小接合面用パルス通電接合装置
【課題】パルス通電加圧焼結の原理を利用し、接合面の小さな部材同士の接合に適したパルス通電接合装置を提供する。
【解決手段】対の通電電極３３、３４と、前記通電電極の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動する圧力可変の押圧装置４０と、前記通電電極にパルス電流を供給する電源装置と、少なくとも前記通電電極間の空間を所望の雰囲気に制御可能なチャンバとを備えた装置であり、前記通電電極の間で互いに接合すべき小接合面を有する部材を接合面を当接させた状態で挟み、前記部材に所望の電圧及び電流のパルス電流を流して前記接合面で仮接合して仮接合体にする。
【解決手段】対の通電電極３３、３４と、前記通電電極の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動する圧力可変の押圧装置４０と、前記通電電極にパルス電流を供給する電源装置と、少なくとも前記通電電極間の空間を所望の雰囲気に制御可能なチャンバとを備えた装置であり、前記通電電極の間で互いに接合すべき小接合面を有する部材を接合面を当接させた状態で挟み、前記部材に所望の電圧及び電流のパルス電流を流して前記接合面で仮接合して仮接合体にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパルス通電焼結法の原理を利用したパルス通電接合接合装置に関し、更に詳細には、薄肉パイプ、チューブ又は小片状チップ（小面積の円形、多角形、その他の形状のチップ）或いは細い棒又は線同士の接合、或いはそれらと大面積の部材との接合のような接合面積の小さな部材の接合をパルス通電焼結の原理を利用して行う接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄肉のパイプの端縁を突き合わせてその突き合わせ端で接合する場合、或いは細い棒、線又は小片状チップの端面を他の部材に接合する場合のように、小接合面を有する部材を互いに接合する従来の方法としては、（１）接合すべき端部を局部的に加熱溶解すると共に溶接補助材も溶解し、それによって溶接補助材を介在させて互いに接合する方法、（２）互いに接合すべき部分の周囲にレーザービーム、電子ビーム等の高エネルギービームを局部的に照射してその部分を局部的に溶解させ、それによって部材を互いに接合する方法及び（３）上記溶接補助材とは異なり接合する部材とは異なる材料でできた蝋材（Ｃｕ、Ａｇなどの合金或いはアモルファス金属）を真空雰囲気又は不活性雰囲気で接合面間で溶かして接合する方法等が一般的であった。
【０００３】
しかしながら、上記（１）の接合方法では、（ａ）溶接補助材を使用しなければならない問題、（ｂ）接合すべき部材を局部的に溶解させるため部材の母材に変質が起こる問題、及び（ｃ）互いに接合できる部材の材質に制限がある問題等がある。また、上記（２）の接合方法では、上記（ａ）のように溶接補助材を必要とする問題はなくなるが、上記（ｂ）及び（ｃ）と同様に接合すべき部材を局部的に溶解させるため部材の母材に変質が起こる問題、及び互いに接合できる部材の材質に制限がある問題があり、更に、（ｄ）接合が周辺部で局部的に行われるため高い接合強度を得ることができない問題がある。更に、（３）の接合方法では上記（ａ）ないし（ｃ）及び蝋材を介しての接合であるため接合できる部材の材質に制限があるのみならず、十分な耐熱性や接合強度が得られない問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、技術の進歩により様々な機器の開発及びかかる機器の小型化が進むと共に素材の新しい利用分野が開発され、従来では考えられない素材同士の接合が、或いは小接合面積同士又は大面積母材に小片状チップ（小面積の円形、多角形、その他の形状のチップ）のような小さな接合面積で強固に接合されることが要求されるようになってきた。例えば、薄肉の所定長さのステンレスパイプに十分な接合強度で完全密閉シール状に繋ぎ合わせて使用する場合、非磁性材のパイプ、中実棒材（横断面が円形、多角形、その他の形状の棒材）等に同じく薄肉の磁性材のパイプ、中実棒材（横断面が円形、多角形、その他の形状の棒材）等を繋ぎ合わせて使用する場合、タングステンカーバイド、コバルト系超硬材料と鉄系材料とを繋ぎ合わせて使用する場合、或いは銅系の材料と鉄系の材料とを繋ぎ合わせて使用する場合などである。
【０００５】
近年パルス電流を流して行うパルス通電加圧焼結（放電プラズマ焼結、放電焼結或いはプラズマ活性化焼結等を含む）の原理を利用して、粉末でなく所定の嵩を有し比較的大きな接合面を有している部材同士を接合させる技術が開発されつつあるが、このパルス通電加圧焼結法を利用した接合装置では材料に比較的大きな圧力を付加した状態で行う必要があったため、例えば、薄肉パイプの端面同士を突き合わせて接合させる場合のように、互いに接合される部材の接合面が小さくて大きな力を加えると部材が座屈する場合には使用できない。このような問題を解決するためには座屈を防止するための外形、中子型或いはジグを使用しなければならない。
しかしながら、型或いはジグを使用する場合には、互いに接合される被接合部材の形状、寸法等が異なるごとにその被接合部材の形状、寸法に合った型或いはジグを用意しなければならず接合作業が繁雑になる問題、型又はジグに通電する必要が生じるため接合時間が長くなりまた消費電力も多くなる問題、それだけ接合コストが高くなる問題等大量生産、実用性については大きな問題がある。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、放電プラズマ焼結、放電焼結或いはプラズマ活性化焼結等を含むパルス通電加圧焼結の原理を利用し、しかも接合面の小さな部材同士の接合に適したパルス通電接合方法及びその接合装置を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、被接合部材に対する加圧力を押圧装置により高精度に制御して被接合部材の座屈、屈曲等の発生を阻止できる、大量生産及び実用性の高いパルス通電接合方法及びその接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の一つの発明は、互いに接合すべき小接合面を有する複数の部材を、所望の雰囲気に保持されたチャンバ内に入れかつ接合面を当接させた状態で対の通電電極により挟み、前記複数の部材に前記対の通電電極を介して所望の電圧及び電流のパルス電流を流して前記接合面で接合する小接合面用パルス通電接合方法において、
通電開始前に所望の第１の押圧力で前記複数の部材を押圧し、
通電開始後前記チャンバ内の温度が前記接合される複数の部材の材質及び寸法によって決まる温度に達した後、前記材質及び寸法によって決まる第２の押圧力で前記複数の部材を押圧し、
前記複数の部材を仮接合して仮接合体にするように構成されている。なお、上記第２の押圧力は適宜変化する可変の押圧力であり得る。
上記小接合面用パルス通電接合方法において、前記第２の押圧力での押圧を、前記部材に加えられる押圧力を常時圧力センサで検出し、フィードバックさせて制御するようにしても良く、また、前記接合面を鏡面に研磨してもよい。また、小接合面用パルス通電接合方法が、更に、前記仮接合された部材を前記部材の材質及び寸法によって決まる温度及び時間により熱処理を施すことを含んでいてもよい。
更にまた、前記小接合面用パルス通電接合方法において、前記熱処理を、前記仮接合に引き続いて前記チャンバ内で前記通電電極により熱処理電流を流して行っても、或いは前記仮接合された複数の仮接合体をまとめて熱処理炉によって行ってもよい。
本願の他の発明は、対の通電電極と、前記対の通電電極の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動する圧力可変の押圧装置と、前記通電電極にパルス電流を供給する電源装置と、少なくとも前記通電電極間の空間を所望の雰囲気に制御可能なチャンバとを備え、前記対の通電電極の間で互いに接合すべき小接合面を有する部材を接合面を当接させた状態で挟み、前記部材に所望の電圧及び電流のパルス電流を流して前記接合面で仮接合して仮接合体にする小接合面用パルス通電接合装置において、
前記接合すべき部材に加えられる圧力を検出可能な圧力センサと、
