JP6506395B2 - 金属パーツを突合せ接続するための加熱接合法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
この出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１４年８月１３日に出願された米国出願第１４/４５９,０３２号に対して優先権の利益を主張するものであり、その内容は参照することにより本明細書に全て組み入れられる。

参照による引用
本明細書に引用される全ての特許、特許出願、および公報の内容は、本明細書に記載された発明の出願時に当業者に知られている技術内容をより完全に記載するために参照することにより全て組み入れられる。

この出願の技術内容は概して金属の接続（;joining）に関する。具体的には、本発明は固相接合（;bonding）技術に関する。この技術方法は金属の全長を端部同士で突合せ接続するために使用され得る。具体的には、この技術方法は、高速度鋼、金属又は金属合金の突合せ接合に関し、その構造はフラッシュ突合せ溶接法又は上記溶融状態にまで材料を加熱する他の溶接法に変えられる。

フラッシュ突合せ溶接は、一列に端部同士を並べ次いで電子的に荷電される金属全長を接続し、セグメントの端部同士を溶融し溶接する電気アークを生成して、突合せ溶接を得るための技術である。金属材の端部は溶融工程の間に据込みされ（又はアップセットされ;upset）、それによって界面から溶融材料のほとんどを除く。これにより、固化材の界面のまわりに“フラッシュ（又はバリ;flash）”が生成される。

加熱および溶融は界面での材料の微細構造および性質を変える。溶接領域に加え熱影響ゾーン（ＨＡＺ）が溶接部の近傍に形成される。熱影響ゾーンは溶接工程の間に溶融されない基材の領域であるが、溶接操作によりその微細構造および性質が変えられる。突合せ溶接は、典型的にはＨＡＺを軟化させるためのアニーリング（又は焼鈍し;annealing）サイクルを供するが、元の状態に材料を戻すことはできない。更に、追加の工程が過剰な時間、費用、およびプロセスの複雑化をもたらす。その結果、ＨＡＺはバルク材のようなものとはならず、それによって典型的には後刻の処理操作に対するダメージを回避するためにタグ付けされて除去される必要がある。

熱影響域の形成（金属同士中ではこれが問題である）を完全に回避し、金属パーツ間に固相接合部を形成する接続方法を説明する。この方法は、熱影響ゾーン（ＨＡＺ）が常時存在し望ましくない従来のフラッシュ突合せ溶接に代わり得る。

一実施形態では、金属ピースを固相接合する方法は、第１金属ピースの第１エッジと第２金属ピースの第２エッジとをエッジ同士の接触で固定する（又は取り付ける;secure）工程；第１金属ピースおよび第２金属ピースを第１の据込みに付す工程；接合部のいずれかの側にて所定距離離隔した位置に接合金属ピースを再固定する工程；および接合金属ピースを第２の据込みに付す工程を含む。第１金属ピースと第２金属ピースとは金属ピースのエッジから所定距離離隔した位置に固定されている。第１の据込みに付す工程は、第１金属ピースおよび第２金属ピースの溶融温度の０．３５〜０．９５の範囲の温度に第１エッジおよび第２エッジを加熱することと、第１金属ピースおよび第２金属ピースに第１軸力を加えて、第１エッジおよび第２エッジに一体的にエッジ同士の接触で金属を据え込ませ、接合部を形成することとを含む。第２の据込みに付す工程は、固定位置間の接合金属ピースを金属の溶融温度の０．３５〜０．９５の範囲の温度に加熱することと、接合金属ピースに第２軸力を加えて接合金属ピースを据え込ませ、固相接合部を形成することとを含む。

１つ以上の態様では、工程（ｄ）の据込みを１回以上繰り返す、工程（ｄ）の据込みを１〜６回繰り返す、又は工程（ｄ）の据込みを１回又は２回繰り返す。

上記のいずれかの態様では、金属が鉄合金、ニッケル合金、又はチタン合金である。

上記のいずれかの態様では、金属が鉄合金であり、温度が、鉄−炭素線図における変態温度未満であり、例えば温度がオーステナイトの形成のための温度未満である。

上記のいずれかの態様では、鉄合金が、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、高合金鋼、ステンレス鋼、および工具鋼から成る群から選択される。

上記のいずれかの態様では、離隔距離が、金属ピースの厚さ又は径の１〜３倍、１〜２倍、約１．５倍、又は１．５倍である。

上記のいずれかの態様では、１よりも多いファクター、２つのファクター、３つのファクター、４つのファクター、５つのファクター、又は約１〜１０のファクターにより軸力が離隔距離を減じる。

上記のいずれかの態様では、第１金属ピースおよび第２金属ピースを、抵抗熱、高温ガス、又は他の手段により加熱する。

上記のいずれかの態様では、第１金属ピースおよび第２金属ピースをダイ対を用いて固定する。

上記のいずれかの態様では、軸力を加えることが、相互に離隔した位置の第１の位置から第２の位置までダイ対を移動させることを含む。

上記のいずれかの態様では、ダイ対がタングステンカーバイド又はＨ−１３等の高温鋼から成る。

上記のいずれかの態様では、ダイ対が加熱され、例えばダイ対が、直流電気抵抗熱回路のための伝導性パスを有して成る。

上記のいずれかの態様では、係合状態および係合解除の状態にダイ対を移動させるように動作可能に接続させた液圧シリンダーを用いて軸力を加える。

上記のいずれかの態様では、接合前に、インジケーター要素又は保護コーティングで金属エッジを被覆し、例えばコーティングは、液体又は気体フラックス又ははんだである。

上記のいずれかの態様では、金属同士が同じ又は異なる。

上記のいずれかの態様では、金属エッジが、同じサイズおよび/若しくは形状又は異なるサイズおよび/若しくは形状から成る。

上記のいずれかの態様では、金属ピースの固相接合方法が、固相接合金属ピースを転がす又は型抜きすることを更に含み、金属ピースの厚さがクラッキング又は接合不良無く減じられる。

