JP2017080748A - 液相拡散接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】管の先端と被接合部材の接合部との間にインサート材を挟んで行う液相拡散接合方法であって、管の先端と被接合部材の接合部とに加え、管の内周面と被接合部材の凸部とを接合することのできる液相拡散接合方法を提供する。
【解決手段】管２１に挿入される凸部１３と、凸部１３の基端部１４の周縁に位置して管２１の先端２２と接合される接合部１６と、を備えているとともに、凸部１３にくびれ１５が設けられている継手１１を用いるこの液相拡散接合方法では、管２１に凸部１３を挿入することによって管２１の中心軸Ｃ１の延伸方向と直交する方向における管２１と継手１１との相対移動を規制するとともに、接合部１６と管２１の先端２２との間にインサート材３１を挟んだ状態で、管２１と継手１１とを中心軸Ｃ１の延伸方向において互いに近接する方向に押圧しながら加熱し、インサート材３１を溶融させて管２１と継手１１とを接合する。
【選択図】図１

Description

この発明は、管と被接合部材とをインサート材を用いて接合する液相拡散接合方法に関するものである。

液相拡散接合として、インサート材を複数の部材間に介在させ、部材同士を押圧及び加熱することによって複数の部材を接合する接合方法が知られている。特許文献１には、こうした液相拡散接合を、管と継手との接合に用いる例が開示されている。

図６に示すように、特許文献１の接合方法では、継手１１１に設けられた凸部１１３を、管１２１に圧入し、管１２１と継手１１１との間にインサート材１３１を挟んだ状態で、管１２１と継手１１１とを押圧及び加熱することによって管１２１と継手１１１とを接合している。

こうしてインサート材１３１を用いて、管１２１と継手１１１とを液相拡散接合で接合することにより、管１２１の中心軸Ｃ１の延伸方向における管１２１と継手１１１との相対移動を規制することができる。

また、継手１１１の凸部１１３が管１２１に挿入されているため、特許文献１の接合方法によれば、管１２１の中心軸Ｃ１の延伸方向と直交する方向における管１２１と継手１１１との相対移動を規制することもできる。

国際公開第２０１０／０２４２６１号

ところが、特許文献１の接合方法においては、凸部１１３の周囲を取り囲むように位置する継手１１１の接合部１１６にインサート材１３１を貼り付けた状態で、継手１１１の凸部１１３を管１２１に挿入し、管１２１の先端１２２と接合部１１６との間にインサート材１３１を挟み込んでいる。

そのため、図６に示すように、特許文献１の接合方法で接合した場合には、管１２１の先端１２２と継手１１１の接合部１１６とは液相拡散接合により接合されているが、管１２１の内周面１２３と継手１１１の凸部１１３とが当接する部分は、単に当接しているだけで接合されていない。そのため、継手１１１と管１２１との接合強度が不足するおそれがある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、管の先端と被接合部材の接合部との間にインサート材を挟んで行う液相拡散接合方法であって、管の先端と被接合部材の接合部に加え、管の内周面と被接合部材の凸部とを接合することのできる液相拡散接合方法を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するための液相拡散接合方法は、管と被接合部材とをインサート材を用いて接合する液相拡散接合方法であって、前記管に挿入される凸部と、該凸部の基端部の周縁に位置して前記管の先端と接合される接合部と、を備えているとともに、前記凸部の基端部にくびれが設けられている前記被接合部材を用い、前記管に前記被接合部材の前記凸部を挿入することによって前記管の中心軸の延伸方向と直交する方向における前記管と当該被接合部材との相対移動を規制するとともに、前記接合部と前記管の先端との間に前記インサート材を挟んだ状態で、前記管と当該被接合部材とを前記中心軸の延伸方向において互いに近接する方向に押圧しながら加熱し、前記インサート材を溶融させて前記管と当該被接合部材とを接合する。