前記圧力センサにより検出した検出値に基づいて前記押圧装置の押圧力を制御可能な制御装置とを備え、
前記制御装置が前記押圧装置による押圧力を、接合すべき部材の材質及び寸法により決まる値でフィードバック制御し、複数の前記部材を座屈、屈曲変形等を起こさせることなく固相拡散接合させて仮接合体にするように構成されている。
上記小接合面用パルス通電接合装置において、前記圧力可変押圧装置が、ボールねじ装置及び前記ボールねじ装置を駆動する微小回転制御可能な電動モータであってもよい。また、前記対の通電電極に前記パルス電流を供給する電源装置が、前記通電電極に熱処理用電流を供給可能であり、前記仮接合後に前記通電電極に前記熱処理用電流を流して前記チャンバ内で熱処理を行っても、或いは、更に、前記仮接合体の熱処理を行う熱処理炉を備えていてもよい。チャンバ内で熱処理を行う場合、通電電極に供給する電流は焼結用の電流と同じ電流でも或いは異なる電流でもよい。また、熱処理炉で行う場合、一つのシステムの中に組み込んでも或いは別個に配置してもよい。なお、接合過程で被接合材料の酸化が問題にならない材質、形状、或いは低温接合可能な場合は、雰囲気制御付きチャンバはなくてもよい。
更にまた、小接合面用パルス通電接合装置が、更に、前記仮接合体を前記熱処理炉に自動的に供給する搬送装置を備えていてもよい。また、ＴＰマガジンから接合装置へ、接合装置から熱処理炉へ、更に熱処理炉から冷却済み又は処理済み接合品用のマガジンへの自動搬送を行う装置を備えていても良い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により次のような効果を奏することが可能である。
（イ）薄肉パイプ同士のように接合面積の小さな部材間の接合を固相拡散接合になるパルス通電接合法で相互の部材が全当接面に亘り完全密着シール状態で簡単にしかも座屈、屈曲変形等を起こさせることなくかつ母材並の強度を持った高品位の接合部品の大量生産ができる。
（ロ）従来の接合法では接合できない異種又は同種材質の部材同士を簡単に接合させることができる。
（ハ）台座形状部品を、ブロック状の素材から切削加工（フライス加工、放電加工等）で複雑な形状に削り出すことなく、基板材料に小片の部材をパルス通電接合することで製作できるので、大幅な工程削減、コスト削減ができる。
（ニ）エンドミルの刃先では切削不可能な直角や鋭角をもつ平坦部と突起部分との一体形状やアンダーカット形状でも容易につくることができ、一体部材から切削加工で製造するよりも形状設計の自由度が広がる。
（ホ）固相拡散接合部品が短時間で廉価に簡便に量産が可能となる。
（ヘ）ロー付け品、溶接品に比べて組織的にもまた機械特性的にも信頼度の高い部品をつくることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に図面を参照して本発明による小接合面用パルス通電接合方法を実施する接合装置の実施形態について説明する。
図１ないし図３において、本実施形態による小接合面用パルス通電接合装置（以下単に通電接合装置と呼ぶ）１が示されている。この通電接合装置１は、放電プラズマ焼結、放電焼結或いはプラズマ活性化焼結等を含むパルス通電焼結法の原理を利用するものであるが、通常焼結で使用されるグラファイト製などの焼結型（ダイ、パンチ等）は使用しない。通電接合装置１は、フレーム装置１０と、フレーム装置１０の中央部（図１において）に関して上下方向（図１において）に移動可能に支持された可動テーブル装置２０と、可動テーブル装置２０に取り付けられた通電電極装置３０の下通電電極組立体３１と、可動テーブル装置を上下動させる押圧装置４０と、フレーム装置１０の上部に取り付けられた通電電極装置３０の上通電電極組立体３２と、被接合部材の周囲を所望の雰囲気（例えば真空雰囲気或いは不活性ガス雰囲気）にするチャンバを画成するハウジング組立体５０と、を備えている。この実施形態の通電接合装置は制御装置６０（図３）により全体的な動作の制御が行われ、電源装置７０（図３）から接合用の直流パルス電流が供給される。
【００１０】
フレーム装置１０は、箱状の下フレーム１１と、下フレーム１１の上部に固定された下支持プレート１２と、下支持プレート１２に公知の方法で取り付けられた複数（この実施例では下支持プレートの四隅に近接して配置された４本）の支柱１３と、支柱１３の上端に公知の方法で取り付けられた上支持プレート１４とを備えている。下支持プレート１２には４個の貫通穴が形成されて、その貫通穴内には軸受け部材１２１が装着されている。各軸受け部材１２１内には、可動テーブル装置２０の可動テーブル２１の四隅に公知の方法で取り付けられていて下方に伸びる案内軸２２が滑り可能に挿入されている。したがって、可動テーブル２１は案内軸２２及び軸受け１２２によって単に上下方向にのみ移動できるように案内されている。
【００１１】
下フレーム１１内には押圧装置４０が配設固定されている。この押圧装置４０は上下方向に所定の長さ伸びる公知の構造及び機能のボールねじ装置４１と、ボールねじ装置４１の入力軸（図示せず）に入力を与える駆動源としての電動モータ４２と、電動モータ４２の回転出力をボールねじ装置４１に与える伝動機構４３とを備えている。電動モータ４２は微小の回転角を高精度に制御できるステッピングモータが好ましい。この電動モータ４２は制御装置６０に接続されていてその制御装置の制御の下で回転を制御されるようになっている。ボールねじ装置４１の出力軸４１１の上端近傍（図１において）にはガイドプレート２４が取り付けられ、そのガイドプレート２４には可動テーブル２１に取り付けられかつ下方に伸びる複数のガイドロッド２５が相対移動可能に案内されている。ボールねじ装置４１の軸線及び下通電電極組立体３１の軸線は装置全体の軸線０−０に一致させてある。可動テーブル２１と出力軸４１１との間には本通電接合装置の動作の制御を行う制御装置６０の圧力センサ６１が配置されている。この圧力センサ６１は公知の構造及び機能を有するものでよい。したがって、押圧装置４０によって可動テーブル２１に加えられる軸方向押圧力は圧力センサ６１によって検出される。ボールねじ装置の出力軸４１１はガイドプレート及びガイドロッドの作用により回転しないようになっている。
【００１２】
可動テーブル２１の上面には絶縁性の取り付け板３５を介して下通電電極組立体３１が可動テーブルに関して絶縁して固定されている。取り付け板３５と下通電電極組立体３１の下端との固定は複数の公知の止めねじで行われ、取り付け板３５は公知の止めねじにより可動テーブル２１に固定される。下通電電極組立体３１は硬質で靭性を有する材料、例えばステンレスで作られた円柱状の下通電電極３３を有している。下通電電極３３はケーブル及びスイッチ装置７１（図３）を介して電源装置７０（図３）に接続可能になっている。スイッチ装置７１は電源装置の一部を構成しても良く、本出願人による特願２０００−２８４７７１号「パルス通電焼結機用通電装置」に示されるスイッチ機構と同様の構造のものでも良い。下通電電極３３内には冷却流体を流す冷却通路（図示せず）が形成され、その冷却通路には一対の給排パイプ（図１で１個のみ図示）３３１を介して冷却流体が循環されるようになっている。取り付け板３５は全体が絶縁材料でできていても、或いは金属板の表面に絶縁処理を施したものでもよい。
【００１３】
下通電電極３３の外側にはハウジング組立体５０の下ハウジング部分５１が下通電電極３３に関して相対的に移動可能に設けられている。下ハウジング部分５１は、下通電電極の外周に滑動可能に取り付けられた底壁部材５１１と、底壁部材に互いに隔ててかつ底壁部材に関して密閉して固定された内周壁部材５１２及び外周壁部材５１３と、内及び外周壁部材の上端に固定された環状の端板５１４とを有している。底壁部材５１１の下通電電極に対する接触面には公知の構造のシール部材（図示せず）が設けられ、それらの間の隙間を密閉している。底壁部材５１１には、下支持プレート１２の貫通穴に装着された軸受け１２３に滑動可能に支持された駆動ロッド５３が取り付けられている。この駆動ロッドは、ラック及びピニオン装置及びピニオン回転用の電動モータ（図示せず）により駆動されるようになっている。これにより下ハウジング部分５１を下通電電極に関して相対的に移動できるようにしている。５５は可動テーブルに取り付けられていて下ハウジング部分５１の下降を制限するストッパであって、軸線０−０を中心として直径方向の２カ所に設けられている。なお、５７は耐熱ガラスでできたのぞき窓である。
