JP2018079472A - アルミニウム母材と金属母材の固相接合方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の別の観点によれば、前記加圧工程の後に加熱工程を行う、固相接合方法である。
本発明の別の観点によれば、前記アルミニウム母材に超音波振動を付与する、固相接合方法である。
本発明の別の観点によれば、前記金属母材が酸化皮膜を有する金属又は合金である固相接合方法である。
本発明の別の観点によれば、前記金属母材がアルミニウム又はアルミニウム合金である、固相接合方法である。
本発明の別の観点によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金であるアルミニウム母材を固定する第一固定部材と、金属又は合金である金属母材を固定する第二固定部材と、前記アルミニウム母材と前記金属母材により形成される接触面を押し付ける方向へ加圧する加圧手段と、前記接触面近傍を加熱する加熱手段と、超音波振動付与手段と、を備えており、前記超音波振動付与手段は、前記第一固定部材又は/及び第二固定部材に接続され、前記固定部材を介して前記接触面に超音波振動を付与する、固相接合装置が提供される。
本発明の別の観点によれば、2つの金属母材からなる固相接合部材が提供される。
本発明の別の観点によれば、大気中でその断面が加熱され、超音波振動を受けることによって自身の酸化皮膜が破壊され、前記断面に金属結合が促進されることを特徴とする、アルミニウム又はアルミニウム合金の固相接合方法が提供される。
本発明の実施形態の固相接合方法では、アルミニウム又はアルミニウム合金が、アルミニウム母材として使用され、金属又は合金が、接合対象となる金属母材として使用される。ここで、母材とは、本発明における接合対象となる金属材料において主要な基体となる材料のことをいう。金属母材としては、特に制限されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、銅、銅合金、超硬合金等が挙げられる。特に、アルミニウム及びアルミニウム合金は、表面に強固な酸化被膜を形成するため、従来の技術(はんだ付による接合方法)では、強固に接合することが困難であった。これに対して、本発明によれば、このような酸化被膜が存在している母材であっても、簡便でしかも強固に接合させることができる。本発明における接合対象母材として、母材が酸化皮膜を有する金属又は合金であることが好ましい。さらに好ましくは、アルミニウム又はその合金であり、よりさらに好ましくは、双方がアルミニウム又はその合金である。すなわち、本発明の実施形態の方法によれば、一般に非常に強固な酸化皮膜を有するアルミニウムを母材とした場合においても固相接合が可能である。
本発明の実施形態の固相接合方法では、まずは、接合対象となる2つの母材を接触させ接触面を形成させる。ここで、本発明においては、2つの母材間には中間材を介在させずに直接的に接触させて接触面を形成させる。もちろん、接触面を形成させる際には、2つの母材同士の一部が接触する状態であればよい。ここで、加圧前における接触面の面積は、2つの母材から形成される最大の接触面積を100とした場合に、当該接触面積が50以上あればよく、より好ましくは80以上であり、より好ましくは90以上であり、さらに好ましくは95以上であり、100近くであることがより好ましい。また、2つの母材により形成される接触面となる面が粗さを有していてもよい。
このように2つの母材の接触面を形成した状態で、2つの母材同士が押し付けられる方向へ圧力を加える。ここで、両母材の接触面に圧力を加える方法としては、一方の母材(第一母材)をもう一方の母材(第二母材)へ押し付けることにより、第二母材が第一母材へ押し付けられるようにして接触面へ圧力を加える方法であってもよい。
また、2つの母材の接触面の近傍において接触面の温度を高めるために加熱を行う。加熱することによって、接合材料が軟化し、より接触面が密着する状態となり接合強度を高くすることができる。
本発明の実施形態の固相接合方法では、少なくとも一方の母材に対して超音波振動を付与する。上記で説明した条件下において超音波振動を付与することで2つの母材を固相接合することができる。このことは、母材の接触面に存在する母材自身の酸化皮膜を一定条件下において超音波振動を付与することで破壊することができ原子レベルで固相接合(金属結合)が促進されるためであると考えられる。
