タングステンとその合金は、ガスタングステンアーク溶接によってうまく接合できます。
ガスタングステンアークろう付け溶接、電子ビーム溶接、および化学蒸着による溶接。

アーク鋳造、粉末冶金、または化学蒸着 (CVD) 技術によって強化されたタングステンとその合金の溶接性が評価されました。使用された材料のほとんどは、公称厚さ 0.060 インチのシートでした。使用した接合プロセスは、(1) ガスタングステンアーク溶接、(2) ガスタングステンアークろう付け溶接、(3) 電子ビーム溶接、(4) CVD による接合です。
タングステンはこれらすべての方法で正常に溶接されましたが、溶接の健全性は母材と溶加材の種類 (つまり、粉末またはアーク鋳造製品) に大きく影響されました。たとえば、アーク鋳造材料の溶接部には比較的気孔がありませんでしたが、粉末冶金製品の溶接部は通常、特に溶融線に沿って多孔性でした。1/1r、インチの非合金タングステン シートのガス タングステン アーク (GTA) 溶接の場合、150 ℃ (母材の延性から脆性への転移温度であることが判明) の最低予熱により、亀裂のない溶接が得られました。母材金属としてのタングステン - レニウム合金は予熱なしで溶接可能でしたが、タングステン合金粉末製品では気孔率も問題でした。予熱は、主に母材の種類の関数である溶接気孔率に影響を与えないようでした。
さまざまな種類の粉末冶金タングステンにおけるガスタングステンアーク溶接の延性から脆性への転移温度（DBIT）は、母材金属の場合は 150 ℃であったのに対し、325 ～ 475 ℃でした。電子ビーム溶接では 425 ℃でした。アークキャストタングステン。
タングステンと異種の溶加材のろう付け溶接では、明らかに他の接合方法より優れた接合特性が得られませんでした。ろう付け溶接の溶加材として、Nb、Ta、W-26% Re、Mo、Re を使用しました。Nb と Mo は深刻な亀裂を引き起こしました。

510～560℃のCVDによる接合

少量の気孔を除いてすべて除去され、溶接に必要な高温に関連する問題（溶接部や熱影響部の大きな結晶粒など）も除去されました。
導入
タングステンおよびタングステン基合金は、熱電子変換装置、再突入体、高温燃料要素、その他の原子炉コンポーネントを含む、多くの先進的な原子力および宇宙用途で検討されています。これらの材料の利点は、非常に高い融解温度、高温での優れた強度、高い熱伝導率と電気伝導率、および特定の環境における適切な耐腐食性の組み合わせです。脆性により加工性が制限されるため、厳しい使用条件下での構造コンポーネントにおけるこれらの材料の有用性は、母材金属と同等の特性を備えた接合部を提供する溶接手順の開発に大きく依存します。したがって、これらの研究の目的は、(1) 数種類の非合金タングステンおよび合金タングステンのさまざまな接合方法で製造された接合部の機械的特性を測定することです。(2) 熱処理および接合技術におけるさまざまな変更の影響を評価する。(3) 特定の用途に適したテストコンポーネントの製造の実現可能性を実証します。
材料
非合金タングステン m叮10 m。厚いシートが最も興味のある素材でした。この研究における非合金タングステンは、粉末冶金、アーク鋳造、および化学蒸着技術によって製造されました。表 1 は、受け取った時点の粉末冶金、CVD、およびアーク鋳造タングステン製品の不純物レベルを示しています。ほとんどはタングステンで公称的に見られる範囲内に収まります

