專利名稱：：利用高能束焊接金屬玻璃和晶體金屬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種接合方法，其通過電子束或激光束之類的高能束掃描接合非晶體金屬及晶相和非晶相的復(fù)合金屬(以下稱為金屬玻璃)與具有普通晶體結(jié)構(gòu)的金屬(以下稱為晶體金屬)。
背景技術(shù)：
：金屬玻璃具有強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性等優(yōu)異的特性，可期望用于許多領(lǐng)域。但是，雖然金屬玻璃如上所述具有優(yōu)異的特性，但存在難加工性、難焊接性的缺點。為了擴大其應(yīng)用領(lǐng)域，金屬玻璃間的焊接接合技術(shù)也很重要，為了做成實際的設(shè)備部件等，需要金屬玻璃和實用金屬材料間的接合技術(shù)。作為用于此目的的接合手段，報告有使用爆炸焊接法、摩擦焊接法或熔化焊接法的實例。但是，在使用使接合部熔融的焊接法作為接合手段時，在形成于對接面的熔融部中，金屬玻璃和晶體金屬相互融合而使玻璃形成能力降低，因此會形成脆性金屬間化合物，無法得到具有足夠的焊接強度的接合體。鑒于該情況，非專利文獻1中報告了如下實例，由于使用能形成尖銳的熔深形狀、適于局部快速加熱和快速冷卻的電子束或激光束之類的高能束作為用于焊接的加熱源的焊接可以實現(xiàn)焊接部的兩接合構(gòu)件的相互熔融少，且可以實現(xiàn)快速加熱、快速冷卻，因此，可以使用對金屬玻璃和晶體金屬的對接面掃描高能束的焊接法。而且，該報告還公開有金屬玻璃和晶體金屬間焊接的好壞與在其界面上形成的熔融部的結(jié)晶化TTT曲線是否比高能束焊接時的冷卻曲線更位于成為長時間一側(cè)的組成范圍內(nèi)相關(guān)。另外，本申請發(fā)明人此前在專利文獻1中公開了如下的焊接方法，為了使焊接時在對接面上形成的熔融部的組成為具有金屬玻璃形成能力的成分組成，使高能束從金屬玻璃和晶體金屬的對接面向金屬玻璃側(cè)移動掃描。該方法使高能束從金屬玻璃和晶體金屬的對接面向金屬玻璃側(cè)移動，可使金屬玻璃向熔融部的熔解量比晶體金屬的熔解量多，由此可使熔融部的成分組成進入具有玻璃形成能力的組成比的范圍之內(nèi)。非專利文獻1-MaterialsTransactionsVol.42.No.12(2001)，p.2649-2651專利文獻1:特開2006-88201號公報
發(fā)明內(nèi)容但是，在金屬玻璃和晶體金屬焊接時，即使使高能束掃描區(qū)域從金屬玻璃和晶體金屬的對接面向金屬玻璃側(cè)移動，也難以確定最佳移動量以使熔融部不含晶體金屬成分，并且減少金屬玻璃的熔解量，得到高效優(yōu)質(zhì)的接合狀態(tài)，因其最佳移動量的確定因金屬玻璃和晶體金屬的材質(zhì)、大小或焊接條件而異。此外，即使使高能束掃描區(qū)域向金屬玻璃側(cè)移動，為了同時實現(xiàn)維持熔融部的玻3璃形成能力和與晶體金屬的致密接合兩者，也還存在受金屬玻璃和晶體金屬的材質(zhì)、尺寸或焊接條件限制的問題。本發(fā)明想要解決的課題在于，提供一種簡便的焊接方法，其利用使高能束掃描區(qū)域從金屬玻璃和晶體金屬的對接面向金屬玻璃側(cè)移動的焊接法接合金屬玻璃和晶體金屬時，在形成于焊接界面的熔融部的玻璃形成能力沒有下降的情況下可得到堅固的接合強度。本發(fā)明是利用使高能束掃描線從金屬玻璃和晶體金屬的對接面向金屬玻璃側(cè)移動的金屬玻璃和晶體金屬的焊接方法，其中，通過僅在對接面的晶體金屬側(cè)上端形成坡口空間來實現(xiàn)上述課題。