JP5585984B2 - パルス通電接合方法及びパルス通電接合装置 - Google Patents
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Description
本発明は、パルス通電接合法を用いて材料を接合する技術に関する。特に、内殻と外殻との接合強度の強化に関する。
金属材料の接合方法の一つとして、電鋳法（電気めっき法による金属製品の製造、もしくは複製法）が知られている。しかしながら、電鋳法は、電鋳層（めっき）の形成に時間がかかり、費用が増大する。そのため、金属材料の接合方法として、特許文献１に開示されているパルス通電接合法（放電プラスマ焼結法、ＳＰＳ（Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）とも呼ぶ）がしばしば用いられている。パルス通電接合法は、金属材料に荷重をかけながら、電気を流して加熱し、接合を行うため、電鋳法よりも短時間かつ低コストで、金属材料を接合することができる。
図１に従来のパルス通電接合方法を示す。一対の電極（対電極）の間に、接合対象である二つの金属材料が配置される。対電極には、パルス電圧を発生させる電源が接続されている。対電極を介して、二つの金属材料が接続面に対して垂直になるように加圧しながら、パルス電圧を対電極に与え、二つの金属材料に電流が流して熱を発生させて、二つの金属材料を接合する。
しかし、従来のパルス通電接合法は、接合面に対して加圧方向が垂直の場合には、結合強度が強かったが、図２に示す２重円筒のように、接合面に対して平行方向（若しくは斜め方向）にしか加圧できない場合には、接合面の密着性が悪化し、結合強度が弱くなってしまう。
本発明は、パルス通電接合法において、加圧方向に対して平行方向（若しくは斜め方向）の接合面の結合強度を強化する方法及び装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明は、接合面が加圧方向に対して平行成分を持つ第一金属材料と第二金属材料との接合を行うパルス通電接合方法であって、前記第一金属材料が圧力を受ける圧力面を、加圧方向に対して平行成分及び垂直成分を持つように加工するステップと、前記圧力面に沿う面と前記加圧方向に垂直な面を持つように前記第一金属材料及び第二金属材料より低い導電性の中子を加工するステップと、前記第一金属材料、前記第二金属材料及び前記中子、並びに、加圧方向に垂直な接触面を持ち、前記接触面で前記中子と接触する導電性の弾性部材を組み合わせるステップと、前記第二金属材料を加圧方向に対して垂直方向に固定するステップと、対電極、加圧方向が前記対電極を結ぶ方向であり、前記対電極の少なくとも一方に圧力を与える加圧器、及び、前記対電極にパルス電圧を与える電源を備えるパルス通電接合装置の前記対電極の間に、組み合わされた前記第一金属材料、前記第二金属材料、前記中子、及び、前記弾性部材を配置するステップと、前記加圧器によって、前記対電極に対して圧力をかけながら、前記電源によって、前記対電極に対してパルス電圧をかけて、前記第一金属材料と前記第二金属材料とを接合するステップと、を含むパルス通電接合方法を提供する。
また、本発明は、前記接合するステップの次に、接合された前記第一金属材料と前記第二金属材料とを前記パルス通電装置及び中子から取り外すステップと、前記第一金属材料の圧力面を所望の形状に加工するステップとをさらに含むことを特徴とするパルス通電接合方法を提供する。
さらに、本発明は、組み合わされた前記中子の一部が、接合する前において、前記第一金属材料及び前記第二金属材料よりも加圧方向に沿って、対電極側に存在し、前記第一金属材料及び前記第二金属材料の少なくとも一方と、前記対電極の間に導電性の弾性シートを備えることを特徴とするパルス通電接合方法を提供する。
また、本発明は、前記接合するステップが、真空炉の中で行われることを特徴とするパルス通電接合方法を提供する。
