溶接方法の設計方法、溶接方法及び溶接接合体
【課題】一定の条件を満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより十分な強度を持つ接合体が得られる溶接方法を提供する。
【解決手段】金属ガラス１と結晶金属２とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成して溶接する溶接方法であって、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有し、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上である。
【解決手段】金属ガラス１と結晶金属２とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成して溶接する溶接方法であって、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有し、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接方法の設計方法、溶接方法及び溶接接合体等に関し、より詳細には、一定の条件を満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより十分な強度を持つ接合体が得られる溶接方法の設計方法及び溶接方法及び溶接接合体等に関し、また金属ガラスと結晶金属とを溶接によって接合し、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接接合体等に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスは、強度と硬さ、耐摩耗性、耐食性等に優れた特性を持ち、多くの分野への利用が期待されている。
【０００３】
ところが、金属ガラスは、このように優れた特性がありながら、難加工性、難溶接性であるという欠点がある。その応用分野を広げるためには、金属ガラス間の溶接接合技術も重要であるが、実際の機器部品などを作製するためには、金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属（実用金属材料）との接合技術が必要である。そのための接合手段として、爆着法、摩擦圧接法又は溶接法を適用した例が報告されている。
【０００４】
しかしながら、接合手段として、接合部を溶融させる溶接法を適用した場合には、突き合わせ面に形成された溶融部において金属ガラスと結晶金属が溶け合うことによってガラス形成能が低下するために脆い金属間化合物が形成され、十分な溶接強度を持つ接合体が得られないことが多い。
【０００５】
このことから、非特許文献１には、溶接のための加熱源として、鋭い溶け込み形状を形成でき、局部的な急速加熱と急速冷却に適している電子ビームあるいはレーザービームといった高エネルギービームを使用する溶接が、溶接部における両接合部材の溶け合いを少なくするとともに急速加熱と急速冷却が達成されることから、金属ガラスと結晶金属との突き合わせ面に高エネルギービームを走査する溶接法を適用した例が報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Materials Transactions, Vol.42. No.12 (2001), p.2649-2651
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
具体的な金属ガラスと結晶金属の組み合わせによっては、上述した溶接法を適用し、多くの工夫をこらしても、十分な強度を持つ接合体が得られないことがある。言い換えると、一定の条件を満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより、十分な強度を持つ接合体が得られるといえる。
【０００８】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、本発明の一態様は、一定の条件を満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより十分な強度を持つ接合体が得られる溶接方法の設計方法及び溶接方法及び溶接接合体を提供することを課題とする。また、本発明の他の態様は、金属ガラスと結晶金属とを溶接によって接合し、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法であって、
前記溶接方法は、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる方法であり、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記設計方法は、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、且つ、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法において、前記設計方法における前記濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が４５０Ｋ以上であること、より好ましくは８００Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することも可能である。
【００１１】
本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法であって、
前記溶接方法は、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる方法であり、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記設計方法は、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、且つ、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法において、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することが好ましい。これにより、十分な接合強度を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法において、前記溶接方法は、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度が前記結晶金属の融点の９５％以下となる方法であることが好ましい。これにより、前記乳頭状の突起が前記界面から遊離してしまうのを抑制することができる。
【００１４】
本発明の一態様に係る溶接方法は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる溶接方法であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が５００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の一態様に係る溶接方法は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる溶接方法であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の４８％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の一態様に係る溶接方法において、前記溶接方法は、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度が前記結晶金属の融点の９５％以下となる方法であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の一態様に係る溶接方法において、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することが好ましい。
【００１８】
また、本発明の一態様に係る溶接方法において、前記界面又はその界面近傍の前記金属ガラスに加えるエネルギーは、レーザー、電子ビーム又はパルス通電によるエネルギーであることが好ましい。
【００１９】
本発明の一態様に係る溶接接合体は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合した界面に前記溶接によって溶融層が形成されており、
前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有しており、
前記溶融層は、ガラス形成能を有していることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の一態様に係る溶接接合体において、前記乳頭状の突起は、高さ１μｍ以下で且つアスペクト比が１以上２以下であることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の一態様に係る溶接接合体において、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の一態様に係る溶接接合体において、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であることを満たす材料によって構成されていることが好ましい。
【００２３】
本発明の一態様に係る溶接接合体は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属との接合面に前記溶接によって形成された溶融層は、ガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が５００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする。
【００２４】
