(57)【要約】【課題】比較的簡単な構造で衝突エネルギーを高めることができ、より厚いシートを接合可能で、コストの低減を図ることができる接合装置および接合方法を提供する。【解決手段】複数の衝突粒１２を振動部１１の接合室２１ａに装入し、基材１の表面にシート材２を重ねた状態で、シート材２の表面が接合室２１ａの内側に向くよう、基材１およびシート材２を振動部１１に設置する。複数の衝突粒１２がシート材２の表面に繰り返し衝突するよう、機械的振動手段により、シート材２の表面に対して垂直方向に振動部１１を往復振動させて、基材１とシート材２とを接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の衝突粒を装入可能な接合室を有し、基材の表面にシート材を重ねた状態で、前記シート材の表面が前記接合室の内側に向くよう、前記基材および前記シート材を設置可能に設けられた振動部と、
前記複数の衝突粒が前記シート材の表面に繰り返し衝突するよう、前記シート材の表面に対して垂直方向に前記振動部を往復振動させるよう構成された振動手段とを、
有することを特徴とする接合装置。
【請求項２】
各衝突粒は３乃至１２ｍｍの径を有し、５０乃至７０％の装入率で前記接合室に装入されており、
前記振動手段は、前記シート材の表面に対する各衝突粒の入射角が０乃至２０度となるよう、振幅３乃至１５ｍｍ、周波数５０乃至１００Ｈｚで前記振動部を往復振動させるよう構成されていることを、
特徴とする請求項１記載の接合装置。
【請求項３】
複数の衝突粒を振動部の接合室に装入し、基材の表面にシート材を重ねた状態で、前記シート材の表面が前記接合室の内側に向くよう、前記基材および前記シート材を振動部に設置し、前記複数の衝突粒が前記シート材の表面に繰り返し衝突するよう、前記シート材の表面に対して垂直方向に前記振動部を往復振動させて前記基材と前記シート材とを接合することを、特徴とする接合方法。
【請求項４】
３乃至１２ｍｍの径を有する前記複数の衝突粒を、５０乃至７０％の装入率で前記接合室に装入し、前記シート材の表面に対する各衝突粒の入射角が０乃至２０度となるよう、振幅３乃至１５ｍｍ、周波数５０乃至１００Ｈｚで前記振動部を往復振動させることを、特徴とする請求項３記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合装置および接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属シートを基板上に接合する一般的な技術として、圧接プロセス（pressure welding process）がある。圧接は、圧力と時には熱とをかけることにより材料を溶解した後、添加剤を加え、溶けた部分が冷えて固まった時に強固な接合となるようにして行われる。圧接には、ガスフレーム、電気アーク、レーザー、電子ビーム、摩擦や超音波といった、いくつもの異なるエネルギー源を使用することができる。このような圧接プロセスは、高温と高電圧とを必要とする危険な作業であり、火災や電気ショック、眼へのダメージ、有害なフレーム、紫外線の過剰曝露などに気を付ける必要がある。
【０００３】
また、従来の圧接プロセスに代わるものとして、超音波圧接、冷間圧接、ロール圧接や摩擦圧接といった、いくつかの新しい固相接合法が行われている。これらの固相接合法は、接合する材料の溶融を必要としないが、かなりの高圧や、融点の50〜70％程度までの加熱が必要である。また、例えば、塑性変形の度合いが大きく破れが生じてしまうために、薄いシート同士の接合は不可能であるといった、いくつかの制限もある。
【０００４】
従来の圧接プロセスや固相接合法の問題点を解決するものとして、硬い材料でできたボールまたはショットを使用して、金属の表面にて金属箔をインパクト処理する方法が開発されている。この方法は、従来の圧接等と比べて、非常に低温度にて実施でき、薄いシート同士の接合が可能であり、複雑かつ洗練された装置を必要としない、という特徴がある。
【０００５】
このようなインパクト処理による接合方法として、炭素鋼またはステンレス鋼製円筒管の内壁に厚さ110μｍの純Al箔を付着させ、その後円管に4または8mm径のボールを充填し、遊星ボールミルにて、例えば360〜600rpmで10〜50min、接合処理を行うことにより、円管内壁にAl箔を接合するものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、この接合方法では、平板状の材料を扱うことができないという問題がある。また、遊星ボールミルではボールが遊星軌道をとるため、Al箔との衝突角が小さく、垂直にボールが衝突する方式と比べ、接合に必要な垂直方向の衝撃力が小さく効率的ではないという問題もある。さらに、粉末状の粒子を効率良く粉砕するには非常に適した動きであるが、接線方向の応力が大き過ぎてAl箔が破れやすいという問題もある。