さらに、本発明は、前記固定するステップが、前記第二金属材料の、加圧方向に垂直方向の接合面とは、逆側に固定部材を取り付けることによって行うことを特徴とするパルス通電接合方法を提供する。
また、本発明は、前記固定部材は、電熱性であり、前記接合するステップは、前記前記内筒若しくは前記外筒の温度を測定し、測定された温度に応じて、前記固定部材に電気を流すことによって、前記前記内筒若しくは前記外筒の温度を一定に保ちながら、接合を行うことを特徴とするパルス通電接合方法を提供する。
前記固定部材は、硬性のグラファイトであってもよいし、前記弾性部材が、弾性のグラファイトであってもよいし、また、前記中子が、硬性のグラファイトであってもよい。
さらに、本発明は、接合面が加圧方向に対して平行成分を持つ第一金属材料と第二金属材料との接合を行うパルス通電接合装置であって、対電極と、加圧方向が前記対電極を結ぶ方向であり、前記対電極の少なくとも一方に圧力を与える加圧器と、前記対電極にパルス電圧を与える電源と、前記対電極の間に、前記第一金属材料及び第二金属材料より低い導電性の中子と前記加圧方向に垂直の接触面で前記中子と接触する導電性の弾性部材とを備え、前記中子は、接触面が前記加圧方向に対して平行成分及び垂直成分を持つように第一金属材料と接触する形状であり、第二金属材料は、前記加圧方向に対して垂直方向に固定されることを特徴とするパルス通電接合装置を提供する。
接合面が、加圧方向に対して平行(若しくは斜め)である接合におけるパルス通電接合法の接合強度が強化される。また、接合面が複雑な形状であってもパルス通電接合法によって、接合を行うことができる。例えば、２重の円筒形状、すなわち、内筒と外筒の接合、接合面が曲面の接合を行うことが可能になる。
図面を参照しながら、本発明に係るパルス通電接合方法及び装置の一実施形態について以下に説明する。
二重の円筒（図２参照）の接合対象を例として、本発明の一実施形態の説明を以下に記載する。本実施形態における接合構成の断面を図３に示す。接合の対象は、大きさの異なる二つの中空の円筒型の材料であり、小さい円筒金属材料１２（内筒）を大きい円筒金属材料１４（外筒）に挿入し、内筒１２の外側の面と外筒１４の内側の面を接合する。内筒１２の内側には、二つの中子１６を挿入する。また、中子１６の間には、弾性部材１８を挿入しておく。パルス通電接合装置の対電極２０によって、中子１６を内筒１８の中側に圧力をかけながら、パルスジェネレータ２２によって、対電極２０の間に、電圧を発生させる。内筒１２及び外筒１４の導電性よりも中子１６の導電性を低くすることによって、内筒１２、外筒１４及び中子１６に電流を流すことができるようにする。
最初に、内筒１２の内側の面にテーパーをつける。すなわち、内筒１２の内側の面を加圧方向に対して垂直成分及び水平成分の両方を持つように加工する。例えば、線形テーパー、放物線テーパー若しくは指数関数テーパーなどをつける。なお、接合後に内筒１２を再加工して、所望の形状にすることもできるし、内筒の内側の面が加圧方向に対して垂直成分及び水平成分の両方を持つものが所望の形状である場合には、接合前から予め所望の形状にしておき、再加工しなくてもよい。例えば、図４の再加工線２４に合わせて切削する再加工を行うことができる。
次に、内筒１２の内側の面に合わせて、中子１６を加工する。中子１６は、加圧器によって加圧された対電極２０によって圧力を受けるように、加圧方向に対して垂直の面で対電極２０と接するようにする。また、中子１６は、対電極２０から受けた加圧方向の圧力を強くするために、中子１６の径を、内筒２０の内径より大きくしてもよい。図３は、中子１６を二つの物体とする実施形態を示しているが、中子１６は一つであってもよい。
