(57)【要約】      （修正有）【課題】融点が２０００℃を超える金属又は合金極細線を開放大気中で溶接する技術とその接合体を提供する。【解決手段】高融点金属又は合金の素線径が１０−１００μｍの範囲とし、素線先端の突合せ角を２０°以下であることを特徴とし、大気開放下でのＣＯ２、Ｎ２Ｏの不活性ガスまたはＨ2還元ガスを混合したガス雰囲気で高電圧マイクロ放電の出力を調整することにより溶接を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の高融点極細金属又は合金線の溶接方法であって、径が１０〜１００μｍの範囲の素線を使用し、前記素線先端の突合せ角を２０°以下にすることを特徴とする高融点の極細金属及び合金線の溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高融点の極細金属及び合金線の溶接方法であって、高電圧マイクロ放電を接合の熱源とすることを特徴とする高融点の極細金属及び合金線の溶接方法。
【請求項３】
請求項１に記載の高融点の極細金属及び合金線の溶接方法であって、高電圧マイクロ放電領域を大気開放下でＣＯ２、Ｎ２Ｏまたは前記ガスとＨ２還元ガスを混合したガス雰囲気に保持することを特徴とする高融点の極細金属及び合金線の溶接方法。
【請求項４】
請求項１に記載の高融点の極細金属及び合金線の溶接方法であって、高電圧マイクロ放電の印加方法が、印加時間と休止時間の制御により放電出力を調整することを特徴とする高融点の極細金属及び合金線の溶接方法。
【請求項５】
請求項１の高融点極細金属及び合金線の溶接方法により製造される高融点金属・合金細線接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高融点の金属及び合金極細線の溶接方法に関する。更に詳しくは、大気中で高電圧マイクロ放電を発生させ、局所的に急速に加熱・融解し、急速に冷却・凝固を行わせることで高融点の金属及び合金極細線の溶接を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
タングステン（以後Ｗと表記する）とレニウム（以後Ｒｅと表記する）は融点がそれぞれ３４０７℃、３１８０℃の代表的な高融点金属である。高融点である特徴を利用して、成分比率の異なる２種類のＷ‐Ｒｅ合金線の接合体、例えば３％Ｒｅ‐Ｗ合金線と２５％Ｒｅ‐Ｗ合金線の接合体や５％Ｒｅ‐Ｗ合金線と２６％Ｒｅ‐Ｗ合金線の接合体は、超高温用熱電対に利用されている。
【０００３】
これらの高融点金属は高温で酸化されやすいために、その接合は密閉容器中で、不活性ガス雰囲気または真空下でのレーザー溶接（例えば、特許文献１）、高融点金属と低融点金属の抵抗溶接（例えば、特許文献２）、溶接トーチを利用した一般的な溶融接合（例えば、特許文献３）で作られている。極細熱電対に限定した場合、市販されている最も細いＲｅ‐Ｗ系熱電対の線径（米国、ＯＭＥＧＡ社）は７５μｍであり、それより細いものは接合困難なために市販されていない。
【０００４】
本願発明者らは、密閉容器を使わず不活性ガスシールド下でパルス状の高電圧マイクロ放電を行う熱電対の溶接方法を開発した (特許文献４)。この方法では、２本の素線先端を突き合わせて交差させるのではなく、素線先端から２００μｍ以上下側となる位置で重ねて交差させた状態（Ｘ文字をなす形態）で溶接している。そのため、溶接して形成された熱電対の先端部である測温接点から素線が１００μｍ以上突き出し、さらに、測温接点の径が、素線径の数倍となり、微小部分の測温あるいは、応答速度の点で問題を残している。
【０００５】
更に、本願発明者らは、更なる微小部分の測温と応答速度を高めるため、前記の熱電対溶接法を改善し、素線同士に交差角(突合せ角)をつけ、素線先端を突き合わせることにより、溶接部から余分な素線が突き出さず、溶接部の径と、素線径がほぼ同じとなる溶接方法を発明した（特許文献５）。しかしながら、この方法では、突合せ角を２６°以下にすることはできず、この角度を更に小さくすることが望まれている。また、上記の２つの先行技術（特許文献４、５）では、Ｋ熱電対（＋脚：クロメル合金、−脚：アルメル合金）に対応したものであり、素線の融点も２０００℃を超える材質については、対応できていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９‐１２３４５４号  公報