對于成為本發(fā)明的前提的掃描束向金屬玻璃側(cè)的移動量，如先前的專利文獻1中公開的要點所述，為了使熔融部的結(jié)晶化的TTT曲線的前端時間在成為2.0秒以上的具有玻璃形成能力的組成范圍內(nèi)，所述移動量為從對接面偏向金屬玻璃側(cè)的位置。在本發(fā)明中，形成于對接面的晶體金屬側(cè)的上端部的坡口空間是按照射束掃描時的晶體金屬的熔融等溫線的形狀而形成的。基于本發(fā)明僅在對接面的晶體金屬側(cè)的上端部形成坡口空間，使高能束掃描位置從金屬玻璃和晶體金屬的對接面向金屬玻璃側(cè)移動進行掃描，由此可使熔融部成為金屬玻璃，從晶體金屬側(cè)向熔融部的融入(溶^込*)量非常少，熔融部的組成不會偏離高玻璃形成能力組成范圍。此外，僅在對接面的晶體金屬側(cè)上端部形成坡口空間，同時或單獨使金屬玻璃和晶體金屬的對接材料傾斜，由此可以將熔融部的組成控制在高玻璃形成能力組成范圍內(nèi)。一般利用高能束進行焊接時，與熔融部相比，熱影響部更容易結(jié)晶化，另外，被接合材料的板厚越厚，冷卻速度越慢，越容易結(jié)晶化。作為可以應(yīng)用本發(fā)明的金屬玻璃，(1)作為前提，必須是具有在高能束焊接時熱影響部不會發(fā)生結(jié)晶化那樣的玻璃形成能力的金屬玻璃。也就是，必須具備這樣的玻璃形成能力，即，具有與焊接時的加熱、冷卻曲線沒有交叉那樣的、固體加熱時的結(jié)晶化TTT曲線。焊接時的加熱、冷卻速度隨被接合材料的板厚增加而減慢，例如，在板厚2mm的場合，只要固體加熱時的結(jié)晶化TTT曲線的前端時間為0.2秒以上(這相當(dāng)于液體冷卻時的結(jié)晶化TTT曲線的前端時間為5秒以上)，就可以在不僅熔融部而且熱影響部也沒有結(jié)晶化的情況下進行焊接。(2)并且，作為熔融部(原來的金屬玻璃中混入了晶體金屬成分而成的)的玻璃形成能力，只要液體冷卻時的結(jié)晶化TTT曲線的前端時間為O.2秒以上時，就會使該焊接變得容易。即，希望熔融部的液體冷卻時的結(jié)晶化TTT曲線比焊接時的冷卻曲線更位于長時間的一側(cè)。焊接時的冷卻速度隨被接合材料的板厚增加而減慢。例如，只要是具有在板厚2mm的場合，液體冷卻時的結(jié)晶化TTT曲線的前端時間為0.2秒以上的玻璃形成能力的材料，就可使該焊接變得容易。此外，作為防止晶體金屬向上述熔融部燒蝕的手段，替代在上述晶體金屬側(cè)的上端部形成坡口空間，而采用在金屬玻璃1和晶體金屬2的對接狀態(tài)(當(dāng)接狀態(tài))將金屬玻璃1側(cè)提高5°左右或5°以上進行焊接時的傾斜手段，由此通過焊接時的傾斜，也能夠使對接面3中的晶體金屬的融入變少。根據(jù)本發(fā)明，可得到具有足夠的接合強度的金屬玻璃和晶體金屬的接合體，而且4可期待焊接條件范圍的擴大、被焊接材料的大型化、適用金屬玻璃的擴大、適用晶體金屬的擴大。圖1表示根據(jù)本發(fā)明的焊接方法的概要。圖2表示在根據(jù)本發(fā)明的焊接方法中金屬玻璃向坡口空間熔解、填充的狀態(tài)。圖3是表示高能束照射的系統(tǒng)化的圖。圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的焊接部位的焊接金屬組成沒有變化的圖。圖5是表示根據(jù)現(xiàn)有方法的焊接部位的焊接金屬組成有變化的圖。圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的金屬玻璃和不銹鋼的接合體的微小區(qū)域X射線衍射試驗結(jié)果的圖。圖7是表示根據(jù)現(xiàn)有方法的金屬玻璃和不銹鋼的接合體的微小區(qū)域X射線衍射試驗結(jié)果的圖。