JPH0852577A

JPH0852577A - 固相接合方法

Info

Publication number: JPH0852577A
Application number: JP21935294A
Authority: JP
Inventors: Takanori Kuroki; 隆憲黒木; Yasushi Umemoto; 靖梅本; Yuji Yanagida; 裕二柳田; Kazuhiro Okubo; 一宏大久保; Shigetomo Matsui; 繁朋松井; Takeshi Yamada; 猛山田
Original assignee: Kuroki Kogyosho Co Ltd; Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kuroki Kogyosho Co Ltd; Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1996-02-27
Anticipated expiration: 2011-10-16
Also published as: JP2545048B2

Abstract

(57)【要約】【目的】トランジション・ジョイント等の複合部材
を、経済的でかつ合金の種類に制限を受けることなく、
良好な強度でもって接合する。【構成】第１金属１の接合面端部のエッジ５でもって
第２金属２の酸化膜等の汚染層を含む表面層を切削除去
することにより新生面を生成させ、第１金属１の接合面
と第２金属２の新生面を圧接する場合において、第２金
属２を第１金属１より高い温度とすることにより、第２
金属２を軟化せしめて被切削を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は固相接合方法に関する
もので、構造用異材継手（トランジション・ジョイン
ト）及び極低温装置や高真空装置等に用いられる配管用
トランジション・ジョイント等を製造するのに適した固
相接合方法に係る。

【０００２】

【従来の技術】トランジション・ジョイントの中でも、
特にアルミニウム（純アルミニウム及びアルミニウム合
金を含む）とステンレス鋼又は銅を接合した複合部材
は、典型的な従来接合法である溶融接合法では製造する
ことが不可能であるため、拡散接合法を適用することが
考えられるが、アルミニウムは表面が酸化されやすく、
かつその酸化物は非常に安定で除去されにくいため、信
頼性を有する接合部を形成することを困難としている。

【０００３】したがってアルミニウムとステンレス鋼を
拡散接合しようとする場合は、この酸化膜を破壊するた
め、拡散接合温度をアルミニウムの融点直下まで上昇さ
せる方法が考えられる。ところがアルミニウムとステン
レス鋼の異材接合において、接合温度を上記のように融
点直下まで上昇させた場合には、脆い鉄−アルミニウム
系の金属間化合物が形成され、充分な信頼性を有する接
合部を形成することが不可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような理由か
ら、トランジション・ジョイントは、拡散接合によれば
形状及び寸法的な自由度が高いにも拘らず、主として爆
発圧接や摩擦圧接によって製造されており、その結果、
材質、形状等に制限を受けたり、高価なものとなってい
るのが現状である。つまり爆発圧接及び摩擦圧接におい
ては、接合できるアルミニウム合金等の種類に制約があ
り、合金成分を含まない純アルミニウム又は限られた種
類のアルミニウム合金にしか適用できず、自由な材質の
組合わせが選択できないという欠点がある。また圧接で
きる接合部材の形状及び寸法に制限があるため、所望の
形状及び寸法を有するトランジション・ジョイントを得
ることができず、製造上の制限も生じてくる。

【０００５】この発明は上記従来の欠点を解決するため
になされたものであって、その目的は、ステンレス鋼等
の第１金属と純アルミニウムやアルミニウム合金等の第
２金属とを接合するに際し、良好な接合強度が得られ、
しかも経済的でかつ合金の種類に制限を受けることな
く、そのためトランジション・ジョイント等の複合部材
を製造するのに適した固相接合方法を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】そこで請求項１
の固相接合方法は、第１金属の接合面端部のエッジでも
って第２金属の酸化膜等の汚染層を含む表面層を切削除
去することにより新生面を生成させ、第１金属の接合面
と第２金属の新生面を圧接する場合において、第１金属
と第２金属との間に温度差を設けて接合することを特徴
とするものである。つまり第２金属を第１金属より高い
温度とすることにより、施工時において第２金属を軟化
せしめて被切削を容易にする。またこの方法は、常温時
においては、エッジによる切削除去ができないため不可
能であった金属の組合わせ接合を可能とすることを特徴
とするものである。

