外本和 幸 ●.伊 重 畳 志 ●●,藤 田 昌大 ●

Al合金のステンレス鋼お よび鋼‑の爆発圧接におけ る 界面反応層の形成 と接合強度

外本和 幸 ●.伊 重 畳 志 ●●,藤 田 昌大 ●

通常法I Cは壌溝が円柱であるとされているAl 合金 とステ ンレス鋼お よびA l 合金 と鈎の抱合 せについて,母材 と同唖の中開材を用いることに上って,界面の扱艮および接合蛍庇が どの棟 に変化す るかについて閑べた｡生 じた反応屑の扱戒は.予脚値 よ り高いAl 漁既を示 した｡ こ れは変形抵抗の小 さいAI 合金側に変形が鶴申 したことに よって.

成分が 上り多 く辞解 した ためであ った｡中開材を使用すると,衝突に上って界面に与えられるエネルギーを小 さくで き るので.界面に生 じる反応同の形成を抑制することがで きた｡中開材を用いた場合.界面の渡 合強庇は大 きく改啓され.良好な界面特性を持つ タラ. /ド材の作戦が可位であることががわか った｡

I . 枯 す

爆発圧壊 ( 以後爆綾 と時妃)法は.金属 クラッ ド材 の作製法のひ とつ として広 く用い られている1 1 .確捷 法ではほ とん ど全ての金属組合せ{･ 接合が可能{･ ある 那

合金 と銅な ど.例外的にい くつかの金属 組合せで接 合が田無であることが知 られてい る1 ) .一 浪には頒操時に生 じた

の気化に よって捷合が掛 ず

られ ると報告 されてい aZ )那.著者 らは

合金 と銅 の組合せの場合には強度.触点などの諮性賞が大 きく 県なるため.凍合が怪 しい ことをすでに報告 してい が も すなわち接合不良は.界面に与え られたエ ネル ギーが過 剰 とな り.お もに

成分が多 く溶融 して生 じた好い罪面反応田を形成することに上って毎 ころの {･ あが I c .そ して さらにわれわれは

母材 と同 じ材質 の中間材を駆曲板 との問に挿入す ることによってこの エネルギー過剰の状倍を防 ( ･ ことがで きることを示 し

Al

合金 と接合が頼 しい とされ る金属の組合せ と し

年

月2 8日受理

+ 熊本大学工学茄横披工学科

〒8

6 0熊本市熱

内線

A

● ● 旭化成工菜㈱あいはの工場

〒520‑15

滋焚取高島部新旭町

A

utv.uo!stJt!dxaIdLLuatt

ト

300 50Te^{0 7}mp009e0^{01100 1300 1}500

Fig･2 Al/CuelectriCal transidonjoirLtmadeby∝plo

siyeweldingtechnique

ら界

面 の接合強 度が十分 でない な どの閉噂か ら,純 AlやA

gある

い

す ることに よって勲造 されてい る｡ しか し 軟 らかい純Al

やAgでは界面 の度合強度を十分に改沓 す る ことがで き

ない｡ またTiはFig.15)に示す染野我 曲線 か ら

明 らか な よ うに.AlとTiの間で大 きな熱応 力を生 じろ可

能性があ る｡ これ らの間壇 か ら,Al舌 金 とステ ./

レス銅 の蕨接接合への要求は非常に高

い ｡

またAl合金 と鋼 の組合せ について も,

Fig.2に示す ように琴屯用継手材 と して用 い られ

てい るl)ものの, 界面反応府が生成 しやすいために接合強

度に問題が生 じる場 合が時折.沈め られ る｡そ こ

で本研究 では.組成や変形抵抗 の弗なる4唖煩 のAl合金 とステ ./レス銅お よびAl‑Mg合金 と網の組 合せについて.母材 と同質の中間材を挿 入す る場合 も 含め て,い くつかの爆渡英敦

を行 った｡ そ して界面反 応層の形成の状況の詳細について調

べ, さらに反応同 好 さと接 合強度 の関係について明 ら

かにで きたので報 告す る｡Fi2.g.夷験方法3に通

常 の爆接法お よび中間材を用 いた爆発圧 渡 英換 装匿 の模式図

を示す｡ ここで駆動板 であ るAl 合金は4En,母材は9m

厚 さのステ t/レス銅 (SUS304) お よび飼 (Cl10

0)を用いた｡駆動板には4範頼のAl 合金 を用い.

