(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１）第１の金属より成る第１金属層と、第１の金属よりも融点が８００℃以上高くかつ熱伝導率が３分の１以下である第２の金属より成る第２金属層とをクラッドしたクラッド材の端部を２つ対向して配置する工程と、
２）前記第１金属層の表面を冷却しながら、前記第２金属層の表面の一部にレーザを照射し、前記２つの端部の少なくとも一方の前記第２金属層の一部を溶融し、かつ前記第２の金属からの熱伝達により、前記２つの端部の前記第１金属層の少なくとも一方の一部を溶融する工程と、
３）溶融した前記第１の金属および溶融した前記第２の金属を凝固させることにより、前記２つの端部の未溶融部分を繋ぐ凝固部を形成する工程と、
を含むことを特徴とするクラッド溶接材の製造方法。
【請求項２】
前記工程３）において、前記凝固部が、第１の金属から成り、前記２つの端部それぞれの未溶融部分の第１金属層を繋ぐ第１凝固部と、第２の金属から成り、前記２つの端部それぞれの未溶融部分の第２金属層を繋ぐ第２凝固部とを有することを特徴とする請求項１に記載のクラッド溶接材の製造方法。
【請求項３】
前記第１の金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金であり、前記第２の金属がチタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択されるいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のクラッド溶接材の製造方法。
【請求項４】
前記工程２）の前記第１金属層の冷却が、該第１金属層に放熱体を接触させることにより行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のクラッド溶接材の製造方法。
【請求項５】
前記放熱体が液体により冷却されていることを特徴とする請求項４に記載のクラッド溶接材の製造方法。
【請求項６】
前記放熱体が前記第１の金属よりも大きな熱伝導率を有する金属により形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載のクラッド溶接材の製造方法。
【請求項７】
第１の金属より成る第１金属層と、第１の金属よりも融点が８００℃以上高くかつ熱伝導率が３分の１以下である第２の金属より成る第２金属層とをクラッドしたクラッド部と、
２つの前記クラッド部の間を繋ぎ、凝固組織を有する凝固部と、
を含み、
前記凝固部は、前記２つのクラッド部それぞれの前記第１金属層を繋ぎ、かつ第１の金属から成る第１凝固部と、前記２つのクラッド部それぞれの前記第２金属層を繋ぎ、かつ第２の金属から成る第２凝固部と、を有し、
前記第１の金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金であり、前記第２の金属がチタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択されるいずれかであり、
前記第１金属層は、前記第２金属層よりも厚く、
前記２つのクラッド部を結ぶ方向において、前記第１凝固部の表面の長さが、前記第２凝固部の表面の長さよりも長いことを特徴とするクラッド溶接材。
【請求項８】
前記第１凝固部および前記第２凝固部が金属間化合物を含まないことを特徴とする請求項７に記載のクラッド溶接材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属クラッド材を溶接して得た金属クラッド溶接材およびその製造方法に関し、とりわけ、融点差が大きい金属をクラッドして得たクラッド材同士を溶接した溶接材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
異なる２種類の金属（純金属または合金）をクラッドしたクラッド材が知られている。クラッド材の一例として、特許文献１は、マグネシウム合金と、例えばチタンまたはチタン合金等である別の金属とのクラッド材を開示している。マグネシウム合金とチタン合金（または純チタン）とのクラッド材の場合、耐食性に優れ、かつ高い比強度を有するチタンの特性と軽量でかつ比較的高い強度を有するマグネシウム合金の特性を活かして、軽量でかつ高い耐食性と、高い強度を実現できるという利点を有している。
このように、２種類の金属をクラッドしたクラッド材は、それぞれの金属の長所を活用し、１種類の金属からなる素形材では得ることができない特性を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５５３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、クラッド材の中には、溶接を行うことが困難なものがある。例えば、上述のマグネシウム合金とチタンとのクラッド材同士を従来の溶接方法を用いて、溶接しようとすると、融点が高いチタンを溶融するまで加熱すると、融点の低いマグネシウム合金も同じように昇温され、沸点を超えて気化してしまい溶接材を得ることができない。このようなマグネシウム合金とチタン合金のように、クラッドされている２種類の金属の融点が、例えば８００℃以上と大きく異なる場合、従来の溶接方法では、溶接時に融点が高い方の金属を加熱して溶融させると、融点の低い金属も同じように昇温され、蒸発してしまうまたは流出してしまう等の過熱現象を生じ、溶接が行えなかった。
