JPH02224882A - 常温固相接合法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、常温、大気圧下でら固相状態のまま接合で
きるようにした常温固相接合法に関し、金属、非金属、
超電導材料などの材質の変化や変形を防止して簡単な設
備で接合できるようにしたものである。

［従来の技術］ 固相接合法は、接合部を溶融させないで、固相のまま接
合するものであり、一般に溶接部が広範囲に溶融する融
接や溶融金属を添加して接合するろう付と比べて、接合
部に凝固組織や熱影響部など材質的に劣化した部分が少
なく、材料によっては継手の性質が優れており、特に融
接では弱い接合部となりやすい異種材料の溶接に適して
いる。

このような固相接合法として現在性われている主なもの
に圧接法と拡散接合法がある。

このうち圧接法は、冷間のまま接合部に機緘的圧力を加
え、塑性変形を起こして溶接する方法であり、装置が安
価で操作も簡単であるという特徴を有している。

また、拡散接合法は、平滑な面を接触させ、高温に保持
して原子の相互拡散によって接合する方法であり、接合
部はほとんど変形せず、このため精密な接合ができると
いう特徴を有している。

［発明が解決しようとする課！！Ｉ］ ところが、圧接法では、接合部に塑性変形が生じるよう
な大きな力を加える必要があるため、材料の変質を嫌う
被溶接材の接合に適さないという問題がある。

一方、拡散接合法では、接合面を接触させ若干の圧力を
加えるだけであり、大きな変形が生じることはないが、
接合部を８００〜１２００℃程度の高温状態にするとと
もに、原子の相互拡散を行わせるために長時間保持しな
ければならず、熱影響による材料の変質を招いてしまう
という問題がある。

また、拡散接合法では、接合に際して溶接部を高真空状
態に保持しなければならず、大掛かりな設備が必要にな
るという問題もある。

この発明はかかる従来技術の課題に鑑みてなされたもの
で、常温、大気圧状態で、しかも材料に変形を与えるこ
となく固相接合ができる常温固相接合法を提供しようと
するものである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、この発明の常温固相接合法は
、被接合材を固相状態のまま接合するに際し、温度条件
を常温から２５０℃の範囲とし、圧力条件を真空状態を
含む大気圧以下とし、周囲を不活性ガスもしくは１ｏｐ
ｐｎ以下の酸素を含む不活性ガス雰囲気に保持した後、
被接合材の接合面を物理的な活性化法で活性化し、次い
で被接合材の接合面を合わせて被接合材が変形しない圧
着力を加えて接合するようにしたことを特徴とするする
ものである。

また、この発明の常温固相接合法は、前記温度条件を常
温とし、圧力条件を大気圧としたとき、前記圧着力を被
接合材の降伏点の１〜３倍の範囲としたことを特徴とす
るものである。

［作　用］ この常温固相接合法は、温度条件を常温から２５０℃と
拡散接合に比べて相当低い温度範囲とし、また圧力条件
を真空状態を含む大気圧以下の範囲とした０周囲をアル
ゴンなどの不活性ガスもしくは１０１）Ｅｌｌｌ以下の
酸素を含む不活性ガス雰囲気に保持した後、被接合材の
接合面を高周波放電、超音波振動、表面Ｒ１擦などの物
理的な活性化法で活性化し、次いで被接合材の接合面を
静止状態で合わせて被接合材が変形しない大きさの圧着
力を加えて接合するようにしている。被接合材は拡散接
合の場合のような高温状態にされされることなく、しか
も圧接のような大きな圧着力を必要とせずに固相接合を
可能としている。

特に、圧力条件を大気圧とした場合にあっても、周囲を
アルゴンなどの不活性ガスもしくは１０ｐｐｎ以下の酸
素を含む不活性ガス雰囲気に保持して接合面を活性化し
たときには、圧着力を被接合材の降伏点の１〜３倍の範
囲とすることによって接合でき、従来では考えられない
ような温度及び圧力条件での常温、大気圧下での固相接
合が可能となる。

したがって、大掛かりの設備を使用せず、しかも金属、
非金属、超電導材料などを変質させることなく接合する
ことができる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第１図はこの発明の常温固相接合法の一実施例にかかる
概略工程図である。

この常温固相接合法では、接合条件を適当に選定するこ
とによって従来の圧接の場合のような大きな圧着力や従
来の拡散接合のような高温を必要とせず、しかも大掛か
りな設備を必要とせずに固相接合を可能とするようにし
ている。

