JP5998308B1 - 接合物品の製造方法及び接合物品 - Google Patents

Abstract

第１の被接合部材（１）と、該被接合部材を受け入れる穴部（２Ａ）を有する第２の被接合部材（２）を備え、第１の被接合部材（１）を前記穴部（２Ａ）に受け入れた状態で、第１の被接合部材（１）と第２の被接合部材（２）との間に加圧力をかけ、加圧力をかけた状態で、第１の被接合部材（１）と第２の被接合部材（２）との間の被接合部に接合電流を流し、第１の被接合部材（１）と第２の被接合部材（２）は融点が異なる金属材料からなり、第１の被接合部材（１）と前記第２の被接合部材（２）のうち一方の被接合部材であって、融点の低い方の被接合部材は、被接合部の近傍に、前記一方の被接合部材の熱容量を増大させる熱容量増大部（１Ｃ）を有し、前記一方の被接合部材は、被接合部にテーパー面（１Ａ）を有し、熱容量増大部（１Ｃ）はテーパー面（１Ａ）から延びる面を有し、加圧力をかける工程は、第１の被接合部材（１）と第２の被接合部材（２）のうち他方の被接合部材が熱容量増大部（１Ｃ）に接触しないように配置して行うことで、接合長が長く接合強度の高い接合物品を製造する。

Description

この発明は、一方の被接合部材の一部分を他方の被接合部材の穴部に押し込んで、それぞれの被接合部同士を固相接合する接合物品の製造方法及び接合物品に関する。

第１の被接合部材と第２の被接合部材とを大きな接合強度で電気接合する一つの方法として、例えば、リングマッシュ（登録商標）接合が知られている（特許文献１、２参照）。このリングマッシュ接合方法は、第１の被接合部材の被接合部の外径を第２の被接合部材の穴部の被接合部の内径よりも幾分大きくして重ね合わせ代とし、第１の被接合部材の被接合部を第２の被接合部材の穴部の被接合部に僅かに重なるように位置合わせし、その状態で第１の被接合部材と第２の被接合部材とを加圧しながら通電することによって、それら被接合部を塑性流動させ、第１の被接合部材を第２の被接合部材の穴部に押し込んで行って固相接合を行う。

このリングマッシュ接合の特徴は、加圧力と接合電流とによって、第１の被接合部材の被接合部と第２の被接合部材の被接合部とが塑性流動しながらそれら被接合部の接合面積を増やし、最終的にある接合幅で第１の被接合部材の被接合部の外周面近傍と第２の被接合部材の被接合部の内周面近傍とが固相接合されるので、それら被接合部の表面の汚れや、面粗度などの影響を受け難く、大きな接合強度が得られるということにある。このリングマッシュ接合による接合強度は接合面積に依存し、接合面積は接合径×接合の深さに比例する。

特開２００４−０１７０４８号公報 特開２０１１−２４５５１２号公報

このようなリングマッシュ接合方法によって電気接合された接合物品が、融点や電気抵抗が異なる２つの異種金属材料からなる場合、特に、一方が他方に比べて融点が低く、かつ電気抵抗が高い金属材料からなる場合には、これら異種金属材料の塑性流動に伴う押し込みが深まるのに伴って未接合（以下、アンダーカットという。）の部分が大きくなり得る。この原因は、特に一方の金属材料が他方の金属材料に比べて融点が低いから、融点が低い一方の被接合部材が塑性流動し易いために、融点が高い他方の金属材料の被接合部の塑性流動が未だ不十分なときに、一方の金属材料の被接合部が塑性流動してしまうところにある。

そのため、特に融点が低く、かつ電気抵抗が大きい鋳鉄と、鋳鉄よりも融点が高く、かつ電気抵抗の小さい合金鋼のような異種金属材料の組み合わせでリングマッシュ接合を行う場合、従来では３ｍｍ程度以上の有効接合長を得ることは困難であった。例えば、一方の被接合部材が鋳鉄Ａであって、他方の被接合部材が合金鋼Ｂである場合、鋳鉄Ａは合金鋼Ｂに比べて融点が低く、かつ電気抵抗が高いから、鋳鉄Ａは合金鋼Ｂに比べて、塑性流動し易い上に、発熱量が大きい。したがって、リングマッシュ接合時の初期には鋳鉄Ａの被接合部は合金鋼Ｂの被接合部よりも早く塑性流動を開始し、このとき合金鋼Ｂの被接合部は未だ塑性流動しない。接合が進むにつれ、鋳鉄Ａの被接合部の塑性流動は急速に進むが、合金鋼Ｂの被接合部の塑性流動は遅れる。

リングマッシュ接合時における鋳鉄Ａが合金鋼Ｂに押し込まれる過程、つまりリングマッシュ接合の進行過程で、リングマッシュ接合の後半では鋳鉄Ａの被接合部が合金鋼Ｂの被接合部に比べて過度に塑性流動し、合金鋼Ｂの被接合部の塑性流動は遅れるために鋳鉄Ａの塑性流動した被接合部の一部分は合金鋼Ｂの被接合部に固相接合せずに流動してしまう。特に、リングマッシュ接合の後半では、鋳鉄Ａに比べて合金鋼Ｂの被接合部は不十分な塑性流動状態になるから、固相接合の邪魔になる酸化膜が除去されない部分が生じ、結果として望ましい固相接合が行われず、固相接合に実質的に寄与しない大きなアンダーカットが大きくなる。したがって、鋳鉄Ａを合金鋼Ｂに押し込む押し込み深さを大きくしても有効接合長を大きくすることができない。このような場合でも、高い接合強度を得たいという問題がある。この問題は、合金鋼Ｂが鋳鉄Ａの穴部に押し込まれる場合にも同様に起こる。

