(57)【要約】【課題】衝撃試験、疲労試験等において、母材と同等の特性を有するものと認められるほどの強固な接合が得られる、パルス通電による固体接合装置を提供することを目的とする。【解決手段】パルス通電により固体からなる複数の部材Ａ、Ｂを接合するための装置であって、突合せられた接合部材Ａ、Ｂに接してこれにパルス電流を流す通電電極２と、前記通電電極２にパルス電流を供給する電源装置３と、突合せられた接合部材Ａ、Ｂを前記通電電極２を介して押圧する押圧手段４と、を備えており、かつ、前記通電電極２として、上下方向で対向する一対の電極２Ａ、２Ｂを備えると共に、上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄを備えたことを特徴とするパルス通電による固体接合装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス通電により固体からなる複数の部材を接合するための装置であって、突合せられた接合部材に接してこれにパルス電流を流す通電電極と、前記通電電極にパルス電流を供給する電源装置と、突合せられた接合部材を前記通電電極を介して押圧する押圧手段と、を備えており、かつ、前記通電電極として、上下方向で対向する一対の電極を備えると共に、上下方向以外で対向する一対の電極を備えたことを特徴とする、パルス通電による固体接合装置。
【請求項２】
請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、少なくとも接合部材と通電電極とが真空チャンバー内に収容されている、パルス通電による固体接合装置。
【請求項３】
請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、上下方向以外で対向する一対の通電電極が移動可能とされている、パルス通電による固体接合装置。
【請求項４】
請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、上下方向で対向する一対の通電電極のうち、少なくとも上方向に備えられた通電電極が、その下面中央部を切り欠いた形状を有する、パルス通電による固体接合装置。
【請求項５】
請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、上下方向で対向する一対の通電電極のうち、上方向に備えられた通電電極が、ユニバーサルジョイントを介して押圧手段と接続されている、パルス通電による固体接合装置。
【請求項６】
請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、接合部材の周囲を覆う、少なくとも２層構造の反射板及び断熱材を備えた、或いは少なくとも３層構造の反射板１２を備えた、パルス通電による固体接合装置。
【請求項７】
請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、接合部材の接合面近傍に外部加熱手段を備えたパルス通電による固体接合装置。
【請求項８】
請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、上下方向で対向する一対の電極と上下方向以外で対向する一対の電極が、パルス通電時の波形が重ならないようにパルス位相をずらして交互に通電することのできる、パルス通電による固体接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス通電による固体接合装置に関し、詳しくは衝撃試験、疲労試験等において、母材と同等の特性を有するものと認められるほどの強固な接合を得ることのできる、パルス通電による固体接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、溶接や蝋付けなどの接合法に代わり、パルス通電により部材の接合を行う方法が開発されている。
例えば、接合しようとする低放射化フェライト鋼の接合面を、バフ研磨等により、表面粗さを０．２μｍ以下程度に仕上げ、放電プラズマ焼結装置を用い、真空下、加圧力：２００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ２、接合温度７６０〜１０００℃、接合保持時間：２０〜７０ｍｉｎ、の条件で接合を行い、放電プラズマ焼結接合の後、接合材を７４０〜８５０℃で２０〜６０ｍｉｎ程度の焼き戻し処理を施すことによる、低放射化フェライト鋼の放電プラズマ焼結低温接合方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
この方法によれば、低放射化フェライト鋼接合近傍の金属組織を粗粒化させることなく、母材の持つ機械的強度等の保持が可能であるとされている。
【０００３】
しかし、この方法においては、放電プラズマ焼結接合の後の焼き戻し温度は、歪み取りを目的とした母材の変態点近くの低い温度の「焼き戻し」低温領域であり、成分組織の安定化に寄与はするものの、変態点近くでは接合界面において強固な接合のための相互拡散は充分には行われず、短時間で強固な接合結果は得られない。
【０００４】
この方法では、母材の持つ機械的強度等の保持が可能であるとしているが、該公報には単なる静的引張試験結果が示されているに過ぎず、このような単なる静的引張試験結果のみでは母材と同等の特性と認定することは不可能である。最新の強化接着剤接合法や、接合面が粗面の場合の放電プラズマ焼結のみによる接合法でも、静的引張試験においてはほぼ母材と同等の特性が得られるからである。従って、接合強度試験においては、衝撃試験、疲労試験等が満足されて初めて母材の特性と同等であると言える。そこで、本発明者は、この方法について衝撃引張試験（落錘試験）を行ってみたところ、母材と同等であるものとは到底認められるものではなかった。さらに、接合界面に微小の隙間が認められた。
