(57)【要約】【課題】これまで困難とされていたチタンとアルミからなる異種金属溶接継手を、良好な接合強度を達成しつつ作製することのできる有用な方法、およびその様な溶接継手を提供する。【解決手段】チタンまたはチタン合金と、アルミまたはアルミ合金を溶接して継手を作製するに当たり、ＴＩＧ溶接法を適用すると共に、その溶接電源として交流、または逆極性成分を３０％以上含む直流電源を用い、且つ溶加材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンまたはチタン合金と、アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶接して継手を作製するに当たり、ＴＩＧ溶接法を適用すると共に、その溶接電源として交流、または逆極性成分を３０％以上含む直流を用い、且つ溶加材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を用いることを特徴とする異種金属からなる溶接継手の作製方法。
【請求項２】
チタンまたはチタン合金と、アルミニウムまたはアルミニウム合金を重ね溶接して重ね溶接継手を作製するに際して、アルミニウムまたはアルミニウム合金を重ね継手の上方に位置させると共に、アークをチタンまたはチタン合金側に指向させつつ前記溶加材を供給して操業する請求項１に記載の溶接継手の作製方法。
【請求項３】
チタンまたはチタン合金から溶接金属部へのチタンの拡散率が１０質量％以下となる様に制御する請求項２に記載の溶接継手の作製方法。
【請求項４】
チタンまたはチタン合金と、アルミニウムまたはアルミニウム合金を突合せ溶接して突合せ溶接継手を作製するに際して、前記溶加材を供給しつつＴＩＧ溶接法を適用することによって、チタンまたはチタン合金の開先面に肉盛溶接層を形成した後、アルミまたはアルミ合金の開先面と前記肉盛溶接層とを、アーク溶接法、レーザ溶接法または電子ビーム溶接法によって突合せ溶接する請求項１に記載の溶接継手の作製方法。
【請求項５】
チタンまたはチタン合金と、アルミまたはアルミ合金を突合せ溶接して形成された突合せ溶接継手であって、両者の間には２層以上の溶接金属層が形成されており、少なくともチタンまたはチタン合金側の溶接金属層はＡｌ−Ｓｉ系金属からなるものであることを特徴とする突合せ溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、チタンまたはチタン合金（以下、「チタン」で代表することがある）と、アルミニウムまたはアルミニウム合金（以下、両者をまとめて「アルミ」と言うことがある）とを溶接によって接合した異種金属からなる溶接継手、およびこうした溶接継手を作製する方法に関するものであり、殊にこれまで溶接接合が困難とされていたチタンとアルミとを良好な接合強度を達成しつつ作製される溶接継手、およびこうした溶接継手を作製するための有用な方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
チタンは強度や耐食性に優れた効果を発揮し、またアルミは軽量であるという特性を有することから、夫々の特性を生かした各分野で従来から使用されている。近年、輸送機、化学機械、レジャー用機器等の分野において、チタン材とアルミ材の夫々の特性を有効に発揮させという観点から、両者を併用することが多く検討されている。
【０００３】
例えば、ボート等の船舶においては、その外装には耐食性および強度に優れたチタン材が使用され、その内装には軽量なアルミ材を使用することによって、全体としての軽量化を図りつつ耐食性および強度に優れたものとすることも考えられている。そして、こうした用途に使用される場合には、チタン材とアルミ材とを効果的に接合する技術が必要になってくる。
【０００４】