上記液相拡散接合方法では、従来と同様に、管の先端と被接合部材の接合部とが接合されるようになる。また、インサート材を溶融させて管と被接合部材とを接合する過程で、凸部の基端部に設けられたくびれに、溶融したインサート材の一部が流れ込み、貯留されるようになる。そして、このくびれに貯留されたインサート材は、昇温され、膨張することによって管の内周面と被接合部材の凸部との間隙に広がったり、毛細管現象によって当該間隙に広がったりするようになる。これにより、管の内周面と被接合部材の凸部との間隙にも溶融したインサート材が導入されるようになり、管の内周面と被接合部材の凸部とを接合することができる。

したがって、凸部の基端部にくびれが設けられた被接合部材を用いる上記の液相拡散接合方法によれば、管の先端と被接合部材の接合部に加え、被接合部材の凸部と管の内周面とを接合することができるようになる。

液相拡散接合方法の一実施形態によって製造される接合体の断面構造を示す図。 同実施形態の液相拡散接合方法を示す図であり、継手と管とを当接させる前の状態を示す概略図。 同実施形態の液相拡散接合方法を示す図であり、継手と管とを当接させた状態を示す概略図。 同実施形態の液相拡散接合方法を示す図であり、インサート材が溶融した状態を示す概略図。 同実施形態の液相拡散接合方法を示す図であり、間隙にインサート材が導入された状態を示す概略図。 従来の接合方法によって接合された接合体の断面構造を示す図。

以下、液相拡散接合方法の一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態にかかる液相拡散接合方法は、被接合部材である継手１１と管２１とを接合した接合体を製造する方法である。継手１１及び管２１は共に金属を材料としている。なお、継手１１と管２１とは同種の金属からなるものであっても、互いに異なる金属からなるものであってもよい。

継手１１と接合される管２１は、中空の円筒形状に成形されている。管２１の先端２２は、継手１１と接合される接合部分となる。以下、図１に示すように、継手１１と管２１とを接合して接合体を構成した状態において、管２１の中心軸Ｃ１の延伸している方向を第１方向とし、当該第１方向と直交する方向を第２方向として説明する。

継手１１は、円柱状の本体部１２と、本体部１２よりも径が小さく、本体部１２から第１方向に突出する円柱状の凸部１３とを有している。凸部１３は、その径が管２１の内径よりもわずかに小さくされている。本体部１２のうち、凸部１３の根本の部分である基端部１４の周縁、つまり凸部１３の基端部１４が連結している部分（図１において二点鎖線で示している部分）を取り囲んでいる部分は、管２１の先端２２と接合される接合部１６をなしている。

図１に示すように、凸部１３においては、基端部１４が径方向に縮径している。これにより、凸部１３の基端部１４には、くびれ１５が形成されている。
この接合方法によって製造される接合体における継手１１と管２１との接合面には、インサート材３１が介在している。インサート材３１は、継手１１及び管２１を形成する材料よりも融点の低い材料からなり、拡散接合に一般的に用いられる金属箔である。たとえば、ニッケルを主とする非晶質合金を採用することができる。なお、各図においては、説明の便宜上、継手１１と管２１との隙間の大きさや、その隙間を埋めるように存在しているインサート材３１の厚さを強調して表示している。また、接合体においてはインサート材３１が継手１１及び管２１に拡散されて等温凝固しているが、こうした状態や、インサート材３１、継手１１及び管２１が溶融合金となった状態は図示せず省略している。

次に、継手１１と管２１とを接合して接合体とする液相拡散接合について説明する。液相拡散接合は、無酸素雰囲気下、たとえば真空雰囲気下や不活性ガス雰囲気下にて行うことが好ましい。本実施形態の液相拡散接合方法は、以下の工程を含む。