本発明は、前記の問題点を解決するために、一方の被接合部材が他方の被接合部材よりも融点が低い金属材料からなる場合、特に融点が低くかつ電気抵抗が高い金属材料からなる場合には、一方の被接合部材の塑性流動が他方の被接合部材に比べて早過ぎないように、また過度に塑性流動しないように、一方の被接合部材における被接合部の近傍の熱容量を増大させる熱容量増大部を備えることを特徴とする。この熱容量増大部は、従来では部品を小型・軽量化するという面から不要であるとして何も設けられていない箇所に設けられる。

第１の局面の接合物品の製造方法は、例えば図６及び図１（Ａ）に示すように、 第１の被接合部材１を提供する工程Ｓ２と； 前記第１の被接合部材と接合すべき第２の被接合部材２であって、前記第１の被接合部材１の一部分を受け入れることができる穴部２Ａを有する第２の被接合部材２を提供する工程Ｓ３と； 前記第１の被接合部材１の一部分を前記穴部２Ａに受け入れた状態で、前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２との間に加圧力をかける工程Ｓ４と； 前記加圧力をかけた状態で、前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２との間の被接合部に接合電流を流す工程Ｓ５とを備え； 前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２は融点が異なる金属材料からなりＳ３； 前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２のうち一方の被接合部材であって、融点の低い方の被接合部材１は、前記被接合部の近傍に、前記一方の被接合部材１の熱容量を増大させる熱容量増大部１Ｃを有しＳ３； 前記一方の被接合部材１は、前記被接合部にテーパー面１Ａを有しＳ３、前記熱容量増大部１Ｃは前記テーパー面１Ａから延びる面を有しＳ３； 前記加圧力をかける工程Ｓ４は、前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２のうち他方の被接合部材２が前記熱容量増大部に接触しないように配置して行う。 例えば図５（Ａ）、図５（Ｂ）の場合は、前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２のうち一方の被接合部材であって、融点の低い方の被接合部材２は、前記被接合部の近傍に、前記一方の被接合部材２の熱容量を増大させる熱容量増大部２Ｃを有し； 前記一方の被接合部材２は、前記被接合部にテーパー面２Ｂを有し、前記熱容量増大部２Ｃは前記テーパー面２Ｂから延びる面を有し； 前記加圧力をかける工程は、前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２のうち他方の被接合部材１が前記熱容量増大部に接触しないように配置して行う。

第２の局面の接合物品の製造方法は、第１の局面による接合物品の製造方法であって、例えば図１（Ａ）に示すように、 前記一方の被接合部材１の電気抵抗は前記他方の被接合部材２に比べて大きい。

第３の局面の接合物品の製造方法は、例えば図１（Ａ）に示すように、第１又は第２の局面による接合物品の製造方法であって、 前記テーパー面１Ａから続いて延びる傾斜面１Ｂを有する。

第４の局面の接合物品の製造方法は、例えば図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように、第１乃至第３の局面のいずれか１の局面による接合物品の製造方法であって、 前記熱容量増大部１Ｃは、接合時に前記第１の被接合部材１が前記第２の被接合部材２の前記穴部２Ａで変位するのを一定位置で停止させるストッパ機能を有する。

第５の局面の接合物品の製造方法は、第１乃至第４の局面のいずれか１の局面による接合物品の製造方法であって、 前記熱容量増大部１Ｃは、前記一方の被接合部材１とは別の熱伝導が良好な金属材料から形成されている。

第６の局面の接合物品は、例えば図１（Ａ）に示すように、 第１の被接合部材１の一部分を受け入れることができる穴部２Ａを有する第２の被接合部材２と； 前記第１の被接合部材１の一部分を前記穴部２Ａに受け入れた状態で、第２の被接合部材２と接合された第１の接合部材１とを備え； 前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２は融点が異なる金属材料からなり； 前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２のうち一方の被接合部材１であって、融点の低い方の被接合部材は、前記被接合部１の近傍に、前記一方の被接合部材１の熱容量を増大させる熱容量増大部１Ｃを有し； 前記一方の被接合部材１は、前記被接合部にテーパー面１Ａを有し、前記熱容量増大部１Ｃは前記テーパー面１Ａから延びる面１Ｂを有し； 前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２は、前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２のうち他方の被接合部材２が前記熱容量増大部１Ｃに接触しないように配置されている。 熱容量増大部を有するので、製造の際に発生し得るスパッタ等の発生を抑えた接合物品の製造を容易に行うことができ、また従来の同様な物品と比較して有効接合長が長く、接合強度が高い。
ここで、前記第６の局面の接合物品は、次のように構成してもよい。例えば図１（Ａ）に示すように、 第１の被接合部材１の一部分を受け入れることができる穴部２Ａを有する第２の被接合部材２と； 前記第１の被接合部材１の一部分を前記穴部２Ａに受け入れた状態で、前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２との間に加圧力をかけ、前記加圧力をかけた状態で、前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２との間の被接合部に接合電流を流して、第２の被接合部材２と接合された第１の接合部材１とを備え； 前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２は融点が異なる金属材料からなり； 前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２のうち一方の被接合部材１であって、融点の低い方の被接合部材は、前記被接合部１の近傍に、前記一方の被接合部材１の熱容量を増大させる熱容量増大部１Ｃを有し； 前記一方の被接合部材１は、前記被接合部にテーパー面１Ａを有し、前記熱容量増大部１Ｃは前記テーパー面１Ａから延びる面１Ｂを有し； 前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２は、前記第１の被接合部材１と前記第２の被接合部材２のうち他方の被接合部材２が前記熱容量増大部１Ｃに接触しないように配置されている。 熱容量増大部を有するので、溶融によるスパッタの発生を抑えた接合物品を製造することができる。また接合長を伸ばした接合物品が得られる。例えば、鋳鉄と合金鋼の組み合わせで３ｍｍ以上の接合長が得られた。

