(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空雰囲気で、相対して配置した接合材をヒータまたは低周波誘導加熱で全体を加熱保持後、高周波通電加熱または高周波誘導加熱で、接合面の一方の表層部を接合材のベーパ温度域にし、接合面の他の一方の表層部を溶融温度域にして両接合面を密着加圧して接合するか、または密着後一定温度に保持して接合することを特徴とする耐熱合金の接合法。
【請求項２】
真空雰囲気で、相対して配置した接合材をヒータまたは低周波誘導加熱で全体を加熱保持後、高周波通電加熱または高周波誘導加熱で、接合両面の表層部を接合材のベーパ温度域にして、接合面を密着加圧した後、一定温度に保持して接合することを特徴とする耐熱合金の接合法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐熱合金や異材の接合法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンブレードなどに使用されている耐熱合金の接合は、電子ビーム溶接，レザー溶接，拡散溶接等で接合している。拡散溶接を除きいずれも融接であるため接合材の組織を破壊し特性が劣化する。また接合割れが発生しやすいため接合材が限定される。一方拡散接合は拡散を促進させるためインサート材を挟み接合するのが一般的に行われている。このため接合特性は接合材に比べ劣る。またボイドを皆無にすることはできず疲労特性を著しく劣化させることがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、溶接部の特性劣化や接合による割れがない接合法及び装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、第１〜第３の発明は、真空（減圧）雰囲気において、高周波通電加熱または高周波誘導加熱で接合両面の表層部を溶融温度または接合材のベーパ(合金接合材では少なくとも形成元素の一元素以上がベーパする)温度域に加熱し、接合両面を密着加圧して接合することを特徴とする接合法である。
【０００５】
また接合面の一方を接合材のベーパ温度域にし、他の一方の接合面の表層部を溶融させ両接合面を密着加圧して接合するか、または密着後一定温度に保持して接合することである。また接合両面の表層部を接合材のベーパ温度域にして、接合面を密着加圧した後、一定温度に保持して接合することである。
【０００６】
第４〜第５の発明は上記手段を達成するための接合装置である。接合チャンバを減圧するための排気装置を備え、減圧されたチャンバをアースとしたチャンバ内にカーボンと絶縁体で保持された接合材を相対して配置し、さらに接合表層部を高周波通電により溶融させるためのカーボン電極または水冷された導体電極を備え、このカーボン電極に高周波電流を流すためのマッチング装置と高周波電源を備え、また接合材の周囲には接合材全体を加熱するためのヒータまたは低周波誘導コイルを備え、また接合材に荷重を加えるための荷重負荷装置を備え、それぞれの装置を総括的に制御する装置とから構成されたことを特徴とする接合装置である。また接合表層部を加熱する手段は上記高周波通電加熱と接合材の間に挿入と取り出しのできる偏平高周波誘導コイルを挿入して接合表層部を高周波誘導加熱する。
【０００７】
一般に耐熱合金等の接合材を融接法で最も熱影響の狭い(約６mm溶融部も含む)電子ビーム溶接で接合しても熱影響により接合部の機械的性質は一般に劣化する。また拡散接合でもインサート材による組成の変化やボイド等の影響で接合材より機械的性質は低下する。そこでこれらの問題を解決するため本発明では高周波の表皮効果を利用している。高周波の浸透深さは周波数の平方根に反比例し高周波電流の浸透深さは浅くなる。例えば工業用に認可され一般的に使用されている１３.５ＭＨｚ の周波数でステンレス鋼の浸透深さ（約８０％の高周波電流が流れる表面から深さ）は約０.１mm である。これは表面から浅い範囲を急速に加熱することができることを示している。そこで本発明の第１〜第３では真空中で接合面の表層部を高周波の表皮効果による通電加熱や誘導加熱により接合表層部を溶融させた後、密着加圧して接合するため熱影響の劣化範囲を著しく少なくすることができる。