このため、クラッド材を例えば、パイプ形状、より広い表面積を有する板材および角筒形状のような所望の形状に加工することが困難となり、これらクラッド材の用途が制限されるという問題があった。
【０００５】
そこで本願発明は、融点が８００℃以上と大きく異なる２種類の金属をクラッドしたクラッド材を溶接した溶接材を提供することおよび当該溶接材の製造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】
本発明の１つの態様は、１）第１の金属より成る第１金属層と、第１の金属よりも融点が８００℃以上高くかつ熱伝導率が３分の１以下である第２の金属より成る第２金属層とをクラッドしたクラッド材の端部を２つ対向して配置する工程と、２）前記第１金属層の表面を冷却しながら、前記第２金属層の表面の一部にレーザを照射し、前記２つの端部の少なくとも一方の前記第２金属層の一部を溶融し、かつ前記第２の金属からの熱伝達により、前記２つの端部の前記第１金属層の少なくとも一方の一部を溶融する工程と、３）溶融した前記第１の金属および溶融した前記第２の金属を凝固させることにより、前記２つの端部の未溶融部分を繋ぐ凝固部を形成する工程と、を含むことを特徴とするクラッド溶接材の製造方法である。
【０００７】
また、本発明の別の１つの態様は、第１の金属より成る第１金属層と、第１の金属よりも融点が８００℃以上高くかつ熱伝導率が３分の１以下である第２の金属より成る第２金属層とをクラッドしたクラッド部と、２つの前記クラッド部の間を繋ぎ、凝固組織を有する溶接部と、を含み、前記凝固部は、前記２つのクラッド部それぞれの前記第１金属層を繋ぎ、かつ第１の金属から成る第１凝固部と、前記２つのクラッド部それぞれの前記第２金属層を繋ぎ、かつ第２の金属から成る第２凝固部と、を有し、前記２つのクラッド部を結ぶ方向において、前記第１凝固部の表面の長さが、前記第２凝固部の表面の長さよりも長いことを特徴とするクラッド溶接材である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、融点が８００℃以上と大きく異なる２種類の金属をクラッドしたクラッド材を溶接したクラッド溶接材を提供することが可能となる。またこのような溶接材の製造方法の提供も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の１つの実施形態に係るクラッド溶接材の製造方法を例示する模式斜視図である。
【図２】図２は、本発明の１つの実施形態に係るクラッド溶接材１００の断面を示す模式断面図である。
【図３】図３は、表面観察結果の例として実施例９サンプルの表面観察結果を示す。図３（ａ）は第２金属層の表面観察結果を示し、図３（ｂ）は、第１金属層の表面観察結果を示す。
【図４】図４は、用いた引張試験片の形状を示す平面図である。
【図５】図５は、代表的な溶接部の断面写真を示す。図５（ａ）は実施例４サンプルの断面を示し、図５（ｂ）は実施例５サンプルの断面を示し、図５（ｃ）は実施例９サンプルの断面を示し、図５（ｄ）は実施例１０サンプルの断面を示し、図５（ｅ）は実施例１２サンプルの断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであり、本発明の技術的範囲を限定することを意図したものではないことに留意されたい。１つの実施形態において説明する構成は、特段の断りがない限り、他の実施形態にも適用可能である。以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。
【００１１】
本願発明者は鋭意検討した結果、第１の金属と、第１の金属よりも融点が８００℃以上高い第２の金属の２種類の金属をクラッドしたクラッド材であっても、第２の金属の熱伝導率が、第１の金属の熱伝導率の３分の１以下と小さい場合はクラッド材の端部同士を溶接できる方法を見いだしたものである。
【００１２】
本発明に係るクラッド溶接材の製造方法（溶接方法）では、第１の金属から成る第１金属層と第２の金属から成る第２金属層とをクラッドしたクラッド材において、端部同士を対向させて配置した後、第１金属層の表面を冷却しながら、第２金属層の表面をレーザ照射することにより溶接を行う。第２金属層は、レーザ光線のエネルギーにより溶融する。そしてレーザ光線により加熱昇温された第２金属層からの熱伝達により、融点の低い第１金属層が溶融する。
この際に、第１金属層は、第２金属層と比べて熱伝導率が３倍以上大きくかつその表面が冷却されていることから、比較的ゆっくりと第２金属層内を伝導し、第１金属層と第２金属層の界面に達した熱は、第１金属層に伝達され、その相当部分は内部を速い速度で伝導し、冷却している表面に達して第１金属層の外部に伝達される。
このため、第１金属層の昇温速度が第２金属層と比べ、かなり遅くなり、融点差が８００℃以上あるにも関わらず、第１金属層が過熱状態に陥ることを抑制できる。
この結果、第１金属層と第２金属層の両方を適切な状態で溶融できる。その後、冷却し、この溶融した第１の金属および第２の金属を凝固させることで凝固部（溶接部）を形成できる。
以下に、この本願発明に係るクラッド溶接材の製造方法の詳細を説明する。
【００１３】
１．クラッド溶接材の製造方法