第７の局面の接合物品は、例えば図１（Ａ）に示すように、第６の局面による接合物品であって、前記熱容量増大部１Ｃは、前記テーパー面１Ａから続いて延びる傾斜面１Ｂを有する。

本発明によれば、融点や電気抵抗が異なる異種金属材料を加圧力と接合電流とによって接合するときに、接合物品の有効接合長を増やすことができ、接合強度を増大させることが可能である。

被接合部材を説明するための断面図であり、図１（Ａ）は本発明の実施の形態１に係る被接合部材を示し、図１（Ｂ）は従来の被接合部材を示す。 本発明の実施の形態１に係るリングマッシュ接合方法による接合物品の製造方法を説明するための図である。 リングマッシュ接合方法による押し込み長と有効接合長との関係を示す。 本発明の実施の形態２に係る被接合部材の断面を示す図であり、図４（Ａ）は接合前を示し、図４（Ｂ）は接合後を示す。 本発明の実施の形態３に係る被接合部材の断面を示す図であり、図５（Ａ）、図５（Ｂ）は別々の断面構造を示す。 本発明の実施の形態に係る接合物品の製造方法を説明するフロー図である。

この出願は、日本国で２０１４年１２月９日に出願された特願２０１４‐２４８９１６号に基づいており、その内容は本出願の内容として、その一部を形成する。本発明は以下の詳細な説明によりさらに完全に理解できるであろう。本発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明により明らかとなろう。しかしながら、詳細な説明及び特定の実例は、本発明の望ましい実施の形態であり、説明の目的のためにのみ記載されているものである。この詳細な説明から、種々の変更、改変が、本発明の精神と範囲内で、当業者にとって明らかであるからである。出願人は、記載された実施の形態のいずれをも公衆に献上する意図はなく、改変、代替案のうち、特許請求の範囲内に文言上含まれないかもしれないものも、均等論下での発明の一部とする。
本発明の第１の態様の接合方法は、第２の被接合部材は第１の被接合部材の一部分を受け入れることができる穴部を有し、前記第１の被接合部材の一部分を前記穴部に受け入れた状態で、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材との間に加圧力をかけると共に、接合電流を流して前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを固相接合するリングマッシュ接合方法であって、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材は融点が異なる金属材料からなり、前記第１の被接合部材が前記第２の被接合部材に比べて融点が低いとき、前記第１の被接合部材は前記第２の被接合部材の前記穴部に受け入れられるテーパー面を有すると共に、そのテーパー面から延びる面をもつ熱容量増大部を備え、その熱容量増大部は前記穴部の内径よりも小さな外径を有し、該熱容量増大部を前記第２の被接合部材に実質的に接触しないように前記第２の被接合部材の前記穴部内に位置させて前記固相接合を行うか、又は前記第２の被接合部材が前記第１の被接合部材に比べて融点が低いとき、前記第２の被接合部材は前記穴部の入り口部分にテーパー面を有すると共に、そのテーパー面から延びる面をもつ環状の熱容量増大部を備え、該熱容量増大部は前記第１の被接合部材の径よりも大きな内径を有し、前記第１の被接合部材が前記熱容量増大部に実質的に接触しないように、前記第１の被接合部材を前記第２の被接合部材の前記テーパー面に位置させて前記固相接合を行う。本態様によれば、融点が異なる第１の被接合部材と第２の被接合部材とを高い接合強度でリングマッシュ接合を行える。 本発明の第２の態様の接合方法は、第１の態様において、前記第１の被接合部材が前記第２の被接合部材に比べて融点が低いとき、前記第１の被接合部材の電気抵抗は前記第２の被接合部材に比べて大きく、前記第２の被接合部材が前記第１の被接合部材に比べて融点が低いとき、前記第２の被接合部材の電気抵抗は前記第１の被接合部材に比べて大きい。第２の態様によれば、接合が難しいとされる融点と電気抵抗とが異なる異種金属同士の接合強度を向上させることができる。 本発明の第３の態様の接合方法は、前記第１の態様又は前記第２の態様において、前記熱容量増大部は、融点の低い前記第１の被接合部材又は融点の低い前記第２の被接合部材の前記テーパー面から続いて延びる傾斜面を有する。第３の態様によれば、より高い接合強度で異種金属同士をリングマッシュ接合できる。 本発明の第４の態様の接合方法は、前記第１の態様〜前記第３の態様のいずれかにおいて、前記熱容量増大部は、接合時に前記第１の被接合部材が前記第２の被接合部材の前記穴部で変位するのを一定位置で停止させるストッパ機能を有する。第４の態様によれば、接合物品の接合強度を均一化でき、接合部材の発熱による硬度を抑制すると共にスパッタの発生を低減する。 本発明の第５の態様の接合方法は、前記第１の態様〜前記第３の態様のいずれかにおいて、前記熱容量増大部は、融点が低い側の前記第１の被接合部材又は前記第２の被接合部材とは別の熱伝導が良好な金属材料から形成されている。第５の態様の接合方法によれば、融点が低い側の前記第１の被接合部材又は前記第２の被接合部材の形状や大きさを変えることなく、接合強度を向上させることができる。 本発明の第６の態様の接合物品は、第２の被接合部材は第１の被接合部材の一部分を受け入れることができる穴部を有し、前記第１の被接合部材の一部分を前記穴部に受け入れた状態で、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材との間に加圧力をかけると共に、接合電流を流して前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とをリングマッシュ接合してなる接合物品であって、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材は融点が異なる金属材料からなり、前記第１の被接合部材が前記第２の被接合部材に比べて融点が低いとき、前記第１の被接合部材は前記第２の被接合部材の前記穴部に受け入れられるテーパー面を有すると共に、該テーパー面から延びる面をもつ熱容量増大部を備え、該熱容量増大部は前記穴部の内径よりも小さな外径を有し、又は前記第２の被接合部材が前記第１の被接合部材に比べて融点が低いとき、前記第２の被接合部材は前記穴部の入り口部分にテーパー面を有すると共に、該テーパー面から延びる面をもつ環状の熱容量増大部を備え、該熱容量増大部は前記第１の被接合部材の径よりも大きな内径を有する。第６の態様によれば、接合強度の高い接合物品を得ることができる。 本発明の第７の態様の接合物品は、前記第６の態様において、前記熱容量増大部は、融点の低い前記第１の被接合部材又は融点の低い前記第２の被接合部材の前記テーパー面から続いて延びる傾斜面を有する。第７の態様によれば、より高い接合強度の接合物品を得ることができる。 以下さらに具体的に、本発明の実施の形態を説明する。