【０００７】第１金属と第２金属との間の温度差の設定
は、以下の通り選択することが可能である。つまり第２
金属を第１金属より高い温度とすると、軟質金属はさら
に軟質化するため、第１金属のエッジによるさらに軟質
化した第２金属表面層の切削除去は、常温時の場合より
も容易に行うことができ、良好な接合性を得ることが可
能となる。また第２金属を第１金属より高い温度とする
と、常温時において第２金属が第１金属より硬い場合で
も、第１金属のエッジによる第２金属表面層の切削除去
が可能となり、常温時には不可能であった組合わせにお
ける接合が可能となる。例えば無酸素銅（Ｃ１０２０）
とアルミニウム合金（Ａ５０８３）の組合わせの場合の
ように、常温時においてはアルミニウム合金（Ａ５０８
３）の方が無酸素銅（Ｃ１０２０）より硬いが、アルミ
ニウム合金（Ａ５０８３）を無酸素銅（Ｃ１０２０）よ
り高い温度とすることによって、アルミニウム合金（Ａ
５０８３）を無酸素銅（Ｃ１０２０）より軟質化させて
接合することも可能である。

【０００８】以上では第１金属と第２金属が異なる異材
接合について述べたが、この発明は第１金属と第２金属
が同じである同材接合の場合にも適用が可能であること
は明白である。

【０００９】また請求項２のように、上記第２金属の温
度を、少なくとも第２金属の構成原子が拡散可能な温度
以上とすれば、切削後に徐冷することで良好な結果を得
ることができ、一度の加熱のみでよく、施工も簡便で経
済的である。上記よりも低い温度においては、第１金属
の接合面と第２金属新生面の圧接面にミクロな欠陥等が
発生して、充分な接合強度をもった接合部が得られない
ことがあり、さらに拡散熱処理が必要である。もちろん
当該金属の構成原子が拡散可能な温度は、融点よりはる
かに低い温度であり、一般にほぼ当該金属融点の１／２
程度の温度となる。

【００１０】ただし接合時における高すぎる温度の設定
は、接合面における金属間化合物の生成による接合強度
劣化や表面酸化及び材質劣化にもつながり、施工上から
も効率的ではない。

【００１１】上記のように接合すべき金属の間に温度差
を設けて接合することにより、トランジション・ジョイ
ントとして充分な性能をもった良好な接合部が得られ、
かつ純アルミニウムだけではなく強度の高いアルミニウ
ム合金にも適用でき、合金の種類や形状及び寸法に制限
を受けることが少ない。

【００１２】請求項３の固相接合方法のように、上記の
接合においてエッジを形成する第１金属の一部もしくは
全体を硬化させて接合に供することで、第１金属のエッ
ジによる第２金属表面層の切削が容易となり、不可能で
あった組合わせにおける接合が可能となる。つまり従来
より知られた硬化法である焼入れ、皮膜コーティング、
浸炭法、窒化法、及びひずみ硬化法等により、第１金属
の一部もしくは全体を硬化させる。第１金属の硬化法は
当該金属に合わせて自由に選択でき、切削除去に関係す
るエッジ付近の表面のみを部分硬化してもよいが、接合
に悪影響を及ぼさない範囲で全体を硬化させてもかまわ
ない。

【００１３】さらに請求項４の固相接合方法のように、
上記の接合において第１金属のエッジのみを第２金属よ
り硬い異種材料で置換することで、第１金属のエッジに
よる第２金属表面層の切削が可能となり、不可能であっ
た組合わせにおける接合が可能となる。つまりエッジの
みを本体より硬い異種材料に置換することでエッジの変
形を防止し、第２金属表面層の切削除去を効果的に行う
ことができ、不可能であった組合わせにおける接合が可
能となるのである。そして異種材料の置換方法について
は、従来より知られた接合方法である融接、ろう付け、
接着、機械的接合法等が考えられ、硬質の異種材料とし
ては、金属には制限されず、非金属の硬化材料であるセ
ラミック等も対象となる。