乗輸条件 の詳細はTablelに示す｡ 各素 材の組成及び横根的性

質はTable2に示す｡ 本研究 で は,爆 薬 の

装 薬厚 さ (LE),駆 動 板 と中間 材 の 間隙

(Sol) の変化 お よび中間材 の有無 に よって乗教 典 ￠(a)

)

h

Fig.3Setupforconyentio

n

dd

a),azld byuseoEintem

ediatephte(b) 件を制御 した｡

本研究 では装薬厚 さ (LB)を14‑38pn

の間 で

.駆動板 と中間材の間隙 (sol)を1‑3ロlの間 で変

化 させて突放 を行 った｡ なお同一材質の中間材 と 母材の接合は容

易で.実験 条件にはほ とん ど形響 され ないので.中間材 と母材

Tablo1Experim talconditionsForexplosivewelding

ExpnetLrblbb○erht Dprliaytee pr Blaaste le llt(ept]lmea/tELdeELi)ate/aV.p5‑I ′托AXJ.E tR qEI

A‑2

5

S2 〟 〟 〟 0.21 3.7 128 AS3 ▲5083 〟 〟 1

.0 12 I

AS4 〟 〟 〟

0.21 10.8 ²⁵⁹ AS

S A2017 〟 381 0.68 I AS8 〟 〟 〟 0.14 18 2 AS7 A7075 〟 345 0.58 17

X AS8 〟 〟 490 0.

23 1.4 123 ACl A5083 C1100 441 1.15 15 6

7 AC2 〟 〟 〟 0.21 3.7 216 A'C3

〟 〟 520 1.5も 7.0 146 Act 〟

〟 〟 0.31 1.3 200

Vp;Collisionv

elocityofdriyerplate AXE,'Kineticenerq

lostbycollision tl;Th

icknc880fintertlediateplate tR;Thicknessofroactedihterfacialzo

ne

qB;RAILtebSilestren gth

I;Seprationisgenerate

dduriTLgZmChining

衝突速度 (Yp

)お1び衝突に よって失われ る運動エ ネ ルギ

一

(ARC)が変化 し. これ らが接 合に関 して 瓜要な田

子 となるので.それ らの値をTablel中に ま とめ

て示 した｡YpおよびAREの借は.す でに報告 し た

1次元の盤分法に よって解析的に求めた6). 得 られ

た爆凄材は億轟方向に平行方向に切 り出 し.

界面の光学脱故

故8L稔を観察 した｡生 じた界面層の濃 度分和は.EPMAを用いて測定 し.各元来の

特性X 線の相対強庇を補正 して求めた｡測定条件は加速屯E 20kV,特性Ⅹ線取 り出 し角は52.5℃であ り,分光括E

晶はAlお よびMgtlRAP括Jも.その他の元来 について はLiF括晶を用

いた｡

爆凄按の各試料は,中心部の位斑か ら.Fig.4に示 す Jく離強:うなRam tensile拭故片に加工 し.接合界面のは

度を軸定 した｡

3.典故括果および考察

3.1熔

接後の界面粗糖

爆接後の断面の粗放の一例をFig.5に示す｡Fig.5 1土A50

Tab一e2Consdtutionandm血 icalprope^rtiesforTT^uteriahused

山1(JⅠ○Sy) CCuhelicalXgcoELPOBiti○れ (EBSS事) UT′MSPa 櫛

臥

ZrL Al

▲1100 0.05‑0.2 4.0‑4.9 く0.10 >99.0 〉157 〉4 31 A5083 く0.1 く0

.25 hal.