［実施の形態１］
図１（Ａ）は本発明の実施の形態１に係る接合物品を構成する接合前の第１の被接合部材１と第２の被接合部材２の中心軸線Ｘ−Ｙの片側だけの断面構造を示す。図１（Ｂ）は従来の接合物品を構成する接合前の第１の被接合部材１と第２の被接合部材２の中心軸線Ｘ−Ｙの片側の断面構造を示す。第１の被接合部材１が第２の被接合部材２に比べて融点が低く、かつ電気抵抗が大きい金属材料である場合に本発明の奏する効果は特に大きい。しかし、リングマッシュ接合においては、双方の被接合部材の接触面の接触抵抗による発熱によって被接合部材が塑性流動するので、第１の被接合部材１が第２の被接合部材２に比べて融点が低い金属材料であれば、本発明の効果は得られる。なお、第１の被接合部材１及び第２の被接合部材２は下記の実施の形態の金属材料に限定されるものではない。

先ず、図１〜図３により本発明の実施の形態１に係るリングマッシュ接合について説明する。第１の被接合部材１は炭素の含有量が多い鉄―炭素合金である鋳鉄からなる円柱状のものである。鋳鉄の融点は純鉄に比べて３００°Ｃ程度低い。また、第２の被接合部材２は炭素鋼にクロムなどの合金元素がある量以上添加された合金鋼かなる円筒状のものであり、その融点は純鉄に近いので、第１の被接合部材１よりも３００°Ｃ程度高い。そして、鋳鉄は合金鋼に比べて、電気抵抗（体積抵抗）が温度にもよるが数倍から５倍程度大きい。したがって、第１の被接合部材１の融点は第２の被接合部材２に比べて小さく、かつ第１の被接合部材１の発熱量は第２の被接合部材２に比べて大きくなるので、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とを接触させて接合電流を流したとき、当然に第１の被接合部材１は第２の被接合部材２に比べて塑性流動し易い。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、リングマッシュ接合にあっては、第２の被接合部材２は第１の被接合部材１の径よりも幾分小さな径の接合穴２Ａを備える。それらの径の差が重ね合わせ代であり（重ね合わせ代というときは、半径の差）、少なくとも被接合部を形成する金属部分となる。図１（Ａ）と図１（Ｂ）に示す被接合部材の接合結果を比較するために、第１の被接合部材１のテーパー面１Ａの傾度は互いに等しく、第１の被接合部材１の径も等しくした。また、第２の被接合部材２の穴部２Ａの入り口に形成されているテーパー面２Ｂの傾度、長さは互いに等しい。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）で異なるところは、図１（Ａ）に示す本発明に係る実施の形態１の第１の被接合部材１はテーパー面１Ａに続く傾斜面１Ｂが図１（Ｂ）の従来のものよりも下側に延び、接合前に第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とを位置合わせしたときに第２の被接合部材２の穴部２Ａのテーパー面２Ｂに接触せずに下方に延びていることである。ここでは、その下方に延びている傾斜面１Ｂの部分を熱容量増大部１Ｃと言う。傾斜面１Ｂの傾度はテーパー面１Ａと必ずしも同等でなくともよく、熱容量増大部１Ｃがテーパー面１Ａの下端から任意の傾度で広がっていればよい。つまり、本発明に係る第１の被接合部材１と従来の第１の被接合部材１との異なる点は、本発明に係る第１の被接合部材１は第２の被接合部材２の穴部２Ａの内径よりも大きい外径で、テーパー面１Ａの下端から任意の傾度で広がる熱容量増大部１Ｃを、図１（Ｂ）の従来の第１の被接合部材１の下端面１Ｄに備えていることである。なお、図１（Ａ）では下端面１Ｄは熱容量増大部１Ｃの上面に相当する面でもある。

