(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合対象物である少なくとも第１の部材および第２の部材の接合面を互いに突合せる突合せ工程と、突合せた前記部材の接合面を外部から局部強制加熱する強制加熱工程と、加熱状態にある接合面を相互に押圧しながら、当該接合面を介してパルス電流を流して、当該接合面を仮接合する押圧・パルス通電工程と、仮接合状態の前記部材を所定の温度条件の下で熱処理する熱処理工程とを含むパルス通電による固体接合方法により少なくとも第１および第２の部材を接合する接合装置であって、
前記第１の部材の接合面と前記第２の部材の接合面を突合せた状態に保持して、これらの接合面を所定の押圧力で押圧可能な押圧手段と、
突合せ状態の前記接合面を外部から局部強制加熱する外部加熱手段と、
突合せ状態の前記接合面を介してパルス電流を流す通電手段と、
仮接合状態の前記第１および第２の部材を熱処理する熱処理手段とを有し、
前記外部加熱手段は、前記接合面の局部強制加熱および前記突合せ状態の前記部材の全体加熱を行うことが可能であることを特徴とする接合装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記外部加熱手段の発熱体は、電気抵抗加熱、マイクロ波加熱、グロー放電加熱、高周波加熱、通電加熱、インパルス加熱、赤外線加熱のいずれか一つまたは組み合わせによる発熱体であることを特徴とする接合装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記外部加熱手段は、突合せ状態の前記接合面を取り囲んでいるカバーと、このカバーに内蔵されている前記発熱体とを備えていることを特徴とする接合装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記外部加熱手段は、前記カバーの配置位置および角度の少なくとも一方を調整可能なカバーガイド機構を備えていることを特徴とする接合装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
前記押圧手段によって突合せ状態に保持された前記第１および第２の部材が配置される処理室を有し、
この処理室内において前記局部強制加熱、押圧および熱処理が行われることを特徴とする接合装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記外部加熱手段と前記熱処理手段を兼用したことを特徴とする接合装置。
【請求項７】
請求項６において、
単一電源を備えた前記外部加熱手段を切り換え制御して、前記接合面に対する前記局部強制加熱と、前記熱処理時における全体加熱とを行うことを特徴とする接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合対象の部材の接合面を所定の力で押圧しながらパルス通電を行うことにより接合面を部材の母材強度程度の接合力で接合可能なパルス通電による接合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】
固体同士の接合方法としては、特開２００２−０５９２７０に記載された方法がある。この公開公報に記載の方法では、接合対象の部材の接合面を相互に突合せ、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、接合面を仮接合状態とし、しかる後に当該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している。
【０００３】
この方法によれば、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、且つ確実に固体同士を接合するための新たな接合方法が要望されるところである。
【０００４】
本発明の課題は、固体同士を、接合部材の母材強度程度の強固な接合力で、しかも、確実に接合可能な新たな接合装置を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
まず、図１を参照して本発明の前提となる固体接合方法を説明する。この固体接合方法は、
接合対象物である少なくとも第１の部材および第２の部材の接合面を互いに突合せる突合せ工程（ステップＳ１）と、
突合せた前記部材の接合面を外部から局部強制加熱する強制加熱工程（ステップＳ２）と、
加熱状態にある接合面を相互に押圧しながら、当該接合面を介してパルス電流を流して、当該接合面を仮接合する押圧・パルス通電工程（ステップＳ３）と、
仮接合状態の前記部材を所定の温度条件の下で熱処理する熱処理工程（ステップＳ４）とを含み、前記強制加熱工程では、最も溶融点が低い接合対象の部材の溶融点の５５％〜９０％の範囲内の温度となるまで、前記接合面を加熱することを特徴としている。
【０００６】
この方法によれば、従来の方法に比べて接合面の接合強度が改善され、また、接合面の組織の不連続性の残存程度が少なくなり、接合部材の母材強度程度の接合強度を備えた強固で確実な接合状態を形成できることが確認された。かかる望ましい接合状態が形成される明確な理由は定かではないが、突合せ状態の接合面を外部から局部強制加熱すること、およびパルス通電を行うことにより、接合界面が活性化されて、接合界面から酸化物が除去されて接合界面の浄化が促進され、また、界面接合萌芽の形成が促進され、さらに、形成された界面接合萌芽の拡散が促進されるという相乗効果が得られ、この結果、強固で、且つ確実に接合された接合面が形成されるものと考えられる。
【０００７】
ここで、強制加熱工程（ステップＳ２）では、最も溶融点が低い接合対象の部材の溶融点の５５％〜９０％の範囲内の温度となるまで、接合面を加熱している。５５％未満の温度では上記の相乗効果が充分に得られず、９０％を越えると押圧状態にある接合面の塑性化のおそれがあるので実用的でない。
