(57)【要約】【課題】設備費や操業コストを上昇させることなく、各種金属部材を接合面全体で安価に接合することができる通電拡散接合方法と、このような通電拡散接合に好適に適用することができる接合装置を提供する。【解決手段】互いに突合わされた被接合材１１，１２を抵抗体７，８を介して電極４，５の間に挟持した状態で、被接合材１１，１２を突合わせ方向に押圧しながら、上記電極４，５間に接合面１１ａ，１２ａの単位面積当たり３０〜１０００Ａ／ｃｍ２の電流密度の交流電流を供給し、被接合材自身の通電による自己発熱と接合面１１ａ，１２ａの接触抵抗による発熱に、抵抗体７，８の抵抗発熱による両端からの加熱を付加し、被接合材１１，１２を接合温度まで加熱することにより拡散接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合面において互いに突合わされた両被接合材を抵抗体を介して１対の電極間に挟持した状態で、両被接合材を突合わせ方向に押圧しながら、上記電極間に接合面の単位面積当たり３０〜１０００Ａ／ｃｍ２の電流密度の交流電流を供給することを特徴とする通電拡散接合方法。
【請求項２】
上記交流電流の供給を真空中又は無酸化雰囲気中で行なうことを特徴とする請求項１に記載の通電拡散接合方法。
【請求項３】
上記被接合材の外周を断熱材で覆うことを特徴とする請求項１又は２に記載の通電拡散接合方法。
【請求項４】
接合面において互いに突合わされた両被接合材を抵抗体を介して挟持する１対の電極と、上記電極間に交流電流を供給する電源と、上記電極の一方又は両方を被接合材の接合面に向けて押圧する加圧手段を備えたことを特徴とする通電拡散接合装置。
【請求項５】
上記抵抗体が炭素複合材又は炭化ケイ素から成るものであることを特徴とする請求項４に記載の通電拡散接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素鋼や合金鋼、ステンレス鋼などを始めとする各種鉄系金属部材や、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、銅合金などの非鉄金属部材の面同士を突合せた状態に接合するのに好適な通電拡散接合方法と、これに用いる通電拡散接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記のような被接合部材の接合面全体を接合する方法としては、従来、接合すべき１対の部材と接触して該部材と電気的に導電可能な１対の通電電極と、この通電電極に電流を供給する電源装置と、通電電極を部材の接合面に向って押圧する加圧装置とを備えた接合装置を用いて、互いに突合わせた上記両部材に所定の直流電流及びパルス電流の一方又は両方の電流を流して仮接合し、仮接合された部材を所望の温度条件のもとで熱処理する接合方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−５９２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記した通電接合方法においては、直流やパルスの大電流を被接合部材に流す必要があるので、電源装置が大型化すると共に、高価なものとならざるを得ない。
また、接合面を鏡面加工する必要がある上に、接合面積が大きい被接合部材や、電気抵抗が小さい被接合部材の場合には、被接合部材に通電するだけでは発熱量が少なく、接合界面を接合温度にまで加熱することができない。
【０００４】
本発明は、従来の通電接合方法における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、設備費や操業コストを上昇させることなく、各種金属部材を接合面全体で安価に接合することができる通電拡散接合方法と、このような通電拡散接合に好適に適用することができる接合装置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】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を達成すべく、鋭意検討を繰り返した結果、設備的に安価な交流電源を適用すると共に、被接合材への通電による接合面の直接加熱に加えて、被接合材と両電極の間に抵抗体を挟持し、当該抵抗体への通電による間接加熱を併用することによって、拡散接合に不足する熱量を確保することができ、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００６】
