(57)【要約】【課題】金属部材同士の接合部、特にその接合部の表面近傍の酸化物の残留を抑制し、高剛性かつ軽量な金属部材の接合体を製造することができる金属部材の接合方法を提供する。【解決手段】第１の鋼材１１と第２の鋼材１２とＮｉ基インサート材１３を準備する第１の工程と、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２の接合面の間にＮｉ基インサート材１３を介在させる第２の工程と、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２の接合面同士を押圧しながら、Ｎｉ基インサート材１３を加熱する第３の工程からなり、第３の工程において、接合面の押圧方向に延びる回転軸Ｌ１を中心として、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２を同期して回転させ、接合部に存在する酸化物１４を、接合部の回転軸Ｌ１方向および外側方向の少なくともいずれか一方へ泳動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相拡散接合による金属部材の接合方法であって、
第１の融点を備えた第１の金属部材と、第２の融点を備えた第２の金属部材と、前記第１および第２の融点よりも相対的に低い第３の融点を備えたインサート材を準備する第１の工程と、
前記第１の金属部材の接合面と前記第２の金属部材の接合面との間に前記インサート材を介在させる第２の工程と、
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材の接合面同士を押圧しながら、前記第３の融点よりも相対的に高く、前記第１および第２の融点よりも相対的に低い温度で少なくとも前記インサート材を加熱する第３の工程からなり、
前記第３の工程において、接合面の押圧方向に延びる回転軸を中心として、前記第１および第２の金属部材を同期して回転させることで、該第１および第２の金属部材の接合部に存在する酸化物を、該接合部の回転軸方向および外側方向の少なくともいずれか一方へ泳動させる金属部材の接合方法。
【請求項２】
前記第３の工程において、前記インサート材が溶融した後、前記第１の金属部材と前記第２の金属部材を回転させる請求項１に記載の金属部材の接合方法。
【請求項３】
前記第３の工程が酸化雰囲気下で実施される請求項１または２に記載の金属部材の接合方法。
【請求項４】
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材が同一の金属材料からなり、よって、前記第１の融点と前記第２の融点が同一である請求項１から３のいずれかに記載の金属部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材の接合方法に関し、特に、液相拡散接合を用いた金属部材の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、たとえばドライブシャフトやプロペラシャフト等は原動機からの動力伝達の為に必須の部品であり、非常に大きな応力に耐え得る母材強度と接合強度が要求されることから、自動車部品の中でも特に丈夫な材質や構造で製造される部品の一種である。
【０００３】
ところで、近年、自動車産業においては、燃費向上の要求や排ガス規制の強化から、自動車部品の一層の小型化、軽量化、高性能化を目指した開発が自動車メーカー各社、自動車関連メーカー各社で日々進められている。
【０００４】
たとえばプロペラシャフトにおいては、炭素繊維強化プラスチックを採用する等、材質面からのアプローチによる母材強度の向上と軽量化の両立が図られている。その一方で、構造面からのアプローチによる軽量化も進められており、その一例としては、たとえばプロペラシャフトのような筒状部材の薄肉化、ドライブシャフトやクランクシャフトのような中実部材の中空化等が挙げられる。
【０００５】
しかしながら、たとえば中実部材を中空化したり薄肉化したりすると、部材同士の接合面積が減少し、接合強度を十分に確保できなくなり、その接合部の強度が低下してしまう可能性がある。そこで、小さい接合面積であっても接合強度を確保できる接合方法の開発が望まれている。
【０００６】
このような材料同士の接合方法として液相拡散接合を挙げることができる。この液相拡散接合は固相接合法の一種と考えられており、接合しようとする材料の間に、箔、粉末、メッキ等の形態であって被接合部材よりも融点が低い共晶組成の合金を介在させて、その材料を加圧しながら、合金（以下、「インサート材」という）の融点温度以上に接合部を加熱する接合方法である。この液相拡散接合によれば、合金を溶解させて等温凝固させることで、ビードや圧接カールの発生を抑止しながら材料同士を接合できると共に、比較的低い加圧力で接合できることから、接合による残留応力や変形を極力避けることができ、たとえば溶接の困難な高合金鋼や耐熱鋼の接合にも適用できる。さらに、等温凝固に必要な元素の相互拡散が極めて早いことから、接合時間の短縮を図ることもできる。