【０００８】
また、強制加熱工程における加熱時間は、接合部材の熱容量により異なるが、一般的には、６０分以下とすればよい。
【０００９】
同様に、押圧・パルス通電工程（ステップＳ３）での押圧力も、接合部材の硬度、接合面の面粗度、接合温度などにより異なるが、一般的には、１〜７００ＭＰａの範囲内の押圧力とすればよい。
【００１０】
さらに、パルス電流としては、一般に、デューティ比（パルスのオンオフの比）が５０％以上、電圧が１００Ｖ以下、電流値が１００Ａ〜５０，０００Ａの範囲内のパルス電流を用いればよい。
【００１１】
熱処理工程（ステップＳ４）での熱処理温度は、最も溶融点が低い接合対象の部材の溶融点の５５％〜９０％の範囲内の温度とすることが望ましい。５５％未満の温度では接合面の充分な熱拡散を期待できず、９０％を越えると接合面の軟化に伴う特性変化などの弊害が発生するおそれがあるので実用的でない。
【００１２】
また、熱処理工程における熱処理時間は接合部材の熱容量などにより異なるが一般的には６０分以下とすればよい。さらに、熱処理工程は真空中で行うことが望ましい。
【００１３】
次に、本発明者等の試験によれば、上記の接合界面の浄化促進、界面の接合萌芽の形成促進、および界面接合萌芽の拡散促進をより高めるためには、突合せ工程（ステップＳ１）に先立って、前記第１の部材の接合面および前記第２の部材の接合面のうち、少なくとも一方の接合面に表面処理を施す接合面処理工程（ステップＳ０）を行うことが望ましいことが確認された。特に、前記接合面に薄膜を形成することが望ましいことが確認された。
【００１４】
薄膜としては、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と同一であることが望ましい。また、接合面と同一の薄膜を形成することがより好ましい。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。
【００１５】
例えば、図２（ａ）に模式的に示すように、接合対象の第１の部材１と第２の部材２が同材質Ａである場合には、それらの接合面１ａ、２ａにそれぞれ同一素材からなる薄膜３、４を形成し、これら薄膜の接合面を接合界面５とする。この場合には、図２（ｂ）に模式的に示すように、これらの薄膜３、４が処理過程で各部材１、２内に拡散して消滅して、強固、且つ確実に接合された接合界面５ａが形成される。
【００１６】
また、図３（ａ）に模式的に示すように、接合対象の第１の部材１と第２の部材２が異材質Ａ、Ｂの場合には、それらの接合面１ａ、２ａにはそれぞれの部材と同一素材からなる薄膜６、７を形成し、これら薄膜の接合面を接合界面８とする。この場合においても、図３（ｂ）に模式的に示すように、これらの薄膜６、７が処理過程でそれぞれの部材１、２内に拡散して消滅して、強固、且つ確実に接合された接合界面８ａが形成される。
【００１７】
ここで、薄膜の厚さは、一般的には０．０１〜１０μｍの範囲内とすればよい。０．０１μｍ未満では薄膜形成による効果を期待できず、また、１０μｍを越える厚さの場合には薄膜が接合面に残存するおそれがある。
【００１８】
また、薄膜の形成方法はいずれの方法であってもよいが、膜厚制御が容易であり均一な薄膜を形成可能なスパッタ蒸着法によることが望ましい。
【００１９】
次に、接合面処理工程として、前記接合面の平滑度を高めるための研磨処理を行うことができる。この場合、接合素材が鉄系の場合には、前記研磨処理により前記接合面の面粗度をＲａ＝０．３以上の鏡面に仕上げることが望ましい。銅、アルミニウムなどの鉄系に比べて硬度の低い素材は、これよりも荒い面粗度であってもよい。
【００２０】
また、接合面処理工程として、前記接合面を洗浄する洗浄処理を行うこともできる。
【００２１】
次に、接合面処理工程としては、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する処理を含む場合がある。例えば、一方の接合部材の接合面が凸曲面の場合には、これに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が望ましい。
【００２２】
次に、本発明は、接合対象物である少なくとも第１の部材および第２の部材の接合面を互いに突合せる突合せ工程と、突合せた前記部材の接合面を外部から局部強制加熱する強制加熱工程と、加熱状態にある接合面を相互に押圧しながら、当該接合面を介してパルス電流を流して、当該接合面を仮接合する押圧・パルス通電工程と、仮接合状態の前記部材を所定の温度条件の下で熱処理する熱処理工程とを含むパルス通電による固体接合方法によって固体を接合するための接合装置に関するものである。
【００２３】
図４を参照して説明すると、本発明による接合装置１０は、前記第１の部材１の接合面１ａと前記第２の部材２の接合面２ａを突合せた状態に保持して、これらの接合面１ａ、２ａを所定の押圧力で押圧可能な押圧手段１１と、突合せ状態の前記接合面１ａ、２ａを外部から強制加熱する外部加熱手段１２と、突合せ状態の前記接合面１ａ、２ａを介してパルス電流を流す通電手段１３と、仮接合状態の前記第１および第２の部材１、２を熱処理する熱処理手段（１２、１４）とを有し、外部加熱手段１２は、接合面に対する局部強制加熱と、突合せ状態の部材に対する全体加熱を行うことが可能であることを特徴としている。この場合には、局部強制加熱と全体加熱を切り換え操作できるようにすればよい。
【００２４】
外部加熱手段１２の発熱体２１は、電気抵抗加熱、マイクロ波加熱、グロー放電加熱、高周波加熱、通電加熱、インパルス加熱、赤外線加熱のいずれか一つまたは組み合わせによる発熱体とすることができる。
【００２５】