チタンとアルミを接合するに当たって、溶融溶接法を適用することも考えられるが、この方法で両者を接合すると接合部にＴｉ−Ａｌ系の脆弱な化合物が形成されて割れが発生し易いという問題がある。こうしたことから、チタンとアルミを接合する手段としては、従来から真空雰囲気や不活性雰囲気でのロウ付けが行われるのが一般的である。しかしながら、ロウ付けによって両者を接合したものでは、被接合材の大きさが真空炉の大きさにより制限されることや、その接合強度が十分とはいえず、特に衝撃を受けやすい部分には適用できないことから、その使用は極く限られた範囲となっているのが実情である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、これまで困難とされていたチタンとアルミからなる異種金属溶接継手を、良好な接合強度を達成しつつ作製することのできる有用な方法、およびその様な溶接継手を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明に係る溶接継手の作製方法とは、チタンまたはチタン合金と、アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶接して継手を作製するに際して、ＴＩＧ溶接法を採用すると共に、その溶接電源として交流、または逆極性成分を３０％以上含む直流電源を用い、且つ溶加材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を用いる点に要旨を有するものである。
【０００７】
本発明方法における具体的な方法としては、チタンまたはチタン合金と、アルミニウムまたはアルミニウム合金を重ね溶接して重ね溶接継手を作製するに際して、アルミニウムまたはアルミニウム合金を重ね継手の上方に位置させると共に、アークをチタンまたはチタン合金側に指向させつつ前記溶加材を供給して操業する方法が挙げられる。この方法においては、チタンまたはチタン合金から溶接金属部へのチタンの拡散率が１０質量％以下となる様に制御することが好ましい。
【０００８】
また、本発明方法における具体的な他の方法としては、チタンまたはチタン合金と、アルミまたはアルミ合金を突合せ溶接して突合せ溶接継手を作製するに際して、前記溶加材を供給しつつＴＩＧ溶接法を適用することによって、チタンまたはチタン合金の開先面に肉盛溶接層を形成した後、アルミまたはアルミ合金の開先面と前記肉盛溶接層とを、アーク溶接法、レーザ溶接法または電子ビーム溶接法によって突合せ溶接する方法が挙げられる。
【０００９】
一方、上記課題を解決することのできた本発明に係る溶接継手とは、チタンまたはチタン合金と、アルミまたはアルミ合金を突合せ溶接して形成された突合せ溶接継手であって、両者の間には２層以上の溶接金属層が形成されており、少なくともチタンまたはチタン合金側の溶接金属層はＡｌ−Ｓｉ系金属からなるものである点に要旨を有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記課題を解決するべく様々な角度から検討を重ねた。その結果、ＴＩＧ溶接法を適用すると共に、その溶接電源として交流、または逆極性成分を３０％以上含む直流を用い、且つ溶加材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を用いることを基本的な溶接条件としてやれば、チタンとアルミの異種金属を良好な接合強度を達成した状態で接合できることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
本発明では、上記基本的な溶接条件に加え、溶接継手の種類に応じてその溶接条件を更に適切に選定してやることによって、最適な形態の各種溶接継手が作製できるのであるが、各溶接継手の作製手順に従いつつ本発明の作用効果について説明する。
【００１２】
チタンとアルミとを溶融溶接法を適用して接合すると、接合部にＴｉ−Ａｌ系の脆弱な化合物が形成されて割れが発生し易くなることは前述した通りである。そのため、溶接ワイヤを用いて接合する場合も含めてチタンとアルミとを直接接合する際には、チタンがアルミ中（若しくはアルミがチタン中）に拡散するのを極力少なくして上記の様な化合物が形成されないようにし、且つ両者が効果的に融合することが重要であると考えられる。
【００１３】
こうした観点から本発明者らは、チタンとアルミを重ね溶接して重ね溶接継手を作製するに際の最適な溶接条件について検討した。その結果、ＴＩＧ溶接法（イナートガスタングステンアーク溶接法）を採用すると共に、その溶接電源として交流、または逆極性成分を３０％以上含む直流電源を用い、且つ溶加材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を用いるという基本的な溶接条件に加えて、アルミを重ね継手の上方に位置させると共に、アークをチタンまたはチタン合金側に指向させつつ前記溶加材を供給して操業すれば、高い接合強度を達成する重ね溶接継手が実現できたのである。
