JP7475644B2 - 金属部材の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄系材料からなる金属部材を接合する接合技術に関し、特に、金属部材を気密に接合する接合技術に関する。

自動車の燃料タンクや化学装置の配管等、種々の容器や管路等の密閉構造を有する構造物は、産業状の多様な分野で使用される。このような構造物は、従来、アーク溶接等の溶接方法（接合方法）で複数の金属部材を接合することにより形成されてきたが、形成された構造物において、溶接部の強度と気密性とを確保することは必ずしも容易ではなかった。そこで、溶接部における強度と気密性とを確保する技術として、構造物を形成する複数の金属部材の一方に所定の形状のリングプロジェクションを設け、リングプロジェクションを介して抵抗溶接を行うこと（リングプロジェクション溶接）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１－１４０２９０号公報

しかしながら、特許文献１のようなリングプロジェクション溶接により金属部材を接合する場合、リングプロジェクション自体が溶融して流動するため、接合の前後において金属部材の相対的な位置関係が変化する。また、アーク溶接等の溶接方法では、溶接部において金属部材や溶接材が溶融して流動するため、接合の前後において金属部材の相対的な位置関係を安定的に維持できない。そのため、これら従来の溶接方法によっては、金属部材を接合した構造体（接合体）の形状にばらつきが生じ、形状精度の高い接合体を得ることが困難である。

本発明の目的は、このような従来の接合方法における問題点を解消し、鉄系材料で形成された金属部材を接合した接合体において、形状精度をより高くする技術を提供することにある。

本発明のうち、請求項１に記載の発明は、鉄系材料からなる２つの金属部材の接合方法であって、前記２つ金属部材のうち、一方の金属部材にはテーパー穴と平行穴とからなる取付穴を形成するとともに、前記一方の金属部材に接合される他方の金属部材の一端には最大の外径が前記テーパー穴の最大の内径よりも大きく、最小の外径が前記テーパー穴の最小の内径よりも小さく、傾きが前記テーパー穴と同一となるようにテーパー部を形成し、前記一方の金属部材に形成した取付穴に前記他方の金属部材の一端を挿入し、前記テーパー穴の内周面の全周に亘って前記テーパー部の外周面を傾き方向に沿って一定の幅で面接触させた状態で、前記テーパー穴とテーパー部との接触面に圧力を加えるとともに、前記接触面を介して前記２つの金属部材の間に通電し、前記接触面を前記２つの金属部材をそれぞれ形成する鉄系材料の融点のうち、より低い方の温度以下で局所的に加熱することにより、前記接触面において前記２つの金属部材を接合するようにしたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記２つの金属部材にそれぞれ形成した前記テーパー穴の内周面及びテーパー部の外周面に形成されている酸化皮膜を接合前に除去するようにしたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記２つの金属部材は、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されており、 前記接触面の接合温度が、前記オーステナイト系ステンレス鋼において鋭敏化が生じる上限温度よりも高く設定されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記２つの金属部材が、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されており、前記接触面の接合温度が、前記オーステナイト系ステンレス鋼の溶体化が開始する温度よりも高く設定されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記２つの金属部材が、フェライト系ステンレス鋼により形成されており、前記接触面の接合温度が、前記フェライト系ステンレス鋼においてσ脆性が発生する上限温度よりも高く設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る接合方法によれば、接合時において接触面の接合温度が２つの金属部材のいずれの融点よりも低くなるので、接触面で２つの金属部材が溶融することが抑制され、２つ金属部材が変形することが抑制される。そのため、接合前後において、２つ金属部材の位置関係を略同一の状態に維持することができるので、得られた接合体の形状のばらつきを抑制し、より形状精度の高い接合体を得ることが可能となる。

請求項２に係る接合方法によれば、テーパー穴の内周面及びテーパー部の外周面に形成されている酸化皮膜が接合前に除去されるので、２つの金属部材の接合が促進される。そのため、２つ金属部材が変形することがさらに抑制されるので、さらに形状精度の高い接合体を得ることが可能となる。

請求項３に係る接合方法によれば、接触面で接合された２つの金属部材の接合部において鋭敏化が生じることを抑制することができるので、前記接合部において粒界腐食に対する耐食性が低下することを抑制することができる。

請求項４に係る接合方法によれば、接触面で接合された２つの金属部材の接合部において固溶化が進行し、テーパー穴及びテーパー部を形成する際に生じた加工誘起マルテンサイトをオーステナイト化することができるので、前記接合部において孔食に対する耐食性が低下することを抑制することができる。

請求項５に係る接合方法によれば、接触面で接合された２つの金属部材の接合部においてσ脆化が発生することを抑制することができるので、前記接合部の耐久性の低下を抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、接合方法、その接合方法を用いた容器や配管等の製造方法、および、その接合方法や製造方法で製造された接合体、容器あるいは配管等の態様で実現することができる。

