(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物と還元剤との主剤と、スズ・フッ化カルシウム・硅化カルシウム・酸化亜鉛の混合物、又はフッ化カルシウム・硅化カルシウム・酸化亜鉛の混合物を含む融点降下剤およびフラックスとを含んでいるテルミット剤が収容されており該テルミット剤を反応させるセラミックス製坩堝と、溶接すべき鋼材及び／又は銅材の金属材が挿入された鋳型とを有し、該坩堝の底部に該金属酸化物由来の溶融金属が流れ落ちる開口があいており、熱溶融性部材で塞がれた該開口が鋳型の湯口に通じているテルミット溶接具であって、
該セラミックス製坩堝内に該テルミット剤と点火剤とが収容されており、又は
該坩堝を覆っている蓋に耐熱容器が差し込まれ、該耐熱容器の底穴が熱溶融性部材で塞がれ、該テルミット剤と同組成のテルミット溶接誘起薬が、点火薬と接触して充填されており、
外部から挿入される着火具によって点火される該点火剤又は該点火薬に、キャップが接触して付されていることを特徴とするテルミット溶接具。
【請求項２】
該セラミックス製坩堝が、アルミナ製、アルミナおよび／またはシリカからなるセラミックスファイバー製、ムライト製、またはコージライト製であり、該鋳型が黒鉛製であることを特徴とする請求項１に記載のテルミット溶接具。
【請求項３】
該テルミット剤と、その上で接触している該点火剤とが圧填されていることを特徴とする請求項１に記載のテルミット溶接具。
【請求項４】
該テルミット剤が、酸化銅及び酸化鉄から選ばれる該金属酸化物と、Ａｌ、Ｐ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｂｅ、銅−アルミニウム合金から選ばれる該還元剤と、氷晶石を含む該融点降下剤およびフラックスとを、含んでいることを特徴とする請求項１に記載のテルミット溶接具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材同士をテルミット溶接する際に用いられる溶接具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガス管、鉄筋、Ｈ形鋼、レールである鋼材や、接地金具、網状接地のアース線、機器架台のアース線、レールボンド、銅ヨリ線、銅帯ブスバーである銅材等の金属材同士を接続する際、テルミット溶接が行われている。
【０００３】
テルミット溶接は、例えば酸化銅のような金属酸化物と、アルミニウムのような還元剤とを含む粉末のテルミット剤に点火して行われる。酸化銅とアルミニウムとを含むテルミット剤によるテルミット反応を例に説明すると、下記化学反応式(１)および(２)
3Cu0 ＋2Al→3Cu＋A1２0３＋ΔＨ・・・(１)
3Cu２0＋2Al→6Cu＋A1２0３＋ΔＨ・・・(２)
に示すように、酸化銅は還元されて比重の重い銅となり、生じた反応熱ΔＨで銅が溶融し、一方アルミニウムは酸化されて比重の軽いアルミナを主とするスラグとなる。比重差のためにスラグの分離した溶融銅が、金属材同士を溶接する。
【０００４】
従来、テルミット溶接には、図５に示すように、突き合わされる面対照な一組の黒鉛製鋳型の溶接具４０ａ・４０ｂが汎用されていた。突きあわせた鋳型４０ａ・４０ｂは、底の湯口４５が熱溶融性ディスク４７で塞がれテルミット剤４８が充填されている反応窯５０と、金属材４１・４２の溶接部位同士が挿入され溶融銅が湯口４５から流れ込むキャビティ４４とを有している。
【０００５】
反応窯５０が黒鉛製であるとその潤滑性が高いため、テルミット溶接の際、溶融銅とアルミナを主とするスラグとの分離またはテルミット反応が不十分なまま、反応物質が滞留することなく速やかに反応窯５０からキャビティ４４へ流れ出る。充分に反応が進行しないまま反応物質がキャビティ４４に流れ込むと、溶接される金属材に熱を急激にうばわれて、スラグやガスが浮かび上がらないうちに、溶融銅が固化してしまうため、キャビティ４４の全体に流込み難いうえ、発生ガスにより生じた巣と呼ばれる低密度で不均質な溶接部分を生じる結果、溶接強度が弱くなってしまう。
【０００６】
溶融銅の融点を降下させてその流動性を増加させ溶融銅のキャビティ４４への充填性や、ガスやスラグの分離を向上させるため、テルミット剤４８に数重量％の比でスズを添加することがある。金属材である鋼材と銅材との溶接の際、鋼材の一部はＡ１変態点以上に上昇するため、オーステナイト組織に変態し、このオーステナイトの粒界に銅原子やスズ原子が浸入して粒界割れが生じ易くなり、溶接後に繰返し応力を加えると亀裂を誘発することがあった。
【０００７】