苧 払

▲2017 3.8‑4.8 0.4‑0.

8 <0.25 bal. 〉353 〉IS 137 A7075 1.2‑2.0 2.I‑2.9 5.1‑6

.1 bal. 〉53○ 〉8 181

C Ni Cr Fe SUS304 く0.08 8.0‑10.5 18‑20 bal.

〉520 〉40 2

⁸⁵

61UT10S0;Ulti}9m9.at9et0ensile 2源i 〉15 115 8treTtgth

llv;Kicro･YickerBhardncBB(I.odd

0.98M) Fig.4 DimenSionsoEramtensiletestspe

cimen

用いない場合

^の実鼓

についてそれぞれ示す

条件はそれぞれ

l の実敦番号

よび

である

Fig.5

からも明らかなように.直接

接合ではエネルギー過剰によって生 じたと思われ

A50‡3JSUS304

0080釦S加

( %

︼)

LL

Distance Fig.e Co3

04 約 8

姐(辞SSt!uJ)tIO!一eJ‑traOtJOU DistaJ)Ce

Fig.7CoACCntrationp1061e acroSSWeldedinterface

inA7075/StJS304chdmadebydirectwelding

板の質丑にはば比例する ｡ Ale = 云警 告

i

m2

1

ここでml .m2 は祈突金属板お

よび被折突板の単位面 前当 りの野Z 上武から.軌 ヰ 開村を用い B.ypは金属板の衝突速度である｡

ることによって.これ にはば比例 した形I C界面に与えるエネルギーを減少 さ せることができ.反応厨を薄 く

することができること

が脱明される｡ 是 三

:

‑

芸 ･"::,I

:

;

･ , ‑ ‑ ･ ‑ .

●

･ 一 ^∴<‑

.,IJriLr/

I

‑

1‑r､Ltd●

整恕

蒜 よ , ･ j r . . ･ k= I r F , i

i L

t . ‑ ;

･ ｡ . 管. I

. I . " 二 . .

:,I‑/,･･‑I‑:;

I .

. ､ 二 一 , ゝ

^00p

m

madebydirectwelding(a),andbytJSCOEin･

tem ediatephte(b)

Fig.6

は.上述の直凍嬢合の場合

a

) ) につ いて.接合界面部を横切る成分元来の汝庇 ブ

7イ

ルを示す

から,反応軌

^Al

を

8 9 %程度含 むステ' /レス納成分との混合8L 棟であることがわ

は

と

月の かる｡

粗食せについての椿柴の 一例1 : ･ あるが,

反応眉内部はほ とんど均‑な

濃度 を示すが,

‑掛 こステ ' /L ,ス鍋の部分が

程度の 免状の組稔

として存在する場合が旺められた｡ このよ うな島状の

組稔は.他のいずれの

合金 とステ . /レ ス角の爆

接材の反応軌 こも認められたが.その虫はわ ずにかステンレス

銅付近に生 じている程度{･ あ . ?た｡

この反応層は

.曝渡時に界面に与えられたェネル ギーに よって界面が蒋赦 し.

絹 と

が混 りあ った液

相を作 り.その軌 司過程でAIと

00 抑

40 20 (%

)

3u OU

Dist ance Fig.9 Concentrationpro丘l

eac^rossweldedinter^{h c}e inAl/Cudadmadebydirec

twelding

7 丁イルを

に示す

｡ この反応軌

を約

含ん{･ お り

Al 合金 とステンレス鋼の組合せ の場 合 と同様

l

合金 と銅の成分が溶融 し

と

A l

に

分解 した組粒であった｡

3,2

反応層形成に関する簡単な考察 爆凄材の界面反応屑の組

攻に関 しては.石井 らI O ) に よって理論式が推奏 されて

お り.石井 らt D )に よる と,衝突に上って生 じる

唖軌の金属板 ( 添字の

1.2)

の溶酸丑の比は.界面

部に熟が与えられたとしてそれ が伝尋 し.溶融 したとす

る場合,次式で与えられると

している｡ 普 ‑(

碧 ) ○ ● 5

ここで

は溶融丑.pは密度.

