JP3617585B2

JP3617585B2 - Method of lining titanium or titanium alloy material to steel

Info

Publication number: JP3617585B2
Application number: JP07862697A
Authority: JP
Inventors: 康生村井; 賢司斎藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: JPH10272580A

Description

【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／ｍｍ^２、アプセット圧力：１５乃至２５ｋｇｆ／ｍｍ^２、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】

【００４１】
【表２】

【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】

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】

【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】

【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】

【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[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to titanium or titanium lining titanium or a titanium alloy (hereinafter collectively referred to as titanium) as a corrosion-resistant member to a steel material as a strength member in order to improve the corrosion resistance of a harbor structure or a chemical container. The present invention relates to a method for lining an alloy material to a steel material.
[0002]
[Prior art]
As a method of cladding a titanium material on a steel material, there is a method of producing a titanium clad steel by explosive pressure welding or rolling, but apart from such a method of joining in a planar shape, a solid titanium plate is attached to a steel plate at several points. There are the following methods for fixing and lining.
[0003]
That is, as shown in FIG. 10 (a), a through hole 3 is formed in the steel plate 1 and the titanium plate 2, a titanium bolt 4 is inserted into the hole 3, and the nut 5 is fastened to the bolt 4. The titanium plate 2 is mechanically fixed. Thereafter, as shown in FIG. 10B, the welded portion 6 is formed by arc welding the titanium plate 2 and the head of the bolt 4. Thereby, the titanium plate 2 is lined to the steel plate 1.
[0004]
Further, as shown in FIG. 11 (a), a through hole is processed in the titanium plate 2, a screw hole 8 is processed in the steel plate 1 in a position aligned with the position of the through hole, and the titanium plate 2 is attached by a titanium screw 7. Mechanically fixed to the steel plate 1. Thereafter, as shown in FIG. 11 (b), the head portion of the screw 7 and the titanium plate 2 are arc-welded to form a welded portion 9. Thereby, the titanium plate 2 is lined to the steel plate 1.
[0005]
In these methods, the titanium plate 2 and the steel plate 1 are not directly fused and mixed to form a fragile intermetallic compound, and a stable joint can be obtained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, any of the above-described conventional lining methods requires that the hole provided in the titanium plate 2 and the hole or screw hole provided in the steel material 1 be aligned with each other. Is done. For this reason, it is difficult to process these holes separately.
[0007]
Further, the method shown in FIG. 10 has a problem that the bolt 4 is loosened during use. In the method shown in FIG. 11, depending on the depth of the screw hole 8 of the steel plate 1, the bonding strength is insufficient and the titanium plate 2 may be peeled off. Thus, any of the conventional techniques has a drawback. In addition, each of the conventional techniques has a disadvantage that the process is complicated because it is necessary to pre-process both the titanium material and the steel material.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems, and lining of the titanium or titanium alloy material into the steel material that can be firmly fixed to the steel material while pre-processing is unnecessary and the process is simple and can be firmly fixed. It aims to provide a method.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the first lining method of the titanium or titanium alloy material according to the present invention, a hole is formed in the titanium or titanium alloy material, and then the steel or titanium alloy material is clad with the steel portion. The clad piece is placed in the hole, the steel part of the clad piece is arc stud welded to the steel material, and then the titanium or titanium alloy part of the clad piece is arc welded to the titanium or titanium alloy material at the edge of the hole It is characterized by doing.
[0010]
In the first invention, a clad piece made of titanium clad steel is used, and the steel part and steel material of the clad piece are arc stud welded, and the titanium or titanium alloy part of the clad piece and titanium or titanium alloy material are bonded together. Since arc welding is performed, dissimilar metals are not melted and mixed, and fragile intermetallic compounds are not generated.
