(57)【要約】  第１の鋼材（１３）と、カーボンシート（１６）と、第２の鋼材（１５）を互いが離間した状態とし、例えば、電源（６１）からカーボンシート（１６）に通電を行うことで接合部（１３ａ、１５ａ）を加熱する。又は、誘導加熱コイル（８１）で接合部（１３ａ、１５ａ）を加熱するようにしてもよい。その後、接合部（１３ａ、１５ａ）が、Ｆｅ−Ｃ系状態図の共晶点以上且つ液相線温度未満に到達したことが検出されたら加熱を終了する。さらに、第１の鋼材（１３）と第２の鋼材（１５）とでカーボンシート（１６）を挟む。
2017094596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンシート（１６）を利用し且つ等温凝固を利用して、第１の鋼材（１３）と第２の鋼材（１５）を接合する鋼材の接合方法であって、
真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気中にて、前記第１の鋼材（１３）及び前記第２の鋼材（１５）と前記カーボンシート（１６）とが接触しない状態で、前記第１の鋼材（１３）又は前記第２の鋼材（１５）の少なくとも一方を、加熱機構（６０）にて前記第１の鋼材（１３）又は前記第２の鋼材（１５）の接合部（１３ａ、１５ａ）が、Ｆｅ−Ｃ系状態図の共晶点以上且つ液相線温度未満の温度となるように加熱する加熱工程と、
次に、前記カーボンシート（１６）を前記第１の鋼材（１３）及び前記第２の鋼材（１５）で挟み、押圧機構（２０）にて前記第１の鋼材（１３）及び前記第２の鋼材（１５）の接合部（１３ａ、１５ａ）同士を加圧し接合する加圧接合工程と、
を有し、
前記加圧接合工程で、前記カーボンシート（１６）から前記接合部（１３ａ、１５ａ）に炭素を拡散させることを特徴とする鋼材の接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の接合方法において、前記加熱工程では、前記接合部（１３ａ、１５ａ）同士を離間して対向させると共に、離間した前記接合部（１３ａ、１５ａ）同士の間に前記カーボンシート（１６）を前記接合部（１３ａ、１５ａ）に接触させないようにして配置することを特徴とする鋼材の接合方法。
【請求項３】
請求項１記載の接合方法において、前記加熱機構（６０）は、誘導加熱コイル（８１）又は電磁波発生機構（７８）であり、前記誘導加熱コイル（８１）又は前記電磁波発生機構（７８）で発生する電磁波で前記接合部（１３ａ、１５ａ）近傍を加熱することを特徴とする鋼材の接合方法。
【請求項４】
請求項１記載の接合方法において、前記加熱機構（６０）は、前記カーボンシート（１６）に通電する電源（６１）であり、前記電源（６１）からの通電によって前記カーボンシート（１６）自体を加熱すると共に前記カーボンシート（１６）からの熱で前記接合部（１３ａ、１５ａ）近傍を加熱することを特徴とする鋼材の接合方法。
【請求項５】
請求項１記載の接合方法において、前記カーボンシート（１６）として、溶融鋼（８８）が浸透する空洞部（１６ｂ）を内部に有するものを使用することを特徴とする鋼材の接合方法。
【請求項６】
断熱材（１１）が内張り又は充填された炉殻（１２）と、
前記炉殻（１２）に設けられ第１の鋼材（１３）を支持する支持部材（１４）と、
前記炉殻（１２）に設けられて第２の鋼材（１５）を保持すると共に前記第２の鋼材（１５）を前記第１の鋼材（１３）に向かって前進させ且つ押接させる押圧機構（２０）と、
前記第１の鋼材（１３）と前記第２の鋼材（１５）との間にカーボンシート（１６）を保持するシート保持機構（３０）と、
前記炉殻（１２）に付設され前記炉殻（１２）内を真空にする排気機構（４０）、又は前記炉殻（１２）に不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構（５０）の中の少なくとも一方と、
前記炉殻（１２）に付設され前記第１の鋼材（１３）又は前記第２の鋼材（１５）の少なくとも一方の接合部（１３ａ、１５ａ）、Ｆｅ−Ｃ系状態図の共晶点以上且つ液相線温度未満の温度に加熱する加熱機構（６０）と、
