JP7374836B2

JP7374836B2 - 金属部材の接合方法

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Publication number: JP7374836B2
Application number: JP2020064620A
Authority: JP
Inventors: 尊久田代; 岳史横山; 剛史山▲崎▼; 浩行永井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2023-11-07
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: JP2021159955A

Description

本発明は、金属部材の接合方法に関する。

例えば、特許文献１には、シリンダヘッド部材（第１金属部材）とバルブシート部材（第２金属部材）とを互いに接合する金属部材の接合方法が開示されている。この接合方法では、シリンダヘッド部材のベース面とバルブシート部材の接合面とを互いに離間させるとともにベース面から突出した突起と接合面とを互いに接触させた状態でバルブシート部材の受圧面を電極部により加圧通電する。

そうすると、突起と接合面との接触部分が発熱する（発熱工程）。そして、突起の溶融が開始すると、電極部及び接合面が前記ベース面に向かって変位するとともに接触部位の面積が増大する（変位工程）。この際、突起の溶融金属は、突起と接合面との接触部分の外側に排出される。そして、接合面がシリンダヘッド部材に対して接合される（接合工程）。

この接合方法では、発熱工程において、電極に供給する通電電流を目標電流値まで一定の電流増加率で（一次関数的に）増加させている。また、変位工程において、電極に供給する通電電流を略一定に保持している。

特開２０１８－１６４９２２号公報

上述したような接合方法において、目標電流値を比較的高く設定した場合、変位工程において、突起と接合面との接触部分に投入されるエネルギが過剰になるため、スパッタが発生し易くなる。そうすると、接合面が欠肉することがある。スパッタの発生を抑制するために目標電流値を比較的低く設定した場合、変位工程において電極に供給する電流が略一定であるため、突起と接合面の接触部分の面積が増大した際に当該接触部分に十分なエネルギが投入されず、金属部材の接合強度が低下するおそれがある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、スパッタの発生を抑えつつ良好な接合強度を得ることがきる金属部材の接合方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、第１金属部材と前記第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを互いに接合させる金属部材の接合方法であって、前記第１金属部材のベース面と前記第２金属部材の接合面とを互いに離間させた状態で前記ベース面から突出した突起と前記接合面とを互いに接触させる接触工程と、前記接触工程の後で、第１電流増加率で通電電流を増加させる第１電流制御を行いながら、前記第２金属部材の受圧面を電極部で加圧通電することにより、前記突起と前記接合面との接触部分を発熱させる発熱工程と、前記発熱工程の後で、前記第１電流増加率よりも小さい第２電流増加率で前記通電電流を増加させる第２電流制御を行いながら、前記電極部による前記受圧面の加圧通電を継続して前記突起を溶融させるとともに前記電極部及び前記接合面を前記受圧面の加圧方向に変位させることにより、前記突起の溶融金属を前記接触部分の外側に排出するとともに前記接触部分の面積を増大させる変位工程と、前記変位工程の後で、発熱した前記接合面を前記第１金属部材に対して加圧することにより前記第１金属部材と前記接合面とを互いに原子拡散接合する接合工程と、を含む、金属部材の接合方法である。

本発明によれば、発熱工程において通電電流を第１電流増加率で増加させた後、変位工程において通電電流を第１電流増加率よりも小さい第２電流増加率で増加させている。これにより、発熱工程において、突起と接合面との接触部分を効率的に発熱させることができる。また、変位工程において、接触部分の面積が拡大して発熱部分が拡大した際に、当該接触部分に適度なエネルギを投入することができる。従って、スパッタの発生を抑えつつ良好な接合強度を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る金属部材の接合方法により得られたシリンダヘッドの断面説明図である。シリンダヘッド部材とバルブシート部材とを接合する接合装置の概略構成図である。図２に示す接合装置の電極部、バルブシート部材及びシリンダヘッド部材の一部拡大断面図である。図３の電極部を先端方向から見た平面図である。金属部材の接合方法を説明するフローチャートである。接触工程の断面説明図である。電流波形と電極部及び接触部分の変位とを示すグラフである。発熱工程の断面説明図である。比較例に係る電極部を用いた場合の発熱工程の断面説明図である。変位工程の断面説明図である。接合工程の断面説明図である。加工工程の断面説明図である。図１３Ａは、図７の電流波形を設定する際に用いられる第１グラフである、図１３Ｂは、図７の電流波形を設定する際に用いられる第２グラフである。

本発明に係る金属部材の接合方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

本実施形態に係る金属部材の接合方法は、融点の異なる２種類の金属部材を互いに接合（原子拡散接合）する方法であって、例えば、車両等に設けられるシリンダヘッド２００（図１参照）を製造する際に用いられる。ただし、金属部材の接合方法は、シリンダヘッド２００の製造に用いられる例に限定されない。