また真空中で接合前に接合面を溶融するため接合面はベーパすると、大部分の酸化物は分解されるため接合面は清浄化される。したがって接合部のボイドなどの接合欠陥を皆無にすることができる。また接合面に加工精度は加圧接合することにより溶融物が廃出されるため加工精度は拡散接合のような密着面の精度は必要としない。また接合表層部の一方を溶融させ他の一方をベーパ温度域に加熱し、両接合面を密着加圧して接合することにより、より熱影響部を少なくすることができる。また両接合表層面をベーパ温度域に加熱清浄化し両接合面を密着加圧し一定の温度に保持して拡散接合することにより、ボイドの少ない接合部が得られる。
【０００８】
本発明の特徴である接合部の溶融層をできるだけ少なくして接合する手段として本発明第４〜第５の発明により解決している。具体的な加熱法は接合材をカーボン電極または水冷した導電性電極で接合材を挟み高周波電流を直接流す抵抗加熱または渦巻き偏平コイルを接合材の間に挿入し誘導加熱することで達成できる。接合材を挟み高周波電流を直接流す抵抗加熱では圧着まで通電抵抗加熱できるため溶融層の温度低下はない。しかし接合材の間に渦巻き偏平コイルを接合材の間に挿入し誘導加熱する方式では加熱後コイルを接合材の間から移動しなければならないため温度が低下する。極力温度低下を少なくするため接合材の間からコイルを瞬時に移動できる手段としてエヤーシリンダでコイルを移動することで解決できる。また耐熱鋼などは融接で急冷すると、高温割れや低温割れが発生しやすい。これを防止するため接合材全体を加熱するため接合材の回りにヒータまたは低周波誘導コイルを配置し温度を制御する装置を具備することにより急冷を防止している。また接合面の高周波加熱後圧着するまでの温度低下を少なくするための効果もある。圧着荷重を加える装置は高速油圧荷重負荷装置，高速モータ駆動荷重負荷装置により加熱後の溶融層の温度低下を防止している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の実施例について図１および図２を用いて詳細に説明する。図２に本発明の高周波抵抗加熱式の装置構成を示す。また図１には接合プロセスを示す。接合材１ａ，１ｂを高周波抵抗加熱するためのカーボン電極２ａ，２ｂ（または水冷された導電性電極）を接合材１ａ，１ｂに配置し、この電極には高周波電源４ａ，４ｂからの高周波電力を接合材表層部に効率的に供給するためのマッチング装置３ａ，３ｂが接続されている。また接合材に荷重を加えるための荷重負荷装置５，荷重を伝達するためのシリンダ６，シリンダには高周波電流がチャンバアース２０に流れるのを防止するためセラミックの絶縁板７とカーボンなどの耐熱材料８が具備されている。また接合材表層部の温度を検出して高周波の出力を制御するための温度センサ９ａ，９ｂと制御装置１０ａ，１０ｂから構成されている。また接合材全体を加熱し冷却をコントロールするための装置は制御装置１１とヒータ１２，温度センサ９，防熱板１５からなり、ヒータは接合材全体を加熱できるように配置されている。またこの全体加熱は低周波誘導加熱でも同じ効果が得られる。また高周波，ヒータ，荷重装置を総括的に制御する制御装置１３から構成されている。つぎに本装置を用い粒子分散強化型耐熱合金を接合した例を詳細に説明する。接合に用いた接合材の成分はＣ：０.０５％,Ｃｒ：２１％，Ｔｉ：２.４％，Ａｌ：１.６％，Ｙ2Ｏ3：１.３％，Ａｌ2Ｏ3：１.２％，残Ｎｉ、接合材の形状は５０×５０×７０mm、また高周波の周波数は１３.５ＭＨzを用いた。図１に接合プロセスを示す。（１）はチャンバを２×１０~3Ｐａまで排気する。(２）は接合材全体を８００℃に加熱し保持する。(３）高周波電力を接合材に供給し接合材表層部を約２sec で溶融させる。(４）荷重(５kgｆ／mm2)加え密着してから高周波の通電を止める。（５）冷却速度は５００℃／ｈに制御しながら室温まで冷却する。以上のプロセスで接合した結果、熱影響部（融接部も含む）は約０.５mm であった。これは電子ビーム溶接法の熱影響部（約６mm溶融部も含む）の１／２０である。