本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の通電拡散接合方法においては、接合面で互いに突合わされた１対の被接合材を抵抗体を介して１対の電極間に挟持し、この状態でこれら被接合材を突合わせ方向に押圧すると共に、上記電極間に接合面の単位面積当たり３０〜１０００Ａ／ｃｍ２の電流密度の交流を供給することを特徴としており、通電拡散接合方法におけるこのような構成を上記課題を解決するための手段としている。
【０００７】
また、本発明の通電拡散接合方法の好適形態においては、上記交流電流の供給を真空中又は無酸化雰囲気中で行なうようにしたり、上記被接合材の外周を断熱材で覆ったりすることができる。
【０００８】
本発明の通電拡散接合装置は、本発明の上記通電拡散接合方法に好適に用いられるものであって、接合面において互いに突合わされた両被接合材を抵抗体を介して挟持する１対の電極と、上記電極間に交流電流を供給する電源と、上記電極の一方又は両方を被接合材の接合面に向けて押圧する加圧手段を備えたことを特徴としている。
【０００９】
そして、本発明の通電拡散接合装置の好適形態においては、上記抵抗体を炭素複合材又は炭化ケイ素から成るものとすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電極間に抵抗体を介して互いに突合わせた被接合材を挟み、これら被接合材を突合わせ方向に押圧しながら、上記電極間に接合面の単位面積当たり３０〜１０００Ａ／ｃｍ２の電流密度の交流電流を流すようにしており、被接合材自身の通電による自己発熱と、被接合材の接合面における接触抵抗による発熱によって、当該接合面が直接加熱されると共に、被接合材の両端部に位置する抵抗体を電流が流れることによる抵抗発熱によって被接合材の両端から加熱されることによって、接合面積が大きい場合や被接合材の電気抵抗が小さい場合であっても、被接合材の接合面及びその周辺部を所定の温度に均一に加熱することができるため、被接合材を拡散接合することができる。
また、熱源として交流電流を流すことから、パルス発生装置や直流電源装置に較べて設備コストを安価なものとすることができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【００１１】
そして、本発明の通電拡散接合装置は、突合わされた両被接合材を抵抗体を介して挟持する両電極と、これら両電極間に交流電流を供給する電源と、両電極の一方又は両方を被接合材の接合面に向けて押圧する加圧手段を備えたものであるから、本発明の上記接合方法に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の通電拡散接合方法や接合装置について、その実施の好適形態などについて、さらに詳細に説明する。
【００１３】
本発明の通電拡散接合方法は、上記したように、設備的に低コストの交流電流を熱源として利用すると共に、被接合材の両端部に抵抗体を挟んだ状態で通電することによって、接合面の直接加熱と同時に、被接合材全体の均一加熱を可能にし、もって同一工程内での連続的な拡散接合を可能にしたものであるが、両電極間に供給する交流電流としては、被接合材のサイズや材質などによって相違するが、一般に１５Ｖ以下、望ましくは１０Ｖ以下の低電圧で、１００〜２０，０００Ａ程度の範囲の電流とすることが望ましく、接合面の単位面積当たりの電流密度を３０〜１０００Ａ／ｃｍ２とすることが必要となる。
すなわち、被接合材の接合面における電流密度が３０Ａ／ｃｍ２に満たない場合には、被接合材の接合面及びその近傍部を十分な温度に加熱することができず、逆に１０００Ａ／ｃｍ２を超えた場合には、加熱が急激なものとなって、接合界面が均一に加熱されず、良好な接合ができなくなる。
【００１４】
接合温度及び当該接合温度における保持時間については、鉄鋼系材料の場合、８００〜１２００℃程度、数分〜数時間の範囲、望ましくは接合温度８００〜１０００℃、接合保持時間０〜９０分程度の条件で行なうことができる。なお、保持時間「０」とは、目的の接合温度に昇温したのち、直ちに降温することを意味する。
また、加圧力については、５０〜２００ｋｇ／ｃｍ２程度の範囲とすることが望ましい。
【００１５】
なお、非鉄金属の場合（例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、銅合金など）には、材料によって表面酸化の状態や拡散速度などが異なることから、押圧力や保持時間などについては、それぞれの材料ごとに詳細な検討が必要となる。また、これら金属の組み合わせによっては、上記条件をさらに検討することによって、異種金属間の異材接合も可能となる。