中子１６及び内筒１２の加工後に、中子１６、内筒１２、外筒１４及び弾性部材１８を図３に示すように組み合わせる。ここで、弾性部材１８は、中子１６に接触している。中子１６との接触面は、加圧方向に対して垂直であり、中子１６が圧力によって移動するための空間を確保するために組み合わされる。また、弾性部材１８は、導電性であり、パルス通電接合を行う際の電流経路となる。通常弾性部材１８は、中子同様に、内筒１２及び外筒１４よりも低い導電性である。
本実施形態では、外筒１４は、円筒形状であるため、加圧方向に対して垂直方向に移動することはないが、垂直方向に移動することを防ぐために固定部材２６を取り付けてもよい。また、本実施形態のように、外筒１４が加圧方向に対して垂直方向に移動することがない場合であっても、材料が延びたり、膨張したりすることがあるため、材料の延び及び膨張を防ぐために、固定部材２６を取り付けてもよい。本実施形態において、固定部材２６を取り付ける場合は、例えば、図５に示すように、外筒１４の周りにさらに中空の円筒形状をした固定部材２６を用いる。
組み合わされた中子１６、内筒１２、外筒１４及び弾性部材１８、並びに、固定部材２６がある場合には、固定部材２６をパルス通電接合装置に配置する。パルス通電接合装置は、対電極２０、加圧器（図示せず）、及び、パルスジェネレータ（パルス電源）２２を備える。上記のように組み合わされたものは、対電極２０の間に配置され、対電極２０に接続されたパルスジェネレータ２２によって、パルス電圧が印加されることによって、内筒１２と外筒１４は接合される。パルス電圧印加時には、加圧器によって対電極２０が加圧されており、対電極２０を介して、中子１６が加圧方向に加圧される。中子１６と内筒１２の接触面は、斜めになっているので、中子１６を加圧方向に加圧すると、内筒１２は、加圧方向に対して垂直方向に成分を持つ力を中子１６から受け、内筒１２と外筒１４の接触面（接合面）に対して垂直に力が加わり、接合面の密着性が上がる。その結果、内筒１２と外筒１４の接合強度が高まる。
接合後、パルス通電接合装置及び中子１６から接合した内筒１２及び外筒１４を取り外す。そして、固定部材を使用した場合には固定部材から内筒１２及び外筒１４を取り外す。さらに、内筒１２の内側を所望の形状に加工してもよい。
接合強度は、例えば、以下の実験のようにして測定することができる。まず、上記の本発明の一実施形態に従い、内筒１２及び外筒１４を接合したものと、図６に示すような従来技術によって、内筒１２及び外筒１４を接合したものとを用意する。図７Ａの断面図に示すように外筒１４に溝３０を掘り、図７Ｂに示すように、溝３０につながる穴を外筒１４の側面に開けて、水を溝３０に注入するためのバルブ３２を穴に取り付ける。接合方法以外の条件、例えば、材料、寸法などは同一にする。バルブ３２を介して、溝３０に水を入れて、内筒１２と外筒１４が剥離するまで、水圧を上げていく。そして、このときの水圧を測定することによって、接合強度を評価することができる。
一実施例として、外筒１４の材料としてＳＵＳ（ステンレス鋼）を、内筒１２の材料として銅合金（例えば、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金）を採用し、外形１６８ｍｍ、内径１１３ｍｍ、高さ１５０ｍｍの接合部材を用意して、実験を行った。該接合部材内には幅約２ｍｍの溝３０が複数掘られており、溝加工した箇所としていない箇所を９０度の位相ごとに配置した。内筒１２と外筒１４が剥離すると、材料の形状がひずむため、剥離は、ひずみゲージを用いて測定した。
その結果、従来技術によって、接合した場合には、２６．２ＭＰａの水圧で剥離が確認されたが、本発明の一実施形態を用いて接合した場合には、剥離が確認された水圧は、４７．１ＭＰａだった。このことから、本願発明は、従来技術に比べて、接合強度を相当程度高くきることがわかる。