本発明の第１実施形態として２つの金属部材を接合する接合工程を示す工程図である。 通電により被接合部材が接合される様子を示す説明図である。 第１実施形態の実施例として得られた接合体の接合部付近の金属組織写真である。 本発明の第２実施形態としての接合工程の一部を示す工程図である。 第２実施形態の実施例として得られた接合体の接合部付近の金属組織写真である。

以下、本発明に係る金属部材の接合方法および当該接合方法により接合された接合体の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態として２つの金属部材を接合する接合工程を示す工程図である。第１実施形態の接合工程では、まず、図１（ａ）に示すように、接合される２つの金属部材（被接合部材）として、大径管１００と、大径管１００よりも外径が小さい小径管２００とを準備する。

大径管１００は、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）からなる略円筒状の管材であり、その側面に小径管２００を取り付けるための取付穴１９０が形成されている。取付穴１９０は、大径管１００を外周側から内周側に貫通する穴であり、大径管１００の外周側（以下、単に外周側とも謂う）に形成されたテーパー穴１９１と、テーパー穴１９１の内周側（以下、単に内周側とも謂う）に形成された平行穴１９２とからなっている。なお、図１の例では、大径管１００にテーパー穴１９１と平行穴１９２からなる取付穴１９０を形成しているが、平行穴を省略し、テーパー穴のみを取付穴として大径管に形成するものとしても良い。

テーパー穴１９１は、その内周面が略円錐台側面状（テーパー形状）で、内径が外周側から内周側に向かって縮小するように形成されている。平行穴１９２は、略一定の内径が、テーパー穴１９１の最小の内径、すなわち、テーパー穴１９１の内周側端の内径と同一となるように形成されている。また、テーパー穴１９１の周囲には、所謂、ザグリ加工が施されており、水平面Ｆが形成されている。すなわち、テーパー穴１９１および平行穴１９２からなる取付穴１９０は、円筒状の素管である大径管１００に穿孔加工およびザグリ加工を施すことにより形成されている。

小径管２００は、大径管１００と同様にオーステナイト系ステンレス鋼からなる管材であり、円筒状の筒状部２１０と、筒状部２１０の一端から延びるテーパー部２２０とを有している。テーパー部２２０は、外周面がテーパー形状で、筒状部２１０の反対方向（先端側）に向かって外径が縮小するように形成されている。このようなテーパー部２２０を有する小径管２００は、通常、円筒状の素管の一端に切削加工を施すことにより形成される。なお、以下の説明において、小径管２００については、筒状部２１０からテーパー部２２０に向かう方向を先端側とも謂い、テーパー部２２０から筒状部２１０に向かう方向を後端側とも謂う。

テーパー部２２０は、最大の外径（筒状部２１０の外径）が、大径管１００に形成されたテーパー穴１９１の最大の内径（外周側端の内径）よりも大きく、最小の外径（先端側端の外径）が、テーパー穴１９１の最小の内径（内周側端の内径）よりも小さくなるように形成されている。また、テーパー部２２０は、その傾きが、大径管１００に設けられたテーパー穴１９１の傾きと同一となるように形成されている。ここで、テーパー部２２０およびテーパー穴１９１の傾きとは、それらの外周面および内周面のテーパー形状に対応する円錐台の側面の傾斜角、すなわち、当該円錐台の軸と側面とがなす角度を謂う。

このように、図１の例では、小径管２００に設けられたテーパー部２２０は、最大の外径がテーパー穴１９１の最大の内径よりも大きく、最小の外径がテーパー穴１９１の最小の内径よりも小さく形成されるとともに、傾きがテーパー穴１９１と同一となるように形成されている。そのため、小径管２００に設けられたテーパー部２２０と、大径管１００に設けられたテーパー穴１９１とは、互いに面接触し得る形状となっている。なお、本発明および本明細書においては、このように互いに面接触し得るような形状を互いに相補的な形状とも謂う。

また、以上の説明から分かるように、テーパー穴１９１の内周面と、テーパー部２２０の外周面とは、いずれも、環状となっている。ここで、ある部分が環状であるとは、当該部分がその内側に位置する一定の領域を取り囲むような形状であることを謂う。従って、テーパー穴１９１の内周面と、テーパー部２２０の外周面とは、互いに相補的な環状の面となっている。

大径管１００および小径管２００の準備の後、図１（ｂ）に示すように、大径管１００および小径管２００（すなわち、被接合部材）を組み付ける。具体的には、大径管１００の外周側から、小径管２００の先端側に設けられたテーパー部２２０を取付穴１９０に挿入する。これにより、小径管２００に設けられたテーパー部２２０と、大径管１００に形成された取付穴１９０のテーパー穴１９１とが面接触した状態、すなわち、テーパー部２２０の外周面と、テーパー穴１９１の内周面とが接触した状態で、小径管２００が大径管１００に組み付けられる。なお、このように、テーパー部２２０の外周面と、テーパー穴１９１の内周面とは、互いに当たって接触する（当接する）ように形成されているので、当接面とも謂うことができる。

