(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦圧接により接合した棒状のアルミニウムもしくはアルミニウム合金と、棒状の銅もしくは銅合金の接合構造において、
アルミニウムもしくはアルミニウム合金側の接合面であってこの接合面の外縁部を形成する面と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金側の自由縁と、がなす角度、
および、
銅もしくは銅合金側の接合面であってこの接合面の外縁部を形成する面と、前記銅もしくは銅合金側の自由縁と、がなす角度、
が共に９０度未満となるように設定したことを特徴とする異種金属材料の接合構造。
【請求項２】
摩擦圧接により接合したパイプ状のアルミニウムもしくはアルミニウム合金と、パイプ状の銅もしくは銅合金の接合構造において、
アルミニウムもしくはアルミニウム合金側の接合面であってこの接合面の外縁部を形成する面と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金側のパイプ外側の自由縁と、がなす角度、
アルミニウムもしくはアルミニウム合金側の接合面であってこの接合面の内縁部を形成する面と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金側のパイプ内側の自由縁と、がなす角度、
銅もしくは銅合金側の接合面であってこの接合面の外縁部を形成する面と、前記銅もしくは銅合金側のパイプ外側の自由縁と、がなす角度、
および
銅もしくは銅合金側の接合面であってこの接合面の内縁部を形成する面と、前記銅もしくは銅合金側のパイプ内側の自由縁と、がなす角度、
が共に９０度未満となるように設定したことを特徴とする異種金属材料の接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる特性を有する異種金属材料の接合構造に関し、さらに詳しくは電力用遮断器に使用される通電接触子、あるいはアーク接触子のアルミニウムもしくはアルミニウム合金と、銅もしくは銅合金の摩擦圧接による接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、棒状または管状の異材継手の接合には、摩擦圧接や拡散接合などが行われる。摩擦圧接の例を、図１を用いて説明する。図１（１）に示すように、材料特性の異なる同径の金属材料１（アルミニウムもしくはアルミニウム合金）および２（銅もしくは銅合金）を、圧接装置のチャックで掴み、一方を回転させて接合すべき部分を摩擦エネルギーで加熱し、軸方向の加圧力Ｐによりアプセット加圧して行う。接合後の軸方向断面は、図１（２）に示すように、同径の金属材料１と２が接合され、それぞれの材料強度に応じてバリ５の量と形状が異なった状況を呈する。
【０００３】
従来の継手の接合においては、接合部材の衝撃強度が小さいため、接合部の信頼性が低いことが問題である。この傾向は、摩擦圧接に限らず、冷間圧接、熱間圧接、拡散接合、爆発圧接、鍛接、超音波接合、ろう付け、はんだ付け、抵抗溶接、接着剤を用いる接合のいずれの方法の異種材料間の接合構造においても同様である。
【０００４】
そこで、従来、異種材料の摩擦圧接においては、熱膨張係数の大きな材料の直径を他の材料のそれよりも大きくして接合することにより、接合界面に発生する残留応力を緩和して接合強度を向上させている（特開平６−４７５７０号公報）。また、アルミニウム材と銅材の熱間圧接においては、アルミニウム材に開先角１５度〜４５度の凸状にした銅材を突き合わせて通電加熱により接合し、引張り強度を向上させている（特開平４−１４３０８５号公報）。また、セラミックスと金属との接合においては、熱応力緩和のためにセラミックス部材の接合界面の周縁部における一部と接合体表面とのなすセラミックス構成角度を８０度以下又は、１００度以上に設定する（特開平１−２８２１６６号公報）。さらに，熱膨張率の異なる部材同士の接合においては、熱応力緩和のために、熱膨張率の小さい部材の接合界面縁部を接合界面方向に見て所定値以上の半径を有する曲面状に形成している（特開平１−２８２１６７号公報）。
【０００５】
上述した従来の方法は、いずれも残留応力緩和、熱応力緩和、引張り強度向上を目的にした方法であって、接合部材の衝撃強度を高め、接合部の信頼性を高める方法ではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、材料特性の異なる異種材料の接合においては、接合条件の最適化により、静的な継手強度については、問題は無い。すなわち、異種金属接合部材の引張り強度は、中心部と接合端部では変化がない。しかし、衝撃強度については、接合端部で著しく低下し、継手全体として低いことが明らかであり、接合部材の低い衝撃強度が問題であった。