【００１４】
上支持プレート１４の下面には取り付け板３６及び絶縁板３８を介して下通電電極組立体３２が固定されている。絶縁板３８と下通電電極組立体３２の上端との固定、絶縁板３８と取り付け板３６との固定並びに取り付け板３６と上支持プレート１４との固定は、複数の公知の止めねじで行われる。上通電電極組立体３２はステンレスで作られた円柱状の上通電電極３４を有している。上通電電極３４は、ケーブルを介して電源装置７０に接続可能になっている。上通電電極３３内には冷却流体を流す冷却通路（図示せず）が形成され、その冷却通路には一対の給排パイプ（図１で１個のみ図示）３４１を介して冷却流体が循環されるようになっている。
【００１５】
上通電電極３４の外側にはハウジング組立体５０の上ハウジング部分５２が配設されている。上ハウジング部分５２は、下通電電極の外周に公知の方法で密封して取り付けられた頂壁部材５２１と、頂壁部材５２１に互いに隔ててかつ底壁部材に関して密閉して固定された内周壁部材５２２及び外周壁部材５２３と、内及び外周壁部材の下端に固定された環状の端板５２４とを有している。頂壁部材５２１は、上支持プレート１４に固定された複数（本実施形態では４個であるが１個のみ図示）の連結ロッド５４を介して上支持プレート１４に固定されている。５６は内周壁部材５２２及び外周壁部材５２３に取り付けたパイプであって、図示しない導管を介して真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気にする雰囲気制御装置（図示せず）に接続されている。下ハウジング部分５１の端板５１４の上面及び上ハウジング部分５２の端板５２４の下面の少なくとも一方には環状の溝が形成され、その溝内にはＯリングシールが設けられ、両者が合わされたときそれらの間からの空気の漏れを防止し得るようになっている。上ハウジング部分５２内には、図３に示されるように、圧力センサ６２及び温度センサ６３が設けられ、それらの圧力センサ及び温度センサにより下ハウジング部分５１と上ハウジング部分５２とによって画成されたチャンバＣ内のガス圧及び温度をそれぞれ検出できるようになっている。圧力センサ６２及び温度センサ６３は制御装置７０に接続され、その検出信号を制御装置に入力できるようになっている。なお、温度フィードバックと組み合わせた圧力制御を行ってもよい。
【００１６】
［実施例１］
次に上記の通電接合装置１を使用して図４［Ａ］に示されるような薄肉のパイプＭ１とＭ２とを端面を突き合わせた状態で接合する場合について説明する。ここで、パイプＭ１は非磁性ステンレス（ＳＵＳ３０４）製のパイプであり、パイプＭ２は磁性ステンレス（ＳＵＳ４３０）製のパイプであり、いずれも長さＬ1＝３０ｍｍ、内径ｄ1＝８ｍｍ、外径ｄ2＝１０ｍｍ、で肉厚はｔ1＝１ｍｍであるものとする。この場合、パイプＭ１及びＭ２の互いに接合する端面すなわちパイプＭ１の上端面Ｍ１ｅ及びパイプＭ２の下端面Ｍ２ｅは全面にわたって均等に接触するよう切削しておく。好ましくは、鏡面に研磨しておく。このように用意しかつ端面を突き合わせた二つのパイプを下通電電極３３の上端面上に、例えば、Ｖ溝構造の位置合わせ冶具などを用いてセットした後、制御装置６０により押圧装置４０を動作させて可動テーブル１２を上昇させ、下通電電極組立体３１と上通電電極組立体３２との間でパイプを挟む。この時押圧装置４０の押圧力を調整して、初期押圧力を、当接表面がなじみ易いように例えば１ないし３メガパスカルの力で押さえるようにする。この状態で下ハウジング部分５１を上昇させて端板５１４を上ハウジング部分５２の端板５２４に当接させ、ハウジングにより被接合部材であるＭ１及びＭ２の周囲に外部から密閉されたチャンバＣを画成する。
【００１７】
この状態で雰囲気制御装置を動作させてチャンバＣ内を所望の雰囲気にする。この場合にはチャンバ内を真空引きして真空状態、例えば、約６．７パスカル（Ｐａ）（５×１０-2ｔｏｒｒ）にする。チャンバ内の真空引きが完了した後は、制御装置６０の指令によりスイッチ装置７１をオンにして電源装置７０から上下通電電極組立体を通してパイプＭ１及びＭ２に６ないし１２ボルト（Ｖ）で３００ないし８００アンペア（Ａ）の直流パルス電流を流す。電流が流れるに従ってパイプは発熱し高温になり、上下は機械的に固定されているため熱膨張により軸方向の歪みが発生し、加圧力は徐々に増大し、そのまま高い押圧力でパイプを軸方向に押圧しているとパイプは座屈する。このためパイプを固定後、押圧装置４０によりパイプに加えられる押圧力を、例えば０．５ないし１．０メガパスカル（ＭＰ）まで下げ、パルス電流の通電を始める。その後、圧力センサ６１からの検出信号に基づき押圧力をフィードバック制御してこの押圧力を保持する。通電加圧軸の送り機構には、パイプの上端面の１〜２ｍｍ程度手前まで早送りし、その後端面に当接するまで減速送りするプログラムが組み込まれていても良い。パイプへの通電開始から２〜５分程度の短時間で両パイプは接合されるので、スイッチ装置オフにして通電を停止する。この接合の原理は次の通りである。直流パルス電流を流すと、接触抵抗の高い当接している界面部分がジュール加熱により高温に熱せされる。また、材料自体の抵抗値により全体がジュール加熱される。また、上下一軸加圧力による塑性変形と熱膨張により上下に重ねられた部材の当接界面には高い圧力が発生する。更にｏｎ−ｏｆｆパルス電流の流れの方向に沿って電場が生じ、電界拡散が生じる。この電界拡散効果と前述の熱拡散の機械的圧力が固相拡散接合に寄与し金属結晶構造の配向性をもたらすと考えられる。この接合は必ずしも十分な接合強度で行われていないので、ここでは仮接合と呼び、仮接合されたものを仮接合体と呼ぶ。通電を停止した後チャンバを大気圧に戻し、下ハウジング部分を降下させて上下通電電極間に挟まれた仮接合体を取り出せるようにする。その後可動テーブルを降下させて上下通電電極間から仮接合体を取り出し仮接合が完了する。上記の場合は仮接合体を自然冷却により冷却させる場合であるが、強制的に冷却したい場合には、通電停止後チャンバ内に冷却された不活性ガスを供給し、或いは吸熱構造部材を有する冷却ステージを別途設けて冷却してもよい。なお、実施例１は上下に重ねされた部材の場合であるが、内外に同軸円筒重ね合わせ状（バウムクーヘン状或いは同心円状）に複数のパイプ及び中実丸棒を接合してもよい。
【００１８】
上記のような薄肉のパイプ同士の接合、径の小さい棒材又は線材同士の接合、或いは棒材、線材又は薄肉パイプと板材との接合のように接合面の面積が小さい場合には大きな力を加えると被接合部材が常温でも座屈、屈曲等が起こり、被接合部材が発熱して高温になるとより小さな押圧力で座屈を起こす。このため、被接合部材の寸法（長さ、外径、肉厚等）及び材質に応じた制御プログラム（押圧力減少開始温度、押圧力、通電時間等を決めた制御プログラム）を予め種々作成しておき、その制御プログラムにしたがって押圧装置４０により押圧力の増減フィードバック制御を行う。そして、押圧装置による押圧力は、可能な限りゼロに近い値でも制御できるようにしておく。このようなフィードバック制御のフローチャートを示せば図５に示されるようになる。
【００１９】
上記通電接合装置により行われた両パイプの接合は仮接合である。パイプの使用目的によっては仮接合程度の接合強度でも良い場合がある。その場合には、上記仮接合されたパイプＭ１及びＭ２を、図４［Ｂ］に示される仮接合体Ｍ３として通電接合装置から取り出して使用に供する。両パイプの接合を高い接合強度で本接合させる場合には、下記のような条件で熱処理を行う。
熱処理温度 ９００℃〜１０００℃
熱処理時間 ３０分〜９０分
上記熱処理の条件は被接合部材として前記ステンレス鋼製薄肉パイプを仮接合した仮接合体に対するものであり、被接合部材の大きさ、材質等により異なるものである。
【００２０】