【００１４】
この方法では、上記の如く、ＴＩＧ溶接の際の溶接電源として交流、または逆極性成分を３０％以上含む直流電源を用いる必要があるが、その理由は次の通りである。ＴＩＧ溶接では直流および交流電源が使用され、また直流電源においても棒マイナス（正極性）と棒プラス（逆極性）の両方が使用され、棒プラス（即ち、逆極性）の条件で操業を行うと、母材表面に存在する酸化膜が除去される効果（この効果を「クリーニングアクション効果」と呼ぶ）が発揮されることが知られているが、本発明ではこうした効果を発揮させて母材表面を清浄化するために、溶接電源として上記の条件を規定したものである。また、こうした条件にすることによって、母材（特にチタン）から溶融金属への拡散が抑制されて溶接金属中での脆弱な化合物の形成が防止されることになるのである。
【００１５】
これに対して、逆極性成分が３０％未満になると、上記クリーニングアクション効果が低下するばかりか、溶融金属の溶込みが大きくなって母材（特にチタン）から溶融金属への拡散によって溶融金属（溶接金属）中に脆弱な化合物が形成されて良好な接合状態が達成されなくなる。但し、逆極性成分が増加し過ぎると電極の異常消耗が生じる場合があるので、逆極性成分は７０％以下にすることが好ましい。こうした観点からして、交流電源を用いた場合には、正極性と逆極性の中間的な状態となるので、希望する溶接が可能になる。尚、逆極性成分を３０％以上（好ましくは７０％以下）に制御するための具体的な手段としては、交流電源若しくは正極、逆極性比率が可能な直流電源を用いる方法が挙げられる。
【００１６】
本発明においては、溶加材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を用いることも重要な要件である。こうした溶加材を用いることによって、溶接ビードの広がり性を改善して健全な溶接金属を形成することができるのである。また、溶加材中のＳｉ含有量は４．５〜１３．０％程度であることが好ましい。即ち、Ｓｉ含有量が４．５％未満になると被溶接材との濡れ性が不十分となり、オーバラップ等の接合不良が発生し易くなる。また、１３．０％を超えると溶接金属の延性が低下し、割れが発生する危険性が増加する。こうした溶加材としては、アルミ同士を溶接する際に用いる溶加材（溶接ワイヤ）としてＪＩＳ  Ｚ３２３２に規定されているＡ４０４３合金やＡ４０４７合金等を用いることもできる。
【００１７】
上記した基本的な溶接条件に加えて、健全な重ね溶接継手を作製する条件としては、アルミを重ね継手の上方に位置させると共に、アークをチタン側に指向させつつ溶加材を供給しつつ溶接を行うことが好ましい（後記図１参照）。こうした条件を設定することによって、チタンから溶接金属部へのチタンの拡散を抑制し、Ｔｉ−Ａｌ系の脆弱な化合物の形成を防止して接合強度を向上した健全な溶接継手が得られるのである。
【００１８】
チタンから溶接金属部への拡散率としては、具体的には１０質量％以下になるように制御することが好ましく、上記した溶接条件を設定することによって、基本的に上記の拡散率を確保できる。但し、溶接金属の組成は溶加材組成に加えて、溶接電流、溶接電圧および溶加材供給速度等の影響を受けるものであるので、これらの条件を適切に設定して最終的に上記拡散率が１０質量％となるように制御することが好ましい。こうした観点から、ＴＩＧ溶接の際の溶接電流は８０〜１３０Ａ程度、溶接電圧は１２〜１５Ｖ程度、溶加材の供給速度は１５〜２０ｍ／秒程度であることが好ましい。
【００１９】
一方、チタンとアルミを突合せ溶接して突合せ溶接継手を作製するに当たっては、上記した基本的なＴＩＧ溶接条件に従い、溶接金属部へのチタンの拡散を抑制しつつ操業すればよい。しかしながら、チタンとアルミを突合せ溶接するには上記のＴＩＧ溶接条件だけでは、両金属の融点の違いによって溶接金属部内の脆弱な化合物の形成を回避することはできない。
【００２０】
