JPS5897485A - 金属の接合方法 - 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】 本発明は金属の接合方法に係り、特に融接困難な耐熱合
金や異種材料の薄板又はパイプ等をそれぞれ張シ合せ沿
接又は突合せ溶接するのに好適な金属の接合方法に関す
る。

従来、融接困ｇな部祠の接合方法の代表例として、ろう
付法と溶融拡散接合法がある。両者の基本的な接合装置
は同じであって２部材の接合を真空中と不活性ガス中で
行う２通電の方法がある。

第１図は真空中の接合装置である。

ろう付法の接合＋順は、第１図において真空チャンバ１
内の固定治具２及び加圧治具３に取シ付けられた接合部
材４の接合界面に低融点のろう材からなるインサート材
５を箔やメッキの形で挿入し、真空ポンプ６で真空チャ
ンバ１内を排気した後、低加圧下で高周波誘導コイル７
により加熱し。

ろう材のみを溶融させて接合する。なお図中８゜９．１
０及び１１はそれぞれ熱電灯、高周波電源、電流制＠１
回路及び加圧軸を示している。この時の接合メカニズム
は第２図（Ａ、）に示すようにろう材１２が溶融した状
態（２）の時母材（接合部材）１３表面はろう材１２と
反応してわずかに溶解して溶融層１４を形成する。同時
にろう材元素は母材甲に拡散して拡散層１５を形成し接
合が進行する（３）。し力・し、ろう材組成が母材組成
と太きく異なること及び、高い刀口圧力がかけられずろ
う材溶融層を薄くできないこと等のために、数時間程度
の接合時間では接合部を母材と同質にすることができな
い。従って接合層１６は機械的及び物理的性質において
母材より劣り、ろう句法の欠点となっている。

次に溶融拡散接合法は米国特許第３６７８５７０によっ
て提案された方法であり、その接合手順は、第１図にお
いてインサート材を母材組成へ拡散性の融点低下元素を
添加した合金としだ点以外はろう付法の手順と同じであ
る。その接合メカニズムは第２図（Ｂｌに示す通り、イ
ンサートした合金粉末１７が溶融しだ状Ｍ（２）の時１
インサート材の中の融点低下元素が母材（接合部材）１
３中へ拡散して拡散層１５を形成し接合が進行する。

接合中に溶融層は等温凝固するが、最終的には接合部が
母材と同質になった時点で接合が完了する。

従ってこの接合法では母材並の諸性質をもつ高品質な接
合部が得られる。しかし、この接合法は。

接合温度が母材融点に近いような高い温度であるため祠
質によっては母材の劣化が著しいこと、高い加圧力をか
けられないため液相の強制排出ができず初期の不純物が
そのま＼残留すること、接合に長時間を要すること等の
問題がある。

また両接合法に共通する問題として、炉中の全体加熱に
よる接合であるため１製品寸広が限定され、丑だ大気中
では健全な接合部が得られない。

本発明の目的は、一般の溶融溶接が回線な耐熱超合金や
異種金属の接合において、接合時の母材温度を低くでき
、しかも大気中で短時間に接合でき、接合部の機械的及
び物理的性質を母材と同等にし祷る金属の接合方法を提
供することである。

本発明者らは、接合界面の電気抵抗を母材の固有抵抗の
数倍以上に高め、かつ熱拡散が充分には進行し得ない程
の短時間に大電流を通電すれば接合界面のみ集中的に加
熱することができ、適当な接合条件によって接合界面の
簡度が母材融点付近であっても、接合界面から例えば数
百μｍ以上離れた接合部材の感度がその融点の１／２８
度以下となるような、急峻な温度分布を形成することが
できるだめ、薄い溶融層による接合が可能であることを
見い出した。

第１の発明は、このような知見に基づいて達成さ扛たも
のであって、母材に近い組成又は母相と健全な合金層ケ
形成しうる金属からなるインサート材を１接合すべき両
部材間の間隙に挿入し、加圧力を加えた状態で通電加熱
するものである。