【００１４】そして施工のままの熱処理状態で使用する
ことも可能であるが、請求項５のように比較的低い温度
で施工を行うことで施工を容易にし、施工後に拡散熱処
理又は安定化熱処理をさらに追加して行うことにより、
接合部の性能を向上させることが可能である。特に比較
的高い拡散温度を必要とするような組合わせの場合にお
いて、施工後に熱処理を行うようにすることで施工温度
を低くすることが可能である。熱処理炉は雰囲気の選定
は必要とせず、安価で生産効率の高い大気炉も使用でき
る。

【００１５】なお本法によれば、施工時において通常
は、真空や還元ガス等の特別な雰囲気は必要とせず、第
２金属は大気中で施工しても加熱によって生じる表面の
酸化膜が第１金属によって除去されるため汚染のない新
生面が生成し、第１金属は大気によって汚染されること
のない常温又は比較的低温状態で施工されるため、充分
な性能をもった接合部を得ることができ、施工上も非常
に経済的である。

【００１６】

【実施例】次にこの発明の固相接合方法の具体的な実施
例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１７】まず表１に第２金属として用いた純アルミ
ニウム及びアルミニウム合金の代表的な組成を示すが、
非熱処理合金として純アルミニウム（Ａ１０５０）、及
びマグシウムを含有するアルミニウム合金（Ａ５０５
２、Ａ５０８３）を、熱処理合金としてＡ６０６１を用
いた。熱処理状態は熱処理型合金であるＡ６０６１が熱
処理材Ｔ６である以外は、すべて焼鈍材（Ｏ材）であ
る。

【００１８】

【表１】

【００１９】表２は純アルミニウム、アルミニウム合
金、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、及び無酸素銅（Ｃ
１０２０−Ｏ）の常温における硬さ（ビッカース硬さＨ
ｖ、荷重１ｋｇ）を示す。常温においては、アルミニウ
ム合金（Ａ５０５２及びＡ５０８３）は無酸素銅（Ｃ１
０２０）より硬く、ステンレス鋼より軟らかい。

【００２０】

【表２】

【００２１】本法によれば板状の接合部材の製造も可能
であるが、今回の施工試験は主として配管用トランジシ
ョン・ジョイントの製作方法を適用したので、以下それ
に沿って説明する。

【００２２】図１は接合作業前の第１金属１及び第２金
属２の代表的な形状を示す。第２金属２は通常リング状
をしており、切削除去される内面３は円筒状曲面で、金
型と接する外面４は抜き勾配のための傾斜角を含む形状
となっている。そして第１金属１のエッジ５を第２金属
２の上面６に接した状態で端面７に荷重を加えて第２金
属２の内面３の切削、除去を行う。すなわち上記第２金
属２の内周部がエッジ５によって切除され、この部分に
新生面が形成され、この新生面に第１金属１のテーパ状
側面９が接触するのであり、そしてこの際、軸方向押圧
力は第１金属１の側面９と新生面とを密接させる方向に
作用し、これにより第１金属１の側面９と新生面とは酸
素接触の防止された状態となされ、この結果、両面が接
合する。なお第１金属１の側面９は、上記のように接合
後には第２金属２との接合界面となる部分で、適当な傾
斜角を含む形状を有して接合前は清浄に保たれる。