【００１６】
さらに、接合雰囲気としては、接合面の残留ガス対策や、被接合材の酸化防止対策から、真空とすることが望ましい。
また、非酸化雰囲気ガスとして、窒素ガスや水素ガスなどを用いることもできるが、窒化が望ましくない材料については、アルゴン雰囲気とすることが望ましい。
【００１７】
さらに、本発明の通電拡散接合方法においては、接合面の仕上げ精度について特に限定されない。すなわち、接合面全体の平坦度に優れ、大きな隙間が接合面間に生じてさえいなければ、ミクロ的な面粗度については、さして問題にはならない。
【００１８】
本発明において、両電極と被接合材との間に挟持される抵抗体としては、電気抵抗が大きく、耐久性のあるＣ／Ｃコンポジット（炭素複合材）や、ヒーターとして用いられている炭化ケイ素を加工して使用することが望ましい。
【００１９】
また、炭化ケイ素を上記抵抗体として使用する場合、靭性に乏しい炭化ケイ素の破損保護のために、当該炭化ケイ素から成る抵抗体と被接合材の間にＣ／Ｃコンポジット又はグラファイトを配置することが望ましい。
【００２０】
さらに、交流電流の通電に際しては、被接合材の特に接合部周辺を断熱材、例えばセラミックファイバーやカーボンファイバーなどで覆ったり、被接合材の周囲に反射板を配設したりすることによって、熱の放出を防止するようになすこともでき、必要に応じて採用することが望ましい。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明の通電拡散接合方法及び接合装置は、このような実施例のみに限定されるものではない。
【００２２】
（通電拡散接合装置）
図１は、本発明の通電拡散接合方法を実施するための接合装置の構造を示すものであって、図に示す通電拡散接合装置１は、装置基台２に加圧手段である油圧シリンダ３が取付けられ、該油圧シリンダ３のシリンダロッド３ａに連結された下方電極４が上方電極５に相対向した状態に配置されている。
【００２３】
上記電極４及び５は、銅製のものであって、その内部には冷却回路４ａ及び５ａがそれぞれ形成されており、当該冷却回路４ａ、５ａに冷却水を通すことによって、銅製電極４、５が常時冷却されるようになっていると共に、これら上下電極４及び５には、交流電源６が電気的に接続してあり、当該電極６から低電圧・大電流の交流が供給されるようになっている。
【００２４】
そして、上記下方電極４及び上方電極５の間には、Ｃ／Ｃコンポジット又は炭化ケイ素等から形成された抵抗体７及び８をそれぞれ挟んで、１対の被接合材１１及び１２がその接合面１１ａ及び１２ａで突合わされた状態に設置されるようになっている。
【００２５】
なお、上記抵抗体７及び８には、上記したようにＣ／Ｃコンポジットを炭化ケイ素の保護材として設けることもでき、この場合にはこのＣ／Ｃコンポジットが補助的な抵抗発熱体としても機能することになる。
また、電極４及び５と抵抗体７及び８との間に例えばステンレス鋼製の保護板を挟んだり、抵抗体７及び８と被接合材１１及び１２の間に例えばグラファイトから成る均熱板を挟んだりすることも必要に応じて望ましい。
【００２６】
（実施例１）
被接合材１１，１２として、ＪＩＳ  Ｇ  ３１０１に一般構造用圧延鋼材として規定されるＳＳ４００材を１００×１００×４０ｍｍのサイズに切り出し、その接合面（１００×１００ｍｍ＝１００ｃｍ２）の表面粗さＲａが約３μｍとなるように切削加工した。
これら被接合材１１，１２を重ね合わせると共に、これらを厚さ２０ｍｍの炭化ケイ素から成る抵抗体７，８で挟んだ状態で、図１に示した接合装置１の上下電極４，５の間にセットした。
【００２７】
そして、１０Ｐａの真空下において、油圧シリンダ３によって接合面積当たり６０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で被接合材１１，１２を加圧しながら、最大電圧４．５Ｖを両電極４，５に印加し、最大電流６０００Ａ（接合面の単位当り６０Ａ／ｃｍ２）の交流電流を被接合材１１，１２に供給することによって、約１０００℃の温度に４０分間保持し、両被接合材１１，１２を接合した。
【００２８】
接合された被接合材の温度が室温に降下した後、接合部を接合面に対して垂直方向に切断し、接合界面の金属組織を顕微鏡観察した結果、良好な拡散接合組織が確認された。
このときの顕微鏡組織写真を図２に示す。
【００２９】
（実施例２）