さらに、鋳型４０ａ・４０ｂを繰返して使用するにつれ、反応窯５０や湯口４５が、熱溶融性ディスク４７と接触したり、溶接後に付着したスラグを除去するためブラシで擦られたりして、摩耗する。そのため、ディスク４７と鋳型４０ａ・４０ｂとの間に隙間が生じるので、粉末のテルミット剤が遺漏するようになり溶接が不十分となるうえ、高価な鋳型４０ａ・４０ｂが数十回しか繰返し使用できない。また、屋外で溶接する際、粉末のテルミット剤を反応窯５０に投入する時に風で飛散すると、溶接が不十分となってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、テルミット溶接の際にテルミット剤の遺漏や飛散がないうえ、溶融金属とスラグとの分離がよく、巣を生じさせることなく金属材同士を十分な強度で繰返し簡便に溶接することができるテルミット溶接具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】
前記の目的を達成するためになされた本発明のテルミット溶接具１は、実施例に対応する図１、図２、図３及び図４を参照して説明すると、金属酸化物と還元剤との主剤と、スズ・フッ化カルシウム・硅化カルシウム・酸化亜鉛の混合物、又はフッ化カルシウム・硅化カルシウム・酸化亜鉛の混合物を含む融点降下剤およびフラックスとを含んでいるテルミット剤１８が収容されておりテルミット剤１８を反応させるセラミックス製坩堝２０と、溶接すべき鋼材及び／又は銅材の金属材１１・１２が挿入された鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃ（図１参照）とを有し、坩堝２０の底部に金属酸化物由来の溶融金属が流れ落ちる開口１６があいており、熱溶融性部材１７で塞がれた開口１６が鋳型１０ａ・１０ｂの湯口１５に通じているテルミット溶接具であって、
セラミックス製坩堝２０内にテルミット剤１８と点火剤１９とが収容されており、又は
坩堝２０を覆っている蓋２２に耐熱容器３０が差し込まれ、耐熱容器３０の底穴３１が熱溶融性部材３２で塞がれ、テルミット剤１８と同組成のテルミット溶接誘起薬３３が、点火薬３４と接触して充填されており、
外部から挿入される着火具２４によって点火される点火剤１９又は点火薬３４に、キャップ２３・３５が接触して付されている。
【００１０】
セラミックス製坩堝２０は、アルミナ製、アルミナおよび／またはシリカからなるセラミックスファイバー製、ムライト製、またはコージライト製であることが好ましい。セラミックスファイバーは、例えば減圧吸引成型材である。鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃは、黒鉛製であることが好ましい。
【００１１】
坩堝２０内でテルミット剤が点火されて、テルミット反応の進行により生じた溶融金属は、熱溶融性部材１７を溶融して開口１６から湯口１５へ流れ落ち、金属材１１・１２が挿入された鋳型のキャビティ１４を充填して金属材１１・１２同士を溶接する。
【００１２】
坩堝２０がセラミックス製であると、溶融金属との摩擦抵抗が大きいので、溶融金属の坩堝内での滞留時間は比較的長くなる結果、テルミット剤のテルミット反応が完全に進行し、期待通りのΔＨを確保でき、生成した溶融金属等の温度が高くなるとともに、金属酸化物に由来して生じた溶融金属と還元剤に由来して副生したスラグとが充分に分離する。さらに、セラミックス製坩堝２０は断熱性が高いため、反応熱の逃散が少なく、溶融金属の温度が低下し難くなり、溶融金属の粘度が小さいまま維持される結果、スラグが一層分離し易いうえ、溶融金属がキャビティ１４の全体へ充分に流れ込んで充填される。冷却された溶接部位は、スラグを含んでいないので緻密であり巣が発生しておらず、溶接強度が大きい。
【００１３】
鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃは、断熱性の高い坩堝からの熱の伝播が少ないので過度に熱くならず、引続き次の溶接に使用でき、取り扱い易い。高価な黒鉛製の鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃは、数百回繰返し使用でき、経済的である。
【００１４】
安価なセラミックス製の坩堝２０は、分離したスラグの一部がセラミック表面と焼結し、ブラシ等で擦取ることはできないため、溶接の度に取り替える。
【００１５】