図１は、本発明の１つの実施形態に係るクラッド溶接材の製造方法を例示する模式斜視図である。
（１）クラッド材
２つのクラッド材３（図１では、一方をクラッド材３Ａとして示し、他方をクラッド材３Ｂとして示した）を用意する。クラッド材３（３Ａ、３Ｂ）は、第１の金属より成る第１金属層１と、第２の金属より成る第２金属層２とがクラッド（接合）されている。
第２の金属の融点は第１の金属の融点よりも８００℃以上高く、好ましくは９００℃以上高い。すなわち、第１の金属と第２の金属は、従来の溶接方法では、クラッド材同士の溶接を行うことが困難であった金属の組み合わせである。
【００１４】
第２の金属の熱伝導率は、第１の金属の熱伝導率の３分の１以下である。このように第１の金属が第２の金属と比べて相当大きな熱伝導率を有することから、本発明に係る製造方法を用いることで、２つのクラッド材同士の溶接を行うことができる。なお、熱伝導率は温度とともに変化するが、ここでいう熱伝導率は室温における熱伝導率を意味する。
このような条件を満たす限り、第１の金属と第２の金属は任意の金属であってよい。
第１の金属としてマグネシウム（純マグネシウム）、マグネシウム合金、アルミニウム（純アルミニウム）およびアルミニウム合金のいずれか１つを例示できる。好ましいマグネシウム合金として、ＡＺ６１合金を含むＡＺ合金を例示でき、このようなＡＺ合金に対応する組成範囲として、Ａｌ：１．４〜１０．０質量％、Ｚｎ：０．２〜１．４質量％、残部：Ｍｇと合計で４．０質量％以下のその他の元素（その他の元素の１つの例は、不可避的不純物であり、別の例は、０．２〜１．０質量％のＭｎおよび／または０．０２５〜２．５質量％のＣａと不可避的不純物）を例示できる。
第２の金属として、チタン（純チタン）、チタン合金、鉄および鉄合金（鋼（ステンレス鋼を含む）を含む概念）を例示できる。
【００１５】
第１の金属の主成分と第２の金属の主成分との間に金属間化合物が形成されないことが好ましい。凝固時に多量の金属間化合物を形成すると、得られる溶接部が十分な延性を有しない場合があるからである。
ここで、「主成分」とは、質量比で最も多くの比率を占める元素を意味し、好ましい実施形態の１つでは、質量比で５０％以上含まれる元素を意味する。
【００１６】
また、第１の金属と第２の金属の両方が溶融し凝固する過程で、第１の金属の主成分と第２の金属の主成分とが混合せずに（合金化せずに）２相分離状態となることが好ましい。第１の金属（少なくとも第１の金属の主成分）と第２の金属（少なくとも第２の金属の主成分）とが相分離することにより、得られた溶接部内において第１金属層に相当する第１の金属から成る第１凝固部と第２金属層に相当する第２の金属から成る第２凝固部を得ることができるからである。これについては、詳細を後述する。
なお、このような互いの主成分間で金属間化合物を形成しない、および／または互いの主成分間で相分離が生ずる、第１の金属と第２の金属の組み合わせは、例えば、第１の金属の主成分と第２の金属の主成分の２元系状態図を参照し、それぞれ、金属間化合物を形成するか、および／または互いの元素に対する固溶限が十分に小さいかを確認することで予測することができる。
【００１７】
互いの主成分間で金属間化合物を形成せず、かつ互いの主成分間で相分離が生ずる、第１の金属と第２の金属の好ましい組み合わせとして、マグネシウムまたはマグネシウム合金である第１の金属と、チタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択される１つである第２の金属との組み合わせを挙げることができる。なお、ここで鉄合金とは、鋼を含む概念であり、鋼はステンレス鋼を含む概念である。また、「マグネシウム合金」のように金属元素名の後に「合金」が付された場合、当該金属元素が主成分である合金を意味する。すなわち、「マグネシウム合金」とはマグネシウムを主成分とする合金を意味する。
【００１８】
これらの中でも、例えば特許文献１に示されるような、第１の金属がマグネウシムまたはマグネシウム合金であり、第２の金属がチタンまたはチタン合金であるクラッド材３が好ましい。チタンおよびチタン合金は、優れた耐食性を有するとともに比強度が高いという利点があり、これを軽量でかつ比較的高い強度を有するマグネシウムまたはマグネシウム合金と組み合わせたクラッド材３は、より確実に、優れた耐食性、高い強度および軽量化を達成できるからである。また、第１の金属がマグネウシムまたはマグネシウム合金であり、第２の金属がチタンまたはチタン合金である場合、第２の金属の熱伝導率が、より確実に第１の金属の熱伝導率の３分の１以下になるという利点を有する。
しかし、チタンは融点が１６６８℃と高い。一方、マグネシウムは融点が６５０℃と低く、沸点も１０９０℃とチタンの融点よりも５００℃以上低い。このため、従来の溶接方法ではチタンまたはチタン合金を溶融させるとマグネシウムまたはマグネシウム合金はその大半が気化してしまい溶接を行うことができなかった。
【００１９】
なお、クラッド材３の第１金属層１と第２金属層２は、好ましくは、加工組織または加工組織を熱処理した熱処理組織を有している。強度および延性等の好ましい特性を得ることができるからである。加工組織として、圧延組織（熱間もしくは温間圧延組織、または冷間圧延組織）および引き抜き組織を例示できる。加工組織を熱処理した熱処理組織として回復組織および再結晶組織、あるいは析出組織を例示できる。
【００２０】