【０００５】
また、放電プラズマ焼結法は、粉体の焼結のための手法であるため、部材の接合のように固体接合に使用する場合には、接合部材に密着させ、周囲を囲むカーボン型を使用することにより、電流が接合部材とカーボン型の双方に流れるため、電流密度が低下し、接合促進を阻害するばかりでなく、接合部材の形状に大きな制約があるという実用面で最も大きな問題点がある。
さらに、接合部材の温度測定は、接合部材ではなく、接合部材を取り巻くカーボン型を間接的に測定しているため、接合温度数値は実際の接合部材温度と大きく異なり、使用できない。
【０００６】
そこで、接合対象の部材の接合面を相互に突き合わせ、この状態で接合面に所定の押圧力を加えながら当該接合面にパルス電流を流して、接合面を熱処理することにより、強固に接合された接合面を形成する方法、並びに、そのための接合装置として、通電電極と、電源装置と、加圧装置とを備え、互いに接合すべき対の部材をグラファイト製の型を用いずに通電電極の間に挟んで所望の圧力下で電源装置から電流を流して接合する通電接合装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
この方法と装置によれば、固体同士を強固に接合可能であるが、接合後における接合界面には組織の不連続性が残っているなどの改善すべき点があり、依然として、より強固、かつ確実に固体同士を接合しうる新たな接合方法と装置が要望されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１７９４５９号公報
【特許文献２】
特開２００２−５９２７０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これら従来の問題点を解決して、衝撃試験、疲労試験等において、母材と同等の特性を有するものと認められるほどの強固な接合を得ることのできる、パルス通電による固体接合装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に係る本発明は、パルス通電により固体からなる複数の部材を接合するための装置であって、突合せられた接合部材に接してこれにパルス電流を流す通電電極と、前記通電電極にパルス電流を供給する電源装置と、突合せられた接合部材を前記通電電極を介して押圧する押圧手段と、を備えており、かつ、前記通電電極として、上下方向で対向する一対の電極を備えると共に、上下方向以外で対向する一対の電極を備えたことを特徴とする、パルス通電による固体接合装置を提供するものである。
請求項２に係る本発明は、請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、少なくとも接合部材と通電電極とが真空チャンバー内に収容されている、パルス通電による固体接合装置を提供するものである。
請求項３に係る本発明は、請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、上下方向以外で対向する一対の通電電極が移動可能とされている、パルス通電による固体接合装置を提供するものである。
請求項４に係る本発明は、請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、上下方向で対向する一対の通電電極のうち、少なくとも上方向に備えられた通電電極が、その下面中央部を切り欠いた形状を有する、パルス通電による固体接合装置を提供するものである。
請求項５に係る本発明は、請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、上下方向で対向する一対の通電電極のうち、上方向に備えられた通電電極が、ユニバーサルジョイントを介して押圧手段と接続されている、パルス通電による固体接合装置を提供するものである。
請求項６に係る本発明は、請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、接合部材の周囲を覆う、少なくとも２層構造の反射板及び断熱材を備えた、或いは少なくとも３層構造の反射板１２を備えた、パルス通電による固体接合装置を提供するものである。
請求項７に係る本発明は、請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、接合部材の接合面近傍に外部加熱手段を備えたパルス通電による固体接合装置を提供するものである。
請求項８に係る本発明は、請求項１記載のパルス通電による固体接合装置において、上下方向で対向する一対の電極と上下方向以外で対向する一対の電極が、パルス通電時の波形が重ならないようにパルス位相をずらして交互に通電することのできる、パルス通電による固体接合装置を提供するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明のパルス通電による固体接合装置の一態様を示す説明図である。
本発明のパルス通電による固体接合装置１は、パルス通電により固体からなる複数の部材Ａ、Ｂを接合するための装置であって、突合せられた接合部材Ａ、Ｂに接してこれにパルス電流を流す通電電極２と、前記通電電極２にパルス電流を供給する電源装置３と、突合せられた接合部材Ａ、Ｂを前記通電電極２を介して押圧する押圧手段４と、を備えており、かつ、前記通電電極２として、上下方向で対向する一対の電極２Ａ、２Ｂを備えると共に、上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄを備えている。これらは、いずれも導電性材料で構成されている。