は比軌 ) は熱伝導率,

〟

は潜熱である｡ また各定数の値につ

いては.衝撃状 態下での推定は困難であるので,常圧における値を用 いた

は由点

は室温である｡一方. また

爆捜 における梓敵,凝固はごく戚間的な現象であ り熱伝琴 によらないと考えると,辞敵比は次式で示され る

｡

上記の

, (3)

式をそれぞれ用いて組成の予脚底 を計井 し

てた結果 と

に よる濃度分析結果 と の比較を

に示す

中{･ は

Al

合金/ 鋼の 組合せについても括黒を示す｡ 前

論文3 )では輔単のために.純

とステ ンレス鋼 の場

合についてのみ計井を行 ったが,今回は各

の 熱伝導率を考慮 して再計井を行った｡その結果

式を用いて計算 した Al 合金 とステ

レス鋼に生 じる 反応層のAJ 濃度は

程度であ り.乗潤 された

濃度の値

参照) と

比べて かな り低い. また熱伝導を考慮 した場合においても,

式か ら求めたAl 割合は

s%

程度であ り, 乗卸値 よりも低い値 しか示 さなかった｡

と銅の組合せは,融点や密度あるいは変形抵抗 など,諦性質の大 きく異なる金属組合

せである｡ この ような場合.爆凄時の衝突点近傍での変形の様

相が両 金属で大 きく異なると思われる｡すなわち金属 ジ

&サ トの形成 といった著 しい塑性変形は.変形抵

いAl

倣いこ多 く生 じると思われ る｡ ジェッ ト 抗の小さ

に よ り金

属表面は浄化され.その後の高圧力,高温状態

で接 の もと

の集中す る

何で生 じる｡それに付随す る形で銅の 成分が幾分か辞取すると考えると.東胡値が

つの計 井偵 より高い値を示す ことを況明できる｡ このことは ステンレス鋼 と

合金の変形抵抗の相違が.反応層 の形成に大 きく影響を及ぼ' すことを示 している｡

Al

合金 と桐の燥掛 こ際 して も,生 じている現象は 上述の

合金 とステ ' /レス鏑の場合 とはL i 洞 じであ った｡Tabl

に示す ように, この場合 も

式に よる計算値 よ り高い

浪度の反応層を形成 して お り,変形抵抗の低いAl 併

に変形が集中す ることに よって

側が より多 く静敵 したために この ような 眉が生 じたものと考えられる｡

3.3

反応層伸 幸と接合強度

生成する反応層が厚い場合には.この屑が硬脆な金 属間化合物を含ん{･ いるの{･ ,渡合強度の測定時に破 断はこの部分を起点に して生 じると考えるのが妥当で あると思われ る｡ しか しながら本研究の場合のように, 生 じた反応層が金成間化合物 と

の混在組接である ことを考えると.反応屑が金属間化合物だけの場合と 比較 して.多少は良好な界面接合を有することが期待 できると思われ る｡実際.反応膚の硬度は400‑500

y軽度で,ステ ンレス鋼の硬度

程度) と比 べて も著 しく硬化 しているとは言い難い｡ ちなみに熱 処理に よって生 じた

/ステ' /L ,ス鋼に生 じる反応層 ( すべて金属間化合物か らなる)の硬度は1

以 上{･ あったS ) .

