金属の拡散接合方法
【課題】大きな接合強度が得られる、硬度の異なる金属同士の接合方法を提供すること。
【解決手段】第１の金属で形成された第１の部材１１０と、第１の金属より硬度の高い第２の金属で形成された第２の部材１２０との拡散接合方法であって、第１の部材の接合面１１２と、第２の部材の接合面１２６とを摺動し、少なくとも一方の接合面に形成されている酸化膜を除去する工程と、第１の部材と第２の部材とを押し付ける力を加えながら、第１の部材と第２の部材との間に通電し、第１の部材と第２の部材とを接合する工程とを備える、金属の拡散接合方法。
【解決手段】第１の金属で形成された第１の部材１１０と、第１の金属より硬度の高い第２の金属で形成された第２の部材１２０との拡散接合方法であって、第１の部材の接合面１１２と、第２の部材の接合面１２６とを摺動し、少なくとも一方の接合面に形成されている酸化膜を除去する工程と、第１の部材と第２の部材とを押し付ける力を加えながら、第１の部材と第２の部材との間に通電し、第１の部材と第２の部材とを接合する工程とを備える、金属の拡散接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬度の異なる金属同士の拡散接合方法に関する。特に、接合部の接合強度の大きい金属の拡散接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品においては、軽量化の要求が厳しくなり、高強度を要求される部分にだけ高強度の金属を使用し、その他の部分には軽量の金属を用いて、軽量化を図っている。たとえば、自動車部品に代表されるように、大きな強度が要求される部分や摺動部には鉄系材料を用い、その他の部分をアルミニウム系材料で構成する機械部品が使用されている。このように強度あるいは硬度の異なる金属同士を接合する要求が増加している。
【０００３】
ところで、たとえばアルミニウム系材料は溶接が難しく、これまでは主に抵抗スポット溶接により行われてきた。抵抗スポット溶接によると、ナゲットが形成されるので、外観上好ましくはなかった。そこで、被溶接物の双方にプロジェクションを形成したプロジェクション溶接により溶接する方法が提案されている（特許文献−１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１０３０５６（第３−５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、鉄系材料にアルミニウム系材料のような硬度の異なる金属を溶接する場合には、充分な溶接強度が得られない場合がほとんどである。そこで、本発明は、大きな接合強度が得られる、硬度の異なる金属同士の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る金属の拡散接合方法は、たとえば図１に示すように、第１の金属で形成された第１の部材１１０と、第１の金属より硬度の高い第２の金属で形成された第２の部材１２０との拡散接合方法であって；第１の部材１１０の接合面１１２と、第２の部材１２０の接合面１２６とを摺動し、少なくとも一方の接合面１１２、１２６に形成されている酸化膜を除去する工程と；第１の部材１１０と第２の部材１２０とを押し付ける力を加えながら、第１の部材１１０と第２の部材１２０との間に通電し、第１の部材１１０と第２の部材１２０とを接合する工程とを備える。なお、「拡散接合方法」とは、固相の被接合材料同士の接合面で原子間の結合を起こさせる固相接合方法をいうが、接合面において被接合材料に僅かな溶融が生ずる場合をも含む。また、「硬度」とは材料の塑性変形に対する抵抗の大小をいい、「硬度の高い」とは、例えばビッカース硬さ、ブリネル硬さ、ショア硬さ、ビアバウム硬さなど、工業的に用いられるいずれか一の測定方法により測定された硬さが高い値を示すことをいう。
【０００６】
このように構成すると、金属同士が接している界面を電流が流れることにより発熱し、発熱により軟化した金属表面が摺動されることにより塑性流動し、表面酸化膜が除去されて清浄な表面が得られ、金属原子が拡散して拡散接合されるので、接合強度の大きな金属の接合方法となる。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項１に記載の金属の拡散接合方法において、たとえば図１に示すように、第１の部材１１０または第２の部材１２０の内、いずれか一つの部材１１０に孔１１１が形成され、他の部材１２０は孔１１１より少なくとも一部が大きな外形１２６を有し；摺動する力Ｐ１を、孔１１１を貫通する方向に加えて、他の部材１２０を孔１１１に嵌入するようにしてもよい。
【０００８】
このように構成すると、他の部材が少なくとも一部が孔より大きな外形を有しているので、孔より大きな外形を孔に嵌入するときに、孔の面と他の部材の外形とが摺動されることにより塑性流動し、そこに形成されている酸化膜は除去される。また、孔に他の部材を嵌入することにより、孔の面と他の部材の外形とは密着し、拡散接合され易くなる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、例えば図６（ａ）に示すように、請求項２に記載の金属の拡散接合方法において、孔７１は、他の部材８０と摺動する第１の面７２と、第１の面７２から孔の内側に延びる第２の面７６とを含んで形成され；第２の面７６、あるいは、孔７１に嵌入する他の部材８０の第２の面７６と相対する面８２に突起７７が形成され；他の部材８０を、第２の面７６とほぼ接するまで嵌入してもよい。
【００１０】
このように構成すると、他の部材が孔に嵌入するときに孔の面と他の部材の外形とが摺動し塑性流動した金属は、第２の面から流れる出ることが突起により防止される。その結果、一の部材と他の部材との接合部分の端部がきれいな仕上がりになる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、例えば図８（ａ）に示すように、請求項２に記載の金属の拡散接合方法において、孔７１の他の部材８０と摺動する面７２あるいは他の部材８０の孔７１の面７２と摺動する面８６の少なくともいずれか一方に、他の部材８０が嵌入する方向と交差する方向の溝７８が形成され；他の部材８０は、溝７８を越えてあるいは溝が孔７１に嵌入するまで、孔７１に嵌入してもよい。
【００１２】
このように構成すると、他の部材が孔に嵌入するときに孔の面と他の部材の外形とが摺動し塑性流動した金属は、溝に流れ込むので、接合部分の周囲に流れる出ることが防止される。その結果、一の部材と他の部材との接合部分の端部がきれいな仕上がりになる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、例えば図８（ｂ）に示すように、請求項２に記載の金属の拡散接合方法において、孔７１は、他の部材８０と摺動する第１の面７２と、第１の面７２から孔７１の内側に延びる第２の面７６とを含んで形成され；第２の面７６、あるいは、孔７１に嵌入する他の部材８０の第２の面７６と相対する第３の面８２に周囲より窪んだ凹部９６が形成され；他の部材８０を、第２の面７６と第３の面８２とがほぼ接するまで嵌入してもよい。
【００１４】
このように構成すると、他の部材が孔に嵌入するときに孔の面と他の部材の外形とが摺動し塑性流動した金属は、凹部に流れ込むので、接合部分の周囲に流れる出ることが防止される。その結果、一の部材と他の部材との接合部分の端部がきれいな仕上がりになる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、例えば図７（ａ）に示すように、請求項２に記載の金属の拡散接合方法において、他の部材８０は、孔７１に嵌入しない部分を有し、孔７１に嵌入しない部分の周囲に、孔に嵌入する部分より大きな外形の張り出しであって、孔７１に嵌入した後に他の部材８０が嵌入した孔７１の入口の周囲を、一つの部材７０と共に覆う張り出し８８を有し；他の部材８０を、張り出し８８が、一つの部材７０にほぼ接するまで孔７１に嵌入してもよい。
【００１６】
このように構成すると、他の部材が孔に嵌入するときに孔の面と他の部材の外形とが摺動し塑性流動した金属は、張り出しにより覆われることにより流出することが防止される。その結果、一の部材と他の部材との接合部分の端部がきれいな仕上がりになる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法において、たとえば図１に示すように、孔が円形断面の孔１１１であり；他の部材１２０の外形１２６が円形断面であるように構成してもよい。
【００１８】
このように構成すると、孔も他の部材の外形も円形であるので、広く均一に拡散接合される面が得られ、接合強度の大きな金属の接合方法となり易い。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法において、たとえば図１に示すように、他の部材１２０の外形１２６の大きな部分が孔１１１の形成された部材１１０と重なり合う重ね合わせ代Ｗが、０．２ｍｍないし１ｍｍであるように構成してもよい。
【００２０】
このように構成すると、重ね合わせ代が０．２ｍｍないし１ｍｍであるので、他の部材を孔に嵌入させ易く、かつ、嵌入させるときに表面に形成されている酸化膜が除去され易い。
【００２１】
更に、請求項９に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法において、たとえば図４に示すように、接合した他の部材１６０に、接合する前よりも接合面１６６の法線方向に張り出し、孔１５１の形成された部材１５０に食い込む膨らみ部Ｓが形成されるように構成するとよい。
【００２２】
このように構成すると、接合した箇所において、他の部材が孔の形成された部材に食い込む膨らみ部が形成され、膨らみ部により更に強固に接合されるので、接合強度が一層大きくなる。
【００２３】
また、請求項１０に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法において、第１の金属がアルミニウム系材料であり；第２の金属が鉄系材料であり；酸化被膜が、少なくとも第２の部材の接合面に形成されているように構成してもよい。
【００２４】
このように構成すると、強度の得られにくかったアルミニウム系材料と鉄系材料との接合において、アルミニウム系材料と鉄系材料とが接している界面を電流が流れることにより発熱し、鉄系材料の酸化膜も摺動されることにより塑性流動して除去され清浄な面が得られ、そのためにアルミニウムあるいは鉄原子が拡散して拡散接合されるので、接合強度の大きなアルミニウム系材料と鉄系材料との接合方法となる。ここで、鉄系材料とは、鉄鋼を始めとして鉄を主成分とする合金を含み、アルミニウム系材料とは、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金を含む。なお、「主成分とする」とは、構成する成分中最も重量％の大きいこと、典型的には当該成分を５０重量％以上含むことをいう。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る金属の拡散接合方法によれば、第１の部材の接合面と、第２の部材の接合面とを摺動し、少なくとも一方の接合面に形成されている酸化膜を除去する工程と、第１の部材と第２の部材とを押し付ける力を加えながら、第１の部材と第２の部材との間に通電し、第１の部材と第２の部材とを接合する工程とを備えるので、金属同士が接している界面を電流が流れることにより発熱し、発熱により軟化した金属表面が摺動されることにより塑性流動し、表面酸化膜が除去されて清浄な表面が得られ、そのために金属原子が拡散して拡散接合されるので、接合強度の大きな金属の接合方法となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一または相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２７】
図１を参照して、本発明の実施の形態であるリングマッシュ溶接による鉄系材料とアルミニウム系材料との拡散接合方法を説明する。図１は、アルミニウム系材料で形成された部材１１０（以下、単に「アルミニウム系部材１１０」という。）と鉄系材料で形成された部材１２０（以下、単に「鉄系部材１２０」という。）との接合方法の概念を説明する上面図および断面図であり、（ａ）は接合前の鉄系部材１２０とアルミニウム系部材１１０との上面図、（ｂ）は同じく接合前の断面図、そして、（ｃ）は接合後の断面図である。ここで、リングマッシュ溶接とは、アルミニウム系部材１１０の接合部または鉄系部材１２０の接合部のいずれか一つが該材料に形成された孔１１１の内周面１１２を含み、アルミニウム系部材１１０の接合部または鉄系部材１２０の接合部のいずれか一つとは別の一つが、形成された孔１１１よりも少なくとも一部が大きな外形の外周面１２６を含み、形成された孔１１１を貫通する方向に内周面１１２と外周面１２６とを摺動する力を有する押込み力Ｐ１が加えられ、形成された孔１１１に外周面１２６が嵌合するようにしながら、すなわち内周面１１２と外周面１２６とに押し付ける力を発生しながら、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０との間に通電し接合する固相接合としての拡散接合方法をいう。
【００２８】
図１（ａ）に示すように、アルミニウム系部材１１０は、平板に断面形状が円形の孔１１１が形成されている。孔１１１の形状は、円形には限られず、楕円形、四角形を始めとする多角形等、任意の形状でよい。孔１１１の内周面１１２は、平板の表面に垂直に形成されている。なお、内周面１１２は、平板の表面に必ずしも垂直である必要はないが、垂直であると、後述の押込み力Ｐ１（図１（ｂ）参照）を平板と垂直方向に加えるのが容易で、かつ、押込み力Ｐ１の方向が内周面１１２の方向と一致するので、嵌合させ易い。アルミニウム系部材１１０は、下部電極（不図示）上に載置される。
【００２９】
鉄系部材１２０は、孔１１１の直径よりも大きな外形の外周面１２６を有する円板である。なお、鉄系部材１２０の形状は、孔１１１の形状に適合させる。すなわち、図１に示す実施の形態では、孔１１１の断面形状が円形であるので、円形断面すなわち円板としているが、孔の形状が楕円形であれば鉄系部材１２０の断面形状も楕円形とし、孔の形状が四角形であれば鉄系部材１２０の断面形状も四角形とするのがよい。鉄系部材１２０は、その接合部にアルミニウム系部材１１０に形成された孔１１１より少なくとも一部が大きな外形の外周面１２６を有していればよい。