【０００７】
そこで、これらの問題を解決するために、厚さ10〜300μmのAl，Ti，Fe箔を異なる種類の金属基板表面に付着させて、ガスブラスティングまたは遠心力タイプのショットピーニング装置のチャンバー内に置き、径0.02〜3mm程度のショットを使用して、真空中または不活性雰囲気中でホットショットピーニングを行うことにより、金属箔を異なる種類の金属に接合させるものがある（例えば、非特許文献２、３または特許文献１参照）。なお、この場合の処理条件として、金属基板を50℃以上（金属箔が厚いほど高い温度が必要）に予め加熱しておく必要があり、ショットの投射速度は40m/s以上、投射密度は30kg/m2以上が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２８９５９９６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Z. Zhan,Y. He, D. Wang, W. Gao, “Cladding inner surface of steel tubes with Al foils by ball attritionand heat treatment”, Surface& Coating Technology, 2006, 201, p.2684-2689
【非特許文献２】原田泰典、「軽金属材料へのショットライニング」、軽金属、2006年、第56巻、第１２号、p.730-736
【非特許文献３】Y.Harada, K. Mori, S. Maki,“Lining of metal plates withfoils using hot shop peening”, Journal of Materials Processing Technology, 1998, 80-82, p.309-314
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献２、３および特許文献１に記載の接合方法では、ショットが大きくなると加速が困難になるため、ショットのサイズが3mm程度に制限され、衝突エネルギーを大きくすることができなかった。このため、接合する金属箔の厚さが、300μm以下に制限されていた。また、処理時に真空または不活性雰囲気が必要であり、対象によっては予熱温度を上げる必要もあることから、ショットピーニング装置などの処理装置が大掛かりで高価になり、設備費等のコストが嵩んでしまっていた。
【００１１】
本発明は、このような問題に着目してなされたもので、比較的簡単な構造で衝突エネルギーを高めることができ、より厚いシートを接合可能で、コストの低減を図ることができる異種材料及び同種材料に適用できる接合装置および接合方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る接合装置は、複数の衝突粒を装入可能な接合室を有し、基材の表面にこの基材と異なる材料または同種の材料から成るシート材を重ねた状態で、前記シート材の表面が前記接合室の内側に向くよう、前記基材および前記シート材を設置可能に設けられた振動部と、前記複数の衝突粒が前記シート材の表面に繰り返し衝突するよう、前記シート材の表面に対して垂直方向に前記振動部を往復振動させるよう構成された振動手段とを、有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る接合方法は、複数の衝突粒を振動部の接合室に装入し、基材の表面にこの基材と異なる材料または同種の材料から成るシート材を重ねた状態で、前記シート材の表面が前記接合室の内側に向くよう、前記基材および前記シート材を前記振動部に設置し、前記複数の衝突粒が前記シート材の表面に繰り返し衝突するよう、前記シート材の表面に対して垂直方向に前記振動部を往復振動させて前記基材と前記シート材とを接合することを、特徴とする。
【００１４】
本発明に係る接合方法は、本発明に係る接合装置により好適に実施される。本発明に係る接合装置および接合方法では、接合室に装入された複数の衝突粒がシート材の表面に繰り返し衝突するよう、シート材の表面に対して垂直方向に振動部を振動させることにより、基材の表面にこの基材と異なる材料から成るシート材を接合することができる。このとき、真空や不活性雰囲気や加熱を要することなく、室温の空気雰囲気で接合を行うことができる。
【００１５】
