JP2007253228A - 接合方法及び接合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】放電プラズマ焼結法による接合方法であっても、接合部材の接合部の剛性や形状、強度の変化を抑えることができ、安定した品質を確保することができる接合方法及びこの方法によって製造された接合部材を提供すること。
【解決手段】この接合方法は、上型１０の上型先端面１０Ａに設けられた上型溝１０ａと第一接合部２とを係合させ、かつ、上型先端面１０Ａに対向する下型１１の下型先端面１１Ａに設けられた下型溝１１ａと第二接合部５とを係合させる一方、第一接合部２及び第二接合部５とは接触しない上型先端面１０Ａ及び下型先端面１１Ａの領域を直接接触させる工程と、上型１０及び下型１１を軸線方向に加圧して第一接合部２及び第二接合部５を押圧しながら、上型１０と下型１１との間でパルス通電する工程とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、接合方法及び接合部材に関する。

二つの異なる材質の部材を接合する場合、かしめ、ハンダ、一般的な焼結等が従来から用いられている。しかし、かしめや焼結では、接合部分が周辺部に対して拡大されてしまう。また、ハンダでは、さらに作業者に依存する部分が多く、熟練技術が必要となり、生産性の向上には限界がある。一方、その他の接合方法として、例えば、特許文献１、２に記載のように、高温かつパンチによる押圧下にてパルス電圧を印加する放電プラズマ焼結法による接合方法がある。
特許第３５４８５０９号公報 特開２００５−２３８２４４号公報

しかしながら、上記従来の放電プラズマ焼結法による接合方法の場合、接合部材がパンチに対して小さい場合には、接合部材を流れる電流量が多くなり、加熱されて接合部材が溶融してしまう可能性がある。そのため、接合部材の接合部における剛性や形状、強度が大きく変化してしまう。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、放電プラズマ焼結法による接合方法であっても、接合部材の接合部の剛性や形状、強度の変化を抑えることができ、安定した品質を確保することができる接合方法及びこの方法によって製造された接合部材を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る接合方法は、真空容器内にて同一軸線に沿って接離可能に配された第一型の第一端面及び第二型の第二端面間に、重畳された第一接合部材の第一接合部及び第二接合部材の第二接合部を配置して、放電プラズマ焼結法により前記第一接合部及び前記第二接合部を接合する接合方法であって、前記第一型の第一端面に設けられた第一溝と前記第一接合部とを係合させ、かつ、前記第一端面に対向する前記第二型の第二端面に設けられた第二溝と前記第二接合部とを係合させる一方、前記第一接合部及び前記第二接合部と接触しない前記第一端面及び前記第二端面の領域を直接接触させる工程と、前記第一型及び前記第二型を前記軸線方向に加圧して前記第一接合部及び前記第二接合部を押圧しながら、前記第一型と前記第二型との間でパルス通電する工程とを備えていることを特徴とする。

この発明は、第一型及び第二型間に流れる電流を、第一溝と第一接合部との間、第一接合部と第二接合部との間、及び第二接合部と第二溝との間に形成された各隙間に放電を発生させるための電流と、第一端面及び第二端面同士が直接接触する領域に流れる電流とに分岐して流すことができる。また、第一端面と第一接合部との間、及び第二端面と第二接合部との間の局所加熱による熱を、第一型及び第二型にそれぞれ逃がすことができる。さらに、第一溝にて第一接合部を、及び第二溝にて第二接合部をそれぞれ保持でき、安定した状態で拡散接合させることができる。

また、本発明に係る接合方法は、前記接合方法であって、前記第一端面と前記第二端面とが直接接触する領域の表面積が、前記第一溝又は前記第二溝の表面積よりも大きいことを特徴とする。

この発明は、第一端面及び第二端面が直接接触する領域の電気抵抗のほうが小さいので、第一接合部及び第二接合部の接合に必要な電流よりも大きい電流を第一型及び第二型に流しても、余分な電流を上記領域に逃がすことができる。そして、接合部分をマクロ的に溶融させることなく拡散接合させることができる。

また、本発明に係る接合方法は、前記接合方法であって、前記第一接合部材および前記第二接合部材が、何れもワイヤ状部材であることを特徴とする。
この発明は、第一接合部及び第二接合部に外径拡大部分が生じるのを好適に抑えることができる。