【００３０】
外周面１２６が内周面１１２より大きく、孔１１１に嵌入するためにアルミニウム系部材１１０に鉄系部材１２０を重ねたときに、鉄系部材１２０とアルミニウム系部材１１０とが重なり合い、鉄系部材１２０が孔１１１に入り込めなくしている部分が重ね合わせ代Ｗとなる。ここで、「大きな」とは、孔１１１よりも僅かに大きければよく、重ね合わせ代Ｗを０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下とすると鉄系部材１２０を孔１１１に嵌入するときに外周面１２６と内周面１１２との間で摺動が生じ、外周面１２６あるいは内周面１１２に形成されている酸化膜が除去されるので好ましく、また、鉄系部材１２０を孔１１１に嵌入させやすい。好ましくは重ね合わせ代Ｗを０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下とすると熱ひずみが小さな拡散接合が可能となり、溶接箇所の外観も損なわれず好適である。特に、外周面１２６の直径が、１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の部材を用いるときには、前述の大きさの重ね合わせ代Ｗとするのがよい。
【００３１】
鉄系部材１２０は、孔１１１に外周面１２６を重ね合わせ代Ｗを持って同心に、アルミニウム系部材１１０の上に載置される。このときに、図１（ｂ）に示すように、鉄系部材１２０にいわゆる面取りが形成されていると、孔１１１と外周面１２６との位置合わせが容易になる。すなわち、鉄系部材１２０の外周面１２６を含む接合部に、孔１１１よりも小さな径の端部（下端）１２２が形成され、端部１２２から、孔１１１よりも大きな外形の外周面１２６に至るテーパ面（面取り面）１２４が形成されるとよい。すると、端部１２２は穴１１１に挿入され、面取り面１２４が内周面１１２に当たった状態となる。なお、面取り面１２４は、いわゆる面取りといわれるよりも大きくとってもよい。極端には、端部１２２が尖端をなして、端部１２２から外周面１２６に至る、円錐形をしていてもよい。
【００３２】
なお、図２の断面図に示すように、鉄系部材１２０と接するアルミニウム系部材１１０の内周面１１２に、面取り面１１４を形成すると、面取り面１１４、１２４同士で接触するようになるので、好適である。あるいは、面取り面１１４だけを形成し、面取り面１２４を形成しなくても、位置合わせが容易になる。なお、面取り面１１４、１２４は形成されていなくてもよい。
【００３３】
鉄系部材１２０をアルミニウム系部材１１０上に載置したら、図１（ｂ）に示すように、鉄系部材１２０を下方に、すなわち、孔１１１を貫通する方向に、よって力を加える方向を接合面に平行方向に、押込み力Ｐ１を加える。鉄系材料１２０は、その上部から上部電極（不図示）により押込み力Ｐ１を付加される。ここで、押込み力Ｐ１の方向は、必ずしも鉛直下方でなくてもよく、内周面１１２あるいは外周面１２６の法線方向より下向きの方向であればよい。つまり、外周面１２６が内周面１１２内に嵌入する方向の、すなわち接合面に平行な方向の力ベクトルを有していれば、内周面１１２と外周面１２６とが摺動され、鉄系部材１２０は孔１１１に嵌入される。また、押込み力Ｐ１は、重ね合わせ代Ｗ、その長さ、および拡散接合の深さ、すなわち、アルミニウム系部材１１０の厚さあるいは鉄系部材１２０の外周面１２６の高さなどにより決まる接合体積に応じた大きさが必要となる。また、材料の硬度によっても変わる。
【００３４】
下部電極と上部電極（共に、不図示）との間には、パルス電流を流すための電源供給装置（不図示）が接続されている。電源供給装置は、例えば３０ｍｓ以下、好ましくは１５ｍｓ以下の時間幅を有するパルス電流を通電する装置であればよい。装置例については、実施例１のところで後に説明する。
【００３５】
上部電極には、鉄系部材１２０を下方へ押込み力Ｐ１で加圧する加圧機構（不図示）が備えられている。また、上部電極から鉄系部材１２０、アルミニウム系部材１１０を伝わった押込み力Ｐ１が作用するので、下部電極は押込み力Ｐ１に充分に耐えるだけの強度を有している。
【００３６】
押込み力Ｐ１を加えながら、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０との間に、１または複数のパルス電流を流す。すると、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０との接触部に、押込み力Ｐ１とパルス電流とが集中する。ここでパルス電流は、孔の内周面１１２、外周面１２６および近傍の材料を溶融させてナゲットを形成する電流ピーク値や電流量よりは小さく、孔の内周面１１２および外周面１２６の表面付近の材料を融点以下で塑性流動させる程度の温度まで上昇させる程度のパルス電流である。
【００３７】
パルス電流が通電されると、温度上昇により接触部および近傍で材料の軟化が起きる。先ずは、融点が低くかつ硬度の低いアルミニウム系部材１１０での軟化が生ずる。軟化することにより変形し易くなった接触部近傍のアルミニウム系部材１１０は、押込み力Ｐ１を受けた鉄系部材１２０により押しのけられる。すなわち、アルミニウム系部材１１０の表面に酸化膜が形成されていても、除去される。鉄系部材１２０は、アルミニウム系部材１１０を押しのけながら、内周面１１２と摺動しながら孔１１１に入り込む。
【００３８】
アルミニウム系部材１１０が軟化するのに僅かに遅れて、融点の高い鉄系部材１２０でも軟化が生ずる。軟化することにより変形し易くなった接触部近傍の鉄系部材１２０は、押込み力Ｐ１を受け、孔１１１に嵌入していく。そのときに、軟化した接触部近傍が、アルミニウム系部材１１０と摺動し、塑性流動を生ずる。すなわち、鉄系部材１２０の表面に酸化膜が形成されていても、除去される。
【００３９】
内周面１１２と外周面１２６とが塑性流動しながら、鉄系部材１２０が孔１１１に嵌入し、鉄系部材１２０の清浄な面とアルミニウム系部材１１０の清浄な面との間で、拡散接合が行われる。なお、押込み力Ｐ１を付加しながらパルス電流を通電することにより、上記の鉄系材料１２０の孔１１１への嵌入および拡散接合は一挙に、例えば３０ｍｓ以下の短時間で行われる。
【００４０】
このように、接合部において、その表面が塑性流動し、酸化膜が除去されることにより、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０との接合が、清浄な面同士で行われることになる。また、鉄系部材１２０を孔１１１に嵌入することにより、内周面１１２と外周面１２６とには押し付ける力が生じている。したがって、金属原子の拡散が起き易く、接合強度の大きな接合方法となる。この拡散接合は、外周面１２６と内周面１１２との間で全周にわたってほぼ均一に行われる。ただし、拡散接合は、全周にわたって行われなくてもよく、一部が接合されなかったり、一部が接合されずに機械的に嵌合されてもよい。
【００４１】
上記の接合方法によると、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０とを、僅かな重ね合わせを持って配置し、通常のコンデンサ蓄勢式抵抗溶接と同様に、これらを上部電極と下部電極（共に、不図示）の間に挟んで、一つ以上のパルス電流を流し、一挙に拡散接合するので、熱ひずみが小さく、かつ、短時間で溶接が完了する。また、ナゲットが形成されないので、外観も損なわず好適である。特に、清浄な面同士で拡散接合が行われるので、機械的結合力が強く、接合強度の十分な、鉄系材料とアルミニウム系材料との拡散接合方法となる。
【００４２】
なお、鉄系部材１２０が炭素を２重量％以上含有する高炭素鋼からなる場合には、パルス電流の通電による拡散接合で、焼入れが行われてしまう。そこで、パルス電流の通電後、ある程度の時間経過後にパルス状の後熱用電流を流して焼き戻しを行う。ここで、ある程度の時間経過後に後熱用電流を流すのは、一般的にパルス電流を供給する電源供給装置では、パルス電流を通電した後に、再度パルス電流を流すのに充電するための時間が必要なためである。なお、パルス電流とパルス状の後熱用電流とを共通の電流供給装置から供給するように構成すると、装置が少なくて済むので好適である。
【００４３】
これまでは、アルミニウム系部材１１０に孔１１１が形成され、鉄系部材１２０の外周面１２６を孔１１１に嵌入するものとして説明したが、鉄系部材１２０に孔が形成され、アルミニウム系部材１１０の外周面を孔に嵌入するようにして、拡散接合してもよい。また、孔が形成された板状材料を上に、孔に嵌入する材料を下に置いて、押込み力を加えながら通電し、拡散接合してもよい。
【００４４】
また、図３の概念図に示すように、孔１４１、１４２が複数形成され、それぞれの孔１４１、１４２に複数の突起１３１、１３２（図１の外周面１２６を有する鉄系部材１２０に相当）が嵌入するように構成してもよい。また、図３（ｂ）の断面図に示すように、突起１３１、１３２が形成された材料１３０を下に配置し、その上に孔１４１、１４２の形成された材料１４０を載置し、押込み力Ｐ２を加えながらパルス電流を流して、接合してもよい。ただし、押込み力Ｐ２は材料１４０の各孔１４１、１４２の周囲に均等に加えられるようにすることが好ましい。
【００４５】
あるいは、孔に嵌入することなく、例えば平板の鉄系部材と平板のアルミニウム系部材とを、押し付けながら摺動し通電することにより拡散接合してもよい。なお、接合面に垂直な方向の力である押し付ける力と、接合する面に平行な方向の摺動する力とが作用する。この場合にも、押し付けられながら通電されることにより界面での温度が上昇し、界面付近の鉄系部材とアルミニウム系部材が軟化し変形し易くなり、摺動されることにより塑性流動し、鉄系部材あるいはアルミニウム系部材の表面に形成された酸化膜は除去され、清浄な面の間で原子拡散が起こり、拡散接合される。なお、押し付ける力および通電される電流を集中させるため、平板同士が一様に接触するよりは、例えば微小な凹凸を形成し、接触面を小さくすることが好ましい。
【００４６】
図４に接合した後の鉄系材料とアルミニウム系材料との境界の様子を説明する拡大断面図を示す。図４は、アルミニウム系部材１５０としてアルミニウム製の平板に円形の孔１５１を形成したものを用い、鉄系部材１６０として鉄製のボスを用い、鉄系部材１６０をアルミニウム系部材１５０の孔に嵌入させて、拡散接合した後の、アルミニウム系部材１５０と鉄系部材１６０との境界部の拡大断面図である。図４の上方から、鉄系部材１６０をアルミニウム系部材１５０の孔１５１に嵌入して、孔１５１を貫通せずに、孔の途中で嵌入を終わらせたものである。
【００４７】
鉄系部材１６０は、その先端部１６２付近では、孔１５１の径とほぼ同径となり、アルミニウム系部材１５０の上面１５５付近では、接合前の径とほぼ同径となっている。これは、鉄系部材１６０が嵌入されるにつれ、アルミニウム系部材１５０と摺動され、その外周面１６６が除去され細くなるが、僅かに嵌入した上面１５５付近では、鉄系部材１６０の方がアルミニウム系部材１５０より融点が高く、かつ、硬度が高いので、主としてアルミニウム系部材１５０が塑性流動し、孔の内周面１５２が削られるものと考えられる。その間で、鉄系部材１６０が、接合面の方向に張り出し、エラをはったような状態となっている膨らみ部Ｓが形成されている。
【００４８】
この膨らみ部Ｓは、次のような現象により形成されるものと考えられる。すなわち、
（１）接合の初めには、融点が低くかつ硬度の低いアルミニウム系部材１５０に、鉄系部材１６０が食い込んで、すなわち、孔の内周面１５２が塑性流動し、削られる。
（２）遅れて、鉄系部材１６０が発熱し、発熱により軟化が始まり、外周部が塑性流動する。鉄系部材１６０が孔１５１に嵌入されるにつれ、その先端部１６２の近くの外周面１６６から塑性流動し、アルミニウム系部材１５０との摺動により、アルミニウム系部材１５０の上面１５５方向に流れる。
（３）先端部１６２より上面１５５に寄った箇所で、塑性流動化した鉄系部材１６０の圧力が高くなり、外側に広がろうとする。そこで、上面１５５方向に流れる塑性流動した鉄系部材１６０の一部は、軟化したアルミニウム系部材１５０に食い込む。したがって、接合面の法線方向に張り出す。
【００４９】
鉄系部材１６０の先端部１６２から膨らみ部Ｓまでの間には、鉄系部材１６０とアルミニウム系部材１５０との接合面に、鉄系部材１６０の原子とアルミニウム系部材１５０の原子とが幅広く拡散した拡散部Ｂが形成されている。拡散部Ｂの幅は、例えば０．２μｍ程度であり、この拡散部Ｂが形成されることにより、接合強度の大きな拡散接合が行われる。
【００５０】
膨らみ部Ｓが塑性流動により形成され、より強固に接合され、強度の充分に大きな拡散接合となる。なお、図４に示す実施の形態とは反対に、硬度の高い鉄系部材に形成された孔に、硬度の低いアルミニウム系部材を嵌入させて接合するときにも、膨らみ部は形成される。
【００５１】
鉄系部材１６０を孔１５１に嵌入する際に、貫通せず、その途中で止める用途も多い。そこで、例えば、図５（ａ）の部分断面図に示すように、孔つき平板７０の孔７１を段差７６付きにして、ストッパとしての段差７６で棒鋼８０の嵌入を止めることにより、嵌入深さを所定量に調整することが可能となる。すなわち、孔つき平板７０の孔７１の内周面は、２つの径の内周面７２、７３で形成される。２つの径の違いにより、段差７６が形成される。大きな内径の内周面７２側から、棒鋼８０を嵌入させる。すなわち、孔７１は、棒鋼８０が嵌入する第１の面としての内周面７２と、内周面７２から孔７１の内側に延びる第２の面としての段差７６とを有している。棒鋼８０が孔７１に嵌入し、第３の面としての棒鋼８０の端部８２が内周面７２の深さと同じ深さにまで達すると、重ね合わせ代が大きくなりすぎるので小さな径の内周面７３には嵌入することができず、段差７６の深さに止まる。
【００５２】
あるいは、図５（ｂ）の部分断面図に示すように、下部電極３０に突起３１を設け、突起３１を孔つき平板９０の孔９１に挿入してもよい。このとき、突起３１の高さを、棒鋼８０が嵌入する深さに一致させておく。そこで、棒鋼８０が孔９１に嵌入すると、その端部８２が、ストッパとしての突起３１の先端３２に当接し、それ以上嵌入しなくなる。さらに、棒鋼８０が、下部電極３０に直接接触することにより、余剰な電流は、孔付き平板９０に流れることがなくなり、孔付き平板９０の温度上昇による歪が防止される。
【００５３】
