JPH10180468A

JPH10180468A - 摩擦接合方法

Info

Publication number: JPH10180468A
Application number: JP35453796A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Kawaguchi; 聖一川口; Shozo Hirai; 章三平井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1998-07-07

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度材を摩擦圧接するにあたり、接合材自
身の温度をできるだけ上昇させることなく、高強度材料
を室温に近い状態で信頼性の高い接合を可能にする摩擦
接合方法を提供する。【解決手段】接合材１、２の端面１ａ、１ｂに予め軟
質材１０を被覆して接合面１５を形成する。次いで、接
合材である２つの高強度材１、２を加圧状態で相対回転
させ、接合面１５に生じる摩擦熱により軟質材１０のみ
を変形させて母材を接合する。そして、具体的には軟質
材１０にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕのうちのいずれか１を用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、従来の摩擦圧接よ
りも低温で接合が可能な摩擦接合方法、特に炭素鋼や低
合金鋼に加えて原子炉の監視試験片の再生や超伝導線の
接合に好適な摩擦接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】摩擦接合方法とは固相溶接方法の一種で
あり、接合材の原子同士が原子間距離まで近づくことが
必要であり、そのために接合材の接合面が塑性変形する
必要がある。接合材を塑性変形させる手段の一つとし
て、接合面に高圧力を加える場合がある。しかし接合材
が棒状体であると、高圧力によって接合材全体が座屈変
形してしまうことがある。そこで、接合材相互の接合面
を高速に相対回転し、摩擦接触による摩擦熱で加熱し、
接合材が変形し易くなった時点で圧力を加えて押圧しな
がら接合するものであり、接合材が棒状であるものに有
効である。

【０００３】ところで、従来の摩擦接合方法は、摩擦圧
接における回転数、圧力、及び温度の変化の時間的展開
を示す図３に点線Ｂで示すように、圧接される接合材を
対向して配置して端面同士を相互に接触させ、両接合材
のいずれか一方を相対的に所定の回転数Ｎ₁で回転させ
る。所定の回転数Ｎ₁に達した後、所定の摩擦圧力Ｐ₁を
加え、所定の摩擦時間ｔａ₁が経過すると摩擦熱を生じ
る。摩擦熱がＴａになり両接合材が適当な軟化状態に達
したところで回転を停止する。次いで、所定のアプセッ
ト時間ｔａ₂中、相互にアプセット圧Ｐ'₂をかけること
により圧接を行うようにしたものである。

【０００４】また、摩擦圧接において摩擦熱の上昇は、
通常、同種材料では接合材の融点が限度であり、異種材
の摩擦では融点の低い方の融点が限度である。従って、
従来の摩擦接合方法では、２つの接合材が鉄鋼材料のよ
うな高強度材であると、接合材の温度は１０００℃以上
にも達した。さらに、従来の摩擦接合方法によればアル
ミニウム、銅などのように、比較的軟質の材料の接合は
容易であるが、チタン、ステンレス鋼、セラミックス等
の比較的に高強度の材料は接合し難かった。また、接合
部には接合を妨害する酸化物や、汚れ等が発生した。そ
こで、特開平３−１８４６８３号公報には、以下のよう
な摩擦接合方法が提案されていた。

【０００５】すなわち、先ず図５に示すように回転チャ
ック５に一方の接合材料２１を把持し、固定チャック６
に軟質の中間材料２３を把持し、一方の接合材２１の端
面２１ａを中間材料２３の端面２３ａに当接させ、当接
した接合面１５ａの近傍を気密チャンバー１８によって
気密に包囲し、気密チャンバー１８内を不活性雰囲気に
保持して矢印Ｐで示すように接合面１５ａに向けて加圧
し、接合材２１を回転させながら摩擦熱によって接合し
た。次いで、図６に示すように固定チャック６に他方の
接合材２２を把持し、一方の接合材２１に接合された中
間材料２３の他端面２３ｂに他方の接合材料２２の端面
２２ａを当接させた。さらに、この接合面１５ｂを気密
チャンバー１８によって気密に包囲し、気密チャンバー
１８内を不活性雰囲気に保持して矢印Ｐで示すように接
合面１５ｂに向けて加圧し、接合材２１を回転させなが
ら摩擦熱によって接合することにより、接合し難い高強
度材の接合を可能としたものであった。

【０００６】その他の圧接方法として、材料を低温で接
合する拡散接合も行われた。この方法では接合面を鏡面
に仕上げた後、真空中でＡｒイオンビームを照射して接
合面を清浄にし、圧力を加えて接合するものである。さ
らに、半田付けにより接合することもあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来のこの種の
方法では、以下のような問題があった。すなわち、摩擦
熱の上昇は一般に同種材料では接合材の融点が限度であ
り、異種材の摩擦では融点の低い方の融点が限度であ
る。従って、従来の摩擦接合方法では、２つの接合材が
鉄鋼材料のような高強度材であると、接合材の温度は１
０００℃以上にも達した。そのために、鉄鋼材料が変態
して強度などの特性が変わり、小さな力によっても容易
に変形してしまうことになった。

