利用高能束焊接金属玻璃和晶体金属的方法

摘要

本发明提供一种利用高能束焊接金属玻璃和晶体金属的方法，其通过使高能束扫描区域从金属玻璃和晶体金属的对接面向金属玻璃侧移动进行焊接来接合时，可更简便、可靠地使形成于焊接面的熔融部的组成为用于形成金属玻璃基材的玻璃相所必须的组成范围。所述焊接方法的特征在于，在晶体金属2侧的坡口的上端部形成坡口空间Y，对接金属玻璃1和晶体金属2，使电子束从对接面向金属玻璃1侧移动进行电子束焊接，形成具有非晶体金属玻璃的组成的熔融部4，所述熔融部4包括从包含晶体金属侧的上端部的坡口空间Y的宽区域的上端熔融部41向下方变狭窄地延伸至下面的下方熔融部42。

说明书

技术领域

本发明涉及一种接合方法，其通过电子束或激光束之类的高能束扫描接合非晶体金属及晶相和非晶相的复合金属(以下称为金属玻璃)与具有普通晶体结构的金属(以下称为晶体金属)。

背景技术

金属玻璃具有强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等优异的特性，可期望用于许多领域。

但是，虽然金属玻璃如上所述具有优异的特性，但存在难加工性、难焊接性的缺点。为了扩大其应用领域，金属玻璃间的焊接接合技术也很重要，为了做成实际的设备部件等，需要金属玻璃和实用金属材料间的接合技术。作为用于此目的的接合手段，报告有使用爆炸焊接法、摩擦焊接法或熔化焊接法的实例。

但是，在使用使接合部熔融的焊接法作为接合手段时，在形成于对接面的熔融部中，金属玻璃和晶体金属相互融合而使玻璃形成能力降低，因此会形成脆性金属间化合物，无法得到具有足够的焊接强度的接合体。

鉴于该情况，非专利文献1中报告了如下实例，由于使用能形成尖锐的熔深形状、适于局部快速加热和快速冷却的电子束或激光束之类的高能束作为用于焊接的加热源的焊接可以实现焊接部的两接合构件的相互熔融少，且可以实现快速加热、快速冷却，因此，可以使用对金属玻璃和晶体金属的对接面扫描高能束的焊接法。

而且，该报告还公开有金属玻璃和晶体金属间焊接的好坏与在其界面上形成的熔融部的结晶化TTT曲线是否比高能束焊接时的冷却曲线更位于成为长时间一侧的组成范围内相关。

另外，本申请发明人此前在专利文献1中公开了如下的焊接方法，为了使焊接时在对接面上形成的熔融部的组成为具有金属玻璃形成能力的成分组成，使高能束从金属玻璃和晶体金属的对接面向金属玻璃侧移动扫描。

该方法使高能束从金属玻璃和晶体金属的对接面向金属玻璃侧移动，可使金属玻璃向熔融部的熔解量比晶体金属的熔解量多，由此可使熔融部的成分组成进入具有玻璃形成能力的组成比的范围之内。

非专利文献1：Materials Transactions Vol.42.No.12(2001)，p.2649-2651

专利文献1：特开2006-88201号公报

发明内容

但是，在金属玻璃和晶体金属焊接时，即使使高能束扫描区域从金属玻璃和晶体金属的对接面向金属玻璃侧移动，也难以确定最佳移动量以使熔融部不含晶体金属成分，并且减少金属玻璃的熔解量，得到高效优质的接合状态，因其最佳移动量的确定因金属玻璃和晶体金属的材质、大小或焊接条件而异。

此外，即使使高能束扫描区域向金属玻璃侧移动，为了同时实现维持熔融部的玻璃形成能力和与晶体金属的致密接合两者，也还存在受金属玻璃和晶体金属的材质、尺寸或焊接条件限制的问题。

本发明想要解决的课题在于，提供一种简便的焊接方法，其利用使高能束扫描区域从金属玻璃和晶体金属的对接面向金属玻璃侧移动的焊接法接合金属玻璃和晶体金属时，在形成于焊接界面的熔融部的玻璃形成能力没有下降的情况下可得到坚固的接合强度。

