JPS58187285A - 金属部品の溶接方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明はイオン注入を用いて溶接する方法に関するもの
であり、とくに、接合すべき表面の化学組成と形態を変
えることにより非類似金属を溶接する方法に関するもの
である。

［従来技術〕 一方の表面から他方の表面へ望ましくない元素が拡散す
ることを阻止する障壁として作用する中間の適合１−を
用いて非類似金属を接合するという着想が１９６０年代
の後半、すなわち、１９６８年１月にパンチル記念研究
所、防御金属情報センター、ＤＭＩＣレポート（Ｂａｔ
ｔｅｌｌ＠Ｍｅｍｏｒｉａｌ　　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ。

Ｄ＠ｆｅｎｓｓ　Ｍｅｔａｌｓ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏ
ｎ　Ｃｅｎｔｅｒ、ＤＭＩＣＲ＠ｐｏｒｔ）＃５−１６
所載のパンティー（Ｈ，Ｅ、Ｐａｔｔ＠ｓ　）、エバン
ス（Ｒ，Ｍ、Ｅｖａｎｓ　）、モンロ（Ｒ，Ｅ、Ｍｏｎ
ｒｏｓ　）の［非類似金属の接合（Ｔｈ＠Ｊｏｌｎｉｎ
ｇ　ｏｆ　ＤｌｍｓｉｍｉｌａｒＭｅｔａｌｓ）Ｊと題
する論文に分光された。この最初の着想は特定の用途に
使用するために彼になって改良および洗練され、共晶溶
接（ｅｕｔｅｅｔｉｃｗｓｌｄｉｎｇ）および拡散ろう
づけ（ｄｌｆｆｕｓｉｏｎＢｒａｇｉｎｇ）というよう
な種々の名称が与えられている。それらの技術について
は、１９７４年１０月１９．２０日にアメリカ合衆国ミ
シガン州デトロイト市で開催された［材料処理における
新しい傾向、ＳＡＭ材料科学シンボジワムｌ　（Ｎｅｗ
　Ｔｒｅｎｄ　ｉｎＭａｔｅｒｉａｌｓ　Ｐｒｏｃｅｓ
ｓｉｎｇ　ＳＡＭ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｓｙｍｐｏｓｉｍ）　Ｊにおけるオスチャルスキー（Ｗ
、　Ａ　。

０ｓｃｚａｒｓｋｉ　）およびデュバｋ　（Ｄ、Ｓ、Ｄ
ｕｖａｌｌ　）の論文［進歩した拡散溶接法（Ａｄｖａ
ｎｃｅｄ　ＤｉｆｆｕｓｉｏｎＷｅｌｄｉｎｇ　Ｐｒｏ
ｃｅｓｓ）　Ｊ　、およびブリソティンシュ溶接ジャー
ナル（Ｂｒｉｔｉｓｈ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａ
ｌ）　。

第５４巻、第７号（１９７５年）所載のパードル（Ｐ。

Ｍ、Ｂａｒｔｌｅ）の論文［拡散結合：将来の展望（Ｄ
ｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｂｏｎｄｉｎｇ：Ａ　Ｌｏｏｋ　ａ
ｔ　ｔｈｅ　Ｆｕｔｕｒｅ）Ｊ等を参照されたい。これ
らの方法においては、中間層は、米国特許第４０１１９
８２号に開示されているように、箔状、めっき層または
真空蒸着層であった。

また、これらの方法では接合の拡散効果は十分には制御
されず、接合作業中に液体が生ずるためにもろい中間層
がしばしば形成され、接合部の展性が低下する結果とな
っている。また、液体が生ずるために、接合される物の
消費量を制御で自なくなる結果として、寸法の安定度が
制御で性なくなる。

形成された接合部の強度に対する中間層の厚さおよび性
質の影響についての検討が行われたが、それによると特
別な場合には、接合部の強度は厚さが１００ミクロン以
上の中間層厚さの逆関数であることが判明している。こ
れについては雑誌１溶接法の進歩＋Ａｄｖａｎｃｅｓ　
ｉｎ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ’）ｊ第１
巻、１９７８年５月号所載のパードル（Ａ、Ｍ。

Ｂａｒｔｌｅ）の論文［接合温度を低下させることにつ
いてのいくつかの示唆（Ｔｈｅ　Ｉｍｐｌｉｅａｔｊｏ
ｎｍ　ｏｆＲｅｄｕｃｉｎｇ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　Ｔｅｍ
ｐｅｒａｔｕｒｅ）Ｊ、雑誌１ウエルデイング・プロダ
クション（Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ月第
９巻、第９号、１９６２年、所載のシュロン（Ｒ。