上記のいずれかの態様では、金属ピースの固相接合方法が、固相接合金属ピースを鋸刃内に組み込むことを更に含む。

上記のいずれかの態様では、金属ピースの固相接合方法が、固相接合金属ピースを不良無く荷重ケーブル内に組み込むことを更に含む。

別実施形態では、金属ピースを固相接合する方法は、金属接続部のいずれかの側にて所定距離離隔した離隔位置に接合金属ピースを固定すること；金属ピースの溶融温度の０．３５〜０．９５の範囲の温度に２つの離隔位置間の接続部を加熱すること；および接続金属ピースの軸に沿って軸力を加えて、接続部にて金属を据え込んで、固相接合部を形成することを含む。

１つ以上の態様では、温度が金属の変態温度未満である。

別実施形態では、金属ワークピース内の欠陥部を修正する方法は、金属ワークピースの欠陥部の両側であって該欠陥部から離隔した位置に金属ワークピースを固定すること；金属の溶融温度の０．３５〜０．９５の範囲の温度に固定位置間の欠陥部領域を加熱すること；および金属ワークピースの軸に沿って軸力を加えて、欠陥部領域内に金属を据え込み、欠陥部領域から欠陥部を移動させることを含む。

１つ以上の態様では、温度が金属の変態温度未満である。

別実施形態では、固相接合されたワークピースは、第１微細構造を有し、固相接合部を有して成る鉄合金のワークピースを有して成り、固相接合部が、第１微細構造とは異なる結晶相の非存在および第１結晶相構造の硬度の０．７５〜１．２５の範囲の硬度により特徴づけられる。

１つ以上の態様では、鉄合金が、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、高合金鋼、ステンレス鋼、および工具鋼から成る群から選択される。

更に別実施形態では、固相接合部の形成のための装置は、第１および第２ダイ対；各ダイ対を支持し、開口位置と接触位置との間での前後の相対的な移動を供するためのサポート；係合状態および係合解除の状態に第１および第２のダイ対を移動させるためのサポートに動作可能に接続され、金属を塑性的に変形させて所望の据込み変形を達成するために十分な力を適用可能な液圧シリンダー；ワークピースを加熱するためのダイ対に操作可能に接続された抵抗ヒーター；および少なくとも２つの加熱工程および据込み工程を有する接合操作を実行するための指示を有する制御システムを有して成り、各ダイ対がワークピースを把握して係合するように適合させた対向面を有する。

１つ以上の態様では、当該装置が、加熱および据込みの間にマテリアルのバックリングを抑制するように適合させたワークピース係合部位に拘束デバイスを更に有して成る。

１つ以上の態様では、当該装置が、第１および第２ダイ対の位置付けのためのサーボモータを更に有して成る。

本開示のこれらおよび他の実施形態と態様とを下記に例示し説明する。

下記の図面を参照して本発明を説明する。下記の図面は例示のみの目的のために示され、限定することを意図していない。

図１Ａは、本発明の１以上の態様による突合せでかつスリップ無しのクランプで固定され、電気的接触で固定される２つの金属ワークピースの側面図である。 図１Ｂは、据込み前の線分Ａ−Ａに沿った接合界面の概略断面図である。 図２は、本発明の１以上の態様による加熱工程の正面図である。 図３は、本発明の１以上の態様による固相接合の第１据込み工程の正面図である。 図４Ａは、本発明の１以上の態様による第１据込み後の後続のダイの再セットおよび加熱工程の正面図である。 図４Ｂは、据込み後の線分Ｂ−Ｂに沿った接合界面の概略断面図である。 図４Ｃは、本発明の１以上の態様による据込み材のフラッシュに形成された切込みの概略図である。 図５は、本発明の１以上の態様による固相接合の第２据込み工程の正面図である。 図６Ａは、本発明の１以上の態様による第２据込み後の後続のダイの再セットおよび加熱工程の正面図である。 図６Ｂは、２つの据込み後の線分Ｃ−Ｃに沿った接合界面の概略断面図である。 図７は、本発明の１以上の態様による固相接合の第３据込み工程の正面図である。 図８Ａは、本発明の１以上の態様による後続のダイの再セットおよび加熱工程の正面図である。 図８Ｂは、３つの据込み後の線分Ｄ−Ｄに沿った接合界面の概略断面図である。 図８Ｃは、本発明の１以上の態様による後続の据込み後の一連の切込みの斜視図である。 図９は、本発明の１以上の態様による切込みの無い、第１、第２、第３据込み工程により接合されたＡＢＣＩＩＩワイヤー全長の一連の写真図である。 図１０Ａは、本発明の１以上の態様による加熱接合を実施するための接合装置の正面図である。 図１０Ｂは、本発明の１以上の態様による接合装置の線分Ａ−Ａに沿った端面図である。 図１１Ａは、本発明の１以上の態様による６つの据込み段階で加熱接合に付される長手方向の切断ワイヤーの写真図（３．５倍）である。 図１１Ｂは、図１１Ａの接合領域の第２部分の拡大図（１２９０倍）である。 図１１Ｃは、図１１Ａの接合領域の第１部分の拡大図（１００倍）である。 図１２は、硬度測定値が表示される位置での図１１Ａの長手方向の切断ワイヤーの写真図である。 図１３Ａは、本発明の１以上の態様による砂時計形状の接合域を示す線図である。 図１３Ｂは、本発明の１以上の態様による砂時計形状の接合域を示す写真図である。

金属間に固相接合部を形成する接続工程を説明する。当該接合部は、異質な汚染物質の無い完全な（又はきれいな;clean）境界フリーを供し、接合部にわたって均一な微細構造を有する。当該方法は、断面領域を横切るように例えばロッドおよびワイヤー等の金属の長尺部を接続するのに適当である。当該接合方法は金属の連続的な全長部（又は尺部;lengths）を形成するために使用され得る。