また、本発明に係る接合方法は、前記接合方法であって、前記第一接合部材及び前記第二接合部材の少なくとも一方が、ステンレス鋼、ニッケル基合金、又は超弾性合金の何れか一つであることが好ましい。

本発明に係る接合部材は、本発明に係る接合方法によって接合されたことを特徴とする。
この発明は、接合した部分に接合していない部分よりも外径の大きい部分が発生するのを好適に抑えられる。

本発明によれば、放電プラズマ焼結法による接合方法であっても、接合部材の接合部の剛性や形状、強度の変化を抑えることができ、安定した品質を確保することができる。

本発明に係る一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に係る接合方法は、例えば、第一ワイヤ（第一接合部材）１の第一接合部２と、第二ワイヤ（第二接合部材）３の第二接合部５とを接合して、例えば、外径が０．５ｍｍから１．０ｍｍ程度の金属ワイヤ（ワイヤ状部材）６とするための接合方法であって、図１に示す放電プラズマ焼結装置７によって行う。

この放電プラズマ焼結装置７は、図１に示すように、真空チャンバ（真空容器）８と、真空チャンバ８内にて同一軸線Ｃに沿って上下方向に接離可能に配された上型（第一型）１０及び下型（第二型）１１と、上型１０及び下型１１を間に挟んで配設された上型パンチ電極１２及び下型パンチ電極１３と、これら電極１２，１３を介して上型１０及び下型１１にパルス電力を印加する電源部１５と、上型パンチ電極１２及び下型パンチ電極１３を介して上型１０と下型１１とを軸線Ｃに沿って押圧する加圧機構１６（例えば、油圧プレス機構）とを備えている。

上型１０及び下型１１は、カーボングラファイトからなり、何れも例えば外径７０ｍｍの丸棒状に形成されている。そして、上型先端面（第一端面）１０Ａと下型先端面（第二端面）１１Ａとは、何れも軸線Ｃを法線方向として、互いに対向するように形成されている。また、上型１０は、上型パンチ電極１２と上部で接触して電気的に接続されているとともに、下型１１は、下型パンチ電極１３と接触して電気的に接続されている。

図２に示すように、上型先端面１０Ａには、第一ワイヤ１の第一接合部２と第二ワイヤ３の第二接合部５とを重畳させた状態で、係合可能な上型溝（第一溝）１０ａが形成されている。下型先端面１１Ａにも同様の下型溝（第二溝）１１ａが形成されている。この際、上型先端面１０Ａと下型先端面１１Ａとが直接接触する領域の表面積が、上型溝１０ａ又は下型溝１１ａの表面積よりも大きくなるように形成されている。

第一ワイヤ１は、例えば、ステンレス鋼とされ、第二ワイヤ３は、例えば、第一ワイヤ１と異なるニッケル基合金とされている。第一接合部２及び第二接合部５には、図３に示すように、半円状の端面と、矩形状の第一接合面２Ａ及び第二接合面５Ａがそれぞれ形成されている。そして、第一接合面２Ａと第二接合面５Ａとが当接されることにより、接合部分の断面形状が円形となる。

次に、放電プラズマ焼結装置７を用いて本実施形態に係る金属ワイヤ６を接合する接合方法及びその作用について説明する。
この接合方法は、上型１０の上型先端面１０Ａに設けられた上型溝１０ａと第一接合部２とを係合させ、かつ、上型先端面１０Ａに対向する下型１１の下型先端面１１Ａに設けられた下型溝１１ａと第二接合部５とを係合させる一方、第一接合部２及び第二接合部５とは接触しない上型先端面１０Ａ及び下型先端面１１Ａの領域を直接接触させる工程と、上型１０及び下型１１を軸線Ｃ方向に加圧して第一接合部２及び第二接合部５を押圧しながらパルス通電する工程とを備えている。