なお、各図では第１の被接合部材１のテーパー面１Ａ、第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂを拡大して描いており、これらテーパー面同士の接触長さ(幅）はリングマッシュ接合の開始時に塑性流動させるのに必要な電流密度の接合電流が流れる初期面積を形成する大きさよりも小さい。通常、Ｃ面とよばれる面でもよい。第１の被接合部材１のテーパー面１Ａと第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂの長さは異なっても勿論よい。

第１の被接合部材１の熱容量増大部１Ｃは、リングマッシュ接合時に第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とを流れる接合電流の大きさ、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２の融点の差異、体積抵抗の差異などに影響されるので、一概に容積の大きさは決められないが、後述するように、アンダーカットを低減し、有効接合長を改善する容積以上の大きさを有する。 熱容量増大部１Ｃの傾斜面１Ｂは、テーパー面２Ｂの長さ以上、典型的には１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とするとよい。 言い換えれば、被接合部材１を被接合部材２の上方に置いたとき、テーパー面１Ａに対応する、第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂよりも下方に形成されていればよいが、中心軸線Ｘ−Ｙ方向長さがテーパー面２Ｂと同等以上とするのが好ましい。典型的には１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。上限は、熱容量増大部１Ｃが、完成した状態の接合物品の穴部２Ａに収納できる範囲の大きさになるように決定すればよい。ただし、典型的には、５倍以下とする。それ以上としてもよいが、熱容量増大部１Ｃの効果が顕著に大きくはならない。 ここで、熱容量増大部１Ｃの熱容量の大きさの観点から決定してもよい。その場合は、傾斜面１Ｂで形成される熱容量増大部１Ｃ（途中から傾斜が無くなる場合は傾斜していない面で形成される部分も含む）の熱容量が、被接合部材２のテーパー面２Ｂに対応する仮想円錐台、すなわちテーパー面２Ｂに対応する被接合部材１のテーパー面１Ａで形成される仮想円錐台の熱容量以上、典型的には１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。前記のように、上限は前記仮想円錐台の熱容量の５倍以上としてもよいが、熱容量増大部１Ｃの効果が顕著である範囲として５倍以下とする。仮想円錐台は、言い換えれば、テーパー面２Ｂとテーパー面２Ｂのなす小円側の円形面、即ち熱容量増大部１Ｃの下端面１Ｄを上面（図１では下側に破線で示されている）とし、テーパー面２Ｂのなす大円側の円形面を底面（図１では上側に示されている）とする円錐台である。底面の直径は、事実上被接合部材１の外径と一致する。 また、テーパー面１Ａと傾斜面１Ｂは、連続的につながっている。連続的の意味は、傾斜角度は（典型的には同角度である）異なっていてもよいが、両者間に熱伝達を妨げるような溝等の切れ目となるものが形成されていないことである。テーパー面１Ａと傾斜面１Ｂとの境目だけでなく、境目近傍の傾斜面１Ｂにも切れ目は形成されない。熱容量増大部１Ｃの熱容量を最大限に利用するためである。

次に、図２によって前述した構造の第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とのリングマッシュ接合方法について説明する。この接合装置は一般的なものであっても良いので詳しくは説明しないが、第１の接合電極３、第２の接合電極４の他に、商用交流電源又は交流発電機のような交流電源５と、交流を直流に変換する直流電源回路６と、複数の並列接続されているコンデンサからなるエネルギー蓄積用コンデンサ７と、エネルギー蓄積用コンデンサ７に蓄えられた電気エネルギーを一つ以上の大きな電流パルスにして放電させる放電スイッチ又はインバータ回路のようなスイッチ回路８と、１又は２ターンの巻数をもつ２次巻線とこれよりも巻数が大幅に多い１次巻線とを有する接合トランス９とからなる接合用電源１０を備える。第１の接合電極３、第２の接合電極４は接合トランス９の２次巻線に接続される。なお、第１の接合電極３と第２の接合電極４との間隔を狭くしたり、広げたりする駆動機構や加圧機構などは図示するのを省略する。

先ず、図２に示すように第２の接合電極４に第２の被接合部材２を載置し、図１（Ａ）にも示したように本発明に係る第１の被接合部材１を第２の被接合部材２に載置する。このとき、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２との中心軸線Ｘ−Ｙが一致するように、第１の被接合部材１のテーパー面１Ａを第２の被接合部材２の穴部２Ａの入り口に設けたテーパー面２Ｂに位置合わせする。この状態では、熱容量増大部１Ｃは第２の被接合部材２の穴部２Ａ内に位置し、穴部２Ａの内面に接触しない。しかる後に第１の接合電極３が下降又は第２の接合電極４が上昇し、第１の被接合部材１のテーパー面１Ａと第２の被接合部材２の穴部２Ａのテーパー面２Ｂとに加圧力をかけ、その加圧力が上昇した段階でスイッチ回路８がオンする。通常、スイッチ回路８がオンする前に、エネルギー蓄積用コンデンサ７は交流電源５及び直流電源回路６によって設定値まで充電されて待機している。スイッチ回路８のオンによって、エネルギー蓄積用コンデンサ７に蓄えられていた電荷は接合トランス９に放電され、単一の波形の接合電流が第１の被接合部材１のテーパー面１Ａと第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂとの接触面を流れる。前記接合電流は例えば１０ミリ秒弱から数十ミリ秒程度のパルス幅である。

