JP4994982B2

JP4994982B2 - 銅製の薄肉パイプの拡散接合方法

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Publication number: JP4994982B2
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Inventors: 佐々木　　広治
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Description

本発明は、導電性が非常に高い銅材料からなる薄肉パイプと他の金属材料からなる被接合部材とを接合する拡散接合方法に関する。

鉄系材料とステンレス材料、あるいは鉄系材料と銅部材、又は鉄系材料とアルミニウム材料など、融点、導電率、硬度など特性の異なる異種金属材料を接合する方法が種々提案されているが、異種金属材料の接合は硬ロウによる接合、超音波接合、又はかしめ、ボルト締めなどが多かった。また、同種の金属材料同士の抵抗溶接でも、導電率が非常に良好な銅部材と銅部材同士の接合、又はアルミニウム部材とアルミニウム部材同士、あるいは銅部材とアルミニウム部材との接合なども同様の手段で行われていることが多いが、このような前述した接合方法では、導電率が非常に良好な銅部材、アルミニウム部材を用いるという用途から見て、それらの接合部の抵抗を無視できるほどには小さくできない。このような理由もあって、導電率が非常に良好な銅部材同士、アルミニウム部材同士、又は銅部材とアルミニウム部材との拡散接合は特に難しいとされている中、界面抵抗を小さくできる接合を行う努力が既に行われており、下記のような処理工程を予め行うことによって銅部材とアルミニウム部材との抵抗溶接を可能にする改良技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この方法は、銅部材とアルミニウム部材とを直接抵抗溶接することはできないので、抵抗溶接前に予め銅部材の接合表面にスズ膜を形成し、更に処理を行ってその銅部材とスズとの界面に銅とスズとの固溶を生成させたスズ被覆層を形成した後に、そのスズ被覆層とアルミニウム部材とを接触させ、その固溶生成させたスズ被覆層を銅部材とアルミニウム部材との間に介在させた状態で加圧し、溶接電流を流して溶接を行うものである。この溶接方法を実現するのは、コンデンサ式溶接機ではなくインバータ式溶接機を用いて、高周波の溶接電流を銅部材とアルミニウム部材とに流し、銅部材とアルミニウム部材との溶接部を溶融させ、溶融した銅とアルミニウムとを互いに混じり合わせたナゲットを形成して溶接を行うものである。また、異種金属の抵抗溶接に当たっては、予め異種金属の溶接部を最適な特殊形状に加工することによって良好な接合結果が得られる接合方法、及び抵抗溶接装置が既に報告されている（例えば、特許文献２〜５参照）。
特開２００１−０８７８６６公報特開平０８−１１８０４０号公報特開平１０−１５６５４８号公報特開平１０−１２８５５０号公報特開平１１−０３３７３７号公報

前掲特許文献１で開示された抵抗接合方法は、銅部材の溶接表面にスズを形成し、銅部材とアルミニウム部材との接合部にナゲットを形成する溶接方法であり、融点が低く、抵抗が大きなスズ膜による発熱によって銅部材とアルミニウム部材とを溶接することができるが、相互の金属が溶融することによって形成されるナゲットの生成によって溶接部の周囲のスズがチリとなって飛散し、塑性流動に至らないという問題点がある。また、接合電流の通電時間が長いので、溶接部での発熱が大きく、溶接部だけでなくその周囲が変色したり、変形が大きくなるなどの問題もある。一方の被接合物が１．５ｍｍ程度以下の銅製の薄肉パイプである場合、スズ膜を利用することは有効な手段であるが、このような抵抗溶接方法では所望の接合強度を得ようとして大きな接合電流を通電すると、薄肉のために電流密度が大きくなり、銅製の薄肉パイプの先端部分の拡散接合が行われる前に銅製の薄肉パイプが軟化するために接合電極の把持力及び加圧力によって大きく変形し、銅製の薄肉パイプの一部分の径が縮小されるなど、溶接品質が極端に低下する。

前掲の特許文献２と３に記載されている拡散接合装置は、拡散接合時における被接合物の塑性流動化に伴う接合電極の変位に高速で応答することができるので、異種金属の接合や銅など高導電率の拡散接合に有効であり、銅製の薄肉パイプの拡散接合にも有用であるが、銅製の薄肉パイプと被接合物との条件を拡散接合に適合し得るように設定しなければ満足に行く接合強度や接合品質は得られない。前掲の特許文献４と５に記載されている接合方法は、接合部の構造が特定の構造の異種金属材料からなる被接合物に適している。しかし、一方の被接合物が銅製の薄肉パイプである場合には、拡散接合される相手方の被接合物にリング状の溝を形成することになるが、その溝は銅製の薄肉パイプの肉厚に見合った狭い幅の溝であるので、加工誤差や拡散接合時の熱膨張及び変形などによって拡散接合時に銅製の薄肉パイプの肉厚と溝の幅とが不適合となるために、前掲特許文献４、５に開示されている拡散接合装置をもってしても満足の行く拡散接合を行えない場合があるという問題があった。また、高精度のリング状の溝を形成することは加工がコスト高になるなどの問題もあった。