前記炉殻（１２）に設けられ、前記加熱機構（６０）で加熱される前記第１の鋼材（１３）又は前記第２の鋼材（１５）の少なくともいずれかの接合部（１３ａ、１５ａ）の温度を検出する温度センサ（７１）と、
前記炉殻（１２）に設けられ該炉殻（１２）内の圧力を検出する圧力センサ（７２）と、
前記押圧機構（２０）を制御し、前記温度センサ（７１）が検出する温度情報に基づいて前記加熱機構（６０）を制御すると共に前記圧力センサ（７２）が検出する圧力情報に基づいて前記排気機構（４０）又は前記不活性ガス供給機構（５０）の少なくとも一方を制御する制御部（７３）と、
を有することを特徴とする鋼材の接合装置（１０）。
【請求項７】
請求項６記載の接合装置（１０）において、前記加熱機構（６０）は、前記第１の鋼材（１３）又は前記第２の鋼材（１５）の少なくとも１つの接合部（１３ａ、１５ａ）を加熱する誘導加熱コイル（８１）、前記第１の鋼材（１３）又は前記第２の鋼材（１５）の少なくとも１つの接合部（１３ａ、１５ａ）を加熱する電磁波発生機構（７８）、前記カーボンシート（１６）に通電する電源（６１）の群の中から選定された少なくとも一つであることを特徴とする鋼材の接合装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンシートを利用した鋼材の接合技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
拡散接合法を用いて鋼材同士を接合する技術が知られている（例えば、特公昭６２−４５０２０号公報参照）。【０００３】
特公昭６２−４５０２０号公報では、鋼を接合材とし、炭素粉末を、アクリル樹脂を溶剤に溶かした粘結剤と混合してシート状にしたインサート材を用い、継手全体を約１２００℃以上に加熱して接合を行う。炭素が接合部に拡散すると、接合材の融点が下がって溶融し、比較的低温での接合が可能となる。【０００４】
特公昭６２−４５０２０号公報の技術は、ろう付け技術であり、接合時間は５時間程度を要する。ろう付けであるから、鋼材と鋼材の間にろう材を挟む。このサンドイッチしたものをろう付け炉に投入する。ろう付け炉で大気温から１２００℃以上まで加熱し、１２００℃以上で保温する。この加熱中に、アクリル樹脂は加熱され蒸発する。結果、炭素粉末が残留する。【０００５】
ところで、大気温度（２５℃）から１２００℃まで加熱する間にも、炭素粉末の一部は、アクリル樹脂が蒸発することに伴って接合材内へ拡散する。【０００６】
すると、１２００℃以上に達した時点では、炭素粉末の量が不足することになる。炭素粉末の量が不足すると拡散反応が不十分となり、結合が不十分な部分が発生する。【０００７】
不足分を見込んで、インサート材を増量すると、不経済であると共に炭素過多になる虞がある。炭素が過多であると、接合部位が脆くなる等の不具合が起こる。【０００８】
よって、加熱中に炭素が拡散することを防ぐことができる接合技術が、求められる。 
【発明の概要】
【０００９】
本発明の主たる目的は、加熱中に炭素が拡散することを防ぐことができる接合技術を提供することにある。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、カーボンシートを利用し且つ等温凝固を利用して、第１の鋼材と第２の鋼材を接合する鋼材の接合方法であって、
真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気中にて、前記第１の鋼材及び前記第２の鋼材と前記カーボンシートとが接触しない状態で、前記第１の鋼材又は前記第２の鋼材の少なくとも一方を、加熱機構にて前記第１の鋼材又は前記第２の鋼材の接合部が、Ｆｅ−Ｃ系状態図の共晶点以上且つ液相線温度未満の温度となるように加熱する加熱工程と、
次に、前記カーボンシートを前記第１の鋼材及び前記第２の鋼材で挟み、押圧機構にて前記第１の鋼材及び前記第２の鋼材の接合部同士を加圧し接合する加圧接合工程と、
を有し、