本発明の一態様に係る溶接接合体は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属との接合面に前記溶接によって形成された溶融層は、ガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の４８％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の一態様は、一定の条件を満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより十分な強度を持つ接合体が得られる溶接方法の設計方法及び溶接方法及び溶接接合体を提供することができる。また、本発明の他の態様は、金属ガラスと結晶金属とを溶接によって接合し、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】金属ガラスと結晶金属との接合界面への高エネルギービームの照射による溶融層の形成状態を示す断面図である。
【図２】金属ガラスの結晶化のＴＴＴ曲線を示す図である。
【図３】濡れ性試験の方法を説明するための模式図である。
【図４】図３に示す濡れ性試験によって濡れ率を計算する方法を説明するための模式的断面図である。
【図５】電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｆ）は結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真である。
【図７】電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
【図８】電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
【図９】（Ａ）はＴｉの結晶金属と金属ガラスとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真であり、（Ｂ）〜（Ｅ）は、（Ａ）に示す四角で囲まれた領域のマッピングを示すものである。
【図１０】（Ａ）はＴｉの結晶金属と金属ガラスとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真であり、（Ｂ）は接合界面のライン分析結果を示す図である。
【図１１】Ｔｉの結晶金属と金属ガラスとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真である。
【図１２】実施例１に使用したパルス通電接合装置を示す模式図である。
【図１３】図１２に示す接合する箇所１０を拡大して示す図である。
【図１４】充電電圧(Charged voltage, ＶＣ／Ｖ)と曲げ応力(Bending stress, σＭＰａ)との関係を示す図である。
【図１５】（Ａ）〜（Ｃ）は三点曲げ試験を行った後の試料の写真である。
【図１６】金属ガラスと結晶金属との溶接の形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法である。
前記溶接方法は、図１に示すように、金属ガラス１と結晶金属２とを接触させた界面３又はその界面近傍の金属ガラス１に高エネルギービームの照射により又はパルス通電により高エネルギーを加え、金属ガラス１を加熱して溶融させた溶融層（ビード）４を形成し、金属ガラス１と結晶金属２とを接合させる方法である。前記高エネルギービームは、電子ビーム又はレーザービームである。
【００２８】
また、金属ガラス１と結晶金属２とが接合された後の溶融層４は、ガラス形成能を有する組成比の範囲内に入っている金属ガラスである。
【００２９】
次に、上記のガラス形成能について図２に示す結晶化のＴＴＴ曲線によって詳細に説明する。
図２の縦軸は温度Ｔ（Ｋ）を示し、横軸は時間ｔ（ｓ）をlogによって示している。図２に示すＡ領域は、ガラス相（過冷却液相も含む）であり、Ｂ領域は結晶相であり、ｔｎは結晶化開始曲線Ｃのノーズ時間である。
【００３０】
溶融層４を、図２に示すＴＴＴ曲線において、融点Ｔｍ温度以上の溶融状態から冷却曲線Ｒに沿って急冷したとき、この際の冷却曲線Ｒが結晶化開始曲線Ｃのノーズ時間ｔｎより大きい方にある場合（冷却曲線Ｒが結晶化開始曲線Ｃと交差する場合）、結晶体としての金属間化合物が形成されることになる。
【００３１】
これに対して、金属ガラス１と結晶金属２との界面３又はその界面近傍の金属ガラス１に高エネルギーを加える際の条件を種々変更すること、例えば、高エネルギービームの照射を界面３より金属ガラス１側へシフトすることによって、溶融層４の成分組成がガラス形成能を有する組成比の範囲内に入り、結晶化開始曲線Ｃ'のノーズ時間ｔｎ'も矢印に示すように大きい方にシフトし、冷却曲線Ｒは結晶化開始曲線Ｃ'と交差することがなくなり、溶接層４に結晶金属が形成されることがなくなる。
【００３２】
この結晶化開始曲線のノーズ時間ｔｎは、溶融層４の成分組成がガラス形成能を有する組成比の範囲内に安定的に入るようにするためには、２．０秒以上とすることが好ましい。
【００３３】
ここで、金属ガラスの結晶化のＴＴＴ曲線には、液体から冷却する場合のものと、金属ガラスの固体を再加熱する場合のものがあり、後者は前者よりも約１桁短時間側にある。すなわち、溶接する場合には、溶融層４よりも熱影響部（融点まで加熱されなかった部分）が結晶化しやすいということである。溶接時に熱影響部が結晶化しないためには、金属ガラス１は、そのガラス固体を再加熱する場合のＴＴＴ曲線のノーズ時間ｔｎが０．２秒以上必要であり、これは液体から冷却する場合のＴＴＴ曲線のノーズ時間ｔｎが２．８秒以上というガラス形成能を持つ金属ガラスに相当する。
【００３４】
上述のように、溶融層の結晶化のノーズ時間ｔｎが２．０秒以上あれば、溶融層は再アモルファス化することになるが、金属ガラス側の熱影響部が結晶化してしまう事態も考えられる。金属ガラス側の熱影響部が結晶化しないためには、金属ガラスが、液体から冷却する場合のＴＴＴ曲線のノーズ時間ｔｎが２．８秒以上というガラス形成能を持つことが必要である。
【００３５】
前記設計方法は、下記の（１）及び（２）の条件を満たす金属ガラス１及び結晶金属２を選択することにより溶接方法を設計する方法である。
（１）金属ガラス１の固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有すること。
（２）溶融していない結晶金属２と溶融した金属ガラス１との濡れ率（Spread Factor）が２５％以上となる金属ガラス１の温度と、結晶金属２の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であること、好ましくは４５０Ｋ以上であること、より好ましくは８００Ｋ以上であること。
【００３６】
または、前記設計方法は、下記の（１）及び（３）の条件を満たす金属ガラス１及び結晶金属２を選択することにより溶接方法を設計する方法であっても良い。
（１）金属ガラス１の固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有すること。
（３）溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であること、好ましくは４３．５％以上であること、より好ましくは７７．５％以上であること。
【００３７】
次に、上記の濡れ率について詳細に説明する。
図３は、濡れ性試験の方法を説明するための模式図である。図４は、図３に示す濡れ性試験によって濡れ率を計算する方法を説明するための模式的断面図である。
【００３８】
図３に示すように、板状の結晶金属２の上に直方体形状の金属ガラス１を載置し、この金属ガラス１に電子ビーム５を照射する。これにより、金属ガラス１を溶融する。
金属ガラス１としては、例えば、Ｚｒ４１Ｂｅ２３Ｔｉ１４Ｃｕ１２Ｎｉ１０ＢＭＧが用いられ、この金属ガラスの融点Ｔｍは１０３０Ｋである。また、結晶金属２としては、例えばＡｌ（融点９３３Ｋ）、Ｃｕ（融点１３５６Ｋ）、Ｎｉ（融点１７２６Ｋ）、Ｆｅ（融点１８０８Ｋ）、Ｔｉ（融点１９５３Ｋ）、Ｚｒ（融点２１２８Ｋ）、Ｎｂ（融点２７９３Ｋ）、Ｔａ（融点３２９０Ｋ）が用いられる。
【００３９】
この際の試験条件は下記のとおりである。
加速電圧 ： ６０Ｖ
ビーム電流 ： ５ｍＡ
金属ガラスサイズ ： ２ｍｍ×４ｍｍ×４ｍｍ
照射時間(Irradiation time) ： １〜３０秒
【００４０】
図４に示す金属ガラス１の高さをＨとし、溶融した金属ガラスの高さをＤとした場合に下記式に示すような方法で濡れ率（％）を計算する。
濡れ率（％）＝（Ｈ−Ｄ）／Ｈ×１００
Ｈ＝１．２４×Ｖ１／３
Ｖ＝Ｍ／ｄ
なお、Ｍは金属ガラスの質量であり、ｄは金属ガラスの密度である。
【００４１】
図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られた結晶金属と金属ガラスとの接合界面の組織観察を微小領域ＸＲＤ、ＳＥＭ−ＥＤＸによって行ったので、その結果については後述する。
【００４２】
図５は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られた結果であり、電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
図５に示す参照符号６は結晶金属がＣｕである場合の照射時間と濡れ率との関係であり、参照符号７は結晶金属がＡｌである場合の照射時間と濡れ率との関係である。
【００４３】
結晶金属がＣｕとＡｌについては金属ガラスと良い接合が得られなかったのに対し、結晶金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｆｅについては金属ガラスと良い接合が得られた。
【００４４】
図６（Ａ）は、Ｔｉの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に１０秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２１に示す試料に相当する。
図６（Ｂ）は、Ｔｉの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に１秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２２に示す試料に相当する。
