JPH0334434B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、銅又は銅合金材製の筒形連続鋳造モ
ールドや溶解用るつぼ炉等を溶接製造する方法に
関し、殊に溶接部における欠陥が少なく、しかも
高レベルの製品品質及び作業能率を得ることので
きる、銅又は銅合金を母材とする突合せ溶接方法
に関するものである。 ［従来の技術］ 鋼の造塊法には、エネルギーの省力化や歩留り
の向上を目的として連続鋳造法が古くから採用さ
れており、該連続鋳造に用いられるモールドは一
般に銅又は銅合金を材料として構成されるが、耐
熱強度等を考慮して銅合金が使用される場合も少
なくない。連続鋳造用のモールドは筒形に形成さ
れ、内側寸法が150mm程度以下のモールドは、押
出し法によつて一体成形されるが、前記寸法より
大きなものは銅又は銅合金の板材を締結材を利用
して組立てた組立モールドが使用される。代表的
な組立モールドの例を第２図（横断面図）に示
す。 一方最近の連続鋳造装置においては、鋳造製品
の品質向上を目的に電磁撹拌鋳造が実用化される
ようになり、撹拌効率を向上させるためにモール
ドの小型軽量化が要求され、大がかりな構造とな
る組立モールドに代わつて溶接一体化型のモール
ドを使用する例が増大してきている。 例えば２分割、４分割された銅又は銅合金製の
モールド材をTIG溶接又はMIG溶接によつて一
体化して連続鋳造用モールドを作製している。し
かるに銅又は銅合金材は鋼材と比較して熱伝導率
が極端に高く、熱の逸散速度が速い為、溶接を行
なう場合に、母材の開先部分だけを溶融させると
いうことが非常にむつかしい。しかも溶融金属の
凝固速度も速い為溶融金属のぬれが悪く、溶接部
での融合不良やブローホール等の溶接欠陥が起こ
り易い。そのため一般に厚板の銅又は銅合金板材
をTIG溶接又はMIG溶接する場合には、溶接母
材全体を300℃以上に予熱して溶接を行なう必要
があつた。 ［発明が解決しようとする問題点］ 溶接母材である銅又は銅合金の板材を高温で予
熱しながら溶接した場合、以下の様な問題点が発
生する。 (1) 多大なエネルギーと労力が要求されるばかり
でなく作業能率を低下させることにもなる。 (2) 母材を高温に加熱するため、溶接作業前の冷
間加工および熱処理によつて折角高強度を得て
いた母材が、予熱により焼鈍された状態とな
り、母材強度を低下させてしまう。 (3) さらに予熱温度から常温への冷却時に、母材
が著しく変形する為、溶接終了後変形修正のた
めの切削加工等の作業量が著しく多くなつてし
まう。特に時効硬化型銅合金に対して予熱を加
えながらアーク溶接を行つた場合、母材及び溶
接部とも焼鈍された状態となつてしまい、強度
を確保するためには溶接作業終了後、高温加
熱・水中急冷を行ない溶体化処理しなければな
らない。従つて急冷によつて製品に大きな変形
を発生してしまい、製品品質を確保するために
は、切削加工等の矯正作業がどうしても多くな
つてしまう。 そこで本発明者らは、連続鋳造用モールドの様
な銅又は銅合金材で形成される一体構造物を溶接
する方法について、溶接母材の強度低下や変形を
生ずることなく、しかも欠陥のない確実な溶接部
を形成することのできる溶接法の確立を期して
種々研究を積み重ねた結果、本発明を完成させる
に至つた。 ［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するため、本発明は以下の様
に銅又は銅合金材の材質と溶接法を特定した点に
要旨が存在する。即ち水素成分含有量が5ppm以
下、酸素成分含有量が100ppm以下に夫々制限さ
れた銅又は銅合金材を用い、突合せ溶接部裏面に
銅又は銅合金製裏当材を当接して電子ビーム溶接
する点に主旨が存在する。 ［作用］ 電子ビーム溶接は、通常のアーク溶接に比較し
てエネルギー密度が格段に高いという特徴を有し
ており、銅又は銅合金のように熱伝導率が高く、
熱の逸散速度の速い材料でも予熱を行なわなくと
も１パスで深溶込み溶接が可能である。そのうえ
溶接部から母材への熱影響が少なく、母材の軟化
や変形を最小限に抑えることができる。 また銅及び銅合金製の母材はもともと熱の逸散
速度が速いため溶接部及びその周囲の熱影響部は
急冷されることにより、焼鈍軟化を受けることな
く、逆に溶体化処理されたのと同様の効果を受