本発明は、銅製のパイプ、特に肉厚が１．５ｍｍ以下で導電率が高く、発熱し難いために拡散接合が難しい薄肉の銅製の薄肉パイプを黄銅などのような他の金属からなる被接合物に拡散接合することを課題にする。銅製の薄肉パイプを拡散接合する場合には前述のような問題点が存在にすることに立脚して、銅製の薄肉パイプの肉厚に見合った前述の特定の環状の突出部を被接合物に形成し、銅製の薄肉パイプの先端面を予めスズ膜のように銅に比べて固有抵抗が大きく、かつ融点が低い低融点金属被膜で覆い、これら銅製の薄肉パイプの先端面と被接合物の環状の突出部とを金属被膜を介在させて加圧した状態で接合電流パルスを通電することに特徴がある。このようにすることによって、銅製の薄肉パイプの先端部と被接合物の環状の突出部との塑性流動化がバランスし、前述した拡散接合装置で所望の接合強度及び外観など接合品質の高い接合結果が得られることを特徴としている。

第１の発明は、銅製の薄肉パイプの先端面を被接合物の環状の突出部に当接させ、前記銅製の薄肉パイプと前記被接合物との間に加圧力をかけた状態でパルス状の接合電流を通電して接合する銅製の薄肉パイプの拡散接合方法であって、前記銅製の薄肉パイプは、その肉厚が０．６ｍｍ以上で１．５ｍｍ以下であり、その銅製の薄肉パイプの先端面は銅よりも電気抵抗が大きい低融点金属膜で被覆されており、前記被接合物の前記環状の突出部は、その根元の幅がＤであって、内径が前記銅製の薄肉パイプの内径よりも小さく、かつ外径が前記銅製の薄肉パイプの外径よりも大きくなるように形成されており、前記銅製の薄肉パイプの肉厚ｄと前記円環状の突出部の根元の幅Ｄとの関係が、ｄ≦Ｄ≦２．５ｄであることを特徴とする銅製の薄肉パイプの拡散接合方法を提供する。

第２の発明は、前記第１の発明において、前記銅製の薄肉パイプは、その先端面の幅が肉厚ｄよりも小さくされ、リングプロジェクションとして働くことを特徴とする銅製の薄肉パイプの拡散接合方法を提供する。

第３の発明は、前記第１の発明又は前記第２の発明において、前記パルス状の接合電流は、ピーク値までの立上り時間（Ｔ）が１０ミリ秒以下であることを特徴とする銅製の薄肉パイプの拡散接合方法を提供する。

第４の発明は、前記第１の発明ないし前記第３の発明のいずれかにおいて、前記銅製の薄肉パイプと前記被接合物との間にかけられた加圧力は、拡散接合時に前記銅製の薄肉パイプと前記被接合物との塑性流動化に伴う沈み込みに瞬時的に応答するように弾性力が重畳されていることを特徴とする銅製の薄肉パイプの拡散接合方法を提供する。

前記第１の発明に係る拡散接合方法によれば、拡散接合時における銅製の薄肉パイプの先端部と被接合物の環状の突出部との発熱のバランスがとれるために、銅製の薄肉パイプの先端部の塑性流動化と被接合物の環状の突出部の塑性流動化とのタイミングが適合するので、所望の接合強度及び外観など接合品質の高い接合結果を得ることが可能である。

前記第２の発明によれば、前記第１の発明で得られる効果に加えて、銅製の薄肉パイプの先端面の幅を肉厚ｄよりも小さくし、リングプロジェクションとして作用させるので、低い接合電流のピーク値で所望の接合強度で拡散接合することができ、より一層、外観など接合品質を向上させることができる。

また、前記第３の発明によれば、前記第１の発明又は前記第２の発明で得られる効果に加えて、ピーク値までの立ち上がり時間が１０ミリ秒以下のパルス状の接合電流で拡散接合するので、薄肉パイプを発熱による変色及び変形が少なく、所望の接合強度で安定に拡散接合を行うことができる。

また、前記第４の発明によれば、前記第１の発明ないし前記第３の発明で得られる効果に加えて、拡散接合時に銅製の薄肉パイプと被接合物との塑性流動化に伴う沈み込みに瞬時に応答するように弾性力が重畳されている加圧力を接合部に加えているので、導電性の高い薄肉のパイプを所定の接合強度でもって拡散接合することができる。