【０００７】
このような液相拡散接合に関する従来の公開技術が、以下の特許文献１〜４に開示されている。
【０００８】
特許文献１には、インサート材組成の観点から、クロムやゲルマニウム等を所定量含有するニッケル（Ｎｉ）基インサート材を使用して真空中で液相拡散接合を行う金属部材の接合方法が開示されている。
【０００９】
また、特許文献２には、バナジウム（Ｖ）を含有するインサート材を使用することで、接合時の溶融したインサート材の内部に低融点の複合酸化物（Ｖ２Ｏ５）を形成し、接合時の押圧によってその複合酸化物を液体酸化物として接合部の外部に排出する被接合部材の接合方法が開示されている。また、特許文献２には、この複合酸化物（Ｖ２Ｏ５）を効率的にインサート材の外部に泳動排出するために、一度開先を保持するのに十分な、接合応力よりも相対的に低い応力を被接合部材に負荷し、溶融したインサート材が開先面の凹凸を化学反応で十分に平滑化した後に、必要な接合応力を被接合部材に負荷することが開示されている。
【００１０】
また、特許文献３には、アモルファス合金のインサート材を使用し、そのインサート材が溶融した段階で、一方の被接合部材を固定した姿勢で他方の被接合部材を回転させ、接合部に残留する不純物やボイド（空孔）を外部に押し出すことで、接合部に残留するボイド（空孔）や不純物の欠陥を抑制する被接合部材の接合方法が開示されている。
【００１１】
さらに、特許文献４には、インサート材を溶融させると共に金属部材間に相対すべりを発生させ、金属部材の接合面に形成された酸化皮膜を破壊して金属部材表面を露呈させることで、不純物の無い高品質な接合面を形成して接合強度の向上を図る金属部材の接合方法が開示されている。
【００１２】
ところで、２つの被接合部材が接合された接合体に曲げモーメントが作用すると、接合部内側と比較して接合部外側の応力が相対的に大きくなることが知られている。すなわち、図５で示すように、金属部材Ａと金属部材Ｂが接合部Ｃで接合され、その接合体Ｄに図示する曲げモーメントＭが作用した場合には、接合体Ｄの表面近傍で大きな引張応力と圧縮応力が発生する一方で、その接合体Ｄの軸線Ｌ近傍では僅かな応力しか発生しない。また、たとえば図５で示す接合体Ｄに対して軸線Ｌを捩れ中心とした捩れが作用する場合には、接合体Ｄの表面近傍に発生する剪断応力が、接合体Ｄの軸線付近の剪断応力に比して相対的に大きくなることも知られている。
【００１３】
このように、一般に被接合部材同士の接合部においては表面近傍に発生する応力が大きくなり、当該部位で破損や亀裂が発生する可能性が高いことから、主として曲げや捩りが作用する接合体においては、特に接合部の表面近傍における不純物を排除して高品質な接合部を形成する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特公平０３−１３９５３号公報
【特許文献２】特開平１１−２８５８６０号公報
【特許文献３】特開平０４−３１９０８０号公報
【特許文献４】特開２００９−２２６４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１に開示されている接合方法においては、インサート材の組成によって接合部の酸化物の形成を抑制して、比較的高い接合強度を備えた接合体を得ることができるものの、酸化物の形成を完全に抑制することはできない。そのため、酸化物が接合部に略均一に分布することとなり、曲げ耐性や捩り剛性に優れた接合体を製造することができない。さらに、特許文献１に開示の接合方法においては、真空中で被接合部材が接合されることが前提となっていることから、仮に酸化雰囲気下で接合した場合には、より多くの酸化物が接合部に形成され、接合強度の高い接合体を簡便に製造することができないという問題もある。
【００１６】
また、特許文献２に開示されている接合方法においては、酸化物自体を低融点化することで、酸化物を液体酸化物として溶融したインサート材内部を泳動させ、接合部の外部に排出することが可能となり、酸化雰囲気下であっても接合部における酸化物の残留を抑制することができる。しかしながら、特に大きな径を備えた被接合部材を接合する場合には、接合時の押圧力のみで確実に複合酸化物（Ｖ２Ｏ５）を接合部の外部に排出することは困難である。また、バナジウム（Ｖ）を含有したインサート材は、他のインサート材と比較して融点が高いことから、インサート材を溶融するための加熱温度を高める必要があり、製造コストの高騰に繋がるという問題もある。
【００１７】