本发明是利用使高能束扫描线从金属玻璃和晶体金属的对接面向金属玻璃侧移动的金属玻璃和晶体金属的焊接方法，其中，通过仅在对接面的晶体金属侧上端形成坡口空间来实现上述课题。

对于成为本发明的前提的扫描束向金属玻璃侧的移动量，如先前的专利文献1中公开的要点所述，为了使熔融部的结晶化的TTT曲线的前端时间在成为2.0秒以上的具有玻璃形成能力的组成范围内，所述移动量为从对接面偏向金属玻璃侧的位置。

在本发明中，形成于对接面的晶体金属侧的上端部的坡口空间是按照射束扫描时的晶体金属的熔融等温线的形状而形成的。

基于本发明仅在对接面的晶体金属侧的上端部形成坡口空间，使高能束扫描位置从金属玻璃和晶体金属的对接面向金属玻璃侧移动进行扫描，由此可使熔融部成为金属玻璃，从晶体金属侧向熔融部的融入(溶け込み)量非常少，熔融部的组成不会偏离高玻璃形成能力组成范围。

此外，仅在对接面的晶体金属侧上端部形成坡口空间，同时或单独使金属玻璃和晶体金属的对接材料倾斜，由此可以将熔融部的组成控制在高玻璃形成能力组成范围内。一般利用高能束进行焊接时，与熔融部相比，热影响部更容易结晶化，另外，被接合材料的板厚越厚，冷却速度越慢，越容易结晶化。

作为可以应用本发明的金属玻璃，(1)作为前提，必须是具有在高能束焊接时热影响部不会发生结晶化那样的玻璃形成能力的金属玻璃。也就是，必须具备这样的玻璃形成能力，即，具有与焊接时的加热、冷却曲线没有交叉那样的、固体加热时的结晶化TTT曲线。焊接时的加热、冷却速度随被接合材料的板厚增加而减慢，例如，在板厚2mm的场合，只要固体加热时的结晶化TTT曲线的前端时间为0.2秒以上(这相当于液体冷却时的结晶化TTT曲线的前端时间为5秒以上)，就可以在不仅熔融部而且热影响部也没有结晶化的情况下进行焊接。(2)并且，作为熔融部(原来的金属玻璃中混入了晶体金属成分而成的)的玻璃形成能力，只要液体冷却时的结晶化TTT曲线的前端时间为0.2秒以上时，就会使该焊接变得容易。即，希望熔融部的液体冷却时的结晶化TTT曲线比焊接时的冷却曲线更位于长时间的一侧。焊接时的冷却速度随被接合材料的板厚增加而减慢。例如，只要是具有在板厚2mm的场合，液体冷却时的结晶化TTT曲线的前端时间为0.2秒以上的玻璃形成能力的材料，就可使该焊接变得容易。

此外，作为防止晶体金属向上述熔融部烧蚀的手段，替代在上述晶体金属侧的上端部形成坡口空间，而采用在金属玻璃1和晶体金属2的对接状态(当接状態)将金属玻璃1侧提高5°左右或5°以上进行焊接时的倾斜手段，由此通过焊接时的倾斜，也能够使对接面3中的晶体金属的融入变少。