金属材料の拡散接合は、接合電流が流れるときに金属材料の有する抵抗及び双方の金属材料の当接面での接触抵抗により生じる発熱によって双方の金属材料の当接面で塑性流動、つまり軟化が起こり、拡散接合が行われる。しかしながら、被接合物が銅材料からなる場合には、銅部材の抵抗が極めて小さいために、銅部材の抵抗により発熱する発熱量が不足し、要求される接合強度が極めて小さい場合を除いて、満足の行く拡散接合結果を得るのは難しい。要求される接合強度が極めて小さい拡散接合は可能であっても、現実に要求される接合強度を満足するには、高導電性被接合物である銅部材の接合部の形状や表面状態（接触抵抗）、接合電流の条件、接合装置の諸々の特性などに対する種々の制約が厳しいために実際の製造ラインに適用することは難しかった。

例えば、銅部材が１．５ｍｍ以下、特に０．６ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下の肉厚の薄肉パイプからなる場合、所望の接合強度を得ようとして、１．５ｍｍよりも肉厚の大きな通常の銅製のパイプの接合電流に比べて、銅製のパイプの円環状の断面積に比例した少ない接合電流を流しても、拡散接合が完了する前に銅製のパイプにおける接合電極から突出している銅製の薄肉パイプの部分（出し代）が軟化し、銅製の薄肉パイプが変形したり、潰れてしまい、所望の溶接強度が得られないばかりか、熱による焼けで変色するなど接合品質が大幅に低下してしまう。銅製の薄肉パイプの接合部分以外の部分が発熱によって変形や変色しない程度まで接合電流を小さくすると、拡散接合が不十分になって所望の接合強度が得られなかった。今回、種々の考察及び実験を行った結果、銅製の薄肉パイプの接合部分以外の部分が発熱によって変形しない良好な拡散接合結果を得ることができたので、発明の実施形態を下記に述べる。

[実施形態１]
図１及び図２によって本発明に係る拡散接合方法の実施形態１について説明する。図１は実施形態１に係る拡散接合方法を実現するのに用いられる銅製の薄肉パイプと被接合物の一例を説明するための図であり、図２は実施形態１に係る拡散接合方法を実現するのに適したコンデンサ式の拡散接合装置の一例を示す図である。先ず、実施形態１は極めて難しいとされている銅製の薄肉パイプを黄銅などからなる被接合物に拡散接合する一例を以下に説明する。本明細書においては、銅製の薄肉パイプとは銅製のパイプの肉厚が１．５ｍｍ以下のものを言う。

図１（Ａ）、（Ｂ）において、一方の被接合物である銅製の薄肉パイプＷ１は銅材料からなり、肉厚が０．６ｍｍ以上で１．５ｍｍ以下の薄肉パイプである。被接合物Ｗ２は黄銅（真ちゅう）製のパイプ、又は銅よりも固有抵抗が大きく、また、融点や硬度なども異なる金属材料からなるパイプ、板、その他の種々の形状のブロックなどである。特に、黄銅は銅に比べると体積固有抵抗値が大きいが、鉄に比べて体積固有抵抗値が小さく、発熱し難い材料である。したがって、黄銅と銅パイプとを拡散接合する場合、共に導電性が高い金属材料であり、黄銅側の拡散接合面がフラットな面では黄銅側の発熱不足によって塑性流動化が喚起されない。このため、黄銅側にプロジェクションを形成することで発熱を促進しなければならないが、黄銅と銅パイプとの発熱のバランスを考慮し、それらの塑性流動化を適切にバランスさせる拡散接合部の形状が必要になる。

銅製の薄肉パイプＷ１の先端部は図１に示すように、外周端部と内周端部の双方が面取りされて、断面が先細りした円環状のプロジェクション部分Ｐ１になっている。したがって、プロジェクション部分Ｐ１に形成された銅製の薄肉パイプＷ１の先端面Ａはプロジェクション部分Ｐ１と同様に円環状であり、当然円環状先端面Ａの幅は銅製の薄肉パイプＷ１の肉厚ｄよりも小さくなっており、塑性流動化を適切にバランスさせる好ましい形状になっている。

銅製の薄肉パイプＷ１の先端部には低融点金属膜Ｍが形成されている。この低融点金属膜Ｍは、主として銅製の薄肉パイプＷ１の先端面が酸化されて接合面域が酸化銅膜で覆われるのを防ぐ働きと、接合面での発熱を促進する働きを行うものであり、銅材料の融点よりも低く、比較的安価な金属材料で銅材料に形成し易い、特にメッキ工程で形成し易いスズ（Ｓｎ）、あるいは亜鉛（Ｚｎ）、又はリフローによって銅板の面にほぼ一様に形成できるハンダ材料などが好ましい。実施形態１における低融点金属膜Ｍはスズ材料からなるものとする。低融点金属膜Ｍに覆われている銅製の薄肉パイプＷ１の先端部分、つまりリング状のプロジェクション部分Ｐ１の外面は清浄なままに維持される。