また、外部加熱手段１２は、突合せ状態の接合面を取り囲んでいる筒状等の接合部材の形状に見合ったカバー２２と、このカバー２２に内蔵されている発熱体２１とを備えた構成とすることができる。
【００２６】
この場合、外部加熱手段１２は、カバー２２の配置位置および角度の少なくとも一方を調整可能なカバーガイド機構２３を備えていることが望ましい。このようにすれば、接合面位置に対応する位置に発熱体を位置決めすることができる。
【００２７】
次に、押圧手段１１によって突合せ状態に保持された第１および第２の部材１、２が配置される処理室１５を有し、この処理室１５内において接合面に対する強制加熱、押圧および熱処理を行えば、処理効率を高めることができる。
【００２８】
ここで、この場合には、図示の例の場合のように、外部加熱手段１２と熱処理手段を兼用すれば、装置構成をコンパクトで廉価にできる。
【００２９】
この場合、単一電源を備えた前記外部加熱手段を切り換え制御して、前記接合面に対する前記局部強制加熱と、前記熱処理時における全体加熱とを行うようにすればよい。
【００３０】
また、熱処理を真空中などの不活性雰囲気中で行う場合には、処理室１５内を真空引きする真空引き装置１４を配置すればよい。
【００３１】
ここにおいて、図示の例では、押圧手段による加圧方向は接合面に直角な方向であり、パルス通電方向と同一であるが、接合面形状によって加圧方向とパルス通電方向が異なる方向となる場合もある。
【００３２】
通電手段１３は、一対の電極３１、３２とパルス電流供給源３３から構成することができる。大気中で通電を行う場合には、電極コードを用いて接合対象の部材の周囲を挟み、通電を行えばよい。また、電極３１と接合部材２の間、電極３２と接合部材１の間には、通電可能な耐熱耐圧発熱部材を介在させることもできる。このような部材は、カーボン、モリブデンなどを用いて形成することができる。また、このような部材の形状は、一般には電極および接合部材との接合面が平坦なものとされる。しかし、接合部材の端面形状が凸状あるいは凹状、または傾斜した面である場合などには、そのような形状と相補的な形状をした端面を備えた部材とすればよい。
【００３３】
また、薄板状あるいは薄膜状の２枚あるいは複数枚の部材を積層接合する場合には、１組あるいは複数組のローラ対を押圧・通電手段における押圧部材および／または通電部材として用いて、これらの間を通して連続して部材を搬送すればよい。パイプ状の部材を接合する場合には、ボビン状のローラを押圧部材および／または通電部材として用いればよい。さらに、押圧力を各接合面位置において均一に作用させるためには、導電性クッション（コイルばね等）を電極と接合部材の間、あるいは押圧部材と電極との間などに配置すればよい。
【００３４】
なお、本発明は３本以上の部材を同時に接合する場合にも勿論適用することができる。棒状の部材の場合には、直列に複数本突合せた状態で押圧すれば、同時に複数の接合面を接合できる。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、これらを同時に押圧・通電すれば、より多数の接合を同時に行うことができる。
【００３５】
また、押圧方向は１軸方向のみでなく、多軸方向から加えることができる。例えば、直交する方向から接合面に押圧力を加えても良い。あるいは斜め方向から加えることも可能である。
【００３６】
次に、本発明による接合対象の部材は、鉄、鉄系合金、ニッケル、チタン、鋳鉄などの金属、銅、アルミニウム、亜鉛、非鉄合金などの非鉄金属、Ｎｉ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、ペルチェ構造焼結体、ホットプレス焼結体などの粉末焼結体、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、単結晶材などがある。
【００３７】
また、接合部材の形状はどのようなものであってもよく、例えば、バルク上（固体）、薄板状（薄膜状）、パイプ状、波板状、粒状などがあり、同一形状あるいは異なる形状同士を相互に接合することも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のパルス通電による接合装置によれば、従来の方法に比べて接合面の接合強度が改善され、接合部材の母材強度程度の接合強度を備えた強固で確実な接合状態を形成できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルス通電による固体接合方法を示す概略フローチャートである。
【図２】パルス通電による固体接合方法における接合面に形成した薄膜の状態遷移を模式的に示す説明図である。
【図３】パルス通電による固体接合方法における接合面に形成した薄膜の状態遷移を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明のパルス通電による接合装置の概略構成例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
Ｓ０  接合面処理工程
Ｓ１  突合せ工程
Ｓ２  強制加熱工程
Ｓ３  押圧・パルス通電工程
Ｓ４  熱処理工程
１、２  接合部材
１ａ、２ａ  接合面
３、４、６、７  接合面に形成した薄膜
５、５ａ、８、８ａ  接合界面
１０  接合装置
１１  押圧手段
１２  外部加熱手段
１３  通電手段
１４  真空引き装置
１５  処理室
２１  発熱体
２２  カバー
２３  カバーガイド機構
３１、３２  電極
３３  パルス電流供給源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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