ただし、CVD 材料には通常の量を超えるフッ素が含まれていることに注意してください。
比較のために、さまざまなサイズと形状のタングステンおよびタングステン合金を結合しました。一部のアーク鋳造材料も溶接されていましたが、そのほとんどは粉末冶金製品でした。建築構造とコンポーネントの実現可能性を判断するために、特定の構成が使用されました。CVD タングステンを除き、すべての材料は完全に冷間加工された状態で受け取られ、CVD タングステンは蒸着されたままの状態で受け取られました。再結晶化して粒子の大きいタングステンは脆性が増すため、熱影響部での粒子の成長を最小限に抑えるために、材料は加工状態で溶接されました。材料のコストが高く、入手可能な量が比較的少ないため、必要な情報を得るために最小限の量の材料を使用する試験片を設計しました。
手順
タングステンの延性から脆性への転移温度 (DBTT) は室温よりも高いため、亀裂を避けるために取り扱いや加工には特別な注意を払う必要があります1。せん断加工は刃先割れの原因となり、研削加工や放電加工では表面に熱痕が残ることが分かりました。これらの亀裂は、ラッピングによって除去しない限り、溶接およびその後の使用中に伝播する可能性があります。
タングステンは、他の高融点金属と同様に、格子間物質による溶接部の汚染を避けるために、不活性ガス (ガス タングステン アーク プロセス) または真空 (電子ビーム pro:::ess)2 のいずれかの非常に純粋な雰囲気中で溶接する必要があります。タングステンはすべての金属の中で最も高い融点（3410°C）を持っているため、溶接装置は高い使用温度に耐えることができなければなりません。

表1

ガスタングステンアーク溶接、ガスタングステンアークろう付け溶接および電子ビーム溶接の 3 つの異なる溶接プロセスが使用されました。最小限のエネルギー入力で完全に浸透するために必要な溶接条件を材料ごとに決定しました。溶接する前に、シート材料を機械加工して囚人にします。幅広のブランクをエチルアルコールで脱脂しました。ジョイントのデザインはルート開口部のない角溝でした。
ガスタングステンアーク溶接
すべての自動および手動のガスタングステンアーク溶接は、5 x I or 以下に維持されたエームハーで行われました。torrで約1時間保持した後、非常に純粋なアルゴンを充填しました。図１Ａに示すように、チャンバには、自動溶接用のトラバース機構およびトーチヘッドが取り付けられた。ワークピースは、溶接ビートによってワークピースにろう付けされるのを防ぐために、すべての接触点にタングステンインサートを備えた銅製の固定具に保持されました。この治具のベースには、ワークを希望の温度に予熱する電気カートリッジ ヒーターが収納されていました（図 1 B）。すべての溶接は、10 ipm の移動速度、約 350 アンペアの電流、および 10 ～ 15 V の電圧で行われました。 。
ガスタングステン-A『cろう付け溶接』
ガスタングステンアールのろう付け溶接は、不活性雰囲気を備えたハンバー内で、次のような技術によって行われました。

上記のもの。タングステンと W-26% Re フィラー金属を使用したビードオンプレートろう付け溶接は手作業で行われました。ただし、突合せろう付け溶接は、溶加材を突合せ接合部に配置した後、自動的に溶接されました。
電子ビーム溶接
電子ビーム溶接は、150 kV 20 mA の機械で行われました。溶接中、約５×１０−６トルの真空が維持された。電子ビーム溶接では、幅に対する深さの比率が非常に高く、熱影響部が狭くなります。
化学気相処理によるコーティング
タングステン接合は、化学気相成長プロセスによって非合金タングステンフィラー金属を堆積することによって作成されました3。タングステンは、反応式に従って六フッ化タングステンの水素還元によって堆積されました。
熱
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g)。
この技術を接合に使用すると、固定具と反応物の流れの分布をわずかに変更するだけで済みます。従来の接合方法と比較したこのプロセスの主な利点は、使用される低温 (510 ～ 650 °C) が金属の融点よりもはるかに低いためです。

タングステン (3410 °C) での再結晶化、および不純物や粒成長による鍛錬タングステン母材のさらなる脆化の可能性が最小限に抑えられます。
突合せおよびチューブ端の閉鎖を含むいくつかのジョイント設計が製造されました。蒸着は、固定具、位置合わせピース、および基板として使用される銅マンドレルを利用して実行されました。堆積が完了した後、銅マンドレルをエッチングによって除去した。他の研究では、CVD タングステンが堆積時に複雑な残留応力を有することが示されているため、これらの接合部は機械加工またはテストの前に 1000 °C ～ 1600 °C で 1 時間応力を緩和しました。
検査と試験
接合部は、試験前に目視、液体浸透剤および放射線写真によって検査されました。典型的な溶接部の酸素と窒素が化学的に分析され (表 2)、研究全体を通じて広範な金属組織検査が行われました。
曲げ試験は、その本質的な単純さと小さな試験片への適応性により、接合部の完全性とプロセスの比較の主な基準として使用されました。延性から脆性への転移温度は、溶接されたままの継手と時効後の継手の両方について 3 点曲げ装置を使用して測定されました。曲げ試験の基本試験片は縦方向の試験片でした。