根据本发明，可得到具有足够的接合强度的金属玻璃和晶体金属的接合体，而且可期待焊接条件范围的扩大、被焊接材料的大型化、适用金属玻璃的扩大、适用晶体金属的扩大。

附图说明

图1表示根据本发明的焊接方法的概要。

图2表示在根据本发明的焊接方法中金属玻璃向坡口空间熔解、填充的状态。

图3是表示高能束照射的系统化的图。

图4是表示根据本发明的焊接部位的焊接金属组成没有变化的图。

图5是表示根据现有方法的焊接部位的焊接金属组成有变化的图。

图6是表示根据本发明的金属玻璃和不锈钢的接合体的微小区域X射线衍射试验结果的图。

图7是表示根据现有方法的金属玻璃和不锈钢的接合体的微小区域X射线衍射试验结果的图。

图8是表示在Zr基金属玻璃中熔解有各种晶体金属时熔融部的玻璃形成能力的变化的概念图。

图9是表示在Zr基金属玻璃中熔解有某一定量的各种晶体金属时的焊接难度和板厚的关系以及可以通过各种焊接方法良好焊接的范围的概念图。

符号说明

1  金属玻璃

2  晶体金属

3  接合面

4  熔融部    41  上端熔融部    42  下方熔融部

X  高能束

Y  坡口空间形成线

具体实施方式

在本发明中，对坡口空间的形状而言，可通过使用玻璃形成能力低的金属玻璃进行接合，由其断面的组织观察(断面的蚀刻照片)求得金属玻璃的熔融等温线，以此为基础，根据金属玻璃和结晶材料的熔点、比热、热传导率等热物性，通过计算求出结晶材料的熔点的等温线，以此为基础进行操作，以使其不含熔点以上的部分的方式将结晶材料的坡口空间的形状加工成单纯形状。

此外，从对接面向金属玻璃侧移动特定量(如0.2mm)焊接金属玻璃和某种晶体金属，观察晶体金属侧烧蚀了的形状所示的断面，由该断面的形状可以确定晶体金属侧的上端部的坡口空间形状。并且，还可以将其简单化用直线进行近似，以使其工业应用简单。

实施例

图1表示本发明的焊接方法。在图1中，作为金属玻璃1使用Zr基金属玻璃，另外，作为晶体金属2使用Zr、Ti、Ni、SUS316L。金属玻璃1和晶体金属2对接时，在晶体金属2侧的坡口空间的上部，形成以深0.5mm、宽0.5mm的直线状进行裁切而成的坡口空间Y。作为焊接条件，使加速电压固定为60kV，改变电流和速度，从对接面向晶体金属2侧移动，进行焊接。

图2表示金属玻璃1向由形成于该晶体金属侧的坡口空间形成的空间的熔解填充状态。如图2所示，在对接面中形成熔融部4，所述熔融部4包括从包含上端部的坡口空间的宽区域的上端熔融部41向下方变狭窄地延伸至下面的下方熔融部42，在接合部位的表面形成凹部。为了减少凹部的形成，也可以采取如下所述的手段等，即，在接合部设置补充用的金属玻璃，利用高能束照射使其熔解，向坡口空间进行补充，或在高能束照射位置供给粉末状或线状的金属玻璃。另外，也可以根据需要采取预热的手段。

现有方法和本发明的接合状态的好坏的判定结果如表1所示。表1所示的照射类型A、B、C如图3所示，A表示对金属玻璃1和晶体金属2的对接面照射高能束X的情况，B表示使高能束X的照射位置从对接面向金属玻璃侧移动的情况，C表示以本发明为基础使高能束X的照射位置从对接面向金属玻璃侧移动、同时仅在晶体金属侧的上端部形成坡口空间的情况。

表1

  照射类型  Zr  Ti  Ni  SUS316L  A  ◎  ×  ×  ×  B  ◎  ◎  △  ×  C  ◎  ◎  ○  ○

在表1中，用◎、○、△、×表示接合状态。◎表示接合部位具有与接合的金属玻璃完全相同的非晶态组织，接合效率为100％以上，在弯曲试验中没有发生断裂。○表示接合效率为100％以上，在弯曲试验中发生断裂，焊接金属具有与金属玻璃相同的非晶态组织。△表示接合效率为50％以上且低于100％，×表示接合效率低于50％，存在金属化合物，具有与接合的金属玻璃不同的组织。

由表1可知，晶体金属为Zr时，高能束的照射无论是哪种情况都呈现完全的接合状态，晶体金属为Ti时，只要高能束的照射位置向金属玻璃侧移动，不管是否在晶体金属侧设置坡口空间，都能形成与金属玻璃相同的组织。但是，晶体金属为Ni和SUS时，在本发明焊接法的条件下，可以形成与金属玻璃相同的组织。

