JP2007029985A

JP2007029985A - 高電圧パルス接合方法

Info

Publication number: JP2007029985A
Application number: JP2005215633A
Authority: JP
Inventors: Onori Ishida; 大典石田; Hisanori Nukumi; 寿範温見; Takashi Majima; 隆司真島
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: JP4883265B2

Abstract

【課題】被接合体の材質等に影響されることなく高効率に生産性良く複数の部材を接合することができ、例えばクラッド材の生成に好適な高電圧パルス接合方法を提供する。
【解決手段】接合対象とする複数の部材（Ａ,Ｂ）を互いに突き合わせた状態で、前記両部材間の接合界面（Ｃ）を瞬時的にプラズマ化し得る高電圧パルスを上記部材に印加し、部材間の接合界面を瞬時的にプラズマ化することによって前記複数の部材間を接合する。具体的には高電圧パルスを印加することで、その接合界面における微小空間に部分（ボイド）放電を生起し、この部分放電を端緒として上記接合界面だけを瞬間的に一気にプラズマ化し、プラズマ化により電離した荷電粒子を再結合させることでその接合界面の部材を相互に接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の部材を接合して、例えばクラッド材の生成に好適な高電圧パルス接合方法に関する。

例えば異種金属（複数の部材）を、いわゆるオーバーレイ構造、インレイ構造、或いはサイドレイ構造として接合したクラッド材は、その素材の材質や厚み比を変えることによって個々の素材にはないユニークな材料特性を有することから、種々の用途への適用が期待されている。ちなみにクラッド材は、専ら、圧延や連続放電焼結、通電圧延、粉末圧延等の手法を用いて生成される。

一方、非晶質合金材料等を接合する技術としてパルス電流を用いたパルス通電接合法が提唱されている（例えば特許文献１を参照）。また複数枚のブランク（銅材）を接合する技術としても、パルス通電接合法を用いることが提唱されている（例えば非特許文献１を参照）。この種のパルス通電接合法は、パルス電流の通電衝撃により被接合体の接合界面を異常発熱させ、その接合界面に微小な溶融点を形成した後、その後に加えられる熱エネルギによって上記ブランク等の被接合体を拡散接合するものである。
特開２００２−２８３０６０号公報石川政幸、他；「パルス通電による加速管用ディスクブランクの６０枚接合」、溶接学会界面接合研究委員会第６６回研究委員会、２００４高エネ研メカ・ワークショップ報告集、ＭＷ０４−１８、2004-4-15

ところで従来のクラッド材の一般的な生成法である圧接や圧延においては、材料の組合せによってはその接合が困難である。また連続放電焼結や通電圧延では、常時、被接合材に大きなエネルギを投入し続けてその接合界面を溶融させる必要がある。この為、例えば被接合体が箔のように薄い場合、機械的な精度の問題が生じたり、接合体自体が溶解してしまう等の問題があった。これ故、高効率で生産性が高く、しかも接合体の材質やその形状、更には厚み等に影響されることのないクラッド材の製作技術（生成法）の開発が強く望まれている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、被接合体の材質等に影響されることなく高効率に生産性良く複数の部材を接合することができ、例えばクラッド材の生成に好適な高電圧パルス接合方法を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る高電圧パルス接合方法は、接合対象とする複数の部材を互いに突き合わせた状態で、前記両部材間の接合界面を瞬時的にプラズマ化し得る高電圧パルスを上記部材に印加し、部材間の接合界面を瞬時的にプラズマ化することによって前記複数の部材間を接合することを特徴としている。
即ち、本発明は、互いに突き合わせた複数の部材に高電圧パルスを印加することで、その接合界面における微小空間に部分（ボイド）放電および／または接合界面に存在する多数の微小突起物（ウィスカー）から電子放出を生起し、この部分放電を端緒として上記接合界面だけを瞬間的に一気にプラズマ化する。そして上記高電圧パルスの印加停止に伴い、プラズマ化により電離した分子を再結合させ、これによってその接合界面の部材を相互に結合させる（接合する）ことを特徴としている。

ちなみに高電圧パルスの印加は、接合対象とする２つの部材のそれぞれに当接させた、或いはその一方の互いに離間する位置にそれぞれ当接させた対をなす電極（電極対）を介して行われる（請求項２）。特に前記対をなす電極としては、例えば前記部材に幅広く当接して該部材に高電圧パルス電流の幅広い通電路を確保し得るブラシ状のものを用いることが望ましい（請求項３）。また必要に応じて前記部材に対する高電圧パルスの印加を、繰り返し行うことも有用である（請求項４）。

