冷間圧接：種類、長所と短所、装置

冷間圧接は、冷間溶接または固体溶接とも呼ばれ、熱を加えることなく高強度の金属結合を形成する革新的な接合技術です。このプロセスは、塑性変形の原理を利用して、室温で2つの金属表面間の原子レベルの接合を実現します。

冷間圧接では、金属界面に大きな圧縮力がかかり、通常、材料の降伏強度を超えます。この強い圧力は、局部的な塑性変形を引き起こし、2つの重要な機能を果たします：

1. 表面酸化物の破壊：塑性流動により、表面の汚染物質や酸化層が界面から強制的に押し出され、清浄な新生金属表面が露出する。
2. 原子拡散：極端な圧力によって清浄な金属表面が密接に接触し、界面を横切る原子の拡散と金属結合の形成が可能になる。

このプロセスは、従来の溶融溶接法に比べていくつかの利点がある：

1. 熱影響部（HAZ）がない：入熱をなくすことで、冷間溶接は母材の元の組織と機械的特性を保持する。
2. 軟化や脆化がない：粒成長、相変態、脆い金属間化合物の形成など、熱による現象を避けることができる。
3. 最小限の残留応力：常温プロセスにより、熱応力と歪みを大幅に低減。

冷間圧接は、以下のような延性の高い金属や合金の接合に特に効果的である：

• アルミニウムとその合金
• 銅および銅合金
• シルバー
• ゴールド
• ステンレス鋼の一部のグレード

この技術は、電気・電子製造、航空宇宙、宝飾品製造など、さまざまな産業で応用されている。しかし、このプロセスには、極めて清浄な表面が必要であることや、機械的特性が大きく異なる異種金属の接合には不向きであることなど、限界があることに注意することが重要である。

冷間溶接の原理

固体溶接としても知られる冷間圧接は、2つのワークピース間に冶金学的接合を形成するために室温で高圧を加えることに依存する接合プロセスである。この技術の原理は、基本的に塑性変形と原子拡散に基づいている。

加工中、ワークピースには相当な圧力がかかり、界面で局所的に大きな塑性変形が生じる。この変形は、複数の重要な機能を果たします：

1. 酸化膜の破壊：力を加えることで、金属表面に自然に存在する酸化膜が破壊され、一般的に接合が阻害される。
2. 表面の膨張：材料が変形すると、汚染されていない新鮮な金属表面が露出し、密接に接触する。
3. 原子間相互作用：清浄な金属表面は近接しているため、原子間力が働き、界面全体で金属結合の形成が促進される。

突合せ冷間圧接の場合、手順には通常、以下のステップが含まれる：

1. 準備ワークピースは完全に洗浄され、クランプポイントから所定の長さが延びるように、専用の固定具に正確に配置される。
2. 動揺：可動冶具が前進し、圧力を加えて制御された塑性変形を引き起こす。このアプセット力の大きさは、ワークピースの材料特性と断面積に基づいて慎重に調整されます。
3. 押し出し：初期の変形により、表面材料や不純物が接合界面から押し出され、表面の清浄度がさらに高まる。
4. 結合：圧力をかけ続けることで、界面での原子の拡散と結晶構造の整列が促進され、固体結合が生じる。
5. 繰り返し：材料の特性によっては、最適な接着強度を確保するために、このアップセット工程を1～3回繰り返すことがある。

冷間圧接の成功に影響する主な要因には、以下のようなものがある：

1. 加圧力：必要な塑性変形を誘発し、原子結合を促進す るためには、十分な加圧力が不可欠である。限られた金型キャビティ内で溶接する場合 は、さらに高い圧力が必要になる。
2. 材料の塑性：被加工材は、破断することなく必要な変形を受けるのに十分な低温塑性を有していなければならない。
3. 熱効果：冷間」プロセスに分類されるが、塑性変形によって局所的な加熱が生じ、これが原子の拡散と結合を助けることがある。
4. 時間：圧力をかける時間は、原子の拡散と結合形成の程度に影響する。
5. 表面状態：清浄度と表面粗さは、高品質の溶接を実現する上で重要な役割を果たす。