まず、シリンダヘッド２００の構成について簡単に説明する。図１に示すように、シリンダヘッド２００は、シリンダヘッド本体２０２と、シリンダヘッド本体２０２に接合された吸気バルブシート２０４ａ及び排気バルブシート２０４ｂとを備える。シリンダヘッド本体２０２は、例えば、純アルミニウム又はアルミニウム系合金等により構成されている。シリンダヘッド本体２０２には、燃焼室２０６と、燃焼室２０６に吸気を導く吸気ポート２０８ａと、燃焼室２０６から排気を導出する排気ポート２０８ｂとが形成されている。

シリンダヘッド本体２０２には、吸気バルブ挿通孔２１０ａと排気バルブ挿通孔２１０ｂとが形成されている。吸気バルブ挿通孔２１０ａには、吸気ポート２０８ａを開閉する吸気バルブ２１２ａのバルブステム２１４ａが挿通する。排気バルブ挿通孔２１０ｂは、排気ポート２０８ｂを開閉する排気バルブ２１２ｂのバルブステム２１４ｂが挿通する。

以下の説明では、吸気バルブシート２０４ａ及び排気バルブシート２０４ｂを単に「バルブシート２０４」といい、吸気ポート２０８ａ及び排気ポート２０８ｂを単に「ポート２０８」といい、吸気バルブ挿通孔２１０ａ及び排気バルブ挿通孔２１０ｂを単に「バルブ挿通孔２１０」という。

バルブシート２０４は、シリンダヘッド２００の構成材料の融点よりも高い融点を有する材料、例えば、鋼材等の鉄系材料によって構成されている。バルブシート２０４は、円環状に形成されている。ポート２０８の燃焼室２０６側の開口縁部には、バルブシート２０４が接合されている。

本実施形態に係る金属部材の接合方法では、図２に示すように、接合装置１０を用いて、第１金属部材２２２であるシリンダヘッド部材２２４と、第１金属部材２２２よりも融点が高い第２金属部材２２６であるバルブシート部材２２８を接合する。次に、接合対象部材であるシリンダヘッド部材２２４及びバルブシート部材２２８の構成について説明する。

シリンダヘッド部材２２４は、上述したシリンダヘッド２００の構成材料と同様の材料によって構成される。詳細な図示は省略するが、シリンダヘッド部材２２４には、上述したシリンダヘッド２００と同じ燃焼室２０６、ポート２０８、バルブ挿通孔２１０が形成されている。

図３に示すように、シリンダヘッド部材２２４における燃焼室２０６側の開口縁部（ポート２０８の燃焼室２０６側の開口部を形成する面）には、円環状のベース面２１６と、ベース面２１６からポート２０８の内方に突出した突起２３０とが設けられている。ベース面２１６は、燃焼室２０６を形成する内面２０６ａから矢印Ｘ１方向に向かってポート２０８の径方向内方に傾斜している。

突起２３０は、ベース面２１６の全周に亘って円環状に延在している。ただし、突起２３０は、ベース面２１６の周方向に部分的に設けられてもよい。突起２３０は、例えば、横断面が三角形状に形成されている。つまり、突起２３０は、ポート２０８の径方向内方に位置する第１傾斜面２３１と、ポート２０８の径方向外方に位置する第２傾斜面２３３と、第１傾斜面２３１と第２傾斜面２３３との連結部分に位置する角部２３５とを含む。第１傾斜面２３１は、ポート２０８の内面の燃焼室２０６側の端から矢印Ｘ２方向に向かってポート２０８の径方向外方に傾斜している。第２傾斜面２３３は、角部２３５とベース面２１６とを互いに連結する。突起２３０の横断面形状は、適宜変更可能である。すなわち、突起２３０は、横断面が円弧状の外形形状を有してもよい。

バルブシート部材２２８は、円環状に形成されている。すなわち、バルブシート部材２２８は、内孔２３２を有している。バルブシート部材２２８は、軸線方向に２層に分かれている。つまり、バルブシート部材２２８は、バルブシート部材２２８の軸線方向の一方側（矢印Ｘ１方向）を形成する接合部２３４と、バルブシート部材２２８の軸線方向の他方側（矢印Ｘ２方向）を形成する受圧部２３６とを有する。接合部２３４は、上述したバルブシート２０４の構成材料と同一の材料によって構成される。接合部２３４の厚さは、１ｍｍ以上に設定される。

受圧部２３６の電気抵抗率は、接合部２３４の電気抵抗率よりも小さい。これにより、受圧部２３６に当接する後述する電極部２４の発熱を抑えることができるため、電極部２４のダメージを比較的少なくした状態で規定電流を投入することが可能になる。受圧部２３６の構成材料としては、例えば、接合部２３４に対して硬質粒子の添加量が少ない材料が好ましい。この場合、受圧部２３６の電気抵抗値を接合部２３４の電気抵抗値よりも下げることができる。また、バルブシート部材２２８を成形する際に、加工具（刃具）を比較的長寿命化することができるとともに加工時間の短縮化を図ることができる。さらに、バルブシート部材２２８のコストの低廉化を図ることができる。

