JP7498508B2 - 加熱プレス用ユニット - Google Patents

Description

本発明は、複数の金属板を重ね合わせて、加圧および加熱することにより複数の金属板を拡散接合により接合する加熱プレスに用いられる加熱プレス用ユニットに関する。

拡散接合とは、母材を溶融させることなく加熱・加圧保持し、接合面を横切って接合界面の原子を拡散させ、金属学的に完全な接合部を得る方法である。
例えば、特許文献１は、複数枚の金属薄板を積層させた接合対象物を上下の加熱板で挟み、高周波誘導加熱で加熱しつつプレス機で加圧する技術を開示している。

特開２０１９－８４５３５号公報

特許文献１のように高周波誘導加熱を用いた場合、接合対象物を均一に加熱するのが難しい。また、真空槽内で加熱・加圧する必要があり、装置のコストが高くなる、生産性が低下するという問題もある。

本発明の目的の一つは、接合対象物を均一に加熱でき、複数の金属板の拡散接合による接合を可能とする加熱プレス用ユニットを提供することにある。

本発明の加熱プレス用ユニットは、複数の金属板を重ね合わせて加圧および加熱することにより当該複数の金属板を拡散接合により接合する加熱プレスに用いられる加熱プレス用ユニットであって、
前記加熱プレス用ユニットは、プレス機に互いに対向して装着される第１および第２の加熱プレス用ユニットからなり、
前記第１および第２の加熱プレス用ユニットの各々は、前記プレス機の可動部又は固定部に固定される金属製のベースプレートと、
平坦な加圧面を有する金属製の加圧プレートと、
一端部が前記ベースプレートに連結され、前記加圧プレートに印加される荷重を他端部で受ける金属製の複数の支柱と、
前記複数の支柱がそれぞれ貫通する複数の貫通孔を有し、かつ、前記加圧プレートの加圧面の反対側の面と接して当該加圧プレートを加熱する金属製のヒータブロックと、を備える。
好ましくは、前記ベースプレートと前記加圧プレートと前記複数の支柱のうち、少なくとも前記加圧プレートと前記複数の支柱とは同じ材料で形成されている、構成を採用できる。

好適には、前記加圧プレートは中央部付近においてのみ締結部材によって前記ヒータブロックと連結されており、
前記加圧プレートと前記ヒータブロックとの周囲には、前記加圧プレートが前記ヒータブロックの表面から離れないように当該加圧プレートを前記ヒータブロックに拘束しつつ、当該加圧プレートの前記ヒータブロックに対する熱による面方向の変位は許容する複数の留め具が設けられている、構成を採用できる。

さらに好適には、前記複数の支柱のうち、前記加圧プレートの中央部付近に配置された単一の支柱の他端部のみが当該加圧プレートと連結され、残りの支柱の他端部の端面は当該加圧プレートの前記加圧面とは反対側の面に接触している、構成を採用できる。

本発明によれば、接合対象物を均一に加熱でき、複数の金属板の拡散接合による接合が可能となる。

本発明の一実施形態に係る加熱プレスユニットの平面図。 図１の加熱プレスユニットの左側面図。 図１の加熱プレスユニットのＡ－Ａ線断面図。 図１の加熱プレスユニットのＢ－Ｂ線断面図。 （ａ）は２つの加熱プレスユニットをプレス機に固定した状態を示す図であり、（ｂ）はワークの形状を示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態である加熱プレスユニット１について説明する。
図１～図４は、加熱プレスユニット１の構造を示す図であって、図１は平面図、図２は図１の左側面図、図３は図１のＡ－Ａ線断面図、および図４は図１のＢ－Ｂ線断面図である。
加熱プレスユニット１は、金属製のベースプレート１０と、金属製の加圧プレート２０と、金属製の複数の支柱３０と、金属製のヒータブロック４０とを有する。

ベースプレート１０は、一定の厚さの矩形状のプレートであり、ＳＫＤ６１等の合金鋼で形成されるが、これに限定されるわけではない。ベースプレート１０は、後述するように、プレス機の可動部であるラム又は固定部であるステージに固定される。具体的には、ベースプレート１０は、図１に示す６か所の穴１０ｈを通じてボルトによりラム又はステージに固定される。ラム又はステージとベースプレート１０との間には、断熱材又は冷却機構を介在させることも可能である。

加圧プレート２０は、ベースプレート１０よりは小さい面積の一定の厚さの矩形状の平坦なプレートであり、表面が金属板（ワーク）を加圧する平坦な加圧面２０ａとなっている。加熱プレスの際に加圧プレート２０に印加される圧力は、例えば、数十～数百ＭＰａである。加圧プレート２０は、高温に加熱されかつ高圧力が印加されるため、例えば、降伏点が比較的高いインコネル７１８等のニッケル合金で形成されるが、これに限定されるわけではない。
図１に示すように、加圧プレート２０には、複数の熱電対８０が設けられ、加圧プレート２０内の複数位置の温度を検出可能となっている。