図６（Ｃ）は、Ｎｂの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に２０秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２３に示す試料に相当する。
図６（Ｄ）は、Ｎｂの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に５秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２４に示す試料に相当する。
図６（Ｅ）は、Ｆｅの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に２０秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２５に示す試料に相当する。
図６（Ｆ）は、Ｆｅの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に５秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２６に示す試料に相当する。
【００４５】
図７は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られた結果であり、電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
図７において、丸などが塗りつぶさているポイントは金属ガラスがアモルファス状態であり、丸などが塗りつぶされていないポイントは金属ガラスが結晶状態であることを示している。
【００４６】
図８は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られた結果であり、電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
図８は、濡れ率が温度に対する一次式で表現できると設定し、金属ガラスの融点（１０３０Ｋ）で濡れ率０％と設定することによって作成した図である。
【００４７】
図８によれば、溶融していない結晶金属と溶融した金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲において、金属ガラスの溶融層を形成することにより、金属ガラスが結晶化せずに十分な強度を持つ接合体を得ることができることが分かる。具体的には、この温度範囲がＦｅの場合は１０７Ｋ程度となり、Ｎｉの場合は１１８Ｋ程度となり、Ｔｉの場合は４６３Ｋ程度となり、Ｚｒの場合は４８３Ｋ程度となり、Ｎｂの場合は８０４Ｋ程度となり、Ｔａの場合は１１８３Ｋ程度となり、Ｗの場合は１５３２Ｋ程度となる。この温度範囲が広ければ広いほど、溶接条件のマージンが広くなり、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接を実施しやすいといえる。逆に、この温度範囲が狭ければ狭いほど、溶接条件のマージンが狭くなり、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接を実施しにくいといえる。従って、この温度範囲は１００Ｋ以上であることが好ましく、より好ましくは４５０Ｋ以上であり、さらに好ましくは８００Ｋ以上である。
【００４８】
また、溶融していない結晶金属と溶融した金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であること、好ましくは４３．５％以上であること、より好ましくは７７．５％以上であることにより、金属ガラスが結晶化せずに十分な強度を持つ接合体を得ることができる。具体的には、Ｆｅの場合は前記金属ガラスの融点の１０．４％程度となり、Ｎｉの場合は前記金属ガラスの融点の１１．５％程度となり、Ｔｉの場合は前記金属ガラスの融点の４４．９％程度となり、Ｚｒの場合は前記金属ガラスの融点の４６．９％程度となり、Ｎｂの場合は前記金属ガラスの融点の７８．１％程度となり、Ｔａの場合は前記金属ガラスの融点の１１４．９％程度となり、Ｗの場合は前記金属ガラスの融点の１４８．７％程度となる。この範囲が広ければ広いほど、溶接条件のマージンが広くなり、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接を実施しやすいといえる。逆に、この範囲が狭ければ狭いほど、溶接条件のマージンが狭くなり、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接を実施しにくいといえる。従って、この範囲は９．７％以上であることが好ましく、より好ましくは４３．５％以上であり、さらにより好ましくは７７．５％以上である。
【００４９】
図９（Ａ）は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られたＴｉの結晶金属と金属ガラスＢＭＧとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真であり、図９（Ｂ）〜（Ｅ）は、図９（Ａ）に示す四角で囲まれた領域のＺｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉのマッピングを示すものである。
図９〜図１１は、接合界面の試料である。接合条件は、トランス巻数比40、接合圧力170MPa、金属ガラスの突出し長さ0.5mm、Tiの突出し長さ3.0mm、充電電圧320Vである。
【００５０】
図１０（Ａ）は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られたＴｉの結晶金属と金属ガラスＢＭＧとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真であり、図１０（Ｂ）は、Ｔｉの結晶金属と金属ガラスＢＭＧとの接合界面のライン分析結果を示す図である。
【００５１】
図１１は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られたＴｉの結晶金属と金属ガラスＢＭＧとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真である。
表１は、図１１に示す(1)〜(9)のポイントにおけるスポット分析結果を示すものである。
【００５２】
【表１】
【００５３】
図９〜図１１及び表１に示すように、金属ガラスＢＭＧとＴｉの結晶金属とが接合された界面の金属ガラス側の溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することが確認され、前記溶融層は、高さ１μｍ以下で且つアスペクト比が１以上２以下の乳頭状の突起を９０％以上有することが確認された。このような乳頭状の突起は、十分な強度を持つ接合体が得られた溶融層に形成されるものであり、乳頭状の突起が前記界面から遊離している溶融層では十分な強度を持つ接合体が得られないことも確認された。
【００５４】
また、乳頭状の突起が前記界面から遊離する否かは、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度がＴｉの結晶金属の融点の９５％以下となっているか否かによって決まることも確認された。すなわち、前記最高到達温度がＴｉの結晶金属の融点の９５％以下となる場合は乳頭状の突起が前記界面から遊離しないのに対し、前記最高到達温度がＴｉの結晶金属の融点の９５％超となる場合は乳頭状の突起が前記界面から遊離する。
【００５５】
例えば、結晶金属がＷである場合、Ｗの融点の９５％の温度でのＺｒ（非晶質の主な元素）に対する拡散係数は１．２６９×１０−８ｍ２／秒である。つまり、前記界面の最高到達温度を、溶融した金属ガラスへの不純物拡散係数が１．２６９×１０−８以下になるような温度とすることにより、乳頭状の突起が前記界面から遊離するのを抑制することができる。
【００５６】
また、乳頭状の突起が前記界面から遊離すると、クラックの発生や靭性の低下の原因となる。言い換えると、乳頭状の突起を前記界面に形成することにより、強固な接合を幾何学的に得ることができる。
【００５７】
乳頭状の突起は、普通の接合（brazing, soldering）において界面に観察される。異種材料の接合の場合、両方の拡散が起こるため、乳頭状の突起が生じる。この乳頭状の突起により、原子レベルの接合が可能となり、高い接合強度が得られる。しかしながら、乳頭状の突起の性質が脆性であれば、強度は低下する。本接合のサンプルは、三点曲げ試験の結果、接合部で破断が起こらなかったため、乳頭状の突起の性質は脆性ではない。
【実施例】
【００５８】
（実施例１）
パルス通電接合条件について
接合条件は、トランス巻数比40、接合圧力170 MPa、金属ガラスの突出し長さ0.5 mm、結晶金属の突出し長さ3.0 mmと固定し、充電電圧を200-400 Vと変化させた。
（供試材）
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Cu
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Ni
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Fe
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Ti
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Zr
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Nb
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Ta
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / W
【００５９】
（使用装置）
パルス通電接合装置として図１２に示す計装化パルス通電接合装置を用いた。同図において、参照符号１０は、接合試料である金属ガラスと結晶金属を保持し、接合する箇所を示す。
【００６０】
図１３は、図１２に示す接合する箇所１０を拡大して示すもので、接合試料である金属ガラス１１と結晶金属１２を両方の通電ホルダーＡ，Ｂにそれぞれ取り付けている。参照符号ｄ１とｄ２がそれぞれの試料の突出し長さを示す。