【特許文献２】特開平０５‐０８５８５号  公報
【特許文献３】特開平１１‐１３８２６１号  公報
【特許文献４】特開２００９‐２５２９４号  公報
【特許文献５】特開２０１１‐２２８６号  公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これまでの、熱電対等の接合技術において未開発技術であった、２０００℃を超える高融点の金属又は合金極細線の接合部の形態の最適化を行うことが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、２０００℃を超える高融点の金属又は合金極細線の接合部の形態の最適化のため、線径の選択、素線の固定・配置方法、接合時の雰囲気、溶接の電源と出力条件から、適切な高融点の金属又は合金素線接合体を得る方法である。
【０００９】
本発明の第１は、径が１０−１００μｍの範囲の素線を使用し、前記素線先端の突合せ角を２０°以下にすることを特徴とする高融点の極細金属及び合金線の溶接方法を提供する。
【００１０】
本発明の第２は、高電圧マイクロ放電を溶接の熱源とすることを特徴とする高融点の極細金属及び合金線の溶接方法を提供する。
【００１１】
本発明の第３は、高電圧マイクロ放電領域を大気開放下でＣＯ２、Ｎ２Ｏまたは前記ガスとＨ２還元ガスを混合したガス雰囲気に保持することを特徴とする高融点の極細金属及び合金線の溶接方法を提供する。
【００１２】
本発明の第４は、高電圧マイクロ放電の印加方法が、印加時間と休止時間の制御により放電出力を調整することを特徴とする高融点の極細金属及び合金線の溶接方法を提供する。
【００１３】
本発明の第５は、高融点極細金属及び合金線の溶接方法により製造される高融点金属・合金細線接合体を提供する。
【００１４】
素線径が細くなると視認性が悪くなり、本発明の基板上に素線を固定する作業を含め、素線のセッティングから完成した接合体の取り出しまでの様々な作業を、作業空間が大きくとれる実体顕微鏡下で行うのが望ましい。しかし、実体顕微鏡は数μｍの分解能しかない。素線の径が１０μｍ以下になると、実体顕微鏡での視認性が低下して作業性が悪くなるだけでなく、素線の引張強度が弱くなり、接合作業中においても、完成後の接合体使用においても簡単に切れてしまうので取り扱いが困難になる。したがって、実用的には素線径は１０μｍが下限と考える。また、１００μｍ以上では従来法による接合法が可能である。
【００１５】
本発明による接合体の主要な応用として熱電対が想定される。細い熱電対は強度が弱いので、例えば細管内に入れてシース熱電対として使うことが考えられるが、この場合、突合せ角が小さいと管径を小さくできる。またマイクロ流路を流れる流体の温度測定は、流路の壁面に小さな穴を開けて熱電対の測温接点を挿入することになるが、この際にも突合せ角が小さい方が穴径を小さくできる。このように突合せ角は、２０°よりも大きくとも構わないが、微小部分の測温の点では小さい方がより好ましい。
【００１６】
放電領域の雰囲気ガスは、高融点金属が一般に酸化されやすいことを考えると、不活性ガス・還元ガス雰囲気にしなければならず、ＣＯ２、Ｎ２Ｏの他、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ、ＮＨ４、ＣＯなどが候補になる。しかし、開放大気中の溶接において上方から吹き付けてシールドするので、空気より重い比重、高いガス密度であることが重要である。また、雰囲気ガスの絶縁破壊電圧が高いほどプラズマ化が容易でありかつ良好な熱プラズマを得るのに有利である。これらを考慮すると雰囲気ガスとしてＣＯ２、Ｎ２Ｏがもっとも好ましい。
【００１７】
また、実施例では必要なかったが、対象金属を変えた場合や、シールドガス流量を変えるなど条件が変わった場合には、ＴＩＧやプラズマアーク溶接で用いられるように、上記ガスにＨ２などの還元ガスを混合するのが酸化を防ぐために有効と推定される。
【００１８】
放電出力の調整には、電流制御、電圧制御によることも可能であるが、これらの方法ではプラズマ状態が変化する。印加時間と休止時間の制御(パルス出力制御)では、同じプラズマ状態となるので、入熱量の制御が容易でこの方法が好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本願発明により、雰囲気を調整した密閉容器中でのみ可能であった、ＷやＲｅなどの２０００℃以上の融点を持つ金属や合金の細線の溶接が、開放大気中で可能となり、溶接時間、溶接コストが大幅に削減できる。更に、熱電対の作製に利用する場合には、測温接点となる溶接部の径を小さくできるので、微小温度測定及び速い応答速度を必要とする超高温用熱電対を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】素線の固定法。