本発明の固相接合方法により、丸棒状母材同士を突き合わせて固相接合するのに用いられる装置の一例を図1に示す。図1に示す装置では、丸棒状母材を保持部において固定する第一固定部材1及びもう一方の丸棒状母材を端部で固定する第二固定部材2を備えている。第一固定部材1は、保持部3を備えており保持部3により母材を固定している。保持部3は、母材を固定するため第一固定部材1と固定金具(図示しない)等の部材によりクランプされる構造となっており、ボルト等の締結方法によって強固に固定される。第一固定部材1には、ホーン4及び圧電素子5を介して超音波発振器6が備えられている。第二固定部材2には母材が挿入され、保持されている。第二固定部材2には母材を固定するボルト等の止め金具を有していてもよい。2つの固定部材は、2つの母材を保持した状態で、2つの母材が接触面を形成するように水平方向、上下方向へ位置決めできる機構(図示しない)を備えており、接触面を自由に設定できるような機構となっている。さらに図1に示す装置では、接触面近傍に高周波誘導加熱装置の発振器7に接続された加熱コイル8が配置されており、第一固定部材により固定される母材には接触面を加圧するためのサーボプレス機9が加圧治具10を介して配置されている。ここで、加圧治具10としては、サーボプレス機9からの加圧力を適切に母材へ伝えられるようなものであれば限定されるものではなく、金属からなる部材であればよい。具体的な加圧治具としては、例えば、銅製からなる部材が挙げられ、加熱された母材からの伝熱を放熱できる部材であればより好ましい。また、本発明の実施形態の装置においては、超音波発振器6及び高周波誘導加熱装置の発振器7を一体として構成してもよく、そうすることで、より一層の装置のコンパクト化が可能となり、本発明の固相接合方法をより簡便に使用することができる。
以下,実施例を挙げて,本発明を具体的に説明する。なお,本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
図1に示す構成の装置を用いて、接合条件は実施例1と同様にして、2本の円錐台状のアルミニウム材(円錐台部分の径5mm、円錐台裾野部分の径20mm、長さ100mm、JIS A1070製)同士を円錐台部分を向かい合わせる状態で固相接合した。
図1に示す構成の装置を用いて、接合条件及び2本のアルミニウム材を実施例1と同様にして、接合温度をそれぞれの場合において、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃に設定し、固相接合を行ったところ、何れの場合においても、アルミニウム材において母材破断が起こったことを確認した。それぞれの実施例の場合における接合温度と破断強度との関係を表1に示す。
また、比較例として、上記実施例において超音波振動を付与しないということ以外は同じ条件にて2つのアルミニウム材の接合を行った。接合後、実施例と同様に引張試験を行った結果、接合強度がほとんどなく、その破断面を観察すると接触面にて破断が起こっているとみられ固相接合はされていないことが確認された。
図1に示す構成の装置を用いて、接合条件及び2本のアルミニウム材を実施例1と同様にして、超音波振動を与えずに接合温度をそれぞれ、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃に設定し、固相接合を行ったところ、何れの場合においても、破断強度がなく、接触面にて破断しており固相接合はされていないことが確認された。
2 :第二固定部材
3 :保持部
4 :ホーン
5 :圧電素子
6 :超音波発振器
7 :高周波誘導加熱発振器
8 :加熱コイル
9 :サーボプレス
10 :加圧治具
A1 :母材
A2 :母材
Claims (9)
- アルミニウム又はアルミニウム合金であるアルミニウム母材と金属又は合金である金属母材とを接触させる工程と、
前記両母材の接触面同士を押し付ける方向に加圧する工程と、
前記接触面の近傍において一方の母材を加熱する工程と、
一方の母材に超音波振動を付与する工程とを含み、
前記超音波振動を前記母材を介して前記接触面に伝達する、アルミニウム母材と金属母材の固相接合方法。 - 前記接触面から母材の振動波長の0.25倍〜0.75倍の長さの位置を固定部材により一方の母材を固定し、前記固定部材を介して前記超音波振動が付与される、請求項1に記載の固相接合方法。
- 前記加圧工程の後に加熱工程を行う、請求項1又は請求項2に記載の固相接合方法。
- 前記アルミニウム母材に超音波振動を付与する、請求項1〜請求項3の何れか1つに記載の固相接合方法。
- 前記金属母材が酸化皮膜を有する金属又は合金である、請求項1〜請求項4の何れか1つに記載の固相接合方法。
- 前記金属母材がアルミニウム又はアルミニウム合金である、請求項1〜請求項5の何れか1つに記載の固相接合方法。
- アルミニウム又はアルミニウム合金であるアルミニウム母材を固定する第一固定部材と、
金属又は合金である金属母材を固定する第二固定部材と、
前記アルミニウム母材と前記金属母材により形成される接触面を押し付ける方向へ加圧する加圧手段と、
前記接触面近傍を加熱する加熱手段と、
超音波振動付与手段と、を備えており、
前記超音波振動付与手段は、前記第一固定部材又は/及び第二固定部材に接続され、前記固定部材を介して前記接触面に超音波振動を付与する、固相接合装置。 - 2つの金属母材からなる固相接合部材。
- 大気中でその断面が加熱され、
超音波振動を受けることによって自身の酸化皮膜が破壊され、
前記断面に金属結合が促進されることを特徴とする、アルミニウム又はアルミニウム合金の固相接合方法。
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