また、特許文献３に開示されている接合方法において、例えば大きな径を備えた被接合部材を高周波加熱を用いて接合する場合、径方向に温度分布が生じて接合部の中心付近よりも表面側で先に等温凝固が完了するため、一方の被接合部材の回転のみでは接合部内部に残留する不純物をその外部へ確実に排出することができない。また、接合部の表面側の等温凝固が完了した後に、一方の被接合部材を他方の被接合部材に対して相対的に回転し続けて不純物を排出しようとすると、その等温凝固後の表面付近の接合層を破壊し、逆に接合強度が低下してしまう。
【００１８】
さらに、特許文献４に開示されている接合方法においては、接合される金属部材に対するインサート材の拡散が可能となるものの、接合部には依然として金属部材表面から剥ぎ取られた酸化物が残留しており、接合強度を高めることができないという問題がある。
【００１９】
本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、金属部材同士の接合部における酸化物の残留を抑制し、高剛性かつ軽量な金属部材の接合体を製造することのできる金属部材の接合方法を提供することを目的としている。また、接合部の表面近傍に残留し得る酸化物を効果的に排除して、優れた曲げ剛性や捩れ剛性を備えた金属部材の接合体を製造することのできる金属部材の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】
【００２０】
前記目的を達成すべく、本発明に係る金属部材の接合方法の一実施の形態は、液相拡散接合による金属部材の接合方法であって、第１の融点を備えた第１の金属部材と、第２の融点を備えた第２の金属部材と、前記第１および第２の融点よりも相対的に低い第３の融点を備えたインサート材を準備する第１の工程と、前記第１の金属部材の接合面と前記第２の金属部材の接合面との間に前記インサート材を介在させる第２の工程と、前記第１の金属部材と前記第２の金属部材の接合面同士を押圧しながら、前記第３の融点よりも相対的に高く、前記第１および第２の融点よりも相対的に低い温度で少なくとも前記インサート材を加熱する第３の工程からなり、前記第３の工程において、接合面の押圧方向に延びる回転軸を中心として、前記第１および第２の金属部材を同期して回転させることで、該第１および第２の金属部材の接合部に存在する酸化物を、該接合部の回転軸方向および外側方向の少なくともいずれか一方へ泳動させるものである。
【００２１】
ここで、上記する第３の工程において、加熱により溶融したインサート材の内部（接合部）に形成される酸化物としては、主としてインサート材を組成する元素と外部環境の酸素が結合した酸化物や、接合前の双方の金属部材表面に形成された酸化膜から溶融したインサート材に溶け出した酸化物等が挙げられる。
【００２２】
上記する形態によれば、第３の工程において、インサート材が加熱され、そのインサート材が溶融すると、その溶融したインサート材は接合面同士の押圧力によって接合部の外部へ排出される。それと同時に、溶融したインサート材内部に形成された酸化物も接合部の外部へ排出されることとなる。さらに、第１の金属部材と第２の金属部材が同期して回転されることで、溶融したインサート材やその内部の酸化物に遠心力が作用し、金属部材の接合に不要なインサート材と共にその内部の酸化物も接合部の外側へ排出される。すなわち、接着面同士の押圧力と遠心力の相乗効果によって、接合部に存在する酸化物を効果的に接合部の外部へ排出することができる。
【００２３】
また、一般に、溶融したインサート材内部の酸化物は、溶融したインサート材の溶融合金よりも相対的に比重が小さいことが知られている。したがって、酸化物が接合部に残留する場合には、比重の大きな溶融合金が回転中心から外側方向へ泳動され、それに対して比重の小さい酸化物がその回転中心方向へ泳動される。すなわち、接合部に存在する酸化物が回転中心近傍に凝集し、接合部の表面近傍においては不純物である酸化物が排除される。さらに、第１の金属部材と第２の金属部材を同期して回転することで、回転中に接合部の等温凝固が開始したとしても、凝固した接合部を破壊することなく、第１の金属部材と第２の金属部材を接合することができる。なお、既述する押圧力や遠心力によって酸化物が接合部の外部に排出される前に接合部表面が等温凝固した場合には、溶融したインサート材内部に存在する酸化物を、その回転中心方向へ集中的に凝集させることもできる。
【００２４】
このように、接合時に金属部材同士を同期して回転させることで、接合部への酸化物の残留を抑制して高品質な接合部を形成することができ、接合部の接合強度を高めることができる。特に、接合部の表面近傍の酸化物を効果的に排除できることから、優れた曲げ剛性と捩り剛性を備えた接合体を製造することができる。
【００２５】