【００２３】図２は第２金属２と第１金属１を施工時に
支える金型１０の配置を示す。金型１０は第２金属２に
対応した傾斜角を含む形状の内面１１を有し、底部には
施工作業後に第２金属２と第１金属１から成る接合部材
を金型から抜き出すための穴１２を有する。第２金属２
と第１金属１は適当な温度差を設けた上で金型１０に配
置されて接合されるが、今回は第２金属２のみを適当な
温度に加熱し、第１金属１は常温のままで加熱すること
なく接合に供した。またこの場合、予め金型１０に第２
金属２を配置した上で加熱を行い、第１金属１との間で
施工作業を行うようにしてもよい。予め金型１０に第２
金属２を配置した上で加熱を行うと、切削後においても
金型１０の残熱によって接合部材は徐冷されて、拡散熱
処理も同時に行われたことになる。

【００２４】図３は施工作業後の第２金属２と第１金属
１から成る接合部材断面と、接合部材から機械加工で製
作する円筒状のトランジション・ジョイント２０を示
す。トランジション・ジョイント２０の軸方向中間部に
は、接合界面２１が第１金属１の傾斜角を含む形状に対
応して存在する。第２金属２の底部には、第１金属１の
エッジ５で内面から切削除去されて排出されたバリ２２
が突出している。

【００２５】図４は第２金属２と第１金属１から成る接
合部材から機械加工で製作された円筒状のトランジショ
ン・ジョイント２０の例を示す。施工例においてはいず
れも機械加工後の寸法は、外径７０ｍｍ、内径６０ｍ
ｍ、長さ１２０ｍｍとした。トランジション・ジョイン
ト２０は外面側の接合界面端２３と内面側の接合界面端
２４を有し、切断した断面にも傾斜角度１０度を有した
接合界面２１が存在する。

【００２６】図５はエッジを形成する第１金属１の表面
を硬化させた例を示す。切削除去を行うエッジ５を含む
一部分８の外表面のみを本体１より硬化させた場合を示
し、トランジション・ジョイントの接合界面となる傾斜
部９は研磨のみで硬化処理を行っていない。

【００２７】図６はエッジを形成する第１金属１の一部
を異種金属３０で置換した例を示す。エッジ５を含む一
部分８を硬質の異種金属３０に置換した例であり、本体
１と異種金属３０の接合位置３１における接合方法とし
ては、熱影響の少ない融接法である電子ビーム溶接を採
用した。またトランジション・ジョイントの接合界面と
なる傾斜部９は研磨のみを行う。

【００２８】ところでトランジション・ジョイント接合
部２１の健全性を評価する手段として、次の３種類の試
験検査を行った。１．内外面の接合界面部における浸透深傷検査２．界面部のＨｅリークレート測定検査３．軸方向に採取した引張試験片による常温引張試験

【００２９】表３にエッジ形成金属である第１金属１と
被切削金属である第２金属２との材料組合わせにおける
トランジション・ジョイント接合部２１の性能を調査し
た３種類の評価試験結果の一覧を示す。

【００３０】

【表３】

【００３１】予備試験の結果、施工後に急冷したものは
接合程度が劣り、徐冷又は炉中にて施工温度又はその近
傍温度で保持後徐冷したものの方が良好な結果が得られ
たため、今回の施工については施工後徐冷とした。

【００３２】表３は各組合わせにおける第２金属２の予
熱温度、浸透深傷試験結果、Ｈｅリーク試験結果、及び
室温引張試験結果等を示す。またエッジ５の置換の有無
はエッジ５を形成する第１金属１、ここでは無酸素銅
（Ｃ１０２０）のエッジ５をより硬いステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ３０４）に置換した場合を示し、予熱は軟質化のた
めに被切削金属である第２金属２のみに行い、エッジ５
を形成する第１金属１は室温のままで加熱することなく
接合に供した。

【００３３】浸透深傷試験結果は内面及び外面の界面部
２１における欠陥指示の有無を示し、欠陥指示があるも
のについては接合不良として他２種類の評価試験は行わ
なかった。