クラッド材３は、圧延（例えば、特許文献１に記載の方法）、引き抜き、爆発接合、拡散接合を含む任意の方法で作製されてよい。
【００２１】
また、図１に示す実施形態では、クラッド材３（３Ａ、３Ｂ）は、厚さが均一な板状の形状を有しているが、これに限定されるものではない。第１金属層１が溶接時に冷却するための露出した表面（第２金属層２との接合部以外の表面）を有し、第２金属層２がレーザを照射できる露出した表面（第１金属層１との接合部以外の表面）を有する限り任意の形状を有してよい。このような形状として、厚さが均一な板に加え、厚さが変化するテーパー状の板、円筒および角筒（断面が多角形で中空の形状）を例示できる。
【００２２】
クラッド材３の厚さ（図１のｚ方向の長さ）は任意の厚さで良いが、好ましくは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。より確実に溶接材を得ることができるからである。
クラッド材３における、第１金属層１と第２金属層２の厚さの比率は、任意の比率であってよいが、第１金属層１の厚さを１とした場合、好ましくは、第２金属層２の厚さは、０．１〜１０．０であり、より好ましくは第２金属層２の厚さは０．２〜５．０である。
第１の金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金であり、第２の金属がチタン、チタン合金、鉄および鉄合金から選択される１つである場合、クラッド材３において、軽量なマグネシウムの特性をより有効に得るために第１金属層１の方が第２金属層２よりも厚いことが好ましい。
【００２３】
なお、クラッド材３の特性に異方性がある場合、例えば、加工方向（圧延方向、引き抜き方向等）に平行な方向と垂直な方向で特性が異なる場合、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂを並べる方向（図１のｘ方向）に対して、加工方向を、例えば、垂直にするまたは平行にする等、適宜、調整してよい。また、クラッド材３がクラッド圧延材である場合、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂを並べる方向と圧延方向とを垂直にすることによりクラッド溶接材の長尺物を得ることができる。
【００２４】
（２）溶接条件
・クラッド材の配置
図１に示すように、クラッド材３Ａの端部（特に端面）とクラッド材３Ｂの端部（特に端面）を対向させて配置する。クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂは、所謂、突き合わせ溶接を行うように配置してよい。
なお、本明細書において、「クラッド材の端部」とはクラッド材の端面部分およびその近傍部を含み、詳細を後述するレーザ溶接によって溶融する部分と溶融しない部分（未溶融部）とを含む。例えば、クラッド材の端面から５ｍｍ以内の領域である。
得られた溶接材の強度（引張強度）を確実に確保するように、クラッド材３Ａおよびクラッド材３Ｂの第１金属層１同士および第２金属層２同士が接触するように配置することが好ましい。
このため、例えば回転砥石切断（マイクロカット）、ワイヤー放電加工およびレーザカット等の方法を用いてクラッド材３Ａおよび３Ｂの平坦な端面（好ましくは主面に垂直な端面）を得た後、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂの端面を接触させて、クラッド材３Ａおよびクラッド材３Ｂの第１金属層１同士および第２金属層２同士が接触するように配置してよい。
【００２５】
しかし、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂの配置はこれに限定されるものではない。得ようとするクラッド溶接材の用途等によっては、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂとの間に例えば１ｍｍ以下の隙間を生じるように離間配置してもよい。また、クラッド材３Ａおよびクラッド材３Ｂの第１金属層１同士および第２金属層２同士のいずれか一方のみを接触させてもよい。
【００２６】
なお、図１に示す実施形態では、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂは同じ形状を有しているがこれに限定されるものではない。上述のようにクラッド材３Ａとクラッド材３Ｂの端部を対向して配置できる限り、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂは異なる形状を有してもよい。
図１に示す実施形態では、また、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂとは、分離した別個のクラッド材となっている。しかし、これに限定されるものではない。例えば、１つの板状のクラッド材を曲げて端面同士を対向させて溶接を行い、パイプを形成する場合のように、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂは、連続したクラッド材の異なる部分（異なるクラッド部）であってよい。
【００２７】
・第１金属層の冷却
詳細を後述するレーザ溶接の際に第１金属層１の表面を冷却する。冷却は、空冷（例えば、送風機により流動する空気を第１金属層１に接触させる）、水のような液体を接触させて冷却する（水冷等）、および放熱体を接触させる等の既知の任意の方法を用いてよい。
