JP2010012492A

JP2010012492A - 通電接合方法及び装置

Info

Publication number: JP2010012492A
Application number: JP2008174076A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tsukamoto; 武志塚本; Keiji Kawanaka; 啓嗣川中; Tadashi Kasuya; 忠粕谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-01-21

Abstract

【課題】
通電焼結接合において、雰囲気制御を行うためのチャンバを用いずに、局部的な不活性ガスシールドにより、接合する部材の酸化を抑制する。
【解決手段】
複数の通電可能な部材を接触させて接触面に面圧が生じるように加圧を行った状態で、部材間に通電を行い、接触面及び材料内部の抵抗発熱によって前記部材を加熱し、部材同士を接合する通電接合装置において、雰囲気制御を行うためのチャンバを用いず、部材の接触面の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置したノズルから、接触面近傍の部材表面に向かって不活性ガスを吹き付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として難溶接性金属材料の同種材、及び異種材の通電接合方法及び装置に関するものである。

金属材料の接合方法の中で、接合する部材に加圧下で通電を行い、接合界面の電気抵抗、及び材料内部の電気抵抗によるジュール発熱を利用して材料を加熱し接合する電気抵抗溶接法は、接合部に集中して温度上昇や材料変形が生じるためエネルギー効率が良く、接合時間も短い。このような利点から自動車産業を始めとして幅広く適用されている。

一方で電気抵抗溶接法は、大きな電流密度で急加熱を行う手法であることから、接合界面や部材と電極との接触状態によって加熱挙動が変化し、溶接品質にばらつきを生じることがある。特に接合する面積が大きくなると均質な溶接部を得ることが困難である。また接合部の材料を溶融させて結合する場合がほとんどであり、溶融，凝固に伴って割れや脆性化合物を生じるような溶接性の悪い材料では良好な品質を得ることができない。

このような問題の解決手法として、例えば特許第３５４８５０９号に記載のあるような通電焼結接合法と呼ばれる接合法がある。この方法には、直流の連続通電を行うもの、もしくは直流のパルス通電を行うものがあり、連続通電焼結接合法，パルス通電焼結接合法，パルス通電接合法，放電プラズマ焼結接合法，放電プラズマ接合法などと称されている。図４はこの接合法の基本構成を示した説明図である。接合される部材１１は接合面５を合わせて対向配置された電極１の間に挟まれ、加圧機構４により電極１を介して接合面５に圧力が付与された状態で、接合電源３から通電経路２を介して電極１間に連続電流、もしくはパルス電流、あるいはこれらを組み合わせた電流を流して接合界面を中心に抵抗発熱させる。このときの電流密度は電気抵抗溶接の十数分の一から数十分の一程度である。接合する材料の溶融温度以下の固相温度範囲で加熱を行い、材料の軟化，変形による接合界面の密着と固相拡散現象により接合がなされる。電気抵抗溶接に比べて接合部の加熱速度が小さく、温度上昇に伴って接合面の微小な変形が生じて界面の密着度が上がるため、接合面積が大きくても均質な接合部を得ることが容易であり、また接合する材料の溶融を伴わないため接合による変形が小さい。溶融接合では良好な品質が得にくい難溶接材料の接合にも適する。変形による接合界面の密着と固相拡散現象を利用した接合方法には、ホットプレス法や固相拡散接合法があるが、これらの手法は接合する部材全体を熱処理炉中で均一に加熱するため、接合に要する時間が数時間から数十時間と長く、部材全体が同様に変形するため接合変形が大きい。通電焼結接合法は局部加熱であることから、これらの方法よりも接合に要する時間を短くでき、接合変形も抑制することが可能である。

しかし、従来の通電焼結接合法においても、通電加熱中には接合する材料の酸化を防止するため雰囲気の制御が必要であり、雰囲気制御が可能なチャンバ内に電極を配置し、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気下で接合を行う必要があった。バッチ式のプロセスとなること、接合前，接合後の雰囲気調整に時間を要することから、量産型の製品への適用が難しい欠点を有していた。

特許第３５４８５０９号

本発明が解決しようとする課題は、従来の通電焼結接合において、接合する部材の酸化を防止するため、雰囲気制御が可能なチャンバを必要とし、通電接合に要する時間以外に、雰囲気調整のための時間を要する点である。