【００１２】
図１において、符号５は断熱材である。また、符号６は、加圧力（押圧力）検出用のロードセル（圧力検出器）である。
このロードセル（圧力検出器）６により加圧力を測定し、得られた情報を圧力制御装置７に送り、押圧手段４による圧力が調整制御される。押圧手段４は細かい制御が可能なように空気圧により作動する空気圧シリンダーで構成されているが、これに限定されるものではない。なお、本発明においては、本発明の目的を損なわない限り、図示或いは記載した態様に限定されるものではない。
このようにロードセル（圧力検出器）６と圧力制御装置７とを併用することで、接合部分の変形が防止される。
また、圧力制御装置７において、接合部材Ａ、Ｂの降伏点応力カーブに合う応力以下の数値範囲に圧力をコントロールするよう予め設定されている。この結果、接合部材Ａ、Ｂに過大な圧力がかかるのを防止することができる。
なお、押圧手段は、接合面に対する加圧力を１〜７００ＭＰａ程度までの範囲で変えられるようになっている。
【００１３】
本発明のパルス通電による固体接合装置１は、請求項２に記載したように、少なくとも接合部材Ａ、Ｂと通電電極２とが真空チャンバー８内に収容されている。この真空チャンバー８は、一般的な最高接合温度に充分耐えるように、１７００℃程度まで使用可能なものとされている。また、その正面には、真空チャンバー８内を見られるように覗き窓が設けられている。
真空チャンバー８内は、ロータリーポンプとメカニカルブースターポンプを組み合わせた真空排気装置（図示しない）などにより真空状態としうるように構成されているが、必要に応じて窒素ガスなどの不活性ガスを用いることも可能なものとしてもよい。勿論、大気に開放したものとすることも可能とされている。この真空チャンバー８には、水冷装置が組み込まれており、接合処理後に接合部材Ａ、Ｂを所定の温度まで冷却することができるようにされているが、水冷装置と共に、或いはその代わりに不活性ガス噴射装置を設け、この不活性ガス噴射装置から接合部材Ａ、Ｂに向けて不活性ガスを噴射し冷却するようにしてもよい。本例では、中空筒型の真空チャンバー８を用い、その中空内に冷却水を供給するように構成したものを用いたが、これに限定されるものではない。
また、真空チャンバー８と押圧手段４との間には機密性が保たれている。
【００１４】
通電電極２には、冷却装置（冷却水流路）が組み込まれており、必要以上に温度が上昇するのを防いでいる。通電電極２の形状は、接合部材Ａ、Ｂの形状に合わせたものとすることができ、円柱状乃至円盤状でも、通電可能なローラー状でも良いし、彫り込んだものであっても良いし、さらには接合部材Ａ、Ｂと接触する面が水平面でないものでも良い。接合部材Ａ、Ｂを挟む通電電極２は、カーボン材でも、モリブデン材でも良い。
【００１５】
本発明のパルス通電による固体接合装置１では、通電電極２として、上下方向で対向する一対の電極２Ａ、２Ｂを備えると共に、上下方向以外で、例えば左右方向や斜め方向で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄを備えている。但し、上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄを常時電極として使用する必要はなく、必要に応じて全く使用しなかったり、或いは接合部材Ａ、Ｂを上下方向以外で押圧する押圧のための手段として利用することもできる。
なお、上下方向で対向する一対の電極２Ａ、２Ｂは、それぞれ冷却温度が別々に制御できるようにされている。これと同様に、上下方向以外で、例えば左右方向や斜め方向で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄも、それぞれ冷却温度が別々に制御できるようにされている。これにより、接合部材Ａ、Ｂが非対称部材である場合に生じる温度差に応じた冷却を施すことができる。
また、上下方向で対向する一対の電極２Ａ、２Ｂのうち、下方向に備えられた通電電極２Ｂは、接合部材Ａ、Ｂを載せる載置台としての役割を果たしていることから、図１では下側の枠体に固定されたものを示したが、これに限定されず、上下動可能なものとしてもよい。
図１では、接合部材Ａ、Ｂを左右方向で押圧する押圧手段４と左右方向で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄとを備えたものを示している。この場合には、本発明のパルス通電による固体接合装置１は、突合せられた接合部材Ａ、Ｂを前記通電電極２を介して押圧する押圧手段４が必須であることから、左右方向で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄと共に、接合部材Ａ、Ｂを左右方向で押圧する押圧手段４を備えていることになる。
【００１６】
なお、上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄは、請求項３に記載したように、移動可能とすることができる。その位置を上下させることによって移動可能としてもよいが、斜め方向に移動させるように構成することもできる。このように斜め方向に、上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄを配置した場合には、斜めの接合面を有する複数の部材を接合することが可能となる。