低融点金属膜Ｍの厚みは１μｍから８μｍの範囲にあることが好ましい。低融点金属膜Ｍが１μｍよりも薄い膜厚の場合には、低融点金属膜Ｍの膜厚の不均一性や、銅製の薄肉パイプＷ１の搬送過程などで低融点金属膜Ｍが損傷することによって酸化膜が形成される場合があり、この場合には拡散接合は不完全なものになり、満足できる接合強度が得られない。また、低融点金属膜Ｍが８μｍよりも厚い膜厚の場合には、拡散接合部位の切断面を顕微鏡で観察すると、銅製の薄肉パイプＷ１と第２の被接合物Ｗ２との接合面に低融点金属膜Ｍと同じ金属材料の薄い層が形成されたり、低融点金属膜Ｍの金属材料が混入された薄層が形成されることがあり、接合面での抵抗値の増加や接合面の脆弱化といった影響が生じるので、低融点金属膜Ｍの膜厚は８μｍ以下であるのが好ましい。

被接合物Ｗ２は例えば黄銅製の厚肉パイプである。その厚肉パイプの先端部分には円環状の突出部Ｐ２が形成されている。この円環状の突出部Ｐ２の形成方法は、パイプを抵抗溶接するときに形成する一般的なプロジェクションの形成方法とほぼ同じであるので詳しく説明しないが、円環状端部の外側、あるいは外側と内側をある傾斜面になるように切削加工などを行うことによって形成される。環状の突出部Ｐ２の高さは特に限定されないが、拡散接合時に環状の突出部Ｐ２に熱が集中して環状の突出部Ｐ２から被接合物Ｗ２の本体部分に熱が逃げ難い高さを有するのが好ましく、実施形態１では例えば１．０〜２．０ｍｍ程度が好ましい。また、外側の傾斜面と内側の傾斜面との延長線がなす角度は任意でよいが、例えば６０〜１２０度である。なお、外側の傾斜面と内側の傾斜面がほぼ垂直なコの字状の突出部Ｐであってもよい。

前にも述べたが、銅製の薄肉パイプＷ１は肉厚が０．６ｍｍ以上で１．５ｍｍ程度以下であるので、ある電流値以上の接合電流を流すと、後述するように銅製のパイプＷ１における上部接合電極７から突出している銅製の薄肉パイプＷ１の部分（出し代）が軟化するという問題があるので、接合電流量を制限しなければならず、このために接合部に発生した熱が突出部Ｐ２から被接合物Ｗ２の本体部分に熱が逃げ難いようにしなければならず、更に大切なことは銅製の薄肉パイプＷ１の先端部分の塑性流動化と被接合物Ｗ２の突出部Ｐ２の塑性流動化とのバランスを図らなければならないということである。銅製の薄肉パイプＷ１と被溶接物Ｗ２のそれぞれの固有抵抗値、融点、硬度（硬さ）などが関係し、実験から銅製の薄肉パイプＷ１の肉厚ｄと被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の根元の幅Ｄとの関係がｄ≦Ｄ≦２．５ｄであることが望ましいことを確認した。この点については後に述べるが、被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の先端の幅をＤ’とすると、銅製の薄肉パイプＷ１の肉厚ｄと被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の先端の幅をＤ’との関係が０．４ｄ≦Ｄ’≦２．５ｄになるように、環状の突出部Ｐ２の前記内側と外側の傾斜面の角度を設定することが望ましい。

次に、低融点金属膜Ｍが形成された銅製の薄肉パイプＷ１と前述の特定の環状の突出部Ｐ２が形成された被接合物Ｗ２との拡散接合を実現可能にするコンデンサ式の拡散接合装置の一例を図２によって簡潔に説明する。この拡散接合装置は接合電極などを除いて前掲の特許文献４に記載された構造とほぼ同じである。この拡散接合装置が設置される床又はベース部材１に支持機構２が固定されている。支持機構２にはシリンダ装置などからなる加圧機構３が取り付けられ、加圧機構３の先端部には金属材料からなる可動ブロック４が取り付けられている。スプリング又は非常に高速で動作が可能な電磁加圧装置のような加圧補助部材５が可動ブロック４と支持部材６との間に備えられ、溶接電極の加圧応答を向上させる補助的な役割を行っている。

ここで、支持部材６は直接又は間接的に加圧補助部材５の下端部に結合され、給電部としても作用する銅のような金属材料からなる。上部接合電極７は持部材６に支承されており、上部接合電極７と向かい合った位置には下部接合電極８が配置されている。上部溶接電極７及び下部接合電極８は図３で説明するが、銅製の薄肉パイプＷ１、被接合物Ｗ２をそれぞれ放射外方向から放射内方向に動いてチャック、つまり把持できるように３分割されている一般的なチャック機構の接合電極である。加圧補助部材５の伸縮の影響を受けない高さの部位に位置する可動ブロック４にはＬ字形の中間接続部材９が固定されている。支持部材６とＬ字形中間接続部材９との間を接続する撓み易い第１のフレキシブル導電部材１０が備えられ、Ｌ字形の中間接続部材９と一方の給電導体１２との間は導体１１によって接続されている。導体１１は、第１のフレキシブル導電部材１０に比べて長い第２のフレキシブル導電部材である。上部接合電極７と下部接合電極８とは、例えば銅合金からなる。