第一の発明は、複数の通電可能な部材を接触させて接触面に面圧が生じるように加圧を行った状態で、部材間に通電を行い、接触面及び材料内部の抵抗発熱によって前記部材を加熱し、部材同士を接合する通電接合装置において、雰囲気制御を行うためのチャンバを有さず、部材の接触面の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置したノズルから、接触面近傍の部材表面に向かって不活性ガスを吹き付ける機構を有することを特徴とする。

第二の発明は、複数の通電可能な部材を接触させて接触面に面圧が生じるように加圧を行った状態で、部材間に通電を行い、接触面及び材料内部の抵抗発熱によって前記部材を加熱し、部材同士を接合する通電接合装置において、雰囲気制御を行うためのチャンバを有さず、部材の接触面の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置したノズルから、接触面近傍の部材表面に向かって垂直に不活性ガスを吹き付ける機構を有することを特徴とする。

第三の発明は、複数の通電可能な部材を接触させて接触面に面圧が生じるように加圧を行った状態で、部材間に通電を行い、接触面及び材料内部の抵抗発熱によって前記部材を加熱し、部材同士を接合する通電接合装置において、雰囲気制御を行うためのチャンバを有さず、部材の接触面の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置したノズルから、接触面近傍の部材表面に平行に不活性ガスを吹き付ける機構を有することを特徴とする通電接合装置。

第四の発明は、第一から第三の発明において、部材の周囲に部材の外周面から所定の間隔を隔てて遮蔽物を配置し、前記のノズルから噴出された不活性ガスが部材と遮蔽物の間の空間に充填される構造を有することを特徴とする。

第五の発明は、第一から第三の発明において、部材の周囲に部材の外周面から所定の間隔を隔てて前記ノズルと一体化した遮蔽物を配置し、該ノズルから噴出された不活性ガスが部材とノズルと一体化された遮蔽物の間の空間に充填される構造を有することを特徴とする。

第六の発明は、複数の通電可能な部材を接触させて接触面に面圧が生じるように加圧を行った状態で、部材間に通電を行い、接触面及び材料内部の抵抗発熱によって前記部材を加熱し、部材同士を接合する通電接合方法において、部材の接触面の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置したノズルから、接触面近傍の部材表面に向かって不活性ガスを吹き付け、通電加熱された接触面近傍の部材表面を酸化から保護することを特徴とする。

第七の発明は、複数の通電可能な部材を接触させて接触面に面圧が生じるように加圧を行った状態で、部材間に通電を行い、接触面及び材料内部の抵抗発熱によって前記部材を加熱し、部材同士を接合する通電接合方法において、部材の接触面の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置したノズルから、接触面近傍の部材表面に向かって垂直、もしくは部材表面に平行に不活性ガスを吹き付け、通電加熱された接触面近傍の部材表面を酸化から保護することを特徴とする。

第八の発明は、第六から第七の発明において、部材の周囲に部材の外周面から所定の間隔を隔てて遮蔽物を配置し、前記のノズルから噴出された不活性ガスを部材と遮蔽物の間の空間に充填して、通電加熱された接触面近傍の部材表面を酸化から保護することを特徴とする。

本発明の接合装置及び方法は第一に、雰囲気制御を行うためのチャンバを不要化し、装置構成を簡略化できる利点がある。

本発明の接合装置及び方法は第二に、雰囲気調整に要する時間を不要化し、接合のタクトタイムを大幅に短縮できる利点がある。

第一の形態として、大気による酸化を抑制しながら金属部材同士を接合して接合体を得るという目的を、部材を接触させて接触面に面圧が生じるように加圧を行った状態で、部材間に直流パルス電流による通電を行い、接触面及び材料内部の抵抗発熱によって前記部材を加熱し所定の接合温度まで昇温，保持する過程において、部材の接触面の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置したノズルから、接触面近傍の部材表面に向かって垂直に不活性ガスを連続的に吹き付けることにより実現した。

第二の形態として、大気による酸化を抑制しながら金属部材同士を接合して接合体を得るという目的を、部材を接触させて接触面に面圧が生じるように加圧を行った状態で、部材間に直流パルス電流による通電を行い、接触面及び材料内部の抵抗発熱によって前記部材を加熱し所定の接合温度まで昇温，保持する過程において、部材の外周面から所定の間隔を隔てて遮蔽物を配置し、前記の遮蔽物と一体化され部材の接触面の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置したノズルから、部材と遮蔽物の間に形成された空間に、接触面近傍の部材表面に対して平行に不活性ガスを連続的に吹き付けることにより実現した。