バルブシート部材２２８の一方（矢印Ｘ１方向）の面２３８は、バルブシート部材２２８の軸線Ａｘに対して直交する方向に延在している。バルブシート部材２２８の他方（矢印Ｘ２方向）の面である受圧面２４０は、バルブシート部材２２８の軸線Ａｘに対して直交する方向に延在している。すなわち、バルブシート部材２２８の面２３８と受圧面２４０とは、互いに平行に延在している。

バルブシート部材２２８の外周面には、第１側面２４２、第２側面２４４及び第３側面２４６が設けられている。第１側面２４２は、バルブシート部材２２８の一方の面２３８の外周端から径方向外方に向かって矢印Ｘ２方向に傾斜している。バルブシート部材２２８の一方の面２３８から径方向外方に延長した線分Ａ１（受圧面２４０に平行な線分）と第１側面２４２とのなす角度である第１傾斜角度θ１は、鋭角（９０°未満）である。つまり、受圧面２４０は、第１側面２４２に対して傾斜している。なお、第１傾斜角度θ１は、適宜設定可能である。第１側面２４２は、バルブシート部材２２８の一方の面２３８を径方向外側から周回するように円環状に延在している。第１側面２４２は、接合部２３４に設けられている。

第２側面２４４は、第１側面２４２の外周端から径方向外方に向かって矢印Ｘ２方向に傾斜している。バルブシート部材２２８の一方の面２３８から径方向外方に延長した線分Ａ１と第２側面２４４とのなす角度である第２傾斜角度θ２は、鋭角（９０°未満）であり且つ第１傾斜角度θ１よりも大きい。つまり、受圧面２４０は、第２側面２４４に対して傾斜している。第２傾斜角度θ２は、シリンダヘッド部材２２４のベース面２１６と線分Ａ１とのなす角度α１よりも大きい。なお、第２傾斜角度θ２は、適宜設定可能である。第２側面２４４は、第１側面２４２を径方向外側から周回するように円環状に延在している。第２側面２４４は、接合部２３４と受圧部２３６とに亘って設けられている。

第１側面２４２と第２側面２４４との境界部には、角部２４８が設けられている。角部２４８は、バルブシート部材２２８の周方向に一周延在している。ただし、第１側面２４２と第２側面２４４とは、滑らかなＲ面によって互いに連結されてもよい。第１側面２４２、角部２４８及び第２側面２４４は、バルブシート部材２２８の接合面２２０を形成する。すなわち、受圧面２４０は、接合面２２０に対して傾斜している。

第３側面２４６は、第２側面２４４の外周端からバルブシート部材２２８の受圧面２４０の外周端まで延在している。第３側面２４６は、バルブシート部材２２８の軸線方向に沿って延在している。第３側面２４６は、受圧部２３６に設けられている。

次に、接合装置１０について説明する。図２に示すように、接合装置１０は、シリンダヘッド部材２２４とバルブシート部材２２８とを加圧通電することによりシリンダヘッド部材２２４及びバルブシート部材２２８を互いに接合（原子拡散接合）する原子拡散接合装置である。接合装置１０は、電極構造体１２、加圧通電ヘッド１４、電源装置１６及び制御部１８を備える。

電極構造体１２には、燃焼室２０６を加圧通電ヘッド１４側（矢印Ｘ２方向）に向けた状態でシリンダヘッド部材２２４がセットされる（図３参照）。電極構造体１２は、シリンダヘッド部材２２４に対して電気的に接触している。電極構造体１２は、電気導電性の良好な材料、例えば、銅合金等で構成される。

加圧通電ヘッド１４は、電極構造体１２の上方（矢印Ｘ２方向）に対向配置される。ただし、加圧通電ヘッド１４は、電極構造体１２の下方（矢印Ｘ１方向）に対向配置されてもよい。この場合、電極構造体１２には、燃焼室２０６を下方（矢印Ｘ１方向）に向けた状態でシリンダヘッド部材２２４がセットされることになる。加圧通電ヘッド１４は、加圧電極２０と、加圧電極２０をシリンダヘッド部材２２４に向けて加圧するための加圧機構２２とを有する。図３及び図４に示すように、加圧電極２０は、円柱状の電極部２４と、電極部２４の先端部の外周部に設けられた絶縁部材２６とを含む。電極部２４は、電極本体２８と、電極本体２８の先端面（矢印Ｘ１方向の端面）の中央部から矢印Ｘ１方向に突出した凸部３０とを有する。