[0011]
In the lining method of the second titanium or titanium alloy material according to the present invention to the steel material, after holes are formed in the titanium or titanium alloy material, the holes are stacked on the steel material, and small pieces made of titanium or titanium alloy are placed in the holes. The steel material is joined to the surface by friction welding, and then the titanium piece is arc welded to the titanium or titanium alloy material at the edge of the hole.
[0012]
According to the third method of lining a titanium or titanium alloy material according to the present invention, after processing holes in the titanium or titanium alloy material, the holes are stacked on the steel material, and small pieces made of titanium or titanium alloy are placed in the holes. The surface of the steel material and the hole edge of the titanium or titanium alloy material are simultaneously pressed into contact with each other.
[0013]
In the second and third inventions, a small piece of titanium or titanium alloy is used, and the small piece and steel are joined by friction welding, and the small piece and titanium or titanium alloy material are joined by arc welding or friction welding. Therefore, the titanium or titanium alloy material and the steel material do not melt and mix similarly.
[0014]
The fourth titanium or titanium alloy material lining method according to the present invention is a method of machining a hole in titanium or a titanium alloy material and then superimposing the hole on the steel material. And the surface of the hole of the titanium or titanium alloy material are simultaneously plug-joined.
[0015]
In this method of lining titanium or a titanium alloy material to a steel material, a welding wire made of a copper alloy having a solidus temperature of 1050 ° C. or lower can be used for the MIG brazing. The welding wire is preferably a Si bronze welding wire containing 1 to 4% by weight of Si and 0.3 to 3% by weight of Mn.
[0016]
In the case of MIG brazing, joining can be performed under a very low current condition as compared with the case of normal arc welding. Therefore, both the steel material and titanium or titanium alloy material can obtain a metal joint in a minimum molten (diluted) state as required, and a sound joint can be obtained.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the first invention. First, as shown in FIG. 1A, a hole 13 is formed in the titanium plate 12, and the titanium plate 12 is overlaid on the steel plate 11. In this case, no hole is formed in the steel plate 11, and therefore alignment for aligning the hole position is not necessary.
[0018]
FIG. 1B shows the clad piece 14. This clad piece 14 is obtained from a titanium clad steel obtained by clad a titanium material and a steel material by an explosion method or a rolling method, and processed into a predetermined shape. That is, the clad piece 14 has a steel part 16 having a slightly smaller diameter than the hole 13 and a titanium part 15 having a diameter larger than that of the steel part 16 and the hole 13.
[0019]
Then, as shown in FIG. 1C, the steel piece 16 of the clad piece 14 is inserted into the hole 13, and the steel portion 16 and the steel plate 11 positioned therebelow are welded by arc stud welding. In this case, in the arc stud welding, since the titanium plate 12 is not melted by the arc, the molten metal generated between the stud of the welding machine and the steel plate 11 does not melt and react with titanium. For this reason, an extremely fragile intermetallic compound of iron and titanium is not formed, and a strong metal bond between the steels occurs.
[0020]
Next, as shown in FIG. 1 (d), the titanium portion 15 of the clad piece 14 and the hole peripheral portion of the titanium plate 12 are joined by arc welding to form a joint portion 17. In this arc welding, welding is performed under the condition that the steel plate 11 positioned below the titanium plate 12 is not melted. Thereby, since this arc welding turns into normal titanium-to-titanium welding, it is possible to weld without causing a metallurgical problem. Through the above steps, the titanium material can be strongly lined with the steel material.
[0021]
In this embodiment, the steel plate was not pre-processed. However, from the viewpoint of securing a space for molten metal during stud welding, a shallow recess 18 is formed in the steel plate 11 as shown in FIG. Can be kept.
[0022]