給電導体１２と、下部接合電極８に接続された他方の給電導体１３との間に接合用トランス１４の２次巻線Ｎ２が接続され、これに磁気的に結合された１次巻線Ｎ１にはインバータ回路又は半導体スイッチ回路のような放電回路１５が接続される。放電回路１５にはエネルギー蓄積用コンデンサ１６とそのコンデンサを充電する充電回路１７とが接続されている。拡散接合にあっては、接合強度に寄与する接合電流のほとんどは立ち上がりからピーク値近傍までの電流であるので、ここでは図４に示すように、パルス状の溶接電流のパルス幅をゼロからピーク値近傍まで立ち上がるまでの時間Ｔであるものとし、時間Ｔが１０ｍｓ程度以下であることが好ましい。

このようなパルス幅の狭い急峻なパルス状電流が接合電極７、８間を流れることができるように、放電回路１５、接合用トランス１４及び給電導体１２、１３など、エネルギー蓄積用コンデンサ１６の放電電流が流れる通電路はインダクタンスを最小にする回路構成になっている。そのために、例えば給電導体１２、１３などは最短になっており、また、配線となる導電体はそのインダクタンスを相殺するように配置されている。そして、この構造では上部接合電極７は僅かな外力で上下方向に上下動できる支持部材６に支えられていると同時に、即応性の高い弾性力を与えることができる加圧補助部材５に結合されているので、被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２とこれに当接する銅製の薄肉パイプＷ１との塑性流動化による上部接合電極７と下部接合電極８との間の微妙な加圧力の変化に対して、上部接合電極７が即応することができる。なお、記号１８〜２０は３相交流入力端子を示す。

次に、図３及び図４も用いて実施形態１に係る拡散接合について説明する。図３に示す一般的なチャックコレット式の上部接合電極７は、３個の分割型電極７Ａと７Ｂ（７Ｃは陰になっていて表示されていない。）が図面左右方向（放射方向に）に動いて拡径又は縮径を自在に行って、銅製の薄肉パイプＷ１をチャック（把持）又はその開放を自在に行える構造のものである。上部接合電極７は２分割又は４分割、あるいはそれ以上に分割されている分割型電極であっても勿論よい。上部接合電極７は、分割型電極７Ａ、７Ｂなどが拡径した状態で銅製の薄肉パイプＷ１を受け入れ、分割型電極７Ａと７Ｂなどを縮径させて銅製の薄肉パイプＷ１を把持する。このとき、銅製の薄肉パイプＷ１の下部分の少なくとも先細りしているプロジェクション部分Ｐ１及び低融点金属膜Ｍは、上部接合電極７の下端から下方に突出している。この突出している部分は、拡散接合時に銅製の薄肉パイプＷ１が変形し難いという面から、上部接合電極７が被接合物Ｗ２に接触しない程度の寸法、例えば１．０ｍｍ前後であることが望ましい。

下部接合電極８も上部接合電極７と同様な一般的な構造のコレットチャック式の構造であり、３個の分割型電極８Ａと８Ｂ（８Ｃは陰になっていて表示されていない。）が図面左右方向（放射方向に）に動いて拡径又は縮径を自在に行って、被接合物Ｗ１をチャック（把持）又はその開放を自在に行う。下部接合電極８は上部接合電極７と同様に２以上の複数に分割された分割型電極でよい。実施形態１では被接合物Ｗ２を厚肉のパイプとしたので、コレットチャック式の下部接合電極８としたが、被接合物Ｗ２が金属の板やブロックなどからなる場合には下側からこれらを支承する一般的な電極であってもよい。被接合物Ｗ２も下部接合電極８の上端から、図３で少なくとも被接合物Ｗ２の円環状の突出部Ｐ２とその下の１ｍｍ程度が突出した状態で、下部接合電極８に把持される。

次に、上部接合電極７を降下、又は下部接合電極８を上昇させて銅製の薄肉パイプＷ１の先端面に形成されている低融点金属膜Ｍを被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２に当接させる。図２における加圧機構３が動作して下方向に動作し、これに伴い、可動ブロック４、加圧補助部材５、支持部材６及び上部接合電極７からなる上部接合ヘッド全体が下降し、上部接合電極７が銅製の薄肉パイプＷ１に所定の加圧力を加える。この加圧力を加えている途中である加圧力に達した段階、あるいは加圧力がほぼ一定になった段階で、放電回路１５がオンして、充電回路１７により既にエネルギー蓄積用コンデンサ１６に充電されている電荷を、接合用トランス１４の１次巻線Ｎ１に瞬時に放出する。