そこで、チタンとアルミとを突合せ溶接するに際しては、まず前記の様な溶加材（Ａｌ−Ｓｉ系溶加材）を供給しつつＴＩＧ溶接法を適用することによってチタンの開先面に肉盛溶接層を形成するようにした。こうして形成される肉盛溶接層では、上記した原理に従って、Ｔｉの拡散が抑制されたものとなる。尚、このときの肉盛溶接層を形成するときの条件は、上記した重ね溶接のときの条件に従えば良い。
【００２１】
引き続いて、アルミの開先面と上記肉盛溶接層とを溶接するようにすれば、最終的に接合強度を向上した健全な溶接継手が得られることになる。このときのアルミの開先面と上記肉盛溶接層の溶接（以下、この溶接を「本溶接」と呼ぶことがある）は、通常の溶接と同様となるので、ＴＩＧ等のアーク溶接法は勿論のこと、レーザ溶接法や電子ビーム溶接法（ＥＢＷ）等の各種溶接法を適用できる。このうち、溶接金属部の歪低減や寸法精度が要求される部材については、本溶接をレーザ溶接法や電子ビーム溶接法で行うことが好ましい。
【００２２】
上記の様にして形成される突合せ溶接継手では、最初に形成された肉盛溶接層とその後形成される溶接金属層の少なくとも２層の溶接金属層が形成されたものとなり、また少なくともチタン側の溶接金属層はＡｌ−Ｓｉ系金属（前記溶加材によって形成されたもの）からなるものとなる。
【００２３】
尚、本発明で溶接母材として用いるチタン（またはチタン合金）としては、ＪＩＳ  Ｈ４６００に規定されているチタンおよびチタン合金が挙げられ、アルミ（またはアルミ合金）としては、ＪＩＳ  Ｈ４０００に規定されているアルミニウムおよびアルミニウム合金が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２４】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２５】
【実施例】
実施例１
チタン板（ＪＩＳ  Ｈ４６００  ＴＰ２７０、ＴＰ２８０：２ｍｍｔ×１００ｍｍＷ×３００ｍｍＬ）と、アルミ板（ＪＩＳ  Ｈ４０００  Ａ５０８３：２ｍｍｔ×１００ｍｍＷ×３００ｍｍＬ）とを用い、下記表１に示す溶接施工条件でＴＩＧ溶接法によって重ね溶接継手を作製した。このときの継手の接合状態例を図１に示す。図１において、１はアルミ板、２はチタン板、３は溶接金属部、４は溶接トーチ、５は溶加材を夫々示しており、この図ではチタン板２の上にアルミ板１を重ね、溶接トーチからのアークをチタン板２側に指向させつつ溶加工材を溶解して溶接金属部を形成する状態を示したものである。表１には、図１に示した状態（上Ａｌ）の他、アルミ板の上にチタン板を重ねた場合（上Ｔｉ）についても溶接を行った。
【００２６】
得られた溶接継手について、溶接金属部の割れの有無、および溶接ビード形状（ビード止端部形状）について観察すると共に、溶接金属中のＴｉ濃度（Ｔｉ希釈率）について測定した。その結果を、下記表１に併記する。尚、表１において、各特性の評価基準およびはＴｉ拡散率（チタン板から溶接金属部への拡散率）の測定方法は下記の通りである。
【００２７】
［割れの発生の有無］
割れの有無については、溶接金属部に割れが全くない場合を「○」、その発生量に拘らず割れが少しでもあれば「×」と評価した。
【００２８】
［溶接ビード形状］
図１に示した母材（チタン板２）と溶接金属３の連続部の接触角θが１００°以上のときに「○」、１００°未満のときに「×」と評価した。即ち、図１に示した溶接ビード止端部における接触角θは、溶接継手の特性（特に、疲労強度）に影響を与えることが知られており、この接触角θが大きいほど特性が良好になると言われているが、その接触角θが１００°を基準としてその良否を判断した。尚、ビード形状については、溶接金属に割れが発生しないものについて評価した。
【００２９】
［Ｔｉ拡散率の測定］
Ｔｉ拡散率は、溶接金属部から切粉を採取し、化学分析にてＴｉ含有量を測定した。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
これらの結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足するもの（Ｎｏ．１〜６）では、溶接部に割れを発生させることなく良好な溶接継手が実現できていることが分かる。これに対して、本発明で規定する要件のいずれかを外れるもの（Ｎｏ．７〜１４）では、良好な溶接継手が得られていないことが分かる。