電極本体２８及び凸部３０は、電気導電性の良好な材料、例えば、銅合金等により一体的に成形される。凸部３０は、円柱状に形成されている。凸部３０は、電極本体２８と同軸に設けられている。凸部３０は、バルブシート部材２２８の内孔２３２に挿入される。具体的に、凸部３０の外径は、バルブシート部材２２８の受圧面２４０に開口する内孔２３２の開口部の直径（孔径）よりも若干小さい。

電極本体２８の先端部には、電極部２４の軸線Ａｘと直交する方向に延在した平坦な当接面３２と、当接面３２から径方向外方に向かって電極部２４の基端方向（矢印Ｘ２方向）に傾斜したテーパ面３４とが設けられている。当接面３２は、凸部３０の外周面に連結している。当接面３２は、凸部３０を周回するように円環状に延在している。テーパ面３４は、当接面３２を径方向外側から周回するように円環状に延在している。

テーパ面３４は、平坦に形成されている。ただし、テーパ面３４は、湾曲面であってもよい。当接面３２から径方向外方に延長した線分Ａ２とテーパ面３４とのなす角度である第３傾斜角度θ３は、４５°以下に設定されている。第３傾斜角度θ３は、３０°以下に設定されるのが好ましく、１５°以下に設定されるのがより好ましい。テーパ面３４の面積は、当接面３２の面積よりも広い。ただし、テーパ面３４の面積は、当接面３２の面積と同一であってもよいし、当接面３２の面積よりも狭くてもよい。

電極本体２８の先端部の外周部には、絶縁部材２６を配置するための環状溝３６が形成されている。電極本体２８と絶縁部材２６とは、嵌合によって一体化されてもよいし、接着剤等を用いた接着によって一体化されてもよい。絶縁部材２６は、例えば、電気絶縁性が良好なセラミックス又は表面に絶縁被膜が形成された金属部材等によって形成されている。絶縁被膜としては、例えば、アルマイト、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）又はセラミックス等が挙げられる。

絶縁部材２６の外径（電極部２４の先端部の外径）は、バルブシート部材２２８の受圧面２４０の外径と略同一である。絶縁部材２６には、受圧面２４０の外周部を加圧するための外周加圧面３８が設けられている。外周加圧面３８は、電極部２４の軸線Ａｘと直交する方向に延在するとともにテーパ面３４に隣接している。電極本体２８の軸線方向において、絶縁部材２６の外周加圧面３８は、テーパ面３４の外端と同じ位置にある。

図２において、加圧機構２２は、電極部２４を矢印Ｘ方向に進退可能に形成されている。加圧機構２２は、例えば、シリンダ装置である。電源装置１６は、電源部とトランスとを含む。電源装置１６は、電極構造体１２と電極部２４とに電気的に接続されている。電源装置１６は、電極部２４に通電電流を供給する。

制御部１８は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ、ＲＡＭ等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されているプログラムを実行することで各種機能実現部として機能する。なお、各種機能実現部は、ハードウエアとしての機能実現器により構成することもできる。制御部１８は、電源装置１６及び加圧機構２２の動作を制御する。具体的に、制御部１８は、電極部２４に供給する通電電流の大きさ及び時間等を制御する。

次に、本実施形態に係る金属部材の接合方法について、シリンダヘッド２００の製造を例に説明する。金属部材の接合方法は、図５に示すように、準備工程、接触工程、発熱工程、変位工程、接合工程を含む。

まず、準備工程（ステップＳ１）において、第１金属部材２２２であるシリンダヘッド部材２２４と第２金属部材２２６であるバルブシート部材２２８とを準備する。また、燃焼室２０６が矢印Ｘ２方向に位置するようにシリンダヘッド部材２２４を電極構造体１２にセットする（図２及び図３参照）。また、加圧電極２０の凸部３０をバルブシート部材２２８の内孔２３２に挿入する。これにより、バルブシート部材２２８がシリンダヘッド部材２２４に対して位置決めされる。

続いて、接触工程（ステップＳ２）において、シリンダヘッド部材２２４のポート２０８の開口部にバルブシート部材２２８を配置した状態で制御部１８が加圧機構２２の動作を制御して加圧電極２０を矢印Ｘ１方向に変位させる。そうすると、そして、電極部２４の当接面３２がバルブシート部材２２８の受圧面２４０に当接する。なお、電極部２４のテーパ面３４及び絶縁部材２６の外周加圧面３８は、バルブシート部材２２８に対して接触していない。

当接面３２が受圧面２４０を矢印Ｘ２方向に加圧すると、シリンダヘッド部材２２４のベース面２１６とバルブシート部材２２８の接合面２２０とが互いに離間した状態でベース面２１６から突出した突起２３０と接合面２２０とが互いに接触する。具体的に、バルブシート部材２２８の第１側面２４２がシリンダヘッド部材２２４の突起２３０（角部２３５）に接触する。ただし、接触工程では、バルブシート部材２２８の角部２４８がシリンダヘッド部材２２４の突起２３０に接触してもよい。