圖8是表示在Zr基金屬玻璃中熔解有各種晶體金屬時熔融部的玻璃形成能力的變化的概念圖。圖9是表示在Zr基金屬玻璃中熔解有某一定量的各種晶體金屬時的焊接難度和板厚的關(guān)系以及可以通過各種焊接方法良好焊接的范圍的概念圖。符號說明1金屬玻璃2晶體金屬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坡口空間形成線具體實施例方式在本發(fā)明中，對坡口空間的形狀而言，可通過使用玻璃形成能力低的金屬玻璃進行接合，由其斷面的組織觀察(斷面的蝕刻照片)求得金屬玻璃的熔融等溫線，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)金屬玻璃和結(jié)晶材料的熔點、比熱、熱傳導(dǎo)率等熱物性，通過計算求出結(jié)晶材料的熔點的等溫線，以此為基礎(chǔ)進行操作，以使其不含熔點以上的部分的方式將結(jié)晶材料的坡口空間的形狀加工成單純形狀。此外，從對接面向金屬玻璃側(cè)移動特定量(如0.2mm)焊接金屬玻璃和某種晶體金屬，觀察晶體金屬側(cè)燒蝕了的形狀所示的斷面，由該斷面的形狀可以確定晶體金屬側(cè)的上端部的坡口空間形狀。并且，還可以將其簡單化用直線進行近似，以使其工業(yè)應(yīng)用簡單。實施例圖l表示本發(fā)明的焊接方法。在圖l中，作為金屬玻璃l使用Zr基金屬玻璃，另外，作為晶體金屬2使用Zr、Ti、Ni、SUS316L。金屬玻璃1和晶體金屬2對接時，在晶體金屬2側(cè)的坡口空間的上部，形成以深0.5mm、寬0.5mm的直線狀進行裁切而成的坡口空間Y。作為焊接條件，使加速電壓固定為60kV，改變電流和速度，從對接面向晶體金屬2側(cè)移動，進行焊接。圖2表示金屬玻璃1向由形成于該晶體金屬側(cè)的坡口空間形成的空間的熔解填充狀態(tài)。如圖2所示，在對接面中形成熔融部4，所述熔融部4包括從包含上端部的坡口空間的寬區(qū)域的上端熔融部41向下方變狹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。為了減少凹部的形成，也可以采取如下所述的手段等，即，在接合部設(shè)置補充用的金屬玻璃，利用高能束照射使其熔解，向坡口空間進行補充，或在高能束照射位置供給粉末狀或線狀的金屬玻璃。另外，也可以根據(jù)需要采取預(yù)熱的手段?，F(xiàn)有方法和本發(fā)明的接合狀態(tài)的好壞的判定結(jié)果如表1所示。表1所示的照射類型A、B、C如圖3所示，A表示對金屬玻璃1和晶體金屬2的對接面照射高能束X的情況，B表示使高能束X的照射位置從對接面向金屬玻璃側(cè)移動的情況，C表示以本發(fā)明為基礎(chǔ)使高能束X的照射位置從對接面向金屬玻璃側(cè)移動、同時僅在晶體金屬側(cè)的上端部形成坡口空間的情況。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>在表1中，用0、O、A、X表示接合狀態(tài)。(D表示接合部位具有與接合的金屬玻璃完全相同的非晶態(tài)組織，接合效率為100%以上，在彎曲試驗中沒有發(fā)生斷裂。O表示接合效率為100%以上，在彎曲試驗中發(fā)生斷裂，焊接金屬具有與金屬玻璃相同的非晶態(tài)組織。A表示接合效率為50%以上且低于100%，X表示接合效率低于50%，存在金屬化合物，具有與接合的金屬玻璃不同的組織。由表1可知，晶體金屬為Zr時，高能束的照射無論是哪種情況都呈現(xiàn)完全的接合狀態(tài)，晶體金屬為Ti時，只要高能束的照射位置向金屬玻璃側(cè)移動，不管是否在晶體金屬側(cè)設(shè)置坡口空間，都能形成與金屬玻璃相同的組織。