【００６１】
（接合条件）
トランス巻数比を４０、図１３に示す両試料の突出し長さｄ１、ｄ２をそれぞれ０．５ｍｍ、接合圧力を１６８ＭＰａ、充電電圧を１２０〜２６０Ｖとして、コンデンサ型電源にエネルギーを蓄え、トランスに瞬間的に放出して大電流を流し、接合部でのジュール発熱によって昇温を利用する。
【００６２】
（接合評価方法）
接合結果の接合評価方法として、充電電圧による接合部の機械的性質に与える影響を三点曲げ試験によって行った。その結果を図１４に示す。
図１４は、本発明の実施例１による溶接方法によって金属ガラスと結晶金属とを接合した溶接接合体の強度を測定した結果を示すものであり、充電電圧(Charged voltage, ＶＣ／Ｖ)と曲げ応力(Bending stress, σＭＰａ)との関係を示す図である。
【００６３】
図１４において、丸などが塗りつぶさているポイントは三点曲げ試験によって破断しなかったものを示しており、丸などが塗りつぶされていないポイントは三点曲げ試験によって破断したものを示している。
【００６４】
図１５（Ａ）は、図１４に示すＴｉの結晶金属についての三点曲げ試験を行った後の試料の写真であり、図１５（Ｂ）は、図１４に示すＦｅの結晶金属についての三点曲げ試験を行った後の試料の写真であり、図１５（Ｃ）は、図１４に示すＮｂの結晶金属についての三点曲げ試験を行った後の試料の写真である。
図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示す三点曲げ試験後の外観写真は、Tiは320 V、Nbは280 V、Feは280 Vの条件における接合試料を示している。
【００６５】
図１４及び図１５によれば、充電電圧200 Vでは、全ての接合材において接合性は極めて悪かったが、充電電圧の増加に伴い、接合強度の向上が見られた。特にTi, Zr, Nb, Taは、破断すること無く接合に成功できた。また、Wは、破断するもののNbと同程度の接合強度を示した。一方、Ni, Feは、強度は向上するものの、結晶金属の降伏強度以下で破断し、Cuは、全ての条件で接合性は極めて悪かった。また、Ni, Fe, Ti, Zr, Nbは、ある充電電圧以上で接合強度は低下した。
【００６６】
（実施例２）
電子ビーム接合条件について
（供試材）
供試材は、表２に示すものを用いた。
【００６７】
【表２】
【００６８】
（電子ビーム照射方法）
図１６に示すように、金属ガラス板（ＢＭＧ）１１と結晶金属板１２を電子ビームによって突合せ溶接を行うに当たって、電子ビームの走査線１３を突合せ面１４から金属ガラス板１１側へシフトし、そのシフト量を０−４００μｍとした。これにより、金属ガラス板１１を加熱して溶融させた溶融層１５を形成し、金属ガラス板１１と結晶金属板１２とを接合させる。
【００６９】
（溶接条件）
電子ビームの照射は、加速電圧を６０ｋＶ、ビーム電流値を ６ｍＡ、溶接速度（電子ビームの走査速度）を６６ｍｍ／ｓ、溶接入熱量を１８Ｊ／ｍｍに設定した。
【００７０】
（接合評価方法）
接合結果の接合評価方法として、照射時間による接合部の機械的性質に与える影響を三点曲げ試験によって行った。その結果である接合強度を表２に示す。
【００７１】
尚、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１，１１ 金属ガラス
２，１２ 結晶金属
３ 金属ガラスと結晶金属とを接触させた界面
４，１５ 溶融層（ビード）
５ 電子ビーム
６ 結晶金属がＣｕである場合の照射時間と濡れ率との関係
７ 結晶金属がＡｌである場合の照射時間と濡れ率との関係
１０ 金属ガラスと結晶金属を保持して接合する箇所
１３ 電子ビームの走査線
１４ 突合せ面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接方法の設計方法、溶接方法及び溶接接合体等に関し、より詳細には、一定の条件を満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより十分な強度を持つ接合体が得られる溶接方法の設計方法及び溶接方法及び溶接接合体等に関し、また金属ガラスと結晶金属とを溶接によって接合し、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接接合体等に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスは、強度と硬さ、耐摩耗性、耐食性等に優れた特性を持ち、多くの分野への利用が期待されている。
【０００３】
ところが、金属ガラスは、このように優れた特性がありながら、難加工性、難溶接性であるという欠点がある。その応用分野を広げるためには、金属ガラス間の溶接接合技術も重要であるが、実際の機器部品などを作製するためには、金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属（実用金属材料）との接合技術が必要である。そのための接合手段として、爆着法、摩擦圧接法又は溶接法を適用した例が報告されている。
【０００４】
しかしながら、接合手段として、接合部を溶融させる溶接法を適用した場合には、突き合わせ面に形成された溶融部において金属ガラスと結晶金属が溶け合うことによってガラス形成能が低下するために脆い金属間化合物が形成され、十分な溶接強度を持つ接合体が得られないことが多い。
【０００５】
このことから、非特許文献１には、溶接のための加熱源として、鋭い溶け込み形状を形成でき、局部的な急速加熱と急速冷却に適している電子ビームあるいはレーザービームといった高エネルギービームを使用する溶接が、溶接部における両接合部材の溶け合いを少なくするとともに急速加熱と急速冷却が達成されることから、金属ガラスと結晶金属との突き合わせ面に高エネルギービームを走査する溶接法を適用した例が報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Materials Transactions, Vol.42. No.12 (2001), p.2649-2651
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
具体的な金属ガラスと結晶金属の組み合わせによっては、上述した溶接法を適用し、多くの工夫をこらしても、十分な強度を持つ接合体が得られないことがある。言い換えると、一定の条件を満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより、十分な強度を持つ接合体が得られるといえる。
【０００８】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、本発明の一態様は、一定の条件を満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより十分な強度を持つ接合体が得られる溶接方法の設計方法及び溶接方法及び溶接接合体を提供することを課題とする。また、本発明の他の態様は、金属ガラスと結晶金属とを溶接によって接合し、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法であって、
前記溶接方法は、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる方法であり、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記設計方法は、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、且つ、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法において、前記設計方法における前記濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が４５０Ｋ以上であること、より好ましくは８００Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することも可能である。
【００１１】
本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法であって、
前記溶接方法は、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる方法であり、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記設計方法は、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、且つ、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法において、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することが好ましい。これにより、十分な接合強度を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の一態様に係る溶接方法の設計方法において、前記溶接方法は、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度が前記結晶金属の融点の９５％以下となる方法であることが好ましい。これにより、前記乳頭状の突起が前記界面から遊離してしまうのを抑制することができる。
【００１４】
本発明の一態様に係る溶接方法は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる溶接方法であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が５００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の一態様に係る溶接方法は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる溶接方法であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の４８％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の一態様に係る溶接方法において、前記溶接方法は、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度が前記結晶金属の融点の９５％以下となる方法であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の一態様に係る溶接方法において、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することが好ましい。