続いて、発熱工程（図５のステップＳ３）において、当接面３２による受圧面２４０に対する加圧を継続した状態で、制御部１８は、図７に示す電流波形（電流制御波形）に基づいて通電電流を制御する。電流波形の設定については後述する。

図７に示すように、発熱工程では、電極部２４への通電電流を第１電流増加率で増加させる第１電流制御を行う。第１電流制御は、通電開始（時点Ｔ１）から所定時間（第１制御時間ΔＴａ）が経過した時点Ｔ２まで行われる。

第１制御時間ΔＴａは、例えば、５ｍｓ以上１５ｍｓに設定される。第１制御時間ΔＴａは、８ｍｓ以上１２ｍｓ以下に設定されるのが好ましく、１０ｍｓに設定されるのがより好ましい。ただし、第１制御時間ΔＴａは、シリンダヘッド部材２２４及びバルブシート部材２２８のそれぞれの構成材料、形状、大きさ等に応じて適宜設定可能である。第１電流制御では、時点Ｔ２において、通電電流が第１電流値Ｉａになるように通電電流を第１電流増加率で（一次関数的に）増加させる。

第１電流制御により電源装置１６から電極部２４に供給された通電電流は、電極部２４の当接面３２からバルブシート部材２２８、シリンダヘッド部材２２４及び電極構造体１２を流れて電源装置１６に戻される。この際、バルブシート部材２２８の接合面２２０（第１側面２４２）とシリンダヘッド部材２２４の突起２３０との接触部分２５０（図６参照）に接触抵抗及びバルブシート部材２２８の材料抵抗によるジュール熱が発生する。換言すれば、突起２３０と接合面２２０との接触部分２５０が発熱する。

図８に示すように、発熱工程において、受圧面２４０は、接触部分２５０のうち受圧面２４０に最も近い第１端部２５０ａ（接触部分２５０の外端）と受圧面２４０との最短経路である第１経路Ｌａ上に位置する第１部位２５２と、接触部分２５０のうち受圧面２４０に最も遠い第２端部２５０ｂ（接触部分２５０の内端）と受圧面２４０との最短経路である第２経路Ｌｂ上に位置する第２部位２５４とを有する。そして、発熱工程では、電極部２４を第１部位２５２に接触させることなく受圧面２４０における第１部位２５２よりも第２部位２５４側の領域にのみ当接させている。換言すれば、電極部２４は、受圧面２４０における第２部位２５４よりも径方向内方の領域にのみ当接している。すなわち、当接面３２の外端３２ａ（当接面３２における電極部２４の径方向外方の端）は、受圧面２４０の第２部位２５４よりも径方向内方に位置している。

この場合、接触部分２５０の第１端部２５０ａと電極部２４との最短経路である第１電流経路Ｌ１は、第１端部２５０ａと当接面３２の外端３２ａとを直線で結んだ経路である。また、接触部分２５０の第２端部２５０ｂと電極部２４との最短経路である第２電流経路Ｌ２は、第２端部２５０ｂと当接面３２の外端３２ａとを直線で結んだ経路である。第２電流経路Ｌ２の長さは、第１電流経路Ｌ１の長さよりも長い。

ここで、図９に示す比較例に係る加圧電極２０ａを用いた例を考える。図９に示すように、加圧電極２０ａの電極部２４ａは、当接面３２及びテーパ面３４に代えて当接面４０を設けた点以外は、電極部２４と同様に構成されている。当接面４０は、電極本体２８ａの先端部に設けられている。当接面４０は、凸部３０から絶縁部材２６まで電極部２４ａの軸線Ａｘと直交する方向に延在した平面である。このような電極部２４ａを用いた場合、発熱工程において、当接面４０の外端４０ａは、第１部位２５２よりも径方向外方に位置する、すなわち、当接面４０は、受圧面２４０の第１部位２５２及び第２部位２５４に対して当接する。

この場合、接触部分２５０のうち最も受圧面２４０に近い第１端部２５０ａと受圧面２４０との最短距離である第３電流経路Ｌ３は、第１経路Ｌａと一致するようになる。また、接触部分２５０のうち最も受圧面２４０に遠い第２端部２５０ｂと受圧面２４０との最短経路である第４電流経路Ｌ４は、第２経路Ｌｂと一致するようになる。第３電流経路Ｌ３と第４電流経路Ｌ４とは、互いに平行に延在している。第４電流経路Ｌ４の長さは、第３電流経路Ｌ３の長さよりも長い。

そうすると、発熱工程において、本実施形態に係る電極部２４を用いた場合の第１電流経路Ｌ１と第２電流経路Ｌ２との間の第１経路差ΔＬ１は、比較例に係る電極部２４ａを用いた場合の第３電流経路Ｌ３と第４電流経路Ｌ４との間の第２経路差ΔＬ２よりも小さくなる。すなわち、電極部２４を用いた場合、第１経路差ΔＬ１を比較的小さくすることができる。つまり、第１電流経路Ｌ１の経路抵抗と第２電流経路Ｌ２の経路抵抗との差を比較的小さくすることができる。