前記加圧接合工程で、前記カーボンシートから前記接合部に炭素を拡散させる鋼材の接合方法が提供される。
【００１１】
本発明では、加熱中に鋼材とカーボンシートを接触させないため、加熱中に炭素が鋼に拡散する心配がない。従って、精度のよい接合が可能となる。すなわち、加熱中に炭素が拡散することを防ぐことができる。
【００１２】
この場合、加熱工程で、接合部同士を対向させ、離間した前記接合部同士のその間にカーボンシートを接合部に接触させないようにして配置することが好ましい。
【００１３】
このように接合部同士を対向させたときには、接合部同士の間に加熱機構を置くことが可能となり、加熱効率が高まる。また、対向する接合部の間にカーボンシートを配置するため、加熱後に一方の接合部へ他方の接合部を押し進めることで、カーボンシートが挟まり、作業性が向上する。
【００１４】
また、加熱機構は、誘導加熱コイル又は電磁波発生機構であり、誘導加熱コイル又は電磁波発生機構で発生する電磁波で炭素鋼の接合部近傍を加熱するとよい。
【００１５】
このように、誘導加熱コイル又は電磁波で炭素鋼の接合部近傍を加熱する場合、必要な箇所のみの加熱が可能となる。従って、加熱時間の短縮及び省エネルギー化を図ることができる。
【００１６】
加熱機構は、カーボンシートに通電する電源であってもよい。この場合、電源からの通電によってカーボンシート自体を加熱すると共にカーボンシートからの熱で接合部近傍を加熱することができる。
【００１７】
この場合、カーボンシート自体を抵抗発熱体として利用するので、加熱機構が簡便になる。また、誘導加熱コイルを接合部間に挿入する場合には接合部同士を比較的大きく離間する必要があるが、この場合には薄いカーボンシートのみが介在するため、接合部間を接近させることができる。このため、加熱効率を高めることができる。
【００１８】
そして、カーボンシートによる加熱に、誘導加熱コイルや電磁波加熱を組合わせることで、昇温時間を短縮することができる。
【００１９】
以上において、カーボンシートとして、溶けた鋼が流れ込む空洞部を内部に有するシートを使用することが好ましい。溶け込んだ鋼と炭素との接触面積が大きくなるので、炭素の拡散が促進されるからである。
【００２０】
本発明の別の一実施形態によれば、断熱材が内張り又は充填された炉殻と、
前記炉殻に設けられ第１の鋼材を支持する支持部材と、
前記炉殻に設けられて第２の鋼材を保持すると共に前記第２の鋼材を前記第１の鋼材に向かって前進させ且つ押接させる押圧機構と、
前記第１の鋼材と前記第２の鋼材との間にカーボンシートを保持するシート保持機構と、
前記炉殻に付設され前記炉殻内を真空にする排気機構、又は前記炉殻に不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構の中の少なくとも一方と、
前記炉殻に付設され前記第１の鋼材又は前記第２の鋼材の少なくとも一方の接合部を、Ｆｅ−Ｃ系状態図の共晶点以上且つ液相線温度未満の温度に加熱する加熱機構と、
前記炉殻に設けられ、前記加熱機構で加熱される前記第１の鋼材又は前記第２の鋼材の少なくともいずれかの接合部の温度を検出する温度センサと、
前記炉殻に設けられ該炉殻内の圧力を検出する圧力センサと、
前記押圧機構を制御し、前記温度センサが検出する温度情報に基づいて前記加熱機構を制御すると共に前記圧力センサが検出する圧力情報に基づいて前記排気機構又は前記不活性ガス供給機構の少なくとも一方を制御する制御部と、
を有する鋼材の接合装置が提供される。
【００２１】
このような構成とすることにより、通常のホットプレス装置や真空炉、ろう付け炉と同等の設備であるにも拘わらず、加熱中に炭素が拡散することを防ぐことができ、良好な接合を行うことができる。
【００２２】
加熱機構としては、第１の鋼材又は第２の鋼材の接合部を加熱する誘導加熱コイル、第１の鋼材又は第２の鋼材の接合部を加熱する電磁波発生機構、カーボンシートに通電する電源の群の中から少なくとも一つを選定することができる。誘導加熱コイル、電磁波発生機構、電源のいずれもが汎用機器であり安価であるため、鋼材の接合装置の製造コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る鋼材の接合装置の正面断面図である。