なお、第３の工程における第１の金属と第２の金属の回転軸は、接合面の押圧方向に延びる軸であればよく、たとえば、金属部材の軸心や、製造される接合体の曲げ中心等の第１の金属部材や第２の金属部材の軸心から偏心した位置にある軸等を挙げることができる。
【００２６】
また、本発明における接合面の加熱方法としては、たとえば高周波誘導加熱や通電加熱、電熱ヒーターによる加熱方法等を挙げることができ、特に、高周波誘導加熱による加熱方法によれば、短時間に被接合面を局部的に加熱することができる。また、加熱部位としては、インサート材と共に双方の金属部材の接合面を加熱する形態、双方の金属部材全体を加熱する形態、さらにインサート材と双方の金属部材を高温環境下に配置してその全体を加熱する形態等を適用できる。
【００２７】
また、本発明に係る金属部材の接合方法の好ましい実施の形態は、前記第３の工程において、前記インサート材が溶融した後、前記第１の金属部材と前記第２の金属部材を回転させるものである。
【００２８】
上記する形態によれば、たとえば高周波誘導加熱や通電加熱、電熱ヒーターによる加熱等によって予めインサート材を溶融した後、第１の金属部材と第２の金属部材を同期して回転させることができ、接合方法を簡素化して製造コストを抑制することできる。
【００２９】
また、本発明に係る金属部材の接合方法の好ましい実施の形態は、前記第３の工程が酸化雰囲気下で実施されるものである。
【００３０】
既述するように、液相拡散接合においては、金属部材の接合強度の低下の要因となる酸化物の形成と接合部におけるその酸化物の残留を抑制するために、たとえば真空中や不活性ガス雰囲気下、還元ガス雰囲気下で金属部材の接合が行われることが一般的である。
【００３１】
しかしながら、上記する形態によれば、第３の工程において、第１の金属部材と第２の金属部材を同期して回転させ、その接合部、特にその接合部の表面近傍の酸化物の残留を抑制できることから、酸化雰囲気下であっても接合強度の高い接合体を製造することができる。したがって、接合時の環境を真空や不活性ガス雰囲気等にするための追加の工程が不要となり、接合方法を一層簡素化することができ、生産性を向上して製造コストをさらに抑制することができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上の説明から理解できるように、本発明の金属部材の接合方法によれば、金属部材同士の接合部における酸化物の残留を抑制して、接合部の接合強度を高めることができ、高剛性かつ軽量な金属部材の接合体を提供することができ、以って車両全体の軽量化を実現することができる。また、接合部の表面近傍に残留し得る酸化物を効果的に排除することができ、優れた曲げ剛性や捩れ剛性を備えた金属部材の接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る金属部材の接合方法の実施の形態１を説明した図であって、（ａ）は、２つの鋼材とＮｉ基インサート材を準備する第１の工程を示した図であり、（ｂ）は、第１の工程に続いて、２つの鋼材の間にＮｉ基インサート材を介在させる第２の工程を示した図であり、（ｃ）は、第２の工程に続いて、２つの鋼材の接合面を押圧しながら、Ｎｉ基インサート材を加熱する第３の工程を示した図である。
【図２】２つの鋼材の接合方法（実施の形態１）の第３の工程を説明した図であって、（ａ）は、２つの鋼材の回転初期における酸化物の分布を示した縦断面図であり、（ｂ）は、接合部の凝固前における酸化物の分布を示した縦断面図である。
【図３】本発明に係る金属部材の接合方法の実施の形態２を説明した図であって、２つの鋼材の接合面を押圧しながら、Ｎｉ基インサート材を加熱する第３の工程を示した図である。
【図４】２つの鋼材の接合方法（実施の形態２）の第３の工程を説明した図であって、（ａ）は、２つの鋼材の回転初期における酸化物の分布を示した縦断面図であり、（ｂ）は、接合部の凝固前における酸化物の分布を示した縦断面図である。
【図５】２つの中実の金属部材からなる接合体に曲げモーメントが作用した際の、接合部の応力分布を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明に係る金属部材の接合方法について説明する。なお、以下に述べる実施の形態１，２においては、被接合部材である金属部材として、鉄（Ｆｅ）を主成分とする鋼材を使用した。また、金属部材を接合するためのインサート材として、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とし、低融点化のためのケイ素（Ｓｉ）等を含有したニッケル（Ｎｉ）基インサート材を使用した。なお、被接合部材である金属部材は、異なる材料からなる部材を用いてもよいし、同一の金属材料からなる部材を用いてもよい。また、以下の実施の形態１，２においては、酸化雰囲気下で接合する形態について説明するが、接合部における酸化物の形成をより効果的に抑制するために、真空中、不活性ガス雰囲気下、還元ガス雰囲気下で接合することもできる。