面曲げ、長さ 24t、幅 12t、ここで t は試験片の厚さです。試験片は 15t のスパンで支持され、半径 4t のプランジャーを使用して 0.5ipm の速度で曲げられました。この形状は、さまざまな厚さの材料で得られたデータを正規化する傾向がありました。通常、試験片は溶接シームに対して横方向に曲げられ（縦方向の曲げ試験片）、溶接部、熱影響部、母材に均一な変形を与えます。ただし、比較のためにいくつかの試験片を溶接線に沿って曲げました (横方向曲げ試験片)。フェースベンドは調査の最初の部分で使用されました。ただし、溶融金属の重量によりほとんどの溶接部にわずかなノッチが見られるため、後のテストではルートベンドで置き換えられました。シート試験片の曲げ試験に関する材料諮問委員会6の推奨事項には、可能な限り厳密に従いました。材料が限られているため、推奨される最小の標本が選択されました。
曲げ転移温度を測定するために、温度を急速に 500 ℃まで上昇させることができる炉内に曲げ装置を入れました。90 ～ 105 度の曲げを完全な曲げとみなしました。DBTT は、スピーメンがきしむことなく完全に曲がる最低温度として定義されました。試験は空気中で行われましたが、試験温度が400℃に達するまで試験片の変色は明らかではありませんでした。

図1

非合金タングステンの結果
一般的な溶接性
ガスタングステンアーク溶接 - 1インチのガスタングステンアーク溶接。厚い非合金シートの場合、熱衝撃による応力下での脆性破壊を防ぐために、ワークを十分に予熱する必要があります。図 2 は、適切な予熱を行わずに溶接した場合に生じる典型的な破壊を示しています。溶接部と熱影響部の大きな粒径と形状が破壊部分で明らかです。室温から 540°C までの予熱温度を調査した結果、亀裂のないワンパス突合せ溶接を一貫して製造するには、最低 150°C までの予熱が必要であることがわかりました。この温度は母材金属の DBTI に相当します。これらのテストでは高温への予熱は必要ないようですが、DBTI がより高い材料、またはより厳しい応力集中やより大きな部品を含む構成では、より高い温度への予熱が必要になる場合があります。
溶接の品質は、母材の製造手順に大きく依存します。アーク鋳造タングステンの自己溶接部には基本的に気孔がありません (図)。
しかし、粉末冶金タングステンの溶接部は、特に融解線に沿った全体的な気孔率によって特徴付けられます（図 3（b））。図 3B、特に 3C に沿った、独自の低気孔率製品 (クリーブランドのゼネラル エレクトリック社製 GE-15) で作られた溶接部のこの気孔率の量。
CVD タングステンのガスタングステンアーク溶接には、ベースメタ F の結晶粒構造により、異常な熱影響ゾーンがあります。図 4 は、このようなガスタングステンアーク突合せ溶接の面と対応する断面を示しています。基板表面の微粒子は溶接熱により成長していることに注意してください。また、大きな柱状突起の成長が不足していることも明らかです。