【０００７】
そこで、本発明は、材料特性の異なる異種金属材料の接合において、接合部材の衝撃強度を高め、信頼性の高い接合構造を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の事項をその特徴としている。
（１）摩擦圧接により接合した棒状のアルミニウムもしくはアルミニウム合金と、棒状の銅もしくは銅合金の接合構造において、
アルミニウムもしくはアルミニウム合金側の接合面であってこの接合面の外縁部を形成する面と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金側の自由縁と、がなす角度、および、
銅もしくは銅合金側の接合面であってこの接合面の外縁部を形成する面と、前記銅もしくは銅合金側の自由縁と、がなす角度、
が共に９０度未満となるように設定したことを特徴とする異種金属材料の接合構造。（２）摩擦圧接により接合したパイプ状のアルミニウムもしくはアルミニウム合金と、パイプ状の銅もしくは銅合金の接合構造において、
アルミニウムもしくはアルミニウム合金側の接合面であってこの接合面の外縁部を形成する面と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金側のパイプ外側の自由縁と、がなす角度、
アルミニウムもしくはアルミニウム合金側の接合面であってこの接合面の内縁部を形成する面と、前記アルミニウムもしくはアルミニウム合金側のパイプ内側の自由縁と、がなす角度、
銅もしくは銅合金側の接合面であってこの接合面の外縁部を形成する面と、前記銅もしくは銅合金側のパイプ外側の自由縁と、がなす角度、
および
銅もしくは銅合金側の接合面であってこの接合面の内縁部を形成する面と、前記銅もしくは銅合金側のパイプ内側の自由縁と、がなす角度、
が共に９０度未満となるように設定したことを特徴とする異種金属材料の接合構造。
【００１１】
本発明を用いると、摩擦圧接により接合したアルミニウム材（アルミニウムもしくはアルミニウム合金）と銅材（銅もしくは銅合金）から成る接合構造において、衝撃強度を高め、信頼性の高い接合構造を得ることができる。
【００１２】
このような傾向は、摩擦圧接のみならず、冷間圧接、熱間圧接、拡散接合、爆発圧接、超音波接合、ろう付け、はんだ付け、抵抗溶接、溶融金属注入、鋳継ぎ、接着剤を用いた接合のいずれの方法においても、従来の９０度の値よりも高い値を示し、これにより銅−アルミニウム部材の信頼性は大幅に向上した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施例および参考例によりさらに説明する。
参考例１
異種金属材料の摩擦圧接による接合の例として、銅材とアルミニウム材の接合について説明する。図２は棒状の異種金属材料の継手の接合構造、また図３はパイプ状の異種金属材料の継手の接合構造を示した図である。図２（１）および図３（１）は、それぞれ、棒状およびパイプ状の接合構造の従来例であって、アルミニウム材１と銅材２の接合面のなす角度が９０度である。
【００１４】
図２および図３に示すように、アルミニウム材１と銅材２の接合面端部で自由縁となす角度を変えた接合部材を作製し、両部材を摩擦圧接により接合して接合構造を作成する。すなわち、図２（２）および（４）、および図３（２）に示すように、アルミニウム材１と銅材２の接合面端部で自由縁Ｘとなす角度θ１を１２０度以上になるように設定する。また、図２（３）および（５）、および図３（３）に示すように、アルミニウム材１と銅材２の接合面端部で自由縁Ｘとなす角度θ２を５５度から８５度の範囲内になるように設定する。
【００１５】
また、銅材とアルミニウム材の接合面端部で自由縁となす角度を４０度から１４０度の範囲に変化させた接合部材を作製し、引張り試験と衝撃試験を行った。引張り試験の結果を、図４に、また衝撃試験の結果を、図５に示す。なお、引張り強度比および衝撃強度比は、いずれも９０度における強度を１とした場合の割合を示した。
【００１６】
図４から分るように、引張り強度は、接合面端部で自由縁となす角度に関係なく一定の値を示した。しかし、衝撃強度については、図５から分るように、銅材の接合面端部で自由縁となす角度が５０度から８５度の間、または１２０度以上のとき、従来の９０度の値よりも高い値を示している。