【図２】接合装置の簡単な模式図。
【図３】放電／休止の繰り返しによる素線先端の変化。
【図４】溶接中に観察される放電炎の典型的な変化を示す写真。
【図５】高速度カメラで撮影された溶融接合の瞬間。
【図６】接合体の実体顕微鏡観察。
【図７】試作した接合体の熱起電力測定結果。
【図８】タングステン極細線の接合例（３０μｍ）。
【図９】クロメル−アルメル合金極細線の接合例（２５μｍ）。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２１】
比重（空気＝１．００）が１．５３のＣＯ２ガスを接合部近傍に噴射するだけの開放大気中で、線径５０μｍの３％Ｒｅ‐Ｗ合金線と ２６％Ｒｅ‐Ｗ合金線を溶接した。以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
【００２２】
<実施例１>
図1は金属極細線（以後素線と表記する）を基板へ固定するための模式図を示す。図１の右側に示す先行技術（特許文献５）では、素線の先端が基板の角２‐５ｍｍ突き出るようにして、基板面の部分を磁石で固定するが、本発明では基板の端面に接着した内径８０μｍのポリイミドチューブに素線を挿入して、先端がチューブの端から２‐５ｍｍ突き出るようにし、素線の反対側の端は磁石を用いて基板に固定する。
【００２３】
図２は接合時の２本の素線（１）の配置と金属針（６）の位置関係を明示した接合装置の模式図である。２本の素線先端の突合せ角が２０°以下で上向きになるようにして、素線を固定した基板（２）を取り付けて、アースに接続する。素線先端は図1中に破線で示した基板の1つの辺の延長上にあり、これが交わったところで素線同士が接触している。一方、図1の右側に示した先行技術の場合、素線先端は破線より基板反対側にある。このため、先行技術では、基板の位置関係の制限から素線の突合せ角を２６°以下にできなかった。
【００２４】
図２に示すように、素線の接触点が金属針直下約５０μｍの位置にくるように、図では省略している基板を固定している台に付属するＸ，Ｙ，Ｚ軸ステージを用いて調節する。高電圧電源は正パルス出力で定格１０ｋＶ、１０ｍＡで、この定格値以下であれば電圧・電流値は自由に設定できる。印加した電圧と電流は８ｋＶ、９ｍＡ、放電周波数は１ＨｚでＤｕｔｙ比を６０％とした。すなわち、電圧の印加時間は０．６ｓ、休止時間は０．４ｓで、２本の素線が溶融接合するまで放電を繰り返す。上記の条件で金属針に高電圧を印加して、金属針と素線の突き合わせ部の間で大気圧プラズマを発生させる。放電開始５秒前から放電終了５秒後まで、シールドガスとしてＣＯ２を流速０．３３ｍ／ｓの条件で金属針直上から噴射した。
【００２５】
素線の溶接は０．６ｓの放電と０．４ｓの休止を繰り返し行った。図３は休止期間における素線先端を示していて、放電／休止を繰り返すと素線先端の１００μｍ程度が細くなっていくことがわかる。ある程度細くなると溶融して接合される。図４は溶接された時に観察される典型的な放電炎の様子を示す。金属針の先端と素線の突き合わせ部に青白い放電炎が発生し、ある時点で全体が白熱して素線が溶接される。本実施例では素線の白熱から溶接に要する時間は約０．３ｓであった。
【００２６】
放電時には、Ｒｅ‐Ｗ合金が溶融しているので、その融点以上に加熱されていることがわかる。更に溶融後に素線が短くなり、金属針には白色の結晶状析出物が見られることから、素線は溶融するだけでなく、金属蒸気となりイオン化してプローブに引きよせられていると推定される。図５は高速度カメラにより撮影した、素線が白熱して溶融接合される瞬間の画像である。白熱した素線(下部の破線)から金属針先端（上部の実線）に向かい揺らめくように立ち上るイオン化した金属蒸気が認められる。
【００２７】