第２の発明は、上記の通電加熱後、母材の融点より低い
温度で拡散処理するものである。

第３の発明は、上記の通電加熱後１両母相の接合界面の
融液を接合部外に押し出すものである。

本発明において、接合界面の電気抵抗を高めるために接
合すべき両部材間の間隙に挿入されるインサート材は、
母材に近い組成からなる合金又は母材と健全な合金層を
形成しうる金属であり、これらの合金又は金属は粉末状
でもよく、箔状であってもよい。合金又は金属が粉末状
の場合、界面抵抗が大きく本発明に特に有効であり、ま
だ合金又は金属が箔の場合、接合界面が、２界面となり
界面抵抗が大きくなる。粉末状の合金又は金属の場合、
２０〜１７０μｎ］程度の粒径の粉末を接合すべき母材
部に均一に載置し、これらの層を１層乃至２層とするこ
とが望ましい。このよりな粉末の載置状態によって界面
抵抗を大きくし１渠中加熱を効率的に行うことができる
。

さらにインサート材の融点は、母材の融点と同等又はそ
れ以下でもよく、母材の融点より高くともよい。

インサー１の融点が、母材の融点と同等又はそれ以下の
場合、接合界面における局部発熱によってインサー）　
４Ｊが容易に溶融し、薄い溶融層によって均質化が容易
となる。インサート材の融点が、母相の融点より高い場
合、接合界面における局部発熱によって母材が浴融し、
インサート材の溶融層が接合部外に押し出されやすくな
るため。

接合層は母相組成に近いものとなる。このような母材と
インサート祠の組合せとしては１例えば耐熱超合金とし
てインコネル６２５、インサート拐としてＴ１又はＢＮ
ｉ−２ろう材を挙げることができ、また１１１熱超合金
としてｌＮ−７３８，インサーｉ・材としてＢＮＩ〜２
ろう材を挙げることかでさる。

次に芙／Ｍ例によって不発明を説明する。

ステンレス鋼の突合せ接合界面に融点９６０ｔＺ’の１
３Ｎｉ−２ろう材粉末を挿入し、電流密度６８Ａ／ｖａ
ｎ２．加圧力４ｋｇ／ｍｍ２．通電時間１秒の接合条件
で接合した時の状況を高速度カメラで観察した。その結
果、接合部材が暗赤色すなわち約７００Ｃ程度の状態に
おいて、接合界面から溶融したろう材が押し出される現
象を確認した。つまり、この接合条件では母材温度に比
べ接合界面の高度を少なくとも２６０Ｃ以上は＾〈でき
たわけである。

そこで次に、耐熱超合金（インコネル６２５）にＢＮ　
ｉ−２ろう祠粉末を挿入して接合を試みた。

その結果、第３図に見らｎるような接合層厚２０μｍ以
下の接合部が得られることが明らかとなった。この時の
ＥＰＭＡ分析によると、母４１元素がかなり接合層中へ
溶解していることもわかった。丑だ、この時の母材部は
、接合層力１ら５μｍ以」二離れた所では接合前の母料
組織と同じであった。また第４図は第３図の接合部を真
空炉中で母材融点下１００Ｃの高、晶に２０分間保持し
た時の組織写真を示すが、その組織は結晶粒の大きさを
除けば母材と同じ組織を呈しており、短時間に均質化で
きることが明らかである。このように接合時の部祠温贋
を低くすることができるので、部材の変形をおこさず高
い加圧力をかけることができるため薄い接合層により短
い拡散時間で接合層を母材組成と均質にすることができ
る。

以下１本発明の実施例を図を用いてさらに詳細に説明す
る。

第５図は、ブロック状部材の接合に対する一実施例を示
す。まだ第６図は、第５図の接合プロセスを説明するだ
めの模式図である。第５図において接合部材４は、母材
と健全な合金層を形成しかつ母材融点以下の融点を有す
る金槙粉末１９を接合界面にはさみ、成極２０により加
圧されている。