また、図８に示すように、第１電流経路Ｌ１は、接合部２３４と受圧部２３６との界面（境界部）に位置する第１中間点Ｐ１を通る。第１電流経路Ｌ１は、受圧部２３６内を通る第１部分経路Ｌ１ａ（当接面３２の外端３２ａから第１中間点Ｐ１までの経路）と、接合部２３４内を通る第２部分経路Ｌ１ｂ（第１中間点Ｐ１から接触部分２５０の第１端部２５０ａまでの経路）とからなる。

第２電流経路Ｌ２は、接合部２３４と受圧部２３６との界面（境界部）に位置する第２中間点Ｐ２を通る。第２中間点Ｐ２は、第１中間点Ｐ１よりも径方向内方に位置する。第２電流経路Ｌ２は、受圧部２３６内を通る第３部分経路Ｌ２ａ（当接面３２の外端３２ａから第２中間点Ｐ２までの経路）と、接合部２３４内を通る第４部分経路Ｌ２ｂ（第２中間点Ｐ２から接触部分２５０の第２端部２５０ｂまでの経路）とからなる。

第１電流経路Ｌ１は、第２電流経路Ｌ２よりも長い。第１部分経路Ｌ１ａは、第３部分経路Ｌ２ａよりも長い。第２部分経路Ｌ１ｂは、第４部分経路Ｌ２ｂよりも短い。そして、受圧部２３６の電気抵抗率は、接合部２３４の電気抵抗率よりも小さい。そのため、バルブシート部材２２８を単一部材で構成した場合と比較して、第１電流経路Ｌ１の通電抵抗と第２電流経路Ｌ２の通電抵抗との差を一層小さくすることができる。

このように、第１電流経路Ｌ１の通電抵抗と第２電流経路Ｌ２の通電抵抗との差が比較的小さいため、発熱工程において、接触部分２５０の第１端部２５０ａと第２端部２５０ｂとの温度差を小さくすることができる。換言すれば、発熱工程において、接触部分２５０の温度分布のバラツキを抑えることができる。

接触部分２５０の温度は、通電電流の増加に伴い上昇する。図７において、接触部分２５０は、時点Ｔ２まで溶融しない。換言すれば、時点Ｔ２において、接触部分２５０の溶融が開始する。そのため、電極部２４及び接合面２２０は、時点Ｔ１から時点Ｔ２まで矢印Ｘ２方向にほとんど変位しない。

その後、変位工程（図５のステップＳ４）において、電極部２４によるバルブシート部材２２８の加圧を継続した状態で、制御部１８は、電極部２４への通電電流を第１電流増加率よりも小さい第２電流増加率で増加させる第２電流制御を行う。第２電流制御は、第１電流制御の終了時点（時点Ｔ２）から所定時間（第２制御時間ΔＴｂ）が経過した時点Ｔ３まで行われる。すなわち、第１電流制御の開始から所定時間経過後に第１電流制御から第２電流制御に切り替わる。

第２制御時間ΔＴｂは、例えば、５ｍｓ以上１５ｍｓ以下に設定される。第２制御時間ΔＴｂは、８ｍｓ以上１２ｍｓ以下に設定されるのが好ましく、１０ｍｓに設定されるのがより好ましい。ただし、第２制御時間ΔＴｂは、シリンダヘッド部材２２４及びバルブシート部材２２８のそれぞれの構成材料、形状、大きさ等に応じて適宜設定可能である。第２電流制御では、時点Ｔ３において、通電電流が第２電流値Ｉｂになるように通電電流を第２電流増加率で（一次関数的に）増加させる。

変位工程では、突起２３０の溶融が開始する。この際、バルブシート部材２２８が電極部２４によって矢印Ｘ１方向に加圧されている。そのため、図１０に示すように、電極部２４及び接合面２２０は、突起２３０が溶融することによって発生した溶融金属２３０ａを接触部分２５０の外側に排出しながら、受圧面２４０の加圧方向（矢印Ｘ２方向）に変位する。この際、接触部分２５０の面積は徐々に増大する。

また、変位工程において、バルブシート部材２２８の受圧面２４０は、接触抵抗によるジュール熱によって軟化している。そのため、当接面３２は、バルブシート部材２２８の受圧面２４０に減り込む。そうすると、テーパ面３４の少なくとも一部は、バルブシート部材２２８の受圧面２４０に当接することになる。つまり、電極部２４とバルブシート部材２２８との当接面積は、徐々に増大する。すなわち、電極部２４とバルブシート部材２２８との当接面積は、接触部分２５０の面積の増大に応じて増大する。