【００１８】
また、本発明の一態様に係る溶接方法において、前記界面又はその界面近傍の前記金属ガラスに加えるエネルギーは、レーザー、電子ビーム又はパルス通電によるエネルギーであることが好ましい。
【００１９】
本発明の一態様に係る溶接接合体は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合した界面に前記溶接によって溶融層が形成されており、
前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有しており、
前記溶融層は、ガラス形成能を有していることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の一態様に係る溶接接合体において、前記乳頭状の突起は、高さ１μｍ以下で且つアスペクト比が１以上２以下であることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の一態様に係る溶接接合体において、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の一態様に係る溶接接合体において、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であることを満たす材料によって構成されていることが好ましい。
【００２３】
本発明の一態様に係る溶接接合体は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属との接合面に前記溶接によって形成された溶融層は、ガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が５００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする。
【００２４】
本発明の一態様に係る溶接接合体は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属との接合面に前記溶接によって形成された溶融層は、ガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の４８％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の一態様は、一定の条件を満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより十分な強度を持つ接合体が得られる溶接方法の設計方法及び溶接方法及び溶接接合体を提供することができる。また、本発明の他の態様は、金属ガラスと結晶金属とを溶接によって接合し、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】金属ガラスと結晶金属との接合界面への高エネルギービームの照射による溶融層の形成状態を示す断面図である。
【図２】金属ガラスの結晶化のＴＴＴ曲線を示す図である。
【図３】濡れ性試験の方法を説明するための模式図である。
【図４】図３に示す濡れ性試験によって濡れ率を計算する方法を説明するための模式的断面図である。
【図５】電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｆ）は結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真である。
【図７】電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
【図８】電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
【図９】（Ａ）はＴｉの結晶金属と金属ガラスとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真であり、（Ｂ）〜（Ｅ）は、（Ａ）に示す四角で囲まれた領域のマッピングを示すものである。
【図１０】（Ａ）はＴｉの結晶金属と金属ガラスとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真であり、（Ｂ）は接合界面のライン分析結果を示す図である。
【図１１】Ｔｉの結晶金属と金属ガラスとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真である。
【図１２】実施例１に使用したパルス通電接合装置を示す模式図である。
【図１３】図１２に示す接合する箇所１０を拡大して示す図である。
【図１４】充電電圧(Charged voltage, ＶＣ／Ｖ)と曲げ応力(Bending stress, σＭＰａ)との関係を示す図である。
【図１５】（Ａ）〜（Ｃ）は三点曲げ試験を行った後の試料の写真である。
【図１６】金属ガラスと結晶金属との溶接の形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態は、ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法である。
前記溶接方法は、図１に示すように、金属ガラス１と結晶金属２とを接触させた界面３又はその界面近傍の金属ガラス１に高エネルギービームの照射により又はパルス通電により高エネルギーを加え、金属ガラス１を加熱して溶融させた溶融層（ビード）４を形成し、金属ガラス１と結晶金属２とを接合させる方法である。前記高エネルギービームは、電子ビーム又はレーザービームである。
【００２８】
また、金属ガラス１と結晶金属２とが接合された後の溶融層４は、ガラス形成能を有する組成比の範囲内に入っている金属ガラスである。
【００２９】
次に、上記のガラス形成能について図２に示す結晶化のＴＴＴ曲線によって詳細に説明する。
図２の縦軸は温度Ｔ（Ｋ）を示し、横軸は時間ｔ（ｓ）をlogによって示している。図２に示すＡ領域は、ガラス相（過冷却液相も含む）であり、Ｂ領域は結晶相であり、ｔｎは結晶化開始曲線Ｃのノーズ時間である。
【００３０】
溶融層４を、図２に示すＴＴＴ曲線において、融点Ｔｍ温度以上の溶融状態から冷却曲線Ｒに沿って急冷したとき、この際の冷却曲線Ｒが結晶化開始曲線Ｃのノーズ時間ｔｎより大きい方にある場合（冷却曲線Ｒが結晶化開始曲線Ｃと交差する場合）、結晶体としての金属間化合物が形成されることになる。
【００３１】
これに対して、金属ガラス１と結晶金属２との界面３又はその界面近傍の金属ガラス１に高エネルギーを加える際の条件を種々変更すること、例えば、高エネルギービームの照射を界面３より金属ガラス１側へシフトすることによって、溶融層４の成分組成がガラス形成能を有する組成比の範囲内に入り、結晶化開始曲線Ｃ'のノーズ時間ｔｎ'も矢印に示すように大きい方にシフトし、冷却曲線Ｒは結晶化開始曲線Ｃ'と交差することがなくなり、溶接層４に結晶金属が形成されることがなくなる。
【００３２】
この結晶化開始曲線のノーズ時間ｔｎは、溶融層４の成分組成がガラス形成能を有する組成比の範囲内に安定的に入るようにするためには、２．０秒以上とすることが好ましい。
【００３３】
ここで、金属ガラスの結晶化のＴＴＴ曲線には、液体から冷却する場合のものと、金属ガラスの固体を再加熱する場合のものがあり、後者は前者よりも約１桁短時間側にある。すなわち、溶接する場合には、溶融層４よりも熱影響部（融点まで加熱されなかった部分）が結晶化しやすいということである。溶接時に熱影響部が結晶化しないためには、金属ガラス１は、そのガラス固体を再加熱する場合のＴＴＴ曲線のノーズ時間ｔｎが０．２秒以上必要であり、これは液体から冷却する場合のＴＴＴ曲線のノーズ時間ｔｎが２．８秒以上というガラス形成能を持つ金属ガラスに相当する。
【００３４】
上述のように、溶融層の結晶化のノーズ時間ｔｎが２．０秒以上あれば、溶融層は再アモルファス化することになるが、金属ガラス側の熱影響部が結晶化してしまう事態も考えられる。金属ガラス側の熱影響部が結晶化しないためには、金属ガラスが、液体から冷却する場合のＴＴＴ曲線のノーズ時間ｔｎが２．８秒以上というガラス形成能を持つことが必要である。
【００３５】
前記設計方法は、下記の（１）及び（２）の条件を満たす金属ガラス１及び結晶金属２を選択することにより溶接方法を設計する方法である。
（１）金属ガラス１の固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有すること。
（２）溶融していない結晶金属２と溶融した金属ガラス１との濡れ率（Spread Factor）が２５％以上となる金属ガラス１の温度と、結晶金属２の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であること、好ましくは４５０Ｋ以上であること、より好ましくは８００Ｋ以上であること。
【００３６】
または、前記設計方法は、下記の（１）及び（３）の条件を満たす金属ガラス１及び結晶金属２を選択することにより溶接方法を設計する方法であっても良い。
（１）金属ガラス１の固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有すること。
（３）溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であること、好ましくは４３．５％以上であること、より好ましくは７７．５％以上であること。
【００３７】
次に、上記の濡れ率について詳細に説明する。
図３は、濡れ性試験の方法を説明するための模式図である。図４は、図３に示す濡れ性試験によって濡れ率を計算する方法を説明するための模式的断面図である。
【００３８】