【００１７】
実施例１
図６は棒状の異種金属材料の継手の接合構造、また図７はパイプ状の異種金属材料の継手の接合構造を示した図である。図６（１）および図７（１）は接合構造の従来例であって、アルミニウム材１と銅材２の接合面のなす角度が９０度である。
【００１８】
参考例２
アルミニウム材（アルミニウムまたはアルミニウム合金）と銅材（銅または銅合金）を摩擦圧接により接合すると、摩擦熱で高温になり両元素が拡散して、Ａｌ２Ｃｕ、ＡｌＣｕ、ＡｌＣｕ２などの金属間化合物からなる反応層が形成される。このような反応層を有する接合構造について、反応層の厚さと、引張強度あるいは衝撃強度との関係を調べるため引張試験と衝撃試験を行った。
【００１９】
アルミニウム材と銅材の接合面端部で自由縁となす角度４０度から１４０度の範囲に変化させた接合材を作製し、これを供試材として引張試験と衝撃試験を行った。引張試験の結果を図８および図９に、また衝撃試験の結果を図１０および図１１に示す。なお、引張強度比および衝撃強度比は、いずれも９０度における強度を１としたときの割合を示した。
【００２０】
図８および図９から分るように、引張強度については、両材料の接合面端部で自由縁となす角度に関係なく一定の値を示した。しかし、衝撃強度については、図１０および図１１から分るように、アルミニウム材と銅材の接合面端部で自由縁となす角度がともに９０度未満、またはどちらか一方が９０度の場合は、残りの材料の接合面端部が自由縁となす角度が９０度未満であると、従来例よりも高い値を示している。
【００２１】
実施例３
アルミニウム材（アルミニウムまたはアルミニウム合金）と銅材（銅または銅合金）を摩擦圧接により接合すると、摩擦熱で高温になり両元素が拡散して、Ａｌ２Ｃｕ、ＡｌＣｕ、ＡｌＣｕ２などの金属間化合物からなる反応層が形成される。このような反応層を有する接合構造について、反応層の厚さと、引張強度あるいは衝撃強度との関係を調べるため引張試験と衝撃試験を行った。
【００２２】
図１２に引張試験の結果を示す。引張強度比はアルミニウムの合金の引張強度を１００としたときの割合で示した。
また、図１３に衝撃試験の結果を示す。衝撃強度比は反応層の厚さが１５μｍの衝撃強度を１としたときの割合で示した。
【００２３】
図１２および図１３から分るように、反応層の厚さが２０μｍ以下では、引張強度も衝撃強度も高い値を示している。しかし、反応層の厚さが２０μｍ以上になると引張強度は変化しないが、衝撃強度は低下の傾向を示す。
【００２４】
参考例３
異種金属材料の接合構造を電力用遮断器の通電接触子材料とに使用した例について述べる。通電接触子は閉時の場合、固定側と可動側は接触しているが、開時の場合、可動側の通電接触子が操作機構部に連結して固定側から離れる。一般的に可動側の通電接触子は、軽量で導電率の高いアルミニウム材から構成されており、可動側と固定側の接触子が離れるときに生じる微小のアークによって接点部付近が溶損する。この溶損部分は開閉操作回数の増加とともに大きくなり、開時のときの電流手段特性が低下する。通電接触子の形状が小さくなると、さらにこの傾向は大きくなる。
【００２５】
可動側の通電接触子の接点部分をアルミニウム材よりも融点および導電率が高い銅材、それ以外の部分をアルミニウム材とし、接合界面を異種金属材料の接合構造とした。すなわち、図１４に示すように、銅材とアルミニウム材を摩擦圧接して接合界面を、銅材において接合面端部で自由縁Ｘとなす角度θ２が５０度から８５度の間、または１２０度以上に設定する。または、図１５および図１６に示すように、銅材とアルミニウム材を摩擦圧接して接合界面を、接合面端部で自由縁Ｘとなす角度θ４を銅材とアルミニウム材共に９０度未満、または、どちらか一方が９０度の場合は、残りの材料の接合面端部で自由縁となす角度θ４が９０度未満となるように設定する。
【００２６】
従来の銅材とアルミニウム材の摩擦圧接部材は、衝撃強度が低く、接合構造の信頼性が低かったため、高導電率の銅−アルミニウム通電接触子は適用できなかった。しかし、本発明の接合構造とすることで、アルミニウム材の通電接触子に変えて使用できるようになった。可動側の通電接触子の接点部分を銅材に置き換えそれ以外の部分を従来の軽量のアルミニウム材とすることで導電性が高く、溶損が小さく、軽量で、また形状が従来径の半分に小さくなっても良好に大電流の開閉が行える通電接触子とできた。この効果は、接触子接点部が銅、銅合金で、接点部以外が、アルミニウム材またはアルミニウム合金から構成された場合、同様の傾向を示す。