【００３５】
［実施の形態１］
まず、図１を参照して、本発明に係る金属部材の接合方法の実施の形態１について説明する。この実施の形態１においては、鋼材として円柱状の中実軸部材からなる鋼材を使用した。
【００３６】
図１は、金属部材の接合方法の実施の形態１を説明した図であって、図１ａは、２つの鋼材とＮｉ基インサート材を準備する第１の工程を示した図、図１ｂは、第１の工程に続いて、２つの鋼材の間にＮｉ基インサート材を介在させる第２の工程を示した図、図１ｃは、第２の工程に続いて、２つの鋼材の接合面同士を押圧しながら、Ｎｉ基インサート材を加熱する第３の工程を示した図である。なお、図１ｃについては、２つの鋼材の接合部の内部を視認できるようにその一部を切り欠いて示している。
【００３７】
まず、図１ａで示す第１の工程では、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２と、Ｎｉ基インサート材１３を準備する。ここで、液相拡散接合を行うために、Ｎｉ基インサート材１３の融点は、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２の融点よりも相対的に低い。また、第１の鋼材１１の接合面１１ａと第２の鋼材１２の接合面１２ａは、相補的形状を呈する接合面であればよい。たとえば、第１の鋼材１１の接合面１１ａが凸状の円錐形を呈し、第２の鋼材１２の接合面１２ａがそれに対応する凹状の窪みを備えている形態や、第１の鋼材１１の接合面１１ａが凸曲面を呈し、第２の鋼材１２の接合面１２ａがそれに対応する凹曲面を呈している形態等であってもよい。
【００３８】
ここで、図示する接合装置５００には、第１の鋼材１１を保持するための固定保持部５１と第２の鋼材１２を保持するための可動保持部５２が設けられている。そして、可動保持部５２が油圧シリンダ５５によって固定保持部５１に接近したり、固定保持部５１から離間したりできるようになっていることで、保持された鋼材１１，１２同士に所定の荷重を負荷できるようになっている。また、固定保持部５１には、固定保持部５１の腕部５３と第１の鋼材１１との間に配置される第１の電極５７が設けられ、可動保持部５２には、可動保持部５２の腕部５４と第２の鋼材１２との間に配置される第２の電極５８が設けられている。さらに、第１の電極５７と第２の電極５８は、導線５９を介して電源５６に接続されており、第１の電極５７に配置された第１の鋼材１１と第２の電極５８に配置された第２の鋼材１２がＮｉ基インサート材１３を介して接触すると、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２とＮｉ基インサート材１３に通電され、それらが加熱されるようになっている。なお、このような通電加熱に代えて、高周波誘導加熱や電熱ヒーターによる加熱を使用することができ、あるいは雰囲気温度をインサート材の融点以上としてインサート材と鋼材を加熱してもよい。
【００３９】
次いで、図１ｂで示す第２の工程では、既述するように、油圧シリンダ５５を用いて可動保持部５２を固定保持部５１に近接させ、第１の鋼材１１の接合面１１ａと第２の鋼材１２の接合面１２ａが対向するように、第１の鋼材１１の接合面１１ａと第２の鋼材１２の接合面１２ａの間にＮｉ基インサート材１３を当接させて介在させる。
【００４０】
図１ｃで示す第３の工程では、第１の鋼材１１の接合面１１ａとＮｉ基インサート材１３、第２の鋼材１２の接合面１２ａとＮｉ基インサート材１３の接触後においても、油圧シリンダ５５を用いて第１の鋼材１１と第２の鋼材１２の接合面に押圧力を負荷し続けながら、電源５６を用いて導線５９を介して通電し、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２とＮｉ基インサート材１３を加熱する。その際、第１の電極５１の腕部５３と第２の電極５２の腕部５４に内蔵されたモータ（不図示）を同期して駆動し、押圧方向に延びる軸Ｌ１を回転中心として、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２を図示する回転方向Ｒ１に回転させる。
【００４１】
なお、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２については、Ｎｉ基インサート材１３が溶融した後に回転させても、Ｎｉ基インサート材１３が溶融する前から第１の鋼材１１と第２の鋼材１２を回転し、回転中に加熱によってＮｉ基インサート材１３を溶融させてもよい。Ｎｉ基インサート材１３が溶融した後に第１の鋼材１１と第２の鋼材１２が回転される形態であれば、通電による加熱と第１の鋼材１１と第２の鋼材１２の回転を同時に行う必要が無いことから、接合装置５００等の構成を簡素化でき、製造コストを抑制することができる。