衝突粒を大きくすることにより衝突エネルギーを高めることができるため、数mm程度までのより厚いシート材を接合することができる。また、複数層に重ねられた複数枚のシート材を一度に接合することもできる。シート材の表面に対して垂直方向に振動部を振動させることにより、衝突粒がシート材の表面に対してほぼ垂直に衝突するため、接合に対するエネルギー効率がよい。衝突粒を繰り返しシート材に衝突させるため、ショット粒が１回しか衝突しないショットピーニングと比べて、経済的かつ効率的である。
【００１６】
このように、本発明に係る接合装置および接合方法によれば、ショットピーニング装置等を使用する場合と比べて、比較的簡単な構造で衝突エネルギーを高めることができ、基材とシート材とを効率良く接合することができる。また、ショットピーニング装置等を使用する場合と比べて、設備費などのコストの低減を図ることができる。
【００１７】
衝突粒は、金属製またはセラミックス製のボールから成ることが好ましく、例えば、ショットピーニングで使用されるショット粒から成っていてもよい。基材およびシート材は、いかなる材料から成っていてもよく、特に異種金属のシートから成ることが好ましい。なお、本発明に係る接合装置および接合方法によれば、基材およびシート材が同種の材料であっても、互いに接合することができる。
【００１８】
本発明に係る接合装置で、各衝突粒は３乃至１２ｍｍの径を有し、５０乃至７０％の装入率で前記接合室に装入されており、前記振動手段は、前記シート材の表面に対する各衝突粒の入射角がシート材に対して垂直方向を０度とした場合、０乃至２０度となるよう、振幅３乃至１５ｍｍ、周波数５０乃至１００Ｈｚで前記振動部を往復振動させるよう構成されていることが好ましい。本発明に係る接合方法は、３乃至１２ｍｍの径を有する前記複数の衝突粒を、５０乃至７０％の装入率で前記接合室に装入し、前記シート材の表面に対する各衝突粒の入射角が０乃至２０度となるよう、振幅３乃至１５ｍｍ、周波数５０乃至１００Ｈｚで前記振動部を往復振動させることが好ましい。この場合、特に効率よく確実かつ強固に、基材とシート材とを接合することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、比較的簡単な構造で衝突エネルギーを高めることができ、より厚いシートを接合可能で、コストの低減を図ることができる接合装置および接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の接合装置を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の接合装置および接合方法による（ａ）Tiの基材とTiのシート材、（ｂ）Tiの基材とAlのシート材、（ｃ）Tiの基材とMoのシート材との接合状態を示す顕微鏡写真である。
【図３】本発明の実施の形態の接合装置および接合方法による、Tiの基材とAlのシート材との接合部の断面を示す（ａ）透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真、（ｂ）さらに拡大した透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
【図４】本発明の実施の形態の接合装置および接合方法による、（ａ）Alの基材とCuのシート材、（ｂ）Tiの基材とMoのシート材とを接合したときのシート材の断面を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図４は、本発明の実施の形態の接合装置および接合方法を示している。
図１に示すように、接合装置１０は、互いに異なる材料から成る基材１とシート材２とを接合するための接合装置１０であって、振動部１１と複数の衝突粒１２と振動手段（図示せず）とを有している。
【００２２】
図１に示すように、振動部１１は、接合容器２１と固定部材２２とを有している。接合容器２１は、底を有する円筒形状を成し、内部に接合室２１ａを有している。接合容器２１は、接合室２１ａの開口部２１ｂに沿って設けられたフランジ部２１ｃを有している。固定部材２２は、フランジ部２１ｃと同じ大きさの閉塞板２２ａを有し、閉塞板２２ａで接合室２１ａの開口部２１ｂを塞ぎ、ネジ等の固定具２２ｂでフランジ部２１ｃに着脱可能になっている。振動部１１は、基材１の表面にこの基材１と異なる材料から成るシート材２を重ねた状態で、シート材２の表面が接合室２１ａの内側に向くよう、接合室２１ａの開口部２１ｂに基材１およびシート材２を設置可能になっている。振動部１１は、接合室２１ａの開口部２１ｂの縁と閉塞板２２ａとの間に基材１を挟んで固定するようになっている。