Next, examples of the second and third inventions of the present application will be described. When titanium or a titanium alloy material and a steel material are directly melt-bonded, an extremely fragile intermetallic compound is generated, and a crack occurs in a welded portion. However, in friction welding, basically, the bonding interface is not melt-mixed, and only a short-time diffusion reaction occurs at a high temperature. For this reason, in friction welding, it is possible to directly join titanium or a titanium alloy material and a steel material by optimizing the pressure welding conditions.
[0023]
FIG. 4 is a sectional view showing an embodiment of the second invention of the present application. As shown in FIG. 4A, the titanium plate 22 with the holes 23 is overlapped with the steel plate 21. FIG. 4B shows a small piece 24 made of titanium or a titanium alloy. The small piece 24 is processed into a shape having a large diameter portion 25 larger in diameter than the hole 23 and a small diameter portion 26 slightly smaller in diameter than the hole 23. deep. Then, as shown in FIG. 4C, the small diameter portion 26 of the small piece 24 is fitted into the hole 23, and the lower surface of the small diameter portion 26 and the steel plate 21 are friction-welded. At this time, the pressure welding condition is such that the reaction between iron and titanium is suppressed as much as possible, and a strong bonding can be achieved. For example, the friction pressure is 7 to 9 kgf / mm ² , the upset pressure is 15 to 25 kgf / mm ² , the friction margin is 2 to 4 mm, and the rotational speed is 2000 to 6000 rpm.
[0024]
Thereafter, as shown in FIG. 4 (d), the upper large-diameter portion 25 of the titanium small piece 25 and the hole peripheral portion of the titanium plate 22 are arc-welded to form a welded portion 27. In this arc welding, as a matter of course, the welding is performed under the condition that the steel plate 21 positioned below the titanium plate 23 is not melted. In this arc welding, normal titanium-to-titanium welding is performed, so that there is no problem of mixed melting of titanium or a titanium alloy and steel, and joining without causing embrittlement is possible. Through the above steps, the titanium plate 22 can be strongly lined with the steel plate 21.
[0025]
FIG. 5 is a sectional view showing an embodiment of the third invention of the present application. In the present embodiment, the titanium small piece 28 has a columnar shape having a larger diameter than the hole 23 provided in the titanium plate 21. Then, as shown in FIG. 5A, the titanium plate 22 provided with the holes 23 is overlaid on the steel plate 21, and the titanium pieces 28 are placed in the holes 23 with respect to the surface of the steel plate 21 and the peripheral portions of the holes of the titanium plate 22. At the same time, they are joined by friction welding.
[0026]
The titanium piece at this time has a diameter larger than the diameter of the hole 23 provided in the 28 titanium plate 22. When the diameter of the titanium piece is smaller than the hole diameter of the titanium plate 22, as shown in FIG. 6, the pressure at the time of pressure welding at the joint portion 29 between titanium is insufficient, and a healthy joint portion cannot be obtained.
[0027]
In the method of the present embodiment shown in FIG. 5, although the head of the titanium piece 28 after pressure welding may be required depending on the purpose of use, the joining work is less than that of the second embodiment shown in FIG. It is extremely efficient.
[0028]
Next, an embodiment of the fourth invention of the present application will be described. When titanium or a titanium alloy and steel are directly melt-bonded, an extremely fragile intermetallic compound is generated, and it is difficult to avoid the occurrence of cracks. Therefore, when directly joining a titanium material and a steel material, including the case where a welding wire is used, the ductility of the weld metal itself does not melt and mix the titanium in the titanium material and the iron in the steel material. It is important to ensure the resistance and how to generate a brittle reaction layer in the vicinity of the interface between the titanium material and the steel material.
[0029]
In the fourth invention of the present application, the titanium material and the steel material are directly joined by the MIG brazing method. In the method by MIG brazing, extremely low current conditions can be applied as compared with those by ordinary arc welding. This is the effect of using a copper alloy having a low melting point for the wire and using a thin wire in MIG welding.
[0030]