被接合材１１，１２として、ＪＩＳ  Ｇ  ３１０１にオーステナイト系ステンレス鋼として規定されるＳＵＳ３１６材を５０×５０×１２ｍｍのサイズに切り出し、その接合面（５０×５０ｍｍ＝２５ｃｍ２）の表面粗さＲａが約２μｍとなるように切削加工した。
これら被接合材１１，１２を重ね合わせると共に、これらを厚さ２０ｍｍのＣ／Ｃコンポジットから成る抵抗体７，８で挟んだ状態で、図１に示した接合装置１の上下電極４，５の間にセットした。
【００３０】
次に、１０Ｐａの真空下において、油圧シリンダ３によって接合面積当たり１３０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で被接合材１１，１２を加圧しながら、最大電圧３．０Ｖを両電極４，５に印加し、最大電流３４００Ａ（接合面の単位当り１３６Ａ／ｃｍ２）の交流電流を被接合材１１，１２に供給することによって、約１０００℃の温度に１５分間保持し、両被接合材１１，１２を接合した。
【００３１】
接合後の被接合材１１，１２について、上記実施例１と同様の方法で接合界面を調査した結果、接合面の全体が良好に接合されていることが確認された。
【００３２】
（実施例３）
被接合材１１，１２として、２８５×１００×２０ｍｍのサイズに純チタン材を切り出し、その接合面（２８５×１００ｍｍ＝２８５ｃｍ２）の表面粗さＲａが約３μｍとなるように切削加工した。
これら被接合材１１，１２を重ね合わせると共に、これらを厚さ２０ｍｍのＣ／Ｃコンポジットから成る抵抗体７，８で挟んだ状態で、図１に示した接合装置１の上下電極４，５の間にセットした。
【００３３】
そして、１０Ｐａの真空下において、油圧シリンダ３によって接合面積当たり１５ｋｇ／ｃｍ２の圧力で被接合材１１，１２を加圧しながら、最大電圧３Ｖを両電極４，５に印加し、最大電流９５００Ａ（接合面の単位当り３３．３Ａ／ｃｍ２）の交流電流を被接合材１１，１２に供給することによって、約９００℃の温度に２５分間保持し、両被接合材１１，１２を接合した。
【００３４】
接合後の被接合材１１，１２について、上記実施例１と同様の方法で接合界面を調査した結果、接合面の全体が良好に接合されていることが確認された。
【００３５】
（実施例４）
被接合材１１，１２として、ＪＩＳ  Ｇ  ３１０１にオーステナイト系ステンレス鋼として規定されるＳＵＳ３０４材を２０φ×３７ｍｍの円柱形に切り出し、その接合面（２０ｍｍφ＝３．１４ｃｍ２）の表面粗さＲａが約２μｍとなるように切削加工した。
これら被接合材１１，１２を突き合わせると共に、これらを厚さ２０ｍｍのＣ／Ｃコンポジットから成る抵抗体７，８で挟んだ状態で、図１に示した接合装置１の上下電極４，５の間にセットした。
【００３６】
次いで、１０Ｐａの真空下において、油圧シリンダ３により接合面積当たり１３０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で被接合材１１，１２を加圧しながら、最大電圧２．５Ｖを両電極４，５に印加し、最大電流１５００Ａ（接合面の単位当り４７８Ａ／ｃｍ２）の交流電流を被接合材１１，１２に供給することによって、約１０００℃の温度に５分間保持し、両被接合材１１，１２を接合した。
【００３７】
そして、接合後の被接合材１１，１２について、上記実施例１と同様の方法で接合界面を調査した結果、接合面の全体が良好に接合されていることが確認された。
【００３８】
（比較例）
上記実施例１と同様に、ＳＳ４００材から成る１００×１００×２０ｍｍのサイズの被接合材１１及び１２を用いて、抵抗体７，８によって挟持することなく、図１に示した接合装置１の上下電極４，５の間に直接セットし、同様の条件の交流電流を供給したところ、接合温度まで加熱することができず、良好な接合ができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例に用いた通電拡散接合装置の構造を示す概略説明図である。
【図２】実施例１によって得られた接合界面の状態を示す顕微鏡組織写真である。
【符号の説明】
【００４０】
１  通電拡散接合装置
３  油圧シリンダ（加圧手段）
４  下方電極（電極）
５  上方電極（電極）
６  電源
７  抵抗体
８  抵抗体
１１  被接合材
１１ａ  接合面
１２  被接合材
１２ａ  接合面
【図１】
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【図２】
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