次に、上記のように仮接合されたパイプＭ１及びＭ２（したがってここでは仮接合体Ｍ３）を上記通電接合装置を使用して熱処理を行う場合について説明する。仮接合のための通電が終了した後、チャンバＣ内の真空雰囲気をそのまま保持しておき、或いはチャンバ内に不活性ガスを流して冷却することによりチャンバＣ内の温度が上記熱処理温度に適した温度まで下がった後、電源装置７０から熱処理温度に保つための熱処理用電流すなわち５ないし２０ボルトで、５００ないし１０００アンペアの直流電流を約１０〜３０分流す。この場合チャンバ内に設けられた温度センサによりチャンバ内の温度が熱処理温度に保たれるように、電流値をフィードバック制御する。この熱処理により両パイプの接合は完全なもの（本接合）になる。熱処理が完了後チャンバＣ内の冷却（自然冷却でも強制冷却でもよい）を待って下ハウジング部分を降下させかつ可動テーブルを降下させて本接合されたパイプを取り出して使用に供する。通常、熱処理時間が仮接合時間より遙かに長いので、上記のように通電接合装置を使用して熱処理を行うのは効率が悪い。したがって、このような熱処理を行うのは単品、少量生産の場合などに適している。
【００２１】
図６において、本発明の通電接合装置の別の実施形態が示されている。この通電接合装置は、熱処理を行う熱処理部８０を更に備えている。この熱処理部は市場で入手可能な公知の構造の熱処理炉で良い。この熱処理炉で熱処理する場合は、上記通電接合装置１により仮接合されたパイプが複数個たまったときまとめてバッチ式に熱処理炉に入れて一度に熱処理を行う。このようにするのは、仮接合は数分で行えるのに対して熱処理は数十分かかるので仮接合された仮接合体を複数まとめて熱処理を行うことによって、効率を良くでき、接合品の大量生産に適している。
【００２２】
通電接合装置は、更に、仮接合された部材すなわち仮接合体を熱処理部８０に自動的に供給する搬送装置９０を備えていても良い。この搬送装置は、通電接合装置１の上、下通電電極間から仮接合体を取り出す公知の構造のロボット装置９１と、ロボット装置９１により取り出された仮接合体を複数個まとめて熱処理部８０内に送るコンベヤ９２とを備えている。ロボット装置９１は、角θの範囲で揺動可能なアーム９１１と、そのアームの先端に取り付けられたチャック９１２とを備えている。この別個に設けられた熱処理部に熱処理を行うことにより複数の仮接合体をバッチ式まとめて熱処理できるので効率良く接合できる。したがって、同一品から成る多数の接合体を製造する場合に適している。なお、図示しないが、アーム９１１の揺動範囲の途中に設けた供給コンベアにより接合すべき部材を上下に重ねた状態で供給し、チャックで把持して自動的に上、下通電電極の間に自動的に供給し、チャックで把持した状態でそれらの通電電極で押圧して押さえるようにしてもよい。
なお、図示しないが、ＴＰマガジンから接合装置へ、接合装置から熱処理炉へ、更に熱処理炉から冷却済み又は処理済み接合品用のマガジンへの自動搬送を行う装置を備えていても良い。
【００２３】
［実施例２］
図７［Ａ］に示されるような細い線材Ｎ１の端面と板材Ｎ２一方の表面とを接合する場合について説明する。ここで、線材Ｎ１はモリブデン製で、長さＬ2＝２５ｍｍ、外径ｄ3＝５ｍｍであり、板材Ｎ２はタングステン製で、直径ｄ4＝３０ｍｍで肉厚がｔ2＝５ｍｍの円板であるものとする。この場合、線材Ｎ１の端面及び板材Ｎ２の表面の互いに当接する部分は均等に接触するよう加工しておく。好ましくは、鏡面に研磨しておく。このように用意しかつ互いに突き合わせた線材及び板材を前記実施例１と同様にして通電接合装置１によりまず仮接合した。その時、初期押圧５メガパスカルの力で上下通電電極により押さえた。
【００２４】
この状態で雰囲気制御装置を動作させてチャンバＣ内を真空引きして真空状態（５×１０-2ｔｏｒｒ）にした後、押圧装置によるプリセット設定圧力を２メガパスカルにし上下通電電極組立体を通して線材及び板材に３ないし１２ボルト（Ｖ）で２００ないし６００アンペア（Ａ）の直流パルス電流を流した。電流が流れるに従ってパイプは発熱し高温になったので、非接触式の赤外線放射型温度計で計測した。接合部分の温度が１３５０℃になるまで押圧力を１〜２メガパスカルの間でフィードバック制御してこの押圧力を保持した。通電開始から５分後に通電を停止した。これにより図７［Ｂ］に示されるような線材と板材の仮接合体Ｎ３ができあがった。この仮接合体Ｎ３を熱処理部８０の真空熱処理炉内を使用して熱処理温度１１８０℃、熱処理時間４０〜６０分に亘って熱処理を行った。この熱処理により線材と板材の接合は完全なものになった。
なお、上記実施例ではステンレス製薄肉パイプの接合及びモリブデン製線材とタングステン製板材との接合についてのみ説明したが、その他、接合面積の小さな種々の部材の接合に、しかも種々の材質の部材の接合に本発明の方法及び装置を使用することが可能である。例えば、図８［Ａ］に示されるように、基板Ｏ１に複数の小径の円柱状又は円筒状チップＯ２を接合する場合、 図８［Ｂ］に示されるように、円板Ｐ１に小歯車Ｐ２を接合する場合、図８［Ｃ］に示されるように、基板Ｑ１にカム部材Ｑ２を接合する場合、図８［Ｄ］に示されるように、複数の形状の異なる複数の小形のカムＲ１ないしＲ３を隣接して接合する場合、図８［Ｅ］に示されるように、ブロック材Ｓ１に小部品Ｓ２を接合する場合等である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による小接合面用パルス通電接合装置の縦断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿って見た小接合面用パルス通電接合装置の断面図である。
【図３】図１の小接合面用パルス通電接合装置の電気及び制御系統の接続関係を示すずである。
【図４】図１の小接合面用パルス通電接合装置を使用して接合する第１の実施例の部材及び仮接合体を示す斜視図である。
【図５】図１の小接合面用パルス通電接合装置の押圧力のフィードバック制御を示すフローチャートである。
【図６】本発明の小接合面用パルス通電接合装置の変形例を示す図である。
【図７】図１の小接合面用パルス通電接合装置を使用して接合する第２の実施例の部材及び仮接合体を示す斜視図である。
【図８】小接合面用パルス通電接合装置を使用して接合するその他の例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１ パルス通電接合装置
１０ フレーム装置 ２０ 可動テーブル装置
２１ 可動テーブル ３０ 通電電極装置
３１ 下通電電極組立体 ３２ 上通電電極組立体
３３ 下通電電極 ３４ 上通電電極
４０ 押圧装置 ５０ ハウジング
５１ 下ハウジング部分 ５２ 上ハウジング部分
６０ 制御装置 ６１ 圧力センサ
６２ 圧力センサ ６３ 温度センサ
７０ 電源装置 ７１ スイッチ装置
８０ 熱処理部 ９０ 搬送装置
【技術分野】
【０００１】
本発明はパルス通電焼結法の原理を利用したパルス通電接合接合装置に関し、更に詳細には、薄肉パイプ、チューブ又は小片状チップ（小面積の円形、多角形、その他の形状のチップ）或いは細い棒又は線同士の接合、或いはそれらと大面積の部材との接合のような接合面積の小さな部材の接合をパルス通電焼結の原理を利用して行う接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄肉のパイプの端縁を突き合わせてその突き合わせ端で接合する場合、或いは細い棒、線又は小片状チップの端面を他の部材に接合する場合のように、小接合面を有する部材を互いに接合する従来の方法としては、（１）接合すべき端部を局部的に加熱溶解すると共に溶接補助材も溶解し、それによって溶接補助材を介在させて互いに接合する方法、（２）互いに接合すべき部分の周囲にレーザービーム、電子ビーム等の高エネルギービームを局部的に照射してその部分を局部的に溶解させ、それによって部材を互いに接合する方法及び（３）上記溶接補助材とは異なり接合する部材とは異なる材料でできた蝋材（Ｃｕ、Ａｇなどの合金或いはアモルファス金属）を真空雰囲気又は不活性雰囲気で接合面間で溶かして接合する方法等が一般的であった。
【０００３】