図１に示す実施形態では、放熱体１４を接触させて冷却を行っている。放熱体１４は、例えば金属板であってよく、また金属板にフィンを設けてもよい。放熱体１４として金属板を用いる場合、好ましくは、金属板を構成する金属として、熱伝導率が第１の金属の熱伝導率より高い金属を用いる。これは、より効果的に第１金属層１を冷却できるからである。このような金属として、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金を例示できる。
【００２８】
また、放熱体１４は、好ましくは、水または防錆剤等の所定の成分を含む水のような、液体により冷却されている（例えば、水冷）。例えば、放熱体１４の内部に設けた配管にこのような液体を流すことにより放熱体１４を冷却してもよく、放熱体１４の表面（例えば、第１金属層１と接していない表面）に液体を接触させることにより放熱体１４を冷却してよい。
【００２９】
冷却する表面は、第１金属層１と第２金属層２との接合面以外でかつ露出した表面である。好ましい表面は、図１に示すように、第１金属層１と第２金属層２との接合面と反対側の表面である。第１金属層１のうち、レーザ光線により加熱された第２金属層２の直下に位置する部分を効率的に冷却できるからである。
【００３０】
・レーザ溶接
レーザ装置１０から出たレーザ光線１２を第２金属層２の表面（第１金属層１との接合面と異なりかつ露出した表面、図１の実施形態では、第１金属層１との接合面と反対側の表面）の一部（クラッド材３Ａおよび／またはクラッド材３Ｂの端部の一部）に照射する。
そして、レーザ装置１０を図１の矢印Ａの方向（ｙ方向に平行な方向）に走査することにより、クラッド材３の幅方向（図１のｙ方向）全体に溶接部を形成することができる。
【００３１】
用いるレーザ装置１０は、半導体レーザ、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザおよび炭酸ガスレーザを含む任意の種類のレーザ装置であってよい。
レーザ装置１０の出力は任意の出力であってよい。例えば、好ましい範囲として２００Ｗ〜１ｋＷ、より好ましい範囲として３２５Ｗ〜６００Ｗを例示できる。
レーザ光線１２の好ましいスポットサイズ（スポット直径）ｄ１として０．５〜３．０ｍｍ、より好ましいスポットサイズ（スポット直径）ｄ１として、１．０〜２．０ｍｍを例示できる。しかし、これに限定されるものではなく、他の条件に合わせてスポットサイズ（スポット径）ｄ１を適宜選択してよい。
【００３２】
なお、均質な溶接部（凝固部）を得るためにはレーザ光線１２は、クラッド材３Ａ、３Ｂの両方の端部の一部に照射される（すなわち、レーザ光線が照射されるスポット直径ｄ１の領域内にクラッド材３Ａとクラッド材３Ｂの末端が入っている）ことが好ましい。
しかし、これに限定されるものではなく、得られるクラッド溶接材の用途等によっては、レーザ光線１２は、クラッド材３Ａおよびクラッド材３Ｂのいずれか一方の端部の一部にのみ照射されてもよい（例えば、レーザ光線が照射されるスポット直径ｄ１の領域内にクラッド材３Ａおよびクラッド材３Ｂのいずれか一方のみの末端が入っている）。この場合、クラッド材３Ａおよびクラッド材３Ｂの端部のうち、レーザ光線１２が照射された端部の一部分が先に溶融し、その後、先に溶融した第２の金属から得た熱により、レーザ光線１２が照射されていない端部の一部分が溶融してよい。
【００３３】
レーザ装置１０の走査速度を適宜選択してよい。好ましい走査速度として、２ｍｍ／秒〜３０ｍｍ／秒、より好ましい走査速度として４ｍｍ／秒〜１２ｍｍ／秒を例示できる。なお、本明細書において、「レーザ装置の走査速度」とは、レーザ装置と溶接される材料（すなわち、クラッド材３Ａ、３Ｂ）との相対速度を意味する。従って、レーザ装置を移動させることに代えてまたは加えて、溶接される材料を移動させてもよい。
なお、図１に示す実施形態では、クラッド材３Ａ、３Ｂの幅方向全体に亘ってレーザ光１２が照射されるが、レーザ光線１２をクラッド材３Ａ、３Ｂの幅方向の一部分にだけ照射して、クラッド材３Ａ、３Ｂの幅方向の一部分だけを溶接してもよい。例えば、それほど強度を必要としない場合等、用途に応じて、このようなスポット溶接により形成したクラッド溶接材を用いることができる。
【００３４】
溶融した第１の金属および／または第２の金属が大気に触れるのを抑制するために、シールドガスとして溶接部分に、アルゴン、ネオン等の不活性ガス（場合によっては窒素ガスを用いてもよい）を供給することが好ましい。
【００３５】
クラッド材３Ａの端部およびクラッド材３Ｂの端部のうち、少なくとも一方（好ましくは両方）にレーザ光線１２が照射され、クラッド材３Ａおよびクラッド材３Ｂの少なくとも一方（好ましくは両方）の端部の第２金属層２の一部が溶融する（すなわち、溶融した第２の金属が出現する）。また、レーザ照射により加熱された第２の金属からの熱伝達により、クラッド材３Ａおよびクラッド材３Ｂの少なくとも一方（好ましくは両方）の端部の第１金属層１の一部が溶融する（すなわち、溶融した第１の金属が出現する）。第１の金属は熱伝導率が高いこと、および第１金属層１の表面が冷却されていることから、第１金属層１は過熱が抑制された状態で溶融する。
そして、レーザ装置１０が離れていくと、溶融した第１および第２の金属は入熱が減少し、温度が下がり凝固して溶接部を形成する。