但是，晶體金屬為Ni和SUS時，在本發(fā)明焊接法的條件下，可以形成與金屬玻璃相同的組織。圖4及圖5表示金屬玻璃和作為晶體金屬的不銹鋼的焊接部附近的焊接金屬的組成變化的測定結(jié)果。在圖4所示的移動高能束照射位置、同時設(shè)置坡口空間的本發(fā)明的實施例的情況下，其組成從上端熔融部到下方熔融部都具有金屬玻璃1的組成，和金屬玻璃1為等質(zhì)，沒有混入晶體金屬2，具有可成為非晶體金屬玻璃的組成。另外，在圖5所示的僅移動高能束照射位置的比較例的情況下，上端熔融部為混入了晶體金屬的組成，焊接金屬內(nèi)可觀察到顯示脆性的結(jié)晶化區(qū)域。圖6及圖7表示利用微小區(qū)域X射線衍射法研究金屬玻璃和不銹鋼的接合體的各部分有無結(jié)晶化的結(jié)果。在這些圖中，表示上部接合體的狀態(tài)的圖中的P表示不銹鋼、q表示上端熔融部、r表示下方熔融部、s表示金屬玻璃，下方的微小區(qū)域X射線衍射試驗結(jié)果與此相對應(yīng)。在圖6所示的移動高能束照射位置、同時設(shè)置坡口空間的本發(fā)明的實施例的情況下，其焊接金屬從上端熔融部到下方熔融部都具有金屬玻璃1的組成，和金屬玻璃1為等質(zhì)，沒有發(fā)生結(jié)晶化，為非晶體金屬玻璃。另一方面，在圖7所示的僅移動高能束照射位置的比較例的情況下，上端熔融部混入了晶體金屬，焊接金屬內(nèi)可觀察到顯示脆性的結(jié)晶化區(qū)域。(由實施例看到的由本發(fā)明產(chǎn)生的效果的綜合評價)表2表示對上述每個實施例的綜合評價。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>A接近掃描位置B能降低供熱C大型化D適用金屬玻璃擴大E適用晶體材料擴大X焊接效率低于50%△焊接效率為50%以上且低于100%〇焊接效率為100%以上◎焊接效率為100%以上，且彎曲試驗中沒有斷裂*所謂焊接效率為接合材料的屈服強度相對于屈服強度低的被接合材料的屈服強度的比例aZr41Be23Til4Cul2NilO(at.%)bZr52Cul8Nil5A110Ti5(at.%)由表2可知，根據(jù)本發(fā)明可得到具有足夠的接合強度的金屬玻璃和晶體金屬的接合體，而且可以得到焊接條件范圍擴大、被焊接材料大型化、適用金屬玻璃擴大、適用晶體金屬擴大的效果。圖8表示在Zr基金屬玻璃中熔解有各種晶體金屬時晶體金屬成分對熔融部的玻璃形成能力變化的影響程度，由于Ni、SUS比Zr、Ti熔點低，因此容易融入，特別是SUS，由于其與此次使用的金屬玻璃的構(gòu)成成分不同，因此，在焊接金屬中僅少許融入就會大大損害玻璃形成能力。圖9是表示在Zr基金屬玻璃中熔解有某一定量各種晶體金屬時的焊接難度和板厚的關(guān)系以及可以通過各種焊接方法良好焊接的范圍的概念圖，即使是通過應(yīng)用高能束目前也不能焊接的SUS，通過應(yīng)用本發(fā)明也能焊接。根據(jù)以上實施例，另外還清楚地顯示出以下效果。通過在上端部采用坡口空間，可抑制晶體金屬向焊接金屬內(nèi)熔出。因而，如Ni、SUS的實例中所見，可以將焊接金屬的組成控制在不損害玻璃形成能力的組成范圍內(nèi)，即使高能束掃描位置接近界面?zhèn)龋材艿玫骄哂凶銐虻慕雍蠌姸鹊慕雍象w。即使是如果不使高能束掃描位置拉開距離就不能進行接合的組合，通過采用坡口空間，也可以在沒有采用坡口空間時不能接合的高能束掃描位置進行焊接，且可以提高接合強度。通過在上端部采用坡口空間，由于可以將使晶體金屬熔解的部分的能量用于金屬玻璃熔融，因此，供給較少的熱量就能得到只使金屬玻璃熔解、具有足夠的接合強度的接合體(例如Ti)。