Ｚ、５ｂｒｏｎ’）　の論文［軟かい中間層を内部に含
む溶接された接合部の強度を測定する問題（Ｔｈｅ　Ｐ
ｒｏｂｌｅｍｏｆ　Ｇａｕｇｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓｔｒｅ
ｎｇｔｈ　ｏｆ　Ｗｅｌｄｅｄ　Ｊｏｉｎｔｓ　ｉｎｗ
ｈｉｃｈ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａ　５ｏｆｔ　Ｉｎｔ＠
ｒｌａｙｓｒ）ｊ等を参照されたい。

〔発明の概要〕

この明細書においては、以上述べたような先行技術の諸
問題を解消し、異種金属の間で優れた溶接を行えるよう
にする、溶接すべき部品の表面の化学的な性質を変化さ
せる方法を開示するものである。

本発明は異種金属を接合するだめの方法に関し、溶接す
べき表面に所定の元素のイオンを注入することによりそ
れらの表面の化学組成と構造を変える着想に基いている
。イオン注入された表面は、その表面または表面近くに
おける欠陥の密度を高くし、表面における原子および表
面近くの原子の化学結合を低下させることにより異種金
属の拡散係数を加速し、その後に行われる優れた接合過
程を促進することになる。次に、イオン注入された表面
は真空中で冷間圧延することにより接合でき、または標
準的な接合技術を用いて不活性雰囲気中または真空雰囲
気中において拡散結合させることができる。

本発明の方法によれば、従来技術の方法により得られた
接合部よりも一様で、はるかに強い接合部が得られ、更
に、より低い圧力と、より低い温度で異種金属の表面を
接合できるから、接合された部品の変形が最少限に抑え
られ、寸法の安定度が高くなる。、 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

〔実施例〕

まず、第１図の流れ図を参照する。冷間溶接と拡散結合
のうちの少くとも一方に適用できる従来の清浄技術を用
いて、接合すべき異種金属製の部品を清浄にする（ブロ
ック１０）ｕ次に、少くとも一方の表面にイオンを注入
して、表面の原子および表面近くの原子の化学結合を弱
める（ブロック１２　）ｕそれから、イオン注入された
表面を冷間溶接または拡散結合により接合させる（ブロ
ック１４）。ブロック１４に示す工程は通常の方法を用
いて真空雰囲気中または不活性８曲気中で行うようにす
る。

効果的な接合を行うためには、注入されるイオンの密度
は１平方センチメートル当り１０１′〜１０１９個の範
囲でなければならない１．なるべくなら、イオン源は、
ビームエネルギーか１ｔＪＯＫＶ以上で、イオン電流密
度が１平方センチメートル当り１ミリアンペア（１ｍａ
／ｅｍ”　）以上のイオンビームを発生するものがよい
。イオン注入技術において知られているように、イオン
ビームの入射角度と、ビームの寸法と形および部品の回
転は、接合すベペ領域における注入層の厚さが１００オ
ングストローム以上になるように調整する。。

次に、第２図を参照して本発明の詳細な説明する。この
図には真空室２０が乃くされている。この真空室２０は
真空ポンプ２２により　１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以下の圧力ま
で排気され、′その内部には、互いに逆向きに回転する
ローラー３０．３２により示されているローラー機構２
８へ互いに異なる金属の板２４．２６を送る送り機構（
図示せず）が設けられる。予め選択されているイオンを
板２４の表面３８に注入するために、高エネルギーのイ
オン源３６をローラー機構２８の上流側に配置する。

第２図に示す装置は次のように動作する３、予め清浄に
しである異種金属の板２４．２６を送り機構の中に重含
、真空室２０をＩＯ−’　Ｔｏｒｒ以下の圧力まで排気
する３、真空室２０の内部の圧力が希望の圧力に達する
と、送り機構が作動させられて金属板２４．２６をロー
ラー機構２８へ向って同時に送る。ローラー機構２８の
上流側に配置されているイオン源３６の所を金属板２４
が通る時に、高エネルギーのイオンがその金属板２４の
表面３８の中に１００オングストロームまたはそれ以上
の深さに注入される。注入されたイオンはその表面また
は表面近くにある原子の間の化学結合を切り離し、その
表面に高密度の欠陥を生じさせる。表面の原子の化学結
合の破壊と表面３８への欠陥の導入とにより金属板２４
の表面３８への金属板２６の物質の拡散が加速される。