図２に示すように、インサート材３１を継手１１における接合部１６に貼着する。そして、継手１１の凸部１３を管２１に挿入する。
次に、図３に示すように、継手１１の接合部１６に貼着されているインサート材３１と管２１の先端２２とを当接させる。こうしてインサート材３１を間に挟んだ状態で継手１１と管２１とを第１方向において互いに近接する方向に押圧する。さらに、こうした押圧を行いながら、継手１１、管２１及びインサート材３１を、インサート材３１の融点よりも高く且つ継手１１及び管２１の融点よりも低い温度に昇温する。ここで、加熱する手段は特に限定されるものではないが、たとえば、高周波誘導加熱、通電加熱、電気ヒータによる加熱等を採用することができる。高周波誘導加熱を採用した場合、電気ヒータによる加熱の場合等と比較して加熱時間を短くすることができるとともに、接合面を局所的に加熱することができる。

加圧及び加熱した状態を保持することで、継手１１における接合部１６と、管２１における先端２２と、にインサート材３１を拡散させる。
次に、本実施形態にかかる液相拡散接合方法の作用について、図３〜５を参照して説明する。

図３に示すように、継手１１を用いた液相拡散接合方法では、継手１１にくびれ１５が設けられていることによって、インサート材３１のくびれ１５側の端を、くびれ１５に挿入した態様でインサート材３１を貼着することができる。

図４及び図５に示すように、加圧及び加熱を行う工程では、くびれ１５と管２１との間に貯留空間４１が形成される。この貯留空間４１には、溶融したインサート材３１が貯留される。貯留空間４１に貯留された溶融したインサート材３１は昇温され、膨張することによって凸部１３の周面と管２１の内周面２３との間の間隙５１に広がったり、毛細管現象によって凸部１３の周面と管２１の内周面２３との間の間隙５１に広がったりする。

通常、インサート材を介在させて母材同士を接合する液相拡散接合では、等温凝固に関与しない過剰な溶融合金は母材同士の間から排出される。
この点、くびれ１５が設けられた継手１１を用いる液相拡散接合方法によれば、貯留空間４１が形成されることによって、管２１の先端２２と接合部１６の間からの溶融合金の外部への排出が抑制される。外部への排出に代わって、インサート材３１が貯留空間４１に導入される。そして、上記のように貯留空間４１に貯留されて昇温されたインサート材３１が間隙５１に導入される。間隙５１に導入されたインサート材３１が凝固することによって、凸部１３の周面と管２１の内周面２３とが接合される。

上記のような液相拡散接合方法によって製造された接合体においては、図１に示すように、継手１１における凸部１３の基端部１４の周縁に位置する接合部１６は、インサート材３１を介して管２１の先端２２と接合されている。当該接合部１６は、管２１における先端２２との接合面である第１接合面１７をなしている。

また、管２１には、継手１１の凸部１３が挿入されている。管２１における内周面２３は凸部１３の周面と対向している。このように管２１への凸部１３の挿入によって、第２方向における管２１と継手１１との相対移動が規制されている。凸部１３の径は、上述のように管２１の内径よりもわずかに小さくされている。しかし、この接合体では、インサート材３１が凸部１３と管２１との間に介在することで、凸部１３の周面が管２１の内周面２３と接合されている。凸部１３の周面は、管２１における内周面２３との接合面である第２接合面１８をなしている。

本実施形態にかかる液相拡散接合方法にて製造される接合体では、第１接合面１７は第１方向に垂直な面である。また、第２接合面１８は第２方向に垂直な面である。すなわち、本実施形態にかかる液相拡散接合方法によれば、第１接合面１７及び第２接合面１８において継手１１と管２１とが液相拡散接合された接合体が製造される。

以上説明した実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）液相拡散接合にくびれ１５が設けられた継手１１を用いることによって、管２１の先端２２と継手１１の接合部１６とを従来と同様に接合することに加え、継手１１の凸部１３と管２１の内周面２３とを接合することができるようになる。

（２）くびれ１５が設けられた継手１１を用いた上記の液相拡散接合方法によれば、第１接合面１７及び第２接合面１８において液相拡散接合を行うことができる。そのため、部材間を強固に接合した接合体の製造を行うことができる。