テルミット剤１８は、酸化金属として例えば酸化銅、酸化鉄が含まれ、還元剤として例えばＡｌ、Ｐ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｂｅ、銅−アルミニウム合金が含まれている。テルミット剤１８に融点降下剤およびフラックスとして、例えばスズ、フッ化カルシウム、氷晶石、硅化カルシウム、酸化亜鉛等が添加されていてもよい。なお、坩堝２０を使うと、溶融金属の粘度が低くなりスラグが分離し易くなるので、テルミット剤１８に鋼材の粒界割れを生じ易いスズ等を添加しなくてもよい。
【００１６】
テルミット剤１８と、その上で接触している点火剤１９とが圧填されていることが好ましい。圧填されていると、テルミット剤１８が坩堝から遺漏せず、また風で飛散しない。
【００１７】
テルミット溶接具１は、図３に示すように、坩堝２０を覆っている蓋２２に耐熱容器３０が差し込まれ、耐熱容器３０の底穴３１が熱溶融性部材３２で塞がれ、テルミット剤１８と同組成のテルミット溶接誘起薬３３が、点火薬３４と接触して充填されていてもよい。耐熱容器３０中の点火薬３４への点火によりテルミット溶接誘起薬３３が反応し、生じた溶融金属が坩堝２０内のテルミット剤１８に垂れてテルミット反応を誘起する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を適用するテルミット溶接具１の実施例を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、テルミット溶接具１の実施例を示す外観斜視図である。図２は、そのＡ−Ａ断面図である。
【００２０】
テルミット溶接具１は、図１に示すとおり、下部に黒鉛製の鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃを有し、その上部にセラミックス製の坩堝２０が載置されている。
【００２１】
この鋳型は、底部鋳型１０ｃに、面対照な二つの黒鉛製の側部鋳型１０ａ・１０ｂが載せられたものである。側部鋳型１０ａと１０ｂとに蝶番２７（図２参照）が付けられている。一方の側部鋳型１０ａと底部鋳型１０ｃとはクランプ２６で離れないように固定されている。他方の側部鋳型１０ｂは、蝶番２７によって開閉可能となっており、留具２５で開かないように留められている。突き合わせた二つの側部鋳型１０ａ・１０ｂに、セラミックス製の坩堝２０が載置されている。坩堝２０を覆って蓋２２がかぶされている。
【００２２】
図２に示すように、坩堝２０の底にあいている開口１６は、熱溶融性部材１７で塞がれている。坩堝２０に、酸化銅とアルミニウムとを含有するテルミット剤１８と、その上にまぶされている点火剤１９とが、圧填されている。
【００２３】
底部鋳型１０ｃの上面と、側部鋳型１０ａ・１０ｂの下面との接触面には、テルミット溶接すべき金属材である２本の銅より線１１と１本の銅より線１２とを僅かに余裕をもって左右から挿入する金属材挿入穴１３を形成するための溝と、挿入穴１３に繋がりそれより広径であって銅より線１１・１２の溶接部位を溶融金属で溶接するキャビティ１４を形成するための溝とが、設けられている。
【００２４】
側部鋳型１０ａおよび１０ｂが突き合わされる面には、坩堝２０を填込む坩堝填込穴２１を形成するための穴の半身と、坩堝填込穴２１からキャビティ１４へ導通させる湯口１５を形成するための溝とが、設けられている。
【００２５】
底部鋳型１０ｃの上に、側部鋳型１０ａ・１０ｂを突き合わせつつ載せると、金属材挿入穴１３、キャビティ１４、湯口１５、および坩堝填込穴２１が形成される。
【００２６】
左右の金属剤挿入穴１３から夫々銅より線１１および１２が挿入され、銅より線１１および１２の溶接部位同士がキャビティ１４に至るまで、押し込まれている。
【００２７】
金属材１１および１２は、以下のようにしてテルミット溶接される。
【００２８】
着火具２４により点火剤１９に点火すると、テルミット剤１８のテルミット反応が誘発されて、溶融金属である溶融銅とアルミナを主成分とするスラグとが生成する。比重が軽いスラグは溶融銅から浮き上がり、一方比重が重い溶融銅は沈降する。スラグと分離した溶融銅は、その熱により遂には熱溶融性部材１７を溶融して開口１６から流れ出る。この溶融銅は、湯口１５を伝ってキャビティ１４に流れ込み隙間なく充填されて、銅より線１１および１２の溶接部位の両端面を溶かし、両端を渾然一体として分子的に凝固結合させる。側部鋳型１０ａ・１０ｂおよび底部鋳型１０ｃを引き剥がし、側部鋳型１０ａ・１０ｂおよび底部鋳型１０ｃに付着したスラグをウエスやブラシ等で擦り取る後処理を行ってから、同様な溶接を繰り返す。
【００２９】
本発明を適用するテルミット溶接具を用い前記の実施例に従ってテルミット溶接した例を以下の実施例１および２に示し、本発明を適用外のテルミット溶接具を用いてテルミット溶接した例を比較例１および２に示す。
【００３０】
（実施例１）