【０００８】さらに、上述の特開平３−１８４６８３号
公報に記載された場合には、先ず一方の接合材２１に軟
質の中間材料２３の一端面２３ａを当接させ、接合面１
５ａを加圧して接合してから、中間材料２３の他端面２
３ｂに他方の接合材２２を当接するのであるから、摩擦
圧接作業を２度行わなければならず、その都度、接合材
や中間材料をチャックで把持しなければならず、摩擦接
合がきわめて煩雑となり、コスト的にも不利であった。
しかも、中間材料は摩擦圧接に際しチャックで把持する
必要があるから、把持部分だけ余分の長さが必要となる
ために断面積に比して長さが大となり、座屈変形が起き
る可能性があり、強度上に問題があった。

【０００９】また、特殊な拡散接合方法によれば、大規
模で特殊な接合装置が必要になるだけでなく、鉄鋼材料
のような強度の高い材料の接合は不可能であるために、
ＡｌやＣｕのような軟質材料同士の接合に限定されてい
た。また、半田付けは簡便な方法であるが、接合強度が
低く、構造材の接合には適用できないという問題があっ
た。

【００１０】本発明の目的は、かかる従来の問題点を解
決するためになされたもので、高強度材を摩擦圧接する
にあたり、接合材自身の温度をできるだけ上昇させるこ
となく、高強度材料を室温に近い状態で信頼性の高い接
合を可能にする摩擦接合方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は摩擦接合方法で
あり、前述した技術的課題を解決するために以下のよう
に構成されている。すなわち、本発明の摩擦接合方法
は、接合材である２つの高強度材を加圧状態で相対回転
させ、接合面に生じる摩擦熱により接合材を接合する摩
擦接合方法において、接合材の端面に予め軟質材を被覆
して接合面を形成してから、前記の工程に入り、前記軟
質材のみを変形させて接合することを特徴とする。

【００１２】本発明の摩擦接合方法には、接合材のいず
れか一方を固定し、他方を駆動装置により回転させ、両
接合材を軸方向に押圧して摩擦により発熱させるととも
に、両接合材の接合部が所定の温度になったときに、ブ
レーキを用いて回転を中止させ、さらにアプセット圧力
を加えて両接合材を接合するようにしたブレーキ式圧接
方法や、あるいは接合材の一方を固定し、他方をフライ
ホイールをもつ軸に取り付けて回転させ、摩擦部で回転
エネルギーが消費されて回転を急速に低下させ、さらに
アプセット圧力を加えてるようにしたフライホイール式
圧接方法など、種々の摩擦接合方法を包含するものであ
る。

【００１３】高強度材には塑性変形に対する強さを有す
る材料、例えば炭素鋼、低合金鋼、構造用合金鋼、工具
鋼、ステンレス鋼等の鉄鋼材料、超硬合金、サーメッ
ト、さらにはポリカーボネート、ポリアセタール等の合
成樹脂を包含するものである。また、本発明の摩擦接合
方法には異種の高強度材を摩擦接合する場合も含まれる
ことはいうまでもない。その他、前記軟質材にはＡｕ、
Ａｇ、Ｃｕ、その他の展性や延性に富む軟質材料を含む
ものである。

【００１４】また、軟質材を高強度材である接合材の端
面に被覆するには、両接合材のいずれか一方のみを被覆
するだけでも実施可能であるが、両接合材の端面を被覆
することが好ましい。また、被覆手段としては、めっき
によるのが簡便であり好ましい。しかし、めっきの他に
物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）などの蒸着、
さらには電子ビームなどを熱源とするクラッディング、
あるいはプラズマジェット溶射、ガス溶射、アーク溶射
などの溶射によることもできる。

【００１５】さらに、前記軟質材が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ
のうちのいずれか１であることを第２の特徴とする。こ
の場合、特にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕは大気中で加熱しても酸
化されないので、接合面を気密チャンバーなどで囲んで
不活性雰囲気の下で摩擦接合を行う必要がなく、簡単な
装置で容易に行われる。このとき、接合材が鉄鋼材料で
あると、効果的である。