上記のように、上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄを斜め方向で対向するものとしたり、或いは移動可能なものとした場合には、真空チャンバー８の左右に挿入口を設け、この挿入口より接合部材Ａ、Ｂを真空チャンバー内外を左右に移動可能なものとすることができる。この場合、接合部材Ａ、Ｂを移動させながら、間欠的に連続した接合を行うことができる。
【００１７】
また、接合部材の質量、材質により異なるが、パルス電流としては、直流パルス電流でも交流パルス電流のどちらでも可能であることから、電源装置３としては、これらを発生させるものを用いることができる。
電源装置３は、周波数が数百Ｈｚ〜２０ｋＨｚ、電流が１００〜１０００００Ａ、好ましくは３００〜８００００Ａの範囲、電圧が１００Ｖ以下から１ｖ程度のパルス電流を供給できるようになっている。
また、本発明のパルス通電による固体接合装置１では、パルスのＯＮ時間：ＯＦＦ時間の比であるデューティー比（ＯＮ／ＯＮ＋ＯＦＦ）が様々な値のパルス電流を発生できるものとされている。
さらに、タイマーにより、接合時間を設定できるようにされている。
【００１８】
本発明のパルス通電による固体接合装置１では、通電電極２として、上下方向で対向する一対の電極２Ａ、２Ｂを備えると共に、上下方向以外で、例えば左右方向や斜め方向で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄを備えており、これらを同時に使用してもよいが、前記したように、上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄは常時電極として使用する必要はなく、スイッチによる切換え式のものとしてもよい。さらに、間欠式にすることも可能である。このとき、後記請求項８に係る発明の説明中に記載したように、上下方向で対向する一対の電極２Ａ、２Ｂと上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄが、パルス通電時の波形が重ならないようにパルス位相をずらして交互に通電することができるようにしておくことにより、パルス通電時の波形が重ならないようにパルス位相をずらして交互に通電させることもできる。
【００１９】
なお、図２は、上方向に備えられた通電電極２Ａの変形例を示したものである。
即ち、請求項４に記載されており、図２に示すように、上下方向で対向する一対の通電電極２Ａ、２Ｂのうち、少なくとも上方向に備えられた通電電極２Ａを、その下面中央部を切り欠いた形状を有するものとすることができる。この場合には、切り欠いてある中央部付近にはパルス電流が流れないため、これに接している接合部材Ａ、Ｂの中央部付近にもパルス電流が流れにくくなり、この結果、周辺部へのパルス電流が相対的に増すことになる。このため、細かくみると、接合材料によっては、中央部が若干盛り上がった、いわゆる凸状を有しているものがあるが、このような場合であっても、接合部分を正常な平滑な状態とすることができる。
【００２０】
次に、請求項５に記載されており、図３に示すように、上下方向で対向する一対の通電電極２Ａ、２Ｂのうち、上方向に備えられた通電電極２Ａを、ユニバーサルジョイント９を介して押圧手段４と接続したものとすることができる。
なお、図３中、符号１０は押さえナットであり、符号１１はカーボン製部材である。この変形例においては、押圧手段４の先端は図３に示すように、球状とされており、滑りを良くするために、浸硫処理などの表面処理を施されている。この場合、上方向に備えられた通電電極２Ａは、このような押圧手段４の先端のユニバーサルジョイント９の形状に対応したものとされている。
このようなユニバーサルジョイント方式を採用することにより、均等な圧力で接合部材Ａ、Ｂを押圧することが可能となる。
【００２１】
さらに、請求項６に記載されているように、本発明のパルス通電による固体接合装置１では、接合部材Ａ、Ｂの周囲を覆う、少なくとも２層構造の反射板１２及び断熱材５を備えたもの、或いは少なくとも３層構造の反射板１２を備えたもの、とすることができる。このように少なくとも２層構造の反射板１２及び断熱材５を備えたものとすることにより、或いは少なくとも３層構造の反射板１２を備えたものとすることにより、接合部材Ａ、Ｂからの輻射熱の７０〜８０％程度を回収することができる。図４では５層構造の反射板１２を示した。この反射板はステンレス（ＳＵＳ３０４）からなるものであるが、これに限定されるものではない。反射板１２の大きさにもよるが、各層の間隔は０．５〜２．０ｃｍ程度とすればよい。
少なくとも２層構造の反射板１２及び断熱材５、或いは少なくとも３層構造、好ましくは５層構造程度の反射板１２を備えておくことにより、処理温度を有効に保持することができる。これは、真空中では対流が起こらないことから有効である。なお、空気中では、対流が起こることから、次に述べるような外部加熱手段１３や断熱材５が有効である。
【００２２】
また、請求項７に記載されており、図１に示すように、本発明のパルス通電による固体接合装置１では、上記した反射板１２を備えない場合には、接合部材Ａ、Ｂの接合面近傍に外部加熱手段１３を備えておくとよい。
このような外部加熱手段１３としては、マイクロ波誘導加熱、ミリ波誘導加熱、サブミリ波誘導加熱などの誘導加熱方式によるものが最も好ましく、この他に抵抗加熱、高周波加熱等が挙げられ、これらの１種を単独で、或いは２種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、外部加熱手段１３は、電源装置３から通電電極２へのラインから分岐した別ラインにより加熱される。ラインは切換え式で行われるが、切換え式とせずとも、接合部材Ａ、Ｂに通電電極２を接触させないようにしておけば、外部加熱手段１３のみに電流が流れる。