通過在上端部采用坡口空間，即使供給較少的熱量也能得到相同的接合強度。當(dāng)焊接板厚度大的構(gòu)件時，為了進行穿透焊接，必須提高焊接供熱。其結(jié)果會使熔融寬度變寬。在沒有采用坡口空間時，晶體金屬側(cè)大量熔解，焊接金屬的組成發(fā)生很大變化，但通過在晶體金屬側(cè)的上端部采用坡口空間，可抑制晶體金屬熔解，可以使焊接金屬的組成保持為不損害玻璃形成能力的組成，可以得到具有足夠的接合強度的接合體(例如Ti)。在t=2mm時，即使不采用坡口空間也能得到足夠的接合強度，但t=3mm時不能得到足夠的強度。但是，即采在t=3mm時，通過采用坡口空間，也可得到具有優(yōu)異的接合強度的接合體。即使在玻璃形成能力差的金屬玻璃的焊接中，通過在晶體金屬的上端部采用坡口空間，也可抑制晶體金屬的熔解，變得可以焊接，可得到具有足夠強度的接合體(例如金屬玻璃b)。即使將作為金屬玻璃成分的Zr、Ti以某種程度融入焊接金屬內(nèi)，也不會損害玻璃形成能力，但如果金屬玻璃中不含有的成分從晶體金屬側(cè)融入焊接金屬內(nèi)，就會大大損害玻璃形成能力，因此，如果不極力抑制這些成分的熔解，就不能得到具有足夠的接合強度的接合體。因此，通過在晶體金屬的上端部采用坡口空間，可抑制晶體金屬的熔解，減小焊接金屬的組成變化，因此，可以得到?jīng)]有采用坡口空間時不能焊接的晶體金屬和金屬玻璃的組合的接合體(例如金屬玻璃a-SUS、Ni)。權(quán)利要求一種利用高能束焊接金屬玻璃和晶體金屬的方法，其是使金屬玻璃和晶體金屬對接、利用使高能束照射位置向金屬玻璃側(cè)移動進行掃描的高能束焊接進行接合的方法，其特征在于，在對接面的晶體金屬側(cè)的坡口上部形成坡口空間進行焊接。2.如權(quán)利要求1所述的利用高能束焊接金屬玻璃和晶體金屬的方法，其中，形成于對接面的晶體金屬側(cè)的坡口空間位于由照射高能束而形成的金屬玻璃和晶體金屬的熔融區(qū)域內(nèi)，按晶體金屬的熔融等溫線而形成。3.如權(quán)利要求1或2所述的利用高能束焊接金屬玻璃和晶體金屬的方法，其中，在高能束的照射中，將與接合金屬玻璃具有相同組成的金屬玻璃補充到坡口空間上部的空間中。4.一種利用高能束焊接金屬玻璃和晶體金屬的方法，其是使金屬玻璃和晶體金屬對接、利用使高能束照射位置向金屬玻璃側(cè)移動進行掃描的高能束焊接進行接合的方法，其特征在于，使對接好的金屬玻璃和晶體金屬中的金屬玻璃側(cè)高位傾斜5°以上。5.—種利用高能束焊接金屬玻璃和晶體金屬的方法，其特征在于，在權(quán)利要求1所述的對接面的晶體金屬側(cè)的坡口空間的上部形成空間，同時使金屬玻璃側(cè)高位傾斜。全文摘要本發(fā)明提供一種利用高能束焊接金屬玻璃和晶體金屬的方法，其通過使高能束掃描區(qū)域從金屬玻璃和晶體金屬的對接面向金屬玻璃側(cè)移動進行焊接來接合時，可更簡便、可靠地使形成于焊接面的熔融部的組成為用于形成金屬玻璃基材的玻璃相所必須的組成范圍。所述焊接方法的特征在于，在晶體金屬2側(cè)的坡口的上端部形成坡口空間Y，對接金屬玻璃1和晶體金屬2，使電子束從對接面向金屬玻璃1側(cè)移動進行電子束焊接，形成具有非晶體金屬玻璃的組成的熔融部4，所述熔融部4包括從包含晶體金屬側(cè)的上端部的坡口空間Y的寬區(qū)域的上端熔融部41向下方變狹窄地延伸至下面的下方熔融部42。文檔編號B23K15/00GK101765473SQ200880100436公開日2010年6月30日申請日期2008年7月25日優(yōu)先權(quán)日2007年7月25日發(fā)明者柳田裕二,河村能人,澤井直久,金鐘鉉,黑木博憲申請人:國立大學(xué)法人熊本大學(xué);株式會社黑木工業(yè)所