さらに、図６の部分断面図に示すように、図５（ａ）に示すストッパとしての段差付きの孔７１を有する孔付き平板７０と棒鋼８０との接合において、塑性流動した金属が接合部から押し出され、段差７６から内周面７３側に流出して固化したはみ出し部を形成させないためにチリ防止溝を形成してもよい。図６（ａ）は、段差７６にチリ防止溝を形成した孔付き平板７０を説明する部分断面図である。段差７６と小さな径の内周面７３との交わりに内周面７３を延長する縁である突起７７を形成すると、段差７６の面全体が、溝のようになる。棒鋼８０と内周面７２とが摺動し、塑性流動した金属（孔つき平板７０の素材および／または棒鋼８０の素材、孔付き平板７０と棒鋼８０との高速の摺動により飛散した金属を含む。）が、段差７６から内周面７３に流れるのが防止され、塑性流動した金属は溝のように形成された段差７６に留まる。棒鋼８０の嵌入が深くなり、突起７７が棒鋼８０の端部８２で押しつぶされるときに、段差７６に留まった金属は中に封じ込められる。棒鋼８０は、突起７７に接して、若しくは、突起７７の一部をつぶしてほぼ段差７６の深さに止まることになる。なお、摺動することにより塑性流動した金属が突起７７を越えて内周面７３側に流れるとすると突起７７と相対する棒鋼８０の端部８２に接触するくらいの深さまで棒鋼８０が孔７１に嵌入することにより、塑性流動した金属が内周面７３側に流れる抵抗が大きくなるので、突起７７のチリ防止溝としての効果は十分に得られる。このように突起７７に接するもしくは突起７７をつぶす程度まで、あるいは、塑性流動した金属が突起７７を越えて流れにくくなる程度まで棒鋼８０が嵌入する場合を、ほぼ接する程度まで嵌入するという。はみ出し部が形成されなくなることにより、外観が損なわれずきれいな仕上がりとなる。
【００５４】
なお、図６（ｂ）の部分断面図に示すように、突起７７の溝側の面７９は、段差７６と垂直に形成されてもよい（段差と突起とが垂直と呼ぶ）。段差と突起とを垂直にすると、図６（ａ）に示すような滑らかな傾斜を持って突起７７が形成され場合に比べ、塑性流動して流れた金属が段差７６から突起７７を越えて内周面７３側に流れにくくなる。さらに、図６（ｃ）の部分断面図に示すように、突起７７の溝側の面７９は、段差７６との交線より、その先端部を内周面７２側に、すなわち、孔７１の外側寄りに位置するように形成される（段差と突起とが鋭角と呼ぶ）と、塑性流動して流れた金属が段差７６から突起７７を越えて内周面７３側により流れにくくなるので好ましい。この場合に、突起７７の溝側の面７９は、図６（ｃ）に示す断面において直線（面としては円錐の一部分）である必要はなく、曲線（例えば弧、面としては楕円球の一部分）であってもよい。孔７１に嵌入する棒鋼８０の移動速度が速く、孔７１内で段差７６上に外側から内側に向け、さらに、内周面７３で囲まれた径の小さな孔を通って外部に抜ける、流速の大きな空気の流れが生じ、そのために、例えば図６（ａ）に示すような形状の突起７７では、塑性流動した金属が突起７７を越えて流れ易いことが考えられる。しかし、段差と突起とを鋭角にすることにより、段差７６上の空気の流れの向きが突起７７の溝側の面７９で逆向きに変えられ、塑性流動した金属を突起７７を越えて流す力が弱まるため、塑性流動して流れた金属が突起７７を越えて流れにくくなるものと考えられる。なお、段差と突起とが鋭角の場合に比べ、段差と突起とが垂直であると、製作加工がし易い。図６（ａ）に示すような形状を含め、いかなる形状の突起であっても、塑性流動した金属が内周面７３側に流れることを防ぐ効果を有するのは前述の通りである。
【００５５】
あるいは、図７（ａ）の部分断面図に示すように、棒鋼８０にはみ出し部の形成を防止するチリ防止壁を形成してもよい。棒鋼８０の端部８２の段差７６と相対する部分で、小さな径の内周面７３寄りの位置に、突出した縁である突起８４を形成する。棒鋼８０と内周面７２とが摺動し、塑性流動した金属が、段差７６に流れると、棒鋼８０の嵌入に伴い突起８４が段差７６に当接するので、内周面７３側に流れるのが防止される。さらに棒鋼８０の嵌入が深くなり、突起８４が段差７６で押しつぶされるようになると、段差７６に流れた金属は中に封じ込められる。さらに、突起８４の内側（孔７１の中心寄り）の端部に溝を形成し、突起８４を越えた金属を捕捉する構成としてもよい。突起８４と段差７６とが接しなくても、突起８４の下を流れて内周面７３側に流れ出ようとする塑性流動した金属が、突起８４の先端に接触する程度に近接すれば、金属は突起８４を越えて流れにくくなるので、チリ防止壁としての機能は果たせる。このような状態あるいは前述のように突起８４の先端が段差７６に接しあるいは押しつぶされる状態を、突起８４が段差７６にほぼ接するという。
【００５６】
また、棒鋼８０の外周面８６に、半径方向外向きに張り出す張り出しであって下向きの鉤形の張り出し８８を設けることにより、孔付き平板７０と張り出し８８を含む棒鋼８０とで覆われた溝８７を形成してもよい。溝８７が形成されると、孔付き平板７０の上面７５、すなわち入口箇所に流れた塑性流動した金属は、張り出し８８の鉤形の先端部が上面７５と当接することによりそれより外側に流れるのが防止され、棒鋼８０の孔７１へ嵌入する入口付近に流出して固化し、はみ出し部を形成しなくなる。すなわち、溝８７は、はみ出し部の形成を防止するチリ防止溝として機能する。あるいは飛散したチリは張り出し８８に捕捉される。そして、棒鋼８０の嵌入が深くなり、張り出し８８の鉤形に折れた先端が上面７５で押しつぶされるときに、入口箇所に流れた金属やチリは溝８７の中に封じ込められる。すなわち、張り出し８８は、棒鋼８０の孔７１に嵌入されない位置に形成される。また、張り出し８８の鉤形の先端部は、上面７５に接しなくても、先端部の下を外側に流れ出ようとする塑性流動した金属が、鉤形の先端部に接触する程度に近接すれば、金属は鉤形を越えて広がりにくくなるので、チリ防止溝の機能は果たせる。このような状態あるいは前述のように鉤形の先端が上面７５に接しあるいは押しつぶされる状態を、張り出し８８が孔付き平板７０にほぼ接するという。前述のように段差７６に突起７７を形成し、鉤形の張り出し８８を棒鋼８０に設置する構成としてもよい。
【００５７】
また、図７（ｂ）の部分断面図に示すように、棒鋼８０の張り出しは鉤形でなくてもよく、棒鋼８０は、外周が大きくなるだけの張り出し８９を備え、孔付き平板７０の上面７５から突起９８が突出する構造として、突起９８を含む孔付き平板７０と張り出し８９を含む棒鋼８０とで覆われた溝８７を形成してもよい。この場合にも、孔付き平板７０の上面７５に流れた塑性流動した金属は、突起８９により外側に流れるのが防止され、張り出し８９と突起９８とが当接することによりチリ防止の機能は果たせる。張り出し８９と突起９８とが接しなくても、突起９８を越えて外側に流れ出ようとする塑性流動した金属が、張り出し８９に接触する程度に近接すれば、塑性流動した金属は突起９８を越えて広がりにくくなるので、チリ防止の機能は果たせる。このような状態あるいは前述のように突起９８が張り出し８９に接しあるいは押しつぶされる状態を、張り出し９８が孔付き平板７０にほぼ接するという。なお、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、突起８４、張り出し８８および突起９８の形状は、先端が細く形成されても、同じ太さで形成されてもよく、あるいは、他の形状であってもよい。あるいは、図７（ｂ）に示す例において、張り出し８９が形成され、突起９８が形成されていなくても、上面７５に流れた塑性流動した金属が、張り出し８９と上面７５とで覆われ（間に挟まれ）、チリ防止としての機能、すなわち、きれいな仕上がりが得られる。
【００５８】
また、図８（ａ）の部分断面図に示すように、孔付き平板７０の内周面７２と棒鋼８０の外周面８６とが摺動し塑性流動した金属が、摺動している面７２、８６から逃げる逃げ溝７８を、摺動する孔付き平板７０の接合面７２に形成してもよい。逃げ溝７８は、典型的には棒鋼８０が嵌入する方向に垂直な平面上に配置されるが、棒鋼８０が嵌入する方向に交差する平面上（内周面７２の円周上）、さらに平面上ではなく例えば波型など、任意な形状に配置されてもよい。また、逃げ溝７８の断面形状は、矩形、台形、半円形など、任意の形状でよい。金属が逃げ溝７８に流れるので、塑性流動した金属が棒鋼８０の端部に押し出され、あるいは、押しのけられて嵌入した入口箇所の棒鋼８０の周囲に流れて固化したはみ出し部が形成されなくなる。逃げ溝７８は、孔付き平板７０の内周面７２に形成するのが好ましく、逃げ溝７８は、前述の膨らみ部および拡散部が形成される位置の近くに配置するのが好適である。よりこの詳しくは、逃げ溝７８は、前述の膨らみ部および拡散部が形成される部分より僅かに孔７１の入口（上面７５側）に形成することが好ましい。逃げ溝７８を前述の膨らみ部および拡散部が形成される位置の近くに配置することにより、塑性流動して流れた金属が逃げ溝７８に流れ易くなる。
【００５９】
ここで、逃げ溝７８の上部の内周面７４を内周面７２より多少大きな径で形成し、棒鋼８０の外周面８６と僅かなクリアランスＣを有する構成としてもよい。図８では誇張して示されているが、僅かなクリアランスＣは、例えば、０．１ｍｍから０．３ｍｍ程度である。このように構成することにより、クリアランスＣより大きな径の金属のチリは、上面７５には流出しなくなる。この場合、逃げ溝７８が形成されず、クリアランスＣだけが形成されていても、大きなチリの流出を防ぐことができる。また、クリアランスＣを有することにより、孔付き平板７０と棒鋼８０との接触箇所が、摺動する箇所に限定される。したがって、通電するときの電流を、摺動する箇所に集中させることができ、通電による材料の軟化、塑性流動化、そして、接合が所定の場所で生ずる。
【００６０】
また、図８（ｂ）の部分断面図に示すように、逃げ溝７８に加えてあるいは代えて段差７６に逃げ溝９６を形成してもよい。逃げ溝９６は、他の段差７６の面より窪んだ凹部であり、その周囲が他の段差７６の面で囲まれる。すなわち、逃げ溝９６は、段差７６上で閉じた形状をしており、内周面７３側に通じてはいない。逃げ溝９６は、典型的には内周面７３より大きな直径の同心円形状に配置され、好ましくは、内周面７３より僅かに大きな同心円形状に配置されるが、逃げ溝９６の配置は、これらには限られない。また、逃げ溝９６の断面形状は、矩形、台形、半円形など、任意の形状でよい。段差７６に逃げ溝９６が形成されることにより、内周面７２と外周面８６とが摺動し塑性流動した金属は、段差７６上を流れると逃げ溝９６に捕捉されそこで滞留することにより、内周面７３側には流出しなくなる。そこで、端面８２が段差７６に当接し、あるいは、段差７６上を塑性流動した金属が流れるとすると、相対する端面８２に接触するくらいに近接すると、段差７６上を塑性流動した金属が流れず、逃げ溝９６内で冷却され固化する。このように、端面８２が段差７６と当接しあるいは近接する状態を、ほぼ接するという。
【００６１】
また、図８（ｃ）に示すように、棒鋼８０にも逃げ溝を形成してもよい。棒鋼８０の外周面８６に逃げ溝９２を形成してもよいし、端面８２に逃げ溝９３を形成してもよいし、その両方を形成すれば、尚よい。外周面８６の逃げ溝９２は、典型的には棒鋼８０が嵌入する方向に垂直な平面上に配置されるが、棒鋼８０が嵌入する方向に交差する平面上、さらに平面上ではなく例えば波型など、任意な形状に配置されてもよい。ただし、棒鋼８０が孔７１に嵌入した後には、逃げ溝９２の総てが孔７１に嵌入する位置に配置する。また、逃げ溝９２の断面形状は、矩形、台形、半円形など、任意の形状でよい。このような逃げ溝９２を形成することにより、塑性流動した金属が、逃げ溝７８にだけではなく逃げ溝９２にも流れるので、逃げ溝７８、９２で塑性流動した金属をより捕捉し易くなり、塑性流動した金属が棒鋼８０の端部に押し出され、あるいは、押しのけられて嵌入した入口箇所の棒鋼８０の周囲に逃げて固化したはみ出し部が形成されなくなる。逃げ溝９２は、逃げ溝７８と同様に、前述の膨らみ部および拡散部が形成される部分より僅かに孔７１の入口（上面７５側）に形成することが好ましい。なお、逃げ溝７８が形成されなくてもよい。端面８２の窪んだ凹部である逃げ溝９３は、端面８２と段差７６とが当接する位置に配置される。その形状は、逃げ溝９６あるいは凹部９７と同様であり、また、作用および効果も同様であるので、重複する説明は省略する。
【００６２】
さらに、図９（ａ）に示すように、孔付き平板７０に形成された逃げ溝７８、９６、あるいは、図９（ｂ）に示すように、棒鋼８０に形成された逃げ溝９２、９３に、Ｏリング１００を挿入してもよい。挿入するＯリング１００は、通常のシール等に用いられる市販のＯリングでよく、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、シリコンゴムなど、材質は各種ゴム材料その他の材質でよい。このように、逃げ溝７８、９６、９２、９３にＯリング１００を挿入することにより、塑性流動した金属をより捕捉し易くなり、はみ出し部の形成が抑えられる。特に図９（ｂ）に示すように、逃げ溝９２にＯリング１００を挿入すると、塑性流動した金属は、逃げ溝７８に流れ込み、さらに高速の摺動により飛散した金属を逃げ溝９２に挿入されたＯリング１００で捕捉するので、好ましい。
【００６３】
以上説明したように、チリ防止溝、チリ防止壁あるいは逃げ溝を形成することにより、はみ出し部が形成されなくなるので、外観がきれいで好ましい接合を行うことができる。なお、上述の、突起７７、８４、９８、張り出し８８、８９および逃げ溝７８、９６、９２、９３ならびにＯリング１００は、単独で用いても、あるいは、適宜組み合わせて用いてもよい。
【００６４】
これまでは、アルミニウム系部材と鉄系部材との拡散接合について説明したが、接合される部材は、他の金属で形成されていてもよい。上述の拡散接合方法は、例えば、アルミニウム系材料と銅系材料、アルミニウム系材料とチタン系材料など、硬度が異なる異種金属に適用するときに特にその効果が現れる。また、明らかで断るまでもないが、鉄系材料には、ステンレス鋼などの合金鋼も含まれている。
【実施例１】
【００６５】
本発明の拡散接合方法について、実施例を用いてさらに詳しく説明する。
（使用材料）
図１０（ａ）の斜視図に示すように、アルミニウム系部材として、アルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金Ａ６０６１材（１．０％マグネシウム、０．６％シリコン、０．２５％銅、０．２５％クロム含有、アルミニウム合金）の厚さ２０ｍｍの平板を、直径６０ｍｍの円板とし、鉄系材料に応じた孔１１を形成した。このアルミニウム系部材を、以降、孔付き平板１０と称する。