セラミックス製坩堝２０として、高さ６０ｍｍ外径６２ｍｍの円筒であって、上縁が内径５０ｍｍで、底に直径１２ｍｍの開口１６があいているコージライト製のものを用いた。その開口１６を塞ぐ熱溶融性部材として、厚さ０．３ｍｍの鉄製ディスク１７を用いた。テルミット剤１８は、主剤である酸化銅および銅−アルミニウム合金と、融点降下剤およびフラックスであるスズ、フッ化カルシウム、硅化カルシウム、酸化亜鉛とが混合され、その上にまぶされた点火剤とともに圧填されたものを用いた。鋳型１０ａ・１０ｂ・１０ｃは、外形が幅８０ｍｍ高さ２００ｍｍ奥行８０ｍｍの直方体の黒鉛製のものである。突きあわされた側部鋳型１０ａ・１０ｂは、直径６４ｍｍ深さ６０ｍｍの坩堝填込穴２１が設けられている。溶接すべき金属材は、断面積５５ｍｍ２の２本の銅より線１１および断面積１１５ｍｍ２の１本の銅より線１２である。５回連続して、テルミット溶接した。
【００３１】
（実施例２）
スズを含んでいないテルミット剤を用いたこと以外は実施例１と同様にしてテルミット溶接を行った。
【００３２】
（比較例１および２）
セラミックス製坩堝を有するテルミット溶接具に代えて、図５に示すような黒鉛製の溶接具を用いたこと以外は実施例１および２と同様にして、各々テルミット溶接を行った。
【００３３】
テルミット溶接して得た各５検体の溶接部位の外観を観察し、アルミナを主とするスラグの巻き込みの有無、溶融銅のキャビティへの充填の不足について調べた。また溶接部位を高速回転カッターで切断し、巣の発生の有無について調べた。結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
比較例では点火剤への点火から溶融銅が坩堝から流れ出すまでの時間は、約０.９秒であるのに対し、実施例１および２ではそれより約１秒長かった。そのため、スラグと溶融銅との分離に差が生じる。その結果、表１に示すとおり、実施例１および２では、良好な溶接であったのに対し、比較例１および２では、スラグの巻込み、溶融銅の充填不足、巣の発生が認められ、溶接不良の検体が多くなっている。
【００３６】
なお、図３に示すように、点火薬３４とテルミット溶接誘起薬３３とを充填した耐熱容器３０が蓋２２に取り付けられていてもよい。図３および図４に示すように、坩堝２０や耐熱容器３０には、テルミット剤１８やテルミット溶接誘起薬３３の輸送時の漏洩を防止するキャップ２３・３５を付しておき、図２に示すように、テルミット溶接開始直前にキャップ２３・３５を外してから、溶接を行ってもよい。キャップ２３を外してから坩堝２０を鋳型１０ａ・１０ｂに載置してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明のテルミット溶接具を用いて溶接すると、溶融金属とスラグとの分離がよく、巣を生じさせることなく金属材同士を溶接することができる。溶接強度は充分に強い。テルミット溶接具は、鋳型が過熱しないので、直ぐに次の溶接に使用でき取り扱い易い。鋳型を繰返し使用できるので、経済的である。さらに溶接作業中にテルミット剤の遺漏や飛散がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用するテルミット溶接具の実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明を適用するテルミット溶接具の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明を適用するテルミット溶接具の別な実施例を示す要部断面図である。
【図４】本発明を適用するテルミット溶接具の別な実施例を示す要部断面図である。
【図５】本発明を適用外のテルミット溶接具の断面図である。
【符号の説明】
１はテルミット溶接具、１０ａ・１０ｂは側部鋳型、１０ｃは底部鋳型、１１・１２は金属材、１３は金属材挿入穴、１４はキャビティ、１５は湯口、１６は開口、１７は熱溶融性部材、１８はテルミット剤、１９は点火剤、２０はセラミックス製坩堝、２１は坩堝填込穴、２２は蓋、２３はキャップ、２４は着火具、２５は留具、２６はクランプ、２７は蝶番、３０は耐熱容器、３１は底穴、３２は熱溶融性部材、３３はテルミット溶接誘起薬、３４は点火薬、３５はキャップ、４０ａ・４０ｂは黒鉛製鋳型、４１・４２は金属材、４４はキャビティ、４５は湯口、４７は熱溶融性ディスク、４８はテルミット剤、４９は点火剤、５０は反応窯である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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