また機械的性質は引張り強さ，疲労寿命いずれも接合材で破断し接合材と同等であった。また割れやボイドなどは認められなかった。機械的性質が接合材と同等の特性が得られたのは本発明の特徴である熱影響が狭いためである。次に接合材の一方の表層部を溶融させ、他の一方の表層部を溶融点以下の１３５０℃に加熱し密着接合した結果熱影響部は約０.３mm になりさらに改善された。なお機械的性質は接合材と同等であった。また接合材全体を接合材の組織破壊が起こらない温度１１００℃に一定に保持後、接合材の両面を高周波で１３５０℃に加熱（接合材のニッケル，クロームは１３５０でベーパ温度範囲にはいる）し接合面をベーパ清浄化した後、一定の荷重（８kgｆ／mm2)で加熱密着保持し、１１００℃で１時間保持して拡散接合した。従来の拡散接合は一般にインサート材の影響やボイドのため疲労寿命が接合材に比べ悪い。しかし本発明の拡散接合では接合材と同等の値が得られた。
【００１０】
（実施例２）
図４に本発明の渦巻き偏平コイルによる高周波誘導加熱式の装置構成を示す。また図３に接合プロセスを示す。図４で接合材を高周波誘導加熱するための渦巻き偏平コイル１６ａを接合材１ａ下部に配置し、また渦巻き偏平コイル１６ｂは下部接合材１ｂの上部に配置し、これらの渦巻き偏平コイルに、それぞれ独立した高周波電源４ａ，４ｂと高周波電力を接合材表層部に効率的に供給するためのマッチング装置３ａ，３ｂが接続されている。またそれぞれの渦巻き偏平コイルには接合材を加熱後加熱面から移動させるためのエヤーシリンダ１７とエヤーシリンダ駆動装置１８が配置されている。その他、温度検出と制御，全体加熱，荷重負荷機構等は実施例１と構成は同じである。つぎに本装置を用い銅とアルミニウムの異材の接合例を詳細に説明する。実施例の銅とアルミニウムの接合材形状はいずれも５０×５０×７０mm、高周波の周波数は１３.５ＭＨｚ を用いた。接合材の配置はアルミニウムを上部に、銅を下部に配置した。図に接合プロセスを示す。（１）はチャンバを２×１０~3Ｐａまで排気する。（２）は接合材全体を４００℃に加熱し保持する。（３）銅とアルミニウムの表層部を約２sec で溶融（渦巻き偏平コイルの高周波出力を自動制御）。（４）高周波の出力を停止させた後、温度の低下を少なくするためできるだけ早く（種々実験した結果約１sec 以内）渦巻き偏平コイルの移動と荷重（３kgｆ／mm2 ）加え密着接合する。(５)接合後冷却速度を５００℃／ｈに制御しながら室温まで冷却する。以上のプロセスで接合した結果、不要な溶融物が廃出されるため金属間化合物層は０.０１mm 以下にできた。また割れは認められなかった。なお実施例１の材料について本方式で接合したがほぼ同じ結果が得られた。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、真空中（減圧雰囲気）で接合表層部を溶融またはベーパ温度以上に加熱後、両接合面を密着加圧することにより熱影響部（融接部を含む）を電子ビーム溶接の１／２０にすることができる。従って従来融接が困難とされた耐熱合金でも機械的性質は接合材と同等の値が得られる。また接合後の冷却速度を制御できるため接合割れも防止できる。また異材の接合では脆い金属間化合物層を大幅に狭くできるので接合割れも防止でき、十分実用に耐え得る接合部が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波抵抗加熱による接合プロセスを示す説明図。
【図２】本発明の高周波抵抗加熱式の装置構成を示す説明図。
【図３】本発明の渦巻き誘導コイル加熱による接合プロセスを示す説明図。
【図４】本発明の渦巻き誘導コイル式の装置構成を示す説明図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…接合材、２ａ，２ｂ…高周波通電電極、４ａ，４ｂ…高周波電源、１１…全体加熱の温度制御部、１２…ヒータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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