（３）管に継手の凸部を圧入することによって第２方向における管と継手との相対移動を規制する従来の方法を用いて接合体を形成する場合には、継手と管とにおける互いに嵌め合わされる部分の寸法を高い精度で加工する必要がある。これに比べて、くびれ１５が設けられた継手１１を用いることによって、凸部１３を管２１に圧入しなくても済むため、部材同士を圧入するような接合方法と比較して各部材の加工に対する精度の要求がそれほど高くなくて済むようになる。したがって、部材同士を圧入するような接合方法と比較して簡易な方法にて接合体を製造することができる。そのため、接合体の製造コストの増加を軽減することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・凸部１３の形状は上記実施形態に示した形状に限定されず、凸部１３の基端にくびれ１５が形成されていればよい。たとえば、凸部１３の突出方向先端が面取りされていてもよい。また、基端から先端に向けて縮径したテーパ状の傾斜面を有していてもよい。傾斜面を有する凸部１３を採用する場合、当該テーパに対応するように管２１の内周面２３をテーパ状に形成することが好ましい。

・第１方向に垂直な面と、第１方向と直交する方向である第２方向に垂直な面と、を接合した接合体及びその接合方法を例示した。異なる二つの方向について、それぞれの方向に垂直な二つの面を接合する場合であれば、くびれを有した継手を用いた接合による接合体を製造することができる。つまり、二つの方向は直交するものでなくてもよい。

・上記接合方法では、インサート材３１を継手１１に貼着したが、管２１の先端２２に貼着してもよい。
・インサート材３１として金属箔を採用する代わりに、粉状のインサート材を採用することもできる。すなわち、継手１１又は管２１に金属箔からなるインサート材３１を貼着する代わりに、紛状のインサート材を吹き付けて塗布することもできる。

・本体部１２が円柱形状の継手１１を例示したが、継手１１は凸部１３を備えるものであれば、その形状は特に限定されない。また、管２１も円筒状のものに限らず、その形状を変更することができる。例えば四角筒状の管であってもよい。なお、管に挿入される凸部１３の形状は、管の形状に対応したものであることが望ましい。例えば、管が四角筒状である場合には、凸部１３を四角柱状にして凸部１３を管に挿入したときに凸部の周囲にできるだけ均一な間隙が形成されるようにすることが望ましい。

・上記実施形態では、管２１を中空の円筒形状とした。全体が中空でない形状を採用することもできる。たとえば、継手１１と接合する先端部に凸部を内包する空間が形成された有底筒状の管でもよい。

・継手１１として管２１の内部と連通する通路となる空間が形成されている中空の形状を採用してもよい。また、被接合部材としては継手１１に限らず、管２１を封止するような蓋形状を採用することもできる。被接合部材は、管２１に挿入される凸部１３を備え、且つ凸部１３の基端にくびれ１５が形成されていればよい。

１１…継手、１２…本体部、１３…凸部、１４…基端部、１５…くびれ、１６…接合部、１７…第１接合面、１８…第２接合面、２１…管、２２…先端、２３…内周面、３１…インサート材、４１…貯留空間、５１…間隙、１１１…継手、１１３…凸部、１１６…接合部、１２１…管、１２２…先端、１２３…内周面、１３１…インサート材、Ｃ１…中心軸。

Claims (1)

1. 管と被接合部材とをインサート材を用いて接合する液相拡散接合方法であって、
   前記管に挿入される凸部と、該凸部の基端部の周縁に位置して前記管の先端と接合される接合部と、を備えているとともに、前記凸部の基端部にくびれが設けられている前記被接合部材を用い、
   前記管に前記被接合部材の前記凸部を挿入することによって前記管の中心軸の延伸方向と直交する方向における前記管と当該被接合部材との相対移動を規制するとともに、
   前記接合部と前記管の先端との間に前記インサート材を挟んだ状態で、前記管と当該被接合部材とを前記中心軸の延伸方向において互いに近接する方向に押圧しながら加熱し、前記インサート材を溶融させて前記管と当該被接合部材とを接合する液相拡散接合方法。

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