これに伴い、１次巻線Ｎ１に比べて巻数が大幅に少ない１ターン又２ターン程度の２次巻線Ｎ２に大きな電流が発生し、上部接合電極７と下部接合電極８とその間に挟まれている銅製の薄肉パイプＷ１と被接合物Ｗ２とを介して、図４に示すようなパルス状の接合電流が流れる。このパルス状の接合電流は前述したようにほぼ１０ｍｓ以下の時間（Ｔ）で急激にピーク値まで増大し、短時間で急激に低下する単一の電流パルスである。このパルス状の電流が大き過ぎると、銅製のパイプにおける接合電極から突出している銅製の薄肉パイプの部分（出し代）が軟化して変形することがあるので、このようなことが生じない程度の大きさの電流値に制限される。

もう少し細かく説明すると、このようなパルス状の接合電流は上部接合電極７から銅製の薄肉パイプＷ１の薄肉部分、そのプロジェクション部分Ｐ１、低融点金属膜Ｍ、被接合物Ｗ２の円環状の突出部Ｐ２、被接合物Ｗ２の本体部分、及び下部接合電極８を通して流れる。この実施形態１では、銅製の薄肉パイプＷ１のプロジェクション部分Ｐ１の先端面Ａの幅は図１（Ｂ）で示すように薄肉パイプＷ１の肉厚ｄよりも小さくなっているので、先端面Ａにおける接合電流の電流密度は薄肉パイプＷ１の肉厚部分の電流密度よりも大きくなる。つまり、薄肉パイプＷ１の肉厚部分の電流密度を薄肉パイプＷ１の先端面Ａの電流密度よりも小さくすることができる。そして、銅製の薄肉パイプＷ１のプロジェクション部分Ｐ１の先端面Ａを流れる接合電流によって、融点が低く、かつ固有抵抗値が銅に比べてかなり大きい低融点金属膜Ｍは銅製の薄肉パイプＷ１のプロジェクション部分Ｐ１に比べて発熱温度が高くなり、プロジェクション部分Ｐ１の塑性流動化前に溶融して、プロジェクション部分Ｐ１の塑性流動化を助ける。例えば、銅の融点はほぼ１０８５℃であり、スズ（Ｓｎ）の融点はほぼ２３２℃である。

低融点金属膜Ｍによる発熱は、瞬時に銅製の薄肉パイプＷ１のプロジェクション部分Ｐ１の温度を上昇させてプロジェクション部分Ｐ１を塑性流動化させる。特に、１０ミリ秒以下の短い有効時間幅の大きなパルス状の接合電流を流すので、表皮効果によって薄肉の銅製の薄肉パイプの外側に集中する傾向があり、このことが更に銅製の薄肉パイプの塑性流動化を早める。この点についてさらに詳しく説明すると、前述したように、パルス状の拡散電流はほぼ１０ｍｓ以下の時間（Ｔ）で急激にピーク値まで増大し、短時間で急激に低下する高周波の電流パルスであるので、表皮効果によって銅製の薄肉パイプＷ１の表面を流れる傾向を呈する。このことは銅製の薄肉パイプＷ１の表面側に比べて中心部側の温度上昇を小さくし、その表面側に比べて中心部側の塑性流動化が遅れ、被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２が塑性流動化するまで変形するのを防止する。

他方、銅に比べて体積固有抵抗値の大きな黄銅からなる被接合物Ｗ２の発熱は幾分大きい。溶融した低融点金属膜Ｍは双方の接合電極間に印加されている加圧力によって銅製の薄肉パイプＷ１のプロジェクション部分Ｐ１の先端面Ａと被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の先端面Ｂとの間から押し出され、銅製の薄肉パイプＷ１のプロジェクション部分Ｐ１の先端面Ａと被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の先端面Ｂが互いに直接当接する。前述したように、銅製の薄肉パイプＷ１の肉厚ｄと被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の根元の幅Ｄとの関係はｄ≦Ｄ≦２．５ｄであり、その当接部分における発熱は、環状の突出部Ｐ２を通して被接合物Ｗ２の本体部に逃げ難く、かつプロジェクション部分Ｐ１と熱容量的にバランスがとれているから、プロジェクション部分Ｐ１の塑性流動化とほぼ同時に、プロジェクション部分Ｐ１の先端面Ａに当接している被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の先端面Ｂの当接面域が塑性流動化し、プロジェクション部分Ｐ１の先端面Ａと先端面Ａに当接している被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の先端面Ｂの当接面域とが拡散接合される。そして、拡散接合が進むにつれて、プロジェクション部分Ｐ１が被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の先端面Ｂの当接面域に食い込みながら塑性流動化し、最終的には銅製の薄肉パイプＷ１の肉厚ｄにほぼ等しい環状の面域で深い拡散接合が行われる。

また、前述したように、銅製の薄肉パイプＷ１の肉厚ｄと被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の根元の幅Ｄとの関係はｄ≦Ｄ≦２．５ｄの範囲に設定されているので、プロジェクション部分Ｐ１と環状の突出部Ｐ２の接合面域における熱容量的なバランスがとれているから、上部接合電極７に把持された部分の銅製の薄肉パイプＷ１が軟化しない程度の大きさの接合電流で、銅製の薄肉パイプＷ１の先端部と被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２とをバランスよく塑性流動化させているので、銅製の薄肉パイプＷ１を被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２に好ましく拡散することができ、所望の拡散接合強度を得ることができた。