なお、上記の如く、テーパー穴１９１の周囲にザグリ加工が施されており、水平面Ｆが形成されているため、小径管２００のテーパー部２２０と大径管１００にのテーパー穴１９１とは、テーパー穴１９１の全周（すなわち、テーパー部２２０の全周）に亘って一定の幅（傾斜面に沿った上下方向の幅）で面接触した状態になっている。また、小径管２００のテーパー部２２０および大径管１００のテーパー穴１９１は、上記の如く面接触させた場合に、両者の面接触部分の幅（傾斜面に沿った上下方向の幅）がテーパー穴１９１の全周（すなわち、テーパー部２２０の全周）に亘って０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下になるように、それぞれ、形状が調整されている。

被接合部材の組付の後、組み付けられた被接合部材（大径管１００および小径管２００）を、電流の供給源である電源装置９００に接続する（図１（ｃ））。具体的には、電源装置９００に接続された第１の電極体（下側電極体）９１０上に大径管１００を配置するとともに、電源装置９００に接続された第２の電極体（上側電極体）９２０を、矢印で示すように、小径管２００の後端側に配置する。

一般に、２つの金属部材の間の接触面における電気抵抗（接触抵抗）は、金属部材自体の電気抵抗よりも高くなる。そのため、２つの電極体９１０，９２０を大径管１００および小径管２００に接続した場合、２つの電極体９１０，９２０の間の電気抵抗は、その大部分が、下側電極体９１０と大径管１００との間、大径管１００と小径管２００との間、および、小径管２００と上側電極体９２０との間のそれぞれの接触抵抗によって発生する。

これらの接触抵抗のうち、下側電極体９１０と大径管１００との間、および、小径管２００と上側電極体９２０との間のそれぞれの接触抵抗が高くなると、後述する通電の際に不要なジュール熱が発生し、エネルギーの損失が大きくなるとともに、電極体９１０，９２０と被接合部材１００，２００とが融着する虞がある。

そこで、第１実施形態においては、図１（ｃ）に示すように、下側電極体９１０の上部に大径管１００の外周面に対して相補的な形状の凹部９１９を形成して、大径管１００と下側電極体９１０との間の接触面の面積を広くし、当該接触面における接触抵抗の低減を図っている。また、上側電極体９２０には、小径管２００と接触する側に平面部９２１を形成して、小径管２００と上側電極体９２０との間の接触面の面積を広くし、当該接触面における接触抵抗の低減を図っている。

さらに、第１実施形態においては、電極体９１０，９２０を電気伝導度の高いクロム銅で形成することにより、電極体９１０，９２０自体の電気抵抗をより低くするとともに、電極体９１０，９２０と被接合部材１００，２００との間の接触抵抗のさらなる低減を図っている。なお、電極体は、必ずしもクロム銅で形成する必要はなく、種々の金属材料で形成することも可能である。但し、電極体自体の電気抵抗、および、電極体と被接合部材との間の接触抵抗の低減を図るため、電極体は、クロム銅をはじめとする銅合金で形成するのが好ましい。

このように被接合部材１００，２００を電極体９１０，９２０に接続した後、図１（ｄ）において矢印で示すように、上側電極体９２０を下側電極体９１０に向かって押し下げつつ、電源装置９００から電極体９１０，９２０を介して電流を出力し、被接合部材１００，２００に通電を行う。

電源装置９００は、予め設定された通電条件に従って、２つの電極体９１０，９２０の間に接続された負荷（すなわち、被接合部材１００，２００）にパルス状の電流を出力する機能を有している。なお、通電条件としては、電流パルスの幅（通電時間）や、電流パルスの高さ（通電電流）が設定可能となっている。

上述の通り、電極体９１０，９２０と被接合部材１００，２００との間の接触抵抗が低減されているので、２つの電極体９１０，９２０の間の電気抵抗は、大径管１００と小径管２００との間、すなわち、テーパー部２２０とテーパー穴１９１との接触面における接触抵抗が大部分を占める。そのため、被接合部材１００，２００に通電することにより、ジュール熱が、主として、テーパー部２２０とテーパー穴１９１との接触面で発生するので、当該接触面が局所的に加熱される。

そして、通電によりテーパー部２２０とテーパー穴１９１との接触面を局所的に加熱するとともに、上側電極体９２０を下側電極体９１０に向かって押し下げて、接触面に圧力を加えることにより、接触面において大径管１００と小径管２００とが接合される。なお、このように、テーパー部２２０とテーパー穴１９１との接触面は、大径管１００と小径管２００とが接合される部分であるので、接合部とも呼ぶことができる。