FIG. 9 is a sectional view showing an embodiment of the fourth invention. On the steel plate 31, a titanium plate 32 having holes 33 is overlapped, and in this hole 33, the titanium plate 32 at the periphery of the hole and the steel plate 31 at the bottom of the hole are joined by MIG spot brazing. Thereby, the weld metal 34 filled in the hole 33 is formed so as to rise from the hole 33 in a plug shape.
[0031]
In this embodiment, since the steel plate 31 and the titanium plate 32 are joined in the hole 33 by MIG brazing, a copper alloy welding wire having a low melting point can be used and welding can be performed under a low current condition.
[0032]
Therefore, in the present embodiment, the titanium plate 32 can be prevented from being melted and mixed with the iron in the steel plate 31 and the titanium plate while suppressing the generation of a brittle reaction layer in the vicinity of the interface between the titanium plate and the steel plate. And steel plate can be directly joined.
[0033]
Thus, if a Si bronze-based wire is used as the welding wire, the weld metal has excellent wettability on both the titanium material side and the steel material side, thereby providing a bead with good and excellent adhesion. can get. Such a welding wire allows MIG spot brazing between the titanium or titanium alloy material and the steel material below the titanium or titanium alloy material in the hole of the titanium or titanium alloy material under an arc condition in an appropriate range, so that the inside of the hole is formed. Filled with weld metal, a plug-like weld is obtained. Thereby, both the titanium material side and the steel material side can obtain a metal bonded state in a minimum molten (diluted) state as required. Further, at the time of MIG brazing, it is shielded with an inert gas typified by Ar, and the electrode (wire) side is applied as a positive electrode by a direct current arc. Thereby, since a cleaning action occurs on the base material side when an arc is generated, the cleanliness of the joint portion is improved on both the titanium material side and the steel material side, and a more healthy joint portion is obtained.
[0034]
Also in terms of construction efficiency, this embodiment is extremely efficient because the construction is completed in one process, apart from the work of cleaning the weld beads.
[0035]
As described above, the diameter of the welding wire used in the present embodiment method is basically 0.8 to 1.2 mm because it is necessary to generate a stable arc under a low current condition. It is preferable that When the wire diameter exceeds 1.2 mm, the current for obtaining a stable arc becomes excessive, and the base material is excessively melted, leading to the generation of the aforementioned fragile compound. On the other hand, when the wire diameter is less than 0.8 mm, the manufacturing cost of the wire itself is extremely high, and there is a disadvantage that the wire feedability is inferior. For this reason, the wire diameter is preferably 0.8 to 1.2 mm.
[0036]
【Example】
Next, a description will be given of the results of lining a titanium plate on a steel plate and testing its quality by the method of the first embodiment of the present invention. A 1 mm thick titanium plate of JISH4600 and TP270 was fixed to a mild steel plate having a thickness of 12 mm. The plane size of the test plate was 50 mm × 100 mm for both, and various holes having a diameter of 4 to 12 mm were machined in the center of the titanium plate material, which were then stacked on the mild steel plate.
[0037]
FIG. 2 shows the shape and dimensions of the clad piece. The clad pieces were sampled from titanium clad steel produced by the explosion method with several hole diameters and used for the test. For the stud welding of the clad piece, a commercially available arc stud welding machine was used and the current and arc time conditions were changed according to the respective diameters. Thereafter, the clad piece and the titanium plate were welded at a current condition of 150 to 180 A and a voltage condition of 12 to 14 V by the TIG welding method. Table 1 below shows the stud welding conditions.
[0038]
The test which peels a titanium plate from a steel plate after the completion of welding was done. Table 2 below shows the test conditions and the evaluation results in the peeling test. The titanium plate base material around the TIG welded portion was torn and the so-called button ruptured was regarded as acceptable (◯), and the case where it was broken at the TIG welded portion was regarded as unacceptable (x).
[0039]
From Tables 1 and 2, it can be seen that a strong lining is possible by selecting appropriate conditions.
[0040]
[Table 1]