け、強制固溶された状態となる。 さらに電子ビーム溶接時の溶接巾は非常に狭く
しかも平行状であるという特徴を有しているた
め、溶接時の角変形はほとんど発生せず、横収縮
量も0.15〜0.4mm程度と非常に小さくなる。 しかし電子ビーム溶接では、前記した様に溶融
金属の凝固速度が速いので、溶融金属中に生成し
た気泡は逃げ出すことができず、そのままブロー
ホールとなつて溶接部に残留してしまうという欠
点がある。該ブローホールを減少させる方法とし
ては電子ビームに揺動を与える。又は電子ビーム
溶接の進行速度を遅くして生成した気泡を溶融部
から出してしまう等の方法が考えられるが、溶接
進行速度を遅くするにも限界があり、ブローホー
ル減少対策としては十分ではない。 そこで溶接母材である銅又は銅合金材中のガス
成分である酸素及び水素に注目し、ブローホール
の発生量と母材中の酸素含有量及び水素含有量と
の関係を調べた結果、以下のことをつきとめた。
即ち第１図（グラフ）に示す様にJIS Z3104に基
づき２級以上の溶接部（白丸印）を得るためには
母材中の酸素含有量が100ppm以下、水素含有量
が5ppm以下であることが必要であることが分か
つた。 ところで銅又は銅合金材を突合せて電子ビーム
溶接する場合、溶接部の裏波形状はアンダーフイ
ルやピツトなどの欠陥が生じ易く、良好な裏波が
得られ難いという問題がある。ところが共金系の
裏当材を開先部に配置して溶接すれば、アンダー
フイルやピツト等の欠陥を回避し得ることが判明
した。即ち電子ビームが貫通してしまわない程度
の厚さを有する裏当材を使用することにより、ア
ンダーフイルやピツトを避けることができる。該
裏当材の材料としては、裏当材の一部が溶融して
母材溶接部中に混入することを考えれば共金系の
材料を使用することが好ましい。しかし溶接時に
おける母材合金と裏当材合金の相互拡散による溶
接金属の物性改善を図ろうとする場合は、裏当材
として母材とは異種の銅合金或は鈍銅を使用する
こともできる。 ［実施例］ 電子ビーム溶接機の機構は第３図（説明図）に
示す通りであり、陰極フイラメント７を加熱し、
放出された電子を陽極８によつて加速し、集束レ
ンズ１０によつて収束を行なう。この電子を被溶
接物１２に衝突させ、この衝突エネルギーによつ
て被溶接物を高温に加熱して溶接する。 水素、酸素の成分含有量の異なる銅及び銅合金
材を用いて電子ビーム溶接を行ない、JIS Z3104
に基づいて放射線透過試験を行ない、溶接部にお
けるブローホール発生の判定を行なつた。その結
果は第１表に示す通りであり、本発明に係る水
素、酸素成分含有量の条件を満たす実施例は、表
中No.１，２，４，７，９，11，13，14，15，16で
あり、これらはJIS Z3104に基づく１級又は２級
相当の溶接性能をした。 なお第１表中No.３，５，６，８，10，12は比較
例であり、本発明の水素、酸素成分含有量を満た
しておらず、ブローホール発生の判定結果はいず
れも３級又は４級相当であつた。

【表】 次に第５図ａに示す如く母材２同士を突合せ、
開先裏面側に銅又は銅合金製の裏当材３を配設し
て電子ビーム溶接を行ない、第５図ｂに示す様な
溶接部１３を得た。この場合電子ビームが表面側
へ貫通しないので、通常電子ビーム溶接で必要な
ビーム吸収板を開先裏面側に設ける必要がなく作
業は簡略化された。しかし本発明では、上記ビー
ムが裏当材内部でとまる部分溶込み溶接に限定さ
れる訳ではなく、ビームが裏当材を貫通する貫通
溶接を採用した場合でも、欠陥のない健全な溶接
部を得ることができる。ただし上記したいずれの
場合にも溶接母材と裏当材３とが溶着してしまう
ので、溶接終了後、裏当材３を切削削除する作業
を伴う。 次に第２表は、裏当材の材質が電子ビーム溶接
継手の引張強さにどの様な影響を及ぼすかを明確
にする為に行なつた結果を示したものである。

【表】 その結果、裏当材の材質としては必らずしも母
材と共金材が最良という訳ではなく、裏当材とし
てCu−Cr−Zr系の合金を用いた場合の方が溶接
部の引張強さはわわずかに高い値を示している。 またCu−Cr−Zr系の合金を母材とする場合、
Zrが溶接割れに悪影響を及ぼすことが分かつて
いるが、裏当材に純銅を使用することにより、溶
接部中のZr量が減少し、溶接割れが減少するこ
とも確認された。 従つて母材と異る材質の裏当材を用いることに