また、第１実施形態では、テーパー部２２０の外周面およびテーパー穴１９１の内周面、すなわち、テーパー部２２０およびテーパー穴１９１のそれぞれに形成された当接面は、環状となっている。そのため、テーパー穴１９１とテーパー部２２０との接合部が環状となるので、大径管１００と小径管２００とは、気密に接合される。ここで、気密とは、環状の接合部において、その内側の領域と外側の領域とが接続されていないことを謂う。

図２は、通電により大径管１００および小径管２００（被接合部材）が接合される様子を示す説明図である。なお、図２では、大径管１００および小径管２００を、これら双方の中心軸を通る平面で切断した様子を拡大して示している。

上述の通り、大径管１００に設けられたテーパー穴１９１と、小径管２００に設けられたテーパー部２２０とは相補的な形状となっている。そのため、図２（ａ）に示すように、大径管１００および小径管２００を組み付けた状態において、テーパー穴１９１とテーパー部２２０とは、接合部ＣＳにおいて面接触する。

この状態で、図２（ｂ）において白抜きの矢印で示すように、小径管２００を大径管１００に向かって押し下げることにより、黒塗りの矢印で示すように、テーパー穴１９１とテーパー部２２０との間の接合部ＣＳに圧力が加わる。そして、予め設定された通電条件に従って、電源装置９００により大径管１００と小径管２００との間に通電すると、電流が接合部ＣＳを介して流れ、接合部ＣＳが局所的に加熱される。

なお、通電中においては、接合部ＣＳで発生した熱が接合部ＣＳの周辺領域に伝達される。このように接合部ＣＳの周辺領域に熱が伝達されると、伝達された熱により周辺領域の材料特性（耐食性や機械特性等）に影響が生じる虞がある。この熱の影響を受ける接合部ＣＳの周辺領域（熱影響部）は、通電時間が長くなるほど拡大する。そのため、接合部ＣＳの周辺領域への熱の伝達を抑制し、熱影響部の拡大を抑制するため、通電時間は、熱影響部の拡大速度に対して十分に短くするのが好ましい。具体的には、溶着部分の温度が９００～１，０００℃まで上昇する場合には、通電時間（電流が流れ始めてからピークに達するまでの時間Ｔｐ）は、１ｍｓ以上１００ｍｓ未満とするのが好ましく、５ｍｓ以上５０ｍｓ未満とするのがより好ましく、１０ｍｓ以上３０ｍｓ未満とするのが特に好ましい。

一方、通電により発生するジュール熱は接合部ＣＳに集中するため、上述のように通電時間を短くしても、通電電流を十分に大きくすることにより、接合部ＣＳの温度を急速に上昇させ、接合部ＣＳの温度を接合に適した温度（接合温度）にまで到達させることができる。通電電流は、このように設定された接合温度、通電時間、接合部ＣＳの面積、被接合部材１００，２００の材質や形状等に基づいて、シミュレーション等を行うことにより適宜設定される。

なお、接合温度、すなわち接合部ＣＳの到達温度は、一般的に、固相での接合が可能な温度（固相接合温度：熱力学温度で融点の約０．５倍の温度）以上であれば良い。一方、接合温度の上限は、被接合部材１００，２００を形成している金属材料の融点（以下、被接合部材１００，２００の融点とも謂う）に設定される。従って、被接合部材１００，２００をオーステナイト系ステンレス鋼で形成している第１実施形態では、接合温度は、オーステナイト系ステンレス鋼の融点（約１４００℃）以下に設定される。

第１実施形態では、このように、接合温度を被接合部材１００，２００の融点以下となるようにしているが、接合部ＣＳを固相接合温度以上に加熱とするともに、接合部ＣＳに圧力を加えているため、大径管１００と小径管２００とは、図２（ｃ）に示すように、接合部ＢＲで接合され、大径管１１と小径管１２とが一体化した接合体１０が得られる。そのため、第１実施形態によれば、接合部ＣＳにおいて、被接合部材１００，２００を十分に高い強度で接合することができる。

そして、第１実施形態では、接合温度を被接合部材１００，２００の融点以下にすることにより、被接合部材１００，２００は、そのいずれもが溶融することなく、互いに接合される。そのため、被接合部材１００，２００が溶融して変形することが抑制されるので、図２（ｃ）に示すように、接合後に得られる接合体１０における大径管１１と小径管１２との位置関係は、接合前と略同一の状態に維持される。このように、接合前後において被接合部材の位置関係が略同一の状態に維持されるので、より形状精度の高い接合体１０を得ることが可能となる。