一態様では、２つの金属ピースの金属セグメントの端部を突き合わせて、材料の融点未満で加熱する。具体的には、温度を金属の変態温度未満に維持する。変態温度未満の維持は接合相中に金属の元の微細構造を保つ。２つの金属ピースの界面に据込み（又はアップセット;upset）例えば長さの低減および幅の増大を生じさせるのに十分に大きい加熱セグメントに、軸力（又は軸方向の力;axial forces）を加える（又は適用する;apply）。当該軸力は金属セグメント端部を加熱する前、加熱する間、又は加熱した後に適用され得る。加熱金属は軟化し、適用される軸力の圧力で全ての元の表面材料が除外される（expelled）まで２つの当接する金属端部セグメントの元の界面から材料が半径方向に出される（forced out）。形成物はセグメント間に原子レベルでいかなる異質な汚染物質の無い固相接合部となる。金属は遷移温度に到達しないため、接合部および周囲領域は元の微細構造を保持する。各加熱および軸力圧縮（又は加圧;compressing）はまとめて“据込み”又は“据込み段階”と呼ばれる。

図１〜８を参照して当該方法の実施態様を説明する。図１Ｂは接合前の２つの金属ピース１１０、１２０の側面図である。完全にハッチの無い表面は、接合ライン位置にて２つの金属ピース間に接合がないことを示している。金属ピース１１０の終端部１１１が金属ピース１２０の終端部１２１に隣接し、界面１３０で接触するように、金属ピース同士はエッジ同士が突合う（又は当接する;abutting）関係で位置付けられる。固相接合部は金属ピースの２つの接触エッジ間に形成される。当該方法は、チタンニッケル合金に加えて低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、高合金鋼、ステンレス鋼、および工具鋼等の鉄（第１鉄;ferrous）金属を含む、様々な金属を接続するために使用され得る。当該方法により、工具鋼等の硬金属の接続という具体的な活用が得られる。工具鋼は、その硬性、保持およびエッジ能力、および/または高温での変形耐性により工具に導入に良く適する炭素および合金鋼を含む。１つ以上の態様では、金属は高炭素鋼又は高速鋼を含む。金属同士は同じ又は異なり得るが、典型的には金属同士は同じである。

金属は、第２表面に接合され得る存在表面を有する任意の形態又は形状であり得る。金属ピースは、典型的にはワイヤー、ロッドおよびフラット等の長尺部である。突合せ（又は当接;abutting）終端部の断面領域は同一であることは要求されない。しかしながら、サイズが著しく異なる金属ピースは加熱、冷却および固化にて差異をもたらし、接合工程に影響をもたらす。１つ以上の態様では、突合せ終端部の断面領域は略同一である。例えば、２つの領域は２５％、２０％、１５％、１０％、５％、又は１％以下の違いである。

金属ワークピースは任意の特定の寸法又は径に限定されない。しかしながら、金属ワークピースは、適用される特定の金属および温度に応じて金属ワークの寸法又は厚さに実際的な上限を設けることが可能な厚さ（又は径）にわたり望ましくは加熱される。又、ワークピースの寸法は、加熱金属パーツを加圧するための利用可能な液圧の実際的な上限により拘束され得る。

特定の態様では、金属のエッジは界面から除かれ、完全な（又はきれいな;clean）金属表面が接合部位に表れるため、金属は特別な処理無しで使用され得る。例えば実施例２〜４を参照の事。他の態様では、金属エッジは接続前に清浄される。例えば、金属端部は液体又は気体フラックスで被覆され得る。更に他の態様では、（上記に示すような処理済みの又は未処理の）金属エッジを、加熱の間に金属の酸化を回避するために銀はんだ等の酸化バリアでろう付け（又はブレイズ;braze）し得る。例えば実施例１を参照の事。

各金属ピース例えばワイヤーの端部はダイ内に固定され、ダイの端部をこえて短距離延在する。金属ピース１１０、１２０はダイ１１５、１２５でそれぞれダイ内に固定される。ダイ１１５、１２５は、操作間に滑らない十分なグリップを用いて所定箇所にて金属ピースを保持し、ワークピースを把握して係合可能な表面を含み得る。図１Ａは、クランプ圧１４０を用いてワイヤー端部の周りに固定されたダイを示す。軸力を適用する際に金属ピースが滑らないように例えばクランプすることによって、ダイは固定される。更に、ダイは、操作中に加熱工程を調整するのに役立つヒーターとして機能し得る。クランプ機能を有するダイは、タングステンカーバイド又はＨ−１３等の高温鋼から成り得る。据込み前の軸方向に適用される力をクランプ装置に加え、それによって金属ピースの端部を堅く一体的な状態にし得る。

次工程では、金属ワークピースの突合せ端部を溶融温度（Ｔ_ｍ）未満の温度まで加熱する。当該温度は、金属を、金属が軟化し塑性流動可能なポイントの状態にするように選択される。１つ以上の態様では、金属ワークピースを０．３５〜０．９５Ｔ_ｍにまで加熱する。１つ以上の態様では、０．３５Ｔ_ｍよりも高い、０．４Ｔ_ｍよりも高い、０．４５Ｔ_ｍよりも高い、０．５Ｔ_ｍよりも高い、０．５５Ｔ_ｍよりも高い、０．６Ｔ_ｍよりも高い、０．６５Ｔ_ｍよりも高い、０．７Ｔ_ｍよりも高い、０．７５Ｔ_ｍよりも高い、０．８Ｔ_ｍよりも高い、０．８５Ｔ_ｍよりも高い、０．９Ｔ_ｍよりも高い、又は０．９５Ｔ_ｍ以下の温度まで、又は本明細書に開示された範囲のいずれかにより境界づけされた温度範囲で金属ワークピースを加熱する。１つ以上の態様では、金属は第１鉄材料であり、例えば第１鉄合金である。鉄金属および第１鉄合金は、金属が相変化を受ける変態温度により特徴づけられる。鋼につき、変態温度は、オーステナイトが温度上昇で形成開始する鉄−炭素ダイアグラム（又は線図又は相図又は状態図;diagram）における温度である。鋼ワークピースが変態温度未満に維持される場合、鋼合金の鉄−炭素微細構造は変化しない。１つ以上の態様では、第１鉄金属ワークピースを変態温度未満の温度に加熱する。例えば、第１鉄金属ワークピースをオーステナイト形成のための変態温度未満の温度に加熱する。金属ワークピースの構成金属の変態温度未満の温度を維持することで、接合領域は熱影響ゾーンを有しない。熱影響ゾーン（ＨＡＺ）は、微細構造および機械的性質が熱により変えられる接合領域の外側のベース金属の部分である。この変化は、ベース材の強度を減じるストレスを生じさせ、壊滅的な損害につながり、有害であり得る。接合領域を変態温度未満の温度で加熱するため、熱影響ゾーンは見つからない。