【００３４】浸透深傷試験の結果、欠陥指示がないもの
についてのみＨｅリーク試験を行い、リークレートが２
×１０^−１０ｔｏｒｒ・ｌ／ｓｅｃ未満のものを合格と
した。Ｈｅリーク試験が合格のものは界面部２１の気密
性が良好であり、接合部の健全性を示す指標となる。

【００３５】そしてＨｅリーク試験が合格のものについ
て常温における引張試験を実施し、破断位置と破断時の
公称応力を求めた。今回用いた引張試験片は、断面が６
ｍｍ×１９ｍｍで板状とし、円筒状のトランジション・
ジョイント２０の軸方向が引張方向となるように採取し
たため、接合界面２１は引張軸に対して１０度の傾斜角
を有する。接合部が強度的に母材と同等以上であれば、
破断位置が母材中となり、その場合、母材の引張強さと
ほぼ同等の値を示す。界面部の強度が母材より低い場
合、破断位置は界面部となり、母材の引張強さよりも低
い値となる。

【００３６】表３のＮｏ．１からＮｏ．１０は、エッジ
形成金属である第１金属１としてステンレス鋼（ＳＵＳ
３０４）と、被切削金属である第２金属２として純アル
ミニウム（Ａ１０５０）及びアルミニウム合金（Ａ５０
５２、Ａ５０８３、Ａ６０６１）との組合わせを示す。
第２金属２の予熱温度を適当に選択することにより、第
２金属２であるアルミニウム側（純アルミニウム及びア
ルミニウム合金側）で母材破断しており、母材強度と同
等の引張強さを示す。ただしＮｏ．５及びＮｏ．６に示
すように、本発明で取り上げた被切削金属である第２金
属２の内で最も硬いアルミニウム合金（Ａ５０８３）の
場合、予熱温度が低すぎると界面破断となるが、その場
合でも引張強さは母材強度よりわずかに低いだけであ
る。熱処理型アルミニウム合金（Ａ６０６１）を被切削
金属である第２金属２としたＮｏ．９及びＮｏ．１０の
場合、加熱により母材強度が低下しているが母材破断を
しており、界面部は母材部より強度が高いことを示して
いる。

【００３７】Ｎｏ．１１からＮｏ．１３はエッジ形成金
属である第１金属１として無酸素銅（Ｃ１０２０）と、
被切削金属である第２金属２として純アルミニウム（Ａ
１０５０）を組合わせた場合を示す。エッジ置換の有無
によらず母材破断となっているが、エッジをより硬いス
テンレス鋼（ＳＵＳ３０４）としたＮｏ．１３の場合は
引張強さはわずかに高くなり、より健全な接合部を安定
的に得ることができることを示している。

【００３８】Ｎｏ．１４からＮｏ．２１はエッジ形成金
属である第１金属１の無酸素銅（Ｃ１０２０）に比較し
て、被切削金属である第２金属２のアルミニウム合金
（Ａ５０５２、Ａ５０８３）の硬さが常温では逆転し、
アルミニウム合金を施工温度まで加熱しても安定した切
削が困難であり、切削に大きな加圧力を要するため界面
部が局部変形する組合わせの場合を示す。Ｎｏ．１５と
Ｎｏ．１６を比較すると、両者とも界面破断であるが、
エッジを置換することにより引張強さはわずかに高くな
り、より健全な接合部を安定的に得ることができること
を示している。

【００３９】Ｎｏ．１８からＮｏ．２１は本発明で取り
上げた被切削金属である第２金属２の内で最も硬いアル
ミニウム合金（Ａ５０８３）の場合であるが、エッジを
置換することにより界面破断を示してはいるが、エッジ
を置換しない場合には軟化のため４５０℃まで加熱して
も施工不可能であったものがより低温である４００℃加
熱でも施工可能となり、Ｈｅリーク試験にて合格する界
面部の品質をもったトランジション・ジョイントを製造
することができる。