図１０（ｂ）の斜視図に示すように、鉄系部材として、機械構造用炭素鋼材Ｓ１０Ｃ材を外径３０ｍｍ、長さ１５ｍｍの円筒形に加工し、その端部に１ｍｍの面取りを施した。この鉄系部材を、以降、鋼棒２０と称する。
そこで、孔１１の直径は、重ね合わせ代Ｗを所定の値とするために、鋼棒２０の外径３０ｍｍよりも僅かに小さく形成する。すなわち、重ね合わせ代Ｗを０．３ｍｍ、０．４ｍｍおよび０．５ｍｍとすべく、孔１１の直径を、３０ｍｍ−０．６ｍｍ、３０ｍｍ−０．８ｍｍおよび３０ｍｍ−１．０ｍｍとする。ここで、０．６ｍｍ、０．８ｍｍおよび１．０ｍｍは、重ね合わせ代０．３ｍｍ、０．４ｍｍおよび０．５ｍｍの２倍である。
【００６６】
（接合方法）
図１１に、使用した接合装置５０の模式的ブロック図を示す。下部電極３３は、平坦な上面を有し、上部電極３４は、その中心に鉄系部材としての鋼棒２０を挿入する孔を有する。図１１では、鋼棒２０が該孔にぴったりと嵌るように示されているが、孔は鋼棒２０の軸直角方向の動きを止め、かつ、接合する側と反対側の端部を下方に押し込むことができればよい。上部電極３４は、不図示の駆動装置により、鋼棒２０を下方に押込み力Ｐ３で押す。
【００６７】
アルミニウム部材としての孔付き平板１０を、下部電極３３上のほぼ中心の位置に載置し、鋼棒２０を上部電極３４の孔に挿入する。孔付き平板１０の孔１１の上縁に、鋼棒２０の端部が当接する。
【００６８】
電源供給装置として、直流電源４１、コンデンサ４２、スイッチング回路４３、溶接トランス４４とを備える。直流電源４１は、図示しない制御型の半導体スイッチまたは整流用ダイオードなどからなる整流回路を備え、不図示の商用交流電源または交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する。コンデンサ４２は、複数の並列接続された電解コンデンサからなり、直流電源４１からの直流電力を充電する。スイッチング回路４３は、半導体スイッチ、インバータ回路などであり、コンデンサ４２に蓄えられた電気エネルギを急峻な波形のパルスとして、溶接トランス４４の１次巻線Ｎ１に選択的に放電する。溶接トランス４４の１次巻線Ｎ１にパルス電流が流れると、２次巻線Ｎ２を通して、溶接トランス４４の２次巻線Ｎ２に接続された上部電極３４、鋼棒２０、孔付き平板１０、下部電極３３に溶接電流が流れる。なお、溶接トランス４４の２次巻線Ｎ２は、１ターンであっても２ターンであってもよい。
【００６９】
図１０（ｃ）の概略断面図に示すように、棒鋼２０を下方に押し込みながらパルス電流を流すことにより、棒鋼２０は孔１１に嵌入する。本実施例においては、棒鋼２０は孔１１に総て嵌入することはない。嵌入する深さを大きくするためには、高電流を確保するための高電流トランス装置などの追加の装置が必要になることもある。孔つき平板１０の厚さは、例えば平板として要求される剛性から定まり、嵌入する深さは、接合部の強度等の設計条件などにより定められる。嵌入する深さは、例えば、ストッパ（不図示）により上部電極が棒鋼２０を下方に押し込みながら下方に移動する移動量を調整することにより制御してもよいし、パルス電流の電流値、時間または下方に押込み力を調節することにより、あるいは、これらを組み合わせて調節することにより制御してもよい。このように、本発明による拡散接合方法では、大きな強度が得られると共に、接合部の変形が小さく抑えられ、また、パルス電流も小さく、かつ、押込み力も小さくてよいので、装置も小さくて済む。
【００７０】
再び実施例の説明に戻り、図１０（ｄ）に、接合した孔付き平板１０と棒鋼２０との接合部分の断面観察した詳細断面図を示す。接合部には、嵌入した深さ方向において、その中央より浅い箇所、すなわち、嵌入した深さのおおよそ１／４から１／５の深さの箇所に、膨らみ部Ｓが形成されていた。また、棒鋼２０の端部、面取りした部分には、はみ出し部１５が、また、嵌入した入口箇所（すなわち、孔つき平板１０の表面）の棒鋼２０の周囲にもはみ出し部１６が形成されていた。これらのはみ出し部１５、１６は、重ね合わせ代Ｗの部分に見合う金属（孔つき平板１０の素材であるＡ６０６１材および／または棒鋼２０の素材であるＳ１０Ｃ材）が接合部から押し出され除去されたもので、一部は棒鋼２０の端部に押し出されて止まり、残りは棒鋼２０に押しのけられて入口箇所に逃げて止まったものと考えられる。
【００７１】
（評価方法）
本発明の接合方法の効果を確認するために、上記の方法により接合した部品の接合部の引張強度を計測する。
【００７２】
（引張強さの測定方法）
上記の方法で接合した接合物を、株式会社東京試験機製作所製トーシ式自動チャック式３０ｔｆＴＵ型多能材料引張試験機（ＴＵ−３０−ＤＥ）により引張試験を行い、引張強度（破断に至るまでの最大引張力）を計測した。
【００７３】
（測定結果）
図１２に、上記使用材料で説明した鉄系材料とアルミニウム系材料を上記接合方法にて接合した部品毎に測定した破断強度をまとめて示す。図１２には、重ね合わせ代毎に、パルス電流を流すための充電電圧、押込み力も併せて示す。
【００７４】
図１２で明らかなように、重ね合わせ代を０．３ｍｍから０．４ｍｍ、０．５ｍｍと増やすことにより、大きな押込み力が必要となるが、引張強度は増加する。いずれの重ね合わせ代においても、引張強度は３０ｋＮ以上であった。この値は、実用に耐える大きさであり、充分に大きな接合強度が得られたことになる。
【００７５】
（高温強度の確認）
アルミニウム系材料に関する異種金属接合においては、接合する金属の材質に拘らず、温度上昇により接合面に酸化化合物が析出し、脆化により強度が低下することが指摘されている。そこで、上記の方法で接合した部品を高温下に保持した後の強度を実測した。ここでは、重ね合わせ代を０．３ｍｍとし、１５０℃から３５０℃まで、５０℃刻みの温度を設定し、各温度下で２時間保持した後に、引張強度を計測した。なお、各温度毎に、２回の計測を行い、引張強度の平均値を求めた。
【００７６】
計測した結果を図１３にまとめて示す。温度を上げるにしたがって、引張強度が低下することがわかる。ところが、例えば１５０℃としても、引張強度は３０ｋＮ以上であり、実用に耐える充分な引張強度を維持していることがわかる。ただし、例えば、３５０℃とすると、常温のままの場合に比べ、引張強度は半分以下となっており、本発明の拡散接合により大きな接合強度が得られた場合においても、例えば３５０℃のような高温下で使用する場合には、充分な注意が必要となることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態である、鉄系部材とアルミニウム系部材との拡散接合方法の概念を説明する上面図および断面図であり、（ａ）は接合前の鉄系部材とアルミニウム系部材との上面図、（ｂ）は同じく接合前の断面図、そして、（ｃ）は接合後の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態である、鉄系部材とアルミニウム系部材との拡散接合方法において、内周面に面取り面を形成した断面を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態である、鉄系部材とアルミニウム系部材との拡散接合方法において、複数の孔に複数の突起が嵌入する場合の概念図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図４】接合した後の鉄系部材とアルミニウム系部材との境界の様子を説明する拡大断面図である。
【図５】棒鋼の嵌入する深さを調整するストッパの例を説明する部分断面図である。（ａ）は、孔つき平板の孔を段差付きにした例で、（ｂ）は、下部電極に突起を設け、突起を孔つき平板の孔に挿入した例である。
【図６】図５（ａ）に示すストッパとしての段差付きの孔を有する孔付き平板と棒鋼との接合において、はみ出し部を形成させないようにチリ防止溝を形成した例の孔の付近の部分断面図である。（ａ）は段差にチリ防止溝を形成した孔付き平板の例を、（ｂ）は段差と突起とが垂直の例を、（ｃ）は段差と突起とが鋭角の例を示す。
【図７】図５（ａ）に示すストッパとしての段差付きの孔を有する孔付き平板と棒鋼との接合において、棒鋼にチリ防止壁／溝を形成した例を示す部分断面図である。（ａ）は棒鋼にチリ防止壁／溝を形成した例を示し、（ｂ）は棒鋼と孔付き平板とにチリ防止壁／溝を形成した例を示す。
【図８】図５（ａ）に示すストッパとしての段差付きの孔を有する孔付き平板と棒鋼との接合において、孔付き平板と棒鋼とが摺動する部分あるいはその近くに溝を形成した例を示す部分断面図である。（ａ）は、孔付き平板の内周面に、（ｂ）は孔付き平板の内周面と段差に、（ｃ）は棒鋼にも溝を形成した例を示す。
【図９】図８に示す孔付き平板と棒鋼とが摺動する部分あるいはその近くに溝を形成した例において、溝にＯリングを挿入した例を示す部分断面図である。（ａ）は孔付き平板に形成された溝にＯリングを挿入した例を、（ｂ）は棒鋼に形成された溝にＯリングを挿入した例を示す。
【図１０】実施例１で用いた、部材の形状と寸法を示す図である。（ａ）はアルミニウム系部材の孔付き平板の斜視図、（ｂ）は鉄系部材の斜視図、（ｃ）は接合後のアルミニウム系部材と鉄系部材との位置を説明する概略断面図、および、（ｄ）は接合部の断面観察の詳細断面である。
【図１１】実施例１で使用した接合装置の模式的ブロック図である。
【図１２】実施例１における引張強度をまとめて示す図である。
【図１３】実施例１において、高温強度を確認した計測結果をまとめて示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０、７０、９０、１１０、１５０ アルミニウム系部材
１１、７１、１１１、１５１ 孔
１５、１６ はみ出し部
２０、８０、１２０、１６０ 鉄系部材
３０、３３ 下部電極
３１ 下部電極の突起
３２ 下部電極の突起の先端
３４ 上部電極
４１ 直流電源
４２ コンデンサ
４３ スイッチング回路
４４ 溶接トランス
５０ 接合装置
７２ 孔の大きな径の内周面（第１の面）
７３ 孔の小さな径の内周面
７４ 溝の上部の内周面
７５ 孔付き平板の上面
７６ 段差（第２の面）
７７、８４、９８ 突起
７８ 逃げ溝
７９ 突起の溝側の面
８２ 端部
８３ 端部の溝
８６ 外周面
８７ 溝
８８、８９ 張り出し
９２、９３、９６ 逃げ溝
１００ Ｏリング
１１２、１５２ 孔の内周面
１１４、１２４ 面取り面
１２２、１６２ 端部
１２６、１６６ 外周面
１３０、１４０ 鉄系またはアルミニウム系部材
１３１、１３２ 突起
１４１、１４２ 孔
１５５ アルミニウム系部材の上面
Ｂ 拡散部
Ｃ クリアランス
Ｎ１ １次巻線
Ｎ２ ２次巻線
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 押付け力
Ｓ 膨らみ部
Ｗ 重ね合わせ代
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬度の異なる金属同士の拡散接合方法に関する。特に、接合部の接合強度の大きい金属の拡散接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品においては、軽量化の要求が厳しくなり、高強度を要求される部分にだけ高強度の金属を使用し、その他の部分には軽量の金属を用いて、軽量化を図っている。たとえば、自動車部品に代表されるように、大きな強度が要求される部分や摺動部には鉄系材料を用い、その他の部分をアルミニウム系材料で構成する機械部品が使用されている。このように強度あるいは硬度の異なる金属同士を接合する要求が増加している。
【０００３】
ところで、たとえばアルミニウム系材料は溶接が難しく、これまでは主に抵抗スポット溶接により行われてきた。抵抗スポット溶接によると、ナゲットが形成されるので、外観上好ましくはなかった。そこで、被溶接物の双方にプロジェクションを形成したプロジェクション溶接により溶接する方法が提案されている（特許文献−１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１０３０５６（第３−５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、鉄系材料にアルミニウム系材料のような硬度の異なる金属を溶接する場合には、充分な溶接強度が得られない場合がほとんどである。そこで、本発明は、大きな接合強度が得られる、硬度の異なる金属同士の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る金属の拡散接合方法は、たとえば図１に示すように、第１の金属で形成された第１の部材１１０と、第１の金属より硬度の高い第２の金属で形成された第２の部材１２０との拡散接合方法であって；第１の部材１１０の接合面１１２と、第２の部材１２０の接合面１２６とを摺動し、少なくとも一方の接合面１１２、１２６に形成されている酸化膜を除去する工程と；第１の部材１１０と第２の部材１２０とを押し付ける力を加えながら、第１の部材１１０と第２の部材１２０との間に通電し、第１の部材１１０と第２の部材１２０とを接合する工程とを備える。なお、「拡散接合方法」とは、固相の被接合材料同士の接合面で原子間の結合を起こさせる固相接合方法をいうが、接合面において被接合材料に僅かな溶融が生ずる場合をも含む。また、「硬度」とは材料の塑性変形に対する抵抗の大小をいい、「硬度の高い」とは、例えばビッカース硬さ、ブリネル硬さ、ショア硬さ、ビアバウム硬さなど、工業的に用いられるいずれか一の測定方法により測定された硬さが高い値を示すことをいう。
【０００６】
このように構成すると、金属同士が接している界面を電流が流れることにより発熱し、発熱により軟化した金属表面が摺動されることにより塑性流動し、表面酸化膜が除去されて清浄な表面が得られ、金属原子が拡散して拡散接合されるので、接合強度の大きな金属の接合方法となる。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項１に記載の金属の拡散接合方法において、たとえば図１に示すように、第１の部材１１０または第２の部材１２０の内、いずれか一つの部材１１０に孔１１１が形成され、他の部材１２０は孔１１１より少なくとも一部が大きな外形１２６を有し；摺動する力Ｐ１を、孔１１１を貫通する方向に加えて、他の部材１２０を孔１１１に嵌入するようにしてもよい。
【０００８】