このような常温固相接合法は、第１図に示すように、被
接合材１を接合用容器２内に入れ、溶接に必要な雰囲気
にする第１工程の後、被接合材１の接合面を活性化する
第２工程を行い、次いで被接合材１の接合面同志を合わ
せて圧着力を加えて接合する第３工程とで構成される。

このような常温固相接合法を可能とする各工程ごとに必
要とされる接合条件は、主として接合工程にしたがって
、（１）接合部周囲の雰囲気、例えばガスの種類、圧力
、温度、（２）接合面の活性化法および（３）接合時の
圧着力等によって決定される。

（１）　第１工程の接合部周囲の雰囲気■　雰囲気ガス
の種類 雰囲気ガスの種類としては、純粋な不活性ガス、例えば
アルゴンなど、あるいは１ｏｐｐｎ以下の酸素を含む不
活性ガスを用いることができる。

■　雰囲気ガスの圧力 雰囲気ガスの圧力の範囲は、真空状態を含む大気圧以下
であれば良く、大気圧から１０−９ｔｏｒｒまでの真空
状態に圧力を下げることによって、被接合材の接合面の
活性化を容易とし、接合面の不純物などの除去を促進す
る脱ガスを容易とすることができるとともに、被接合材
同志を合わせて接合する場合に接合圧力（被接合材同志
の圧着力）を小さくすることができる。

■　雰囲気ガスの温度 雰囲気ガスの温度範囲は、常温から２５０℃以下の範囲
であれば良く、従来の拡散接合の場合の８００〜１２０
０℃の場合に比べて非常に低くなっており、常温状態よ
りも温度を２５０℃に近付けることによって被接合材の
活性化を促進できる。

また、雰囲気ガスの圧力を真空状態に下げるようにした
場合には、接合温度を下げることも可能となり、接合圧
力及び接合温度を下げた状態で接合することができる。

そこで、このような雰囲気状態を作るため、第１図（Ａ
）に示すように、接合用容器２が用いられ、内部に入れ
られたアルゴンなどの不活性ガスの圧力や温度を！Ｉｌ
ｌて接合条件を作り出す。

（２）　第２工程の接合面の活性化法 接合時の原子間の結合力を増大するために非常に重要な
工程である。

被接合材１の接合面の活性化法としては、物理的な活性
化法が使用され、例えば高周波放電、超音波振動、表面
摩擦などが挙げられる。

■　高周波放電 この高周波放電は、第１図（Ｂ）（ａ）に示すように、
一定の間隔をあけた被接合材１．１間に高周波電源３に
よって高周波電圧を印加して放電させると同時に、被接
合材１．１を中心軸回りに回転しながら行なうもので、
放電によって接合面上の不純物などを除去して活性化と
平滑化を図るものである。

■　超音波振動 この超音波振動は、第１図（Ｂ）（ｂ）に示すように、
接合面同志を接触させた状態で被接合材１．１にそれぞ
れ超音波振動子４を取付け、被接合材１．１を軸方向に
振動させながら接合面の活性化と平滑化を図るものであ
る。

■　表面摩擦 この表面Ｉ：！擦は、第１図（Ｂ）（ｃ）に示すように
、接合面同志を接触させた状態で被接合材１．１をそれ
ぞれチャック５などに取付け、それぞれの被接合材１，
１を中心軸回りで逆方向に回転駆動して接合面を活性化
と平滑化を図るものである。

この場合の表面摩擦は、摩擦圧接等の場合と異なり、接
合面で溶融が生じるような高温状態にする必要はなく、
比較的小さな荷重で摩擦して接合面を活性化できれば良
い。

（３）　第３工程の接合時の圧着力 活性化された状態の被接合材１．１の接合面同志を合わ
せて行なう接合時に必要とされる圧着力は、接合用容器
２内の圧力条件によって異なるが、接合条件中量も高い
圧力である大気圧状態の場合で、圧着力を被接合材１の
降伏点σ、の工〜３＠の範囲にすれば良く、圧力条件を
真空状態にする場合には、圧着力を小さくすることがで
き、その値を被接合材１の降伏点σ、の１／３〜１倍の
範囲にすれば良い。

このような接合時の圧着力は、従来の圧接法の場合に比
べて小さくなっており、被接合材に組成変形を生じるよ
うなことがない。

以上のような第１１程〜第３工程の各接合条件にしたが
って被接合材１．１の接合を行うようにすれば、従来の
拡散接合法の場合のような高温状態にすることなく、し
かも圧接法の場合のような大きな圧着力を加えることな
く、大気圧状態でも固相接合ができる。