また、第１実施形態では、接合温度を被接合部材１００，２００の融点以下としているため、接合部ＣＳ，ＢＲにおいて被接合部材１００，２００の溶融と再凝固が発生しない。そのため、再凝固が発生することによる、結晶粒の粗粒化や、添加元素や不純物の偏析が抑制されるので、接合部ＢＲの近傍の領域において、粗粒化によって延性や靱性が低下したり、偏析によって耐食性や機械特性（材料特性）が変化することが抑制される。

なお、上述の通り、接合温度は、固相接合温度以上とすれば良いが、第１実施形態では、被接合部材をオーステナイト系ステンレス鋼で形成しているため、接合温度は、オーステナイト系ステンレス鋼において鋭敏化が発生する上限温度（鋭敏化温度：約８００℃）よりも高くするのが好ましい。このように、接合温度を鋭敏化温度よりも高くすることにより、接合部ＢＲの鋭敏化を抑制し、接合部ＢＲにおいて粒界腐食に対する耐食性が低下することを抑制することができる。

さらに、接合温度は、オーステナイト系ステンレス鋼において固溶化（溶体化とも呼ばれる）が開始する温度（固溶化温度：約１１００℃）よりも高くするのが好ましい。このように、接合温度を固溶化温度よりも高くすることにより、テーパー穴１９１やテーパー部２２０を形成する際の機械加工等で生じた加工誘起マルテンサイトをオーステナイト化することができる。そのため、接合部ＢＲに加工誘起マルテンサイトが残存し、接合部ＢＲにおいて孔食（すきま腐食）に対する耐食性が低下することを抑制することができる。

＜第１実施形態の実施例＞
第１実施形態の接合工程によって、被接合部材の接合が可能であることを確認するため、実施例として接合体を作成し、得られた接合体における接合部の状態を観察を行った。具体的には、被接合部材として、ＳＵＳ３０４で形成された径の異なる素管から、テーパー穴を形成した大径管とテーパー部を形成した小径管とを準備し、上述の通り、被接合部材の接合を行って接合体を得た。そして、得られた接合体から接合部を含む領域を切り出し、接合部の金属組織の観察を行った。なお、接合にあたっては、通電時間は、３０ｍｓとし、通電電流は、接合温度が９００℃となるように設定した。

金属組織の観察にあたっては、大径管および小径管の双方の中心軸を通る面で接合体を切断して試料を作成し、試料の切断面を研磨した。そして、切断面の研磨の後、試料をエッチング液に浸漬することで金属組織を現出させた。エッチング液としては、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４の金属組織を現出させるため、マーブル試薬（硫酸銅４ｇ、塩酸２０ｍｌおよび水２０ｍｌの混合液）を用いた。

このように、接合部付近の金属組織を現出させた試料を光学顕微鏡で観察することにより、接合部の金属組織を観察した。図３は、第１実施形態の実施例として得られた接合体の接合部付近の金属組織写真である。

図３から分かるように、第１実施形態の実施例において、接合部には、被接合部材（大径管および小径管）が溶融し、溶融した部分が再凝固した際に生じる再凝固部（ナゲットとも呼ばれる）が形成されていなかった。このことから、第１実施形態の接合方法によれば、被接合部材の溶融が抑制され、ナゲットの形成による延性や靱性の低下や材料特性の変化が生じないものと考えられる。

また、大径管の内周側においては、テーパー穴およびテーパー部の傾きの加工誤差によりすきまが生じているものの、外周側においては、大径管と小径管とが一体化していることが確認できた。このことから、第１実施形態の接合方法によれば、大径管と小径管とを気密に接合することが可能であることが確認できた。

一方、図３に示すように、大径管の外周側では、接合部から外周側に延びる突出部（ばり）が形成されていた。また、接合部の略全域に亘って、接合部に沿った鍛流線（ファイバーフロー）が形成されていた。通常、このような突出部や鍛流線は、被接合部材が塑性変形する際に形成されるものである。このことから、図３に示す実施例の接合体を作成した際には、接合時の温度上昇によって接合部付近における被接合部材の強度が低下し、接合部およびその近傍領域が塑性変形したものと考えられる。

しかしながら、図３に示すように、突出部の大きさは十分に小さく、また、鍛流線の形成も接合部の極近傍の領域に限られていた。このことから、第１実施形態の接合方法によれば、接合の前後において大径管と小径管との位置関係に大きな変化が発生せず、より形状精度の高い接合体を得ることが可能となることが確認できた。

＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態としての接合工程の一部を示す工程図である。なお、第２実施形態の接合工程は、被接合部材１００，２００の表面に形成されている不動態皮膜を除去する工程を有している点で、図１に示す第１実施形態の接合工程と異なっている。他の点は、第１実施形態と同様であるので、図４では、電源装置の接続（図４（ｄ））より後の工程については、図示を省略している。