【００４２】
また、上記する回転速度は、等速であっても接合中にその接合状態等に応じて変速されてもよいが、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２とが等速で回転される形態であれば、より一層接合方法を簡素化でき、生産性を向上して製造コストをさらに抑制することができる。
【００４３】
図示する第３の工程において、Ｎｉ基インサート材が通電により加熱されて溶融した後、接合部（溶融したＮｉ基インサート材１３'内部）には、このＮｉ基インサート材と鋼材の母材との合金が液相として存在している。また、図１ａ，１ｂで示すＮｉ基インサート材１３には低融点化のためにケイ素（Ｓｉ）が添加されており、このケイ素が外部環境の酸素と結合してシリカが形成される。したがって、図１ｃで示す接合部（溶融したＮｉ基インサート材１３'内部）には、主としてシリカ（ＳｉＯ２）からなる酸化物１４が含まれることとなる。なお、本実施の形態１においては、この液相部分に存在する溶融合金の比重は一般に７．５以上であって、ＮｉとＦｅを主成分とするために生成されたシリカ等の酸化物１４の比重よりも相対的に大きい。なお、シリカの比重は２．２程度である。
【００４４】
第３の工程においては、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２との接合面同士の押圧力によって、接合に不要となった溶融したＮｉ基インサート材１３'と酸化物１４が接合部外部に押し出されると共に、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２とが同期して回転することで、Ｎｉ基インサート材１３'と酸化物１４に遠心力が作用し、回転中心から外側方向、すなわち接合部外部へそれらが一層効果的に排除されることとなる。なお、接合部外部とは、主として第１の鋼材１１と第２の鋼材１２の対向する接合面で画定される領域の外側であって、第１の鋼材１１の接合面１１ａと第２の鋼材１２の接合面１２ａの接合に実質的に寄与しない領域である。
【００４５】
また、既述のように、溶融したＮｉ基インサート材１３'の溶融合金の比重が酸化物１４の比重よりも大きいことで、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２が同期して回転すると、溶融したＮｉ基インサート材１３'の溶融合金が接合部の外側方向へ泳動して、接合部表面近傍にＮｉ基インサート材１３'の溶融合金が凝集する。それに対して、相対的に比重が小さく、外部に押し出されずに接合部に残留した酸化物１４は、Ｎｉ基インサート材１３'の動きとは反対方向である回転軸Ｌ１方向、すなわち接合部の内側方向へ泳動する。
【００４６】
なお、溶融したＮｉ基インサート材１３'と酸化物１４の移動が完了し、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２とが上記する押圧状態で所定の温度まで冷却され、それらの回転が停止した後、その温度で押圧力が除苛されて、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２の接合が完了する。
【００４７】
上記する接合面同士の押圧力としては、回転中に第１の鋼材１１と第２の鋼材１２が分離しないようにするために、５ＭＰａ以上とすると共に、その押圧力によって第１の鋼材１１と第２の鋼材１２が破損あるいは変形しないように、５０ＭＰａ以下とするのが好ましい。
【００４８】
また、比較的大きな径を備えた鋼材においても、接合部から十分に酸化物が排出されると共に、接合部の中心付近に酸化物を凝集させるために、その回転速度を１００ｒｐｍ以上とするのが好ましい。また、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２を高速に回転させ過ぎると、遠心力が過大となり、全ての溶融合金が接合部の表面近傍に排出され、接合部内部に空隙が発生する可能性があることから、その回転速度は２０００ｒｐｍ以下とするのが好ましい。
【００４９】
図２を参照して、実施の形態１の第３の工程について具体的に説明する。図２ａは、２つの鋼材の回転初期における酸化物の分布を示した縦断面図であり、図２ｂは、接合部の凝固前における酸化物の分布を示した縦断面図である。
【００５０】
図２ａで示すように、実施の形態１において、第１の鋼材１１と第２の鋼材１２の回転初期の段階では、接合部の酸化物１４（主としてシリカ）はその内部（溶融したＮｉ基インサート材１３'内部）で略均一に分布している。