支柱３０は、ベースプレート１０と加圧プレート２０との間に、全部で２５本設けられており、断面が四角形状に形成された柱体であり、全て同じ材料で形成され、かつ、加圧プレート２０と同じ材料、例えば、インコネル７１８等のニッケル合金で形成されている。支柱３０は、加圧プレート２０と同様、高温に加熱されかつ高圧力が印加されるため、加圧プレート２０で形成されている。支柱３０は、図３等からわかるように、一端部がボルトＢＴでベースプレート１０に連結されており、全ての支柱３０の高さは同じになっている。なお、支柱３０が固定されるベースプレート１０の支柱３０の固定面は平坦性が確保されている。

支柱３０の他端部は、加圧プレート２０の中央部付近に配置された支柱３０Ｃ（図1参照）を除いて、加圧プレート２０には連結されておらず、支柱３０の他端部の端面３０ｆは、加圧プレート２０の加圧面の反対側の面２０ｂに接触している。支柱３０を加圧プレート２０に連結（拘束）しないのは、支柱３０から加圧プレート２０に伝達される力を加圧プレート２０の厚さ方向にのみ作用させるためである。すなわち、支柱３０を加圧プレート２０に連結すると、温度上昇に伴って、加圧プレート２０の厚さ方向以外にも力が作用し、加圧プレート２０の変形等の原因になるためである。また、支柱３０の断面形状を四角状にしたのは、限られた本数の中で、支柱３０と加圧プレート２０との接触面積を可能な限り大きく確保するためであるが、この形状に限定されるわけではなく、円形等の断面形状も採用できる。

支柱３０Ｃは、図４に示すように、一端部が２本のボルトＢＴ１でベースプレート１０に連結されているとともに、加圧プレート２０の形成された２つの座グリ穴を通じて２本のボルトＢＴ１で加圧プレート２０に連結されている。支柱３０Ｃを加圧プレート２０に連結することにより、ベースプレート１０に対して加圧プレート２０を一定の距離を置いて保持できる。なお、本実施形態では、支柱３０Ｃの両端部をそれぞれ２本のボルトＢＴ１でベースプレート１０および加圧プレート２０に連結したが、それぞれ１本のボルト用いて連結してもよい。

本実施形態では、後述するように、加圧プレート２０の加圧面２０ａに座グリ穴を形成すると、この部分を加圧面２０ａとして使用できないが、後述するように、本実施形態では、加圧すべきワークが円環状であるため、加圧プレート２０の中央部分を加圧面２０ａとして使用しない。なお、加圧プレート２０の中央部分を加圧面２０ａとして使用する場合には、加圧面２０ａに座グリ穴を加工せず、加圧面２０ａの反対側の面２０ｂ側からボルト等で締結する必要がある。

ヒータブロック４０は、加圧プレート２０とほぼ同じ面積の所定の厚さの矩形状のプレートであり、例えば、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼で形成されるが、これに限定されるわけではない。ヒータブロック４０は表面４０ａが加圧プレート２０の加圧面２０ａとは反対側の面２０ｂに接するように設けられている。ヒータブロック４０は、図１からわかるように、複数本（６本）の貫通孔４１が内部に並列して形成され、この貫通孔にカートリッジヒータ４５がそれぞれ挿入されている。カートリッジヒータ４５の一端部には給電線が設けられ、この給電線を通じてカートリッジヒータ４５に内蔵された発熱体（巻線）に通電することで、カートリッジヒータ４５が発熱する。カートリッジヒータ４５の巻線の粗密を調整することで、加圧プレート２０の加圧面２０ａ内の温度分布を適切に調整することができる。
ヒータブロック４０内に並列された隣り合うカートリッジヒータ４５の間には、上記した支柱３０，３０Ｃが貫通する複数の貫通孔４０ｈがヒータブロック４０の厚さ方向に形成されている。

ヒータブロック４０は、図４に示すように、加圧プレート２０の中央部付近で、締結部材であるボルトＢＴ２によって加圧プレート２０に連結されている。
また、図１および図３からわかるように、加圧プレート２０とヒータブロック４０との周囲には、断面形状がＬ状の留め具６０が図１の左右２か所の合計４か所に設けられている。留め具６０は、ヒータブロック４０の側面に固定されるとともに、加圧プレート２０に形成された溝部に係合することで、加圧プレート２０が熱変形等によりヒータブロック４０の表面４０ａから離れないように拘束しているとともに、加圧プレート２０のヒータブロック４０に対する熱による面方向の変位は許容する。