まず、上型先端面１０Ａ及び下型先端面１１Ａの領域を直接接触させる工程を行う。
具体的には、下型１１の下型先端面１１Ａの中央に第二接合部５が配されるように、下型溝１１ａに第二ワイヤ３を係合させる。そして、第二ワイヤ３の第二接合面５Ａに第一ワイヤ１の第一接合面２Ａが当接するように第一ワイヤ１を載置する。この際、第一接合面２Ａ及び第二接合面５Ａは所定の表面粗さにしておく。なお、予め、第一接合面２Ａと第二接合面５Ａとを当接させた状態の第一ワイヤ１及び第二ワイヤ３を下型先端面１１Ａの下型溝１１ａに係合させてもよい。

この状態で、加圧機構１６を一度駆動して、上型溝１０ａと第一ワイヤ１及び第二ワイヤ３とが係合し、上型先端面１０Ａと下型先端面１１Ａとが接触する位置まで、上型１０と下型１１とを接近させる。

続いて、パルス通電する工程に移行する。まず、図示しない真空ポンプによって真空チャンバ８内を３．０×１０^−３Ｐａまで排気した後、加圧機構１６を再駆動して、第一ワイヤ１及び第二ワイヤ３を上型１０及び下型１１によって上下方向から所定の圧力で加圧する。

次に、電源部１５から所定の強さ及び周波数のパルス電圧を印加してパルス通電を行う。この際、上型１０と下型１１との間の電流は、第一ワイヤ１及び第二ワイヤ３に流れる電流と、上型先端面１０Ａ及び下型先端面１１Ａ同士が直接接触する領域に流れる電流とに分岐される。そして、第一ワイヤ１及び第二ワイヤ３に流れる電流によって、上型溝１０ａと第一接合部２との間、第一接合面２Ａと第二接合面５Ａとの間、及び第二接合部５と下型溝１１ａとの間に形成されたそれぞれの隙間に放電プラズマが発生して、第一接合部２及び第二接合部５が加熱される。

この熱により、第一接合面２Ａと第二接合面５Ａとが微視的に溶解する。そして、加圧による圧縮力により、第一接合面２Ａと第二接合面５Ａとの凹凸部分が塑性変形して間隙が徐々になくなっていき、やがて第一接合面２Ａと第二接合面５Ａとが接合される。

一方、上型先端面１０Ａ及び下型先端面１１Ａ同士が直接接触する領域にも電流が流れるが、電気抵抗が第一ワイヤ１及び第二ワイヤ３を経由する回路よりも小さいので、発熱せずに多くの電流が流れていく。こうして、第一ワイヤ１及び第二ワイヤ３を自己加熱させることによって焼結を行い、接合された金属ワイヤ６を得る。

この接合方法及び金属ワイヤ６によれば、上型１０及び下型１１間に流れる電流を、上型溝１０ａと第一接合部２との間、第一接合部２と第二接合部５との間、及び第二接合部５と下型溝１１ａとの間に形成された各隙間にプラズマ放電を発生させるための電流と、上型先端面１０Ａ及び下型先端面１１Ａ同士が直接接触する領域に流れる電流とに分岐して流すことができる。この際、上型先端面１０Ａ及び下型先端面１１Ａが直接接触する領域の電気抵抗のほうが小さいので、第一接合部２及び第二接合部５の接合に必要な電流よりも大きい電流を上型１０及び下型１１に流しても、余分な電流を上記領域に逃がすことができる。

また、上型先端面１０Ａと第一接合部２との間、及び下型先端面１１Ａと第二接合部５との間の局所加熱による熱を、上型１０及び下型１１にそれぞれ逃がすことができる。さらに、上型溝１０ａにて第一接合部２を、及び下型溝１１ａにて第二接合部５をそれぞれ保持でき、安定した状態で拡散接合させることができる。従って、接合部分をマクロ的に溶融させてしまうことなく、放電プラズマ焼結法によっても外径が拡大されて接合部の剛性や形状、強度が変化してしまうのを抑えることができ、作業者に依存することなく金属ワイヤ６の安定した品質を確保することができる。また、接合した部分に接合していない部分よりも外径の大きい部分が発生するのが好適に抑えられる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、第一接合面２Ａ及び第二接合面５Ａが何れも矩形状となっているが、これに限定されるものではない。