図３に示すように、板状の結晶金属２の上に直方体形状の金属ガラス１を載置し、この金属ガラス１に電子ビーム５を照射する。これにより、金属ガラス１を溶融する。
金属ガラス１としては、例えば、Ｚｒ４１Ｂｅ２３Ｔｉ１４Ｃｕ１２Ｎｉ１０ＢＭＧが用いられ、この金属ガラスの融点Ｔｍは１０３０Ｋである。また、結晶金属２としては、例えばＡｌ（融点９３３Ｋ）、Ｃｕ（融点１３５６Ｋ）、Ｎｉ（融点１７２６Ｋ）、Ｆｅ（融点１８０８Ｋ）、Ｔｉ（融点１９５３Ｋ）、Ｚｒ（融点２１２８Ｋ）、Ｎｂ（融点２７９３Ｋ）、Ｔａ（融点３２９０Ｋ）が用いられる。
【００３９】
この際の試験条件は下記のとおりである。
加速電圧 ： ６０Ｖ
ビーム電流 ： ５ｍＡ
金属ガラスサイズ ： ２ｍｍ×４ｍｍ×４ｍｍ
照射時間(Irradiation time) ： １〜３０秒
【００４０】
図４に示す金属ガラス１の高さをＨとし、溶融した金属ガラスの高さをＤとした場合に下記式に示すような方法で濡れ率（％）を計算する。
濡れ率（％）＝（Ｈ−Ｄ）／Ｈ×１００
Ｈ＝１．２４×Ｖ１／３
Ｖ＝Ｍ／ｄ
なお、Ｍは金属ガラスの質量であり、ｄは金属ガラスの密度である。
【００４１】
図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られた結晶金属と金属ガラスとの接合界面の組織観察を微小領域ＸＲＤ、ＳＥＭ−ＥＤＸによって行ったので、その結果については後述する。
【００４２】
図５は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られた結果であり、電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
図５に示す参照符号６は結晶金属がＣｕである場合の照射時間と濡れ率との関係であり、参照符号７は結晶金属がＡｌである場合の照射時間と濡れ率との関係である。
【００４３】
結晶金属がＣｕとＡｌについては金属ガラスと良い接合が得られなかったのに対し、結晶金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｆｅについては金属ガラスと良い接合が得られた。
【００４４】
図６（Ａ）は、Ｔｉの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に１０秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２１に示す試料に相当する。
図６（Ｂ）は、Ｔｉの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に１秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２２に示す試料に相当する。
図６（Ｃ）は、Ｎｂの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に２０秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２３に示す試料に相当する。
図６（Ｄ）は、Ｎｂの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に５秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２４に示す試料に相当する。
図６（Ｅ）は、Ｆｅの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に２０秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２５に示す試料に相当する。
図６（Ｆ）は、Ｆｅの結晶金属上に載置された金属ガラス（ＢＭＧ）に５秒間電子ビームを照射した後の結晶金属と金属ガラスとの接合界面を観察した断面写真であり、図５の参照符号２６に示す試料に相当する。
【００４５】
図７は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られた結果であり、電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
図７において、丸などが塗りつぶさているポイントは金属ガラスがアモルファス状態であり、丸などが塗りつぶされていないポイントは金属ガラスが結晶状態であることを示している。
【００４６】
図８は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られた結果であり、電子ビームの照射時間(Irradiation time)と濡れ率(Spread factor（％）)との関係を示す図である。
図８は、濡れ率が温度に対する一次式で表現できると設定し、金属ガラスの融点（１０３０Ｋ）で濡れ率０％と設定することによって作成した図である。
【００４７】
図８によれば、溶融していない結晶金属と溶融した金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲において、金属ガラスの溶融層を形成することにより、金属ガラスが結晶化せずに十分な強度を持つ接合体を得ることができることが分かる。具体的には、この温度範囲がＦｅの場合は１０７Ｋ程度となり、Ｎｉの場合は１１８Ｋ程度となり、Ｔｉの場合は４６３Ｋ程度となり、Ｚｒの場合は４８３Ｋ程度となり、Ｎｂの場合は８０４Ｋ程度となり、Ｔａの場合は１１８３Ｋ程度となり、Ｗの場合は１５３２Ｋ程度となる。この温度範囲が広ければ広いほど、溶接条件のマージンが広くなり、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接を実施しやすいといえる。逆に、この温度範囲が狭ければ狭いほど、溶接条件のマージンが狭くなり、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接を実施しにくいといえる。従って、この温度範囲は１００Ｋ以上であることが好ましく、より好ましくは４５０Ｋ以上であり、さらに好ましくは８００Ｋ以上である。
【００４８】
また、溶融していない結晶金属と溶融した金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であること、好ましくは４３．５％以上であること、より好ましくは７７．５％以上であることにより、金属ガラスが結晶化せずに十分な強度を持つ接合体を得ることができる。具体的には、Ｆｅの場合は前記金属ガラスの融点の１０．４％程度となり、Ｎｉの場合は前記金属ガラスの融点の１１．５％程度となり、Ｔｉの場合は前記金属ガラスの融点の４４．９％程度となり、Ｚｒの場合は前記金属ガラスの融点の４６．９％程度となり、Ｎｂの場合は前記金属ガラスの融点の７８．１％程度となり、Ｔａの場合は前記金属ガラスの融点の１１４．９％程度となり、Ｗの場合は前記金属ガラスの融点の１４８．７％程度となる。この範囲が広ければ広いほど、溶接条件のマージンが広くなり、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接を実施しやすいといえる。逆に、この範囲が狭ければ狭いほど、溶接条件のマージンが狭くなり、十分な強度を持つ接合体が得られる溶接を実施しにくいといえる。従って、この範囲は９．７％以上であることが好ましく、より好ましくは４３．５％以上であり、さらにより好ましくは７７．５％以上である。
【００４９】
図９（Ａ）は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られたＴｉの結晶金属と金属ガラスＢＭＧとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真であり、図９（Ｂ）〜（Ｅ）は、図９（Ａ）に示す四角で囲まれた領域のＺｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉのマッピングを示すものである。
図９〜図１１は、接合界面の試料である。接合条件は、トランス巻数比40、接合圧力170MPa、金属ガラスの突出し長さ0.5mm、Tiの突出し長さ3.0mm、充電電圧320Vである。
【００５０】
図１０（Ａ）は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られたＴｉの結晶金属と金属ガラスＢＭＧとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真であり、図１０（Ｂ）は、Ｔｉの結晶金属と金属ガラスＢＭＧとの接合界面のライン分析結果を示す図である。
【００５１】
図１１は、図３及び図４に示す濡れ性試験によって得られたＴｉの結晶金属と金属ガラスＢＭＧとの接合界面のＴＥＭ観察結果を示す写真である。
表１は、図１１に示す(1)〜(9)のポイントにおけるスポット分析結果を示すものである。
【００５２】
【表１】
【００５３】
図９〜図１１及び表１に示すように、金属ガラスＢＭＧとＴｉの結晶金属とが接合された界面の金属ガラス側の溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することが確認され、前記溶融層は、高さ１μｍ以下で且つアスペクト比が１以上２以下の乳頭状の突起を９０％以上有することが確認された。このような乳頭状の突起は、十分な強度を持つ接合体が得られた溶融層に形成されるものであり、乳頭状の突起が前記界面から遊離している溶融層では十分な強度を持つ接合体が得られないことも確認された。
【００５４】
また、乳頭状の突起が前記界面から遊離する否かは、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度がＴｉの結晶金属の融点の９５％以下となっているか否かによって決まることも確認された。すなわち、前記最高到達温度がＴｉの結晶金属の融点の９５％以下となる場合は乳頭状の突起が前記界面から遊離しないのに対し、前記最高到達温度がＴｉの結晶金属の融点の９５％超となる場合は乳頭状の突起が前記界面から遊離する。
【００５５】
例えば、結晶金属がＷである場合、Ｗの融点の９５％の温度でのＺｒ（非晶質の主な元素）に対する拡散係数は１．２６９×１０−８ｍ２／秒である。つまり、前記界面の最高到達温度を、溶融した金属ガラスへの不純物拡散係数が１．２６９×１０−８以下になるような温度とすることにより、乳頭状の突起が前記界面から遊離するのを抑制することができる。