図２は、領域２５０の加熱下での金属ワークピース１１０、１２０の端部セグメントの断面図である。金属を軟化する温度にまで金属端部セグメントは望ましくは加熱される。第１鉄材の場合、金属端部セグメントは、金属を軟化するが金属の材料変態温度未満に維持する温度にまで加熱され得る。例えば、高速鋼は、１３００°Ｆよりも高い温度で相転移を受ける。約１１００〜１３００°Ｆの加熱温度は、１つ以上の態様により高速鋼の処理のために使用され得る。他の第１鉄金属の変態温度は、炭素レベルおよび他の合金元素の存在に少なくとも部分的に依存して変化する。変態温度に基づく適当な温度の選択は、関与する（又は影響のある又は関心のある;interest）材料の変態温度に関する利用可能な情報の基づき為され得る。加熱は、金属ワークピースの突合せセグメントを直接加熱することで、又はワークピース端部を固定するダイを加熱することで為され得る。ワイヤーは、抵抗熱又は他の手段、例えばガストーチ等により加熱され得る。例えばレーザー加熱等の金属加熱のための他の標準的な方法も考慮される。１つ以上の態様では、ダイを加熱して、クランプされたワイヤーに熱を伝える。ダイは、電気抵抗加熱等の任意の標準的な手段を用いて加熱され得る。ある特定の態様では、ダイは、ダイ本体に挿入される電気カートリッジヒーターによって加熱される。

１つ以上の態様では、ダイを予熱する。小さな径のワイヤーのため、ダイのヒートシンク容量がダイ加熱により減じられ得る急な温度勾配をもたらし得る。ダイを予熱することで、ヒートシンク効果が減じられる。他の態様では、ダイがバリ（又はフラッシュ;flash）厚さを減じるために予熱され得る。最終のバリ厚さは少なくとも部分的にダイ温度の関数となる。ダイの加熱がバリ厚さを減じる。例えば、非加熱ダイにクランプされ、約１０００°Ｆに加熱された０．２００’ ’径の高速鋼のロッドにつき、バリ厚さは約０．８ロッド径である。約１２００°Ｆ（約６５０度）に加熱された例えばタングステンカーバイドダイ等の加熱ダイ内の同じロッドでは、約０．２ロッド径のバリ厚さが生成され得る。

加熱されるワイヤーの端部セグメントが任意の特定の長さから成ることは要求されないが、ワイヤーの延在長さは、ワイヤーの加熱時の圧力でワイヤーが歪んだり又は曲がったりする程大きくあるべきではない。同様に、ワイヤーが据込みされる際に界面にて十分な量の汚染材料が径方向に出されるように、ワイヤーの延在長さは十分な量の材料を供するのに十分であるべきである。不十分な量の材料は閉じ込められた（entrapped）汚染物質をもたらし、それによって接合部を妨げる。特定の態様では、各ワイヤーは、ダイから径の約１〜３倍、１〜２倍、約１．５倍又は１．０倍の距離分延在して、ダイがワイヤー径の約２〜６倍相隔てられる、又は上記に示した値のいずれかにより境界づけられる任意の範囲まで延在する。１つ以上の態様では、ダイは、接続領域の周囲に拘束クランプ又は拘束リングを位置付けることにより更により長い距離に位置付けられ得る。拘束リングは軸圧の適用の間に金属ワイヤーセグメントのバックリングの抑制に役立つ。このデバイスによりダイが更に相隔てられ、それによってより大きな容積の金属が界面から径方向に流れ出ることを可能にする。その結果、より多くの汚染物質が１つの据込み部での界面から除かれ、許容可能な接合部を供するために必要とされる全体の据込み部の数が減じられる。

図２は、ワイヤー径の３倍の典型的な距離を示す。例えば、各ワイヤーはダイを越えて径の約１．５倍延在する。加熱ゾーン２５０は、ダイのエッジから離隔するように示され、ダイのヒートシンク性によるダイ近傍の予想される熱勾配を示すが、加熱ゾーンがダイから離隔することを示すことを意図していない。

金属ワークピースが同じ形状又は径ではない場合、ダイサポートに対する各端部セグメントの間隔が固定される特定のワークピースに適するように、当該距離がこれらの違いを考慮するために調整され得る。

１つ以上の態様では、適当な温度に達すると、図２および図３内の矢印２１０、２２０の方向にダイに対して軸方向の据込み力を適用する。他の態様では、加熱工程前および/または加熱工程中に軸力を適用し得る。軸力は互いに向かい合うように加熱金属ゾーンを加圧して、軟化金属を半径方向に移動させ、図３に示すように２つの金属ピース間に界面が組み込まれた金属バルブ又は“フラッシング３１０（flashing）”を形成する。更に、金属ピースが据込みの間に外側に向かって膨らむ際の金属ピースの径の増大は、ダイ中の金属ワークピースのずれの抑制に役立ち、接合部位での軸圧の維持に役立つ。軟化状態では、界面における金属は界面中央から離れ、新たな界面を形成するきれいな金属をさらす。得られる接続金属ピース３２０は、個々の金属ピース間に固相接合部を含む。接合部は、異質な汚染物質の無い完全な（又はきれいな;clean）境界フリーを供し、バルク材と同一である接合部にわたって均一な微細構造を有する。１つ以上の態様では、接合部の微細構造は砂時計形状内でバルク材と同一であり、バルクワイヤーと同一である。唯一の例外は硬度であり、その硬度はわずかに増加している。下記の実施例２を参照の事。