【００２３】
また、請求項８に記載されているように、本発明のパルス通電による固体接合装置１では、上下方向で対向する一対の電極２Ａ、２Ｂと上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄが、パルス通電時の波形が重ならないようにパルス位相をずらして交互に通電することができるようにされている。
【００２４】
本発明のパルス通電による固体接合装置１は、上記した点を特徴とするものである。本発明のパルス通電による固体接合装置１は、このような特徴点を除けば公知の放電プラズマ焼結装置などで用いられているような各種計測装置（電流計、電圧計、真空計、温度計測装置、位置計測装置など）、各種制御装置（電源制御装置、圧力制御装置、自動温度制御装置、冷却水制御装置など）、表示装置（操作表示器、電流・電圧・空気圧表示装置、温度表示装置など）が組み合わせられるようになっており、さらに各種安全装置、警報装置が設けられるようになっている。
【００２５】
以上の如き本発明のパルス通電による固体接合装置１を用いて複数の部材を接合するには、接合部材Ａ、Ｂの接合面を互いに突き合わせ、次に、このようにして互いに突き合わせられた接合面を密着させるように押圧手段４により加圧し、この加圧した状態で、接合部材Ａ、Ｂに通電電極２をあて、接合部材Ａ、Ｂのみに通電させればよい。
【００２６】
接合部材Ａ、Ｂは、通常、図１に示すように上下に配置され、上下方向で対向する一対の通電電極２Ａ、２Ｂによりパルス通電される。
このとき、上下方向以外で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄを、例えば左右方向で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄとした場合には、左右方向で押圧する押圧手段４と相俟って、接合部材Ａ、Ｂを左右側面から支持するようになるが、上下方向以外で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄには通電しなくともよい。
【００２７】
また、接合部材Ａ、Ｂを図５に示すように、水平方向に設置した場合、上記したような左右方向で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄとすることにより、この左右方向で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄを主に用いて接合を行うことができる。この場合、上下方向で対向する一対の通電電極２Ａ、２Ｂは、接合部材Ａ、Ｂの支持に用いられることになる。
【００２８】
さらに、接合部材Ａ、Ｂを水平方向に設置した場合、上記したような左右方向で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄを用いなくとも、図６に示すような絶縁体１４、１５とカーボン型１６、１７を用いることにより、上下方向で対向する一対の通電電極２Ａ、２Ｂにより接合を行うことができる。図７は図６の中央部左断面図であり、図８は図６の中央部右断面図である。なお、図６、７、８では、絶縁体１４、１５とカーボン型１６、１７とは、略円筒形の接合材料Ａ、Ｂの形状に合わせたものを示したが、勿論これに限定されるものではない。
【００２９】
パルス電流は、カーボン型１６、１７と接合材料Ａ、Ｂは通過するが絶縁体１４、１５を通過しないことから、パルス電流は上方向に備えられた通電電極２Ａより、矢印で示したように接合面を横切る形で下方向に備えられた通電電極２Ｂに流れる。この結果、上記したような左右方向で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄを用いなくとも水平方向に設置された接合部材Ａ、Ｂを充分に接合することができる。
このことは、上下方向以外で対向する一対の通電電極２Ｃ、２Ｄを必ずしも左右方向に設置する必要がないことを示している。
従って、前記のように、上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄを斜め方向で対向するものとしたり、或いは移動可能なものとすることが可能となり、この場合には、接合部材Ａ、Ｂを真空チャンバー内外を左右に移動可能なものとすることができる。この場合、連続的に接合を行うことができることになる。
【００３０】
ここで接合すべき部材は２本に限られず、３本以上の部材を同時に接合することもできる。棒状の部材の場合には、直列に複数本突き合わせた状態で加圧すれば、同時に複数の接合面を接合することができる。また、このように直列に接合した部材を複数組平行に配列して、これらを同時に加圧・通電すれば、より多数の接合を同時に行うことができる。
【００３１】
接合すべき部材としては、例えば、高速度工具鋼（ハイス鋼）、ダイス鋼（ＳＫＤ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの鉄鋼材料；銅、アルミニウム、亜鉛、非鉄合金などの非鉄金属；ニッケル基耐熱合金、形状記憶合金、耐熱合金、防振合金、防音合金、シールド材などの特殊合金；放電プラズマ焼結体、ホットプレス焼結体などの焼結金属；高温になると導電性を呈するセラミックなどの部材；半導体；単結晶材料などが挙げられる。
【００３２】