【００５６】
また、乳頭状の突起が前記界面から遊離すると、クラックの発生や靭性の低下の原因となる。言い換えると、乳頭状の突起を前記界面に形成することにより、強固な接合を幾何学的に得ることができる。
【００５７】
乳頭状の突起は、普通の接合（brazing, soldering）において界面に観察される。異種材料の接合の場合、両方の拡散が起こるため、乳頭状の突起が生じる。この乳頭状の突起により、原子レベルの接合が可能となり、高い接合強度が得られる。しかしながら、乳頭状の突起の性質が脆性であれば、強度は低下する。本接合のサンプルは、三点曲げ試験の結果、接合部で破断が起こらなかったため、乳頭状の突起の性質は脆性ではない。
【実施例】
【００５８】
（実施例１）
パルス通電接合条件について
接合条件は、トランス巻数比40、接合圧力170 MPa、金属ガラスの突出し長さ0.5 mm、結晶金属の突出し長さ3.0 mmと固定し、充電電圧を200-400 Vと変化させた。
（供試材）
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Cu
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Ni
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Fe
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Ti
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Zr
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Nb
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / Ta
Zr41Be23Ti14Cu12Ni10 / W
【００５９】
（使用装置）
パルス通電接合装置として図１２に示す計装化パルス通電接合装置を用いた。同図において、参照符号１０は、接合試料である金属ガラスと結晶金属を保持し、接合する箇所を示す。
【００６０】
図１３は、図１２に示す接合する箇所１０を拡大して示すもので、接合試料である金属ガラス１１と結晶金属１２を両方の通電ホルダーＡ，Ｂにそれぞれ取り付けている。参照符号ｄ１とｄ２がそれぞれの試料の突出し長さを示す。
【００６１】
（接合条件）
トランス巻数比を４０、図１３に示す両試料の突出し長さｄ１、ｄ２をそれぞれ０．５ｍｍ、接合圧力を１６８ＭＰａ、充電電圧を１２０〜２６０Ｖとして、コンデンサ型電源にエネルギーを蓄え、トランスに瞬間的に放出して大電流を流し、接合部でのジュール発熱によって昇温を利用する。
【００６２】
（接合評価方法）
接合結果の接合評価方法として、充電電圧による接合部の機械的性質に与える影響を三点曲げ試験によって行った。その結果を図１４に示す。
図１４は、本発明の実施例１による溶接方法によって金属ガラスと結晶金属とを接合した溶接接合体の強度を測定した結果を示すものであり、充電電圧(Charged voltage, ＶＣ／Ｖ)と曲げ応力(Bending stress, σＭＰａ)との関係を示す図である。
【００６３】
図１４において、丸などが塗りつぶさているポイントは三点曲げ試験によって破断しなかったものを示しており、丸などが塗りつぶされていないポイントは三点曲げ試験によって破断したものを示している。
【００６４】
図１５（Ａ）は、図１４に示すＴｉの結晶金属についての三点曲げ試験を行った後の試料の写真であり、図１５（Ｂ）は、図１４に示すＦｅの結晶金属についての三点曲げ試験を行った後の試料の写真であり、図１５（Ｃ）は、図１４に示すＮｂの結晶金属についての三点曲げ試験を行った後の試料の写真である。
図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示す三点曲げ試験後の外観写真は、Tiは320 V、Nbは280 V、Feは280 Vの条件における接合試料を示している。
【００６５】
図１４及び図１５によれば、充電電圧200 Vでは、全ての接合材において接合性は極めて悪かったが、充電電圧の増加に伴い、接合強度の向上が見られた。特にTi, Zr, Nb, Taは、破断すること無く接合に成功できた。また、Wは、破断するもののNbと同程度の接合強度を示した。一方、Ni, Feは、強度は向上するものの、結晶金属の降伏強度以下で破断し、Cuは、全ての条件で接合性は極めて悪かった。また、Ni, Fe, Ti, Zr, Nbは、ある充電電圧以上で接合強度は低下した。
【００６６】
（実施例２）
電子ビーム接合条件について
（供試材）
供試材は、表２に示すものを用いた。
【００６７】
【表２】
【００６８】
（電子ビーム照射方法）
図１６に示すように、金属ガラス板（ＢＭＧ）１１と結晶金属板１２を電子ビームによって突合せ溶接を行うに当たって、電子ビームの走査線１３を突合せ面１４から金属ガラス板１１側へシフトし、そのシフト量を０−４００μｍとした。これにより、金属ガラス板１１を加熱して溶融させた溶融層１５を形成し、金属ガラス板１１と結晶金属板１２とを接合させる。
【００６９】
（溶接条件）
電子ビームの照射は、加速電圧を６０ｋＶ、ビーム電流値を ６ｍＡ、溶接速度（電子ビームの走査速度）を６６ｍｍ／ｓ、溶接入熱量を１８Ｊ／ｍｍに設定した。
【００７０】
（接合評価方法）
接合結果の接合評価方法として、照射時間による接合部の機械的性質に与える影響を三点曲げ試験によって行った。その結果である接合強度を表２に示す。
【００７１】
尚、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１，１１ 金属ガラス
２，１２ 結晶金属
３ 金属ガラスと結晶金属とを接触させた界面
４，１５ 溶融層（ビード）
５ 電子ビーム
６ 結晶金属がＣｕである場合の照射時間と濡れ率との関係
７ 結晶金属がＡｌである場合の照射時間と濡れ率との関係
１０ 金属ガラスと結晶金属を保持して接合する箇所
１３ 電子ビームの走査線
１４ 突合せ面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法であって、
前記溶接方法は、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる方法であり、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記設計方法は、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、且つ、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項２】
請求項１において、前記設計方法における前記濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が４５０Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項３】
請求項１において、前記設計方法における前記濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が８００Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項４】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法であって、
前記溶接方法は、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる方法であり、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記設計方法は、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、且つ、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、前記溶接方法は、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度が前記結晶金属の融点の９５％以下となる方法であることを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項において、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項７】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる溶接方法であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が５００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接方法。
【請求項８】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる溶接方法であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の４８％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接方法。
【請求項９】
請求項７又は８において、前記溶接方法は、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度が前記結晶金属の融点の９５％以下となる方法であることを特徴とする溶接方法。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれか一項において、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することを特徴とする溶接方法。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか一項において、前記界面又はその界面近傍の前記金属ガラスに加えるエネルギーは、レーザー、電子ビーム又はパルス通電によるエネルギーであることを特徴とする溶接方法。