このように構成すると、他の部材が少なくとも一部が孔より大きな外形を有しているので、孔より大きな外形を孔に嵌入するときに、孔の面と他の部材の外形とが摺動されることにより塑性流動し、そこに形成されている酸化膜は除去される。また、孔に他の部材を嵌入することにより、孔の面と他の部材の外形とは密着し、拡散接合され易くなる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、例えば図６（ａ）に示すように、請求項２に記載の金属の拡散接合方法において、孔７１は、他の部材８０と摺動する第１の面７２と、第１の面７２から孔の内側に延びる第２の面７６とを含んで形成され；第２の面７６、あるいは、孔７１に嵌入する他の部材８０の第２の面７６と相対する面８２に突起７７が形成され；他の部材８０を、第２の面７６とほぼ接するまで嵌入してもよい。
【００１０】
このように構成すると、他の部材が孔に嵌入するときに孔の面と他の部材の外形とが摺動し塑性流動した金属は、第２の面から流れる出ることが突起により防止される。その結果、一の部材と他の部材との接合部分の端部がきれいな仕上がりになる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、例えば図８（ａ）に示すように、請求項２に記載の金属の拡散接合方法において、孔７１の他の部材８０と摺動する面７２あるいは他の部材８０の孔７１の面７２と摺動する面８６の少なくともいずれか一方に、他の部材８０が嵌入する方向と交差する方向の溝７８が形成され；他の部材８０は、溝７８を越えてあるいは溝が孔７１に嵌入するまで、孔７１に嵌入してもよい。
【００１２】
このように構成すると、他の部材が孔に嵌入するときに孔の面と他の部材の外形とが摺動し塑性流動した金属は、溝に流れ込むので、接合部分の周囲に流れる出ることが防止される。その結果、一の部材と他の部材との接合部分の端部がきれいな仕上がりになる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、例えば図８（ｂ）に示すように、請求項２に記載の金属の拡散接合方法において、孔７１は、他の部材８０と摺動する第１の面７２と、第１の面７２から孔７１の内側に延びる第２の面７６とを含んで形成され；第２の面７６、あるいは、孔７１に嵌入する他の部材８０の第２の面７６と相対する第３の面８２に周囲より窪んだ凹部９６が形成され；他の部材８０を、第２の面７６と第３の面８２とがほぼ接するまで嵌入してもよい。
【００１４】
このように構成すると、他の部材が孔に嵌入するときに孔の面と他の部材の外形とが摺動し塑性流動した金属は、凹部に流れ込むので、接合部分の周囲に流れる出ることが防止される。その結果、一の部材と他の部材との接合部分の端部がきれいな仕上がりになる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、例えば図７（ａ）に示すように、請求項２に記載の金属の拡散接合方法において、他の部材８０は、孔７１に嵌入しない部分を有し、孔７１に嵌入しない部分の周囲に、孔に嵌入する部分より大きな外形の張り出しであって、孔７１に嵌入した後に他の部材８０が嵌入した孔７１の入口の周囲を、一つの部材７０と共に覆う張り出し８８を有し；他の部材８０を、張り出し８８が、一つの部材７０にほぼ接するまで孔７１に嵌入してもよい。
【００１６】
このように構成すると、他の部材が孔に嵌入するときに孔の面と他の部材の外形とが摺動し塑性流動した金属は、張り出しにより覆われることにより流出することが防止される。その結果、一の部材と他の部材との接合部分の端部がきれいな仕上がりになる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法において、たとえば図１に示すように、孔が円形断面の孔１１１であり；他の部材１２０の外形１２６が円形断面であるように構成してもよい。
【００１８】
このように構成すると、孔も他の部材の外形も円形であるので、広く均一に拡散接合される面が得られ、接合強度の大きな金属の接合方法となり易い。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法において、たとえば図１に示すように、他の部材１２０の外形１２６の大きな部分が孔１１１の形成された部材１１０と重なり合う重ね合わせ代Ｗが、０．２ｍｍないし１ｍｍであるように構成してもよい。
【００２０】
このように構成すると、重ね合わせ代が０．２ｍｍないし１ｍｍであるので、他の部材を孔に嵌入させ易く、かつ、嵌入させるときに表面に形成されている酸化膜が除去され易い。
【００２１】
更に、請求項９に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法において、たとえば図４に示すように、接合した他の部材１６０に、接合する前よりも接合面１６６の法線方向に張り出し、孔１５１の形成された部材１５０に食い込む膨らみ部Ｓが形成されるように構成するとよい。
【００２２】
このように構成すると、接合した箇所において、他の部材が孔の形成された部材に食い込む膨らみ部が形成され、膨らみ部により更に強固に接合されるので、接合強度が一層大きくなる。
【００２３】
また、請求項１０に記載の発明に係る金属の拡散接合方法では、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法において、第１の金属がアルミニウム系材料であり；第２の金属が鉄系材料であり；酸化被膜が、少なくとも第２の部材の接合面に形成されているように構成してもよい。
【００２４】
このように構成すると、強度の得られにくかったアルミニウム系材料と鉄系材料との接合において、アルミニウム系材料と鉄系材料とが接している界面を電流が流れることにより発熱し、鉄系材料の酸化膜も摺動されることにより塑性流動して除去され清浄な面が得られ、そのためにアルミニウムあるいは鉄原子が拡散して拡散接合されるので、接合強度の大きなアルミニウム系材料と鉄系材料との接合方法となる。ここで、鉄系材料とは、鉄鋼を始めとして鉄を主成分とする合金を含み、アルミニウム系材料とは、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金を含む。なお、「主成分とする」とは、構成する成分中最も重量％の大きいこと、典型的には当該成分を５０重量％以上含むことをいう。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る金属の拡散接合方法によれば、第１の部材の接合面と、第２の部材の接合面とを摺動し、少なくとも一方の接合面に形成されている酸化膜を除去する工程と、第１の部材と第２の部材とを押し付ける力を加えながら、第１の部材と第２の部材との間に通電し、第１の部材と第２の部材とを接合する工程とを備えるので、金属同士が接している界面を電流が流れることにより発熱し、発熱により軟化した金属表面が摺動されることにより塑性流動し、表面酸化膜が除去されて清浄な表面が得られ、そのために金属原子が拡散して拡散接合されるので、接合強度の大きな金属の接合方法となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一または相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２７】
図１を参照して、本発明の実施の形態であるリングマッシュ溶接による鉄系材料とアルミニウム系材料との拡散接合方法を説明する。図１は、アルミニウム系材料で形成された部材１１０（以下、単に「アルミニウム系部材１１０」という。）と鉄系材料で形成された部材１２０（以下、単に「鉄系部材１２０」という。）との接合方法の概念を説明する上面図および断面図であり、（ａ）は接合前の鉄系部材１２０とアルミニウム系部材１１０との上面図、（ｂ）は同じく接合前の断面図、そして、（ｃ）は接合後の断面図である。ここで、リングマッシュ溶接とは、アルミニウム系部材１１０の接合部または鉄系部材１２０の接合部のいずれか一つが該材料に形成された孔１１１の内周面１１２を含み、アルミニウム系部材１１０の接合部または鉄系部材１２０の接合部のいずれか一つとは別の一つが、形成された孔１１１よりも少なくとも一部が大きな外形の外周面１２６を含み、形成された孔１１１を貫通する方向に内周面１１２と外周面１２６とを摺動する力を有する押込み力Ｐ１が加えられ、形成された孔１１１に外周面１２６が嵌合するようにしながら、すなわち内周面１１２と外周面１２６とに押し付ける力を発生しながら、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０との間に通電し接合する固相接合としての拡散接合方法をいう。
【００２８】
図１（ａ）に示すように、アルミニウム系部材１１０は、平板に断面形状が円形の孔１１１が形成されている。孔１１１の形状は、円形には限られず、楕円形、四角形を始めとする多角形等、任意の形状でよい。孔１１１の内周面１１２は、平板の表面に垂直に形成されている。なお、内周面１１２は、平板の表面に必ずしも垂直である必要はないが、垂直であると、後述の押込み力Ｐ１（図１（ｂ）参照）を平板と垂直方向に加えるのが容易で、かつ、押込み力Ｐ１の方向が内周面１１２の方向と一致するので、嵌合させ易い。アルミニウム系部材１１０は、下部電極（不図示）上に載置される。
【００２９】
鉄系部材１２０は、孔１１１の直径よりも大きな外形の外周面１２６を有する円板である。なお、鉄系部材１２０の形状は、孔１１１の形状に適合させる。すなわち、図１に示す実施の形態では、孔１１１の断面形状が円形であるので、円形断面すなわち円板としているが、孔の形状が楕円形であれば鉄系部材１２０の断面形状も楕円形とし、孔の形状が四角形であれば鉄系部材１２０の断面形状も四角形とするのがよい。鉄系部材１２０は、その接合部にアルミニウム系部材１１０に形成された孔１１１より少なくとも一部が大きな外形の外周面１２６を有していればよい。
【００３０】
外周面１２６が内周面１１２より大きく、孔１１１に嵌入するためにアルミニウム系部材１１０に鉄系部材１２０を重ねたときに、鉄系部材１２０とアルミニウム系部材１１０とが重なり合い、鉄系部材１２０が孔１１１に入り込めなくしている部分が重ね合わせ代Ｗとなる。ここで、「大きな」とは、孔１１１よりも僅かに大きければよく、重ね合わせ代Ｗを０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下とすると鉄系部材１２０を孔１１１に嵌入するときに外周面１２６と内周面１１２との間で摺動が生じ、外周面１２６あるいは内周面１１２に形成されている酸化膜が除去されるので好ましく、また、鉄系部材１２０を孔１１１に嵌入させやすい。好ましくは重ね合わせ代Ｗを０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下とすると熱ひずみが小さな拡散接合が可能となり、溶接箇所の外観も損なわれず好適である。特に、外周面１２６の直径が、１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の部材を用いるときには、前述の大きさの重ね合わせ代Ｗとするのがよい。
【００３１】
鉄系部材１２０は、孔１１１に外周面１２６を重ね合わせ代Ｗを持って同心に、アルミニウム系部材１１０の上に載置される。このときに、図１（ｂ）に示すように、鉄系部材１２０にいわゆる面取りが形成されていると、孔１１１と外周面１２６との位置合わせが容易になる。すなわち、鉄系部材１２０の外周面１２６を含む接合部に、孔１１１よりも小さな径の端部（下端）１２２が形成され、端部１２２から、孔１１１よりも大きな外形の外周面１２６に至るテーパ面（面取り面）１２４が形成されるとよい。すると、端部１２２は穴１１１に挿入され、面取り面１２４が内周面１１２に当たった状態となる。なお、面取り面１２４は、いわゆる面取りといわれるよりも大きくとってもよい。極端には、端部１２２が尖端をなして、端部１２２から外周面１２６に至る、円錐形をしていてもよい。
【００３２】
なお、図２の断面図に示すように、鉄系部材１２０と接するアルミニウム系部材１１０の内周面１１２に、面取り面１１４を形成すると、面取り面１１４、１２４同士で接触するようになるので、好適である。あるいは、面取り面１１４だけを形成し、面取り面１２４を形成しなくても、位置合わせが容易になる。なお、面取り面１１４、１２４は形成されていなくてもよい。
【００３３】
鉄系部材１２０をアルミニウム系部材１１０上に載置したら、図１（ｂ）に示すように、鉄系部材１２０を下方に、すなわち、孔１１１を貫通する方向に、よって力を加える方向を接合面に平行方向に、押込み力Ｐ１を加える。鉄系材料１２０は、その上部から上部電極（不図示）により押込み力Ｐ１を付加される。ここで、押込み力Ｐ１の方向は、必ずしも鉛直下方でなくてもよく、内周面１１２あるいは外周面１２６の法線方向より下向きの方向であればよい。つまり、外周面１２６が内周面１１２内に嵌入する方向の、すなわち接合面に平行な方向の力ベクトルを有していれば、内周面１１２と外周面１２６とが摺動され、鉄系部材１２０は孔１１１に嵌入される。また、押込み力Ｐ１は、重ね合わせ代Ｗ、その長さ、および拡散接合の深さ、すなわち、アルミニウム系部材１１０の厚さあるいは鉄系部材１２０の外周面１２６の高さなどにより決まる接合体積に応じた大きさが必要となる。また、材料の硬度によっても変わる。
【００３４】
下部電極と上部電極（共に、不図示）との間には、パルス電流を流すための電源供給装置（不図示）が接続されている。電源供給装置は、例えば３０ｍｓ以下、好ましくは１５ｍｓ以下の時間幅を有するパルス電流を通電する装置であればよい。装置例については、実施例１のところで後に説明する。
【００３５】
上部電極には、鉄系部材１２０を下方へ押込み力Ｐ１で加圧する加圧機構（不図示）が備えられている。また、上部電極から鉄系部材１２０、アルミニウム系部材１１０を伝わった押込み力Ｐ１が作用するので、下部電極は押込み力Ｐ１に充分に耐えるだけの強度を有している。
【００３６】
押込み力Ｐ１を加えながら、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０との間に、１または複数のパルス電流を流す。すると、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０との接触部に、押込み力Ｐ１とパルス電流とが集中する。ここでパルス電流は、孔の内周面１１２、外周面１２６および近傍の材料を溶融させてナゲットを形成する電流ピーク値や電流量よりは小さく、孔の内周面１１２および外周面１２６の表面付近の材料を融点以下で塑性流動させる程度の温度まで上昇させる程度のパルス電流である。