これにより、変位工程において、通電電流は、電極部２４からバルブシート部材２２８の接触部分２５０に円滑に流れる。よって、突起２３０を効率的に溶融させることができる。また、接触部分２５０の横断面における温度分布のバラツキが抑えられる。換言すれば、接触部分２５０の第１端部２５０ａと第２端部２５０ｂとの温度差を比較的小さくしたまま接触部分２５０の面積を広げることができる。つまり、接触部分２５０は、その全体が略均一に温度上昇する。

さらに、変位工程において、通電電流は第１電流増加率よりも小さい第２電流増加率で増加しているため、接触部分２５０に通電電流（エネルギ）が過剰に投入されることが抑えられる。従って、スパッタが発生することが抑制される。つまり、接合面２２０が欠肉することが抑えられる。

そして、時点Ｔ３において、突起２３０の全体が溶融すると、接合工程（図５のステップＳ５）において、図１１に示すように、発熱した接合面２２０がシリンダヘッド部材２２４の接合面２５９の全体に接触する。なお、シリンダヘッド部材２２４の開口縁部には、接合面２２０の形状に対応した形状の接合面２５９が形成される。この際、テーパ面３４の全体と外周加圧面３８の全体とが受圧面２４０に当接する。そして、シリンダヘッド部材２２４の接合面２５９は、接合面２２０によって加圧される。この際、接合面２２０のうち突起２３０に接触していた部分は、略均一の温度になっているため、接合面２２０と接合面２５９とが互いに原子拡散接合される。このような接合によって得られた接合界面２６０の原子拡散距離は、１μｍ以下になる。これにより、バルブシート部材２２８がシリンダヘッド部材２２４に接合された接合体が得られる。

その後、図１２に示すように、接合体を仮想線で示す加工ラインＣで切断する。これにより、図１に示すシリンダヘッド本体２０２とバルブシート２０４とを備えたシリンダヘッド２００が得られる。

図７に示す電流波形（電流制御波形）は、予め設定されて制御部１８の記憶部に記憶されている。電流波形は、接合界面２６０での原子拡散距離が１μｍ以下となるように設定される。

具体的に、鉄系合金とアルミニウム系合金とを原子拡散接合する場合、接合界面２６０の原子拡散距離を１μｍ以下にするためには、所定の接合条件（接合温度を９００℃以上１２００℃以下にするとともに接合時間を１ｍｓ以上３５ｍｓ以下）にする必要がある。接合温度が９００℃未満であると、原子拡散を効率的に行うことができなくなり、接合温度が１２００℃を超えると、スパッタによる欠肉が発生し易くなるからである。なお、上記の接合条件における接合温度は、９５０℃以上１０２０℃以下がより好ましい。

また、本願の発明者は、バルブシート部材２２８を鉄系合金で構成するとともにシリンダヘッド部材２２４をアルミニウム系合金で構成するとともに上記の接合条件により接合をする場合、９００℃以上の接合界面２６０の積算熱量と接合強度とに図１３Ａに示すような相関関係があることを突き止めた。そして、図７の電流波形は、図１３Ａに示すグラフに基づいて、９００℃以上の接合界面２６０の熱積算値（積算熱量）がＱ１（１．４Ｊ／ｍｍ^２）以上Ｑ２（２．８Ｊ／ｍｍ^２）以下となるように設定されている。この場合、接合界面２６０の原子拡散距離が１μｍ以下（接合強度がσ１以下）であるシリンダヘッド２００を得ることが可能となる。なお、電流波形は、接合界面２６０での原子拡散距離が３μｍ以下となるように設定してもよい。

また、本願の発明者は、バルブシート部材２２８を鉄系合金で構成するとともにシリンダヘッド部材２２４をアルミニウム系合金で構成するとともに上記の接合条件により接合をする場合、５００℃以上の接合面２２０の熱積算値と欠肉とに図１３Ｂに示すような相関関係があることを突き止めた。

そのため、図７の電流波形は、図１３Ｂに示すグラフに基づいて、５００℃以上の接合面２２０の熱積算値がＱ３（８．４Ｊ／ｍｍ^２）以上Ｑ４（１２．６Ｊ／ｍｍ^２）以下となるように設定されてもよい。図１３Ｂにおいて、５００℃以上の接合面２２０の熱積算値がＱ３（８．４Ｊ／ｍｍ^２）未満の場合、発熱不足のため、変形による欠肉が発生し易くなる。５００℃以上の接合面２２０の熱積算値がＱ４（１２．６Ｊ／ｍｍ^２）よりも大きい場合、過入熱のため溶損による欠肉が発生し易くなる。この場合、接合面２２０の欠肉を効果的に抑制することができる。