图4及图5表示金属玻璃和作为晶体金属的不锈钢的焊接部附近的焊接金属的组成变化的测定结果。在图4所示的移动高能束照射位置、同时设置坡口空间的本发明的实施例的情况下，其组成从上端熔融部到下方熔融部都具有金属玻璃1的组成，和金属玻璃1为等质，没有混入晶体金属2，具有可成为非晶体金属玻璃的组成。另外，在图5所示的仅移动高能束照射位置的比较例的情况下，上端熔融部为混入了晶体金属的组成，焊接金属内可观察到显示脆性的结晶化区域。

图6及图7表示利用微小区域X射线衍射法研究金属玻璃和不锈钢的接合体的各部分有无结晶化的结果。在这些图中，表示上部接合体的状态的图中的p表示不锈钢、q表示上端熔融部、r表示下方熔融部、s表示金属玻璃，下方的微小区域X射线衍射试验结果与此相对应。在图6所示的移动高能束照射位置、同时设置坡口空间的本发明的实施例的情况下，其焊接金属从上端熔融部到下方熔融部都具有金属玻璃1的组成，和金属玻璃1为等质，没有发生结晶化，为非晶体金属玻璃。另一方面，在图7所示的仅移动高能束照射位置的比较例的情况下，上端熔融部混入了晶体金属，焊接金属内可观察到显示脆性的结晶化区域。

(由实施例看到的由本发明产生的效果的综合评价)

表2表示对上述每个实施例的综合评价。

表2

  板厚  (mm)  空间  尺寸  (mm)  扫描  位置  (mm)  焊接  供热  (J/mm)  金属  玻璃  晶体  材料  接合  判定  备注  弯曲断裂  强度  (MPa)  2  0  0  18  a  SUS  ×  110  2  0  0.2  18  a  SUS  △  A、C、E  505  2  0  0.3  18  a  SUS  ×  23  2  0.4  0.2  18  a  SUS  △  530  2  0.6  0.2  18  a  SUS  ○  605  2  0.7  0.2  18  a  SUS  ○  603  2  0.5  0.2  18  a  SUS  ○  A、C、E  713  2  0  0.2  18  a  Ti  ○  B、C、D、E  610  2  0  0.4  18  a  Ti  ◎  没有断裂  2  0  0  18  a  Ti  ×  201  2  0  0  18  a  Ni  ×  102  2  0  0.2  18  a  Ni  △  A、C  215  2  0.5  0.2  18  a  Ni  ○  A、C  、E  420

  板厚  (mm)  空间  尺寸  (mm)  扫描  位置  (mm)  焊接  供热  (J/mm)  金属  玻璃  晶体  材料  接合  判定  备注  弯曲断裂  强度  (MPa)  2  0.5  0.2  12.1  a  Ti  ○  B  606  2  0.5  0.2  18  a  Ti  ◎  C、D、E  没有断裂  3  0  0.2  22  a  Ti  △  C  365  3  0  0.2  22  a  Ni  ×  C  96  3  0  0.2  22  a  SUS  ×  C  243  3  0.5  0.2  22  a  Ti  ◎  C  没有断裂  3  0.5  0.2  22  a  Ni  △  C  210  3  0.5  0.2  22  a  SUS  ×  C  301  2  0  0.2  18  b  Ti  △  D  389  2  0.5  0.2  18  b  Ti  ○  D  605  2  0  0.1  18  a  SUS  ×  224  2  0  0.15  18  a  SUS  △  321  2  0  0  16  a  SUS  ×  156  2  0  0.1  16  a  SUS  ×  178  2  0  0.15  16  a  SUS  △  311  2  0  0.2  16  a  SUS  △  455  2  0  0.3  16  a  SUS  ×  32  2  0  0  14  a  SUS  ×  147

  板厚  (mm)  空间  尺寸  (mm)  扫描  位置  (mm)  焊接  供热  (J/mm)  金属  玻璃  晶体  材料  接合  判定  备注  弯曲断裂  强度  (MPa)  2  0  0.1  14  a  SUS  ×  180  2  0  0.15  14  a  SUS  △  316  2  0  0.2  14  a  SUS  △  465  2  0  0.3  14  a  SUS  ×  29  2  0  0  12  a  SUS  ×  141  2  0  0.1  12  a  SUS  ×  176  2  0  0.15  12  a  SUS  △  321  2  0  0.2  12  a  SUS  △  446  2  0  0.3  12  a  SUS  ×  30