【００３７】
パルス電流が通電されると、温度上昇により接触部および近傍で材料の軟化が起きる。先ずは、融点が低くかつ硬度の低いアルミニウム系部材１１０での軟化が生ずる。軟化することにより変形し易くなった接触部近傍のアルミニウム系部材１１０は、押込み力Ｐ１を受けた鉄系部材１２０により押しのけられる。すなわち、アルミニウム系部材１１０の表面に酸化膜が形成されていても、除去される。鉄系部材１２０は、アルミニウム系部材１１０を押しのけながら、内周面１１２と摺動しながら孔１１１に入り込む。
【００３８】
アルミニウム系部材１１０が軟化するのに僅かに遅れて、融点の高い鉄系部材１２０でも軟化が生ずる。軟化することにより変形し易くなった接触部近傍の鉄系部材１２０は、押込み力Ｐ１を受け、孔１１１に嵌入していく。そのときに、軟化した接触部近傍が、アルミニウム系部材１１０と摺動し、塑性流動を生ずる。すなわち、鉄系部材１２０の表面に酸化膜が形成されていても、除去される。
【００３９】
内周面１１２と外周面１２６とが塑性流動しながら、鉄系部材１２０が孔１１１に嵌入し、鉄系部材１２０の清浄な面とアルミニウム系部材１１０の清浄な面との間で、拡散接合が行われる。なお、押込み力Ｐ１を付加しながらパルス電流を通電することにより、上記の鉄系材料１２０の孔１１１への嵌入および拡散接合は一挙に、例えば３０ｍｓ以下の短時間で行われる。
【００４０】
このように、接合部において、その表面が塑性流動し、酸化膜が除去されることにより、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０との接合が、清浄な面同士で行われることになる。また、鉄系部材１２０を孔１１１に嵌入することにより、内周面１１２と外周面１２６とには押し付ける力が生じている。したがって、金属原子の拡散が起き易く、接合強度の大きな接合方法となる。この拡散接合は、外周面１２６と内周面１１２との間で全周にわたってほぼ均一に行われる。ただし、拡散接合は、全周にわたって行われなくてもよく、一部が接合されなかったり、一部が接合されずに機械的に嵌合されてもよい。
【００４１】
上記の接合方法によると、アルミニウム系部材１１０と鉄系部材１２０とを、僅かな重ね合わせを持って配置し、通常のコンデンサ蓄勢式抵抗溶接と同様に、これらを上部電極と下部電極（共に、不図示）の間に挟んで、一つ以上のパルス電流を流し、一挙に拡散接合するので、熱ひずみが小さく、かつ、短時間で溶接が完了する。また、ナゲットが形成されないので、外観も損なわず好適である。特に、清浄な面同士で拡散接合が行われるので、機械的結合力が強く、接合強度の十分な、鉄系材料とアルミニウム系材料との拡散接合方法となる。
【００４２】
なお、鉄系部材１２０が炭素を２重量％以上含有する高炭素鋼からなる場合には、パルス電流の通電による拡散接合で、焼入れが行われてしまう。そこで、パルス電流の通電後、ある程度の時間経過後にパルス状の後熱用電流を流して焼き戻しを行う。ここで、ある程度の時間経過後に後熱用電流を流すのは、一般的にパルス電流を供給する電源供給装置では、パルス電流を通電した後に、再度パルス電流を流すのに充電するための時間が必要なためである。なお、パルス電流とパルス状の後熱用電流とを共通の電流供給装置から供給するように構成すると、装置が少なくて済むので好適である。
【００４３】
これまでは、アルミニウム系部材１１０に孔１１１が形成され、鉄系部材１２０の外周面１２６を孔１１１に嵌入するものとして説明したが、鉄系部材１２０に孔が形成され、アルミニウム系部材１１０の外周面を孔に嵌入するようにして、拡散接合してもよい。また、孔が形成された板状材料を上に、孔に嵌入する材料を下に置いて、押込み力を加えながら通電し、拡散接合してもよい。
【００４４】
また、図３の概念図に示すように、孔１４１、１４２が複数形成され、それぞれの孔１４１、１４２に複数の突起１３１、１３２（図１の外周面１２６を有する鉄系部材１２０に相当）が嵌入するように構成してもよい。また、図３（ｂ）の断面図に示すように、突起１３１、１３２が形成された材料１３０を下に配置し、その上に孔１４１、１４２の形成された材料１４０を載置し、押込み力Ｐ２を加えながらパルス電流を流して、接合してもよい。ただし、押込み力Ｐ２は材料１４０の各孔１４１、１４２の周囲に均等に加えられるようにすることが好ましい。
【００４５】
あるいは、孔に嵌入することなく、例えば平板の鉄系部材と平板のアルミニウム系部材とを、押し付けながら摺動し通電することにより拡散接合してもよい。なお、接合面に垂直な方向の力である押し付ける力と、接合する面に平行な方向の摺動する力とが作用する。この場合にも、押し付けられながら通電されることにより界面での温度が上昇し、界面付近の鉄系部材とアルミニウム系部材が軟化し変形し易くなり、摺動されることにより塑性流動し、鉄系部材あるいはアルミニウム系部材の表面に形成された酸化膜は除去され、清浄な面の間で原子拡散が起こり、拡散接合される。なお、押し付ける力および通電される電流を集中させるため、平板同士が一様に接触するよりは、例えば微小な凹凸を形成し、接触面を小さくすることが好ましい。
【００４６】
図４に接合した後の鉄系材料とアルミニウム系材料との境界の様子を説明する拡大断面図を示す。図４は、アルミニウム系部材１５０としてアルミニウム製の平板に円形の孔１５１を形成したものを用い、鉄系部材１６０として鉄製のボスを用い、鉄系部材１６０をアルミニウム系部材１５０の孔に嵌入させて、拡散接合した後の、アルミニウム系部材１５０と鉄系部材１６０との境界部の拡大断面図である。図４の上方から、鉄系部材１６０をアルミニウム系部材１５０の孔１５１に嵌入して、孔１５１を貫通せずに、孔の途中で嵌入を終わらせたものである。
【００４７】
鉄系部材１６０は、その先端部１６２付近では、孔１５１の径とほぼ同径となり、アルミニウム系部材１５０の上面１５５付近では、接合前の径とほぼ同径となっている。これは、鉄系部材１６０が嵌入されるにつれ、アルミニウム系部材１５０と摺動され、その外周面１６６が除去され細くなるが、僅かに嵌入した上面１５５付近では、鉄系部材１６０の方がアルミニウム系部材１５０より融点が高く、かつ、硬度が高いので、主としてアルミニウム系部材１５０が塑性流動し、孔の内周面１５２が削られるものと考えられる。その間で、鉄系部材１６０が、接合面の方向に張り出し、エラをはったような状態となっている膨らみ部Ｓが形成されている。
【００４８】
この膨らみ部Ｓは、次のような現象により形成されるものと考えられる。すなわち、
（１）接合の初めには、融点が低くかつ硬度の低いアルミニウム系部材１５０に、鉄系部材１６０が食い込んで、すなわち、孔の内周面１５２が塑性流動し、削られる。
（２）遅れて、鉄系部材１６０が発熱し、発熱により軟化が始まり、外周部が塑性流動する。鉄系部材１６０が孔１５１に嵌入されるにつれ、その先端部１６２の近くの外周面１６６から塑性流動し、アルミニウム系部材１５０との摺動により、アルミニウム系部材１５０の上面１５５方向に流れる。
（３）先端部１６２より上面１５５に寄った箇所で、塑性流動化した鉄系部材１６０の圧力が高くなり、外側に広がろうとする。そこで、上面１５５方向に流れる塑性流動した鉄系部材１６０の一部は、軟化したアルミニウム系部材１５０に食い込む。したがって、接合面の法線方向に張り出す。
【００４９】
鉄系部材１６０の先端部１６２から膨らみ部Ｓまでの間には、鉄系部材１６０とアルミニウム系部材１５０との接合面に、鉄系部材１６０の原子とアルミニウム系部材１５０の原子とが幅広く拡散した拡散部Ｂが形成されている。拡散部Ｂの幅は、例えば０．２μｍ程度であり、この拡散部Ｂが形成されることにより、接合強度の大きな拡散接合が行われる。
【００５０】
膨らみ部Ｓが塑性流動により形成され、より強固に接合され、強度の充分に大きな拡散接合となる。なお、図４に示す実施の形態とは反対に、硬度の高い鉄系部材に形成された孔に、硬度の低いアルミニウム系部材を嵌入させて接合するときにも、膨らみ部は形成される。
【００５１】
鉄系部材１６０を孔１５１に嵌入する際に、貫通せず、その途中で止める用途も多い。そこで、例えば、図５（ａ）の部分断面図に示すように、孔つき平板７０の孔７１を段差７６付きにして、ストッパとしての段差７６で棒鋼８０の嵌入を止めることにより、嵌入深さを所定量に調整することが可能となる。すなわち、孔つき平板７０の孔７１の内周面は、２つの径の内周面７２、７３で形成される。２つの径の違いにより、段差７６が形成される。大きな内径の内周面７２側から、棒鋼８０を嵌入させる。すなわち、孔７１は、棒鋼８０が嵌入する第１の面としての内周面７２と、内周面７２から孔７１の内側に延びる第２の面としての段差７６とを有している。棒鋼８０が孔７１に嵌入し、第３の面としての棒鋼８０の端部８２が内周面７２の深さと同じ深さにまで達すると、重ね合わせ代が大きくなりすぎるので小さな径の内周面７３には嵌入することができず、段差７６の深さに止まる。
【００５２】
あるいは、図５（ｂ）の部分断面図に示すように、下部電極３０に突起３１を設け、突起３１を孔つき平板９０の孔９１に挿入してもよい。このとき、突起３１の高さを、棒鋼８０が嵌入する深さに一致させておく。そこで、棒鋼８０が孔９１に嵌入すると、その端部８２が、ストッパとしての突起３１の先端３２に当接し、それ以上嵌入しなくなる。さらに、棒鋼８０が、下部電極３０に直接接触することにより、余剰な電流は、孔付き平板９０に流れることがなくなり、孔付き平板９０の温度上昇による歪が防止される。
【００５３】
さらに、図６の部分断面図に示すように、図５（ａ）に示すストッパとしての段差付きの孔７１を有する孔付き平板７０と棒鋼８０との接合において、塑性流動した金属が接合部から押し出され、段差７６から内周面７３側に流出して固化したはみ出し部を形成させないためにチリ防止溝を形成してもよい。図６（ａ）は、段差７６にチリ防止溝を形成した孔付き平板７０を説明する部分断面図である。段差７６と小さな径の内周面７３との交わりに内周面７３を延長する縁である突起７７を形成すると、段差７６の面全体が、溝のようになる。棒鋼８０と内周面７２とが摺動し、塑性流動した金属（孔つき平板７０の素材および／または棒鋼８０の素材、孔付き平板７０と棒鋼８０との高速の摺動により飛散した金属を含む。）が、段差７６から内周面７３に流れるのが防止され、塑性流動した金属は溝のように形成された段差７６に留まる。棒鋼８０の嵌入が深くなり、突起７７が棒鋼８０の端部８２で押しつぶされるときに、段差７６に留まった金属は中に封じ込められる。棒鋼８０は、突起７７に接して、若しくは、突起７７の一部をつぶしてほぼ段差７６の深さに止まることになる。なお、摺動することにより塑性流動した金属が突起７７を越えて内周面７３側に流れるとすると突起７７と相対する棒鋼８０の端部８２に接触するくらいの深さまで棒鋼８０が孔７１に嵌入することにより、塑性流動した金属が内周面７３側に流れる抵抗が大きくなるので、突起７７のチリ防止溝としての効果は十分に得られる。このように突起７７に接するもしくは突起７７をつぶす程度まで、あるいは、塑性流動した金属が突起７７を越えて流れにくくなる程度まで棒鋼８０が嵌入する場合を、ほぼ接する程度まで嵌入するという。はみ出し部が形成されなくなることにより、外観が損なわれずきれいな仕上がりとなる。
【００５４】
なお、図６（ｂ）の部分断面図に示すように、突起７７の溝側の面７９は、段差７６と垂直に形成されてもよい（段差と突起とが垂直と呼ぶ）。段差と突起とを垂直にすると、図６（ａ）に示すような滑らかな傾斜を持って突起７７が形成され場合に比べ、塑性流動して流れた金属が段差７６から突起７７を越えて内周面７３側に流れにくくなる。さらに、図６（ｃ）の部分断面図に示すように、突起７７の溝側の面７９は、段差７６との交線より、その先端部を内周面７２側に、すなわち、孔７１の外側寄りに位置するように形成される（段差と突起とが鋭角と呼ぶ）と、塑性流動して流れた金属が段差７６から突起７７を越えて内周面７３側により流れにくくなるので好ましい。この場合に、突起７７の溝側の面７９は、図６（ｃ）に示す断面において直線（面としては円錐の一部分）である必要はなく、曲線（例えば弧、面としては楕円球の一部分）であってもよい。孔７１に嵌入する棒鋼８０の移動速度が速く、孔７１内で段差７６上に外側から内側に向け、さらに、内周面７３で囲まれた径の小さな孔を通って外部に抜ける、流速の大きな空気の流れが生じ、そのために、例えば図６（ａ）に示すような形状の突起７７では、塑性流動した金属が突起７７を越えて流れ易いことが考えられる。しかし、段差と突起とを鋭角にすることにより、段差７６上の空気の流れの向きが突起７７の溝側の面７９で逆向きに変えられ、塑性流動した金属を突起７７を越えて流す力が弱まるため、塑性流動して流れた金属が突起７７を越えて流れにくくなるものと考えられる。なお、段差と突起とが鋭角の場合に比べ、段差と突起とが垂直であると、製作加工がし易い。図６（ａ）に示すような形状を含め、いかなる形状の突起であっても、塑性流動した金属が内周面７３側に流れることを防ぐ効果を有するのは前述の通りである。
【００５５】
あるいは、図７（ａ）の部分断面図に示すように、棒鋼８０にはみ出し部の形成を防止するチリ防止壁を形成してもよい。棒鋼８０の端部８２の段差７６と相対する部分で、小さな径の内周面７３寄りの位置に、突出した縁である突起８４を形成する。棒鋼８０と内周面７２とが摺動し、塑性流動した金属が、段差７６に流れると、棒鋼８０の嵌入に伴い突起８４が段差７６に当接するので、内周面７３側に流れるのが防止される。さらに棒鋼８０の嵌入が深くなり、突起８４が段差７６で押しつぶされるようになると、段差７６に流れた金属は中に封じ込められる。さらに、突起８４の内側（孔７１の中心寄り）の端部に溝を形成し、突起８４を越えた金属を捕捉する構成としてもよい。突起８４と段差７６とが接しなくても、突起８４の下を流れて内周面７３側に流れ出ようとする塑性流動した金属が、突起８４の先端に接触する程度に近接すれば、金属は突起８４を越えて流れにくくなるので、チリ防止壁としての機能は果たせる。このような状態あるいは前述のように突起８４の先端が段差７６に接しあるいは押しつぶされる状態を、突起８４が段差７６にほぼ接するという。
【００５６】