【００１６】従って本発明の摩擦接合方法によれば、先
ず高強度の接合材の少なくとも一方の端面に軟質材を被
覆する。次いで２つの接合材を対向させて配置し、軟質
材を接触させて接合面を形成する。接合材を相互に所定
の摩擦圧力で加圧して相対回転すると摩擦熱により接合
面の軟質材のみが早期に軟化状態に達する。このとき、
回転を中止し、アプセット圧力をさらに加圧して軟質材
のみ変形させることにより接合材を摩擦接合する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
さらに詳細に説明する。但しこの実施形態に記載されて
いる構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は
特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそ
れに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１には本発明の一実施形態に係る摩擦接合装置の一例
の説明図であり、該装置が符号２０で示されている。ま
た、図２は本発明の摩擦圧接時の接合状態を示す要部の
側面図であり、図３は本発明及び従来例の摩擦接合方法
の時間の経過に伴う回転数、圧力、及び温度の変化を示
す摩擦圧接サイクル図、図４は、他の実施形態にかかる
摩擦接合方法において用いられた摩擦圧接装置の一例の
説明図である。

【００１８】図１において、摩擦圧接装置２０には電動
機４からベルト９を介して回転駆動される回転チャック
台５を備えており、この回転チャック台５には一方の高
強度材１を把持している。さらに、回転チャック台５に
対向して固定チャック台６が配置されていて、他方の高
強度材２を把持している。

【００１９】固定チャック台６は、基台７に載置されて
いて、油圧シリンダ８ａとこの油圧シリンダ８ａに挿通
されたピストン８ｂからなる押圧手段８によって矢印１
４で示すように、前記の基台７上を摺動できるようにな
っている。このために、高強度材１の端面１ａと高強度
材２の端面２ａ同士を接触させて接合面１５を形成し、
電動機４を介して回転チャック台５のチャックを回転さ
せることにより接合面１５に摩擦熱を発生させることが
できる。

【００２０】回転チャック台５と同軸の回転軸１２の周
囲にはブレーキ１３が設置されていて、高強度材１、２
の接合面１５が所定の軟化状態に達した時点で回転を停
止し、さらに押圧装置８によってさらにアプセット圧を
付加し、両接合材１、２を圧接することができるように
なっている。

【００２１】（実施の形態１）本発明の摩擦接合方法の
第１の実施形態を説明する。先ず、図２に示すように高
強度材１、２としてφ１０×４０mmLの炭素鋼の丸棒を
用い、その端面１ａ、２ａに軟質材であるＡｕ１０をめ
っきにより１０ｍμの厚さに被覆したものを準備する。
次いで、回転チャック台５に前記のＡｕをめっきした一
方の炭素鋼材の丸棒１を取り付ける。続いて、他方の炭
素鋼の丸棒２を固定チャック台６に取り付け、二つの接
合材である炭素鋼の丸棒１、２を対向させる。さらに、
押圧手段８である油圧シリンダ８ａのピストン８ｂを駆
動して固定チャック台６を基台７上を移動させ、炭素鋼
の丸棒である接合材１、２のＡｕをめっきした端面１
ａ、２ａを相互に接触させて接触面１５を形成する。

【００２２】次いで、押圧手段８により、図２に示すよ
うに摩擦圧力Ｐ₁として１kg／mm²を矢印１６方向に加え
ながら、回転チャック台５を通常の摩擦圧接法に比して
少ない回転数Ｎである１０００rpmで矢印方向１７に回
転させる。高強度材１、２は相対回転しながら圧接時間
ｔ₁ が２秒経過すると、軟質材１０の接合面１５には３
２０℃の摩擦熱が発生し、軟質材１０は軟化状態にな
る。この時点でブレーキ１３を作動させて回転軸１２の
回転を中止する。さらに押圧手段８によりアプセット圧
力Ｐ₂として３kg／mm²を加えることにより両接合材１、
２の接合が行われる。接合完了後に継手の引張試験をし
たところ、破断は接合面にはみられず、接合材である炭
素鋼中でみられた。このことにより、健全な接合がなさ
れていることが判明した。

【００２３】（実施の形態２）次に、本発明の摩擦接合
方法の第２の実施形態を説明する。先ず、図２に示すよ
うに高強度材の接合材１、２としてφ８×３０mmL の低
合金鋼の丸棒を用い、その端面に１ａ、１ｂに軟質材で
あるＡｇ１０をめっきにより５ｍμの厚さに被覆したも
のを準備する。次いで、回転チャック台５に前記のＡｇ
をめっきした一方の低合金鋼の丸棒１を取り付ける。そ
の後、他方の低合金鋼の丸棒２を固定チャック台６に取
り付け、二つの接合材である低合金鋼の丸棒１、２を対
向させる。押圧手段８である油圧シリンダ８ａのピスト
ン８ｂを駆動して固定チャック台６を基台７上を移動さ
せ、炭素鋼の丸棒１、２のＡｇをめっきした端面１ａ、
２ａを相互に対向して配置し、相互に接触させて接触面
１５を形成する。次いで、押圧手段８により、図２に示
すように摩擦圧力Ｐ₁である２kg／mm²を矢印１６方向に
加えながら、回転チャック５を通常の摩擦圧接法に比し
て少ない回転数Ｎである１２００rpmで矢印方向１７に
回転させる。