【００３６】
本発明に係るクラッド溶接材の製造方法（溶接方法）の利点の１つは、溶接棒または溶接ワイヤー等を用いて、溶加材およびフラックスを供給する必要のないことである。しかし、このことは溶加材およびフラックスを使用してはならないことを意味するものではなく、必要に応じて溶加材および／またはフラックスを使用してもよい。
【００３７】
２．クラッド溶接材
次に上述のクラッド溶接材の製造方法により得られたクラッド溶接材について以下に説明する。
図２は、本発明の１つの実施形態に係るクラッド溶接材１００の断面を示す模式断面図である。なお、溶接材の形態の詳細は、溶接条件により変動することから、図２に示すクラッド溶接材１００は、本発明に係るクラッド溶接材の製造方法により得られるクラッド溶接材の形態の１つを例示するものである点は留意されたい。
【００３８】
クラッド材３Ａの端部のうち溶融しなかった部分（以下、「クラッド材３Ａのクラッド部」という）とクラッド材３Ｂの端部のうち溶融しなかった部分（以下、「クラッド材３Ｂのクラッド部」という）の間には、溶接部２３が形成されている。溶接部２３は凝固組織を有しており、クラッド材３Ａのクラッド部とクラッド材３Ｂのクラッド部とを繋いでいる。
【００３９】
上述したように、第１の金属の主成分と第２の金属の主成分との間に金属間化合物が形成されないように第１の金属と第２の金属を選択した場合、凝固部２３は、脆化の原因となる金属間化合物を実質的に含まないか、または含んでいてもかなり少ない。
【００４０】
さらに、上述のように第１の金属と第２の金属が凝固する過程で、第１の金属の主成分と第２の金属の主成分とが混合せずに（合金化せずに）２相分離状態となるように第１の金属と第２の金属を選択することで、図２に示すように、第１凝固部２１と第２凝固部２２を含む凝固部２３を形成することができる。
第１凝固部２１は、クラッド材３Ａの第１金属層１とクラッド材３Ｂの第１金属層１とを接続している。同様に、第２凝固部２２は、クラッド材３Ａの第２金属層２とクラッド材３Ｂの第２金属層２とを接続している。
【００４１】
また、第１凝固部２１は、第１の金属から成り、第２凝固部２２は、第２の金属から成る。
なお、溶接工程では高温まで昇温され、溶融した第１金属層１および第２金属層２において、その成分の一部は気化しうること、また、溶融した第１金属層１および第２金属層２の成分の一部は混ざり合うことがある等の理由により、溶接部の組成が非溶接部（溶接時に溶融していない部分）の組成と同一にならないことが多いことは当業者の技術常識である。
従って、「第１凝固部２１は、第１の金属から成る」とは、第１凝固部２１の組成がクラッド材３Ａ、３Ｂの第１金属層１の組成と全く同じであることを必要とするものではなく、少なくとも互いの主成分（元素）が同じであることを意味するものである。同様に「第２凝固部２２は、第２の金属から成る」とは、第２凝固部２２の組成がクラッド材３Ａ、３Ｂの第２金属層２の組成と全く同じであることを必要とするものではなく、少なくとも互いの主成分（元素）が同じであることを意味するものである。
【００４２】
以上から判るように、図２に示す実施形態では、凝固部２３は、クラッド材３Ａ、３Ｂの第１金属層１および第２金属層２にそれぞれ相当する第１凝固部２１および第２凝固部２２を有している。このため、凝固部（溶接部）２３もクラッド材３に近い特性を得ることができる。
このような特性として、継手効率を挙げることができる。継手効率とは、溶接前のクラッド材３の強度に対するクラッド溶接材１００の強度（溶接部が最も弱いため溶接部の強度に相当する）の比である。
上述の好適な溶接条件下で溶接を行い、凝固部２３に第１凝固部２１と第２凝固部２２が形成されている場合、０．２％耐力については７０％以上の継手効率を得ることができ、引張強さについては６０％以上の継手効率を得ることができる。
その他にも、耐食性のよい第２金属層（チタン、チタン合金、ステンレス鋼等）の特性を活かしたクラッド材３特有の性質を、クラッド溶接材１００の凝固部２３においてもほぼ達成する可能性が高い。
【００４３】
なお、図１に示す実施形態では、クラッド材３Ａのクラッド部とクラッド材３Ｂのクラッド部を結ぶ方向（すなわち、図１のｘ方向）において、第１凝固部２１の表面の長さＬ１が、第２凝固部２２の表面の長さＬ２よりも長くなっている。
これは、第１の金属の熱伝導率が第２の金属の熱伝導率の３倍以上と大きいため、第１金属層１内では熱が表面方向（図２の−ｚ方向）に伝わる際に横方向（図２のｘ方向、−ｘ方向）にも広がるためである。表面を冷却しているため第１凝固部２１は図１に示すように−ｚ方向の途中で長さが最大となった後、表面に向けて長さが短くなっている（すなわち、図２に示すように第１凝固部２１は樽型となっている）が、長さＬ１は長さＬ２よりも長くなっている。このような、第１凝固部２１が樽型の形状となるかおよび長さＬ１が長さＬ２よりも長くなるかは、溶接条件によるため、得られた全てのクラッド溶接材で実現されるわけではない。しかし、多くの場合、長さＬ１が長さＬ２よりも長くなっており、本発明に係る製造方法により得たクラッド溶接材に特徴的に現れる現象である。
【実施例】
【００４４】
１．クラッド材