また、棒鋼８０の外周面８６に、半径方向外向きに張り出す張り出しであって下向きの鉤形の張り出し８８を設けることにより、孔付き平板７０と張り出し８８を含む棒鋼８０とで覆われた溝８７を形成してもよい。溝８７が形成されると、孔付き平板７０の上面７５、すなわち入口箇所に流れた塑性流動した金属は、張り出し８８の鉤形の先端部が上面７５と当接することによりそれより外側に流れるのが防止され、棒鋼８０の孔７１へ嵌入する入口付近に流出して固化し、はみ出し部を形成しなくなる。すなわち、溝８７は、はみ出し部の形成を防止するチリ防止溝として機能する。あるいは飛散したチリは張り出し８８に捕捉される。そして、棒鋼８０の嵌入が深くなり、張り出し８８の鉤形に折れた先端が上面７５で押しつぶされるときに、入口箇所に流れた金属やチリは溝８７の中に封じ込められる。すなわち、張り出し８８は、棒鋼８０の孔７１に嵌入されない位置に形成される。また、張り出し８８の鉤形の先端部は、上面７５に接しなくても、先端部の下を外側に流れ出ようとする塑性流動した金属が、鉤形の先端部に接触する程度に近接すれば、金属は鉤形を越えて広がりにくくなるので、チリ防止溝の機能は果たせる。このような状態あるいは前述のように鉤形の先端が上面７５に接しあるいは押しつぶされる状態を、張り出し８８が孔付き平板７０にほぼ接するという。前述のように段差７６に突起７７を形成し、鉤形の張り出し８８を棒鋼８０に設置する構成としてもよい。
【００５７】
また、図７（ｂ）の部分断面図に示すように、棒鋼８０の張り出しは鉤形でなくてもよく、棒鋼８０は、外周が大きくなるだけの張り出し８９を備え、孔付き平板７０の上面７５から突起９８が突出する構造として、突起９８を含む孔付き平板７０と張り出し８９を含む棒鋼８０とで覆われた溝８７を形成してもよい。この場合にも、孔付き平板７０の上面７５に流れた塑性流動した金属は、突起８９により外側に流れるのが防止され、張り出し８９と突起９８とが当接することによりチリ防止の機能は果たせる。張り出し８９と突起９８とが接しなくても、突起９８を越えて外側に流れ出ようとする塑性流動した金属が、張り出し８９に接触する程度に近接すれば、塑性流動した金属は突起９８を越えて広がりにくくなるので、チリ防止の機能は果たせる。このような状態あるいは前述のように突起９８が張り出し８９に接しあるいは押しつぶされる状態を、張り出し９８が孔付き平板７０にほぼ接するという。なお、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、突起８４、張り出し８８および突起９８の形状は、先端が細く形成されても、同じ太さで形成されてもよく、あるいは、他の形状であってもよい。あるいは、図７（ｂ）に示す例において、張り出し８９が形成され、突起９８が形成されていなくても、上面７５に流れた塑性流動した金属が、張り出し８９と上面７５とで覆われ（間に挟まれ）、チリ防止としての機能、すなわち、きれいな仕上がりが得られる。
【００５８】
また、図８（ａ）の部分断面図に示すように、孔付き平板７０の内周面７２と棒鋼８０の外周面８６とが摺動し塑性流動した金属が、摺動している面７２、８６から逃げる逃げ溝７８を、摺動する孔付き平板７０の接合面７２に形成してもよい。逃げ溝７８は、典型的には棒鋼８０が嵌入する方向に垂直な平面上に配置されるが、棒鋼８０が嵌入する方向に交差する平面上（内周面７２の円周上）、さらに平面上ではなく例えば波型など、任意な形状に配置されてもよい。また、逃げ溝７８の断面形状は、矩形、台形、半円形など、任意の形状でよい。金属が逃げ溝７８に流れるので、塑性流動した金属が棒鋼８０の端部に押し出され、あるいは、押しのけられて嵌入した入口箇所の棒鋼８０の周囲に流れて固化したはみ出し部が形成されなくなる。逃げ溝７８は、孔付き平板７０の内周面７２に形成するのが好ましく、逃げ溝７８は、前述の膨らみ部および拡散部が形成される位置の近くに配置するのが好適である。よりこの詳しくは、逃げ溝７８は、前述の膨らみ部および拡散部が形成される部分より僅かに孔７１の入口（上面７５側）に形成することが好ましい。逃げ溝７８を前述の膨らみ部および拡散部が形成される位置の近くに配置することにより、塑性流動して流れた金属が逃げ溝７８に流れ易くなる。
【００５９】
ここで、逃げ溝７８の上部の内周面７４を内周面７２より多少大きな径で形成し、棒鋼８０の外周面８６と僅かなクリアランスＣを有する構成としてもよい。図８では誇張して示されているが、僅かなクリアランスＣは、例えば、０．１ｍｍから０．３ｍｍ程度である。このように構成することにより、クリアランスＣより大きな径の金属のチリは、上面７５には流出しなくなる。この場合、逃げ溝７８が形成されず、クリアランスＣだけが形成されていても、大きなチリの流出を防ぐことができる。また、クリアランスＣを有することにより、孔付き平板７０と棒鋼８０との接触箇所が、摺動する箇所に限定される。したがって、通電するときの電流を、摺動する箇所に集中させることができ、通電による材料の軟化、塑性流動化、そして、接合が所定の場所で生ずる。
【００６０】
また、図８（ｂ）の部分断面図に示すように、逃げ溝７８に加えてあるいは代えて段差７６に逃げ溝９６を形成してもよい。逃げ溝９６は、他の段差７６の面より窪んだ凹部であり、その周囲が他の段差７６の面で囲まれる。すなわち、逃げ溝９６は、段差７６上で閉じた形状をしており、内周面７３側に通じてはいない。逃げ溝９６は、典型的には内周面７３より大きな直径の同心円形状に配置され、好ましくは、内周面７３より僅かに大きな同心円形状に配置されるが、逃げ溝９６の配置は、これらには限られない。また、逃げ溝９６の断面形状は、矩形、台形、半円形など、任意の形状でよい。段差７６に逃げ溝９６が形成されることにより、内周面７２と外周面８６とが摺動し塑性流動した金属は、段差７６上を流れると逃げ溝９６に捕捉されそこで滞留することにより、内周面７３側には流出しなくなる。そこで、端面８２が段差７６に当接し、あるいは、段差７６上を塑性流動した金属が流れるとすると、相対する端面８２に接触するくらいに近接すると、段差７６上を塑性流動した金属が流れず、逃げ溝９６内で冷却され固化する。このように、端面８２が段差７６と当接しあるいは近接する状態を、ほぼ接するという。
【００６１】
また、図８（ｃ）に示すように、棒鋼８０にも逃げ溝を形成してもよい。棒鋼８０の外周面８６に逃げ溝９２を形成してもよいし、端面８２に逃げ溝９３を形成してもよいし、その両方を形成すれば、尚よい。外周面８６の逃げ溝９２は、典型的には棒鋼８０が嵌入する方向に垂直な平面上に配置されるが、棒鋼８０が嵌入する方向に交差する平面上、さらに平面上ではなく例えば波型など、任意な形状に配置されてもよい。ただし、棒鋼８０が孔７１に嵌入した後には、逃げ溝９２の総てが孔７１に嵌入する位置に配置する。また、逃げ溝９２の断面形状は、矩形、台形、半円形など、任意の形状でよい。このような逃げ溝９２を形成することにより、塑性流動した金属が、逃げ溝７８にだけではなく逃げ溝９２にも流れるので、逃げ溝７８、９２で塑性流動した金属をより捕捉し易くなり、塑性流動した金属が棒鋼８０の端部に押し出され、あるいは、押しのけられて嵌入した入口箇所の棒鋼８０の周囲に逃げて固化したはみ出し部が形成されなくなる。逃げ溝９２は、逃げ溝７８と同様に、前述の膨らみ部および拡散部が形成される部分より僅かに孔７１の入口（上面７５側）に形成することが好ましい。なお、逃げ溝７８が形成されなくてもよい。端面８２の窪んだ凹部である逃げ溝９３は、端面８２と段差７６とが当接する位置に配置される。その形状は、逃げ溝９６あるいは凹部９７と同様であり、また、作用および効果も同様であるので、重複する説明は省略する。
【００６２】
さらに、図９（ａ）に示すように、孔付き平板７０に形成された逃げ溝７８、９６、あるいは、図９（ｂ）に示すように、棒鋼８０に形成された逃げ溝９２、９３に、Ｏリング１００を挿入してもよい。挿入するＯリング１００は、通常のシール等に用いられる市販のＯリングでよく、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、シリコンゴムなど、材質は各種ゴム材料その他の材質でよい。このように、逃げ溝７８、９６、９２、９３にＯリング１００を挿入することにより、塑性流動した金属をより捕捉し易くなり、はみ出し部の形成が抑えられる。特に図９（ｂ）に示すように、逃げ溝９２にＯリング１００を挿入すると、塑性流動した金属は、逃げ溝７８に流れ込み、さらに高速の摺動により飛散した金属を逃げ溝９２に挿入されたＯリング１００で捕捉するので、好ましい。
【００６３】
以上説明したように、チリ防止溝、チリ防止壁あるいは逃げ溝を形成することにより、はみ出し部が形成されなくなるので、外観がきれいで好ましい接合を行うことができる。なお、上述の、突起７７、８４、９８、張り出し８８、８９および逃げ溝７８、９６、９２、９３ならびにＯリング１００は、単独で用いても、あるいは、適宜組み合わせて用いてもよい。
【００６４】
これまでは、アルミニウム系部材と鉄系部材との拡散接合について説明したが、接合される部材は、他の金属で形成されていてもよい。上述の拡散接合方法は、例えば、アルミニウム系材料と銅系材料、アルミニウム系材料とチタン系材料など、硬度が異なる異種金属に適用するときに特にその効果が現れる。また、明らかで断るまでもないが、鉄系材料には、ステンレス鋼などの合金鋼も含まれている。
【実施例１】
【００６５】
本発明の拡散接合方法について、実施例を用いてさらに詳しく説明する。
（使用材料）
図１０（ａ）の斜視図に示すように、アルミニウム系部材として、アルミニウム−マグネシウム−シリコン系合金Ａ６０６１材（１．０％マグネシウム、０．６％シリコン、０．２５％銅、０．２５％クロム含有、アルミニウム合金）の厚さ２０ｍｍの平板を、直径６０ｍｍの円板とし、鉄系材料に応じた孔１１を形成した。このアルミニウム系部材を、以降、孔付き平板１０と称する。
図１０（ｂ）の斜視図に示すように、鉄系部材として、機械構造用炭素鋼材Ｓ１０Ｃ材を外径３０ｍｍ、長さ１５ｍｍの円筒形に加工し、その端部に１ｍｍの面取りを施した。この鉄系部材を、以降、鋼棒２０と称する。
そこで、孔１１の直径は、重ね合わせ代Ｗを所定の値とするために、鋼棒２０の外径３０ｍｍよりも僅かに小さく形成する。すなわち、重ね合わせ代Ｗを０．３ｍｍ、０．４ｍｍおよび０．５ｍｍとすべく、孔１１の直径を、３０ｍｍ−０．６ｍｍ、３０ｍｍ−０．８ｍｍおよび３０ｍｍ−１．０ｍｍとする。ここで、０．６ｍｍ、０．８ｍｍおよび１．０ｍｍは、重ね合わせ代０．３ｍｍ、０．４ｍｍおよび０．５ｍｍの２倍である。
【００６６】
（接合方法）
図１１に、使用した接合装置５０の模式的ブロック図を示す。下部電極３３は、平坦な上面を有し、上部電極３４は、その中心に鉄系部材としての鋼棒２０を挿入する孔を有する。図１１では、鋼棒２０が該孔にぴったりと嵌るように示されているが、孔は鋼棒２０の軸直角方向の動きを止め、かつ、接合する側と反対側の端部を下方に押し込むことができればよい。上部電極３４は、不図示の駆動装置により、鋼棒２０を下方に押込み力Ｐ３で押す。
【００６７】
アルミニウム部材としての孔付き平板１０を、下部電極３３上のほぼ中心の位置に載置し、鋼棒２０を上部電極３４の孔に挿入する。孔付き平板１０の孔１１の上縁に、鋼棒２０の端部が当接する。
【００６８】
電源供給装置として、直流電源４１、コンデンサ４２、スイッチング回路４３、溶接トランス４４とを備える。直流電源４１は、図示しない制御型の半導体スイッチまたは整流用ダイオードなどからなる整流回路を備え、不図示の商用交流電源または交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する。コンデンサ４２は、複数の並列接続された電解コンデンサからなり、直流電源４１からの直流電力を充電する。スイッチング回路４３は、半導体スイッチ、インバータ回路などであり、コンデンサ４２に蓄えられた電気エネルギを急峻な波形のパルスとして、溶接トランス４４の１次巻線Ｎ１に選択的に放電する。溶接トランス４４の１次巻線Ｎ１にパルス電流が流れると、２次巻線Ｎ２を通して、溶接トランス４４の２次巻線Ｎ２に接続された上部電極３４、鋼棒２０、孔付き平板１０、下部電極３３に溶接電流が流れる。なお、溶接トランス４４の２次巻線Ｎ２は、１ターンであっても２ターンであってもよい。
【００６９】
図１０（ｃ）の概略断面図に示すように、棒鋼２０を下方に押し込みながらパルス電流を流すことにより、棒鋼２０は孔１１に嵌入する。本実施例においては、棒鋼２０は孔１１に総て嵌入することはない。嵌入する深さを大きくするためには、高電流を確保するための高電流トランス装置などの追加の装置が必要になることもある。孔つき平板１０の厚さは、例えば平板として要求される剛性から定まり、嵌入する深さは、接合部の強度等の設計条件などにより定められる。嵌入する深さは、例えば、ストッパ（不図示）により上部電極が棒鋼２０を下方に押し込みながら下方に移動する移動量を調整することにより制御してもよいし、パルス電流の電流値、時間または下方に押込み力を調節することにより、あるいは、これらを組み合わせて調節することにより制御してもよい。このように、本発明による拡散接合方法では、大きな強度が得られると共に、接合部の変形が小さく抑えられ、また、パルス電流も小さく、かつ、押込み力も小さくてよいので、装置も小さくて済む。
【００７０】
再び実施例の説明に戻り、図１０（ｄ）に、接合した孔付き平板１０と棒鋼２０との接合部分の断面観察した詳細断面図を示す。接合部には、嵌入した深さ方向において、その中央より浅い箇所、すなわち、嵌入した深さのおおよそ１／４から１／５の深さの箇所に、膨らみ部Ｓが形成されていた。また、棒鋼２０の端部、面取りした部分には、はみ出し部１５が、また、嵌入した入口箇所（すなわち、孔つき平板１０の表面）の棒鋼２０の周囲にもはみ出し部１６が形成されていた。これらのはみ出し部１５、１６は、重ね合わせ代Ｗの部分に見合う金属（孔つき平板１０の素材であるＡ６０６１材および／または棒鋼２０の素材であるＳ１０Ｃ材）が接合部から押し出され除去されたもので、一部は棒鋼２０の端部に押し出されて止まり、残りは棒鋼２０に押しのけられて入口箇所に逃げて止まったものと考えられる。
【００７１】
（評価方法）
本発明の接合方法の効果を確認するために、上記の方法により接合した部品の接合部の引張強度を計測する。
【００７２】
（引張強さの測定方法）
上記の方法で接合した接合物を、株式会社東京試験機製作所製トーシ式自動チャック式３０ｔｆＴＵ型多能材料引張試験機（ＴＵ−３０−ＤＥ）により引張試験を行い、引張強度（破断に至るまでの最大引張力）を計測した。
【００７３】
（測定結果）
図１２に、上記使用材料で説明した鉄系材料とアルミニウム系材料を上記接合方法にて接合した部品毎に測定した破断強度をまとめて示す。図１２には、重ね合わせ代毎に、パルス電流を流すための充電電圧、押込み力も併せて示す。