【図２】図２は、図１の接合装置の長手断面図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、カーボンシートの構造を説明する図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る鋼材の接合方法を説明するフロー図である。
【図５】図５ＡはＦｅ−Ｃ系状態図であり、図５Ｂ〜図５Ｄは加熱前、加熱完了時、拡散接合時の鋼材とカーボンシートの配置を示すレイアウト図である。
【図６】図６Ａ〜図６Ｃは、カーボンシート内に溶融鋼が浸透する過程を示した模式図である。
【図７】図７Ａ〜図７Ｃは、互いに相違する加熱機構を設けた場合の要部概略断面図であり、図７Ｄ及び図７Ｅは、カーボンシート又は加熱機構の位置を相違させた場合の要部概略断面図である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の変更例に係る鋼材の接合装置の正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、以下における「下」、「上」、「左」及び「右」は、図面における下方、上方、左方及び右方にそれぞれ対応する。
【００２５】
図１に示すように、鋼材の接合装置１０は、断熱材１１が内張り（又は充填）された炉殻１２と、この炉殻１２に設けられ第１の鋼材１３を支える支持部材１４と、炉殻１２に設けられ支持部材１４に対向するようにして第２の鋼材１５を保持すると共にこの第２の鋼材１５を第１の鋼材１３に向かって前進（図では、下降）させる押圧機構２０と、第１の鋼材１３と第２の鋼材１５との間にカーボンシート１６を保持するシート保持機構３０と、炉殻１２に付設されこの炉殻１２内を真空にする排気機構４０と、炉殻１２に付設されこの炉殻１２内へアルゴンガス等の不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構５０と、炉殻１２に付設され第１の鋼材１３又は第２の鋼材１５の少なくとも一方を、Ｆｅ−Ｃ系状態図の共晶点以上且つ液相線温度未満の温度に加熱する加熱機構６０と、炉殻１２に設けられ第１の鋼材１３の接合部１３ａ及び第２の鋼材１５の接合部１５ａの温度を検出する温度センサ７１と、炉殻１２に設けられ炉殻１２内の圧力を検出する圧力センサ７２と、押圧機構２０を制御し、温度センサ７１が検出する温度情報に基づいて加熱機構６０を制御すると共に圧力センサ７２が検出する圧力情報に基づいて排気機構４０及び不活性ガス供給機構５０を制御する制御部７３とを有する。
【００２６】
断熱材１１は、酸化アルミニウム（アルミナ）や二酸化珪素（シリカ）等のボード、ブランケット又はウールが望ましい。ただし、ブランケットやウールは外力を受けると縮む。そこで、炉殻１２の底壁に断熱レンガ１７、１７を積層し、最上の断熱レンガ１７上に支持部材１４を載置することが好ましい。
【００２７】
また、第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５は、ＪＩＳ  Ｇ  ０２０３で規定される炭素鋼が好適であるが、炭素鋼にクロムやモリブデン等の強化元素を添加した合金鋼であってもよい。なお、接合部１３ａ、１５ａは、カーボンシート１６に接合される部位である。
【００２８】
押圧機構２０は、例えば、炉殻１２にサポート２１を介して支持されるシリンダユニット２２と、このシリンダユニット２２から下へ突出するピストンロッド２３で支持されるロッド２４と、このロッド２４に設けられ第２の鋼材１５を掴むトング２５と、炉殻１２とピストンロッド２３との間に渡され外気を遮断する若しくは炉内ガスの漏洩を防止する蛇腹２６とを有する。蛇腹２６としては、ステンレスの薄板を接続してなる金属ベローズが耐熱性に優れ好適である。
【００２９】