第三の形態として、大気による酸化を抑制しながら金属部材同士を接合して接合体を得るという目的を、部材を接触させて接触面に面圧が生じるように加圧を行った状態で、部材間に直流パルス電流による通電を行い、接触面及び材料内部の抵抗発熱によって前記部材を加熱し所定の接合温度まで昇温，保持する過程において、部材の外周面から所定の間隔を隔てて遮蔽物を配置し、前記の遮蔽物と一体化され部材の接触面の外周に沿って所定の間隔を隔てて対向配置したノズルから、部材と遮蔽物の間に形成された空間に、接触面近傍の部材表面に対して平行に不活性ガスを連続的に吹き付けることにより実現した。

図１は本発明の第一の実施例であって、二つの金属部材を接合する場合の接合部材，電極，接合電源，加圧機構，ノズル，不活性ガス供給源を示した説明図である。１は電極、１１は接合部材、２は通電経路、３は接合電源、４は加圧機構、５は接合面、６はノズル、６１はガス吹き出し口、６２は不活性ガス流、７は不活性ガス供給源、７１は不活性ガス供給経路である。本実施例では接合部材をＳＵＳ４０３、不活性ガスをアルゴンとした。接合部材１１は接合面５を向かい合わせて二つの電極１により保持され、加圧機構４により電極１を介して加圧されている。この状態で、接合面５の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置されたリング形状のノズル６のガス吹き出し口６１から、接合面５近傍の接合部材１１の外周面に向かって、不活性ガス供給源７から不活性ガス供給経路７１を介して供給された不活性ガス流６２を所定の流量で吹き付ける。不活性ガスの流量が安定したのち、接合部材１１を把持する二つの電極１の間に接合電源３から通電経路２を介して電流を流し、部材同士の接触面である接合面５で抵抗発熱させて、接合する材料の固相線温度以下の所定の接合温度まで加熱を行う。加圧機構４により接合面５に付与された圧力と、通電による接合部の加熱により固相状態で拡散接合が達成される。接合後、接合面の断面観察を行ったところ、接合界面に隙間は無く良好に接合されていた。また、接合により得られた継手から試験片を採取して引張試験を行ったところ、母材と同等の引張強さを有していた。

本実施例では、接合する部材をＳＵＳ４０３としたが、他の通電可能な材料であってもよい。部材の数が三つ以上であっても、また部材の材質が異なっても構わない。加圧機構には空圧式，油圧式，電動式，バネ式等の加圧手段を用いればよい。接合する部材に印加する電流は直流パルス，交流パルス、もしくは直流，交流の連続通電や、これらを組み合わせたものを用いることが出来る。なお全ての通電の方向（極性）は反対になっても構わない。不活性ガスは、本実施例で使用したアルゴンのほかに、ヘリウム，窒素等を用いても良い。不活性ガスの吹き出し口は複数の吹き出し口を接合する部材の外周に沿って所定の間隔で配置した形態であっても、連続したスリット状の吹き出し口であっても接合部近傍の部材表面の酸化を抑制することが可能である。接合温度は接合する材料の固相線温度以下であることが望ましいが、接合面に接合に必要十分な面圧が存在する範囲においては、接合界面でごく僅かな溶融が生じても接合は達成される。

図２は本発明の第二の実施例であって、三つの金属部材を接合する場合の接合部材，電極，接合電源，加圧機構，ノズル，不活性ガス供給源を示した説明図である。１は電極、１１は接合部材、２は通電経路、３は接合電源、４は加圧機構、５は接合面、８はノズルと一体化した遮蔽物、８１はガス吹き出し口、８２は不活性ガス流、７は不活性ガス供給源、７１は不活性ガス供給経路である。本実施例では接合部材をＳＵＳ３０４、不活性ガスを窒素とした。接合部材１１は接合面５を向かい合わせて二つの電極１により保持され、加圧機構４により電極１を介して加圧されている。この状態で、接合面５の外周に沿って所定の間隔を隔てて配置された筒形状のノズルと一体化した遮蔽物８のガス吹き出し口８１から、接合面５近傍の接合部材１１の外周面に沿って平行に、遮蔽物８と接合部材１１の外周面との間に出来た空間に向かって、不活性ガス供給源７から不活性ガス供給経路７１を介して供給された不活性ガス流８２を所定の流量で噴出する。不活性ガスの流量が安定したのち、接合部材１１を把持する二つの電極１の間に接合電源３から通電経路２を介して電流を流し、部材同士の接触面である接合面５で抵抗発熱させて、接合する材料の固相線温度以下の所定の接合温度まで加熱を行う。加圧機構４により接合面５に付与された圧力と、通電による接合部の加熱により固相状態で拡散接合が達成される。接合後、接合面の断面観察を行ったところ、接合界面に隙間は無く良好に接合されていた。また、接合により得られた継手から試験片を採取して引張試験を行ったところ、母材と同等の引張強さを有していた。