穀類。柱状粒子にはガスが入っています
蛍光不純物によって引き起こされる粒界の泡8.したがって、もし
微粒子基板表面は溶接前に除去されるため、溶接部には金属組織学的に検出可能な熱影響部が含まれません。もちろん、加工された CVD 材料 (押出成形または引抜管など) では、溶接部の熱影響部は通常の再結晶粒構造を持っています。
CVD タングステンのいくつかの溶接部の RAZ の柱状粒界に亀裂が見つかりました。図 5 に示すこの亀裂は、高温での粒界における気泡の急速な形成と成長によって引き起こされました9。溶接に伴う高温では、気泡が粒界領域の大部分を消費する可能性があります。これに冷却中に生じる応力が加わり、粒界が引き離されて亀裂が形成されました。熱処理中のタングステンおよび他の金属堆積物における気泡の形成に関する研究では、0.3 Tm (等価融解温度) 未満で堆積された金属で気泡が発生することが示されています。この観察は、アニール中に閉じ込められた空孔とガスが合体することによって気泡が形成されることを示唆しています。CVD タングステンの場合、ガスはおそらくフッ素またはフッ素化合物です。
電子ビーム溶接 - 非合金タングステンを予熱ありまたは予熱なしで電子ビーム溶接しました。予熱の必要性は試験片によって異なります。溶接に亀裂が発生しないようにするには、少なくとも母材の DBTT まで予熱することをお勧めします。粉末冶金製品の電子ビーム溶接にも、前述の溶接気孔率が存在します。

ガスタングステンアークろう付け溶接 - ろう付け溶接を有効に活用できるかどうかを確立するために、粉末冶金タングステンシートにろう付け溶接を行うためのガスタングステンアークプロセスを実験しました。ろう付け溶接は、溶接に沿ってろう材を事前に配置することによって行われました。溶接前の突き合わせジョイント。ろう付け溶接は、溶加材として非合金の Nb、Ta、Mo、Re、および W-26% Re を使用して製造されました。予想どおり、母材金属が粉末冶金製品であったため、すべての接合部の金属組織断面の溶融線に気孔が存在しました (図 6)。ニオブとモリブデンのフィラー金属で作られた溶接部に亀裂が入った。
溶接部とろう付け溶接部の硬度は、溶加材として非合金タングステンと W126% Re を使用して作成されたビードオンプレート溶接部の研究によって比較されました。ガスタングステンアーク溶接とろう付け溶接は、非合金タングステン粉末冶金製品 (低気孔率、独自の (GE-15) グレードおよび典型的な商用グレード) に手動で行われました。各材料の溶接部およびろう付け溶接部は、900、1200、1600、および 2000℃で 1、10、100、および 1000 時間時効処理されました。試験片は金属組織学的に検査され、溶接時と熱処理後の両方で、溶接部、熱影響部、および母材の全体にわたって硬度が測定されました。

表2

図2

この研究で使用された材料は粉末冶金製品であるため、溶接およびろう付け溶接の堆積物にはさまざまな量の気孔が存在しました。繰り返しますが、典型的な粉末冶金タングステン母材で作られた接合部は、気孔率の低い独自のタングステンで作られた接合部よりも気孔率が高くなります。W-26% Re フィラー金属で作られたろう付け溶接部は、非合金タングステンフィラー金属で作られた溶接部よりも気孔率が低かった。
溶加材として非合金タングステンを使用して行われた溶接の硬さに対する時間や温度の影響は認められませんでした。溶接された状態では、溶接金属と母材の金属の硬度測定値は本質的に一定であり、経時変化後も変化しませんでした。しかし、W-26% Re フィラー金属で作られたろう付け溶接は、製造されたままでは母材金属よりもかなり硬かったです (図 7)。おそらく、W-Re 鋼溶接デポジットのより高い硬度は、固溶体硬化および/または凝固構造中に細かく分散された Er 相の存在によるものと考えられます。タングステンレニウムの状態図 11 は、急速冷却中にレニウム含有量の高い局所領域が発生し、高度に偏析した基礎構造内に硬くて脆い相が形成される可能性があることを示しています。おそらく er 相は粒子または粒界に細かく分散していましたが、金属組織学的検査や X 線回折によって同定できるほど大きなものはありませんでした。
図７Ａには、異なる時効温度におけるろう付け溶接の中心線からの距離の関数として硬度がプロットされている。突然の変化に注意