１つ以上の態様では、均一に軸力を適用する。他の態様では、据込み段階中に軸力を増加させ又は減少させる。多数の据込み段階が用いられる態様では、軸力は各段階にて同じ又は異ならせ得る。

界面での移動する材料の容積が大きくなる程、圧縮率が大きくなる。圧縮率は、ダイ間の開始距離と据込み後の最終距離との比率である。１つ以上の態様では、軸力は、据込み中に１よりも大きい、２、３、４、５又は約１〜１０の圧縮率により、又は上記に示す値のいずれかにより境界づけられた任意の範囲までの圧縮率によりダイ間の間隔を減じる。圧縮の程度は、金属を圧縮する際の熱損失の関数であり得る。例えば、圧縮の間金属ピースに対する熱損失を増加するヒートシンクが供される場合、加熱部分はより急速に冷却し凍結し、それによってより小さな圧縮率を有する接合部の形成をもたらす。１つ以上の態様では、ダイは、ダイを介して金属ワークピースの熱損失を制御するために加熱され又は冷却され得る。

図１〜３により示される態様では、間隔は、３の倍数分−ワイヤー径の３倍から１倍まで減じられる。適用される力は金属の性質に応じて変わり得る；軟らかい金属は硬い金属よりも加熱コアを移動させるためにより小さな圧縮力を要する。同様に、同じ金属につきより大きな圧縮力はより低い加熱温度で必要とされ得る。又、金属ワークピースの寸法はこの工程のために選択される圧縮力に影響し、金属ワークピースのより大きな径はより大きな圧縮力を必要とする。ある特定の態様では、圧縮力は約４００ｌｂｓである。別の態様では、８８００ｌｂｓを各々適用可能な２つのシリンダーにより合計で全体１７６００ｌｂｓが生成される。０．３７０’’の径を有するワイヤーでは、具体的な圧力は１６５０００Ｐｓｉの高い圧力であり得る。

所望の軸移動が為されるまで軸力を適用することが考えられるが、概して加熱金属セグメントが冷却し固化するまで軸力を適用する。１つ以上の態様では、止め具が所望の端点を越えた軸移動例えば１直径（又は倍;diameter）を制限するために使用され得る。

１つ以上の態様では、軸力を、例えば液圧シリンダーを用いて液圧として適用する。１つ以上の態様では、一方のダイを固定し、他方のダイを固定したダイに向かって移動させる。他の態様では、両方のダイが移動可能である。液圧シリンダーは金属ワークピースを保持するダイ対に操作可能に連結され得る。軸力を適用するための他の方法が例えばナックルプレス又は機械スクリューにより考慮される。単一の据込み金属の固相接合を図１〜３に示しているが、金属ワークピースが接合部位に金属を更に結合するために多数の据込み段階に付され得る。図４Ｂは、１つの据込み後の線分Ｂ−Ｂに沿って接合界面の概略断面図である。断面はフラッシュ径３２０も元のワイヤー径１０１を示す。先の２つの金属ピース間の接触面を大きなハッチ領域３３０として示すが、接触領域は全表面にわたり固相接合部を形成していない。図４Ｂに示すように、より小さな領域４０４が固相接合部の領域を示す。

より典型的には、１つよりも多い据込み工程が全ワークピースの界面を横切って均一な固相接合部を得るために用いられる。据込み段階の数は１〜２又は２以上の範囲になり得る。更なる据込みが接合部を強化し、界面での不連続又は欠陥部を減じるために用いられ得る。理論上の上限はないが、更なる据込みが固相接合部の質を更に改善しない実際上の制限があり得る。典型的な接合工程では１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は２０以下の据込みが行われ得る。１以上の態様では、２〜１０この据込み段階が行われ得る。特に、２〜５の据込み段階、２〜４の据込み段階、又は３つの据込み段階が行われ得る。特定の態様では、バルク材と同一である接合部にわたり均一な微細構造を有する固相接合部を形成するための３つの据込み段階に付される高速鋼ワイヤーを示す。

１つ以上の態様による多数の据込み方法を図１〜８に示す。上記に示すような図１〜２により作製した接合ワークピース１１０、１２０をダイから除き、図４Ａに示すようにダイを再位置付けし接合部から離隔させている。ダイの間隔は最初の据込み工程で用いられるものと同じ又は異なり得る。この典型的な態様に示すように、最初の据込み工程で使用されるワイヤー径の３倍にダイを設定する。図４Ａに示すようにダイ間に設けられた領域４２０に熱を適用し、接合領域を更に圧縮するために図５に示す軸方向の据込み力２１０、２２０を使用し、接合部位から半径方向に追加の金属５１０を移動させ、接合界面６０４に新たな金属を更に分配する。図６Ｂは、第２据込み後の接合ラインを横断する図を示す。従前の金属フラッシュ３１０および新たなフラッシュ５１０の位置に加え金属エッジ１０１の元の位置も示される。表面を横切る金属接合取付け部は著しく増大し得る。ある例では、元の金属ピースの領域を横切る接合が完全であり得る。他の場合では、図６Ｂに示すように固相接合領域６０４は実質的に完全ではないが元の金属界面領域を覆っている。