各実験における反応層厚 さおよびRa

l

妖負 によって測定 した接合強度は

l 中に記 した｡い ずれのAl 合金を用いる場合について も,中間相を用 いた場合には反応層の形戒をほとんど無 くす ことがで き.高い接合強度が得られることが知られる｡ただ し, 用いたAl 合金中で位 も硬いA7

とステンレス鋼の接 合の場合の接合強度は1

軽度で,A7

合金の 引輩強度 と比べて十分な接合強度を得ることは艶 しか っ

Al

合金 と銅の組合せの場合には,釈似の条件では 明らかに中間材を用いた場合の方が高い度合強度を示 した｡ しか し直接接合の場合でも条件を うまく設定す れば

以上の接合強度が得られることもあ っ た｡ これ ま{･

と粥の壌凍材は直接法に よって も乗 用材が得 られていたが, よりよい界面特性が必襲 とな る場合には,今回報告 した中間材を用いる方法がより 有効であると考えている｡

4.# S

従来連合条件の設定が難 しい とされていた.

合 金 とステンレス鋼および

合金 と駒の組合せに関 し て.母材 と同徹の中開材を用いる' AZ 験方法を捷奏 し.

界面組絶及び接合強度の改馨について検討 して以下の 結果を得た｡

( l ) 中間材を用いることによって.衝突に伴って失わ れる連動. [ネルギーを小さくすることができ. これ によって接合強度を劣化 させる界面反応層の形成を 抑制できることが知られた｡

(2)

界面反応同の組成は.界面に与えられたエネル ギーが両帝などの様に溶かすかについて考慮 した計 井椿果 よ り高い

濃度を示 した｡ これは爆凄時に 変形抵抗の低いAl 合金側に変形が集中 し. よ り多

くのAl 成分が溶解 したことによると考えられた｡

( 3 ) 中間材を用いることによって.反応層厚 さを帝 く することができた｡ このことによ. ?て界面の壊合強

土改善され,良好な界面特性を有す る爆凄材が得 られることがわか った｡

謝 辞

本研究は.第

回火薬工業技術奨励会研究助成金に よって行われた｡ また梅本大学工学部 石谷幸麻氏に 実験協力を頂いた｡ ここに記 して深謝申 し上げる｡

文 献

1 )久保田彰,盟性 と加工.2

(1985)

3)

外本和幸.伊穿珪志,安藤賓捗.藤E E l 昌大,溶接 学会論文集

4)

伊事邑志.熊本大学博士論文

千葉 昂.外本和幸.西田 稔.日本金属学会臥

53.1268(1989)

6)

藤田昌大.伊辞蛭志.青柳宗伯.外本和幸.工薬 火薬,4

7)

菊池辿夫, 武E Z l 裕正. 諾任正太郎.軽金属,3

8)H.冗.Balal【risha.V.C.VenkateshandP.K.

Philip,けshoCkWavesandHigh ‑Strain‑Rate PhenomenainMetalS'(eds..M.A.MeyersandL.

E.Mwr),P.975(1981),Plenum Press.

9)筒井利安,難波圭三.杉山禎藩.溶接学会誌.39.

1315(1970)

10)

石井勇五郎.恩沢忠男,生沼別売,辞接学会誌,3

K6gya KOY8ku.Vol.54.No.5,1993 ‑2N‑

Formationofreactedinterfacialzoneandimprovementofbonding strengthinaluminum alloycladstainlessstee一and8luminum alloycladcopperplateusingexplosiveweldingtechnique

byRはuyukiHOm MOTO書,TakeshiIZUMA++andMasahiroFUJITA●

ThecombinationsofAl alloyandstainlessteel,andAlahoyandcopper,aretriedtobe weldedbytheuseofexplosiveweldingteclmique.SofaT,th飴eCOmbiJntionsarehown as hrd‑to‑weldmaterials.butthebendingpropertyattheinter血ceisfairlyimprovedbyus･ ingaintermediateplatewhichisthesamematerialasthebaseplate.h caseofthedirect welding,asconvemtionauyused,athickreactedinterracialzoneiSgeneratedandthecon･

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