第２実施形態においても、図４（ａ）に示すように、第１実施形態と同様の被接合部材１００，２００を準備する。一般的に、ステンレス鋼の表面には、ステンレス鋼中のクロムが空気中の酸素によって酸化することで、自然に不動態皮膜（酸化皮膜）が形成される。そのため、接合の際に接触する被接合部材１００，２００の当接面（テーパー穴１９１の内周面とテーパー部２２０の外周面）にも不動態皮膜が自然に形成されている。しかしながら、このように自然に形成された不動態皮膜は、必ずしも均一とはならず、また、厚みも必要以上に厚くなる虞がある。

そこで、第２実施形態では、準備した被接合部材１００，２００に酸洗処理を施し、被接合部材１００，２００の表面に形成された不動態皮膜を一旦除去する。具体的には、図４（ｂ）に示すように、酸（酸性電解液等）を含有させた布Ｃを電極８１０に巻き付け、その電極８１０に電気印可装置８００によって所定の電流量の電気を印可しながら、テーパー穴１９１の内周面およびテーパー部２２０の外周面を、電極８１０に巻き付けた布Ｃで軽くなぞる（すなわち、電極８１０に巻き付けた布Ｃをそれらの部位に接触させる）。なお、そのように、被接合部材１００あるいは被接合部材２００に酸洗処理を施す場合には、布Ｃを巻き付けていない他の電極８２０を被接合部材１００あるいは被接合部材２００に接触させる。また、被接合部材１００，２００の表面に形成された不動態皮膜を除去するための酸としては、酸性電解液（たとえば、ケミカル山本社製 ピカ素＃ＳＵＳブライト等）を好適に用いることができる。かかる電気の印可によって、テーパー穴１９１の内周面およびテーパー部２２０の外周面に形成された不動態皮膜が一旦除去される。これにより、酸洗処理が施された被接合部材１００ａのテーパー穴１９１の内周面および被接合部材２００ａのテーパー部２２０の外周面には、新たに、極めて薄く（数ｎｍ程度）かつ均一な不動態皮膜が形成される。

このように、酸洗処理を施すことにより、被接合部材１００ａのテーパー穴１９１の内周面および被接合部材２００ａのテーパー部２２０の外周面の当接面に形成された不動態被膜が極めて薄くかつ均一となるため、当接面が接触した接合部において接合が促進される。そのため、通電時間をより短くし、あるいは、接合温度をより低くしても、被接合部材１００ａ，２００ａ（すなわち、被接合部材１００ａのテーパー穴１９１の内周面および被接合部材２００ａのテーパー部２２０の外周面）を確実に接合することが可能となる。このように、接合部への入熱量をより少なくすることができるので、接合部の周辺の熱影響部の拡大を抑制し、接合部において耐食性や機械特性等の材料特性に影響が生じることを抑制することができる。

＜第２実施形態の実施例＞
第２実施形態の接合工程によっても、被接合部材を接合できることを確認するため、実施例として接合体を作成し、得られた接合体における接合部の状態を観察を行った。具体的には、第１実施形態の実施例と同様に、大径管と小径管とを準備し、上述の通り、不動態被膜の除去と、被接合部材の接合とを行って接合体を得た。そして、第１実施形態の実施例と同様に試料を作成し、接合部の金属組織の観察を行った。なお、接合にあたっては、通電時間は、第１実施形態の実施例と同じ３０ｍｓとした。一方、通電電流は、接合温度が第１実施形態の実施例よりも低い８５０℃となるように設定した。

図５は、第２実施形態の実施例として得られた接合体の接合部付近の金属組織写真である。図５から分かるように、第２実施形態の実施例においても、接合部にはナゲットが形成されていなかった。このことから、第２実施形態の接合方法によっても、被接合部材の溶融が抑制され、ナゲットの形成による延性や靱性の低下や材料特性の変化が生じないものと考えられる。また、大径管の外周側において、大径管と小径管とが一体化していることが確認できた。このことから、第２実施形態の接合方法によっても、大径管と小径管とを気密に接合することが可能であることが確認できた。

さらに、第２実施形態の実施例においても、大径管の外周側に突出部が形成されていた。しかしながら、第２実施形態の実施例では、接合部に鍛流線が形成されていたものの、鍛流線が形成されている領域は、図３に示す第１実施形態の実施例よりも小さかった。このことから、第２実施形態の実施例では、第１実施形態の実施例よりも接合温度を低くすることにより、接合時の温度上昇によって強度が低下した領域が小さくなり、塑性変形を抑制できることが分かった。このように、第２実施形態の接合方法によれば、接合時の被接合部材の塑性変形が抑制されるので、接合の前後における大径管と小径管との位置関係の変化がさらに抑制され、さらに形状精度の高い接合体を得ることが可能となることが分かった。

＜第２実施形態の変形例＞
第２実施形態では、酸洗処理により被接合部材の表面に形成されていた不動態被膜を除去しているが、不動態被膜の除去は、酸洗処理の他、準備した被接合部材１００，２００を水素ガスや一酸化炭素等の還元性雰囲気の炉内で加熱することにより除去することも可能である。