[0041]
[Table 2]

[0042]
Next, the results of lining a titanium plate on a steel plate and testing its quality by the method of the second embodiment of the present invention will be described. A test was performed in which a titanium plate having a material thickness of JISH4600, TP270, and a plate thickness of 1 mm was lined to a mild steel plate having a plate thickness of 12 mm. Both of the plane sizes of the test plates were 50 mm × 100 mm, and a hole having a diameter of 9 mm was processed in the center of the titanium plate, and then the steel plate was overlaid on the mild steel plate. A titanium piece having the shape and dimensions shown in FIG. 7 was used. The friction welding of the titanium pieces was performed under various conditions using a commercially available friction welding machine. The titanium piece and the titanium plate were welded by the TIG welding method under the conditions of current: 150 to 180 A and voltage: 12 to 14V.
[0043]
The test which peels a titanium plate from a steel plate after the completion of welding was done. Table 3 below shows the friction welding conditions of the titanium piece to the steel plate and the evaluation results in the peeling test. Titanium plate base material around the TIG welded part was torn, so-called broken button was accepted (◯), and broken from the welded part was rejected (x).
[0044]
As shown in Table 3, a strong lining was possible by selecting appropriate conditions.
[0045]
[Table 3]

Next, the results of lining a titanium plate on a steel plate and testing its quality by the method of the third embodiment of the present invention will be described. In the same manner as in the second embodiment, a test was performed in which a titanium plate of 1 mm thickness of JISH4600 and TP270 was fixed to a mild steel plate of 12 mm thickness for lining. The plane sizes of the test plates were both 50 mm × 100 mm, and after processing a hole with a diameter of 6 mm in the center of the titanium plate, the mild steel plates were stacked. A titanium piece having the shape and dimensions shown in FIG. 8 was manufactured and subjected to a joining test. That is, the titanium piece and both the titanium plate and the steel plate were simultaneously friction welded. For this friction welding, a commercially available friction welding machine was used, the rotation speed was kept constant at 3000 rpm, and pressure welding was performed under various conditions shown in Table 4 below.
[0046]
After welding was completed, a test was conducted to peel the titanium plate from the steel plate. In the evaluation result column of Table 4 below, what was broken from the interface of the pressure contact portion was rejected (x), and what was so-called button fractured where the titanium plate base material was broken was rated as acceptable (◯).
[0047]
As shown in Table 4 below, by selecting appropriate conditions, it is possible to firmly line the titanium plate to the steel plate in one step.
[0048]
[Table 4]

[0049]
Next, the result of spot joining a steel plate and a titanium plate and investigating the quality of the joint by the method of the fourth embodiment of the present invention will be described. A 1 mm thick titanium plate of JISH4600 and TP270 was fixed to a mild steel plate having a thickness of 12 mm. The plane size of both test plates is 50 mm x 100 mm, and an arc welding method using various welding wires (MIG and MIG brazing) after machining a hole with a diameter of 8 mm in the center of a titanium plate and then stacking it on a mild steel plate. The two were welded together.
[0050]
After the welding was completed, the presence or absence of cracks in the weld was examined by visual inspection and penetration inspection, and the suitability of the construction conditions was determined.
[0051]
Table 5 below shows the welding method, welding conditions, and determination results. As shown in Table 5, although the occurrence of cracks could not be avoided in the case of MIG welding, in the present example method by MIG brazing that can be welded under relatively low current conditions, no cracks were observed, Good welding quality was obtained.
[0052]
[Table 5]

[0053]
Next, a description will be given of the results of examining the welding quality by changing the diameters of the holes provided in the titanium plate in the method according to the fourth embodiment of the present invention. In the same manner as in the examples shown in Table 5, a titanium plate material having a plate thickness of 1 mm of JISH4600 and TP270 and a mild steel plate having a plate thickness of 12 mm were used. Both test plates have a plane size of 50 mm x 100 mm. After processing holes of various diameters in the center of the titanium plate, use a 3% Si-Cu bronze wire with a diameter of 0.8 mm. Then, MIG spot welding was performed.
[0054]
After welding is complete, the presence or absence of cracks in the welded portion is examined by visual inspection and penetration flaw inspection. For those where no cracks are observed, a test is conducted to peel the titanium plate from the steel plate, and the welded portion is fractured. Was rejected (x), the titanium plate base material was torn and the so-called button fractured was determined to be acceptable (◯).
[0055]
Table 6 below shows the test conditions and evaluation results. As shown in Table 6, by selecting appropriate conditions, it is possible to firmly line the titanium plate to the steel plate in one step.
[0056]
[Table 6]