本実施例では、接合する部材をＳＵＳ３０４としたが、他の通電可能な材料であってもよい。部材の数が二つまたは四つ以上であっても、また部材の材質が異なっても構わない。加圧機構には空圧式，油圧式，電動式，バネ式等の加圧手段を用いればよい。接合する部材に印加する電流は直流パルス，交流パルス、もしくは直流，交流の連続通電や、これらを組み合わせたものを用いることが出来る。なお全ての通電の方向（極性）は反対になっても構わない。不活性ガスは、本実施例で使用した窒素のほかに、ヘリウム，アルゴン等を用いても良い。不活性ガスの吹き出し口は複数の吹き出し口を接合する部材の外周に沿って所定の間隔で配置した形態であっても、連続したスリット状の吹き出し口であっても接合部近傍の部材表面の酸化を抑制することが可能である。本実施例では、ガス吹き出し口から、接合部材の外周面に沿って平行に上方から下方へ向かって不活性ガスを吹き出したが、下方から上方へ向かって吹き出しても同様の効果が得られる。不活性ガスを接合部材の外周面に沿って平行に吹き出すことにより、大気の巻き込みが少なくなり、少ないガス流量で酸化を抑制することができる。接合部材の形状によって、不活性ガスを接合部近傍の接合部材表面に沿って流すことが出来ない場合には、ガス吹き出し口を筒形状の遮蔽物の接合面の外周に沿った位置に設け、不活性ガスを接合面に垂直に吹き付けてもよい。接合温度は接合する材料の固相線温度以下であることが望ましいが、接合面に接合に必要十分な面圧が存在する範囲においては、接合界面でごく僅かな溶融が生じても接合は達成される。

また、図面に記載のように、筒形状の遮蔽物８の長さは接合する部材１１の合計長さよりも短いことが好ましい。その結果、電極と遮蔽物の間の隙間を不活性ガスの排出口とし、接合部を酸化から保護するとともに、装置の大型化を回避できる。

図３は本発明の第三の実施例であって、二つの金属部材を接合する場合の接合部材，電極，接合電源，加圧機構，ノズル，不活性ガス供給源を示した説明図である。１は電極、１１は接合部材、２は通電経路、３は接合電源、４は加圧機構、５は接合面、８はノズルと一体化した遮蔽物、８１はガス吹き出し口、８２は不活性ガス流、７は不活性ガス供給源、７１は不活性ガス供給経路である。本実施例では接合部材をＳＫＤ６１、不活性ガスをヘリウムとした。接合部材１１は接合面５を向かい合わせて二つの電極１により保持され、加圧機構４により電極１を介して加圧されている。この状態で、接合面５の外周に沿って所定の間隔を隔てて上下に配置された一対の筒形状のノズルと一体化した遮蔽物８のガス吹き出し口８１から、接合面５近傍の接合部材１１の外周面に沿って平行に、遮蔽物８と接合部材１１の外周面との間に出来た空間に向かって、不活性ガス供給源７から不活性ガス供給経路７１を介して供給された不活性ガス流８２を所定の流量で噴出する。不活性ガスの流量が安定したのち、接合部材１１を把持する二つの電極１の間に接合電源３から通電経路２を介して電流を流し、部材同士の接触面である接合面５で抵抗発熱させて、接合する材料の固相線温度以下の所定の接合温度まで加熱を行う。加圧機構４により接合面５に付与された圧力と、通電による接合部の加熱により固相状態で拡散接合が達成される。接合後、接合面の断面観察を行ったところ、接合界面に隙間は無く良好に接合されていた。また、接合により得られた継手から試験片を採取して引張試験を行ったところ、母材と同等の引張強さを有していた。