さらに、第２実施形態では、被接合部材１００ａ，２００ａの組付（図４（ｃ））および電源装置９００への接続（図４（ｄ））と、および、被接合部材１００ａ，２００ａへの通電（図１（ｄ）参照）に先立って不動態被膜の除去を行っているが、不動態皮膜の除去は、還元性雰囲気中において被接合部材に通電することによって行うこともできる。

このようにすれば、接合部が加熱され、被接合部材の当接面に形成されていた不動態被膜が除去されるとともに、接合部に不動態被膜が形成されていない状態で接合が行われるので、被接合部材の接合が促進される。そのため、さらに通電時間を短縮しあるいは接合温度を低くしても、被接合部材を確実に接合することができるので、接合体の形状精度をさらに高くするとともに、接合部周辺の熱影響部の拡大をさらに抑制し、耐食性や機械特性等の材料特性に影響が生じることをさらに抑制することができる。

＜変形例＞
本発明は上記各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。

＜変形例１＞
上記各実施形態では、大径管１００および小径管２００にそれぞれテーパー穴１９１およびテーパー部２２０を設け、テーパー穴１９１の内周面およびテーパー部２２０の外周面（当接面）を接触させて接合を行っているが、２つの被接合部材にそれぞれ形成される当接面は、互いに相補的な形状であり、かつ、環状に形成されていれば良い。例えば、円筒状の同径の２つの管材を、その端面で接合するものとしても良く、また、円環状のフランジが設けられた第１の金属部材と、当該フランジに対して相補的な形状に形成された取付面が形成された第２の金属部材を接合するものとしても良い。さらに、当接面は、環状であれば、必ずしも円環状やテーパー形状である必要はなく、楕円錐台側面状や四角形状であっても良い。さらに、当接面は、上記各実施形態のテーパー穴１９１およびテーパー部２２０のように明確な面として形成されている必要はなく、ミクロ的な形状として角部分に形成されていても良い。

＜変形例２＞
上記各実施形態では、被接合部材１００，２００をオーステナイト系ステンレス鋼で形成しているが、被接合部材は、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０等）やマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４１０等）の種々のステンレス鋼で形成することができる。また、一般的に、被接合部材は、鉄系材料（鉄系合金および純鉄）であれば任意の材料で形成されていれば良い。この場合においても、被接合部材の接合が促進される点で、第２実施形態あるいはその変形例のように、被接合部材の当接面に形成されている酸化皮膜を除去するのが好ましい。

なお、被接合部材をフェライト系ステンレス鋼で形成している場合には、接合温度は、フェライト系ステンレス鋼において、σ脆性が発生する上限温度（σ脆化温度：約８００℃）よりも高くするのが好ましい。このように、接合温度をσ脆化温度以上とすることにより、接合部においてσ脆化が発生することが抑制されるので、接合部の耐久性の低下を抑制することが可能となる。

また、被接合部材を工具鋼や構造用鋼で形成している場合には、接合温度は、オーステナイトへの変態が開始する温度（Ａｃ１変態点）以上とするのが好ましく、オーステナイトへの変態が完了する温度（Ａｃ３変態点）以上とするのがより好ましい。このように、接合温度をオーステナイト変態点（Ａｃ１変態点あるいはＡｃ３変態点）以上とすることで、オーステナイト変態点を通過する際の結晶構造の変化により接合がより強固になるので、接合部における接合体の強度をより高くすることが可能となる。

＜変形例３＞
上記各実施形態では、同種のステンレス鋼（オーステナイト系ステンレス鋼）で形成された被接合部材１００，２００（１００ａ，２００ａ）を接合しているが、２つの被接合部材を互いに異なる鉄系材料で形成するものとしても良い。この場合においても、接合温度を２つの被接合部材の融点のうちのより低い温度以下とすることにより、接合部において各被接合部材が溶融することが抑制される。そのため、溶融部において各被接合部材の添加元素が平均化され、接合部において合金組成が変化することが抑制される。このように、接合部において各被接合部材の合金組成が変化することが抑制されることにより、各被接合部材の材料特性が変化することを抑制することができる。

但し、２つの被接合部材が互いに異なる鉄系材料で形成されている場合、熱膨張率の違い等により熱サイクル疲労が発生し、接合部に損傷が発生する虞がある。そのため、２つの被接合部材は、同種の鉄系材料で形成するのが好ましい。

一方、２つの被接合部材を互いに異なる鉄系材料で形成することにより、接合体の各部をより適切な材料で形成することができる。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼で形成されたタンクと、マルテンサイト系ステンレス鋼で形成されたノズルとを接合して接合体を形成するものとしても良い。この場合、タンクを深絞りが容易なオーステナイト系ステンレス鋼で形成することによりタンクの容量を大きくすることが容易となるとともに、ノズルをマルテンサイト系ステンレス鋼で形成することにより高い硬度が要求されるノズルをより容易に形成することができる。