本発明のパルス通電による固体接合装置によれば、上記した如き各種接合部材について、２種以上複数の部材を同時に接合することができ、同種部材同士で、或いは異種部材同士を組み合わせて接合することができる。
具体的には、鉄鋼材料同士の接合、鉄鋼材料と非鉄金属や特殊合金との接合、非鉄金属同士（アルミニウム同士、銅同士など）の接合、特殊合金同士の接合等を行うことができる。
また、本発明のパルス通電による固体接合装置は、形状記憶合金、磁性材、非磁性材などの組み合わせのように異なった特性を有する部材同士の接合にも用いることができる。
さらに、本発明のパルス通電による固体接合装置は、接合面の両面又は片面に任意な形状の加工溝を施し、接合によって、直線、曲線を含む流体の通路、細穴、スリット、溜まり場等を形成することができる。
【００３３】
本発明のパルス通電による固体接合装置によれば、熱交換流路内蔵各種金型・液体気体材料の曲線通路内蔵マニホールド、タービンブレード、エンジンバルブ、ピストンヘッド、燃料電池冷却板、燃料噴射ノズル、繊維材料噴射ノズル、半導体発熱部冷却板、油圧部をはじめ、微小細穴スリットを有した極細パンチ型、光ファイバーコネクター及びターミナル部、ロケットエンジン燃焼部等冷却パイプ接合、磁性材非磁性材接合によるセンサー電磁弁等を製造することができる。
【００３４】
接合すべき部材の形状は特に制限はなく、例えばバルク状（固体）でも良いし、１ｍｍ以下程度の薄膜状でも良いし、パイプ状、波板状などであっても良い。本発明のパルス通電による固体接合装置は、これら各種形状の部材について、同一形状のもの同士、或いは異なる形状のもの同士の相互の接合に利用することができる。
なお、接合面は、平坦であっても良いし、両接合面間に隙間が形成されないようにすれば曲面であっても良い。
例えば、接合面が斜めの場合、前記したように、上下方向以外で対向する一対の電極２Ｃ、２Ｄを斜め方向で対向するものとしたり、或いは移動可能なものとしておくことにより、有効に接合することができる。
さらに接合面を、第１の部材の接合面と第２の部材の接合面が相互に密着するように、相補的な接合面形状に加工しておくこともできる。例えば、一方の接合部材の接合面が凸曲面の場合には、これと密着するような凹曲面を他方の接合部材の接合面形状として採用することもできる。
【００３５】
接合面は粗面でも良いが、接合面の平滑度が高いほど良好な結果が得られる。従って、接合面の両面又は片面には、研磨、バフ仕上げ等公知の方法により平滑化処理を施しておくことが好ましい。
【００３６】
さらに強固に接合するために、接合すべき部材の接合面の両面又は片面に、予め薄膜を形成させておくこともできる。薄膜の厚さは、一般的には０．１〜５μｍの範囲内である。薄膜の形成方法としては、スパッタ蒸着法、プラズマ溶射法、メッキ法など特に制限されないが、膜厚制御が容易であり、均一な薄膜を形成することのできるスパッタ蒸着法によることが最も望ましい。
【００３７】
薄膜としては、少なくとも接合過程において接合部材の母材組織内に拡散して消滅する成分であることが必要であり、その成分の少なくとも一部が、当該薄膜が形成される接合面の材質と同一のものであることが望ましい。とりわけ接合面と同一の材質の薄膜を形成させておくことが好ましい。このような薄膜は、接合過程において接合部材の母材組織内に拡散して消滅し、強固で確実に接合された接合面が形成される。なお、薄膜は、還元性のある成分を含むものであっても良い。
【００３８】
なお、上記薄膜の形成の代わりに、接合面の両面又は片面に、スパッタ、洗浄液等による清浄化を施し、接合界面の異物、酸化膜、不動態被膜等を除去して接合を行っても良い。
また、細穴、スリット、溜まり場等を内蔵させる接合部材の接合面や加工溝などに浸硫窒化、窒化処理、コーティング等の表面処理又は表面改質を行った後、接合し、接合部材の硬度、防錆効果を上げても良い。接合の後からの窒化処理では、極細穴、スリットの内部まで硬度を上げることができない。
【００３９】
本発明のパルス通電による固体接合装置１を用いて複数の部材を接合するには、上記のようにして接合面の両面又は片面を処理しておいた後、該接合面を互いに突き合わせる。
次に、このようにして互いに突き合わせられた接合部材Ａ、Ｂの接合面を密着させるように押圧手段４により加圧し、この加圧した状態で、接合部材Ａ、Ｂに通電電極２をあて、接合部材Ａ、Ｂのみに通電させればよい。
【００４０】
接合面に対する加圧力は、ロードセル（圧力検出器）６、圧力制御装置７を用いることで、部材の持つ固有の硬度、耐圧力等により様々にコントロールされるが、一般には１〜７００ＭＰａの範囲内、好ましくは１０〜２００ＭＰａの範囲内とすれば良い。加圧方向は１軸方向のみでなく、直交する方向や斜め方向など、多軸方向から加えることもできる。
【００４１】
この加圧した状態で、接合すべき部材の任意な方向に一対の電極をあて、接合すべき部材のみに通電させる。
電極方向と接合界面加圧方向とは、異なっていても良いし、同じであっても良い。
【００４２】
本発明のパルス通電による固体接合装置１では、放電プラズマ焼結法で一般に用いられている、接合部材Ａ、Ｂを取り囲むカーボン型を使用していないことから、接合部材Ａ、Ｂのみに通電されることになる。
電極間に接合部材以外の接合部材を取り囲む通電可能なカーボン型を使用しないことによって、通電可能なカーボン型を使用することによる電流密度の低下を防ぎ、また、接合部材側帯部の直接温度制御を可能にして効率の良い接合をし、併せて、これまでカーボン型の中で円盤又は円柱状のみしかできなかった接合部材の形状的制約を排除し、任意な形状の接合が可能となり、飛躍的に接合範囲を拡大した。