A  接近扫描位置

B  能降低供热

C  大型化

D   适用金属玻璃扩大

E   适用晶体材料扩大

×  焊接效率低于50％

△  焊接效率为50％以上且低于100％

○  焊接效率为100％以上

◎  焊接效率为100％以上，且弯曲试验中没有断裂

*  所谓焊接效率为接合材料的屈服强度相对于屈服强度低的被接合材料的屈服强度的比例

a  Zr41Be23Ti14Cu12Ni10(at.％)

b  Zr52Cu18Ni15A110Ti5(at.％)

由表2可知，根据本发明可得到具有足够的接合强度的金属玻璃和晶体金属的接合体，而且可以得到焊接条件范围扩大、被焊接材料大型化、适用金属玻璃扩大、适用晶体金属扩大的效果。

图8表示在Zr基金属玻璃中熔解有各种晶体金属时晶体金属成分对熔融部的玻璃形成能力变化的影响程度，由于Ni、SUS比Zr、Ti熔点低，因此容易融入，特别是SUS，由于其与此次使用的金属玻璃的构成成分不同，因此，在焊接金属中仅少许融入就会大大损害玻璃形成能力。

图9是表示在Zr基金属玻璃中熔解有某一定量各种晶体金属时的焊接难度和板厚的关系以及可以通过各种焊接方法良好焊接的范围的概念图，即使是通过应用高能束目前也不能焊接的SUS，通过应用本发明也能焊接。

根据以上实施例，另外还清楚地显示出以下效果。

·通过在上端部采用坡口空间，可抑制晶体金属向焊接金属内熔出。因而，如Ni、SUS的实例中所见，可以将焊接金属的组成控制在不损害玻璃形成能力的组成范围内，即使高能束扫描位置接近界面侧，也能得到具有足够的接合强度的接合体。即使是如果不使高能束扫描位置拉开距离就不能进行接合的组合，通过采用坡口空间，也可以在没有采用坡口空间时不能接合的高能束扫描位置进行焊接，且可以提高接合强度。

·通过在上端部采用坡口空间，由于可以将使晶体金属熔解的部分的能量用于金属玻璃熔融，因此，供给较少的热量就能得到只使金属玻璃熔解、具有足够的接合强度的接合体(例如Ti)。通过在上端部采用坡口空间，即使供给较少的热量也能得到相同的接合强度。

·当焊接板厚度大的构件时，为了进行穿透焊接，必须提高焊接供热。其结果会使熔融宽度变宽。在没有采用坡口空间时，晶体金属侧大量熔解，焊接金属的组成发生很大变化，但通过在晶体金属侧的上端部采用坡口空间，可抑制晶体金属熔解，可以使焊接金属的组成保持为不损害玻璃形成能力的组成，可以得到具有足够的接合强度的接合体(例如Ti)。在t＝2mm时，即使不采用坡口空间也能得到足够的接合强度，但t＝3mm时不能得到足够的强度。但是，即采在t＝3mm时，通过采用坡口空间，也可得到具有优异的接合强度的接合体。

·即使在玻璃形成能力差的金属玻璃的焊接中，通过在晶体金属的上端部采用坡口空间，也可抑制晶体金属的熔解，变得可以焊接，可得到具有足够强度的接合体(例如金属玻璃b)。

·即使将作为金属玻璃成分的Zr、Ti以某种程度融入焊接金属内，也不会损害玻璃形成能力，但如果金属玻璃中不含有的成分从晶体金属侧融入焊接金属内，就会大大损害玻璃形成能力，因此，如果不极力抑制这些成分的熔解，就不能得到具有足够的接合强度的接合体。因此，通过在晶体金属的上端部采用坡口空间，可抑制晶体金属的熔解，减小焊接金属的组成变化，因此，可以得到没有采用坡口空间时不能焊接的晶体金属和金属玻璃的组合的接合体(例如金属玻璃a-SUS、Ni)。