それから、ローラー機構２８において金属板２４のイオ
ン注入された表面３８が金属板２６に結合される１、金
属板２４と２６がローラー機構２８の中を通る間に、ロ
ーラー３０．３２により加えられる圧縮力によって金属
板２４．２６の向き合う表面が密着させられ、そのため
に両者の境界面において原子結合が行われ、金属板２６
の物質が金属板２４のイオン注入された表面３８の中に
拡散することを助ける。この拡散により、金属板２４゜
２６を溶接された板に結合させる冷間溶接が行われる。

金属板２６の物質の金属板２４への拡散はイオン注入法
により加速されるから、冷間溶接を行うためにローラー
機構２２により加えられる力は大幅に小さくされる。金
属板２４．２６の温度を更に高くすると、溶接に必要な
力が更に小さくなるからローラー機構をより速く動作さ
せることができ、そのためにこの装置の生産性が向上す
ることになる１、ある種の物質の場合には金属板２６の
表面にイオンを注入する必要があることも認められてい
る。そのような場合には、イオン源３６に類似する第２
のイオン源をローラー機構２８の上流側に配置して金属
板２６の表面にイオンを注入することもできる。。

小さい部品を冷間溶接するだめの別の装置を第３図に示
す。この図には真空室４２と、その内部に配置されてい
る真空ポンプ４４が示されているい不活性ガス源４６が
弁４８を介して真空室４４に連結される。異種金属から
作られた結合すべき金楓板５０．５２が、それぞれのイ
オン源５４．５６に近接して配置されている送り機構（
図示せず）により支持される４、イオン源５４は部品５
０ノ１つの表面領域５８にイオンを注入する。また、イ
オン源５６は部品５２０１つの表面領域６０にイオンを
注入する１Ｊこの装ｆ１ｔは、ローラー６４．６６を備
えるローラー機構６２のような、圧縮力を加える機構を
更に含んでいる。

次に、この装置の動作を説明する。清浄にされた部品５
０．５２がイオン源５４．５６に向き合わせられてそれ
ぞれの送り機構内に置かれるＬｌそれから真空室４２が
ＩＦ’　Ｔｏｒｒ以下の圧力まで排気される。１次に、
イオン源５４を動作させて部品５０にイオンを注入され
た表面５８を形成し、イオン源５６を動作させて部品５
２にイオンを注入された表面６０を形成する。この技術
分野で知られているように、イオンを注入された所定の
領域５８．６０を定めるために、イオン源に関連してシ
ャドウマスク法またはその他の方法を用いることができ
る。特別な場合には、同じイオンが両方の部品における
表面の原子の化学結合を弱めることができることが認め
られている。それらの特別な場合には、両方の部品にイ
オンを同時に、または１に次注入するためにただ１つの
イオン源を用いることができる。

イオンが注入された後で、部品５０．５２のイオンを注
入された表面５８．６０’を向き合わせて、破線６８．
７０で示されているように、部品５ｏ。

５２がローラー機構６２へ送られる。それからローラー
機構６２を動作させて部品５０．５２を冷間溶接する。

との冷間溶接は、第２図を８照して説明したように真空
雰囲気中で行うこともできれば、真空ポンプの動作を停
止させ、不活性ガスを弁４８を通じて真空室４２の内部
に充して、冷間溶接を不活性雰囲気中で行わせることも
できる。

冷間溶接を行った後で、結合されている部品５０．５２
を拡散焼きなましを行い、前工程（イオン注入）中に生
じた歪を逃し、注入されたイオンを拡散させて、一層強
力で、熱的に安定している接合を生じさせることができ
る。低温焼きなましの後でも、接合された境界面が厚さ
方向に原子数個分に相当する距離だけ延び、それにより
部品の性質を保持することが大きく助けられることに注
意されたい。

冷間溶接の代りに、イオンを注入された表面を第４図に
示されている装置を用いて拡散結合することもできる。

第４図には真空室Ｔ２と真空ポンプＴ４を含む典型的な
拡散結合装置が示されている５、その真空室７２の内部
には部品５２を支持するための下側支持部材７６と、部
品５０全部品５２に対して希望の位置に支持するための
上側支持部材Ｔ８とが設けられる。上側支持部材Ｔ８に
力を加えて部品５０のイオンを注入された表面５８を部
品５２の対応する表面に密着させるための機構（図示せ
ず）も設けられる。部品５２の対応する表面は、第３図
を参照して説明したイオン注入した表面、または清浄な
表面とすることができる１゜第４図に示す装置は、部品
５０．５２を低い方の融点を有する部品の融点以下の所
定の温度まで加熱するための装置も含んでいる１、この
加熱は、１個またはそれ以上のコイル８０と高周波エネ
ルギー源８２とを備える誘導加熱装置により行うことが
できる。あるい祉、電気加熱素子からの輻射エネルギー
により部品５０．５２を加熱できる。その加熱は真空雰
囲気中または不活性雰囲気中で行うことができる。