銅製の薄肉パイプＷ１と被接合物Ｗ２との拡散接合で、良好な接合結果が得られるのは前述したように、前記低融点金属膜Ｍが形成されたプロジェクション部Ｐ１と、ｄ≦Ｄ≦２．５ｄの範囲に設定されている根元の幅Ｄを有する環状の突出部Ｐ２に拠るところが大きいが、図２で述べた拡散接合装置の特性、及び１０ｍｓ以下の時間（Ｔ）で急激にピーク値まで増大する接合電流に負うところも大きい。したがって、図２に示した拡散接合装置の即応動作について更に詳しく説明する。先ず、加圧機構３が動作して下方向に動作すると、これに伴い、可動ブロック４、加圧補助部材５、支持部材６及び上部接合電極７からなる上部接合ヘッド全体が下降する。上部接合電極７にクランプされた銅製の薄肉パイプＷ１がその先端部を覆う低融点金属膜Ｍを介して被接合物Ｗ２に当接される。上部接合電極７と支持部材６とはその位置で停止するが、加圧機構３がさらに下降するのに伴い、加圧補助部材５が収縮され、金属ブロック４は加圧機構３と一緒に下降する。

また、可動ブロック４が下降するのに伴い、第２のフレキシブル導電部材１１は大きく撓み、第１のフレキシブル導電部材１０は可動ブロック４と支持部材６と一緒に動くので最初の状態で下降するが、前述のように支持部材６が停止し、可動ブロック４が加圧補助部材５を収縮させながら下降するとき、最初の状態から少し変形する。しかし、前述のように第１のフレキシブル導電部材１０は第２のフレキシブル導電部材１１に比べて撓み易く作られているから、支持部材６と上部接合電極７との動きに対する悪影響が軽減される。したがって、上部接合電極７の即応性が改善される。

加圧機構３が加圧している状態では、上部接合電極７などが停止した後に金属ブロック４と支持部材６との間の空隙は小さくなり、加圧補助部材５は下向きの機械的エネルギーを蓄え、またそれらはあるレベル以上の上向きの力を吸収する作用を行う。このように、加圧機構３が動作して下降運動を行っている過程で加圧補助部材５が収縮し、そして上部接合電極７と下部接合電極８との間の加圧力が予め決められたレベルに達すると、接合用トランス１４及び給電導体１２、１３から上部接合電極７と下部接合電極８との間に短いパルス幅のパルス状接合電流が通電される。つまり、所定の加圧力で加圧された状態において、電流がピーク値までに立ち上がるのに要する時間Ｔが１０ｍｓ程度以下の狭いパルス幅のパルス状溶接電流が流れることにより、前述したように銅製の薄肉パイプＷ１と被接合物Ｗ２の環状のプロジェクションＰ２との接触部分における低融点金属膜Ｍが先ず溶融する。

次に、銅製の薄肉パイプＷ１の先端の低融点金属膜Ｍに当接している被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の面域（以下では当接面域という。）の塑性流動化、さらにはその突出部Ｐ２の前記当接面域に当接している銅製の薄肉パイプＷ１の先端部分の塑性流動化が行われる。被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の前記当接面域の塑性流動化に伴い銅製の薄肉パイプＷ１の先端部が被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の前記当接面域に入り込み（食い込み）ながら塑性流動化する。この際には既に溶融している低融点金属膜Ｍは加圧力によって銅製の薄肉パイプＷ１の先端部と被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の前記当接面域から排除され、銅製の薄肉パイプＷ１の先端部が被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２に非常に好ましい状態で拡散接合される。この接合断面を顕微鏡写真で観察すると、銅製の薄肉パイプＷ１の先端部と被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２の前記当接面域にはナゲットは実質的に形成されておらず、銅製の薄肉パイプＷ１の先端部が環状の突出部Ｐ２の前記当接面域に入り込んだ形で拡散接合されている。

説明が少し戻るが、被接合物Ｗ２の環状の突出部Ｐ２における前記当接面の塑性流動化、さらには銅製の薄肉パイプＷ１の先端部の塑性流動化が始まるに伴って、図２に示した加圧補助部材５がスプリングのような弾性部材であるときに、接合初期の接合部分の膨張を弾性部材が瞬時に吸収すると共に、常時、弾性部材が接合部分に加圧力を与えているので、銅製の薄肉パイプＷ１と被接合物Ｗ２との塑性流動化による沈みに対しても極めて応答の速い加圧力を与えることができる。この加圧補助部材５の応答速度が速ければ速いほど、パルス幅の短いパルス接合電流を、つまり短時間に電流エネルギーを集中して銅製の薄肉パイプＷ１と被接合物Ｗ２との間に流すことができ、銅材料のような熱伝導の極めて良好なものでも、好ましい状態に塑性流動化させることができる。加圧補助部材５の応答速度を従来よりも低下させないように働く一方の手段が、撓み易い第１のフレキシブル部材１０であり、他方の手段が加圧補助部材５である。