なお、押圧機構２０は、第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５から溶融した鋼が接合部１３ａ、１５ａの間から押し出されない程度の力で、第２の鋼材１５を第１の鋼材１３に密着させる。そのため、シリンダユニット２２として、油圧シリンダよりも軸力が小さな電動シリンダやエアシリンダを採用することが好ましい。無論、シリンダユニット２２は、油圧シリンダであってもよい。
【００３０】
第２の鋼材１５が大型で重量が大である場合、該第２の鋼材１５の自重が全て第１の鋼材１３に作用すると、溶融した鋼が接合部１３ａ、１５ａの間から押し出されることがある。これを回避するべく、シリンダユニット２２として推進力を微調整可能なものを採用し、この推進力を調整することで、第２の鋼材１５の重量に基づいて第１の鋼材１３に作用する力を制御する。
【００３１】
シート保持機構３０は、例えば、薄いシートが破れない程度の力で引っ張る左右のシリンダ３１、３１と、シリンダ３１、３１のピストンロッド３２、３２の先端に設けられカーボンシート１６のエッジを掴む開閉爪３３、３３とを有する。シリンダ３１、３１に代替してスプリングを用いるようにしてもよい。ピストンロッド３２、３２及び開閉爪３３、３３は、導電性の金属で構成する。
【００３２】
排気機構４０は、例えば、炉殻１２から延びる排気管４１と、この排気管４１の途中に設けられる真空弁４２と、排気管４１の先に接続される真空ポンプ４３とを有する。真空ポンプ４３に代替してエジェクタを用いるようにしてもよい。
【００３３】
不活性ガス供給機構５０は、例えば、不活性ガスを蓄えたガス容器５１と、このガス容器５１から炉殻１２まで延びるガス供給管５２と、このガス供給管５２に設けられるガス制御弁５３とを有する。ガス制御弁５３は制御部７３で制御され、不活性ガスの流量や圧力を制御する。不活性ガスとしては、アルゴンガスの他、窒素ガス、二酸化炭素ガスが使用可能である。
【００３４】
排気機構４０又は不活性ガス供給機構５０の少なくとも一方は、省くことができる。すなわち、例えば、排気機構４０を設けたときには不活性ガス供給機構５０を省くようにしてもよいし、これとは逆に、不活性ガス供給機構５０を設けたときには排気機構４０を省くようにしてもよい。
【００３５】
加熱機構６０は、電源６１と、この電源６１からシート保持機構３０のピストンロッド３２、３２（又は、開閉爪３３、３３）まで延びる左右のハーネス６２、６２と、ハーネス６２、６２の途中に設けられる通電調整部６３とを有する。通電調整部６３は制御部７３で制御され、カーボンシート１６へ供給する通電量を調整する役割、及び通電／非通電を切り換えるスイッチの役割を果たす。
【００３６】
温度センサ７１は、保護管付き熱電対、赤外線温度計、輻射温度計等からなり、第１の鋼材１３の接合部１３ａ及び第２の鋼材１５の接合部１５ａの温度を計測する。
【００３７】
圧力センサ７２は、大気圧未満の圧力を測る真空計７２ａと、大気圧以上の圧力を測る加圧計７２ｂとからなるが、不活性ガス供給機構５０を省いた場合には、加圧計７２ｂは不要である。
【００３８】
図２に示すように、炉殻１２は、例えば、金属製の胴部７５と、この胴部７５の一方の開口を開閉可能に塞ぐ扉７６と、胴部７５の他方の開口を塞ぐ鏡板７７とからなる耐圧容器である。すなわち、炉殻１２は、内部が真空になったときに大気圧で圧潰することはなく、内部が大気圧以上になっても破壊することはない。
【００３９】
好ましくは、鏡板７７に、加熱機構６０の一種である電磁波発生機構７８を付設する。また、鏡板７７に貫通穴７９を設け、この貫通穴７９を介して加熱機構６０の別の一種である誘導加熱コイル８１を炉外から炉内へ挿入するようにしてもよい。誘導加熱コイル８１は炉外に設けた架台８２で支持され、この架台８２は床８３に敷設したレール８４上を走行する。架台８２と鏡板７７との間に蛇腹８５を渡し、外気の侵入や炉内ガスの漏洩を防止する。
【００４０】