特許文献１に記載された方法を用いて作製した、ＡＺ６１マグネシウム合金と工業用純チタン（１種）のクラッド圧延材を用いた。第１金属層１であるＡＺ６１マグネシウム合金層の厚さは０．３７５ｍｍであり、第２金属層２であるチタン層の厚さは０．１２５ｍｍであった（従って、第１金属層１と第２金属層２の厚さの比は３：１であり、クラッド材３の厚さは０．５ｍｍであった）。
このクラッド圧延材から、圧延方向に５０ｍｍ、板幅方向に４０ｍｍの板を切り出し、クラッド材３（３Ａ、３Ｂ）を得た。切断面が接合面（溶接面）となる部分の切断には回転砥石切断（マイクロカット）を用いた。また接合面以外の部分の切断については簡便に切断することができるせん断により行った。
なお、ＡＺ６１マグネシウム合金の熱伝導率は６３．２Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１（Int J Thermophys (2013) 34:2343-2350.  DOI 10.1007/s10765-011-1145-1による）であり、１種純チタンの熱伝導率は１６Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１（Metals Handbook, 10th edition, Volume 2, Wrought Titanium and Titanium Alloys, p. 620, (ASM International 1990)による）である。
【００４５】
２．突き合わせ溶接
クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂを並べる方向と圧延方向が垂直になるように、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂを配置した。すなわち、圧延方向が図１のｙ方向と平行になるように配置した。また、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂの上述の回転砥石による切断面が互いに接触するように、より詳細には、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂの第１金属層１が互いに接触し、かつクラッド材３Ａとクラッド材３Ｂの第２金属層２が互いに接触するように配置した。
そして、図１に示すようにクラッド材３Ａとクラッド材３Ｂの第１金属層１の表面（第２金属層２との接合面と反対側の表面）に放熱体（裏当て金）１４を接触させた。
放熱体１４は空冷（自然冷却）または水冷により冷却した。空冷の場合は、放熱体１４として、縦（図１のｙ方向）６０ｍｍ、横（図１のｘ方向）６０ｍｍ、高さ（図１のｚ方向）３ｍｍの銅板を用いた。水冷の場合は、放熱体１４として、縦（図１のｙ方向）３００ｍｍ、横（図１のｘ方向）２０ｍｍ、高さ（図１のｚ方向）２０ｍｍの銅のブロックを用い、当該ブロックの内部に設けた直径１０ｍｍの導水路に冷却水循環装置を用いて１２℃の水を流して水冷を行った。
空冷および水冷に用いた放熱体１４は、鋼製の治具を介して鋼製の移動台に固定した。すなわち、移動台の上に、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂと放熱体１４を配置した。
【００４６】
このように配置したクラッド材３Ａ、３Ｂについてレーザ装置１０を用いて、溶接（突き合わせ溶接）を行った。レーザ光線１２は、クラッド材３Ａとクラッド材３Ｂの両方の第２金属層２に照射された。すなわち、レーザ光線１２の照射スポットの略中心が、クラッド材３Ａの第２金属層２とクラッド材３Ｂの第２金属層２との接触部分を通るように位置合わせをした後、クラッド材３Ａの第２金属層２とクラッド材３Ｂの第２金属層２との接触部分に沿って図１の矢印Ａの方向に照射スポットを走査した。
用いたレーザ装置１０は、高出力半導体レーザである。
表１に示すようにレーザ光線のスポットサイズｄ１を１．５ｍｍ、レーザ出力を２５０〜４５０Ｗ、レーザ光線１２の走査速度を５〜１５ｍｍ／秒と変化させてサンプルを作製した。なお、レーザ光線１２の走査速度については、移動台を図１の矢印Ａと反対方向に移動させることにより、クラッド材３Ａ、３Ｂおよび放熱体１４を一体的に移動させて実現した。
また、何れのサンプルについても溶接時に溶融金属が大気に触れるのを抑制するために、シールドガスとして溶接部にアルゴンガスを２０Ｌ／分流した。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
３．クラッド溶接材の評価
（１）外観観察結果
溶接後の外観を目視により確認した。外観の確認は、第１金属層１と第２金属層２（すなわち、クラッド溶接材の両面）について行った。結果を表２に示す。表２において、◎は凝固部（溶接部）表面が平滑な状態で溶接されていることを示し、○は凝固部表面が荒く不均一な部分があることを示し、△は溶接できていない部分があることを示す。
図３は、表面観察結果の例として実施例９サンプルの表面観察結果を示す。図３（ａ）は第２金属層の表面観察結果を示し、図３（ｂ）は、第１金属層の表面観察結果を示す。なお、実施例９のサンプルにおいて、クラッド材３Ａのクラッド部とクラッド材３Ｂのクラッド部を結ぶ方向（すなわち、図３（ａ）、（ｂ）の左右方向）において、第１凝固部２１の表面の長さＬ１と第２凝固部２２の表面の長さＬ２を測定した。Ｌ１が２．３９ｍｍであり、Ｌ２が２．３５ｍｍであり、Ｌ１の方がＬ２より長かった。なお、これは、溶接ビードのきれいな場所３箇所で測定した値の平均値である。Ｌ１およびＬ２は３箇所以上（好ましくは５箇所以上）で測定し、平均値を用いるのが精度上好ましい。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