しかしながら、上記（１）の接合方法では、（ａ）溶接補助材を使用しなければならない問題、（ｂ）接合すべき部材を局部的に溶解させるため部材の母材に変質が起こる問題、及び（ｃ）互いに接合できる部材の材質に制限がある問題等がある。また、上記（２）の接合方法では、上記（ａ）のように溶接補助材を必要とする問題はなくなるが、上記（ｂ）及び（ｃ）と同様に接合すべき部材を局部的に溶解させるため部材の母材に変質が起こる問題、及び互いに接合できる部材の材質に制限がある問題があり、更に、（ｄ）接合が周辺部で局部的に行われるため高い接合強度を得ることができない問題がある。更に、（３）の接合方法では上記（ａ）ないし（ｃ）及び蝋材を介しての接合であるため接合できる部材の材質に制限があるのみならず、十分な耐熱性や接合強度が得られない問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、技術の進歩により様々な機器の開発及びかかる機器の小型化が進むと共に素材の新しい利用分野が開発され、従来では考えられない素材同士の接合が、或いは小接合面積同士又は大面積母材に小片状チップ（小面積の円形、多角形、その他の形状のチップ）のような小さな接合面積で強固に接合されることが要求されるようになってきた。例えば、薄肉の所定長さのステンレスパイプに十分な接合強度で完全密閉シール状に繋ぎ合わせて使用する場合、非磁性材のパイプ、中実棒材（横断面が円形、多角形、その他の形状の棒材）等に同じく薄肉の磁性材のパイプ、中実棒材（横断面が円形、多角形、その他の形状の棒材）等を繋ぎ合わせて使用する場合、タングステンカーバイド、コバルト系超硬材料と鉄系材料とを繋ぎ合わせて使用する場合、或いは銅系の材料と鉄系の材料とを繋ぎ合わせて使用する場合などである。
【０００５】
近年パルス電流を流して行うパルス通電加圧焼結（放電プラズマ焼結、放電焼結或いはプラズマ活性化焼結等を含む）の原理を利用して、粉末でなく所定の嵩を有し比較的大きな接合面を有している部材同士を接合させる技術が開発されつつあるが、このパルス通電加圧焼結法を利用した接合装置では材料に比較的大きな圧力を付加した状態で行う必要があったため、例えば、薄肉パイプの端面同士を突き合わせて接合させる場合のように、互いに接合される部材の接合面が小さくて大きな力を加えると部材が座屈する場合には使用できない。このような問題を解決するためには座屈を防止するための外形、中子型或いはジグを使用しなければならない。
しかしながら、型或いはジグを使用する場合には、互いに接合される被接合部材の形状、寸法等が異なるごとにその被接合部材の形状、寸法に合った型或いはジグを用意しなければならず接合作業が繁雑になる問題、型又はジグに通電する必要が生じるため接合時間が長くなりまた消費電力も多くなる問題、それだけ接合コストが高くなる問題等大量生産、実用性については大きな問題がある。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、放電プラズマ焼結、放電焼結或いはプラズマ活性化焼結等を含むパルス通電加圧焼結の原理を利用し、しかも接合面の小さな部材同士の接合に適したパルス通電接合方法及びその接合装置を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、被接合部材に対する加圧力を押圧装置により高精度に制御して被接合部材の座屈、屈曲等の発生を阻止できる、大量生産及び実用性の高いパルス通電接合方法及びその接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の一つの発明は、互いに接合すべき小接合面を有する複数の部材を、所望の雰囲気に保持されたチャンバ内に入れかつ接合面を当接させた状態で対の通電電極により挟み、前記複数の部材に前記対の通電電極を介して所望の電圧及び電流のパルス電流を流して前記接合面で接合する小接合面用パルス通電接合方法において、
通電開始前に所望の第１の押圧力で前記複数の部材を押圧し、
通電開始後前記チャンバ内の温度が前記接合される複数の部材の材質及び寸法によって決まる温度に達した後、前記材質及び寸法によって決まる第２の押圧力で前記複数の部材を押圧し、
前記複数の部材を仮接合して仮接合体にするように構成されている。なお、上記第２の押圧力は適宜変化する可変の押圧力であり得る。
上記小接合面用パルス通電接合方法において、前記第２の押圧力での押圧を、前記部材に加えられる押圧力を常時圧力センサで検出し、フィードバックさせて制御するようにしても良く、また、前記接合面を鏡面に研磨してもよい。また、小接合面用パルス通電接合方法が、更に、前記仮接合された部材を前記部材の材質及び寸法によって決まる温度及び時間により熱処理を施すことを含んでいてもよい。
更にまた、前記小接合面用パルス通電接合方法において、前記熱処理を、前記仮接合に引き続いて前記チャンバ内で前記通電電極により熱処理電流を流して行っても、或いは前記仮接合された複数の仮接合体をまとめて熱処理炉によって行ってもよい。
本願の他の発明は、対の通電電極と、前記対の通電電極の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動する圧力可変の押圧装置と、前記通電電極にパルス電流を供給する電源装置と、少なくとも前記通電電極間の空間を所望の雰囲気に制御可能なチャンバとを備え、前記対の通電電極の間で互いに接合すべき小接合面を有する部材を接合面を当接させた状態で挟み、前記部材に所望の電圧及び電流のパルス電流を流して前記接合面で仮接合して仮接合体にする小接合面用パルス通電接合装置において、
前記接合すべき部材に加えられる圧力を検出可能な圧力センサと、
前記圧力センサにより検出した検出値に基づいて前記押圧装置の押圧力を制御可能な制御装置とを備え、
前記制御装置が前記押圧装置による押圧力を、接合すべき部材の材質及び寸法により決まる値でフィードバック制御し、複数の前記部材を座屈、屈曲変形等を起こさせることなく固相拡散接合させて仮接合体にするように構成されている。
上記小接合面用パルス通電接合装置において、前記圧力可変押圧装置が、ボールねじ装置及び前記ボールねじ装置を駆動する微小回転制御可能な電動モータであってもよい。また、前記対の通電電極に前記パルス電流を供給する電源装置が、前記通電電極に熱処理用電流を供給可能であり、前記仮接合後に前記通電電極に前記熱処理用電流を流して前記チャンバ内で熱処理を行っても、或いは、更に、前記仮接合体の熱処理を行う熱処理炉を備えていてもよい。チャンバ内で熱処理を行う場合、通電電極に供給する電流は焼結用の電流と同じ電流でも或いは異なる電流でもよい。また、熱処理炉で行う場合、一つのシステムの中に組み込んでも或いは別個に配置してもよい。なお、接合過程で被接合材料の酸化が問題にならない材質、形状、或いは低温接合可能な場合は、雰囲気制御付きチャンバはなくてもよい。
更にまた、小接合面用パルス通電接合装置が、更に、前記仮接合体を前記熱処理炉に自動的に供給する搬送装置を備えていてもよい。また、ＴＰマガジンから接合装置へ、接合装置から熱処理炉へ、更に熱処理炉から冷却済み又は処理済み接合品用のマガジンへの自動搬送を行う装置を備えていても良い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により次のような効果を奏することが可能である。
（イ）薄肉パイプ同士のように接合面積の小さな部材間の接合を固相拡散接合になるパルス通電接合法で相互の部材が全当接面に亘り完全密着シール状態で簡単にしかも座屈、屈曲変形等を起こさせることなくかつ母材並の強度を持った高品位の接合部品の大量生産ができる。
（ロ）従来の接合法では接合できない異種又は同種材質の部材同士を簡単に接合させることができる。
（ハ）台座形状部品を、ブロック状の素材から切削加工（フライス加工、放電加工等）で複雑な形状に削り出すことなく、基板材料に小片の部材をパルス通電接合することで製作できるので、大幅な工程削減、コスト削減ができる。
（ニ）エンドミルの刃先では切削不可能な直角や鋭角をもつ平坦部と突起部分との一体形状やアンダーカット形状でも容易につくることができ、一体部材から切削加工で製造するよりも形状設計の自由度が広がる。
（ホ）固相拡散接合部品が短時間で廉価に簡便に量産が可能となる。
（ヘ）ロー付け品、溶接品に比べて組織的にもまた機械特性的にも信頼度の高い部品をつくることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に図面を参照して本発明による小接合面用パルス通電接合方法を実施する接合装置の実施形態について説明する。