上記のように構成される加熱プレスユニット１では、加圧プレート２０とヒータブロック４０とは分離されており、加圧プレート２０に印加される大きな力（プレス荷重）は、支柱３０，３０Ｃに伝わり、支柱３０，３０Ｃからベースプレート１０に伝わり、ヒータブロック４０には力が作用しないようになっている。仮に、加圧プレート２０とヒータブロック４０とを一体化して加圧プレート２０にカートリッジヒータ４５を内蔵すると、カートリッジヒータ４５が高温になると、カートリッジヒータ４５の周囲の金属が加熱され当該金属の降伏点が下がり変形しやすくなる。加熱された金属が変形すると、カートリッジヒータ４５が破損する可能性があり、また、加圧プレート２０の加圧面２０ａとカートリッジヒータ４５の周辺との温度差が大きくなるため熱膨張の影響を受け、加圧プレート２０の平坦な加圧面２０ａも変形する可能性がある。

本実施形態の加熱プレスユニット１は、加圧プレート２０とヒータブロック４０とを分離し、ヒータブロック４０に力（プレス荷重）がかからないようにすることで、カートリッジヒータ４５の破損や加圧プレート２０の変形を防ぐことができる。ヒータブロック４０に力（プレス荷重）がかからないので、熱源の選択肢も増え、カートリッジヒータ４５に代えて、ランプヒータ等の他のヒータを採用することが可能となる。
本実施形態の加熱プレスユニット１は、ヒータブロック４０を加圧プレート２０に接するように設けているので、加圧プレート２０の温度分布をコントロールしやすく、拡散接合させるワークを均一に加熱しやすい。

本実施形態の加熱プレスユニット１は、加圧プレート２０が高温に加熱されても、加圧プレート２０の平坦性を維持できるようになっている。加圧プレート２０とヒータブロック４０とは、上記したように、一か所でのみボルトＢＴ２で締結され、周囲が複数の留め具６０で挟みこまれる構造を採用している。
仮に、加圧プレート２０とヒータブロック４０とを互いに数カ所をネジ締結で完全拘束してしまうと、高温環境になった場合、材料特性である線膨張係数の違いにより加圧プレート２０とヒータブロック４０との間に大きなストレスが発生し、このストレスにより加圧プレート２０が変形するので、加圧プレート２０の平坦性を確保できない。
本実施形態の加熱プレスユニット１は、加圧プレート２０とヒータブロック４０との拘束（連結）を中央部の一カ所のみにして、複数の留め具６０により加圧プレート２０のヒータブロック４０に対する垂直方向（厚さ方向）の膨張による変形を抑えつつ面方向（水平方向）の変位は許容している。これにより、加圧プレート２０にヒータブロック４０が接触していることで生じる加圧プレート２０の熱による変形は防止でき、加圧プレート２０の平坦性を維持できる。

加熱プレスユニット１は、加熱プレスの際に加圧プレート２０に印加される荷重を複数の支柱３０および支柱３０Ｃにより分散して受け止める構造を採用しているので、加熱プレスの際に加圧プレート２０の平坦性が確保できないと、複数の支柱３０および支柱３０Ｃに偏荷重が発生し、特定の支柱に荷重が集中して当該支柱が座屈する可能性がある。
本実施形態では、上記した方法で、加圧プレート２０とヒータブロック４０の関係において加圧プレート２０の平坦性を確保している。これに加えて、加圧プレート２０の中心部付近に配置される支柱３０Ｃのみを加圧プレート２０に連結し、残りの全ての支柱３０を加圧プレート２０に拘束せずに接触させることで、加熱プレスの際に支柱３０と加圧プレート２０との間に生じる線膨張によるストレスを逃がすことができる。これにより、支柱３０，３０Ｃと加圧プレート２０との関係においても、加圧プレート２０の変形を防いで加圧プレート２０の平坦性を確保できる。

図５の(ａ)は、第１および第２の加熱プレスユニット１，１をプレス機の固定部としてのステージ１０１と可動部としてのラム１０２にそれぞれ固定した状態を示している。加熱プレスユニット１，１の加圧プレート２０は対向しており、２つの加圧プレート２０，２０の間に加熱プレスによる接合対象物であるワークＷが配置される。ワークＷは、金属板Ｗ１と金属板Ｗ２からなり、金属板Ｗ１は例えば厚さ０．１ｍｍのステンレス薄板であり、金属板Ｗ２は厚さ０．１ｍｍの銅薄板（無酸素銅）である。ワークＷの形状は、図５の（ｂ）に示すように、円環状であるが、これに限定されるわけではない。また、本実施形態では２枚の金属板Ｗ１，Ｗ２を例示しているが、これに限定されるわけではなく、３枚以上であってもよく、また、金属板Ｗ１，Ｗ２が同じ材料であってもよい。なお、プレス機は１０１および１０２の両方をラムとしてもよい。