【請求項１２】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合した界面に前記溶接によって溶融層が形成されており、
前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有しており、
前記溶融層は、ガラス形成能を有していることを特徴とする溶接接合体。
【請求項１３】
請求項１２において、前記乳頭状の突起は、高さ１μｍ以下で且つアスペクト比が１以上２以下であることを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項１４】
請求項１２又は１３において、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接接合体。
【請求項１５】
請求項１２又は１３において、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接接合体。
【請求項１６】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属との接合面に前記溶接によって形成された溶融層は、ガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が５００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接接合体。
【請求項１７】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属との接合面に前記溶接によって形成された溶融層は、ガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の４８％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接接合体。
【請求項１】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法であって、
前記溶接方法は、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる方法であり、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記設計方法は、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、且つ、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項２】
請求項１において、前記設計方法における前記濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が４５０Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項３】
請求項１において、前記設計方法における前記濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が８００Ｋ以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項４】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接する溶接方法を設計する設計方法であって、
前記溶接方法は、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる方法であり、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記設計方法は、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有し、且つ、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であることを満たす金属ガラス及び結晶金属を選択することにより溶接方法を設計することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、前記溶接方法は、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度が前記結晶金属の融点の９５％以下となる方法であることを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項において、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項７】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる溶接方法であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が５００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接方法。
【請求項８】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを接触させた界面又はその界面近傍の前記金属ガラスにエネルギーを加え、前記金属ガラスを加熱して溶融させた溶融層を形成し、前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合させる溶接方法であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層はガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の４８％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接方法。
【請求項９】
請求項７又は８において、前記溶接方法は、溶接時に前記界面が加熱された際の最高到達温度が前記結晶金属の融点の９５％以下となる方法であることを特徴とする溶接方法。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれか一項において、前記金属ガラスと前記結晶金属とが接合された後の前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有することを特徴とする溶接方法。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか一項において、前記界面又はその界面近傍の前記金属ガラスに加えるエネルギーは、レーザー、電子ビーム又はパルス通電によるエネルギーであることを特徴とする溶接方法。
【請求項１２】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属とを接合した界面に前記溶接によって溶融層が形成されており、
前記溶融層は、前記界面に接し且つ前記界面の前記金属ガラス側に位置する乳頭状の突起を有しており、
前記溶融層は、ガラス形成能を有していることを特徴とする溶接接合体。
【請求項１３】
請求項１２において、前記乳頭状の突起は、高さ１μｍ以下で且つアスペクト比が１以上２以下であることを特徴とする溶接方法の設計方法。
【請求項１４】
請求項１２又は１３において、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が１００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接接合体。
【請求項１５】
請求項１２又は１３において、前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の９．７％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接接合体。
【請求項１６】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属との接合面に前記溶接によって形成された溶融層は、ガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が５００Ｋ以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接接合体。
【請求項１７】
ナノ結晶金属又はアモルファス金属からなる金属ガラスと結晶構造を有する結晶金属とを溶接によって接合させた溶接接合体であって、
前記金属ガラスと前記結晶金属との接合面に前記溶接によって形成された溶融層は、ガラス形成能を有しており、
前記金属ガラスは、前記金属ガラスの固体を再加熱するときのＴＴＴ曲線のノーズ時間が０．２秒以上のガラス形成能を有しており、
前記金属ガラス及び前記結晶金属は、溶融していない前記結晶金属と溶融した前記金属ガラスとの濡れ率が２５％以上となる前記金属ガラスの温度と、前記結晶金属の融点との温度範囲が前記金属ガラスの融点の４８％以上であることを満たす材料によって構成されていることを特徴とする溶接接合体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２２７９４０（Ｐ２０１０−２２７９４０Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７４９０３（Ｐ２００９−７４９０３）
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（５０４１５９２３５）国立大学法人 熊本大学 (314)
【出願人】（０００１４３６２８）株式会社黒木工業所 (17)
【出願人】（０００００３３３３）ボッシュ株式会社 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（５０４１５９２３５）国立大学法人 熊本大学 (314)
【出願人】（０００１４３６２８）株式会社黒木工業所 (17)
【出願人】（０００００３３３３）ボッシュ株式会社 (510)
【Ｆターム（参考）】
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