図１ないし図３において、本実施形態による小接合面用パルス通電接合装置（以下単に通電接合装置と呼ぶ）１が示されている。この通電接合装置１は、放電プラズマ焼結、放電焼結或いはプラズマ活性化焼結等を含むパルス通電焼結法の原理を利用するものであるが、通常焼結で使用されるグラファイト製などの焼結型（ダイ、パンチ等）は使用しない。通電接合装置１は、フレーム装置１０と、フレーム装置１０の中央部（図１において）に関して上下方向（図１において）に移動可能に支持された可動テーブル装置２０と、可動テーブル装置２０に取り付けられた通電電極装置３０の下通電電極組立体３１と、可動テーブル装置を上下動させる押圧装置４０と、フレーム装置１０の上部に取り付けられた通電電極装置３０の上通電電極組立体３２と、被接合部材の周囲を所望の雰囲気（例えば真空雰囲気或いは不活性ガス雰囲気）にするチャンバを画成するハウジング組立体５０と、を備えている。この実施形態の通電接合装置は制御装置６０（図３）により全体的な動作の制御が行われ、電源装置７０（図３）から接合用の直流パルス電流が供給される。
【００１０】
フレーム装置１０は、箱状の下フレーム１１と、下フレーム１１の上部に固定された下支持プレート１２と、下支持プレート１２に公知の方法で取り付けられた複数（この実施例では下支持プレートの四隅に近接して配置された４本）の支柱１３と、支柱１３の上端に公知の方法で取り付けられた上支持プレート１４とを備えている。下支持プレート１２には４個の貫通穴が形成されて、その貫通穴内には軸受け部材１２１が装着されている。各軸受け部材１２１内には、可動テーブル装置２０の可動テーブル２１の四隅に公知の方法で取り付けられていて下方に伸びる案内軸２２が滑り可能に挿入されている。したがって、可動テーブル２１は案内軸２２及び軸受け１２２によって単に上下方向にのみ移動できるように案内されている。
【００１１】
下フレーム１１内には押圧装置４０が配設固定されている。この押圧装置４０は上下方向に所定の長さ伸びる公知の構造及び機能のボールねじ装置４１と、ボールねじ装置４１の入力軸（図示せず）に入力を与える駆動源としての電動モータ４２と、電動モータ４２の回転出力をボールねじ装置４１に与える伝動機構４３とを備えている。電動モータ４２は微小の回転角を高精度に制御できるステッピングモータが好ましい。この電動モータ４２は制御装置６０に接続されていてその制御装置の制御の下で回転を制御されるようになっている。ボールねじ装置４１の出力軸４１１の上端近傍（図１において）にはガイドプレート２４が取り付けられ、そのガイドプレート２４には可動テーブル２１に取り付けられかつ下方に伸びる複数のガイドロッド２５が相対移動可能に案内されている。ボールねじ装置４１の軸線及び下通電電極組立体３１の軸線は装置全体の軸線０−０に一致させてある。可動テーブル２１と出力軸４１１との間には本通電接合装置の動作の制御を行う制御装置６０の圧力センサ６１が配置されている。この圧力センサ６１は公知の構造及び機能を有するものでよい。したがって、押圧装置４０によって可動テーブル２１に加えられる軸方向押圧力は圧力センサ６１によって検出される。ボールねじ装置の出力軸４１１はガイドプレート及びガイドロッドの作用により回転しないようになっている。
【００１２】
可動テーブル２１の上面には絶縁性の取り付け板３５を介して下通電電極組立体３１が可動テーブルに関して絶縁して固定されている。取り付け板３５と下通電電極組立体３１の下端との固定は複数の公知の止めねじで行われ、取り付け板３５は公知の止めねじにより可動テーブル２１に固定される。下通電電極組立体３１は硬質で靭性を有する材料、例えばステンレスで作られた円柱状の下通電電極３３を有している。下通電電極３３はケーブル及びスイッチ装置７１（図３）を介して電源装置７０（図３）に接続可能になっている。スイッチ装置７１は電源装置の一部を構成しても良く、本出願人による特願２０００−２８４７７１号「パルス通電焼結機用通電装置」に示されるスイッチ機構と同様の構造のものでも良い。下通電電極３３内には冷却流体を流す冷却通路（図示せず）が形成され、その冷却通路には一対の給排パイプ（図１で１個のみ図示）３３１を介して冷却流体が循環されるようになっている。取り付け板３５は全体が絶縁材料でできていても、或いは金属板の表面に絶縁処理を施したものでもよい。
【００１３】
下通電電極３３の外側にはハウジング組立体５０の下ハウジング部分５１が下通電電極３３に関して相対的に移動可能に設けられている。下ハウジング部分５１は、下通電電極の外周に滑動可能に取り付けられた底壁部材５１１と、底壁部材に互いに隔ててかつ底壁部材に関して密閉して固定された内周壁部材５１２及び外周壁部材５１３と、内及び外周壁部材の上端に固定された環状の端板５１４とを有している。底壁部材５１１の下通電電極に対する接触面には公知の構造のシール部材（図示せず）が設けられ、それらの間の隙間を密閉している。底壁部材５１１には、下支持プレート１２の貫通穴に装着された軸受け１２３に滑動可能に支持された駆動ロッド５３が取り付けられている。この駆動ロッドは、ラック及びピニオン装置及びピニオン回転用の電動モータ（図示せず）により駆動されるようになっている。これにより下ハウジング部分５１を下通電電極に関して相対的に移動できるようにしている。５５は可動テーブルに取り付けられていて下ハウジング部分５１の下降を制限するストッパであって、軸線０−０を中心として直径方向の２カ所に設けられている。なお、５７は耐熱ガラスでできたのぞき窓である。
【００１４】
上支持プレート１４の下面には取り付け板３６及び絶縁板３８を介して下通電電極組立体３２が固定されている。絶縁板３８と下通電電極組立体３２の上端との固定、絶縁板３８と取り付け板３６との固定並びに取り付け板３６と上支持プレート１４との固定は、複数の公知の止めねじで行われる。上通電電極組立体３２はステンレスで作られた円柱状の上通電電極３４を有している。上通電電極３４は、ケーブルを介して電源装置７０に接続可能になっている。上通電電極３３内には冷却流体を流す冷却通路（図示せず）が形成され、その冷却通路には一対の給排パイプ（図１で１個のみ図示）３４１を介して冷却流体が循環されるようになっている。
【００１５】
上通電電極３４の外側にはハウジング組立体５０の上ハウジング部分５２が配設されている。上ハウジング部分５２は、下通電電極の外周に公知の方法で密封して取り付けられた頂壁部材５２１と、頂壁部材５２１に互いに隔ててかつ底壁部材に関して密閉して固定された内周壁部材５２２及び外周壁部材５２３と、内及び外周壁部材の下端に固定された環状の端板５２４とを有している。頂壁部材５２１は、上支持プレート１４に固定された複数（本実施形態では４個であるが１個のみ図示）の連結ロッド５４を介して上支持プレート１４に固定されている。５６は内周壁部材５２２及び外周壁部材５２３に取り付けたパイプであって、図示しない導管を介して真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気にする雰囲気制御装置（図示せず）に接続されている。下ハウジング部分５１の端板５１４の上面及び上ハウジング部分５２の端板５２４の下面の少なくとも一方には環状の溝が形成され、その溝内にはＯリングシールが設けられ、両者が合わされたときそれらの間からの空気の漏れを防止し得るようになっている。上ハウジング部分５２内には、図３に示されるように、圧力センサ６２及び温度センサ６３が設けられ、それらの圧力センサ及び温度センサにより下ハウジング部分５１と上ハウジング部分５２とによって画成されたチャンバＣ内のガス圧及び温度をそれぞれ検出できるようになっている。圧力センサ６２及び温度センサ６３は制御装置７０に接続され、その検出信号を制御装置に入力できるようになっている。なお、温度フィードバックと組み合わせた圧力制御を行ってもよい。
【００１６】
［実施例１］
次に上記の通電接合装置１を使用して図４［Ａ］に示されるような薄肉のパイプＭ１とＭ２とを端面を突き合わせた状態で接合する場合について説明する。ここで、パイプＭ１は非磁性ステンレス（ＳＵＳ３０４）製のパイプであり、パイプＭ２は磁性ステンレス（ＳＵＳ４３０）製のパイプであり、いずれも長さＬ1＝３０ｍｍ、内径ｄ1＝８ｍｍ、外径ｄ2＝１０ｍｍ、で肉厚はｔ1＝１ｍｍであるものとする。この場合、パイプＭ１及びＭ２の互いに接合する端面すなわちパイプＭ１の上端面Ｍ１ｅ及びパイプＭ２の下端面Ｍ２ｅは全面にわたって均等に接触するよう切削しておく。好ましくは、鏡面に研磨しておく。このように用意しかつ端面を突き合わせた二つのパイプを下通電電極３３の上端面上に、例えば、Ｖ溝構造の位置合わせ冶具などを用いてセットした後、制御装置６０により押圧装置４０を動作させて可動テーブル１２を上昇させ、下通電電極組立体３１と上通電電極組立体３２との間でパイプを挟む。この時押圧装置４０の押圧力を調整して、初期押圧力を、当接表面がなじみ易いように例えば１ないし３メガパスカルの力で押さえるようにする。この状態で下ハウジング部分５１を上昇させて端板５１４を上ハウジング部分５２の端板５２４に当接させ、ハウジングにより被接合部材であるＭ１及びＭ２の周囲に外部から密閉されたチャンバＣを画成する。