[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, titanium or a titanium alloy material and a steel material are used, and a clad piece comprising a titanium part and a steel part is used, and the same kind of material of the titanium or titanium alloy material and the steel material and the clad piece is used. Welding each other or using titanium pieces, and joining the titanium pieces to steel or steel and titanium or titanium alloy by friction welding, or titanium or titanium alloy in the hole of titanium or titanium alloy Since the steel and the steel material are joined by MIG welding, the titanium or titanium alloy material and the steel material can be fixed and the titanium or titanium alloy material can be lined to the steel material without melting and mixing titanium and iron. Therefore, a high strength joint can be obtained without forming a brittle intermetallic compound. Moreover, according to this invention, the pre-processing with respect to titanium or a titanium alloy material and steel materials is unnecessary, both alignment is also unnecessary, a process is simple, and manufacturing cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment.
FIG. 2 is a view showing a clad piece used in the test.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a modified example of the same.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a third embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a comparative example.
FIG. 7 is a view showing a titanium piece similarly used in the test.
FIG. 8 is a view showing a titanium piece similarly used in the test.
FIG. 9 is a sectional view showing a fourth embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a conventional mechanical coupling method.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing another conventional mechanical coupling method.
[Explanation of symbols]
1, 11, 21, 31:

Steel plates

2, 12, 22, 32:

Titanium plates

3, 13, 23, 33: Hole 4: Bolt 5: Nut 6: Weld 7: Screw 8: Screw hole 14: Cladding piece 15 : Titanium part 16:

Steel parts

17, 27, 29: Joint part 18: Recess 24, 28: Titanium small piece 25: Large diameter part 26: Small diameter part 34: Weld metal

Claims

After drilling a hole in titanium or titanium alloy material, this is overlaid on the steel material, a clad piece clad with titanium or titanium alloy part is placed in the hole, and the steel part of the clad piece is arced on the steel material. A method of lining titanium or a titanium alloy material to a steel material, characterized by stud welding and then arc welding the titanium or titanium alloy portion of the clad piece to the titanium or titanium alloy material at the edge of the hole.

After machining the hole in the titanium or titanium alloy material, this is overlaid on the steel material, and a small piece made of titanium or titanium alloy is joined to the surface of the steel material in the hole by friction welding, and then the titanium small piece is bonded to the edge of the hole. A method of lining titanium or a titanium alloy material to a steel material, characterized in that arc welding is performed on the titanium or titanium alloy material at a part.

After drilling a hole in titanium or titanium alloy material, this is overlaid on the steel material, and a small piece made of titanium or titanium alloy is simultaneously pressed into the surface of the steel material and the hole edge of the titanium or titanium alloy material in the hole. A method of lining titanium or a titanium alloy material to a steel material.

After drilling a hole in titanium or titanium alloy material, this is piled up on the steel material, and in the hole, the surface of the steel material and the peripheral part of the hole of titanium or titanium alloy material are simultaneously plug-joined by the MIG brazing method. A method of lining titanium or a titanium alloy material to steel.

The method for lining titanium or a titanium alloy material according to claim 4, wherein a welding wire made of a copper alloy having a solidus temperature of 1050 ° C or lower is used for the MIG brazing.

6. The titanium or titanium alloy steel material according to claim 5, wherein the welding wire is a Si bronze welding wire containing 1 to 4% by weight of Si and 0.3 to 3% by weight of Mn. Lining method.