尚、前記高電圧パルスは、パルス電流の通電による前記部材のジュール発熱および／または接合界面での異常発熱によって部材の接合界面が該部材の融点近くまたは融点の３０％程度まで上昇させることなく、該部材の気化に必要なエネルギの１〜１０％のエネルギを瞬間的に付与することで、該部材の接合界面のみを急速加熱し、膨張させた後、急速冷却するものであれば良い（請求項５）。好ましくは、例えば数ｋＶ〜数十ｋＶの高電圧を十万分の１秒〜数億分の１秒で取り出した数ＭＷ〜数百ＭＷの電力を有する高電圧パルスを用いることが望ましい（請求項６）。

上述した如く高電圧パルスを用いて複数の部材を接合する高電圧パルス接合方法によれば、その接合界面における微小空間に部分（ボイド）放電および／または接合界面に存在する多数の微小突起物（ウィスカー）から電子放出を生起し、この部分放電を端緒として上記接合界面だけを瞬間的に一気にプラズマ化するだけなので、上記部材における接合界面以外の領域においては殆ど温度上昇することがない。従って融点に大きな差がある材料同士を接合する場合であっても、或いは有機金属のように融点の低い材料を接合する場合であっても、変形を伴うことなくその接合を確実に行うことができる。また接合材料が箔のように薄い場合であっても接合材料自体が溶融することがないので、その形状や厚み等に左右されることなく種々の接合材料を確実に接合することができる。

更には高電圧パルスを用いて瞬間的に高エネルギを加えて接合界面をプラズマ化するだけなので、ジュール熱を利用して接合界面を溶融させて接合を行うパルス通電接合法等に比較して、その電力消費エネルギを十分に低く抑えることができる。しかも材料の溶融を利用した接合ではないので、その接合界面を加圧しなくても機械的強度が十分に高い接合構造体、例えばクラッド材を得ることができる。

また複数の接合部材の片側から高電圧パルスを印加しても、前述したようにその接合界面をプラズマ化することができるので、例えば既存のパイプや板の表面にロウ材を接合する場合であっても、電極配置や電極形状等を工夫するだけでその接合作業を簡単に行うことができ、またクラッド材の生産ライン等に導入してその生産効率を高め得る等の効果が奏せられる。

特に高電圧パルスが有するエネルギを熱エネルギや運動エネルギ等に変換する必要がないので高効率な処理が可能であり、その実用的利点が多大である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る高電圧パルス接合方法について説明する。
図１は本発明に係る高電圧パルス接合方法の一実施形態を説明する為の概略図であって、１は高電圧パルス発生器、２,３は被接合部材に高電圧パルスを印加する為の一対の電極である。高電圧パルス発生器１は、例えば数ｋＶ〜数十ｋＶの直流高電圧を十万分の１秒〜数億分の１秒のパルス幅で、特に１パルス当たり数ＭＷ〜数百ＭＷのエネルギを有する高電圧パルスとして出力する機能を備えたものからなる。このような機能を備えた高電圧パルス発生器１は、コンデンサやインダクタ等のエネルギ蓄積素子を用いて高電圧直流電力エネルギまたは高電圧交流電力エネルギを蓄積し、その蓄積エネルギ（直流高電圧）を瞬時的に出力する装置として実現される。

さて接合対象とする複数の部材（被接合部材）Ａ,Ｂは、有機金属材を含む異種の金属材料からなる。具体的にはクラッド材を製造する場合、上記複数の部材（被接合部材）Ａ,Ｂは、例えばその母材となる厚み０.５ｍｍ程度のステンレス鋼板（ＳＵＳ）と、この母材の表面に接合されるロウ材としての厚み５０〜１００μｍ程度のニッケル箔や銅箔とからなる。尚、銅板に燐銅箔を接合してクラッド材を製造する場合もある。

本発明に係る高電圧パルス接合方法は、上記のような複数の部材（被接合部材）Ａ,Ｂを接合してクラッド材を製造するに際して、図１に示すように複数の部材（被接合部材）Ａ,Ｂの各接合面を互いに突き合わせ、この状態で前述した一対の電極２,３を上記部材Ａ,Ｂののそれぞれに当接させて、或いは一方の部材Ａ（Ｂ）の互いに離間する位置にそれぞれ当接させ、この状態で前記高電圧パルス発生器１から一対の電極２,３を介して部材Ａ,Ｂに前述した高電圧パルスを印加し、部材Ａ,Ｂの接合界面Ｃを瞬時的にプラズマ化することによって実施される。換言すれば部材Ａ,Ｂの接合界面Ｃにおける材料分子が瞬間的に一気に電離（プラズマ化）するエネルギを与え得る高電圧パルスを前記部材Ａ,Ｂに印加し、これによって上記接合界面Ｃだけを瞬間的にプラズマ化する。ちなみに接合界面をプラズマ化するためには、部材の気化に必要なエネルギの１〜１０％のエネルギを瞬間的に付与すれば良い。