加熱機構６０の主要素である加熱エレメントは、第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５の接合部１３ａ、１５ａを集中的に加熱することができればよく、電磁波発生機構７８や誘導加熱コイル８１や図１に示すカーボンシート１６用の電源６１の全て又は少なくとも１つであればよい。
【００４１】
図３Ａに示すカーボンシート１６の、ＩＩＩＢで示した部位の拡大図を図３Ｂに示す。
【００４２】
図３Ｂに示すように、カーボンシート１６は、微細径のカーボンファイバー１６ａの集合体であって、隣合うカーボンファイバー１６ａ、１６ａ間には、不可避的に空洞部１６ｂが形成される。理解を容易にするべく図では粗く表しているが、カーボンファイバー１６ａは密に重なっており、それらの間に微細な空洞部１６ｂが無数に存在する。
【００４３】
以上の構成からなる鋼材の接合装置１０を用いて実施する鋼材の接合方法を、図４〜図６に基づいて、以下に説明する。
【００４４】
図４のＳＴ（ステップ番号。以下同じ）０１にて、扉７６を開ける。そして、炉殻１２内に第１の鋼材１３、カーボンシート１６及び第２の鋼材１５をセットする（ＳＴ０２）。この際に、第１の鋼材１３、カーボンシート１６及び第２の鋼材１５を互いに離間させた状態でセットする（図１参照）。
【００４５】
扉７６を閉じ（ＳＴ０３）、真空ポンプ４３の作用下に真空引きを開始する（ＳＴ０４）。圧力センサ７２によって所定の真空度に到達したことが検出されたら（ＳＴ０５）、制御部７３がガス制御弁５３を制御することで不活性ガスが炉殻１２内に供給される（ＳＴ０６）。さらに、制御部７３が通電調整部６３を制御し、加熱が開始される（ＳＴ０７）。
【００４６】
なお、不活性ガスを供給するときは、真空引きは休止してもよい。この休止により、真空ポンプ４３の運転コストを低減することができる。
【００４７】
また、不活性ガスを供給しない場合は、ＳＴ０５からＳＴ０７へ移行する。この場合、加熱中も真空ポンプ４３を継続して運転する。
【００４８】
以上のように、真空引きを行う場合、不活性ガスを供給するか否かは適宜選択可能である。また、後述するように、不活性ガスを供給する場合に真空引きを予め行うか否かも適宜選択可能である。
【００４９】
図５ＡはＦｅ−Ｃ系状態図であり、図５Ｂは加熱開始時のレイアウト図、図５Ｃは加熱完了時のレイアウト図、図５Ｄは拡散接合時のレイアウト図である。
【００５０】
図５Ａに示すように、共晶点が現れる組成よりも炭素量が少ない領域では、固相から液相に変態する温度を示す液相線８７は、炭素量が増加するにつれて右下がりになる。
【００５１】
加熱開始時の温度は大気温度（２５℃程度）であるため、図５Ａ中、例えば、点Ｐ１で示される。加熱が開始されると、第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５の接合部１３ａ、１５ａの温度が上昇する。加熱は、温度センサ７１によって計測される接合部１３ａ、１５ａの温度が、共晶点以上で且つ液相線温度未満となるまで行われる。従って、図５Ｂ及び図５Ｃにおける接合部１３ａ、１５ａの組成及び温度は、図５Ａ中の点Ｐ２で表される。
【００５２】
次に、押圧機構２０を構成するシリンダユニット２２が付勢され、ロッド２４及びトング２５と一体的に第２の鋼材１５が下降する。その結果、図５Ｄに示すように、第２の鋼材１５がカーボンシート１６を押し下げる。これにより、カーボンシート１６を介して第１の鋼材１３が第２の鋼材１５から押圧を受けるようになる。換言すれば、第２の鋼材１５が第１の鋼材１３に押接する。この際、カーボンシート１６の内部は図６Ａの形態になる。
【００５３】
すなわち、図６Ａに示すように、カーボンファイバー１６ａが局部的に接合部１３ａ、１５ａに接触する。接触点から炭素が接合部１３ａ、１５ａへ拡散する。この拡散により、接合部１３ａ、１５ａでは、温度が保たれた状態で炭素量が増加する。
【００５４】
すなわち、接合部１３ａ、１５ａにおける組成が、炭素量の増加に応じて図５Ａ中の点Ｐ２から点Ｐ３へ移行する。ここで、点Ｐ２が固相領域であるのに対し、点Ｐ３は、液相線８７よりも上、換言すれば、液相領域である。このため、接合部１３ａ、１５ａが溶融し始める。