【００２３】
各衝突粒１２は、球状の金属製またはセラミックス製のボールから成り、接合室２１ａに装入されている。
振動手段は、接合室２１ａの中心軸方向、すなわち設置されたシート材２の表面に対して垂直方向に振動部１１を往復振動させるよう構成されている。これにより、複数の衝突粒１２がシート材２の表面に繰り返し衝突するようになっている。
【００２４】
本発明の実施の形態の接合方法は、接合装置１０により好適に実施される。図１に示すように、本発明の実施の形態の接合方法では、まず、複数の衝突粒１２を振動部１１の接合室２１ａに装入し、基材１の表面にこの基材１と異なる材料から成るシート材２を重ねた状態で、シート材２の表面が接合室２１ａの内側に向くよう、基材１およびシート材２を振動部１１に設置する。
【００２５】
次に、振動手段により、各衝突粒１２がシート材２の表面に繰り返し衝突するよう、シート材２の表面に対して垂直方向に振動部１１を往復振動させる。このとき、振動で加速された各衝突粒１２の衝突により、シート材２の表面が大きな塑性変形を受け、基材１とシート材２との接合が進行する。所定時間、振動を行うことにより、基材１の表面にシート材２を完全に接合することができる。接合後、振動手段を停止して、基材１およびシート材２を取り出す。
【００２６】
このように、本発明の実施の形態の接合装置１０および接合方法では、シート材２の表面に対して垂直方向に振動部１１を振動させることにより、衝突粒１２がシート材２の表面に対してほぼ垂直に衝突するため、接合に対するエネルギー効率がよい。衝突粒１２を繰り返しシート材２に衝突させるため、ショット粒が１回しか衝突しないショットピーニングと比べて、経済的かつ効率的である。
【００２７】
また、本発明の実施の形態の接合装置１０および接合方法によれば、真空や不活性雰囲気や加熱を要することなく、室温の空気雰囲気で接合を行うことができる。このため、ショットピーニングなどの他の接合方法と比べて、接合後の表面処理を減らすことができる。衝突粒１２を大きくすることにより衝突エネルギーを高めることができるため、数mm程度までのより厚いシート材２を接合することができる。また、複数層に重ねられた複数枚のシート材２を一度に接合することもできる。さらに、通常の処理では不可能な、他の金属とは非常に性質の異なる高融点金属のような金属シート材と、他の金属との接合を行うこともできる。
【００２８】
本発明の実施の形態の接合装置１０および接合方法によれば、ショットピーニング装置等を使用する場合と比べて、比較的簡単な構造で衝突エネルギーを高めることができ、基材１とシート材２とを効率良く接合することができる。また、ショットピーニング装置等を使用する場合と比べて、設備費などのコストの低減を図ることができる。
【００２９】
なお、特に効率よく確実かつ強固に、基材１とシート材２とを接合するために、本発明の実施の形態の接合装置１０および接合方法は、３乃至１２ｍｍの径を有する複数の衝突粒１２を、５０乃至７０％の装入率で接合室２１ａに装入し、シート材２の表面に対する各衝突粒１２の入射角が０乃至２０度となるよう、振幅３乃至１５ｍｍ、周波数５０乃至１００Ｈｚで振動部１１を往復振動させることが好ましい。
【実施例１】
【００３０】
図１に示す接合装置１０を使用して、様々な材料から成る基材１とシート材２との接合を行った。内径48mm、深さ55mmの接合室２１ａに、衝突粒１２として、径7mmのステンレス鋼製のボール130個を装入し、DCモーターを利用した機械的振動手段により、振幅7mm、75Hzで60分の振動を行った。なお、接合室２１ａの容積に占める各衝突粒１２の体積の割合を表す衝突粒１２の装入率は約６０％であり、シート材２の表面に対する各衝突粒１２の入射角は２０度以下であった。
【００３１】
Tiから成る100mm×100mmの板状の基材１と、それぞれTi、Al、Moから成る厚さ0.5mmのシート材２との接合状態の顕微鏡写真を、それぞれ図２（ａ）乃至（ｃ）に示す。図２に示すように、基材１とシート材２とがTiとAl（図２（ｂ））、TiとMo（図２（ｃ））のように異なる材料からなる場合でも、基材１およびシート材２が同じTiの材料（図２（ａ））から成る場合と同様に、確実かつ強固に接合されていることが確認できる。
【００３２】
また、図２（ｂ）に示すTiの基材１とAlのシート材２との接合部の、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面写真を図３に示す。図３に示すように、衝突粒１２がシート材２の表面に繰り返し衝突することにより、基材１およびシート材２の元の粒界構造が精密化され、接合面付近にはナノ構造を有する多層構造が形成されていることが確認できる。これにより、基材１とシート材２とが強固に接合されているといえる。