【００４３】
本発明のパルス通電による固体接合装置１では、特に大型の部材を接合するときには、加熱手段１３を用いて、突き合わせられた接合面近傍を外部から強制的に加熱しながら通電させることが好ましい。これにより大型の部材を短時間に効率良く接合することができる。また、セラミック等の接合は、外部加熱をして一定の温度に達すると導電し、接合が可能である。但し、質量、熱容量の小さな接合材の場合には、外部からの強制加熱は行わなくとも良い。
外部から強制的に加熱する際の加熱時間は、接合部材の熱容量により異なるが、一般的には６０分以下とすれば良い。
【００４４】
本発明においては、上記したように接合部材を取り囲むカーボン型を使用せず、接合すべき部材のみに通電させることにより、電流密度を上げ、接合界面間に様々なデューティー比（ＯＮ／ＯＮ＋ＯＦＦ）のパルス大電流を流すことによって、通電衝撃による液相での接合界面の原子間微小溶融をさせる。
前記したように、本発明のパルス通電による固体接合装置１では、パルスのＯＮ時間：ＯＦＦ時間の比であるデューティー比（ＯＮ／ＯＮ＋ＯＦＦ）が様々な値のパルス電流を発生できるものとされている。
【００４５】
例えば、デューティー比（ＯＮ／ＯＮ＋ＯＦＦ）が３３．３〜３．２％（パルスのＯＮ時間：ＯＦＦ時間の比＝１：２〜１：３０）、好ましくは３３．３〜６．３％（パルスのＯＮ時間：ＯＦＦ時間の比＝１：２〜１：１５）、より好ましくは１６．７〜７．７％（パルスのＯＮ時間：ＯＦＦ時間の比＝１：５〜１：１２）のパルス大電流を流した場合、短時間に通電衝撃による接合界面の液相での原子間微小溶融をさせることができる。このようなデューティー比のパルス電流はこれまでプラズマ焼結接合において用いられていないものと認められる。
なお、上記のようなデューティー比とした場合には、これを補うために、電流の波高値（ピーク値）を上げることが望ましい。従って、本発明のパルス通電による固体接合装置１では、電流の波高値（ピーク値）を上げられるようになっている。
【００４６】
このようなパルス大電流を流し、必要に応じて外部から強制的に加熱しながら通電させると、温度が速やかに上昇し、接合すべき部材の固溶化温度以上、或いは溶融点の４０％以上（好ましくは溶融点の６０％以上、９０％未満であり、より好ましくは溶融点の６５％以上、９０％未満）からなる固溶化温度帯域まで達する。接合部材の質量、熱容量により異なるが、この固溶化温度帯域に達したときの温度（ピーク温度）、例えば鉄鋼材料などでは８７０℃、特に１０００℃を超えた温度を、０．５〜６０分間程度保持することにより、パルス大電流の通電衝撃による接合界面の液相での原子間微小溶融をさせ、第一段階での接合を行う。
本発明のパルス通電による固体接合装置１によれば、このような液相状態での原子間微小溶融を行うことが初めて可能となった。なお、この際には真空雰囲気としておくことが望ましいが、接合すべき部材によっては大気中でも可能である。或いは窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス下において行っても良い。
【００４７】
一方、接合部材によっては、デューティー比（ＯＮ／ＯＮ＋ＯＦＦ）を８６〜９９．９％というパルスのＯＮ時間の比率が高いものとして、全体を緩やかに昇温させて、なるべく部材全体を均一に昇温させる方が良い部材もある。いずれの方法でも、接合界面近くでは微小溶融が行われており、部材の持つ固有の拡散の容易な部材とそうでないものとの差であると考えられる。
従って、特に接合する部材の降伏点応力の比較的高い部材のように、拡散の容易でない部材の場合、拡散し易い領域である微小溶融の層の厚さを拡大するため、デューティー比（ＯＮ／ＯＮ＋ＯＦＦ）を下げ（パルスのＯＮ時間の比率を低いものとし）、その代わりに電流の波高値（ピーク値）を上げることが望ましい。
本発明のパルス通電による固体接合装置１は、デューティー比がどちらであっても対応できるようになっている。
【００４８】
なお、パルス通電接合中に、接合材料Ａ、Ｂが昇温し、降伏点応力が減衰するのに伴い、加圧力（押圧力）検出用のロードセル（圧力検出器）６、圧力制御装置７、押圧手段４などを作動させて、加圧力を徐々に下げることが望ましい。これにより、接合力の低下を防ぎ、加圧力の調節を行わない場合と比べて、接合力をより増大させることができる。
即ち、接合材料が軟化すると、加圧力が分散し、横への変形が起こる。横に膨らむ変形が起こると言うことは、圧力が横方向に分散し、接合方向にかからず、加圧力の応答性が悪くなり、良い結果が得られないことになる。従って、接合材料が昇温し、降伏点応力が減衰するのに伴い、加圧力を徐々に下げることが望ましい。この加圧力の調節は、降伏点応力がより低い部材について、その降伏点応力の４０〜９０％の範囲で行うことが望ましい。
この加圧力の調節は、次に述べる相互拡散接合処理時においても行うことが望ましい。
【００４９】
本発明のパルス通電による固体接合装置１においては、このようにして通電衝撃による接合界面の液相での原子間微小溶融をさせた後に、引き続いて接合すべき部材の固溶化温度以上、或いは溶融点の４０％以上からなる固溶化温度帯域にて、１乃至複数回にわたる相互拡散接合処理を行う。このような相互拡散接合処理を行うことにより、完全にかつ短時間で接合することができる。特に接合部材の材質によっては、１回の相互拡散接合処理では完全に接合しない場合も考えられることから、１回だけでなく、それ以上の複数回にわたる相互拡散接合処理を行うことが好ましい。