【００４０】Ｎｏ．２２からＮｏ．２４はステンレス鋼
（ＳＵＳ３０４）をエッジ形成金属である第１金属１、
無酸素銅（Ｃ１０２０）を被切削金属である第２金属２
とした組合わせの場合であるが、Ｈｅリーク試験は合格
し、施工条件を適当に選ぶことにより、界面破断である
が引張強さ１４ｋｇｆ／ｍｍ^２以上の強度をもつトラン
ジション・ジョイントを比較的低温の施工温度において
得ることができる。

【００４１】表４は表３におけるＮｏ．２４について施
工後に熱処理を追加した場合の結果を示す。８００℃×
２Ｈｒの熱処理を行い、上記で述べた方法で室温引張試
験を行った結果、母材破断と界面破断が混合した破面を
呈し、引張強さは熱処理前の施工直後より６ｋｇｆ／ｍ
ｍ^２高くなり、追加の熱処理が強度向上に効果があるこ
とを示している。

【００４２】

【表４】

【００４３】このように被切削金属である第２金属２と
エッジ形成金属である第１金属１との間に温度差を設け
て、被切削金属である第２金属２をエッジ形成金属であ
る第１金属１より高い温度とすることにより、気密性が
高く、充分な強度をもった接合部を有するトランジショ
ン・ジョイントを得ることができる。

【００４４】

【発明の効果】この発明の固相接合方法は上記のように
構成されたものであり、したがってこの発明によれば、
健全な接合部をもつトランジション・ジョイントが得ら
れ、しかも経済的でかつ形状や寸法に制限の少ない固相
接合方法を提供することができる。

【００４５】また拡散層が小さい接合法であるため、ア
ルミニウム（純アルミニウム及びアルミニウム合金）の
ように第２金属と脆い金属間化合物を生成しやすい金属
の接合に好適であるが、通常は各種の拡散接合によって
接合されている例示のステンレス鋼と銅を始めとして広
く各種材質の組合わせに適用可能であり、例示の組合わ
せに留まらない。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１金属及び第２金属の形状の一例を示す部分
断面図である。

【図２】第１金属及び第２金属を施工時に支える金型の
一例を示す部分断面図である。

【図３】第１金属及び第２金属から成る施工作業後の接
合部材断面の一例を示す中央縦断面図である。

【図４】接合部材から機械加工で製作された円筒状のト
ランジション・ジョイントの一例を示す部分断面図であ
る。

【図５】エッジを形成する第１金属の表面を硬化した状
態を示す説明図である。

【図６】エッジを形成する第１金属の一部を異種材料で
置換した状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１第１金属２第２金属５エッジ８エッジを含む部分

フロントページの続き (72)発明者柳田裕二福岡県北九州市小倉南区湯川新町３丁目18 −21 (72)発明者大久保一宏福岡県宗像市日の里２丁目９−２ (72)発明者松井繁朋兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者山田猛兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１金属と第２金属とを固相状態で接合
する固相接合方法において、第１金属の接合面端部のエ
ッジでもって第２金属の表面層を切削除去することによ
り新生面を生成させ、第１金属の接合面と第２金属の新
生面を圧接する場合において、第１金属と第２金属との
間に温度差を設けて、第２金属を第１金属より高い温度
とすることにより施工時において第２金属を軟化せしめ
ることを特徴とする固相接合方法。
【請求項２】上記接合時における第２金属の温度は、
少なくとも第２金属の構成原子が拡散可能な温度以上と
することを特徴とする請求項１の固相接合方法。
【請求項３】上記第１金属のエッジを含む一部分もし
くはその全体を硬化することを特徴とする請求項１又は
請求項２の固相接合方法。
【請求項４】上記第１金属のエッジを含む一部分を異
種材料で置換することを特徴とする請求項１又は請求項
２の固相接合方法。
【請求項５】さらに拡散熱処理又は安定化熱処理を追
加して行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいず
れかの固相接合方法。