【００３３】
Alから成る100mm×100mmの板状の基材１と、Cuから成る厚さ0.35mmのシート材２とを接合したときの、Cuのシート材２の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面写真を、図４（ａ）に示す。また、図２（ｃ）に示すTiの基材１とMoのシート材２とを接合したときの、Moのシート材２の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面写真を、図４（ｂ）に示す。図４に示すように、衝突粒１２がシート材２の表面に繰り返し衝突することにより、シート材２の元の粒界構造が精密化され、ナノ構造を有する多層構造が形成されていることが確認できる。
【実施例２】
【００３４】
［電気伝導性の向上のための金属クラッド材の作製］
図１に示す接合装置１０を使用して、Alまたはステンレス鋼基材１と、厚さ0.35mmのCuのシート材２との接合を行った。内径48mm、深さ55mmの接合室２１ａに、衝突粒１２として、径3mmのステンレス鋼製のボールを装入し、DCモーターを利用した機械的振動手段により、振幅15mm、80Hzで60分の振動を行った。なお、接合室２１ａの容積に占める各衝突粒１２の体積の割合を表す衝突粒１２の装入率は約50%であり、シート材２の表面に対する各衝突粒１２の入射角は20度以下であった。その結果、Alまたはステンレス鋼基材１とCuのシート材２とが、強固に接合された。
【実施例３】
【００３５】
［耐酸化性の向上のための金属クラッド材の作製］
図１に示す接合装置１０を使用して、Ti基材１と厚さ0.3mmのAlのシート材２との接合を行った。内径48mm、深さ55mmの接合室２１ａに、衝突粒１２として、径5mmのステンレス鋼製のボール800個を装入し、DCモーターを利用した機械的振動手段により、振幅10mm、75Hzで60分の振動を行った。なお、接合室２１ａの容積に占める各衝突粒１２の体積の割合を表す衝突粒１２の装入率は約50%であり、シート材２の表面に対する各衝突粒１２の入射角は20度以下であった。その結果、Ti基材１とAlのシート材２とが、強固に接合された。
【実施例４】
【００３６】
［Al溶湯に対する耐溶損性に優れる金属クラッド材の作製］
図１に示す接合装置１０を使用して、TiまたはNb基材１と、厚さ0.4mmのTaまたはWのシート材２との接合を行った。内径48mm、深さ55mmの接合室２１ａに、衝突粒１２として、径10mmのステンレス鋼製のボール100個を装入し、DCモーターを利用した機械的振動手段により、振幅5mm、50Hzで60分の振動を行った。なお、接合室２１ａの容積に占める各衝突粒１２の体積の割合を表す衝突粒１２の装入率は約50%であり、シート材２の表面に対する各衝突粒１２の入射角は20度以下であった。その結果、TiまたはNb基材１とTaまたはWのシート材２とが、強固に接合された。
【実施例５】
【００３７】
［耐高温酸化性に優れるNb基合金複合クラッド材の作製］
図１に示す接合装置１０を使用して、厚さそれぞれ20, 150, 200μmのRe,
Al, Niのシート材２を、Nb基材１の片面にNi・Al・Re（Nb材側）の順番で重ね合わせて、接合室２１ａの開口部２１ｂに設置し、Nb基合金複合クラッド材を作製した。内径48mm、深さ55mmの接合室２１ａに、衝突粒１２として、径5mmのステンレス鋼製のボール800個を装入し、DCモーターを利用した機械的振動手段により、振幅5mm、100Hzで90分の振動を行った。なお、接合室２１ａの容積に占める各衝突粒１２の体積の割合を表す衝突粒１２の装入率は約50%であり、シート材２の表面に対する各衝突粒１２の入射角は20度以下であった。その結果、Nb基材１の片面に、Re,
Al, Niのシート材２が強固に接合された。
【符号の説明】
【００３８】
１    基材
２    シート材
１０  接合装置
１１  振動部
１２  衝突粒
２１  接合容器
２１ａ  接合室
２１ｂ  開口部
２１ｃ  フランジ部
２２  固定部材
２２ａ  閉塞板
２２ｂ  固定具
【図１】
2010240728.tif 000003
【図２】
2010240728.tif 000004
【図３】
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【図４】
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