次いで、矢印６６０により示される方向に沿ってクランプを移動させることで図６Ａに示すようにダイを再位置付けし、図７の第３据込み工程で矢印７２０により示される方向に沿って据込み圧を適用することで金属エッジを再び一体的に加圧し、据込み界面から材料を更に外側に向かわせることでフラッシュ７１０を供する。図８Ａは、第３据込み後の接合ラインを横断する図を供する。金属フラッシュ７１０に加えて、従前の金属フラッシュ３１０、５１０の位置を示す。図８Ｂは、元の金属ピースの領域を横切る接合領域８０４が完全であることを示す。金属エッジ１０１の元の位置を示す。金属フラッシュを除き、固相接合部は全ての金属界面を横切るように残存する。１つ以上の態様によれば、接合部が全断面を満たすまで接合部は各据込みで成長又は増大する。

図９は、３つの接合ワークピースの写真である。金属ワイヤーはＡＢＣの３つの金属であり、接合前にエッジをベルト研磨するが、更なる前処理を行わない。ワークピース９１０は単一の据込み工程に付される。単一の金属フラッシュを接合部位の周りに対称的に形成する。ワークピース９２０、９３０は２つおよび３つの据込み工程にそれぞれ付される。これらの接合部位は各据込み段階に対応する金属接合部位の周りに２つおよび３つの同心円状の金属バンドを示す（ワイヤーから最も離れたリングは第１据込み工程で形成される）。

接合金属ピースを追加の据込みに付すと、金属フラッシュが後刻の均一な拡大を妨げ得る輪状（又はフープ:hoop）抵抗をもたらし得る。更なる据込み工程を促進するために、図４Ｃに示すように、金属バルブ又はフラッシュ３１０が半径方向に、例えば線分４１０に沿って任意にはスリット形成される。スリットは周方向の拡大に対する制約を緩和する。１つ以上のスリットが使用され得る。例えば、スリットは金属フラッシュの周囲に沿って規則的又は不規則的な間隔で形成され得る。１又は２以上のスリット、例えば２、３、４、５、６、最大１０以上のスリットが使用され得る。一態様では、フラッシュが完全に除去される。半径方向のスリットが後刻の加熱／据込み工程での拡大に対する輪状抵抗を減じる。半径方向のスリットが望ましくは各更新段階後に形成され得る。又は、半径方向のスリットは全てではないがいくつかの据込み段階で使用され得る。例えば、最初のいくつかの据込み後、例えば１〜４の据込み後に金属フラッシュに半径方向に切込みを入れることが望ましい。追加の据込み段階は切込みが為されることを要しない。又は、据込み工程間に研磨又は他の方法によりフラッシュを除き得る。

図８Ｃは、多数の据込み後の追い出された金属の拡大を示す接合ワークピースの斜視図である（図８Ｃでは３つの据込みを示す）。第１、第２、および第３の据込みからのフラッシュを図面に示す。この図では、拡大された金属フラッシュの側部に沿った工程により示されるように、第１および第２の加熱および軸力による圧縮工程後に半径方向のスリットを供する。最終の据込み工程は接合部位８１０の周りに同心円状の金属バンドを形成する。適当な接合部が得られると、所望の最終のバルク寸法を得るために例えば研削又はせん断によって過剰な材料は除かれ得る。又は、過剰な材料は各据込み段階後に除かれ得る。

１つ以上の態様では、接合部の信頼性を測定する非破壊的方法を供する。第１据込みでの界面にマーカー要素を挿入し得る。例えば、マーカーはアルミニウム又は銀等の軟金属であり得る。本明細書に記載されるように特定の数の据込みを実施した後、最終の据込みからのフラッシュ領域を検査する。マーカー要素のトレースが最後の据込みに存在しない場合、界面にて元々存在する全ての材料は移動した（又は置換した;has been displaced）ということである。当該接合部は良好であるとして保証される。

１つ以上の態様では、接合部の信頼性を測定する非破壊的方法を供する。第１据込みでの界面にマーカー要素を挿入し得る。本明細書に記載されるように、特定の数の据込みを実施した後、接合領域の周りのフラッシュを除く。本明細書に記載される方法により後続の据込みを実施する。次いで、低倍率でフラッシュを検査する。フラッシュがクラック又は破片等の目に見える欠陥部の無い完全な（又はきれいな;clean）を形成する場合、界面にて元々存在する全ての材料は移動された（又は置換された;has been displaced）ということである。当該接合部は良好であるとして保証される。

別実施形態では、加熱および圧縮工程を既存のジョイントを改良するために使用し得る。他の態様では、当該方法をワイヤーの表面にある欠陥部を除去するために使用し得る。例えば、微細構造の欠陥部又は材料不純物を取り込むジョイントでは、ジョイントを囲む領域を加熱し、軸力に付して、欠陥のある材料又は領域を移動させる（又は置換させる;displace）。欠陥部は、間隔のある、例えば３倍の間隔のあるダイ間に位置付けられる。これは、バルク材の径を越えて欠陥部を移動させるための単一の据込みを必要とし得る。

他の態様では、欠陥部を切り出し、本明細書に記載した接合方法を用いて端部を再取付けし得る。

接合ワークピースの作製での使用に適した装置を正面図（図１０Ａ）および線分Ａ−Ａに沿った側面図（図１０Ｂ）に示す。類似の要素は同様に符号付けしている。概して、固相接合の形成のための装置は、４つのダイセット１００１、１００１’（各ダイはワークピースを把握して係合するように適合させた対向面を有する）；ダイセットの各ダイを支持し、開口位置と接触位置との間で相互に前後の相対的な移動を供するためのサポート；係合状態におよび係合解除の状態にダイ対を移動させるためのサポートに操作可能に接続され、例えば最大１７６００ｌｂｓ等の全体の力を適用可能な液圧シリンダー１０３０、１０３０’；ワークピースを加熱するためのダイ対に操作可能に接続された抵抗ヒーター；および少なくとも２つの加熱および据込み工程を有する接合操作を実行するための指示を有する制御システムを含む。装置は、完全自動プログラム制御を含むように適合可能である。自動化は、自動加熱および液圧作動に加えてダイの反復位置付けためのサーボモータに作用する。又、装置の操作は手動の手段により為すことが可能である。