【００７４】
図１２で明らかなように、重ね合わせ代を０．３ｍｍから０．４ｍｍ、０．５ｍｍと増やすことにより、大きな押込み力が必要となるが、引張強度は増加する。いずれの重ね合わせ代においても、引張強度は３０ｋＮ以上であった。この値は、実用に耐える大きさであり、充分に大きな接合強度が得られたことになる。
【００７５】
（高温強度の確認）
アルミニウム系材料に関する異種金属接合においては、接合する金属の材質に拘らず、温度上昇により接合面に酸化化合物が析出し、脆化により強度が低下することが指摘されている。そこで、上記の方法で接合した部品を高温下に保持した後の強度を実測した。ここでは、重ね合わせ代を０．３ｍｍとし、１５０℃から３５０℃まで、５０℃刻みの温度を設定し、各温度下で２時間保持した後に、引張強度を計測した。なお、各温度毎に、２回の計測を行い、引張強度の平均値を求めた。
【００７６】
計測した結果を図１３にまとめて示す。温度を上げるにしたがって、引張強度が低下することがわかる。ところが、例えば１５０℃としても、引張強度は３０ｋＮ以上であり、実用に耐える充分な引張強度を維持していることがわかる。ただし、例えば、３５０℃とすると、常温のままの場合に比べ、引張強度は半分以下となっており、本発明の拡散接合により大きな接合強度が得られた場合においても、例えば３５０℃のような高温下で使用する場合には、充分な注意が必要となることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態である、鉄系部材とアルミニウム系部材との拡散接合方法の概念を説明する上面図および断面図であり、（ａ）は接合前の鉄系部材とアルミニウム系部材との上面図、（ｂ）は同じく接合前の断面図、そして、（ｃ）は接合後の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態である、鉄系部材とアルミニウム系部材との拡散接合方法において、内周面に面取り面を形成した断面を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態である、鉄系部材とアルミニウム系部材との拡散接合方法において、複数の孔に複数の突起が嵌入する場合の概念図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図４】接合した後の鉄系部材とアルミニウム系部材との境界の様子を説明する拡大断面図である。
【図５】棒鋼の嵌入する深さを調整するストッパの例を説明する部分断面図である。（ａ）は、孔つき平板の孔を段差付きにした例で、（ｂ）は、下部電極に突起を設け、突起を孔つき平板の孔に挿入した例である。
【図６】図５（ａ）に示すストッパとしての段差付きの孔を有する孔付き平板と棒鋼との接合において、はみ出し部を形成させないようにチリ防止溝を形成した例の孔の付近の部分断面図である。（ａ）は段差にチリ防止溝を形成した孔付き平板の例を、（ｂ）は段差と突起とが垂直の例を、（ｃ）は段差と突起とが鋭角の例を示す。
【図７】図５（ａ）に示すストッパとしての段差付きの孔を有する孔付き平板と棒鋼との接合において、棒鋼にチリ防止壁／溝を形成した例を示す部分断面図である。（ａ）は棒鋼にチリ防止壁／溝を形成した例を示し、（ｂ）は棒鋼と孔付き平板とにチリ防止壁／溝を形成した例を示す。
【図８】図５（ａ）に示すストッパとしての段差付きの孔を有する孔付き平板と棒鋼との接合において、孔付き平板と棒鋼とが摺動する部分あるいはその近くに溝を形成した例を示す部分断面図である。（ａ）は、孔付き平板の内周面に、（ｂ）は孔付き平板の内周面と段差に、（ｃ）は棒鋼にも溝を形成した例を示す。
【図９】図８に示す孔付き平板と棒鋼とが摺動する部分あるいはその近くに溝を形成した例において、溝にＯリングを挿入した例を示す部分断面図である。（ａ）は孔付き平板に形成された溝にＯリングを挿入した例を、（ｂ）は棒鋼に形成された溝にＯリングを挿入した例を示す。
【図１０】実施例１で用いた、部材の形状と寸法を示す図である。（ａ）はアルミニウム系部材の孔付き平板の斜視図、（ｂ）は鉄系部材の斜視図、（ｃ）は接合後のアルミニウム系部材と鉄系部材との位置を説明する概略断面図、および、（ｄ）は接合部の断面観察の詳細断面である。
【図１１】実施例１で使用した接合装置の模式的ブロック図である。
【図１２】実施例１における引張強度をまとめて示す図である。
【図１３】実施例１において、高温強度を確認した計測結果をまとめて示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０、７０、９０、１１０、１５０ アルミニウム系部材
１１、７１、１１１、１５１ 孔
１５、１６ はみ出し部
２０、８０、１２０、１６０ 鉄系部材
３０、３３ 下部電極
３１ 下部電極の突起
３２ 下部電極の突起の先端
３４ 上部電極
４１ 直流電源
４２ コンデンサ
４３ スイッチング回路
４４ 溶接トランス
５０ 接合装置
７２ 孔の大きな径の内周面（第１の面）
７３ 孔の小さな径の内周面
７４ 溝の上部の内周面
７５ 孔付き平板の上面
７６ 段差（第２の面）
７７、８４、９８ 突起
７８ 逃げ溝
７９ 突起の溝側の面
８２ 端部
８３ 端部の溝
８６ 外周面
８７ 溝
８８、８９ 張り出し
９２、９３、９６ 逃げ溝
１００ Ｏリング
１１２、１５２ 孔の内周面
１１４、１２４ 面取り面
１２２、１６２ 端部
１２６、１６６ 外周面
１３０、１４０ 鉄系またはアルミニウム系部材
１３１、１３２ 突起
１４１、１４２ 孔
１５５ アルミニウム系部材の上面
Ｂ 拡散部
Ｃ クリアランス
Ｎ１ １次巻線
Ｎ２ ２次巻線
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 押付け力
Ｓ 膨らみ部
Ｗ 重ね合わせ代
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属で形成された第１の部材と、該第１の金属より硬度の高い第２の金属で形成された第２の部材との拡散接合方法であって；
前記第１の部材の接合面と、前記第２の部材の接合面とを摺動し、少なくとも一方の接合面に形成されている酸化膜を除去する工程と；
前記第１の部材と前記第２の部材とを押し付ける力を加えながら、前記第１の部材と前記第２の部材との間に通電し、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する工程とを備える；
金属の拡散接合方法。
【請求項２】
前記第１の部材または第２の部材の内、いずれか一つの部材に孔が形成され、他の部材は前記孔より少なくとも一部が大きな外形を有し；
摺動する力を、前記孔を貫通する方向に加えて、前記他の部材を前記孔に嵌入する；
請求項１に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項３】
前記孔は、前記他の部材と摺動する第１の面と、該第１の面から孔の内側に延びる第２の面とを含んで形成され；
前記第２の面、あるいは、前記孔に嵌入する前記他の部材の前記第２の面と相対する第３の面に突起が形成され；
前記他の部材を、前記第２の面とほぼ接するまで嵌入する；
請求項２に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項４】
前記孔の前記他の部材と摺動する面あるいは前記他の部材の前記孔の面と摺動する面の少なくともいずれか一方に、前記他の部材が嵌入する方向と交差する方向の溝が形成され；
前記他の部材を、前記溝を越えてあるいは前期溝が前記孔に嵌入するまで、前記孔に嵌入する；
請求項２に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項５】
前記孔は、前記他の部材と摺動する第１の面と、該第１の面から孔の内側に延びる第２の面とを含んで形成され；
前記第２の面、あるいは、前記孔に嵌入する前記他の部材の前記第２の面と相対する第３の面に周囲より窪んだ凹部が形成され；
前記他の部材を、前記第２の面と前記第３の面とがほぼ接するまで嵌入する；
請求項２に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項６】
前記他の部材は、前記孔に嵌入しない部分を有し、該孔に嵌入しない部分の周囲に、前記孔に嵌入する部分より大きな外形の張り出しであって、前記孔に嵌入した後に前記他の部材が嵌入した前記孔の入口の周囲を、前記一つの部材と共に覆う張り出しを有し；
前記他の部材を、前記張り出しが、前記一つの部材にほぼ接するまで前記孔に嵌入する；
請求項２に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項７】
前記孔が円形断面の孔であり；
前記他の部材の外形が円形断面である；
請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項８】
前記他の部材の外形の大きな部分が前記孔の形成された部材と重なり合う重ね合わせ代が、０．２ｍｍないし１ｍｍである；
請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項９】
前記接合した他の部材に、接合する前よりも接合面の法線方向に張り出し、前記孔の形成された部材に食い込む膨らみ部が形成される；
請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項１０】
前記第１の金属がアルミニウム系材料であり；
前記第２の金属が鉄系材料であり；
前記酸化被膜が、少なくとも前記第２の部材の接合面に形成されている；
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項１】
第１の金属で形成された第１の部材と、該第１の金属より硬度の高い第２の金属で形成された第２の部材との拡散接合方法であって；
前記第１の部材の接合面と、前記第２の部材の接合面とを摺動し、少なくとも一方の接合面に形成されている酸化膜を除去する工程と；
前記第１の部材と前記第２の部材とを押し付ける力を加えながら、前記第１の部材と前記第２の部材との間に通電し、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する工程とを備える；
金属の拡散接合方法。
【請求項２】
前記第１の部材または第２の部材の内、いずれか一つの部材に孔が形成され、他の部材は前記孔より少なくとも一部が大きな外形を有し；
摺動する力を、前記孔を貫通する方向に加えて、前記他の部材を前記孔に嵌入する；
請求項１に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項３】
前記孔は、前記他の部材と摺動する第１の面と、該第１の面から孔の内側に延びる第２の面とを含んで形成され；
前記第２の面、あるいは、前記孔に嵌入する前記他の部材の前記第２の面と相対する第３の面に突起が形成され；
前記他の部材を、前記第２の面とほぼ接するまで嵌入する；
請求項２に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項４】
前記孔の前記他の部材と摺動する面あるいは前記他の部材の前記孔の面と摺動する面の少なくともいずれか一方に、前記他の部材が嵌入する方向と交差する方向の溝が形成され；
前記他の部材を、前記溝を越えてあるいは前期溝が前記孔に嵌入するまで、前記孔に嵌入する；
請求項２に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項５】
前記孔は、前記他の部材と摺動する第１の面と、該第１の面から孔の内側に延びる第２の面とを含んで形成され；
前記第２の面、あるいは、前記孔に嵌入する前記他の部材の前記第２の面と相対する第３の面に周囲より窪んだ凹部が形成され；
前記他の部材を、前記第２の面と前記第３の面とがほぼ接するまで嵌入する；
請求項２に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項６】
前記他の部材は、前記孔に嵌入しない部分を有し、該孔に嵌入しない部分の周囲に、前記孔に嵌入する部分より大きな外形の張り出しであって、前記孔に嵌入した後に前記他の部材が嵌入した前記孔の入口の周囲を、前記一つの部材と共に覆う張り出しを有し；
前記他の部材を、前記張り出しが、前記一つの部材にほぼ接するまで前記孔に嵌入する；
請求項２に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項７】
前記孔が円形断面の孔であり；
前記他の部材の外形が円形断面である；
請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項８】
前記他の部材の外形の大きな部分が前記孔の形成された部材と重なり合う重ね合わせ代が、０．２ｍｍないし１ｍｍである；
請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項９】
前記接合した他の部材に、接合する前よりも接合面の法線方向に張り出し、前記孔の形成された部材に食い込む膨らみ部が形成される；
請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法。
【請求項１０】
前記第１の金属がアルミニウム系材料であり；
前記第２の金属が鉄系材料であり；
前記酸化被膜が、少なくとも前記第２の部材の接合面に形成されている；
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の金属の拡散接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−２６３８０９（Ｐ２００６−２６３８０９Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０３０４８（Ｐ２００５−２０３０４８）
【出願日】平成１７年７月１２日（２００５．７．１２）
【出願人】（０００１０３９７６）オリジン電気株式会社 (223)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１２日（２００５．７．１２）
【出願人】（０００１０３９７６）オリジン電気株式会社 (223)
【Ｆターム（参考）】
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