【００１７】
この状態で雰囲気制御装置を動作させてチャンバＣ内を所望の雰囲気にする。この場合にはチャンバ内を真空引きして真空状態、例えば、約６．７パスカル（Ｐａ）（５×１０-2ｔｏｒｒ）にする。チャンバ内の真空引きが完了した後は、制御装置６０の指令によりスイッチ装置７１をオンにして電源装置７０から上下通電電極組立体を通してパイプＭ１及びＭ２に６ないし１２ボルト（Ｖ）で３００ないし８００アンペア（Ａ）の直流パルス電流を流す。電流が流れるに従ってパイプは発熱し高温になり、上下は機械的に固定されているため熱膨張により軸方向の歪みが発生し、加圧力は徐々に増大し、そのまま高い押圧力でパイプを軸方向に押圧しているとパイプは座屈する。このためパイプを固定後、押圧装置４０によりパイプに加えられる押圧力を、例えば０．５ないし１．０メガパスカル（ＭＰ）まで下げ、パルス電流の通電を始める。その後、圧力センサ６１からの検出信号に基づき押圧力をフィードバック制御してこの押圧力を保持する。通電加圧軸の送り機構には、パイプの上端面の１〜２ｍｍ程度手前まで早送りし、その後端面に当接するまで減速送りするプログラムが組み込まれていても良い。パイプへの通電開始から２〜５分程度の短時間で両パイプは接合されるので、スイッチ装置オフにして通電を停止する。この接合の原理は次の通りである。直流パルス電流を流すと、接触抵抗の高い当接している界面部分がジュール加熱により高温に熱せされる。また、材料自体の抵抗値により全体がジュール加熱される。また、上下一軸加圧力による塑性変形と熱膨張により上下に重ねられた部材の当接界面には高い圧力が発生する。更にｏｎ−ｏｆｆパルス電流の流れの方向に沿って電場が生じ、電界拡散が生じる。この電界拡散効果と前述の熱拡散の機械的圧力が固相拡散接合に寄与し金属結晶構造の配向性をもたらすと考えられる。この接合は必ずしも十分な接合強度で行われていないので、ここでは仮接合と呼び、仮接合されたものを仮接合体と呼ぶ。通電を停止した後チャンバを大気圧に戻し、下ハウジング部分を降下させて上下通電電極間に挟まれた仮接合体を取り出せるようにする。その後可動テーブルを降下させて上下通電電極間から仮接合体を取り出し仮接合が完了する。上記の場合は仮接合体を自然冷却により冷却させる場合であるが、強制的に冷却したい場合には、通電停止後チャンバ内に冷却された不活性ガスを供給し、或いは吸熱構造部材を有する冷却ステージを別途設けて冷却してもよい。なお、実施例１は上下に重ねされた部材の場合であるが、内外に同軸円筒重ね合わせ状（バウムクーヘン状或いは同心円状）に複数のパイプ及び中実丸棒を接合してもよい。
【００１８】
上記のような薄肉のパイプ同士の接合、径の小さい棒材又は線材同士の接合、或いは棒材、線材又は薄肉パイプと板材との接合のように接合面の面積が小さい場合には大きな力を加えると被接合部材が常温でも座屈、屈曲等が起こり、被接合部材が発熱して高温になるとより小さな押圧力で座屈を起こす。このため、被接合部材の寸法（長さ、外径、肉厚等）及び材質に応じた制御プログラム（押圧力減少開始温度、押圧力、通電時間等を決めた制御プログラム）を予め種々作成しておき、その制御プログラムにしたがって押圧装置４０により押圧力の増減フィードバック制御を行う。そして、押圧装置による押圧力は、可能な限りゼロに近い値でも制御できるようにしておく。このようなフィードバック制御のフローチャートを示せば図５に示されるようになる。
【００１９】
上記通電接合装置により行われた両パイプの接合は仮接合である。パイプの使用目的によっては仮接合程度の接合強度でも良い場合がある。その場合には、上記仮接合されたパイプＭ１及びＭ２を、図４［Ｂ］に示される仮接合体Ｍ３として通電接合装置から取り出して使用に供する。両パイプの接合を高い接合強度で本接合させる場合には、下記のような条件で熱処理を行う。
熱処理温度 ９００℃〜１０００℃
熱処理時間 ３０分〜９０分
上記熱処理の条件は被接合部材として前記ステンレス鋼製薄肉パイプを仮接合した仮接合体に対するものであり、被接合部材の大きさ、材質等により異なるものである。
【００２０】
次に、上記のように仮接合されたパイプＭ１及びＭ２（したがってここでは仮接合体Ｍ３）を上記通電接合装置を使用して熱処理を行う場合について説明する。仮接合のための通電が終了した後、チャンバＣ内の真空雰囲気をそのまま保持しておき、或いはチャンバ内に不活性ガスを流して冷却することによりチャンバＣ内の温度が上記熱処理温度に適した温度まで下がった後、電源装置７０から熱処理温度に保つための熱処理用電流すなわち５ないし２０ボルトで、５００ないし１０００アンペアの直流電流を約１０〜３０分流す。この場合チャンバ内に設けられた温度センサによりチャンバ内の温度が熱処理温度に保たれるように、電流値をフィードバック制御する。この熱処理により両パイプの接合は完全なもの（本接合）になる。熱処理が完了後チャンバＣ内の冷却（自然冷却でも強制冷却でもよい）を待って下ハウジング部分を降下させかつ可動テーブルを降下させて本接合されたパイプを取り出して使用に供する。通常、熱処理時間が仮接合時間より遙かに長いので、上記のように通電接合装置を使用して熱処理を行うのは効率が悪い。したがって、このような熱処理を行うのは単品、少量生産の場合などに適している。
【００２１】
図６において、本発明の通電接合装置の別の実施形態が示されている。この通電接合装置は、熱処理を行う熱処理部８０を更に備えている。この熱処理部は市場で入手可能な公知の構造の熱処理炉で良い。この熱処理炉で熱処理する場合は、上記通電接合装置１により仮接合されたパイプが複数個たまったときまとめてバッチ式に熱処理炉に入れて一度に熱処理を行う。このようにするのは、仮接合は数分で行えるのに対して熱処理は数十分かかるので仮接合された仮接合体を複数まとめて熱処理を行うことによって、効率を良くでき、接合品の大量生産に適している。
【００２２】
通電接合装置は、更に、仮接合された部材すなわち仮接合体を熱処理部８０に自動的に供給する搬送装置９０を備えていても良い。この搬送装置は、通電接合装置１の上、下通電電極間から仮接合体を取り出す公知の構造のロボット装置９１と、ロボット装置９１により取り出された仮接合体を複数個まとめて熱処理部８０内に送るコンベヤ９２とを備えている。ロボット装置９１は、角θの範囲で揺動可能なアーム９１１と、そのアームの先端に取り付けられたチャック９１２とを備えている。この別個に設けられた熱処理部に熱処理を行うことにより複数の仮接合体をバッチ式まとめて熱処理できるので効率良く接合できる。したがって、同一品から成る多数の接合体を製造する場合に適している。なお、図示しないが、アーム９１１の揺動範囲の途中に設けた供給コンベアにより接合すべき部材を上下に重ねた状態で供給し、チャックで把持して自動的に上、下通電電極の間に自動的に供給し、チャックで把持した状態でそれらの通電電極で押圧して押さえるようにしてもよい。
なお、図示しないが、ＴＰマガジンから接合装置へ、接合装置から熱処理炉へ、更に熱処理炉から冷却済み又は処理済み接合品用のマガジンへの自動搬送を行う装置を備えていても良い。
【００２３】
［実施例２］
図７［Ａ］に示されるような細い線材Ｎ１の端面と板材Ｎ２一方の表面とを接合する場合について説明する。ここで、線材Ｎ１はモリブデン製で、長さＬ2＝２５ｍｍ、外径ｄ3＝５ｍｍであり、板材Ｎ２はタングステン製で、直径ｄ4＝３０ｍｍで肉厚がｔ2＝５ｍｍの円板であるものとする。この場合、線材Ｎ１の端面及び板材Ｎ２の表面の互いに当接する部分は均等に接触するよう加工しておく。好ましくは、鏡面に研磨しておく。このように用意しかつ互いに突き合わせた線材及び板材を前記実施例１と同様にして通電接合装置１によりまず仮接合した。その時、初期押圧５メガパスカルの力で上下通電電極により押さえた。
【００２４】