【００２４】接合材１、２は相対回転しながら圧接時間
ｔ₁ が２秒経過すると、軟質材であるＡｇ１０の接合面
１５には４００℃の摩擦熱が発生し、軟質材Ａｇ１０は
軟化状態になる。この時点でブレーキ１３を作動させて
回転軸１２の回転を中止する。さらに押圧手段８により
アプセット圧力Ｐ₂として３kg／mm²を加えることにより
両接合材１、２の接合が行われる。接合完了後に継手の
引張試験をしたところ、接合材である低合金鋼中で破断
し、接合材では破断がみられなかった。このことから本
発明にかかる摩擦接合方法によれば健全な接合がなされ
ることが判明した。

【００２５】（実施の形態３）次に、本発明の摩擦接合
方法の第３の実施形態を説明する。摩擦圧接を行うにあ
たり、図４に示すような摩擦圧接装置２０ａを使用し
た。すなわち、図４から明らかなように摩擦圧接装置に
は、接合面１５を囲んで気密チャンバー１８が設けられ
ている。この気密チャンバー１８は基台７上に脚部２８
により支持されている。さらに、前記気密チャンバー１
８にはＨｅやＡｒ等の不活性ガスを不活性ガス源１９か
ら導くようにしてある。このような構造の摩擦圧接装置
２０ａを用いて、Ｎｂ（ニオブ）製の接合材１、２の端
面１ａ，２ａにＣｕを被覆したものを、不活性雰囲気の
下で前述の実施の形態１及び２とほぼ同様な方法により
接合した。

【００２６】従って、前記した本発明の各実施形態によ
れば、先ず高強度の接合材の端面に軟質材を被覆して接
合面を形成してから、高強度材を摩擦圧力を加圧した状
態で相対回転させると、接合面に短時間で摩擦熱が発生
する。このとき、軟質材のみが摩擦熱により軟化する。
この時点で回転を中止してアプセット圧をかけると、軟
質材が変形して通常の摩擦圧接よりも低温で高強度の接
合材の接合が可能となる。時間の経過に伴う回転数、圧
力、及び温度の変化を示す図３の摩擦圧接サイクル図に
おいて、実線Ａで示す本発明の摩擦接合方法と点線Ｂで
示す通常の摩擦圧接とを比較してみると、回転数は従来
の回転数Ｎ₁ よりも少ない回転数Ｎの領域で摩擦接触
し、この摩擦熱で軟質材が短時間で軟化するので、従来
の摩擦時間ｔａ₁に比して短時間ｔ₁ で回転を中止す
る。このときの温度Ｔは従来のＴａに対して低い温度で
接合を行うことになる。このため、圧接時間は従来例で
はｔａ₁＋ｔａ₂ であるのに対し本発明ではｔ₁ ＋ｔ₂
であり、きわめて短時間で接合が終了する。なお、摩擦
圧力Ｐ₁やアプセット圧力Ｐ₂には大きな差はない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の摩擦接合
方法によれば、接合材としての高強度材の端面に軟質材
を被覆して形成した接合面のみが早期に摩擦発熱して軟
化するので、従来の摩擦圧接に比して低い温度で接合が
可能となり、高強度材の特性が失われることはない。さ
らに、軟質材がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕのいずれかであるとき
には、加熱されても酸化されることがないので、気密チ
ャンバーで接合面を囲み、気密チャンバー内を不活性雰
囲気に保つ必要がなく、構造が簡単な装置を使用するこ
とができる。その上、不活性雰囲気にするための面倒な
操作が不要となり、不活性ガスの供給路や、真空ポンプ
などが不要で、低コストで高強度材の摩擦圧接を実施す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摩擦接合方法に用いられた摩擦圧接装
置の説明図である。

【図２】図１の接合部分の拡大側面図である。

【図３】本発明の摩擦接合方法と従来例の摩擦圧接サイ
クル図である。

【図４】本発明の他の実施形態において用いられた摩擦
圧接装置の説明図である。

【図５】従来の摩擦接合方法の最初の状態の説明図であ
る。

【図６】図５に示す従来の摩擦接合方法の次工程の状態
の説明図である。

【符号の説明】

１接合材（高強度材）１ａ端面２接合材（高強度材）２ａ端面１０軟質材１５接合面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接合材である２つの高強度材を加圧状態
で相対回転させ、接合面に生じる摩擦熱により接合材を
接合する摩擦接合方法において、接合材の端面に予め軟質材を被覆して接合面を形成して
から、前記の工程に入り、前記軟質材のみを変形させて
接合することを特徴とする摩擦接合方法。
【請求項２】前記軟質材が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕのうち
のいずれか１であることを特徴とする請求項１記載の摩
擦接合方法。