なお、本実施形態において、図７に示す電流波形は、図１３Ａ及び図１３Ｂの熱積算値の範囲内になるように設定されている。

本実施形態は、以下の効果を奏する。

金属部材の接合方法は、接触工程、発熱工程、変位工程及び接合工程を含む。発熱工程では、電極への通電電流を第１電流増加率で増加させる第１電流制御を行い、変位工程では、通電電流を第１電流増加率よりも小さい第２電流増加率で増加させる第２電流制御を行う。

このような方法によれば、発熱工程において通電電流を第１電流増加率で増加させた後、変位工程において通電電流を第１電流増加率よりも小さい第２電流増加率で増加させている。これにより、発熱工程において、突起２３０と接合面２２０との接触部分２５０を効率的に発熱させることができる。また、変位工程において、接触部分２５０の面積が拡大して発熱部分が拡大した際に、当該接触部分２５０に適度なエネルギを投入することができる。従って、スパッタの発生を抑えつつ良好な接合強度を得ることができる。

第１金属部材２２２の構成材料は、アルミニウム系合金であり、第１電流制御の開始から所定時間経過後に第１電流制御から第２電流制御に切り替わる。

このような方法によれば、通電電流の制御を簡単に行うことができる。

変位工程では、電極部２４と受圧面２４０との当接面積を増大させている。

このような方法によれば、変位工程において、接触部分２５０の面積の拡大に応じて接触部分２５０に投入するエネルギを増大させることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。

上記実施形態は、第１金属部材（２２２）と前記第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材（２２６）とを互いに接合させる金属部材の接合方法であって、前記第１金属部材のベース面（２１６）と前記第２金属部材の接合面（２２０）とを互いに離間させた状態で前記ベース面から突出した突起（２３０）と前記接合面とを互いに接触させる接触工程と、前記接触工程の後で、第１電流増加率で通電電流を増加させる第１電流制御を行いながら、前記第２金属部材の受圧面（２４０）を電極部（２４）で加圧通電することにより、前記突起と前記接合面との接触部分（２５０）を発熱させる発熱工程と、前記発熱工程の後で、前記第１電流増加率よりも小さい第２電流増加率で前記通電電流を増加させる第２電流制御を行いながら、前記電極部による前記受圧面の加圧通電を継続して前記突起を溶融させるとともに前記電極部及び前記接合面を前記受圧面の加圧方向に変位させることにより、前記突起の溶融金属（２３０ａ）を前記接触部分の外側に排出するとともに前記接触部分の面積を増大させる変位工程と、前記変位工程の後で、発熱した前記接合面を前記第１金属部材に対して加圧することにより前記第１金属部材と前記接合面とを互いに原子拡散接合する接合工程と、を含む、金属部材の接合方法を開示している。

上記の金属部材の接合方法において、第１金属部材の構成材料は、アルミニウム系合金であり、第２金属部材の構成材料は、鉄系合金であり、前記第１電流制御の開始から所定時間経過後に前記第１電流制御から前記第２電流制御に切り替わってもよい。

上記の金属部材の接合方法において、前記変位工程では、前記電極部と前記受圧面との当接面積を増大させてもよい。

１０…接合装置２４…電極部
２１６…ベース面２２０…接合面
２２２…第１金属部材２２６…第２金属部材
２３０…突起２３０ａ…溶融金属
２４０…受圧面２５０…接触部分

Claims

第１金属部材と前記第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを互いに接合させる金属部材の接合方法であって、
前記第１金属部材のベース面と前記第２金属部材の接合面とを互いに離間させた状態で前記ベース面から突出した突起と前記接合面とを互いに接触させる接触工程と、
前記接触工程の後で、第１電流増加率で通電電流を増加させる第１電流制御を行いながら、前記第２金属部材の受圧面を電極部で加圧通電することにより、前記突起と前記接合面との接触部分を発熱させる発熱工程と、
前記発熱工程の後で、前記第１電流増加率よりも小さい第２電流増加率で前記通電電流を増加させる第２電流制御を行いながら、前記電極部による前記受圧面の加圧通電を継続して前記突起を溶融させるとともに前記電極部及び前記接合面を前記受圧面の加圧方向に変位させることにより、前記突起の溶融金属を前記接触部分の外側に排出するとともに前記接触部分の面積を増大させる変位工程と、
前記変位工程の後で、発熱した前記接合面を前記第１金属部材に対して加圧することにより前記第１金属部材と前記接合面とを互いに原子拡散接合する接合工程と、を含む、金属部材の接合方法。
請求項１記載の金属部材の接合方法であって、
第１金属部材の構成材料は、アルミニウム系合金であり、
第２金属部材の構成材料は、鉄系合金であり、
前記第１電流制御の開始から所定時間経過後に前記第１電流制御から前記第２電流制御に切り替わる、金属部材の接合方法。
請求項１又は２に記載の金属部材の接合方法であって、
前記変位工程では、前記電極部と前記受圧面との当接面積を増大させる、金属部材の接合方法。