【００５５】
このように、接合部１３ａ、１５ａにおいて炭素が拡散することに伴って炭素量が増加することに伴い、該接合部１３ａ、１５ａの融点が低下する。従って、接合部１３ａ、１５ａの温度を、炭素を拡散させる前の組成における融点（液相線温度）以上まで上昇させる必要がない。
【００５６】
接合部１３ａ、１５ａが溶融する結果、図６Ｂに示すように、溶融鋼８８が空洞部１６ｂに浸透する。これにより、カーボンファイバー１６ａと接合部１３ａ、１５ａとの接触面積が飛躍的に増加し、拡散が促進される。
【００５７】
浸透がさらに進行すると、図６Ｃに示すように、溶融鋼８８が完全にカーボンファイバー１６ａの残部を覆う。この頃には、第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５中での炭素の拡散距離が大きくなり、結果として、接合部１３ａ、１５ａにおける炭素量が減少する。
【００５８】
すると、接合部１３ａ、１５ａにおける組成が、炭素量の減少に応じて図５Ａ中の点Ｐ３から点Ｐ４へ移行する。点Ｐ４は、液相線８７よりも下であることから固相領域である。このため、溶融鋼８８、ひいては接合部１３ａ、１５ａが凝固する。すなわち、いわゆる等温凝固が起こる。
【００５９】
図５Ａ〜図５Ｄ及び図６Ａ〜図６Ｃを参照した上記の説明は、図４のＳＴ０８〜ＳＴ１１に相当する。
【００６０】
すなわち、図４のＳＴ０８にて、接合部１３ａ、１５ａの温度がＦｅ−Ｃ系状態図の共晶点以上且つ液相線温度未満に到達したら、押圧機構２０にて第２の鋼材１５を降下させ（ＳＴ０９）、カーボンシート１６を挟むようにして第１の鋼材１３に当接させて若干押圧する（ＳＴ１０）。その後、図６Ａ〜図６Ｃで説明した接合が進行する。
【００６１】
所定時間が経過したら（ＳＴ１１）、加熱を停止し（ＳＴ１２）、冷却を待って、接合体を取り出す。
【００６２】
本発明の接合方法は、ＳＴ０２からＳＴ０８までの「加熱工程」と、ＳＴ０９からＳＴ１２までの「加圧接合工程」とからなる。
【００６３】
加熱工程中は、カーボンシート１６と第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５とが分離されているため、カーボンシート１６（カーボンファイバー１６ａ）から接合部１３ａ、１５ａへの炭素の拡散が起こることはない。
【００６４】
加圧接合工程では、溶融鋼８８が接合部１３ａ、１５ａから押し出されない程度の力で第２の鋼材１５を第１の鋼材１３に密着させるため、接合部１３ａ、１５ａの形状が変化しない。仮に形状が変化したとしても、その変化量は極僅かである。このため、美観に優れた接合体が得られる。
【００６５】
次に、種々の加熱機構６０の形態を、図７に基づいて説明する。
【００６６】
図７Ａに示すように、電源６１からの通電によって温度が上昇したカーボンシート１６の輻射熱のみで接合部１３ａ、１５ａの少なくとも一方を加熱することができる。これは、特に、第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５が小形状であるときに有効である。
【００６７】
又は、図７Ｂに示すように、誘導加熱コイル８１のみで、第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５の接合部１３ａ、１５ａ及びカーボンシート１６を加熱することができる。この例によれば、大形状の第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５を処理することができる。
【００６８】
又は、図７Ｃに示すように、誘導加熱コイル８１とカーボンシート１６とを併用し、第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５の接合部１３ａ、１５ａを加熱することができる。この例によれば、加熱時間を短縮することができる。
【００６９】