この高電圧パルスの印加による上記部材Ａ,Ｂの接合界面Ｃの瞬時的なプラズマ化は、部材Ａ,Ｂの表面粗さに起因してその接合界面Ｃに存在する微小空間、または部材表面に多数存在する微小突起物（ウィスカー）から部分（ボイド）放電が生じ、この部分放電を端緒として上記接合界面Ｃの材料分子が瞬間的に一気に電離することによって生じる。また上記部材Ａ,Ｂに印加した高電圧パルスが極めて短い時間なので、部材Ａ,Ｂには殆ど電流が流れることがなく、その通電電流によってジュール熱が発生することがないのでプラズマ化した接合界面Ｃ以外の部位が発熱（温度上昇）することがない。

そして短時間に印加された高電圧パルスの消滅に伴って上述した如くプラズマ化した接合界面Ｃが、実験的には２０μ秒以内で急速に冷却される際、プラズマ化した前記接合界面Ｃの材料が原子レベルで相互に結合しながら固まる。この結果、上記接合界面Ｃのプラズマ接合が強固に行われる。ちなみにこのようなプラズマ接合作用を呈する高電圧パルスは、例えば前述したように数ｋＶ〜数十ｋＶの直流高電圧を十万分の１秒〜数億分の１秒（１０ｎ秒〜１０μ秒）のパルス幅で、特に１パルス当たり数ＭＷ〜数百ＭＷ以上の電力を有するものからなる。

即ち、本発明に係る高電圧パルス接合方法は、図２にその概念を示すように高電圧パルスの印加により、固体状態にある材料を液体（リキッド）化、気体（ガス）化の状態遷移を経て一気にプラズマ（電離）状態に遷移させた後、このプラズマ（電離）状態からの急速な冷却により電離（プラズマ化）した材料分子を原子レベルで再結合させることで固体状態に戻し、これによってその結合を行うようにしている。

ちなみに従来一般的な圧延接合は被圧延材（材料）に圧力と熱とを加え、これによって被圧延材（材料）を固体レベルで強制的に接合しているに過ぎない。また従来の熱拡散接合やパルス通電接合は外部から加えた熱により、或いはその通電電流により発生するジュール熱を用いて被圧延材（材料）の接合界面を溶融（液体化）させ、この状態から被圧延材（材料）を徐熱することで上記接合界面を固化し、これによってその接合を行うものである。この際、被圧延材（材料）に圧力を加えることで、その接合強度を高めることが一般的に行われる。特にパルス通電加熱の場合、その短パルス化に伴って表皮効果により電流が材料表面にだけ流れ易くなるので、その内側の接合界面の溶融化が困難となる。これ故、パルス通電溶融を行う場合には、一般的には時間を掛けてパルス電流を繰り返し通電し、熱による拡散接合を進行させることや、外部からの加圧によってその溶融をアシスト（補助）することが必須となる。

また前述した非特許文献１に紹介されるように、パルス通電を行う際にその通電衝撃と異常発熱と利用して微小な溶融点を形成し、これによって接合プロセスでの接合強度を高めることも提唱されている。しかし電流の通電によるジュール熱を利用した金属材料の溶融を利用した接合に変わりはなく、この場合にもその接合強度を高めるには前述したようにパルス電流を繰り返し通電し、材料の内部まで十分に加熱して拡散接合を進ませることや、外部から圧力を加えることが重要となる。

この点、本発明に係る高電圧プラズマ接合は、前述したように接合界面Ｃでの部分（ボイド）放電をきっかけとするプラズマ化による結合プロセスを生起するので、その接合界面は急速加熱・急速冷却されるために超微細結晶構造となり、結合強度が十分に強くなる。従って圧力を加えながら接合することは勿論可能ではあるが、格別に外部から圧力を加えなくてもその接合を行い得る。しかもプラズマ化する接合界面領域以外の領域の温度が上昇することがないので、ねつによる接合界面領域以外の領域への組織変化は殆どない。また１回のプラズマ結合だけではその結合強度が不足するような場合には、繰り返しプラズマ結合処理を実行するようにすれば良い。また上述したように接合界面以外の材料温度が上昇することがないので、例えば融点の低い金属材料であっても、或いは箔のように薄い材料であっても、その接合を簡易に、しかも確実に、且つ強固に行い得ると言う利点がある。