より、共金材を使用する場合に比較してむしろ良
好な結果が得られることもある。 電子ビーム溶接の場合、ビード巾がアーク溶接
に比べて狭いのが大きな特徴の１つであり、この
ため厳しい開先精度が要求され、開先の直線性が
悪い場合には、目はずれを生じたり、又開先のギ
ヤツプが大きいとアンダーフイルやブローホール
等の欠陥の原因となる。 断面形状が円形、四角形又は多角形である筒形
の連続鋳造用モールドを電子ビーム溶接によつて
一体化するには、縦２分割とすることにより最良
の開先溶接線を得ることができる。しかして１シ
ーム溶接だけで済むモールドを製作すると、溶接
開先線を合せるときに、材料がスプリングバツク
を生じるため、開先のギヤツプ量を小さく保つこ
とが困難となる。また３分割以上にすると溶接前
の組立作業が煩雑となり、品質および作業効率の
何れの面からしても例えば第４図に示す様に２分
割で２シーム溶接する方法が最も好ましい。 溶接により一体化して連続鋳造用モールド等を
作製する順序としては、Ａ板材の状態で溶体化処
理を行ない、その後板材を分割片に成形し、時効
処理して前記分割片を溶接にて一体化する方法
と、Ｂ分割片を一体化して後時効処理を行なう方
法とがある。ところが一体化のための溶接のアー
ク溶接にて行なう場合、母材の予熱及び溶接入熱
により、母材は完全に焼鈍された状態となつてお
り、溶接母材および溶接部ともにビツカース硬さ
は第６図ｂに示す様に60〜70程度（荷重５Kg）を
示す。この値は、アーク溶接と時効処理の作業順
序を逆にしてもさしてかわらない。一方第６図ａ
に示す如く電子ビーム溶接を行なつたものについ
ては、時効処理後に溶接を行なつたものでは、ビ
ード中心の極一部で軟化されビツカース硬さが低
下している部分はあるが、製品全体の硬さは、ア
ーク溶接したもの［第６図ｂ］に比較して格段に
優れた値を示している。この場合、電子ビーム溶
接後に時効処理を行なう方法を採用すれば、ビー
ド中心部の硬さも改善することができる。 また第３表は銅合金（Cu−0.6％Cr−0.15％Zr）
溶接部の継手引張試験の結果を示したものであ
る。

【表】 この結果からも明らかな様に、時効処理して電
子ビーム溶接する場合及び電子ビーム溶接して時
効処理する場合いずれでも、アーク溶接する場合
に比較して、高レベル溶接継手強度を得ることが
できる。 ［発明の効果］ 銅又は銅合金で形成される連続鋳造用モールド
等の一体化のために電子ビーム溶接を用いること
により、製品の熱変形を極力少なくすることがで
き、しかも予熱等による母材の強度劣化を最小限
に抑えることができる。 また溶接部に生じがちなブローホール欠陥等
は、母材中のガス成分含有量を制限することによ
り減少させることが可能となり、銅又は銅合金の
裏当材を用いることによつて良好な溶接ビード形
状を確保し得ることになつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接部におけるブローホールの発生と
母材中の酸素、水素成分含有量の関係を示すグラ
フ、第２図は連続鋳造用の組立モールドを示す横
断面図、第３図は電子ビーム溶接機の原理を示す
説明図、第４図は連続鋳造用モールドのシーム溶
接例を示す説明図、第５図ａ，ｂは裏当材を使用
した電子ビーム溶接前後の溶接部の形状を示す断
面図、第６図ａは電子ビーム溶接を行なつた場合
の硬さ分布を示すグラフ、第６図ｂは従来の
MIG溶接を行なつた場合の硬さ分布を示すグラ
フである。 １……溶接母材、１ａ……連鋳用組立モール
ド、２……溶接母材、３……裏当材、４……電子
ビーム、５……銅板、６……冷却用ジヤケツト、
７……陰極フイラメント、８……陽極、９……電
子銃、１０……集束レンズ、１１……真空室、１
２……被溶接物、１３……溶接部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 銅或は銅合金製の筒形連続鋳造モールド又は
   溶解用るつぼ炉を溶接製造する方法において、水
   素成分含有量が5ppm以下、酸素成分含有量が
   100ppm以下に制限された母材を使用し、突合せ
   溶接部裏面に銅又は銅合金製の裏当材を当接して
   電子ビーム溶接することを特徴とする銅或は銅合
   金製の筒形連続鋳造モールド又は溶解用るつぼ炉
   の溶接製造方法。