【００５１】
第１の鋼材１１と第２の鋼材１２が回転軸Ｌ１を中心として回転すると、特に接合部の表面近傍の領域Ｅ１ｂの酸化物１４ｂは、押圧力とその回転による遠心力によって、接合部の表面近傍の領域Ｅ１ｂの溶融したＮｉ基インサート材１３'（溶融合金）と共に接合部の外側方向Ｘｂへ泳動されてその接合部の外部へ排出される。
【００５２】
また、溶融金属は酸化物に比して比重が大きいことから、接合部の回転軸Ｌ１近傍の領域Ｅ１ａの溶融したＮｉ基インサート材１３'が、その回転による遠心力によって接合部の表面側（矢印Ｘａ（１３）方向）へ泳動する共に、比重の小さいシリカ等からなる、接合部の回転軸Ｌ１近傍の領域Ｅ１ａの酸化物１４ａは、その回転軸Ｌ１方向、すなわち接合部の中心方向（矢印Ｘａ（１４）方向）へ泳動される。
【００５３】
したがって、図２ｂで示すように、接合部の表面近傍に存在していた酸化物１４ｂは接合部の外部の領域Ｅ１ｄへ押し出され、接合部の内側に存在していた酸化物１４ａはその略中心近傍の領域Ｅ１ｃへ凝集する。このように、押圧力と遠心力の相乗効果によって、接合部における酸化物の残留を効果的に低減して不純物の少ない接合部を形成し、接合強度の高い接合体１００を製造できると共に、仮に接合部に酸化物が残留した場合であっても、それらの酸化物が接合体の中心近傍の領域Ｅ１ｃに凝集することで、接合体１００の表面近傍の不純物が排除され、曲げ剛性や捩り剛性に優れた接合体１００となる。なお、酸化物１４ｂが接合部の外部に排出される前に接合部表面が凝固した場合には、接合部に形成された酸化物１４を接合体１００の中心近傍の領域Ｅ１ｃへ集中的に凝集することもできる。
【００５４】
［実施の形態２］
次に、図３を参照して、本発明に係る金属部材の接合方法の実施の形態２について説明する。この実施の形態２においては、鋼材として円筒状の中空軸部材からなる鋼材を使用した。なお、実施の形態２における第１の工程と第２の工程については、実施の形態１のそれと同様の工程であるため、その説明を省略し、同図においては第３の工程についてのみ具体的に説明する。同図については、２つの鋼材の接合部の内部を視認できるようにその一部を切り欠いて示している。また、実施の形態２においては、実施の形態１で使用した接合装置５００を用いて２つの鋼材の接合を行った。
【００５５】
図１ａや図１ｂで示す工程と同様の工程を実施して、第１の鋼材２１の接合面２１ａと第２の鋼材２２の接合面２２ａの間にＮｉ基インサート材を当接させて介在させた後、図３で示す第３の工程では、第１の鋼材２１の接合面２１ａとＮｉ基インサート材、第２の鋼材２２の接合面２２ａとＮｉ基インサート材の接触後においても、油圧シリンダ５５を用いて第１の鋼材２１と第２の鋼材２２の接合面に押圧力を負荷し続けながら、電源５６を用いて導線５９を介して通電し、第１の鋼材２１と第２の鋼材２２とＮｉ基インサート材を加熱する。その際、第１の電極５１の腕部５３と第２の電極５２の腕部５４に内蔵されたモータ（不図示）を同期して駆動し、押圧方向に延びる軸Ｌ２を回転中心として、第１の鋼材２１と第２の鋼材２２を図示する回転方向Ｒ２に回転させる。
【００５６】
同図において、Ｎｉ基インサート材が通電により加熱されて溶融した後、接合部（溶融したＮｉ基インサート材２３'内部）には、このＮｉ基インサート材と鋼材の母材との合金が液相として存在すると共に、主としてシリカ（ＳｉＯ２）からなる酸化物２４が含まれている。
【００５７】
この第３の工程においては、第１の鋼材２１と第２の鋼材２２との接合面同士の押圧力によって、接合に不要となった溶融したＮｉ基インサート材２３'と酸化物２４が接合部外部に押し出されると共に、第１の鋼材２１と第２の鋼材２２とが同期して回転することで、Ｎｉ基インサート材２３'と酸化物２４に遠心力が作用し、回転中心から外側方向、すなわち接合部外部へそれらが一層効果的に排除されることとなる。なお、実施の形態２においては、第１の鋼材２１と第２の鋼材２２からなる接合体２００の内部に空間が存在するため、溶融したＮｉ基インサート材２３'と酸化物２４の一部が押圧力によってその接合体２００の内部空間に排出されることも考えられる。
【００５８】
また、溶融したＮｉ基インサート材２３'の溶融合金の比重が酸化物２４の比重よりも大きいことで、第１の鋼材２１と第２の鋼材２２が同期して回転すると、溶融したＮｉ基インサート材２３'の溶融合金が接合部の外側方向へ泳動して、接合部表面近傍にＮｉ基インサート材２３'の溶融合金が凝集する。それに対して、相対的に比重が小さく、外部に押し出されずに接合部に残留した酸化物２４は、Ｎｉ基インサート材２３'の動きとは反対方向である回転軸Ｌ２方向、すなわち接合部の内側方向へ泳動する。
【００５９】