この接合電流がテーパー面１Ａとテーパー面２Ｂとの接触抵抗を流れることによって発熱し、第１の被接合部材１のテーパー面１Ａの近傍が塑性流動し、これとともに第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂ近傍が塑性流動する。双方の塑性流動が進むにつれて第１の被接合部材１が第２の被接合部材２の穴部２Ａに押し込まれ、固相接合が進行する。このとき発生される第１の被接合部材１のテーパー面１Ａの下端近傍の熱は、テーパー面１Ａの下端に繋がる熱容量増大部１Ｃにも即座に熱伝達され、特に第１の被接合部材１のテーパー面１Ａの近傍の熱容量が大きくなるので、その分だけ第１の被接合部材１のテーパー面１Ａ近傍の温度上昇は時間的に遅くなると共に抑制される。このように、熱容量増大部１Ｃに近接するテーパー面１Ａの近傍部分では熱容量増大部１Ｃの影響が作用し、この結果、同様にリングマッシュ接合された図１（Ｂ）に示す従来構造の場合と比べて、接合有効長は実質的に長くなり、アンダーカットは小さくなる。

このことについて図３を用いて説明する。図３は、本発明、従来、理想の第２の被接合部材２の穴部２Ａへの第１の被接合部材１の押し込み長さと有効接合長との関係を示し、曲線Ａは本発明、曲線Ｂは従来、直線Ｃは理想状態の場合を示す。ここで、リングマッシュ接合された図１（Ａ）、図１（Ｂ）の第１の被接合部材１と第２の被接合部材２との重ね合わせ代は０．５ｍｍであり、図１（Ａ）の第１の被接合部材１のテーパー面１Ａの長さは１．５ｍｍ以上で、図１（Ｂ）の第１の被接合部材１のテーパー面１Ａの長さは０．５ｍｍである。図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示した第２の被接合部材２の穴部２Ａに形成されたテーパー面２Ｂの長さは双方とも０．５ｍｍである。この場合、図１（Ａ）の第１の被接合部材１の熱容量増大部１Ｃの傾斜面１Ｂの長さは１ｍｍ以上となる。ここではテーパー面１Ａと傾斜面１Ｂの傾度は等しい。

このリングマッシュ接合では、接合電流と加圧力との大きさを制御し、第２の被接合部材２の穴部２Ａへの第１の被接合部材１の押し込み長を変えた。それぞれの接合物品の接合面の断面について顕微鏡写真を撮り、第１の被接合部材１のテーパー面１Ａの角度から有効接合長を求めた。この結果、本発明の実施の形態１によれば、有効接合長を従来では困難とされていた３ｍｍ以上に増大でき、それに伴って接合強度を向上させることができた。なお、接合電流は単一波形で数十ミリ秒程度のパルス幅である。ここで、接合電流が数十ミリ秒程度以下のパルス幅と短い場合には、リングマッシュ接合時間が短い、つまり熱伝達時間が短いから、熱容量増大部１Ｃは数ミリ程度以下の幅でも大きな効果を奏する。なお、本発明では有効接合長を大きくすることを目的にしているので、有効接合長が３ｍｍ以下となる押し込み長については特に改めて実験を行っていない。また、同一接合条件でも接合状態の結果が異なるので、同一の押し込み長を得ることが難しく、したがって、必ずしも同一の押し込み長で比較していない。

［実施の形態２］
次に、図４によって本発明に係る実施の形態２の第１の被接合部材１の構造について説明する。第２の被接合部材２は実施の形態１と同様であるので、特に説明はしない。この第１の被接合部材１の熱容量増大部１Ｃはストッパの働きも行うことが特徴である。この熱容量増大部１Ｃは第１の被接合部材１のテーパー面１Ａと同一の傾度で延びる傾斜面１Ｂの途中から中心軸線Ｘ−Ｙとほぼ同方向に延びる面を有する。熱容量増大部１Ｃは、実施形態１と同様に、接合時に第１の被接合部材１のテーパー面１Ａ近傍、特にその下端近傍の温度上昇を時間的に遅らせると共に抑制する働きは勿論のこと、第２の被接合部材２の穴部２Ａへの第１の被接合部材１の押し込み長さを均一化する。熱容量増大部１Ｃが第１の被接合部材１のテーパー面１Ａの下端部近傍の熱容量を増大する働きについては、実施形態１と同様であるので説明を省略する。

図４（Ａ）は、接合前の状態を示し、第２の被接合部材２が第２の接合電極４の所定位置に載置され、第１の被接合部材１が第２の被接合部材２に載置されている。この状態では、第１の被接合部材１のテーパー面１Ａが第２の被接合部材２の穴部２Ａの入り口に形成されたテーパー面２Ｂに当接しており、第１の接合電極３は未だ第１の被接合部材１に加圧力を与えていない。この状態では、第１の被接合部材１のテーパー面１Ａの部分の鎖線で示された下端１Ｄ（前記仮想円錐台の小円側の円形面）に隣接して一体的に設けられた熱容量増大部１Ｃの下端面１Ｃ１は第２の接合電極４に接触しておらず、第２の接合電極４の上面から距離Ｈだけ離れている。図４（Ｂ）は、リングマッシュ接合後の状態を示し、熱容量増大部１Ｃの下端面１Ｃ１は第２の接合電極４の上面に当接している。したがって、第２の被接合部材２の穴部２Ａへの第１の被接合部材１の押し込み長さは距離Ｈとなり、押し込み長は一定になり、したがって有効接合長は一定となるから、接合強度もほぼ一定となる。なお、熱容量増大部１Ｃの下端面１Ｃ１は第２の接合電極４の上面に当接すると同時に、接合後に接合部を流れる余分な接合電流の一部分を側流するので、スパッタの発生などを抑制する。