次に、第４図に示す装置の動作を説明する。異種金属で
作られている部品５Ｇと５２の一方または両方は、第３
図を参照して説明したように、イオン注入した結合すべ
き表面を有する。それらの部品を第４図に示す拡散装置
内部に置き、それから真空室７２を排気して上側支持部
材７６と下側支持部材１８に力を加え、接合すべき２つ
の表面を押して互いに密着させる。それから誘導加熱装
置（８０，８２）を動作させて所定温度までそれらの部
品を加熱し、イオン注入した表面を希望どおりに拡散で
きるように決定された時間だけその温度を保つ。その後
で、真空室Ｔ２の中に不活性ガスを充し、部品をとり出
す４゜ この技術分野で知られているように、加熱工程の前に真
空室７２を不活性ガスで充してもよい。。

イオン注入により溶接が容易となる異種金属の例を以下
に示す。

（接合すべき金属、／合金）　（注入イオン）チタン合
金と鋼　　　　　　　モリブデン（Ｍｏ）（ステンレス
鋼を含む）　　銀（Ａｇ、１ニオブ　（Ｎｂ） アルミニワム合金と鋼　　　チタン（ＴイオンＩ（ステ
ンレス鋼ヲ含ム）　　　　　ニンケル（Ｎイオンラ上配
の例は全ての例を示すものではなく、接合すべき表面に
イオンを注入することにより、溶接が困雛な異種金属と
異種合金の溶接を容易に行うことができ、上に掲げたも
の以外の金属または合金も将来はより良い結果を生ずる
ことを示すことができるであろう。