本実施形態では、加熱プレスは、大気中で行われるが、加熱プレスの手順の例について説明する。
金属は、高温で空気に晒されて酸化してしまうと、加熱プレスによる金属同士の拡散接合がうまくいかないことが考えられる。

一つの方法としては、例えば、温度と湿度を管理した環境下で、金属板Ｗ１および金属板Ｗ２を管理し、金属板Ｗ１と金属板Ｗ２とを貼り合わせ両者の間に空気が存在しない状態のワークＷを予め用意しておく。このワークＷを加圧プレート２０，２０の間に設置し、必要な拡散接合温度に加圧プレート２０，２０を加熱するとともに、必要な大きさの荷重を印加する。そして、所定時間経過後は、プレス機からワークＷを取り出して冷却する。

他の方法としては、金属板Ｗ１と金属板Ｗ２との間に空気が存在する状態で、ワークＷをプレス機にセットし、加圧プレート２０，２０が加熱されていない状態からプレス荷重の印加を開始する。ワークＷが低温の状態では金属の酸化を防ぐことができるので、この状態で、ワークＷを加圧することで、金属板Ｗ１と金属板Ｗ２との間に存在する空気を追い出し、その後に、必要な拡散接合温度（例えば、数百℃）まで加圧プレート２０，２０を加熱する。

さらに他の方法としては、金属板Ｗ１と金属板Ｗ２との間に空気が存在する状態で、ワークＷをプレス機にセットする際に、加圧プレート２０，２０を予熱しておく。金属板Ｗ１と金属板Ｗ２が酸化する前に加圧プレート２０，２０に必要な加圧をして金属板Ｗ１と金属板Ｗ２との間の空気を追い出すとともに加熱する。加圧プレート２０，２０を予熱しておくことで、タクトタイムを短縮することができる。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。

１ ：加熱プレスユニット（第１および第２の加熱プレスユニット）
１０ ：ベースプレート
１０ｈ ：穴
２０ ：加圧プレート
２０ａ ：加圧面
２０ｂ ：面
３０，３０Ｃ ：支柱
３０ｆ ：端面
４０ ：ヒータブロック
４０ａ ：表面
４０ｈ，４１ ：貫通孔
４５ ：カートリッジヒータ
６０ ：留め具
８０ ：熱電対
１０１ ：ステージ
１０２ ：ラム
ＢＴ，ＢＴ１，ＢＴ２ ：ボルト
Ｗ ：ワーク
Ｗ１，Ｗ２ ：金属板

Claims (4)

1. 複数の金属板を重ね合わせて加圧および加熱することにより当該複数の金属板を拡散接合により接合する加熱プレスに用いられる加熱プレス用ユニットであって、
   前記加熱プレス用ユニットは、プレス機に互いに対向して装着される第１および第２の加熱プレス用ユニットからなり、
   前記第１および第２の加熱プレス用ユニットの各々は、前記プレス機の可動部又は固定部に固定される金属製のベースプレートと、
   平坦な加圧面を有する金属製の加圧プレートと、
   一端部が前記ベースプレートに連結され、前記加圧プレートに印加される荷重を他端部で受ける金属製の複数の支柱と、
   複数の支柱がそれぞれ貫通する複数の貫通孔を有し、かつ、前記加圧プレートの加圧面の反対側の面と接して当該加圧プレートを加熱する金属製のヒータブロックと、を備える加熱プレス用ユニット。
2. 前記加圧プレートは中央部付近においてのみ締結部材によって前記ヒータブロックと連結されており、
   前記加圧プレートと前記ヒータブロックとの周囲には、前記加圧プレートが前記ヒータブロックの表面から離れないように当該加圧プレートを前記ヒータブロックに拘束しつつ、当該加圧プレートの前記ヒータブロックに対する熱による面方向の変位は許容する複数の留め具が設けられている、請求項１に記載の加熱プレス用ユニット。
3. 前記複数の支柱のうち、前記加圧プレートの中央部付近に配置された単一の支柱の他端部のみが当該加圧プレートと連結され、残りの支柱の他端部の端面は当該加圧プレートの前記加圧面とは反対側の面に接触している、請求項２に記載の加熱プレス用ユニット。
4. 前記ベースプレートと前記加圧プレートと前記複数の支柱のうち、少なくとも前記加圧プレートと前記複数の支柱とは同じ材料で形成されている、請求項１に記載の加熱プレス用ユニット。

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