また、本発明に係る接合方法は、鉄系材料の２つの被接合部材の接合のみならず、インコネルやハステロイ等のニッケル系合金同士の接合や、それらのニッケル系合金と鉄系材料との接合にも用いることができる。加えて、そのように本発明に係る接合方法を、ニッケル系合金同士の接合や、それらのニッケル系合金と鉄系材料との接合に用いる場合には、ニッケル系合金中のニッケル成分の割合を８．０質量％以上２０質量％以下にするのが、接合強度の保持の面で好ましい。

一方、本発明に係る接合方法においては、２つの被接合部材の電気抵抗を１４０μΩ・ｃｍ以下に調整するとともに、２つの被接合部材の熱伝導率を３０Ｗｍ・ｋ以下に調整すると、少ない電力によって高い強度で接合することが可能になるので好ましい。加えて、２つの被接合部材の電気抵抗を１２０μΩ・ｃｍ以下に調整し、２つの被接合部材の熱伝導率を２０Ｗｍ・ｋ以下に調整すると、より好ましい。

＜変形例４＞
上記各実施形態では、通電時間を十分に短くすることにより、接合部ＣＳの周辺の熱影響部の拡大を抑制しているが、接合体において熱影響部の存在が問題にならない場合には、通電時間を長くすることも可能である。例えば、接合後、得られた接合体に熱処理（固溶化処理や焼き入れ・焼き戻し等）を施す場合や、被接合部材を軟鉄等で形成した場合等においては、熱影響部が存在しても鋭敏化や脆化等の問題が発生しないため、通電時間を長くすることができる。

本発明の接合方法は、上述の通り優れた効果を奏するものであるから、種々の鉄系材料からなる金属部材を気密に接合する接合方法として好適に用いることができる。また、本発明の接合体は、上述の通り優れた効果を奏するものであるから、気密性を要する種々の機械部品として好適に用いることができる。

１０‥接合体
１１‥大径管
１２‥小径管
１００，１００ａ‥大径管
１９０，１９０ａ‥取付穴
１９１，１９１ａ‥テーパー穴
１９２，１９２ａ‥平行穴
２００，２００ａ‥小径管
２１０，２１０ａ‥筒状部
２２０，２２０ａ‥テーパー部
９００‥電源装置
９１０‥下側電極体
９１９‥凹部
９２０‥上側電極体
９２１‥平面部
ＢＲ‥接合部
ＣＳ‥接合部
Ｆ・・水平面

Claims (5)

1. 鉄系材料からなる２つの金属部材の接合方法であって、
   前記２つ金属部材のうち、一方の金属部材にはテーパー穴と平行穴とからなる取付穴を形成するとともに、
   前記一方の金属部材に接合される他方の金属部材の一端には最大の外径が前記テーパー穴の最大の内径よりも大きく、最小の外径が前記テーパー穴の最小の内径よりも小さく、傾きが前記テーパー穴と同一となるようにテーパー部を形成し、
   前記一方の金属部材に形成した取付穴に前記他方の金属部材の一端を挿入し、前記テーパー穴の内周面の全周に亘って前記テーパー部の外周面を傾き方向に沿って一定の幅で面接触させた状態で、
   前記テーパー穴とテーパー部との接触面に圧力を加えるとともに、前記接触面を介して前記２つの金属部材の間に通電し、前記接触面を前記２つの金属部材をそれぞれ形成する鉄系材料の融点のうち、より低い方の温度以下で局所的に加熱することにより、
   前記接触面において前記２つの金属部材を接合するようにしたことを特徴とする接合方法。
2. 請求項１に記載の接合方法であって、
   前記２つの金属部材にそれぞれ形成した前記テーパー穴の内周面及びテーパー部の外周面に形成されている酸化皮膜を接合前に除去するようにしたことを特徴とする、
   接合方法。
3. 請求項１または２に記載の接合方法であって、
   前記２つの金属部材は、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されており、
   前記接触面の接合温度は、前記オーステナイト系ステンレス鋼において鋭敏化が生じる上限温度よりも高く設定されていることを特徴とする、
   接合方法。
4. 請求項１または２に記載の接合方法であって、
   前記２つの金属部材は、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されており、
   前記接触面の接合温度は、前記オーステナイト系ステンレス鋼の溶体化が開始する温度よりも高く設定されていることを特徴とする、
   接合方法。
5. 請求項１または２に記載の接合方法であって、
   前記２つの金属部材は、フェライト系ステンレス鋼により形成されており、
   前記接触面の接合温度は、前記フェライト系ステンレス鋼においてσ脆性が発生する上限温度よりも高く設定されていることを特徴とする、
   接合方法。

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