【００２７】
また接合面が、接点部に近いと開閉時におけるアークの熱により、接合面がダメージを受け、衝撃強度の低下となるため、接合面は接点部から離すことが望ましい。また、接合部での電気抵抗が高いと通電時に接合部が加熱し、拡散接合層が成長して強度が低下するため、接合部の電気抵抗は、母材の電気抵抗と同等である事が望ましい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、摩擦圧接により接合したアルミニウムもしくはアルミニウム合金と、銅もしくは銅合金の接合構造において、銅もしくは銅合金の接合面端部で自由縁となす角度を接合部での応力集中を小さくするように設定することで、衝撃強度が高く、信頼性の高い異種材料間の接合構造が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の摩擦圧接による異種金属材料の接合の説明図である。
【図２】  棒状の異種金属材料の継手の接合構造の参考例を示す図である。
【図３】  パイプ状の異種金属材料の継手の接合構造の参考例を示す図である。
【図４】  異種金属材料の接合構造における接合面端部で自由縁となす角度と引張強度との関係を示すグラフである。
【図５】  異種金属材料の接合構造における接合面端部で自由縁となす角度と衝撃強度との関係を示すグラフである。
【図６】  棒状の異種金属材料の継手の接合構造の実施例を示す図である。
【図７】  パイプ状の異種金属材料の継手の接合構造の他の実施例を示す図である。
【図８】  図６、図７に係る異種金属材料の接合構造における接合面端部で自由縁となす角度と、引張強度との関係を示すグラフである。
【図９】  図６、図７に係る異種金属材料の接合構造における接合面端部で自由縁となす角度の一方が９０度で、残りの材料の接合面端部で自由縁となす角度と、引張強度との関係を示すグラフである。
【図１０】  図６、図７に係る異種金属材料の接合構造における接合面端部で自由縁となす角度と、衝撃強度との関係を示すグラフである。
【図１１】  図６、図７に係る異種金属材料の接合構造における接合面端部で自由縁となす角度の一方が９０度で、残りの材料の接合面端部で自由縁となす角度と、衝撃強度との関係を示すグラフである。
【図１２】  異種金属材料の接合面における金属間化合物の反応層の厚さと、引張強度との関係を示すグラフである。
【図１３】  異種金属材料の接合面における金属間化合物の反応層の厚さと、衝撃強度との関係を示すグラフである。
【図１４】  本発明の異種金属材料の接合構造（接合面端部で自由縁となす角度が５５度から８５度）を採用した電力用遮断器の通電接触子の概略構造を示す図である。
【図１５】  本発明の異種金属材料の接合構造（接合面端部で自由縁となす角度の一方が９０度で、残りの材料の接合面端部で自由縁となす角度が９０度未満）を採用した電力用遮断器の通電接触子の概略構造を示す図である。
【図１６】  本発明の異種金属材料の接合構造の参考例を採用した電力用遮断器の通電接触子の概略構造を示す図である。
【符号の説明】
１  アルミニウム材（アルミニウムまたはアルミニウム合金）
２  銅材（銅または銅合金）
３  摩擦圧接装置のチャックの固定軸
４  回転軸
５  バリ
Ｐ  加圧力
Ｘ  自由縁
θ１  接合面端部で自由縁となす角度が１２０度以上
θ２  接合面端部で自由縁となす角度が５５度から８５度
θ３  接合面端部で自由縁となす角度が９０度未満
θ４  接合面端部で自由縁となす角度の一方が９０度で、他の金属材料の自由縁となす角度が９０度未満
【図１】
0004033417.tif 000002
【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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【図１０】
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【図１１】
0004033417.tif 000012
【図１２】
0004033417.tif 000013
【図１３】
0004033417.tif 000014
【図１４】
0004033417.tif 000015
【図１５】
0004033417.tif 000016
【図１６】
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