冷間圧接が最も効果的なのは、室温での延性が高い材料であることに留意することが重要である。高加工硬化材や天然硬質材には課題があり、修正アプローチや代替接合方法が必要になる場合があります。

産業用途では、冷間圧接は、特に熱影響部を嫌う電気・電子産業において、類似金属と異種金属の接合に利用されている。このプロセスには、熱影響部がない、溶加材が不要、異種金属を接合できるなどの利点があるが、接合形状や材料適合性の点で制限もある。

冷間溶接タイプ

冷間圧接は、接合部の形状によって、重ね冷間圧接と突合せ冷間圧接の2種類に大別される。

(1) ラップ冷間圧接

ラップ冷間圧接では、ワークピースを重ね合わせた状態で配置し、特別に設計された圧子を用いて圧力を加える。圧子が所定の深さまで押し込まれ、重なり合った表面間に固体結合が生じると、プロセスは完了する。この方法は、さらに2つのカテゴリーに分けられる：

a) ラップ・スポット溶接：柱状の圧子を利用して、個別の溶接スポットを形成する。
b) ラップシーム溶接：ローラー式圧子を使用し、連続した溶接シームを作る。

ラップ・シーム溶接は、使用される特定の技法と工具によって、圧延溶接、スリーブ溶接、押し出し溶接にさらに分類することができる。

ラップ冷間圧接は、従来の溶融溶接では困難であったり、歪みが生じたりするような、箔や板などの薄い材料の接合に特に効果的です。

(2) 突合せ冷間圧接

突合せ冷間圧接では、ワークピースを対向するジョーでクランプし、クランプ点をわずかに超えて延ばします。その後、大幅なアップセット加圧が行われ、伸びた部分に半径方向の塑性変形が生じる。この変形には2つの重要な目的がある：

a) 表面の不純物を押し出し、接合部の周囲にメタルフラッシュを形成する。
b) 原子レベルで清浄な金属表面を密接に接触させ、固体接合を促進する。

その結果、母材を溶かすことなく、完全性の高い 溶接継手が形成される。この技法は、主に金属ワイヤー、棒、パイプの突合せ継手に使用され、類似金属と異種金属の両方を接合することができる。

突合せ冷間圧接には、融点の大きく異なる材料の接合能力、熱影響部の最小化、母材の微細構造の維持など、いくつかの利点がある。

冷間溶接装置

冷間圧接装置は主に冷間圧接トングと冷間圧接機で構成され、それぞれ金属接合プロセスの特定の用途向けに設計されている。

冷間圧接トングは、突合せ冷間圧接に多く使用され、特に現場施工に適しています。直径1.2～2.3mmのアルミ導体の溶接が可能で、ケーブル溶接設備に広く採用されています。携帯性に優れ、精度が高いため、柔軟性が重要な現場作業に最適です。

冷間圧接プロセスには、主に突合せ溶接とスポット溶接の2つの技法がある。このうち、最も広く採用されているのが冷間圧接機です。この洗練された装置には、堅牢なフレーム、精密なマシン・ヘッド、高度な送給機構、高性能なハサミ装置、さまざまな補助部品など、複数の主要コンポーネントが統合されています。この包括的な設計により、さまざまな用途で最適な溶接性能が保証されます。

通信インフラ、電力ケーブル製造、小型変圧器製造施設では、一般的に冷間圧接機を使用して大断面の溶接物を接合します。冷間圧接機は、大きなワークピースを高精度で扱うことができます。機械の性能を左右する重要な要因は、溶接圧力に大きく影響する冷間圧接ダイスの構造サイズです。そのため、ダイの設計は冷間圧接機のエンジニアにとって最も重要な検討事項であり、最適な結果を得るためには綿密な計算と材料の選択が必要となります。

