例および比較例を含む多数の実験をおこなって見出した知見にもとづくものである。すなわち、第１発明のレ形開先の代りにこのレ形開先に近い形の非対称Ｖ形開先、すなわち第一金属材１１側のベベル角度φ１が第二金属材１２側のベベル角度φ２より大である非対称Ｖ形開先１５を突合せ部に設けてアーク溶接した場合の溶接継手および溶接金属部の特性について、各金属材の材質およびベベル角度φ１，φ２を種々変化させて実験をおこない、得られたデータを整理して得た実験式が式（１），（２）である。この式（１），（２）を満たすベベル角度φ１，φ２の選定により、溶接金属１６部における高融点金属リッチ層の形成による冷間圧延工程時の亀裂の発生が防止されることが、上記の実験により確認されたので、上記ベベル角度φ１，φ２を、式（１），（２）を満たす角度に限定するものである。
【実施例】
【００２１】
（第１発明）
次に、前記図１にもとづいて説明した第１発明の実施例について、発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図１における第一金属材１（高融点金属）として厚さ５mm×巾２００mm×長さ２００mmのＮｂ板を用い、第二金属材２（低融点金属）として同サイズのＴｉ板を用いて、表１に示すように０°〜８０°の９種類のベベル角度φを有するレ形開先４を両金属材の突合せ部にそれぞれ形成して、この開先部を溶加材としてＴｉ（溶加棒）を用いてＴＩＧ溶接により溶接し、得られた接合板から試験片を切出してＪＩＳ  Ｚ３１２１（突合せ溶接継手の引張試験方法）に依り引張試験をおこなうとともに、上記接合板を溶接ビードに直交する方向に切断した試験片を、樹脂に埋込み研磨後、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）により組成分析して溶接金属５中の高融点金属（Ｎｂ）の含有量最大値を測定した。
【００２２】
また第一金属材１として厚さ５mm×巾２００mmのコイル状のＮｂ板を用い、第二金属材２として長さ約１０ｍである他はこのＮｂ板と同断面寸法のＴｉ板を用い、上記と同じレ形開先４部に上記と同じＴＩＧ溶接を施して、ダミー材（第二金属材２）付きの帯板材（第一金属材１）とし、４段可逆式冷間圧延機により６回のリバース圧延を施して厚さ２mmの圧延板を得、溶接部の亀裂の有無をチェックした。上記の各試験結果は表１に示す通りである。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１から明らかなように、ベベル角度φが３０°〜６０°の範囲にある実施例１〜４では、溶接継手（溶接金属５）の引張強度は母材以上であり、溶接金属５部に高融点金属Ｎｂのリッチ層も形成されておらず、この結果、冷間圧延工程においても溶接金属５部の亀裂発生は見られず、良好な溶接・接合状態が得られている。
【００２５】
これに対して、ベベル角度φが０°〜２０°の比較例５〜７では、開先角度が小さいことにより高融点金属Ｎｂのリッチ層が形成されて冷間圧延工程において溶接金属５部に亀裂が発生する。このリッチ層は、横断面でのＥＤＸによる組成分析、あるいは、その後の冷間圧延工程において、シワ状の亀裂を確認した際に結果として認識できる。またベベル角度φが７０°〜８０°の比較例８，９では、第一金属材１（低融点金属Ｔｉ）側の溶込み不良により引張試験時にはボンド部での破断が見られる。ボンド部破断では、母材破断に比べて約５０Ｎ／mm２引張強度が低下する。具体的には、母材破断は約２６０Ｎ／mm２、ボンド部破断は約２１０Ｎ／mm２である。この溶込み不良が原因となって冷間圧延工程時において溶接金属５部の亀裂発生が見られ、第１発明のベベル角度φの限定範囲を越えた比較例では、いずれも良好な溶接・接合状態が得られなかった。
【００２６】
（第２発明）
次に、前記図２にもとづいて説明した第２発明の実施例について、発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図２における第一金属材１１（高融点金属）として厚さ５mm×巾２００mm×長さ２００mmのＮｂ板を用い、第二金属材１２（低融点金属）として同サイズのＴｉ板を用いて、表２に示すように式（１），（２）を満たすベベル角度φ１，φ２を有する１０種類（Ｎｏ．１〜１０）の非対称Ｖ形開先１５、および式（１），（２）を満たさないベベル角度φ１，φ２を有する８種類（Ｎｏ．１１〜１８）の非対称Ｖ形開先１５を、両金属材の突合せ部にそれぞれ形成して、この開先部を溶加材としてＴｉ（ワイヤ）を用いてＴＩＧ溶接により溶接し、得られた接合板から試験片を切出してＪＩＳ  Ｚ３１２１（突合せ溶接継手の引張試験方法）に依り引張試験をおこなうとともに、上記接合板を溶接ビードに直交する方向に切断した試験片を、樹脂に埋込み研磨後、ＥＤＸにより組成分析して溶接金属５中の高融点金属（Ｎｂ）の含有量最大値を測定した。
【００２７】
また第一金属材１１として厚さ５mm×巾２００mmのコイル状のＮｂ板を用い、第二金属材１２として長さ約１０ｍである他はこのＮｂ板と同断面寸法のＴｉ板を用い、上記と同じ非対称Ｖ形開先１５部に上記と同じＴＩＧ溶接を施して、ダミー材（第二金属材１２）付きの帯板材（第一金属材１１）とし、４段可逆式冷間圧延機により６回のリバース圧延を施して厚さ２mmの圧延板を得、溶接部の亀裂の有無をチェックした。上記の各試験結果は表２に示す通りである。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２から明らかなように、ベベル角度φ１，φ２が式（１），（２）を満たす範囲にある実施例１〜１０では、溶接継手（溶接金属１６）の引張強度は母材以上であり、溶接金属１６部に高融点金属Ｎｂのリッチ層も形成されておらず、この結果、冷間圧延工程においても溶接金属１６部の亀裂発生は見られず、良好な溶接・接合状態が得られている。
【００３０】
これに対してベベル角度φ１，φ２が、式（１）および式（２）を満たさない比較例１１，式（１）のみを満たさない比較例１２，１４，１６，１８、式（２）のみを満たさない比較例１３，１５，１７においては、第一金属材１１（低融点金属Ｔｉ）側の溶込み不良による引張試験時におけるボンド部での破断や、高融点金属Ｎｂのリッチ層の形成による冷間圧延工程における溶接金属５部に亀裂の発生などが見られ、式（１），（２）を満たさないベベル角度φ１，φ２を採用した場合は、いずれも良好な溶接・接合状態が得られなかった。
【００３１】
この発明は上記各例に限定されるものではなく、たとえば高融点金属としてＮｂを用い低融点金属としてＣｕを用いるなど、高融点金属および低融点金属は上記以外のものを用いてもよく、またアーク溶接時の溶加材は第二金属材の構成金属とは別の金属を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１発明の溶接方法の実施の形態の例を示す突合せ溶接部の断面図で、（ａ）は開先形成状態、（ｂ）は溶接後のビード形成状態を示す。
【図２】第２発明の溶接方法の実施の形態の例を示す突合せ溶接部の断面図で、（ａ）は開先形成状態、（ｂ）は溶接後のビード形成状態を示す。
【図３】従来の高融点金属材と低融点金属材の溶接方法の例を示す突合せ溶接部の断面図で、（ａ）は開先形成状態、（ｂ）は溶接後のビード形成状態を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１…第一金属材、２…第二金属材、３…開先、４…レ形開先、５…溶接金属、１１…第一金属材、１２…第二金属材、１３…開先、１４…開先、１５…非対称Ｖ形開先、１６…溶接金属。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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