図３は母材Ａとして板厚０.５ｍｍ、幅２０ｍｍのステンレス鋼板に、ロウ材Ｂとして厚み５０〜１００μｍ、幅２０ｍｍのＮi箔を接合した実験例を模式的に示すもので、作業台６上に上記母材Ａとロウ材Ｂとを重ねて載置し、ロウ材Ｂの幅方向両端部に一対の電極２,３を当接させ、高電圧パルス発生器１から高電圧パルスを印加したときの様子を示している。このときの試験条件はパルス電圧を３〜４ｋＶとし、蓄積エネルギを約３０ジュール／パルスとして約十万分の１秒（１０μ秒）の極短時間だけ高電圧パルスを印加した。尚、電極２,３としては銅製のブラシ状のものを用い、ブラシ先端がロウ材Ｂの表面に幅広く均一に接触するようにした。

この結果、上記母材Ａとロウ材Ｂとに１０〜１５ジュール／ｃｍ^２のエネルギを加え、母材Ａの表面にロウ材Ｂを良好に面接合し得ることが確認できた。尚、接着強度の確認は、ここではロウ材Ｂを摘んで母材Ａを剥がれなく持ち上げ得るか否かを確認することによって行った。また１パルス当たり２〜３ｃｍ^２の領域を順次面接合していくことが可能なことが確認できた。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは平板状の母材Ａの表面にロウ材Ｂを接合してクラッド材を形成する場合を例に説明したが、例えば図４に示すように金属製のパイプａの表面にロウ材ｂをコーティングするような場合にも同様に適用できる。この場合、一対の電極４,５を上記パイプａの表面を覆って設けたロウ材ｂの外側に、例えば互いに向かい合わせて接触させるようにすれば十分である。即ち、パイプａの内側に電極を配置することなく、パイプａの外側から高電圧パルスを印加すれば十分である。

また接合対象とする部材Ａ,Ｂの材質や厚み等は特に限定されず、その接合対象に応じて高電圧パルスの印加条件を設定し、その電極配置を工夫すれば十分である。また接合対象とする部材Ａ,Ｂの両面から高電圧パルスを印加しても良いことは言うまでもなく、加熱しながら高電圧パルス接合しても良いことは勿論のことである。更には材料の酸化や窒化が懸念されるような場合には、適宜、その作業環境を特定の雰囲気ガス中や真空中で高電圧パルス接合するようにしても良い。また硬い芯材である高炭素モリブデン・ステンレス鋼（例えばＡＵＳ８）の両側面に、柔らかい側材としてのフェライト系ステンレス（例えばＳＵＳ４０５）をそれぞれ接合するような場合、つまり３枚以上の部材を一括して接合する場合にも適用可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明に係る高電圧パルス接合方法の一実施形態を示す図。高電圧パルス接合の作用を模式的に示す図。高電圧パルス接合方法を用いたクラッド材生成の実験例を示す図。パイプ表面へのロウ材の高電圧パルス接合の実施形態を示す図。

符号の説明

Ａ,Ｂ,ａ,ｂ被接合部材（母材，ロウ材）
１高電圧パルス発生器
２,３,４,５電極
６作業台

Claims

複数の部材を互いに突き合わせた状態で、前記両部材間の接合界面を瞬時的にプラズマ化し得る高電圧パルスを上記部材に印加して前記複数の部材間を接合することを特徴とする高電圧パルス接合方法。
前記高電圧パルスの印加は、接合対象とする２つの部材のそれぞれに当接させた、或いはその一方の互いに離間する位置にそれぞれ当接させた対をなす電極を介して行われるものである請求項１に記載の高電圧パルス接合方法。
前記対をなす電極は、前記部材に幅広く当接して該部材に高電圧パルス電流の幅広い通電路を確保し得るブラシ状のものからなる請求項２に記載の高電圧パルス接合方法。
前記高電圧パルスの印加は、繰り返し行われるものである請求項１に記載の高電圧パルス接合方法。
前記高電圧パルスは、パルス電流の通電による前記部材のジュール発熱および／または接合界面での異常発熱によって部材の接合界面が該部材の融点近くまたは融点の３０％程度まで上昇させることなく、該部材の気化に必要なエネルギの１〜１０％のエネルギを瞬間的に付与することで、該部材の接合界面のみを急速加熱し、膨張させた後、急速冷却する請求項１に記載の高電圧パルス接合方法。
前記高電圧パルスは、数ｋＶ〜数十ｋＶの高電圧を十万分の１秒〜数億分の１秒で取り出した数ＭＷ〜数百ＭＷの電力を有するものである請求項１に記載の高電圧パルス接合方法。