したがって、この常温固相接合法を用いることで、材質
の変化を嫌うものや変形を嫌うものを簡単に接合するこ
とができる。

そして、接合対象も線材の端部、線材の重ね合わせ、面
材の端部、面材の重ね会わせなど広範囲の接合ができ、
超電導材などの接合にも応用できる。

次に、具体的な実験結果について説明する。

（実験例１） 直径が４１１１１の銅の棒材の先端部を直径１．４５〜
２゜１５［１１１に細くした被接合材を用い、接合面を
１５００番のエメリー紙で研磨した。

こののち、純粋なアルゴンを充填した大気圧状態の接合
用容器内に入れ、高周波放電による活性化法を行い、接
合面を５ｆｆｉｉｎ間アプセヅトした。

そして、表面活性化時間と接合時の圧着力をパラメータ
として実験を行った。

その結果、第２図に示すように、口記号で示す条件の場
合に接合していることが確認された。

なお、Ｏ記号の場合には接合せず、Δ記号の場合には弱
い接合であった。

また、※記号の場合は接合用容器を用いず空気中で表面
活性化を行った後、アブセラ！−したものであり、接合
されなかった。

（実験例２） 直径が３．２Ｉｎのアルミニウムの棒材の先端部を直径
１．４５〜１．８＜１１１１１１に細くした被接合材を
用い、接合面を１５００番のエメリー紙で研磨した。

こののち、純粋なアルゴンを充填した大気圧状態の接合
用容器内に入れ、高周波放電による活性化法を行い、接
合面を５ｎｉｎ間アプセットした。

そして、同様に表面活性化時間と接合時の圧着力をパラ
メータとして実験を行った。

その結果、第３図に示すように、口記号で示す条件の場
合に接合していることが確認された。

なお、Ｏ記号の場合には接合せず、Δ記号の場合には弱
い接合であった。

また、※記号の場合は接合用容器を用いず空気中で表面
活性化を行った後、アプセットしたものであり、接合さ
れなかった。

［発明の効果］ 以上、一実施例とともに具体的に説明したようにこの発
明の常温固相接合法によれば、温度条件を常温から２５
０℃の範囲とし、圧力条件を真空状態を含む大気圧以下
の範囲とし、周囲を不活性ガスらしくは１０Ｄｆ）１１
以下の酸素を含む不活性ガス雰囲気に保持した後、被接
合材の接合面を物理的な活性化法で活性化し、次いで被
接合材の接合面を合わせて被接合材が変形しない大きさ
の圧着力を加えて接合するようにしたので、被接合材を
拡散接合の場合のような高温状態にすることなく、しか
も圧接のような大きな圧着力を必要とせずに固相接合を
行うことができる。

特に、接合時の温度条件を常温とし、圧力条件を大気圧
とした場合にあっても、周囲をアルゴンなどの不活性ガ
スもしくは１ｏｐｐｎ以下の酸素を含む不活性ガス雰囲
気に保持して接合面を活性化したときには、圧着力を被
接合材の降伏点の１〜３倍の範囲とすることによって接
合でき、従来では考えられないような温度及び圧力条件
での常温、大気圧下での固相接合が出来ることとなった
。

したがって、大掛かりの設備を使用せず、しかも金属、
非金属、超電導材料などを変質させたり、変形させるこ
となく接合することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の常温固相接合法の一実施例にかかる
概略工程図、第２図及び第３図はそれぞれこの発明の常
温固相接合法による実験結果の説明図である。 １：被接合材、２：接合用容器、３：高周波電源、４：
超音波振動子、５：チャック。 π１オ（Ｋ９／□が）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被接合材を固相状態のまま接合するに際し、温度
   条件を常温から２５０℃の範囲とし、圧力条件を真空状
   態を含む大気圧以下とし、周囲を不活性ガスもしくは１
   ０ｐｐｍ以下の酸素を含む不活性ガス雰囲気に保持した
   後、被接合材の接合面を物理的な活性化法で活性化し、
   次いで被接合材の接合面を合わせて被接合材が変形しな
   い圧着力を加えて接合するようにしたことを特徴とする
   常温固相接合法。
2. （２）前記温度条件を常温とし、圧力条件を大気圧とし
   たとき、前記圧着力を被接合材の降伏点の１〜３倍の範
   囲としたことを特徴とする請求項１記載の常温固相接合
   法。