接合電流は、電流制御回路２１よりトランス２２及び電
使２０を介して接合部材４に供給される。

この時の接合界面の高度は、赤外レンズ２３を内蔵する
赤外線集光ヘッド２４と光ファイバー２５及び赤外線検
出回路２６によって検出され、その検出値の大小を温度
判定回路２７で判定し、接合電流にフィードバックさ扛
る。この時の接合プロ士スは第６図（Ａ）に示す通り、
まず初定の加圧力ｐ１で接合部材４を加圧し、次に非常
に高く設定した一定の接合電流を通電する。この時界面
の温度は１＠、激に上昇するが、を都度検出にまり界面
温度が母材融点に達したことを確認した後直ちに接合電
流を制御し界面温度を下げる。以後は界面温度が母材融
点θｍよシ低い一定幅度θＣに保たれるように接合電流
を制御ａｉ１１するとともに冷却水２８によって電＄ｉ
２０ケ冷却しつつ所定の時間が経過した後全工程を終了
する。第６図（Ｂ　）は各接合時点における接合状態及
び電゛気抵抗分布及び温度分布を模式的に示したもので
ある。通電開始時点（１）では金網粉末１９のため接合
界面の電気抵抗は＠祠に比べ非常に高い状態である。こ
の状態で大電流を通電すると瞬間的に界面のみが東中的
に加熱さＡ、（２１に示す温度分布となる。この時点で
インサート祠及びｌ界面は完全に溶融しく溶融層２８）
、加圧力によって不要な融液層が排出される。（３）の
時点では拡散進行中であり同相の接合層はまた完全釦母
材と識別される。拡散工程が終了する時点（４）では溶
融層２８は消失し、拡散層３０が形成さｎ両部材は完全
に一体化している。

本￥施例によれば、界面果中発熱により接合界面近傍を
薄い層で溶融させて接合できるため、初期の母材表面に
酸化皮膜や汚れがある場合でもこれらは融液層中に分散
されるため良好に接合でき。

このため大気中における接合が可能となる。

丑だ不実施例によれば、高い加圧力により不要な融液層
を排出できるため、接合層を非常に薄くでき１接合部均
質化のための拡散処理時間を短縮できる。

また本実施例によれば、融液層の強制排出を行っている
ため、初期の母材表面の酸化皮膜や不純物が同時に排出
され、これらの接合層中への残存（１１） 量が少なくなるため接合層の機械的性質を向」二できる
。

次に、第７図は本発明は他の実施例であって。

溝付部材と薄板部材の張り合せ接合例を示す。丑だ第８
図は不実施例の接合プロセスを説明するだめのタイムチ
ャートを示す。第７図において、薄板部材３１と溝付部
材３２は接合界面に金属粉末１９を挿入した状態で電極
２０間にセットされる。

そして加圧装置３３により加圧軸３４を介して両接合部
材３１．３２は加圧される。接合電流は電源３５より電
流側側１回路３６及びトランス３７を介して電極２０に
供給される。この時の接合界面の温度は、薄板部材３１
側に小さな計測孔３８を設けそこに光フアイバヘッド３
９全挿入することにより赤外線検出回路４０で検出して
いる。なお図中４１は絶縁層、４２は支持台である。接
合は第８図にそのタイムチャートを示しているように。

まず高い〃ｎ圧力ｉ）１　をかけた状態で設定大電流■
、の通電を開始する。次に界面温度が所定の最高到達温
度θｍａｘに達したか否かを、最高到達部（１２） 度設定回Ｍ４３の出力と赤外線検出回路４０の出力とを
比較回路４４で比較することにより判定し。

界面温ｉがθｍａｘに達した時点で加圧開側１回路４５
により刀ｌ圧力をＰ２に変える。一方、同時にゲート回
路４６のゲートケ開さ、拡散処理温度設定回路４７と比
収回＃５４８により接合界面の温度が一定幅度θｃｏｎ
ｓｔ　　Ｋ：なるよう接合電流の制御を開始する。この
時の拡散処理温度θｃｏｎｓｔは。

母材融点θｍ１により低くしかも挿入した金属粉末１９
の融点θｍ２よシ高い温度に設する。

本実施例によれば、加圧力をｐ、−＋ｐ２に切換える２
段切換えカロ圧機構の採用しているので拡散処理工程時
の加圧を低く設定できるため、拡散処理ｔｌｉｎＷθｃ
ｏｎｓｔ　　をインサート金属粉末の融点よシ高い母料
融点近くに上げら扛るため、各元素の拡散速度が早くな
り、憔散工程時間金短縮できる。