以下に、ロケット燃焼器形状の部材を接合対象とする本発明の別の一実施形態について、説明する。図８に接合対象の写真を示し、図９に、本実施形態の組み合わせ状態の断面図を示す。ロケット燃焼器形状の場合、内筒４２と外筒４４の接合面が複雑である。内筒４２の内面には予め、円錐形状の傾斜を持たせた構造としている。内筒４２、外筒４４、中子４６、弾性部材４８及び固定部材５４の組み合わせは、例えば、加圧方向の両側から、中子４６及び弾性部材４８を内筒４２に入れる。外筒４４は、接続面が複雑であるため、そのままの形状では、内筒４２に組み合わせることができない。そこで、外筒４４を縦方向（加圧方向）に切断し、二つの外筒片を内筒４２にはめ込み、外筒片の切断部を溶接して、外筒４４を内筒４１に組み合わせる。固定部材４８で外筒４４の周囲を覆うように組み合わせる。外筒４４の材料は、ＳＵＳ（ステンレス鋼）であり、内筒４２の材料は、銅合金である。中子４６及び固定部材５４は、（硬性）グラファイト製であってもよい。また、弾性部材４８には、柔軟性のグラファイトシートを用いてもよい。
パルス電圧接合装置の対電極５０の間に、組み合わされた内筒４２、外筒４４、中子４６、弾性部材４８及び固定材料５４を配置し、加圧器によって圧力をかけながら、パルス電圧をかけ、内筒４２及び外筒４４を接合する。接合後、接合された内筒４２及び外筒４４をパルス電圧接合装置、中子４６、弾性部材４８及び固定部材５４から取り外す。さらに、内筒４２及び外筒４４を取り外した後に、内筒４２の内側を図９の再加工線５４に沿って、切削することによって、ロケット燃焼器形状に加工する。
別の実施形態として、パルス電圧接合装置が真空炉を有し、真空炉の中にある対電極の間に、組み合わされた内筒、外筒、中子及び弾性部材を配置し、接合をおこなってもよい。
さらに、図１０に示す別の実施形態では、中子６４が内筒１２よりも対電極６２側に延びていて、内筒１２（若しくは外筒１４、或いは、その両方）と対電極６２との間に空間が存在し、その空間に柔軟性の（弾性）グラファイトシートといった弾性部材６０を挿入してもよい。
また、図１１に示す別の実施形態では、内筒１２若しくは外筒１４、或いはその両方を温度制御して、均一に接合することができる。電熱性の固定部材７２を取り付け、内筒１２若しくは外筒１４、或いはその両方の温度を温度計７０によって測定し、測定された温度が予定した温度より高い場合には、導電性固定部材７２に流れている電流を少なくして、温度を下げ、測定された温度が予定した温度より低い場合には、該電流を多くして温度を上げる。外筒１４と固定部材７２の間に絶縁体を挟んでもよい。また、固定部材の温度を測定し、測定された温度に応じて、電流値を制御してもよい。
宇宙分野（ロケット燃焼器の製作）、航空分野及びプラント関連分野など、接合部材を製作するあらゆる分野において利用が可能である。
２ パルスジェネレータ
４ 圧力
６ 第一金属材料
８ 第二金属材料
１１ 接合
１２ 第一金属材料（内筒）
１３ 圧力
１４ 第二金属材料（外筒）
１５ 接合面
１６ 中子
１７ 加圧方向
１８ 弾性部材
２０ 対電極
２２ パルスジェネレータ
２４ 再加工線
２６ 固定部材
３０ 溝
３２ バルブ
４２ 内筒
４４ 外筒
４６ 中子
４８ 弾性部材
５０ 対電極
５１ 圧力
５２ パルスジェネレータ
５３ 加圧方向
５４ 固定部材
６０ 弾性材料
６１ 圧力
６２ 対電極
６３ 加圧方向
６４ 中子
６６ パルスジェネレータ
７０ 温度計
７１ 圧力
７２ 導電性固定部材
７３ 加圧方向
４ 圧力
６ 第一金属材料
８ 第二金属材料
１１ 接合
１２ 第一金属材料（内筒）
１３ 圧力
１４ 第二金属材料（外筒）
１５ 接合面
１６ 中子
１７ 加圧方向
１８ 弾性部材
２０ 対電極
２２ パルスジェネレータ
２４ 再加工線
２６ 固定部材
３０ 溝
３２ バルブ
４２ 内筒
４４ 外筒
４６ 中子
４８ 弾性部材
５０ 対電極
５１ 圧力
５２ パルスジェネレータ
５３ 加圧方向
５４ 固定部材
６０ 弾性材料
６１ 圧力
６２ 対電極
６３ 加圧方向
６４ 中子
６６ パルスジェネレータ
７０ 温度計
７１ 圧力
７２ 導電性固定部材
７３ 加圧方向
Claims (9)
- 接合面が加圧方向に対して平行成分を持つ第一金属材料と第二金属材料との接合を行うパルス通電接合方法であって、