図示しないが、第２の被接合部材２が凹形状のものであって底部を有する場合には、第１の被接合部材１がその内側の底面と熱容量増大部１Ｃの下端面１Ｃ１との間が距離Ｈだけ離れている構造であっても良い。また、図示しないが、第２の被接合部材２の長さによっては第２の被接合部材２の内面の適切な位置から放射内方向に延びる突起部を形成し、熱容量増大部１Ｃの下端面１Ｃ１の一部分がその突起部に当接することによって、ストッパ機能が働くようにしても良い。

［実施の形態３］
本発明に係る実施の形態３では、第１の被接合部材１が前記合金鋼のような融点が高い金属材料からなり、第２の被接合部材２が鋳鉄のような融点の低い金属材料からなる。この場合、第２の被接合部材２は第１の被接合部材１に比べて当然に塑性流動し易い。したがって、実施の形態３では、第２の被接合部材２の鎖線で示す上端２Ｄ側の熱容量を増大させるために、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、第２の被接合部材２が第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂから延びる傾斜面２Ｃ１をもつ熱容量増大部２Ｃを備える。なお、リングマッシュ接合法につては前記実施の形態１、２と同様であるので説明は省略する。この実施の形態の熱容量増大部２Ｃは、被接合部材１を被接合部材２の上方に置いたとき、テーパー面１Ａに対応する、第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂよりも上方に形成されていればよいが、中心軸線Ｘ−Ｙ方向長さがテーパー面２Ｂと同等以上とするのが好ましい。さらに典型的には１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。完成した物品として差支えない限り上限はないが、典型的には、５倍以下とする。それ以上としてもよいが、熱容量増大部１Ｃの効果が顕著に大きくはならない。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）から明らかなように、熱容量増大部２Ｃが存在しなければ、第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂの下端側に比べて上端側、つまり第２の被接合部材２の鎖線で示す上端２Ｄ側は明らかに熱容量が小さい。したがって第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂの下端側に比べて上端２Ｄ側近傍は塑性流動し易く、アンダーカットが大きくなる。しかし、図５（Ｂ）に示すように、第２の被接合部材２の鎖線で示す上端２Ｄに一体的に環状の熱容量増大部２Ｃを形成することによって、第２の被接合部材２の鎖線で示す上端２Ｄ側の熱容量は増大するので、接合時に発生する熱による上端２Ｄ側の温度上昇は抑制される。特に、第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂの上端部近傍の熱は環状の熱容量増大部２Ｃに即座に広がって熱伝達されるので、第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂ近傍の過剰な塑性流動を抑制でき、アンダーカットを低減できる。したがって、接合有効長を向上でき、接合面積を大きくできるので、接合強度を増大させることが可能である。

図５（Ａ）では、第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂから延びる傾斜面２Ｃ１がテーパー面２Ｂと同一の傾度である。ただし、傾斜面２Ｃ１がテーパー面２Ｂの傾度と等しい場合には製作上容易であるが、熱容量増大部２Ｃの作用の面からは必ずしも同じである必要はなく、傾斜面２Ｃ１の傾度がテーパー面２Ｂの傾度よりも大きい方が好ましい。図５（Ｂ）では、第２の被接合部材２のテーパー面２Ｂから延びる傾斜面２Ｃ１と、その傾斜面２Ｃ１の途中から中心軸線Ｘ−Ｙと同一の方向に立ち上がる面とからなる。どちらの形状の熱容量増大部２Ｃであっても、アンダーカットを低減できる容積を有するものであればよい。

実施の形態１では、鋳鉄と合金鋼とをリングマッシュ接合する例を挙げたが、本発明は他の金属、例えば数百度以上融点が異なる異種金属同士をリングマッシュ接合するのに有効である。また、以上の実施の形態では、融点の低い被接合部材と一体的に熱容量増大部を形成する例について述べたが、融点の低い被接合部材の形状や大きさを変更できないという制約などがある場合には、熱伝導の良好な銅などの金属材料で別体の熱容量増大部を作成し、この熱容量増大部を融点の低い被接合部材に当接させた状態でリングマッシュ接合を行っても本発明の効果を得られる。この場合、被接合部材と別体の熱容量増大部との当接面は酸化膜や汚れなどが除去された清浄な面であることが好ましい。

本明細書中で引用する刊行物、特許出願および特許を含むすべての文献を、各文献を個々に具体的に示し、参照して組み込むのと、また、その内容のすべてをここで述べるのと同じ限度で、ここで参照して組み込む。

本発明の説明に関連して（特に以下の請求項に関連して）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限らない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されたかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中のいかなる言い回しも、請求項に記載されていない要素を、本発明の実施に不可欠であるものとして示すものとは解釈されないものとする。

本明細書中では、本発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読めば、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で本発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、すべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。

１・・・第１の被接合部材
１Ａ・・・テーパー面
１Ｂ・・・熱容量増大部１Ｃの傾斜面
１Ｃ・・・第１の被接合部材１の下端に形成された熱容量増大部
１Ｃ１・・・熱容量増大部１Ｃの下端面
１Ｄ・・・第１の被接合部材の下端面（熱容量増大部１Ｃの上面）
２・・・第２の被接合部材
２Ａ・・・穴部
２Ｂ・・・テーパー面
２Ｃ・・・熱容量増大部
２Ｃ１・・・熱容量増大部２Ｃの傾斜面
２Ｄ・・・第２の被接合部材２の上端面
３・・・第１の接合用電極
４・・・第２の接合用電極
５・・・交流電源
６・・・直流電源回路
７・・・エネルギー蓄積コンデンサ
８・・・スイッチ回路
９・・・接合トランス
１０・・・接合用電源