なお、ガスタービン翼等では接合後、液体化処理及び時
効処理を行う必要があるが、このような場合１本発明に
おける拡散処理時に同時に液体化処理及び時効処理を行
うようにしてもよい。

（１３） 以」＝本発明によれば、接合すべき両部材間に間隙にイ
ンサート材を挿入し、加圧力を加えた状態で通電加熱し
、接合界面における局部発熱によって接合するので、接
合時の部材温度を低くすることができ１部材の変形を起
こすことなく高い加圧力を加えることができるため薄い
接合層によって健全に接合でき、さらに接合界面の部材
表面を溶融させるため、フラックス等を用いることなく
大気中で接合できる。まだ大気中で処理できる結果。

接合装置を簡略化することができる。

まだ本発明は上記の局部発熱処理のための通電加熱後、
拡散処理するに際しては、接合層が薄いので拡散処理時
間を短縮し、生産効率を向上させることができる。

さらに本発明は上記の局部発熱のための通電加熱後、両
部材の接合界面の融液を接合部外に押出すので、母材と
インサート材が異種材料であっても、接合層は母材組成
に近いものとなり接合強度が向上する。

【図面の簡単な説明】

（１４） 第１図は、従来の接合法を実施するための装置の概略図
、第２図（Ａ、）、（Ｂ）は従来の接合法における接合
部の模式図１第３図は本発明による接合法で接合した接
合部のＳＥＭ像写真、第４図は接合部拡散処理後の光学
写真、第５図及び第７図は本発明による接合法を実施す
るための装置の概略図、第６図（Ａ）は第５図の装置の
動作を示すタイムチャート図、第６図（Ｂ）ｔｊ：接合
部の模式図及び電気抵抗と温度の分布図、第８図は第７
図の装置の動作を示すタイムチャート図である。 ４．３１．３２・・・接合部材、１９・・・金属粉末。 ２０・・・電極、２４・・・赤外線来光ヘッド、２５・
・・光ファイバー、２６．４０・・・赤外線検出回路、
２７・・・温度判定回路、２２．３７・・・トランス、
２１゜３６・・・電流制御回路、３３・・・加圧装置、
３４・・・加圧軸、３８・・・計測孔、３９・・・光フ
アイバヘッド。 ４１・・・絶縁層、４２・・・支持台、４３・・・最高
到達感度設定回路、４４．４８・・・比較回路、４５・
・・加圧側両回路、４６・・・ゲート回路、４７・・・
拡散処理温第１　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、母材に近い組成の合金、又は母材と健全な合金層を
   形成しうる金属からなるインサート材を、接合すべき両
   切、材間の間隙に挿入し、加圧力を加えた状態で通電加
   熱することを特徴とする金属の接合方法。 ２、　インサート材が金属粉末である特許請求の範囲第
   １項記載の金員の接合方法。 ３、　インサート材は、その融点が母材と同等又はそれ
   以下である特許請求の範囲第１項記載の金属の接合方法
   。 ４、母材に近い組成の合金、又は母材と健全な合金属を
   形成しうる金員からなるインサート材を、接合すべき両
   母材間の間隙に挿入し、加圧力を加えた状態で通電加熱
   した後、母材の融点より低い温度で拡散処理することを
   特徴とする金属の接合方法。 ５、　インサート材が金属粉末である特許請求の範囲第
   ４項記載の金属の接合方法。 ６　インサート拐は、その融点が母相と同等又はそれ以
   下である特許請求の範囲第４項記戦の金属の接合方法。 ７、母料に近い組成の合金、又は母材と健全な合金属を
   形成しうる金属からなるインサート材を、接合すべき両
   母林間の間隙に挿入し、加圧力を加えた状態で通電加熱
   した後１両母材の接合界面の融液を接合部外に押出すこ
   とを特徴とする金属の接合方法。 ８、　インサート材が金員粉末である特許請求の範囲第
   ７項記載の金員の接合方法。 ９、　インサート材は、その融点が母材と同等又は−そ
   れ以下である特許請求の範囲第７項記載の金員の接合方
   法。