当該装置は、ワイヤーを固定し、任意にはワイヤーを加熱するためのクランプダイ１００１、１００１’を使用する。又、これらダイは、直流電気抵抗熱回路のための導電性部品として使用され得る。図１０Ｂは、４つの電気カートリッジヒーター１０４０を使用して加熱されたダイ１００１を示す。ダイの外部加熱は任意である。ダイは、液圧クランプ１０１０、１０２０により金属ワイヤーワークピースの周りに固定される。他の態様では、４つのクランプダイが、全体で８つのクランプダイのため第２の一式のダイによりバックアップされている。ジョイントにある４つのダイが金属据込みを行う間に、追加のダイが所定箇所でワイヤーを保持するために使用され得る。図１０Ｂでは、液圧クランプ１０１０は１００１として示されるダイに必要な力を適用する液圧シリンダーである。

下記の実施例にて本発明を説明するが、例示のみの目的のため示され、本発明を限定することを意図していない。

実施例１
２つの０．２０５’’ＡＢＣＩＩＩの高速鋼ワイヤー間の接合を説明する。接合前にワイヤーを銀のろう付けで被覆した。

ダイの内側で滑る軸を抑制するために十分なクランプ力で接続された部品に対して加熱ダイをクランプさせた。部品が０．２０５’’径の高速鋼ワイヤーである態様では、その端部をＡｇはんだで被覆した。径の約１．５倍分各ダイからワイヤーを突き出させた。材料変態温度１３００°Ｆ（約７０５℃）未満の温度までワイヤーを加熱した。その温度で約ある径長さ離隔するまでダイに一体的にさせた。典型的な軸力は約７０００ｌｂｓであった。これにより、端部にドーナツ形状の膨らみを形成させた。２つのワイヤーを全部で６つの据込み段階に付した。最初３つの据込みから、据込み後に４つの箇所にスリット形成した。残りの３つの据込みでは工程間でスリット形成されなかった。２つのワイヤーを、２つのワイヤーの界面が既に存在する中央面で接続させた。

微細孔構造を検査し、硬度を測定するために、不規則な形状の接合領域を通る長手部を中央ラインに作製した。図１１Ａは接合域を横切る横断図の写真（５．４倍）であり、接合部および接合の間に２つのワイヤー間から出ていく金属フラッシュを示す。図１１Ｂおよび図１１Ｃはそれぞれ、図１１Ａの写真に示された位置♯１および♯２における接合部の高倍率イメージである。図１１Ｃの右側には目には見えない接合ラインがある。溶接前に端部をシールするために使用される銀ろう付けを追い出された（expelled）材料中で観察した。図１１Ｂは、２つの金属ワイヤー間から出た銀はんだを示す（１０倍）。図１１Ｃは、２つの金属ピースを接続した位置に沿った金属微細構造を示す（１２５０倍）。位置＃３は、接合ラインが不十分で目に見える状態からバルク材料と区別できなくなるまで変化するポイントを示す。接合ラインが２つのピース間にあり、かつ金属生成物が、欠陥部、クラックおよび微細構造の相変形の無い接合部に連続的な固相金属を含むことは目に見えない。材料の均一性により接合部の位置を更に特定することが不可能となった。

接合部を横断するような硬度測定を行った。ビッカース（５００ｇ）のミクロ硬度測定を図１１Ｄに示した間隔で行った。縦方向（左から右、ベース金属から接合部を介して隣接するベース金属）および横断方向（接合材を横切って上から下）の両方で接合部を介した測定を行った。結果を下記の表１に報告し、図１２に示す。

表１

又、ベース材の硬度および微細構造を検査した。中央ラインを介して長手方向にバーのストック試料を作製した。ビッカース（５００ｇ）のミクロ硬度試験を３つの箇所（上面近傍、中央、下面近傍）で行った。その結果を表２に報告する。

表２

従って、接合領域はベース材よりもわずかに硬くなったが、微細孔構造は同じであった。

実施例２
接合域は大変強固であったが、引張および曲げ圧に付した際に接合ラインから離れるように生じる金属ピースの欠陥が示された。

引張試験
０．２０１”径のＡＣＢＩＩＩの高速鋼を、１２００Ｆ°で作製され８０００パウンドの据込み力を適用する２つの据込みに付して、接合領域を供した。接合強度を試験するため、２つのみの据込み後、１３００°Ｆおよび１４００°Ｆでサンプルを欠陥に対する高温の引張変形に付した。欠陥発生後の接合域の視覚的な検査では、曲げでいくつかのクラック形成が出ており、接合部の形成が２つの据込みで完全ではなかったことが示された。しかしながら、接合部が完全ではない場合でさえ、この実施例で見られるように欠陥は接合部で生じなかった。むしろワークピースは接合位置から短距離にてネッキング（necking）および破壊を示した。肉眼にて、接合領域は砂時計領域として見えた。図１３Ａおよび図１３Ｂ参照の事。砂時計領域を破線により示した。砂時計形状は粒子構造の違いの結果であり、ワイヤー、他の圧延金属又は延伸金属では、ジョイント界面で据込みにより９０度回転させたワイヤーの軸に沿って長尺状を成している。かすみ領域は、金属がほとんど作用し、その硬度が増大している部分である。この領域はわずかに作用し、接合ゾーンよりも外側にある場合よりも引張又は曲げ破壊に強い。

曲げ試験
２つのＡＢＣＩＩＩの高速鋼ワイヤーを、金属ピースの断面を横切る完全な曲げを供するための条件に基づき１２００°Ｆで３つの据込み段階を用いて加熱接合させた。加熱接合させたサンプルを次いで室温でヘアピン曲げに付し、開口した際にワイヤーが曲げラインに隣接する位置で破壊した。

これらの実施例は、接合領域がベース金属よりも強いことを示している。接合領域はワイヤーの嵩（又はバルク;bulk）よりも加工硬化によりいくつかの堅いポイントとなっている。従って、金属ピースは加工硬化領域に隣接するが加工硬化領域内ではない部分で隣接して破壊する。