（２）引張試験
得られたそれぞれのクラッド溶接材サンプルから放電加工機を用いて引張試験片を切り出した後、これらの引張試験片を用いて引張試験を行い、それぞれのサンプルの０．２％耐力と引張強さを求めた。室温、大気中でひずみ速度１．６７×１０−３／秒で、クラッド材の圧延方向(ＲＤ)に対して垂直な方向(ＴＤ)に引張試験を行った。いずれのサンプルについても３回試験を行い、平均値を算出した。
図４は、用いた引張試験片の形状を示す平面図である。表３に引張試験結果を示す。表３には比較のために、溶接を行う前のクラッド材３の引張試験結果も示した。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
表３から、総じて、放熱体１４を空冷したサンプル（実施例１〜６）よりも放熱体１４を水冷したサンプル（実施例７〜１３）の方が０．２％耐力および引張強度とも高く、またデータのばらつきも少ない傾向が見られた。
この理由として、水冷の方がより効果的にマグネシウム合金層（第１金属層）１を冷却でき、マグネシウムまたはマグネシウム合金の気化をより確実に抑制できること、および水冷の方が溶融した第１の金属（マグネシウム合金）および第２の金属（チタン）ともに凝固時の冷却速度が速く、空冷の場合よりも結晶粒が微細になったことが考えられる。
【００５３】
放熱体１４を空冷したサンプルの中では、レーザ出力が４００Ｗ、走査速度５ｍｍ／秒の実施例４サンプルで特に高い強度を示し、放熱体１４を水冷したサンプルの中では、レーザ出力４００Ｗ、走査速度５ｍｍ／秒の実施例９サンプルおよびレーザ出力４５０Ｗ、走査速度１０ｍｍ／秒の実施例１２サンプルで高い強度を示した。
これら高い強度を示した３サンプルでは、０．２％耐力について継手効率が０．７５〜０．８２と十分に高い値を示し、引張強さについても継手効率が０．６４〜０．６８と十分に高い値となっている。
【００５４】
また、溶接部の強度が母材（溶接前のクラッド材）の強度よりも低いため、引張試験の破断は全てのサンプルにおいて溶接部で起こった。それゆえ、溶接前のクラッド材ではＴＤ方向引張りで１３．５％の伸びが得られたのに対して、クラッド溶接材では最大の伸びが得られた実施例４（放熱体を空冷、レーザ出力が４００Ｗ、走査速度５ｍｍ／秒）でも１．４％であった。しかし、これは、引張試験片の平行部が１０ｍｍであり、溶接前のクラッド材では平行部全体（長さ１０ｍｍ）で均一伸びが生じるのに対して、クラッド溶接材ではレーザスポットサイズに相当する領域（長さ１．５ｍｍ程度）に変形が集中するためである。したがって、伸びが比較的大きかったクラッド溶接材の溶接部では１．４％×１０ｍｍ／１．５ｍｍ≒９．３％に相当する伸びが実際に生じていることになる。すなわち、母材の１３．５％に対して、実用上、十分な延性を示していることが判る。
以上の結果から、強度をより重視する場合には放熱体を水冷し、延性をより重視する場合には放熱体を空冷することが好ましい。
【００５５】
（３）溶接部の断面
光学顕微鏡で溶接部の横断面観察を行った。回転砥石切断（マイクロカット）を用いて横断面を切り出した後、耐水エメリー紙で＃２０００まで研磨し、１．０μｍおよび０．２５μｍのダイヤモンドペーストを用いてバフ研磨を施して横断面観察用のサンプルを得た。
図５は、代表的な溶接部の断面写真を示す。図５（ａ）は実施例４サンプルの断面を示し、図５（ｂ）は実施例５サンプルの断面を示し、図５（ｃ）は実施例９サンプルの断面を示し、図５（ｄ）は実施例１０サンプルの断面を示し、図５（ｅ）は実施例１２サンプルの断面を示す。
【００５６】
いずれの実施例においても、クラッド材３Ａのクラッド部の第１金属層１とクラッド材３Ｂのクラッド部の第１金属層１とを繋ぐ第１凝固部２１およびクラッド材３Ａのクラッド部の第２金属層２とクラッド材３Ｂのクラッド部の第２金属層２とを繋ぐ第２凝固部２２が認められた。
すなわち、溶接部でもクラッドに相当する構造が確認された。
放熱体１４を空冷したサンプルでは、第２凝固部（チタン）２２近傍の第１凝固部（マグネシウム合金）２１にボイドが存在する傾向があるのに対して、放熱体１４を水冷したサンプルにボイドはほとんど発生していない。
また、放熱体１４を空冷した場合に、第１凝固部２１の下部２箇所に比較的大きい窪みが生じている。これは溶融したマグネシウム合金が更なる温度上昇により、ある程度気化したためと考えられる。
以上の結果から、放熱体１４を水冷した方がより好ましい第１凝固部２１が得られることがわかる。
【符号の説明】
【００５７】
１  第１金属層
２  第２金属層
３、３Ａ、３Ｂ  クラッド材
１０  レーザ装置
１２  レーザ光線
１４  放熱体
２１  第１凝固部
２２  第２凝固部
２３  凝固部
【図１】
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【図２】
0006408824.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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