融合線の硬さ。時効温度が上昇するにつれて、ろう付け溶接の硬度は低下し、J 600℃で 100 時間後の硬度は、合金化されていないタングステンベース金属の硬度と同じになりました。温度の上昇とともに硬度が低下するこの傾向は、すべての時効時間に当てはまります。図７Ｂの１２００℃の時効温度で示されるように、一定温度での時間が増加すると、同様に硬度の低下が引き起こされた。
化学蒸着による接合 - CVD 技術によるタングステンの接合は、さまざまな試験片設計で溶接を作成する方法として研究されました。適切な固定具とマスクを使用して、所望の領域への堆積を制限することにより、CVD および粉末冶金タングステン シートが接合され、チューブのエンド クロージャが製造されました。約９０度の夾角を有するベベルへの堆積により、図８Ａに示すように、ベベルの一方の面から成長する柱状粒子と基板（エッチングで除去された）との交点に亀裂が生じた。しかしながら、図８Ｂに示すように、母材の面を半径αｉｎまで研削することによって接合構造を変更すると、亀裂や不純物の著しい蓄積のない完全性の高い接合が得られた。溶接のルートの接線。燃料要素の製造におけるこのプロセスの典型的な応用例を実証するために、タングステン管でいくつかの端部クロージャが作られました。これらの接合部は、ヘリウム質量分析計の漏れ検出器でテストしたところ、漏れがないことが確認されました。

図3

図4

図5

機械的性質
溶融溶接部の曲げ試験 - 非合金タングステンのさまざまな接合部について、延性から脆性への遷移曲線が測定されました。図9の曲線は、2つの粉末冶金母材のDBTTが約150℃であることを示しています。通常、両方の材料のDBTT（90〜105度の曲げを行うことができる最低温度）は、溶接後に大幅に増加しました。 。転移温度は、典型的な粉末冶金タングステンの場合は約 175℃上昇して 325℃の値になり、低気孔率の独自の材料では約 235℃上昇して 385℃の値になりました。溶接材料と非溶接材料の DBTT の違いは、粒径が大きいことと、溶接部と熱影響部の不純物の再分布の可能性によるものと考えられます。テスト結果は、典型的な粉末冶金タングステン溶接部の DBTT は、たとえ後者の気孔率が少なかったにもかかわらず、独自の材料の DBTT よりも低かったことを示しています。低気孔率タングステンの溶接部の DBTT がより高いのは、その粒子サイズがわずかに大きいためである可能性があります (図 3A および 3C)。
非合金タングステンの多数の接合部の DBTT を決定するための調査結果を表 3 にまとめます。曲げ試験は、試験手順の変更に非常に敏感でした。根元の曲げは、面の曲げよりも延性が高いように見えました。溶接後の応力除去を適切に選択すると、DBTT が大幅に低下するようです。CVD タングステンは、溶接された状態では DBTT が最高 (560℃) でしたが、溶接後に 1000℃ 1 時間の応力除去を行うと、DBTT は 350℃ まで低下しました。溶接後に 1000℃ の応力除去を行うと、その DBTT は 350℃ に低下しました。 アーク溶接された粉末冶金タングステンを 18000℃ で 1 時間応力除去すると、この材料の DBTT は次のように決定された値から約 100℃ 低下しました。溶接された。CVD 法で作成した接合部を 1000°C で 1 時間応力除去すると、DBTT が最低値 (200°C) になりました。この転移温度はこの研究で決定された他の転移温度よりもかなり低いですが、この改善はおそらく CVD ジョイントのテストで使用されたより低いひずみ速度 (0.1 対 0.5 ipm) の影響を受けたことに注意してください。

Nbを使用したろう付け溶接-ガスタングステン-アークろう付け溶接の曲げ試験。フィラー金属としての Ta、Mo、Re、および W-26% Re も曲げ試験を行い、その結果を表 4 にまとめます。レニウムろう付け溶接で最も高い延性が得られました。

この大まかな研究の結果は、異なる金属溶加材がタングステンの均質な溶接部の内部に機械的特性を備えた接合部を生成する可能性があることを示していますが、これらの溶加材の一部は実際に役立つ可能性があります。

タングステン合金の結果。