これまでは焼結後にいわゆる焼き戻し処理などを行うことにより、固相状態で接合することは行われてきたが、これと本発明の装置で行う相互拡散接合処理とは全く異なる。本発明の装置で行われるようなパルス通電における相互拡散接合処理はこれまで他に見られない。
【００５０】
このような相互拡散接合処理は、鉄鋼材料においては固溶化温度以上の固溶化温度帯域で行うことができ、それ以外の材料については溶融点の４０％以上、好ましくは溶融点の６０％以上、９０％未満であり、より好ましくは溶融点の６５％以上、９０％未満からなる固溶化温度帯域で行うことができる。接合すべき材料により異なるが、一般的には、８７０℃より高い温度帯域で、好ましくは１０００℃を超えた温度であり、また前記原子間微小溶融時の温度と同程度、或いはこれより若干高い温度である。
【００５１】
なお、この固溶化温度帯域でいう温度とは、あくまで接合面近傍表面、つまり接合面側帯表面を、例えば赤外線パイロスコープ、放射温度計、熱電対等を用いて測ったときの温度を指している。接合界面の温度は、実際には測定できないのが現状である。接合界面は、実際には極めて微小範囲であり、極めて短時間に溶融点以上の温度を繰り返し、微小局部においては材料成分の高温高圧蒸気状態を繰り返して塑性流動を促していると推測される。
固溶化温度帯域でいう温度は、異材質の場合には、いずれか低い方の固溶化温度或いは溶融点を基準としている。
【００５２】
この相互拡散接合処理を行う際には、パルス電流は流さない。また、加圧は特に必要ないが、前工程からの加圧をそのまま引き続いて行っても良い。相互拡散接合処理を行う際には、固溶化温度帯域に達したときの温度（ピーク温度）を３０〜１２０分間程度、好ましくは４５〜９０分間程度保持することが望ましい。これにより極めて強固かつ短時間に接合することができる。
【００５３】
本発明のパルス通電による固体接合装置１を用いて接合を行う場合、上記したように通電衝撃による接合界面の液相での原子間微小溶融をさせた後に、引き続いて接合すべき部材の固溶化温度以上、或いは溶融点の４０％以上からなる固溶化温度帯域にて相互拡散接合処理すること、つまり一旦液相状態として原子間微小溶融をさせた後に、相互拡散接合処理すること、が必要である。
このような液相状態とした後の相互拡散接合処理は、あくまでパルス通電における液相状態とした後の相互拡散接合処理を指しており、従来公知の液相拡散接合とは異なっている。従来公知の液相拡散接合は、接合面間に低融点部材をインサートして行う場合に生ずる現象を指しており、明らかにここでいう液相状態とした後の相互拡散接合処理とは異なっているが、そのような液相状態での拡散がパルス通電においても生ずることが分かった。なお、この「液相状態とした後の相互拡散接合処理」は、溶融させて液相状態とした後に相互拡散させる点で、溶融させてはおらず固相状態で拡散させる「固相拡散」とは明確に異なる。
【００５４】
このようにして本発明のパルス通電による固体接合装置１によれば、極めて強固に接合することができる。なお、接合完成後、所望の公知各種熱処理を施すこともできる。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１に係る本発明によれば、衝撃試験、疲労試験等において、母材と同等の特性を有するものと認められるほどの強固な接合が得られる、パルス通電による固体接合装置が提供される。
【００５６】
このように請求項１に係る本発明の装置によれば、衝撃試験、疲労試験等において、母材と同等の特性を有するものと認められるほどの強固な接合が得られることから、各種部材の接合に広く利用することができる。特に、接合面の両面又は片面に任意な形状の加工溝を施しておきさえすれば、本発明の装置による接合によって、直線、曲線を含む流体の通路、細穴、スリット、溜まり場等の複雑な形状を有する機械部品を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルス通電による固体接合装置の一態様を示す説明図である。
【図２】上方向に備えられた通電電極２Ａの形状の一態様を示す説明図である。
【図３】上方向に備えられた通電電極２Ａの変形例を示したものであって、上方向に備えられた通電電極２Ａをユニバーサルジョイント９を介して押圧手段４と接続した状態を示す説明図である。
【図４】接合部材Ａ、Ｂの周囲を覆う反射板１２の一態様（５層構造のもの）を示す説明図である。
【図５】接合部材Ａ、Ｂを水平方向に設置したときの接合の様子を示す説明図である。
【図６】上下方向で対向する一対の通電電極２Ａ、２Ｂにより、絶縁体１４、１５とカーボン型１６、１７を用いて水平方向に設置された接合部材Ａ、Ｂを接合する様子を示す説明図である。
【図７】図６の中央部左断面図である。
【図８】図６の中央部右断面図である。
【符号の説明】
１  固体接合装置
２  通電電極
２Ａ、２Ｂ  上下方向で対向する一対の電極
２Ｃ、２Ｄ  上下方向以外で対向する一対の電極
３  電源装置
４  押圧手段
５  断熱材
６  ロードセル（圧力検出器）
７  圧力制御装置
８  真空チャンバー
９  ユニバーサルジョイント
１０  押さえナット
１１  カーボン製部材
１２  反射板
１３  外部加熱手段
１４、１５  絶縁体
１６、１７  カーボン型
Ａ、Ｂ  接合部材
【図１】
2004351495.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004351495.tif 000006
【図５】
2004351495.tif 000007
【図６】
2004351495.tif 000008
【図７】
2004351495.tif 000009
【図８】
2004351495.tif 000010