この状態で雰囲気制御装置を動作させてチャンバＣ内を真空引きして真空状態（５×１０-2ｔｏｒｒ）にした後、押圧装置によるプリセット設定圧力を２メガパスカルにし上下通電電極組立体を通して線材及び板材に３ないし１２ボルト（Ｖ）で２００ないし６００アンペア（Ａ）の直流パルス電流を流した。電流が流れるに従ってパイプは発熱し高温になったので、非接触式の赤外線放射型温度計で計測した。接合部分の温度が１３５０℃になるまで押圧力を１〜２メガパスカルの間でフィードバック制御してこの押圧力を保持した。通電開始から５分後に通電を停止した。これにより図７［Ｂ］に示されるような線材と板材の仮接合体Ｎ３ができあがった。この仮接合体Ｎ３を熱処理部８０の真空熱処理炉内を使用して熱処理温度１１８０℃、熱処理時間４０〜６０分に亘って熱処理を行った。この熱処理により線材と板材の接合は完全なものになった。
なお、上記実施例ではステンレス製薄肉パイプの接合及びモリブデン製線材とタングステン製板材との接合についてのみ説明したが、その他、接合面積の小さな種々の部材の接合に、しかも種々の材質の部材の接合に本発明の方法及び装置を使用することが可能である。例えば、図８［Ａ］に示されるように、基板Ｏ１に複数の小径の円柱状又は円筒状チップＯ２を接合する場合、 図８［Ｂ］に示されるように、円板Ｐ１に小歯車Ｐ２を接合する場合、図８［Ｃ］に示されるように、基板Ｑ１にカム部材Ｑ２を接合する場合、図８［Ｄ］に示されるように、複数の形状の異なる複数の小形のカムＲ１ないしＲ３を隣接して接合する場合、図８［Ｅ］に示されるように、ブロック材Ｓ１に小部品Ｓ２を接合する場合等である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による小接合面用パルス通電接合装置の縦断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿って見た小接合面用パルス通電接合装置の断面図である。
【図３】図１の小接合面用パルス通電接合装置の電気及び制御系統の接続関係を示すずである。
【図４】図１の小接合面用パルス通電接合装置を使用して接合する第１の実施例の部材及び仮接合体を示す斜視図である。
【図５】図１の小接合面用パルス通電接合装置の押圧力のフィードバック制御を示すフローチャートである。
【図６】本発明の小接合面用パルス通電接合装置の変形例を示す図である。
【図７】図１の小接合面用パルス通電接合装置を使用して接合する第２の実施例の部材及び仮接合体を示す斜視図である。
【図８】小接合面用パルス通電接合装置を使用して接合するその他の例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１ パルス通電接合装置
１０ フレーム装置 ２０ 可動テーブル装置
２１ 可動テーブル ３０ 通電電極装置
３１ 下通電電極組立体 ３２ 上通電電極組立体
３３ 下通電電極 ３４ 上通電電極
４０ 押圧装置 ５０ ハウジング
５１ 下ハウジング部分 ５２ 上ハウジング部分
６０ 制御装置 ６１ 圧力センサ
６２ 圧力センサ ６３ 温度センサ
７０ 電源装置 ７１ スイッチ装置
８０ 熱処理部 ９０ 搬送装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対の通電電極と、前記対の通電電極の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動する圧力可変の押圧装置と、前記通電電極にパルス電流を供給する電源装置と、少なくとも前記通電電極間の空間を所望の雰囲気に制御可能なチャンバとを備え、前記対の通電電極の間で互いに接合すべき小接合面を有する部材を小接合面を当接させた状態で挟み、前記部材に所望の電圧及び電流のパルス電流を流して前記小接合面で固相拡散接合させて仮接合体にする小接合面用パルス通電接合装置において、
前記接合すべき部材に加えられる圧力を検出可能な圧力センサと、
前記圧力センサにより検出した検出値に基づいて前記押圧装置の押圧力を制御可能な制御装置とを備え、
前記制御装置が前記押圧装置による押圧力を、接合すべき部材の材質及び寸法により決まる値でフィードバック制御し、複数の前記部材を座屈、屈曲変形等を起こさせることなく固相拡散接合させて仮接合体にする小接合面用パルス通電接合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の小接合面用パルス通電接合装置において、前記圧力可変押圧装置がボールねじ装置及び前記ボールねじ装置を駆動する微小回転制御可能な電動モータである小接合面用パルス通電接合装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の小接合面用パルス通電接合装置において、前記対の通電電極に前記パルス電流を供給する電源装置が、前記通電電極に熱処理用電流を供給可能であり、前記仮接合後に前記通電電極に前記熱処理用電流を流して前記チャンバ内で熱処理を行う小接合面用パルス通電接合装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の小接合面用パルス通電接合装置において、更に、前記仮接合体の熱処理を行う熱処理炉を備える小接合面用パルス通電接合装置。
【請求項１】
対の通電電極と、前記対の通電電極の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動する圧力可変の押圧装置と、前記通電電極にパルス電流を供給する電源装置と、少なくとも前記通電電極間の空間を所望の雰囲気に制御可能なチャンバとを備え、前記対の通電電極の間で互いに接合すべき小接合面を有する部材を小接合面を当接させた状態で挟み、前記部材に所望の電圧及び電流のパルス電流を流して前記小接合面で固相拡散接合させて仮接合体にする小接合面用パルス通電接合装置において、
前記接合すべき部材に加えられる圧力を検出可能な圧力センサと、
前記圧力センサにより検出した検出値に基づいて前記押圧装置の押圧力を制御可能な制御装置とを備え、
前記制御装置が前記押圧装置による押圧力を、接合すべき部材の材質及び寸法により決まる値でフィードバック制御し、複数の前記部材を座屈、屈曲変形等を起こさせることなく固相拡散接合させて仮接合体にする小接合面用パルス通電接合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の小接合面用パルス通電接合装置において、前記圧力可変押圧装置がボールねじ装置及び前記ボールねじ装置を駆動する微小回転制御可能な電動モータである小接合面用パルス通電接合装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の小接合面用パルス通電接合装置において、前記対の通電電極に前記パルス電流を供給する電源装置が、前記通電電極に熱処理用電流を供給可能であり、前記仮接合後に前記通電電極に前記熱処理用電流を流して前記チャンバ内で熱処理を行う小接合面用パルス通電接合装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の小接合面用パルス通電接合装置において、更に、前記仮接合体の熱処理を行う熱処理炉を備える小接合面用パルス通電接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−２５３２４０（Ｐ２００７−２５３２４０Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２８２５７（Ｐ２００７−１２８２５７）
【出願日】平成１９年５月１４日（２００７．５．１４）
【分割の表示】特願２００１−３０１６００（Ｐ２００１−３０１６００）の分割
【原出願日】平成１３年９月２８日（２００１．９．２８）
【出願人】（５０５３０１９４１）ＳＰＳシンテックス株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１４日（２００７．５．１４）
【分割の表示】特願２００１−３０１６００（Ｐ２００１−３０１６００）の分割
【原出願日】平成１３年９月２８日（２００１．９．２８）
【出願人】（５０５３０１９４１）ＳＰＳシンテックス株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
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