又は、図７Ｄに示すように、第１の鋼材１３と第２の鋼材１５の間にカーボンシート１６を配置しない状態で、誘導加熱コイル８１で、第１の鋼材１３及び第２の鋼材１５の接合部１３ａ、１５ａを加熱する。加熱後、誘導加熱コイル８１を退避させると共に、接合部１３ａ、１５ａの間に常温のカーボンシート１６を介在させる。
【００７０】
以上の例において、誘導加熱コイル８１に代替して電磁波発生機構７８を用いるようにしてもよいことは勿論である。
【００７１】
又は、図７Ｅに示すように、第１の鋼材１３の軸１３ｂと、第２の鋼材１５の軸１５ｂを、オフセットさせてもよい。加熱後に、第１の鋼材１３の軸１３ｂに第２の鋼材１５の軸１５ｂを対向させるように、第１の鋼材１３又は第２の鋼材１５を移動する。
【００７２】
ただし、次の加圧接合工程を考えると、図７Ａ〜図７Ｄのように、接合部１３ａと接合部１５ａが対向配置されることが望ましい。加熱後に速やかに第１の鋼材１３へ第２の鋼材１５を前進させることができるからである。
【００７３】
なお、図１及び図２に示した鋼材の接合装置１０は、好適な一例を示したものであって、本発明方法を実施することができる装置であればよく、構成を適宜変更することは差し支えない。例えば、図８Ａ又は図８Ｂに示すような変更例を採用することも可能である。
【００７４】
次に、この変更例を説明する。
【００７５】
図８Ａに示すように、アルゴンガス（Ａｒ）のように、空気より重い不活性ガスを使用する場合に、鋼材の接合装置１０Ｂは、炉殻１２の上部に、ガス供給口５４とガス排出口５５を対向配置する。図１に示した排気機構４０は備えていない。その他、図１に示した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７６】
この場合、図４に示すＳＴ０３の後の時点では、炉殻１２内は大気（空気）雰囲気である。
【００７７】
そこで、図８Ａに示すガス供給口５４から空気より重い不活性ガスを炉殻１２内に供給する。すると、不活性ガスは、炉殻１２の底に溜まりながら空気を上へ押し上げる。結果、空気はガス排出口５５から排出される。不活性ガスがガス排出口５５から排出された時点で、炉殻１２内が不活性ガス雰囲気に置換されたことになる。この時点から加熱を開始する。
【００７８】
すなわち、鋼材の接合装置１０Ｂでは、図４のＳＴ０４が不要となり、ＳＴ０３からＳＴ０６へ移行する。排気機構４０が不要であるため、鋼材の接合装置１０Ｂは構造が簡単になり、安価となる。
【００７９】
また、温度センサ７１Ｂは、第１の鋼材１３の接合部１３ａを直接測温する輻射温度計である。温度センサ７１Ｃは、第２の鋼材１５の接合部１５ａを直接測温する輻射温度計である。温度センサ７１Ｂ、７１Ｃは、先端が接合部１３ａ、１５ａに接触する熱電対であってもよい。
【００８０】
また、図８Ｂに示すように、窒素ガス（Ｎ２）のように、空気より軽い不活性ガスを使用する場合に、鋼材の接合装置１０Ｃは、炉殻１２の上部にガス供給口５４を備え、炉殻１２の下部に且つガス供給口５４と対向する位置にガス排出口５５を配置する。図１に示した排気機構４０は備えていない。その他、図１に示した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００８１】
図４に示すＳＴ０３の後の時点では、炉殻１２内は大気（空気）雰囲気である。
【００８２】
そこで、図８Ｂに示すガス供給口５４から空気より軽い不活性ガスを炉殻１２内に供給する。すると、不活性ガスは炉殻１２内を上部から下部に向かって充満され、この充満に伴って空気がガス排出口５５から排出される。炉殻１２内が不活性ガス雰囲気に置換された時点から加熱を開始する。
【００８３】
すなわち、鋼材の接合装置１０Ｃでは、図４のＳＴ０４が不要となり、ＳＴ０３からＳＴ０６へ移行する。排気機構４０が不要であるため、鋼材の接合装置１０Ｃは構造が簡単になり、安価となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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