金属針先端から素線の突き合わせ部までは約５０μｍと短くその間に正パルス高電圧を印加し放電によりプラズマが発生するが、ガス密度が大きいシールドガスに保護されて、プラズマが拡散しにくくなっている。その結果として、高い熱エネルギーを保ったままのプラズマを得ている。プラズマからの熱放射により、プラズマの中心部に比べて外縁部では低温になるので、プラズマ内部で温度分布が生じる。温度が低下すると電気伝導度が低下するので、電流はプラズマの中心部に多く流れて中心部に集中的に熱が発生するという現象（熱的ピンチ効果）が起こり、効果的に素線先端部が加熱される。更に溶接完了後に放電を止めると、加熱された領域は極めて微小であることから、熱の放散効果が大きい。したがってシールドガスを流しているだけで急速冷却が起き、高温に保持された時間は極短時間にとどまり、溶融接合部の酸化が抑えられた。
【００２８】
図６は接合部の外観を示す実体顕微鏡写真であり、接合部に光沢面があることから、酸化被膜がほとんど形成されていないと推定される。実際に接合部をＥＤＸ装置(エネルギー分散型Ｘ線分光装置)による簡易的な組成分析を行うと、ＷとＲｅのみで酸素はほとんど検出されなかった。ＷもＲｅも酸化されやすい金属であるのにほとんど酸化されなかった理由として、Ｗ又はＲｅの金属蒸気が発生しており、それが素線よりも先に酸化して雰囲気中のＯ２が完全に除去されて素線の酸化を防いだと考えられる。
【００２９】
<実施例２>
３％Ｒｅ‐Ｗ合金線と２６％Ｒｅ‐Ｗ合金線の接合体は、超高温用熱電対として用いられているＲｅ‐Ｗ系熱電対と極めて近い組成を持つ。そこで実施例１で作製した接合体の熱起電力測定を行った。Ｗは大気中で加熱した場合、６００℃程度で容易に酸化してしまう。そこで、酸化が起きない２００℃以下で熱起電力を測定した。
【００３０】
接合部を恒温槽（ＳＩＢＡＴＡ, ＳＴＯ‐３００）内に入れて、室温−２００℃での起電力測定を行った結果を図７に示した。ＡＳＴＭ規格（ＡＳＴＭ Ｅ９８８−９６（２００２））にある３％Ｒｅ‐Ｗ素線と２５％Ｒｅ−Ｗ素線の熱電対に対する標準起電力値は、例えば２００℃で２．６０３ｍＶとなっていて、ここで得られた起電力は２．３４９ｍＶで約１０％高いだけであった。このことから、あらかじめ基準となる標準化された熱電対を用いて、本接合体も熱起電力を測定しておくと、超高温用熱電対として使えると思われる。
【００３１】
<実施例３>
線径が３０μｍのタングステン線２本を実施例１と同じ方法で基板に取り付けて、同様な方法で接合をおこなった。線径が細くなるので、印加電圧と電流を５０μｍの時には１０ｋＶ、９ｍＡであったのを、３ｋＶ、３ｍＡとすると、図８に示すように先端部が溶融・一体化して接合された。
【００３２】
＜参考例１＞
３０μｍよりさらに細い、高融点金属線は一般的な市販品ではない。そこで参考例として市販されている素線径２５μｍのクロメル−アルメル合金線を同様な方法で溶接した結果を図９に示した。クロメル−アルメル合金線のように融点温度差が大きい材料であっても、図９に示した参考例のように溶融接合が可能であることを示している。したがって、接合条件を適切に選ぶことにより、現在のところ市販されていない５０μｍ径以下のＲｅ‐Ｗ合金線を含む各種高融点金属細線を、本発明の溶接法で接合することが可能であると類推される。例えばＲｅ‐Ｗ系熱電対の細線化が可能となれば、微小領域を対象とした分析装置の温度管理、シース熱電対の小型化による測定感度の向上、放射温度計の代替装置になる。
【００３３】
なお、前記実施例では、Ｒｅ‐Ｗ合金線およびＷ線について説明したが、ＷとＲｅは融点が１番目と２番目に高い金属である点を考慮すると、これ以外の融点が２０００℃以上の高融点金属（Ｏｓ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｈｆ）及びこれらの合金極細線でも適用が可能である。また、接合条件としては、上記電圧、電流、周波数の値に限定するものではなく、金属種、素線径により適宜選択するのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３４】
１  素線
２  基板
３  はんだ
４  磁石
５  ポリイミドチューブ
６  金属針
７  電源
８  ガスの流れ
９  接地電位
【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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【図９】
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