冷間圧接機のエンドユーザーにとって重要なことは、溶接機の製造工程で、ダイの構造サイズがあらかじめ決められていることである。機械が製造されると、このパラメーターは固定されたままとなる。しかし、オペレーターは、機械メーカーが提供する技術仕様に基づいて適切な溶接圧力を選択することで、溶接プロセスを最適化することができます。これにより、溶接機の性能の範囲内で、さまざまな材料や継手構成に対応する溶接作業の微調整が可能になる。

一貫した溶接品質と効率を確保するため、ユーザーは材料特性、継手形状、および各溶接作業に特有の要件に従って、溶接圧力を定期的に較正する必要があります。さらに、冷間加圧溶接機のダイおよびその他の重要なコンポーネントをメンテナンスすることは、機器の寿命を延ばし、最適な性能を維持するために不可欠です。

冷間溶接特性

メリット

冷間溶接は、いくつかの明確な利点を提供する固体接合プロセスである：

1. 材料とエネルギーの効率：このプロセスでは、金属フィラーやフラックスなどの溶接消耗品を追加する必要はない。常温で行われるため加熱装置が不要であり、その結果、運転コストの削減、工具の簡素化、大幅なエネルギーの節約につながる。熱影響部（HAZ）がないため、母材の特性が保たれる。
2. クリーンで耐食性に優れた継手：フラックスを使用しないため、溶接後の洗浄が不要で、使用中のフラックスによる腐食のリスクがなくなります。これにより、接合部の完全性と寿命が向上します。
3. 簡素化されたプロセス制御：溶接パラメータは、主にダイの形状と加圧力によって決定されるため、溶融溶接プロセスで一般的な電流、電圧、または溶接速度の複雑な調整は必要ありません。
4. 材料接合における多様性：冷間溶接は、冶金学的な互換性に関係なく、異種金属の接合に優れており、設計の柔軟性と材料の最適化の機会を提供します。
5. 優れた接合特性：熱影響部がないため、軟化や脆い金属間化合物の形成がありません。その結果、接合界面での優れた電気伝導性と耐食性が得られます。このプロセスは加工硬化を誘発し、多くの場合、母材と同等以上の接合強度が得られます。
6. 微細構造の完全性：接合界面での限定的な原子拡散が、微細構造を大きく変化させることなく粒界接合を促進し、材料特性を維持する。
7. プロセスの安定性と作業条件：冷間溶接プロセスは、電力変動の影響を受け にくく、ヒューム、スパッター、または融接法に 伴う高熱がないため、作業条件が改善される。

デメリット

その利点にもかかわらず、冷間溶接にはいくつかの限界がある：

設備コスト：必要な圧力を発生させることのできる大容量の冷間 溶接機はコストが高く、小規模な事業での普及を制限する可能 性がある。

局所的変形：高い圧力が必要なため、特に重ね継手では局部的な変形が大きくなり、部品の形状や表面仕上げに影響を与える可能性があります。

異種金属における金属間化合物の形成：ある種の異種金属（例えば、CuとAl）を接合する際、溶接後の高温への暴露は、脆い金属間化合物の形成を促進し、接合部の延性と電気伝導性を損なう可能性がある。これにより、このような接合部の高温性能が制限される。

サイズと材料の制限：このプロセスは、溶接設備の能力によって制約を受け、重ね継手の厚みと突合せ継手の断面積が制限される。さらに、接合する材料の硬度は、溶接ダイスの機械的特性によって制限される。

表面処理：冷間溶接を成功させるには、酸化物や汚染 物を除去するための入念な表面処理が必要にな ることが多いが、これは処理時間と複雑さを増すこ とがある。

限られた接合形状：冷間溶接は、主に重ね継手や突合せ継手のような単純な継手形状に適しているため、複雑な組立部品への適用には限界があります。