【００３２】
実施例２
各種チタン板（厚み：３ｍｍ）とアルミ板（厚み：３ｍｍ）とを、本発明方法によって重ね溶接し、溶接部における割れの有無および継手引張試験を実施した。その結果を、下記表２に示す。尚、下記表２において、割れの有無については実施例１と同様に評価した。また、継手引張試験については、平行部幅２５ｍｍの短冊状試験片を継手部から採取し、引張試験を行い、破断荷重を試験片断面積で除した値を引張強さとした。そして、溶接材料としてＡ１１００を用いた場合（Ｎｏ．１５）には７４Ｎ／ｍｍ２以上、その他の場合（Ｎｏ．１６〜１９）には、これらの引張強度（１６７Ｎ／ｍｍ２以上）の継手効率８０％以上（１３３Ｎ／ｍｍ２以上）を合格（評価：「○」）と評価した。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
この結果から明らかなように、本発明方法によれば、良好な強度を有する溶接継手（重ね溶接継手）が得られていることが分かる。
【００３５】
実施例３
チタン板（ＪＩＳ  Ｈ４６００  ＴＰ２７０、ＴＰ２８０：２ｍｍｔ×１００ｍｍＷ×３００ｍｍＬ）と、アルミ合金板（ＪＩＳＨ４０００  Ａ５０８３：２ｍｍｔ×１００ｍｍＷ×３００ｍｍＬ）とを用い、下記表３に示す溶接施工条件で突合せ継手を作製した。このとき、チタン板の開先面に肉盛溶接層を形成した後、各種溶接法で本溶接を行う場合（表２のＮｏ．２０〜３０）と、肉盛溶接層を形成させず直接突合せ溶接する場合（表２のＮｏ．３１〜３４）の両方について実施した。また、肉盛溶接層は手動ＴＩＧ溶接とし、溶加材は手動にて供給できる範囲でできるだけ多くなるように供給した。
【００３６】
得られた各突合せ溶接継手について、溶接金属部の割れの有無について観察すると共に、ＪＩＳＺ３１２１に準拠して（１Ａ号試験片）溶接継手の引張試験を行った。その結果を、下記表３に併記する。尚、表３において、「引張評価」は、引張試験において引張強度が１００Ｎ／ｍｍ２以上のものを「○」、それ未満のものを「×」として示した。
【００３７】
【表３】
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【００３８】
これらの結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足するもの（Ｎｏ．２０〜２６）では、溶接部に割れを発生させることなく良好な突合せ溶接継手が実現できていることが分かる。これに対して、本発明で規定する要件のいずれかを外れるもの（Ｎｏ．２７〜３４）では、良好な溶接継手が得られていないことが分かる。
【００３９】
実施例４
各種チタン板（厚み：３ｍｍ）とアルミ板（厚み：３ｍｍ）とを、本発明方法によって突合せ溶接し、溶接部における割れの有無および継手引張試験を実施した。このときの本溶接条件を下記表４に示す。またこの本溶接前には、交流ＴＩＧ溶接法によってアルミ合金ワイヤ（Ａ４０４７）を用いてチタン板側開先面に肉盛溶接し、機械加工により本溶接用開先に調整した。
【００４０】
その結果を、用いたチタン板およびアルミ板の種類と共に下記表４に示す。尚、下記表４において、割れの有無については実施例１と同様に評価し、引張試験については、実施例３と同様の条件で行った。
【００４１】
【表４】
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【００４２】
この結果から明らかなように、本発明方法によれば、良好な強度を有する溶接継手（突合せ溶接継手）が得られていることが分かる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、これまで困難とされていたチタンとアルミからなる異種金属溶接継手を、良好な接合強度を達成しつつ作製することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】このときの継手の接合状態例を図１に示す実施例で用いたフラックス入りワイヤの断面を示す説明図である。
【符号の説明】
１  アルミ板
２  チタン板
３  溶接金属部
４  溶接トーチ
５  溶加材
【図１】
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