実施例３
サンプルをホットハンマー試験に付した。

０．２０５’’ＡＢＣＩＩＩの高速鋼ワイヤーを３つの据込みを用いて１２００°Ｆの処理で加熱接合させた。溶接実験後では、約１４００°Ｆに加熱し、約０．１１０’’の厚さおよび約０．２８０’’の幅にハンマーでフラットにした。サンプルは破損又は欠陥がなかったが、その代わりにハンマーおよびアンビル作業金属であることもあって圧縮超塑性を示した。

工業用標準フラッシュ突合せ溶接マシンを使用してフラッシュ突合せ溶接された０．２０１’’ＡＢＣＩＩＩの高速鋼ワイヤーの比較サンプルは約１４００°Ｆで０．１０’’の厚さおよび０．２２１’’の幅にホットハンマーされた。得られた溶接領域は結果としてクラックしていた。

特定の連続する工程を示し、説明の目的のため記載したが、その順番は特定の態様で帰られてよく、又は当該工程が組み合わされ、又は所望の形態を更に得る間工程は組み合わされてよい。更に、開示態様および権利請求する発明に対する変更は可能であり、開示発明の範囲内にある。

Claims (26)

1. 金属ピースを固相接合する方法であって、
   （ａ）第１金属ピースの第１エッジと第２金属ピースの第２エッジとをエッジ同士の接触で固定する工程；
   （ｂ）第１金属ピースおよび第２金属ピースを第１の据込みに付す工程；
   （ｃ）接合部のいずれかの側にて第２の距離分離隔した位置に接合金属ピースを再固定する工程；および
   （ｄ）接合金属ピースを第２の据込みに付す工程
   を含み、
   第１金属ピースと第２金属ピースとは金属ピースのエッジから第１の距離分離隔した位置で固定され、第１金属ピースと第２金属ピースとは表面不純物を含み、
   第１の据込みに付す工程は、第１金属ピースと第２金属ピースとが互いに固定されている間に当接する第１エッジと第２エッジとを加熱することと、第１金属ピースおよび第２金属ピースに第１軸力を加えて、第１エッジおよび第２エッジに一体的にエッジ同士の接触で金属を据え込ませ、接合部を形成することとを含み、第１エッジおよび第２エッジは、第１金属ピースおよび第２金属ピースの溶融温度の０．３５〜０．９５の範囲の第１の温度まで加熱され、
   第２の据込みに付す工程は、固定位置間の接合金属ピースを金属の溶融温度の０．３５〜０．９５の範囲の第２の温度に加熱することと、接合金属ピースに第２軸力を加えて接合金属ピースを据え込ませ、表面不純物の無い固相接合部を形成することとを含む、方法。
2. 工程（ｄ）の据込みを１回以上繰り返す、請求項１に記載の方法。
3. 工程（ｄ）の据込みを１〜６回繰り返す、請求項１に記載の方法。
4. 工程（ｄ）の据込みを１回又は２回繰り返す、請求項１に記載の方法。
5. 金属が鉄合金、ニッケル合金、又はチタン合金である、請求項１に記載の方法。
6. 金属が鉄合金であり、第１の温度および第２の温度の一方又は両方が、鉄−炭素ダイアグラムにおける変態温度未満である、請求項５に記載の方法。
7. 温度がオーステナイトの形成のための温度未満である、請求項６に記載の方法。
8. 鉄合金が、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、高合金鋼、ステンレス鋼、および工具鋼から成る群から選択される、請求項５に記載の方法。
9. 第１の離隔距離および第２の離隔距離の一方又は両方が、金属ピースの厚さ又は径の１〜３倍、１〜２倍、約１．５倍、又は１．５倍である、請求項１に記載の方法。
10. 軸力により１よりも多い倍数、２倍、３倍、４倍、５倍、又は約１〜１０倍分離隔距離が減じられる、請求項９に記載の方法。
11. 当接する第１金属ピースおよび第２金属ピースを、抵抗熱、高温ガス、又はレーザ熱により加熱する、請求項１に記載の方法。
12. 第１金属ピースおよび第２金属ピースをダイ対を用いて固定する、請求項１に記載の方法。
13. 軸力を適用することが、相互に離隔した位置の第１の位置から第２の位置までダイ対を移動させることを含む、請求項１に記載の方法。
14. ダイ対がタングステンカーバイドから成る、請求項１２に記載の方法。
15. ダイ対を加熱することで、当接する第１金属ピースおよび第２金属ピースを加熱する、請求項１２に記載の方法。
16. ダイ対が、直流電気抵抗熱回路のための伝導性パスを有して成る、請求項１２に記載の方法。
17. 係合状態および係合解除の状態にダイ対を移動させるように動作可能に接続させた液圧シリンダーを用いて軸力を加える、請求項１に記載の方法。
18. 接合前に、インジケーター要素又は保護コーティングで金属エッジを被覆する、請求項１に記載の方法。
19. コーティングは、液体又は気体フラックス又ははんだである、請求項１８に記載の方法。
20. 金属同士の材質が同じ又は異なる、請求項１に記載の方法。
21. 金属エッジが、同じサイズおよび/若しくは形状又は異なるサイズおよび/若しくは形状から成る、請求項１に記載の方法。
22. 固相接合金属ピースを転がす又は型抜きすることを更に含み、金属ピースの厚さがクラッキング又は接合不良無く減じられる、請求項１に記載の方法。
23. 固相接合金属ピースを鋸刃内に組み込むことを更に含む、請求項１に記載の方法。
24. 固相接合金属ピースを不良無く荷重ケーブル内に組み込むことを更に含む、請求項１に記載の方法。
25. 固相接合部が熱影響ゾーンを有していない、請求項１に記載の方法。
26. 固相接合部が固相接合部の全体にわたり均一である、請求項１に記載の方法。

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