Claims (9)

1. 第１の被接合部材を提供する工程と；
   前記第１の被接合部材と接合すべき第２の被接合部材であって、前記第１の被接合部材の一部分を受け入れることができる穴部を有する第２の被接合部材を提供する工程と；
   前記第１の被接合部材の一部分を前記穴部に受け入れた状態で、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材との間に加圧力をかける工程と；
   前記加圧力をかけた状態で、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材との間の被接合部に接合電流を流す工程とを備え；
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材は融点が異なる金属材料からなり；
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材のうち一方の被接合部材であって、融点の低い方の被接合部材は、前記被接合部の近傍に、前記一方の被接合部材の熱容量を増大させる熱容量増大部を有し；
   前記一方の被接合部材は、前記被接合部にテーパー面を有し、前記熱容量増大部は前記テーパー面から続いて延びる傾斜面を有し、前記傾斜面の長さは、前記被接合部のテーパー面の長さの、１．５倍以上であり；
   前記加圧力をかける工程は、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材のうち他方の被接合部材が前記熱容量増大部に接触しないように配置して行う；
   接合物品の製造方法。
2. 前記傾斜面の長さは、前記被接合部のテーパー面の長さの、２倍以上である、請求項１に記載の接合物品の製造方法。
3. 前記一方の被接合部材の電気抵抗は前記他方の被接合部材に比べて大きい、請求項１又は請求項２に記載の接合物品の製造方法。
4. 前記熱容量増大部は、接合時に前記第１の被接合部材が前記第２の被接合部材の前記穴部で変位するのを一定位置で停止させるストッパ機能を有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の接合物品の製造方法。
5. 前記ストッパ機能を有する熱容量増大部は、前記傾斜面の途中から前記一方の被接合部材の中心軸線と同方向に延びる面を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の接合物品の製造方法。
6. 第１の被接合部材を提供する工程と；
   前記第１の被接合部材と接合すべき第２の被接合部材であって、前記第１の被接合部材の一部分を受け入れることができる穴部を有する第２の被接合部材を提供する工程と；
   前記第１の被接合部材の一部分を前記穴部に受け入れた状態で、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材との間に加圧力をかける工程と；
   前記加圧力をかけた状態で、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材との間の被接合部に接合電流を流す工程とを備え；
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材は融点が異なる金属材料からなり；
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材のうち一方の被接合部材であって、融点の低い方の被接合部材は、前記被接合部の近傍に、前記一方の被接合部材の熱容量を増大させる熱容量増大部を有し；
   前記一方の被接合部材は、前記被接合部にテーパー面を有し、前記熱容量増大部は前記テーパー面から延びる面を有し；
   前記加圧力をかける工程は、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材のうち他方の被接合部材が前記熱容量増大部に接触しないように配置して行い；
   前記熱容量増大部は、前記一方の被接合部材とは別の熱伝導が良好な金属材料から形成されている、
   接合物品の製造方法。
7. 第１の被接合部材の一部分を受け入れることができる穴部を有する第２の被接合部材と；
   前記第１の被接合部材の一部分を前記穴部に受け入れた状態で、第２の被接合部材と接合された第１の接合部材とを備え；
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材は融点が異なる金属材料からなり；
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材のうち一方の被接合部材であって、融点の低い方の被接合部材は、前記被接合部の近傍に、前記一方の被接合部材の熱容量を増大させる熱容量増大部を有し；
   前記一方の被接合部材は、前記被接合部にテーパー面を有し、前記熱容量増大部は前記テーパー面から続いて延びる傾斜面を有し、前記傾斜面の長さは、前記被接合部のテーパー面の長さの、１．５倍以上であり；
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材は、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材のうち他方の被接合部材が前記熱容量増大部に接触しないように配置されている；
   接合物品。
8. 前記第１の被接合部材よりも前記第２の被接合部材の融点が低く；
   前記第２の被接合部材が、前記熱容量増大部を有し、前記穴部の外側であって、前記被接合部の近傍に、前記第２の被接合部材の熱容量を増大させる環状の熱容量増大部を有し；
   前記第２の被接合部材は、前記被接合部にテーパー面を有し、前記熱容量増大部は前記テーパー面から続いて延びる傾斜面を有し、前記傾斜面の長さは、前記被接合部のテーパー面の長さの、１．５倍以上であり；
   前記加圧力をかける工程は、前記第１の被接合部材が前記熱容量増大部に接触しないように配置して行う；
   請求項１乃至請求項３に記載の接合物品の製造方法。
9. 第１の被接合部材の一部分を受け入れることができる穴部を有する第２の被接合部材と；
   前記第１の被接合部材の一部分を前記穴部に受け入れた状態で、第２の被接合部材と接合された第１の接合部材とを備え；
   前記第１の被接合部材よりも前記第２の被接合部材の融点が低く；
   前記第２の被接合部材は、前記穴部の外側であって、前記被接合部の近傍に、前記第２の被接合部材の熱容量を増大させる環状の熱容量増大部を有し；
   前記第２の被接合部材は、前記被接合部にテーパー面を有し、前記熱容量増大部は前記テーパー面から続いて延びる傾斜面を有し、前記傾斜面の長さは、前記被接合部のテーパー面の長さの、１．５倍以上であり；
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材は、前記第１の被接合部材が前記熱容量増大部に接触しないように配置されている；
   接合物品。

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