前述したような拡散接合装置の応答の速い加圧力を与えることができるという特性は、銅製の薄肉パイプの拡散接合にとって大切であるのは、このような応答特性を持たない抵抗溶接装置では満足できる拡散接合を行えなかったという実験結果から明らかである。しかし、このような高速応答特性を有する拡散接合装置をもってしても、銅製の薄肉パイプの拡散接合にあっては、前述したように低融点金属膜Ｍが１〜８μｍの範囲の厚みであり、かつスズ、亜鉛、ハンダなどであることが好ましいという条件、被接合物の環状の突出部Ｐ２の根元の幅Ｄが銅製の薄肉パイプＷ１の肉厚ｄに対して、ｄ≦Ｄ≦２．５ｄの範囲を満足しなければならないという条件、及び接合電流のパルス幅、つまりピーク値近傍まで立ち上がるのに要する時間Ｔが１０ｍｓ以下であるという条件が全てが揃わないと、満足の行く溶接結果が得られなかった。

なお、実施形態１においても、銅製の薄肉パイプＷ１の肉厚ｄが厚くなるほど、図５に示すように被接合物Ｗ２は環状の突出部Ｐ２がコの字状の断面を有するものであっても同様に拡散接合を行うことができ、ほぼ同様な接合強度を得ることができる。また、簡単に前述したが、ハンダ材料などからなる低融点金属膜Ｍを銅製の薄肉パイプＷ１の先端面だけに形成した場合にも、前述と全く同様な接合結果が得られる。また、被接合物Ｗ２は黄銅に制限されることがなく、他の別の金属材料からなってもよい。

本発明に係る拡散接合方法を説明するための被接合物の一例を示す断面図である。本発明の実施形態に係る拡散接合方法を実現するための拡散接合装置の一例を示す図である。本発明に係る拡散接合方法を説明するための断面図である。本発明に係る拡散接合方法に用いられるパルス状の接合電流の波形を示す図である。本発明に係る拡散接合方法を説明するための被接合物の他の一例を示す図である。

符号の説明

Ｗ１・・・銅製の薄肉パイプ
Ｗ２・・・被接合物
Ｐ１・・・プロジェクション部分
Ｐ２・・・環状の突出部
Ｍ・・・低融点金属膜
１・・・ベース部材
２・・・支持機構
３・・・加圧機構
４・・・可動ブロック
５・・・加圧補助部材（スプリング）
６・・・支持部材
７・・・上部接合電極
８・・・下部接合電極
９・・・Ｌ字形の中間接続部材
１０・・・第１のフレキシブル導電部材
１１・・・第２のフレキシブル導電部材
１２、１３・・・給電導体
１４・・・接合用トランス
１５・・・放電回路
１６・・・エネルギー蓄積用コンデンサ
１７・・・充電回路
１８〜２０・・・３相交流入力端子

Claims

銅製の薄肉パイプの先端面を被接合物の環状の突出部に当接させ、前記銅製の薄肉パイプと前記被接合物との間に加圧力をかけた状態でパルス状の接合電流を通電して接合する銅製の薄肉パイプの拡散接合方法であって、
前記銅製の薄肉パイプは、その肉厚が０．６ｍｍ以上で１．５ｍｍ以下であり、
該銅製の薄肉パイプの先端面は銅よりも電気抵抗が大きい低融点金属膜で被覆されており、
前記被接合物の前記環状の突出部は、その根元の幅がＤであって、内径が前記銅製の薄肉パイプの内径よりも小さく、かつ外径が前記銅製の薄肉パイプの外径よりも大きくなるように形成されており、
前記銅製の薄肉パイプの肉厚ｄと前記円環状の突出部の根元の幅Ｄとの関係が、ｄ≦Ｄ≦２．５ｄであることを特徴とする銅製の薄肉パイプの拡散接合方法。
請求項１において、
前記銅製の薄肉パイプは、その先端面の幅が肉厚ｄよりも小さくされ、リングプロジェクションとして働くことを特徴とする銅製の薄肉パイプの拡散接合方法。
請求項１又は請求項２において、
前記パルス状の接合電流は、ピーク値までの立上り時間（Ｔ）が１０ミリ秒以下であることを特徴とする銅製の薄肉パイプの拡散接合方法。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
前記銅製の薄肉パイプと前記被接合物との間にかけられた加圧力は、拡散接合時に前記銅製の薄肉パイプと前記被接合物との塑性流動化に伴う沈み込みに瞬時的に応答するように弾性力が重畳されていることを特徴とする銅製の薄肉パイプの拡散接合方法。