例えば第１の変形例として、図４に示すように、金属ワイヤ２０が、第一ワイヤ２１の第一接合部２２と、第二ワイヤ２３の第二接合部２５とを接合してなるものとし、第一接合部２２及び第二接合部２５に、ワイヤの中心軸線に対して傾斜する方向に切断された楕円状の第一接合面２２Ａ及び第二接合面２５Ａがそれぞれ形成されているものとしても構わない。

この場合、第一接合面２２Ａと第二接合面２５Ａとを、上述した放電プラズマ焼結装置７を用いて同様の方法にて接合することによって、上記実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。特に第１の変形例の場合、第一接合面２２Ａ及び第二接合面２５Ａを簡易な切断によって形成することができ、加工時間をより短縮することができる。

また、第２の変形例として、図５に示すように、金属ワイヤ３０が、第一ワイヤ３１の第一接合部３２と、第二ワイヤ３３の第二接合部３５とを接合してなるものとし、第一接合部３２及び第二接合部３５に、第一ワイヤ３１及び第二ワイヤ３２の長手方向に階段状の第一接合面３２Ａ及び第二接合面３５Ａがそれぞれ形成されているものとしても構わない。即ち、長手方向に直交する切断面が、第一接合面３２Ａ及び第二接合面３５Ａにそれぞれ形成されている。

この場合、上記実施形態と同様の方法にて第一接合面３２Ａ及び第二接合面３５Ａを接合することによって、同様の作用・効果を奏することができる。特に第２変形例の場合、長手方向に直交する切断面でも接合させることにより、接合部の接合面積を増大させることができ、接合強度の向上を図ることができる。

さらに、上記実施形態では、金属ワイヤ６を接合させているが、これに限らず、例えば、医療用に用いる器具を構成する部材を接合するのにも使用することができる。

また、金属ワイヤ６の構成部材は、上述した組み合わせに限らず、第一ワイヤ及び第二ワイヤの少なくとも一方が、ステンレス鋼、ニッケル基合金、又は超弾性合金の何れか一つであればよい。

本発明の一実施形態に係る接合部材の接合方法に使用する放電プラズマ焼結装置を示す概略構成図である。 図１のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る接合部材の接合方法を説明する図である。 本発明の一実施形態の第１変形例に係る接合部材の接合方法を説明する図である。 本発明の一実施形態の第２変形例に係る接合部材の接合方法を説明する図である。

符号の説明

１，２１，３１ 第一ワイヤ（第一接合部材）
２，２２，３２ 第一接合部
３，２３，３３ 第二ワイヤ（第二接合部材）
５，２５，３５ 第二接合部
６，２０，３０ 金属ワイヤ（ワイヤ状部材）
８ 真空チャンバ（真空容器）
１０ 上型（第一型）
１０Ａ 上型先端面（第一端面）
１０ａ 上型溝（第一溝）
１１ 下型（第二型）
１１Ａ 下型先端面（第二端面）
１１ａ 下型溝（第二溝）

Claims (5)

1. 真空容器内にて同一軸線に沿って接離可能に配された第一型の第一端面及び第二型の第二端面間に、重畳された第一接合部材の第一接合部及び第二接合部材の第二接合部を配置して、放電プラズマ焼結法により前記第一接合部及び前記第二接合部を接合する接合方法であって、
   前記第一型の第一端面に設けられた第一溝と前記第一接合部とを係合させ、かつ、前記第一端面に対向する前記第二型の第二端面に設けられた第二溝と前記第二接合部とを係合させる一方、前記第一接合部及び前記第二接合部と接触しない前記第一端面及び前記第二端面の領域を直接接触させる工程と、
   前記第一型及び前記第二型を前記軸線方向に加圧して前記第一接合部及び前記第二接合部を押圧しながら、前記第一型と前記第二型との間でパルス通電する工程とを備えていることを特徴とする接合方法。
2. 前記第一端面と前記第二端面とが直接接触する領域の表面積が、前記第一溝又は前記第二溝の表面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記第一接合部材および前記第二接合部材が、何れもワイヤ状部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
4. 前記第一接合部材及び前記第二接合部材の少なくとも一方が、ステンレス鋼、ニッケル基合金、又は超弾性合金の何れか一つであることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載の接合方法によって接合されたことを特徴とする接合部材。
   
   

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