本実施例では、接合する部材をＳＫＤ６１としたが、他の通電可能な材料であってもよい。部材の数が三つ以上であっても、また部材の材質が異なっても構わない。加圧機構には空圧式，油圧式，電動式，バネ式等の加圧手段を用いればよい。接合する部材に印加する電流は直流パルス，交流パルス、もしくは直流，交流の連続通電や、これらを組み合わせたものを用いることが出来る。なお全ての通電の方向（極性）は反対になっても構わない。不活性ガスは、本実施例で使用したヘリウムのほかに、窒素，アルゴン等を用いても良い。不活性ガスの吹き出し口は複数の吹き出し口を接合する部材の外周に沿って所定の間隔で配置した形態であっても、連続したスリット状の吹き出し口であっても接合部近傍の部材表面の酸化を抑制することが可能である。接合温度は接合する材料の固相線温度以下であることが望ましいが、接合面に接合に必要十分な面圧が存在する範囲においては、接合界面でごく僅かな溶融が生じても接合は達成される。

また、図３で遮蔽物を上下に配置しているように、遮蔽物を分割することにより接合面を挟んだ上下の接合部材の双方を均質にシールドすることが可能となる。

自動車分野における機構部品の異材接合，一般産業機械のインペラや油圧回路の形成、鋳造や樹脂成形分野における金型冷却構造の形成に応用が可能である。

本発明の第一の実施例を示す説明図である。本発明の第二の実施例を示す説明図である。本発明の第三の実施例を示す説明図である。パルス通電焼結接合法の基本構成を示した説明図である。

符号の説明

１電極
２通電経路
３接合電源
４加圧機構
５接合面
６ノズル
７不活性ガス供給源
８ノズルと一体化した遮蔽物
１１接合部材
６１，８１不活性ガス吹き出し口
６２，８２不活性ガス流
７１不活性ガス供給経路

Claims

複数の通電可能な部材を接触させた接触面に面圧が生じるように加圧する加圧機構と、前記部材間に通電を行う電極及び電源と、を有し、前記部材間の接触面または前記部材内部の抵抗発熱により前記部材同士を接合する通電接合装置において、
前記部材の接触面の外周に沿って配置され、前記接触面近傍の部材表面に不活性ガスを吹き付ける少なくとも一つのノズルと、を有することを特徴とする通電接合装置。
請求項１に記載された通電接合装置であって、
前記ノズルは、前記不活性ガスを前記部材表面に垂直に吹きつける機構を有することを特徴とする通電接合装置。
複数の通電可能な部材を接触させた接触面に面圧が生じるように加圧する加圧機構と、
前記部材間に通電を行う電極及び電源と、を有し、前記部材間の接触面または前記部材内部の抵抗発熱により前記部材同士を接合する通電接合装置において、
前記部材の表面に沿って不活性ガスを吹きつける少なくとも一つのノズルを有することを特徴とする通電接合装置。
請求項１から３のいずれかに記載の通電接合装置において、
前記部材の周囲に所定の間隔を隔てて配置された遮蔽物を有し、
接合時に前記不活性ガスは、前記部材と前記遮蔽物の空間に充填されることを特徴とする通電接合装置。
請求項４に記載の通電接合装置において、
前記遮蔽物は前記ノズルと一体化された構造を有することを特徴とする通電接合装置。
請求項４に記載された通電接合装置において、
前記遮蔽物は筒形状を有し、前記筒の長さは、前記接合する部材の合計長さよりも短いことを特徴とする通電接合装置。
請求項４に記載された通電接合装置において、
前記遮蔽物は筒形状を有し、前記遮蔽物の両端部近傍に前記ノズルを有することを特徴とする通電接合装置。
複数の通電可能な部材を接触させ、接触面に面圧が生じるように加圧を行い、加圧された状態の前記部材間に通電を行い、前記部材間の接合を行う通電接合方法において、
前記接合時に部材の接触面に部材外周側より不活性ガスを吹き付けることを特徴とする通電接合方法。
請求項８に記載された通電接合方法において、前記不活性ガスは、前記少なくとも二つの部材の表面に略垂直に吹きつけることを特徴とする通電接合方法。
複数の通電可能な部材を接触させ、接触面に面圧が生じるように加圧を行い、加圧された状態の前記部材間に通電を行い、前記部材間の接合を行う通電接合方法において、
前記接合時に前記部材に沿って不活性ガスを流すことを特徴とする通電接合方法。
請求項８ないし１０のいずれかの通電接合方法において、
前記部材の外周面から所定の間隔を隔てて配置された遮蔽物と前記部材との間に、前記不活性ガスを流すことを特徴とする通電接合方法。