前記第一金属材料が圧力を受ける圧力面を、加圧方向に対して平行成分及び垂直成分を持つように加工するステップと、
前記圧力面に沿う面と前記加圧方向に垂直な面を持つように、前記第一金属材料及び第二金属材料より低い導電性の中子を加工するステップと、
前記第一金属材料、前記第二金属材料及び前記中子、並びに、加圧方向に垂直な接触面を持ち、前記接触面で前記中子と接触する導電性の弾性部材を組み合わせるステップと、
前記第二金属材料を加圧方向に対して垂直方向に固定するステップと、
対電極、加圧方向が前記対電極を結ぶ方向であり、前記対電極の少なくとも一方に圧力を与える加圧器、及び、前記対電極にパルス電圧を与える電源を備えるパルス通電接合装置の前記対電極の間に、組み合わされた前記第一金属材料、前記第二金属材料、前記中子、及び、前記弾性部材を配置するステップと、
前記加圧器によって、前記対電極に対して圧力をかけながら、前記電源によって、前記対電極に対してパルス電圧をかけて、前記第一金属材料と前記第二金属材料とを接合するステップと、
を含むパルス通電接合方法。 - 前記接合するステップの次に、
接合された前記第一金属材料と前記第二金属材料とを前記パルス通電装置及び中子から取り外すステップと、
前記第一金属材料の圧力面を所望の形状に加工するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のパルス通電接合方法。 - 組み合わされた前記中子の一部が、接合する前において、前記第一金属材料及び前記第二金属材料よりも加圧方向に沿って、対電極側に存在し、
前記第一金属材料及び前記第二金属材料の少なくとも一方と、前記対電極の間に導電性の弾性シートを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のパルス通電接合方法。 - 前記接合するステップは、真空炉の中で行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のパルス通電接合方法。
- 前記固定するステップは、前記第二金属材料の、前記第一金属材料との前記接合面とは逆側に固定部材を取り付けることによって行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のパルス通電接合方法。
- 前記固定部材は、電熱性であり、
前記接合するステップは、前記第一金属材料若しくは前記第二金属材料の温度を測定し、測定された温度に応じて、前記固定部材に電気を流すことによって、前記第一金属材料若しくは前記第二金属材料の温度を一定に保ちながら、接合を行うことを特徴とする請求項５に記載のパルス通電接合方法。 - 前記固定部材は、グラファイトであることを特徴とする請求項５ないし６のいずれかに記載のパルス通電接合方法。
- 前記中子は、グラファイトであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のパルス通電接合方法。
- 接合面が加圧方向に対して平行成分を持つ第一金属材料と第二金属材料との接合を行うパルス通電接合装置であって、
対電極と、
加圧方向が前記対電極を結ぶ方向であり、前記対電極の少なくとも一方に圧力を与える加圧器と、
前記対電極にパルス電圧を与える電源と、
前記対電極の間に、前記第一金属材料及び第二金属材料より低い導電性の中子と前記加圧方向に垂直の接触面で前記中子と接触する導電性の弾性部材とを備え、
前記中子は、接触面が前記加圧方向に対して平行成分及び垂直成分を持つように第一金属材料と接触する形状であり、また、前記第一金属材料及び前記第二金属材料よりも低い導電性であり、
第二金属材料は、前記加圧方向に対して垂直方向に固定されることを特徴とする、
パルス通電接合装置。
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