本発明の基本は、表面と表面近くとに存在する原子の化
学結合を弱め、かつ接合すべき領域内での拡散を加速す
るためにイオン注入を用いることであり、接合すべき２
つの部品の溶接を冷間浴接拡散溶接またはその他公知の
浴接法で行うことは他の発明を構成するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法の流れ図、第２図は本発明の
方法を用いた第１の装置の略図、第３図は本発明の方法
を用いた第２の装置の略図、第４図は本発明の方法を用
いた第３の装置の略図である。 ２０．４２．７２・・・・真空室、２２，４４．７４　
　・・・・真空ポンプ、３０．３２，６２．６４　・・
　　ローラー、３６．５４．５６　　・・・・イオン源
、４６・・・・不活性ガス源、８０　　・・コイル、８
２・・・　高周波エネルギー源６゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）接合すべき金属部品の表面を清浄にする工程と、
   少くとも一方の部品の溶接すぺ含表面にイオンを注入し
   てその表面および表面近くにおける原子の化学結合と原
   子結合を弱める工程と、前記少くとも一方の部品のイオ
   ン注入し表面を他の部品の清浄な表面に浴接する工程と
   、から成ることを′＃徴とする金属部品の溶接方法。 （２、特許請求の範囲第１項記載の方法であって、前記
   イオン注入工程は、他方の部品の溶接すべき表面にイオ
   ンを注入してその表面および表面近くの化学結合と表面
   および表面近くの原子の原子結合を弱くする工程を更に
   含むことを特徴とする方法。 （３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法で
   あって、前記イオン注入工程は１００オングストローム
   より深くまで前記イオンを注入することを特徴とする方
   法。 （４）％許請求の範囲第１項記載の方法であって、前記
   溶接工程は、前記少くとも一方の部品のイオンを注入さ
   れた表面を前記他方の部品の清浄な表面の近くに置く工
   程と、前記少くとも一方の部品のイオンを注入された表
   面を前記他の部品の清浄な表面に密着させるように押す
   外力を加えて前記少くとも一方の部品の材料を前記他の
   部品の材料と拡散させる工程と、を備えることを特徴と
   する方法。 （５）特許請求の範囲＠４項記載の方法であって、外力
   を加える前記工程は、前記外力を加えるローラー機構の
   中に前記部品を通す工程を備えることを特徴とする方法
   。 （６）特許請求の範囲第４項記載の方法であって、前記
   金属部品は異なる金属から作られることを特徴とする方
   法。 （力特許請求の範囲第１項または第４項記載の方法であ
   って、前記溶接工程は真空雰囲気中で行なうことを特徴
   とする方法。 （８）特許請求の範囲第１項または第４項記載の方法で
   あって、前記溶接工程は不活性ガス雰囲気中で行うこと
   を特徴とする方法。 （９）特許請求の範囲第４項記載の方法であって、部品
   は異なる融点を有する異なる材料で作り、前記溶接工程
   は前記部品の表面を密着させた状態で、低い融点を有す
   る部品の融解温度以下の所定温度まで前記部品を加熱し
   て、前記少くとも一方の部品の材料の前記他の部品の材
   料への拡散速度を高くする工程を更に含むことを特徴と
   する方法１゜（１０）特許請求の範囲第９項記載の方法
   であって、前記加熱工程は誘導加熱する工程を含むこと
   を特徴とする方法。 （１１）特許請求の範囲第９項記載の方法であって、前
   記加熱工程は放射加熱する工程を含むことを特徴とする
   方法。 （１２、特許請求の範囲第４項記載の方法であって、前
   記加熱工程は真空雰囲気中で行うことを特徴とする方法
   。 （１３）特許請求の範囲第４項記載の方法であって、前
   記加熱工程は不活性雰囲気中で行うことを特徴とする方
   法。 （１４）異なる金属で作られている２つの部品のうちの
   一方の部品の他の部品に溶接すべき表面に所定のイオン
   を注入する工程と、イオンを注入された前記表面を前記
   他の部品の表面に密着させて置く工程と、２つの部品の
   境界面にまたがって原子結合を行わせ、かつ第１の部品
   の金属を第２の部品の異なる金属に拡散させて冷間溶接
   を行わせるのに十分な力を２つの部品の接触領域に加え
   る工程とから成ることを特徴とする異なる金属から作ら
   れている２つの部品を互いに浴接する方法。 （１５）特許請求の範囲第１４項記載の方法であって、
   力を加える前記工程はローラー機構の中に前記部品を通
   して前記冷間溶接を行わせる工程を含むことを％徴とす
   る方法。 （１６）特許請求の範囲第１４ｇ４記載の方法であって
   、イオンを注入する工程は第１の部品に溶接すべき他の
   部品の表面にイオンを注入する工程を含むことを特徴と
   する方法。 （１７）特許請求の範囲＠１４項または第１６項記載の
   方法であって、力を加える前記工程は真空雰囲気中で行
   うことを特徴とする方法。 （１８）特許請求の範囲第１４項または第１６項記載の
   方法であって、力を加える前記工程は不活性雰囲気中で
   行うことを特徴とする方法。 （１９）特許請求の範囲第１４項または第１６項記載の
   方法であって、前記イオン注入工程ｆｉ　１００オング
   ストロームより深くまで前記イオンを注入することを特
   徴とする方法。 （加）異なる金属で作られている２つの部品のうちの一
   方の部品の他の部品に溶接すべき表面に所定のイオンを
   注入する工程と、イオンを注入された前記表面を前記他
   の部品の表面に密着感せて置く工程と、前記密着面にま
   たがって力を加え、それらの表面を密着した状態に保持
   する工程と、低い融点を有する金属から作られた部品の
   融解温度以下の所定温度まで前記部品を加熱して第１の
   部品の金属のｍ２の部品の異なる金属への拡散を容易に
   して拡散結合を行わせる工程とから成ることを特徴とす
   る異なる融点を有する異なる金１１４１１１！の２つの
   部品を互いに溶接する方法。 （２、特許請求の範囲第２０項記載の方法であって、前
   記加熱工程は誘導加熱する工程を含むことを特徴とする
   方法。 （２、特許請求の範囲第２０項記載の方法であって、前
   記加熱工程は輻射加熱する二［程を含むことを特徴とす
   る方法。 （２３）　％許請求の範囲第２０項記載の方法であって
   、前記加熱工程は真空雰囲気中で行うことを特徴とする
   方法。 （２４）　！許請求の範囲第２０項記載の方法であって
   、前記加熱工程は不活性雰囲気中で行うことを特徴とす
   る方法。 （２、特許請求の範囲第２１項または第２２項記載の方
   法であって、所定のイオンを注入する前記工程は前記第
   １の部品に溶接すべき前記他の部品の表面に所定のイオ
   ンを注入する工程を更に含むことを特徴とする方法。