図４を参照して、実施の形態２の第３の工程についてさらに具体的に説明する。図４ａは、２つの鋼材の回転初期における酸化物の分布を示した縦断面図であり、図４ｂは、接合部の凝固前における酸化物の分布を示した縦断面図である。
【００６０】
図４ａで示すように、実施の形態２において、第１の鋼材２１と第２の鋼材２２の回転初期の段階では、接合部の酸化物２４（主としてシリカ）はその内部（溶融したＮｉ基インサート材２３'内部）で略均一に分布している。
【００６１】
第１の鋼材２１と第２の鋼材２２が回転軸Ｌ２を中心として回転すると、特に接合部の表面近傍の領域Ｅ２ｂの酸化物２４ｂは、押圧力とその回転による遠心力によって、接合部の表面近傍の領域Ｅ２ｂの溶融したＮｉ基インサート材２３'（溶融合金）と共に接合部の外側方向へ泳動されてその外部へ排出される。なお、本実施の形態２においては、鋼材内部にも空間があるため、その押圧力によって、接合部の内周面近傍の領域Ｅ２ａの酸化物２４ａの一部が、接合部の内周面近傍の領域Ｅ２ａの溶融したＮｉ基インサート材２３'の一部と共に鋼材の内部空間Ｓ２へ排出される。なお、この酸化物２４ａの内部空間Ｓ２への排出とは、主として第１の鋼材２１の接合面２１ａと第２の鋼材２２の接合面２２ａで画定される領域の外側への排出であって、第１の鋼材２１の接合面２１ａと第２の鋼材２２の接合面２２ａの接合に実質的に寄与しない領域へ酸化物２４ａが排出されることである。
【００６２】
また、溶融金属は酸化物に比して比重が大きいことから、接合部の内周面近傍の領域Ｅ２ａの溶融したＮｉ基インサート材２３'の一部が、その回転による遠心力によって接合部の外側へ泳動する共に、比重の小さいシリカ等からなる、接合部の内周面近傍の領域Ｅ２ａの酸化物２４ａは、その回転軸Ｌ２方向、すなわち接合部の内側方向へ泳動される。なお、回転速度や回転時間等を適切に設定することで、その内側方向に泳動した酸化物２４ａを鋼材の内部空間Ｓ２に確実に排出することができる。
【００６３】
したがって、図４ｂで示すように、接合部の表面近傍に存在していた酸化物２４ｂは接合部の外部の領域Ｅ２ｄへ押し出され、接合部の相対的に内側に存在していた酸化物２４ａはその内周面近傍の領域Ｅ２ｃに凝集、あるいは接合部の外部である鋼材の内部空間Ｓ２へ排出される。このように、押圧力と遠心力の相乗効果によって、接合部における酸化物の残留を効果的に低減して不純物の少ない接合部を形成し、接合強度の高い接合体２００を製造できると共に、仮に接合部に酸化物が残留した場合であっても、それらの酸化物が接合体の内周面近傍の領域Ｅ２ｃに凝集することで、接合体２００の表面近傍の不純物が排除され、曲げ剛性や捩り剛性に優れた接合体２００となる。
【００６４】
さらに、実施の形態２においては、接合体２００内部に空間Ｓ２があることで、内周面側に泳動してきた酸化物２４ａが、第１の鋼材２１と第２の鋼材２２との接合面の押圧と回転によって、接合体２００の内部空間Ｓ２、すなわち接合部の外側へ排出されることとなり、適宜回転速度等を調整することで、接合部に形成される酸化物２４をより効果的に排除して、接合面全体で均一かつ高い接合強度を備えた接合体２００を製造することができる。
【００６５】
すなわち、中空部材の場合には、中実部材の場合と比較して接合部に残留し得る酸化物を効果的にその外部へ排出でき、より均質な接合面を形成して高剛性かつ軽量な接合体を製造することができる。
【００６６】
なお、実施の形態１，２においては、双方の金属部材が中実および中空である場合の接合方法について説明したが、そのいずれか一方が中空部材であれば実施の形態２と同様の効果を得ることができる。すなわち、接合される金属部材の一方が中空部材であれば、その中空部材の内周面と他方の中実部材の端面で内部空間が画定され、接合時に残留し得る接合部の酸化物を接合体の内部空間にも排出することができ、実施の形態２と同様に接合部における酸化物の残留を低減することができる。
【００６７】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６８】
１１，２１…第１の鋼材、１２，２２…第２の鋼材、１３，２３…Ｎｉ基インサート材、１３'，２３'…溶融したＮｉ基インサート材、１４，２４…酸化物、１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ａ…接合面、５１…固定保持部、５２…可動保持部、５３，５４…腕部、５５…油圧シリンダ、５６…電源、５７…第１の電極、５８…第２の電極、５９…導線、１００，２００…接合体、５００…接合装置
【図１】
2012143786.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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