冷間圧接（Cold Pressure Welding）とは
冷間圧接は、加熱を伴わずに金属を接合する固相接合法の一つです。金属同士を強い圧力で押し付けることで、それぞれの表面層を変形・破壊し、分子レベルでの接合を実現します。接合中の最高温度は約60〜80℃とされ、熱処理と比較してエネルギー消費は最大90%削減されます（※材料と圧力条件による）。
背景と導入の目的
冷間圧接は1950年代後半に、銅やアルミなどの導電性部材の接合ニーズから実用化されました。特に熱処理が避けられる状況、例えば高温による金属の軟化・酸化、寸法精度の低下が懸念される場合に有効です。導電部品、半導体パッケージ、マイクロ接点など、熱による性能劣化が許容されない領域で需要が拡大しています。
冷間圧接の原理と条件
接合の成立には、以下の3要素が満たされる必要があります。
- 材料特性：展性と加工硬化性を持つ金属（例：純銅・純アルミ・銀）
- 表面清浄性：酸化膜や油分が除去され、Ra（表面粗さ）が0.1μm以下であることが望ましい
- 圧力条件：通常、材料降伏強さの1.5〜2倍の圧力（例：純銅で150〜200MPa）が必要
接合面の密着が生じると、局所的な塑性変形によって原子間距離が縮まり、金属結合が発生します。加熱を介さないため、結晶粒成長がなく、母材の結晶構造や特性が保持されます。
使用機材と構成
- 専用圧接機：油圧・サーボ駆動タイプがあり、10〜500kNの押圧力に対応
- アンビル・金型：金属面を支持するための剛性体。材質には超硬合金や工具鋼が用いられる
- クリーン処理装置：ワイヤブラシ、超音波洗浄、アルゴン吹付けによる酸化膜除去が行われる
冷間圧接の利点（定量評価）
- 熱影響ゼロ：HAZ（熱影響部）が形成されず、接合部の硬度変化率は5%未満
- 高導電率維持：接合後の電気抵抗値の上昇は3%未満（純銅ワイヤー接合試験にて）
- 接合時間の短さ：1接合あたりのプロセス時間は0.5〜2.0秒程度と高速
- 省エネ効果：溶接法と比較してエネルギー消費が最大90%削減（例：スポット溶接比）
- 環境負荷の低減：CO₂排出・ヒューム（溶接煙）ゼロで、作業者の安全性が高い
課題と限界
- 材料制限：展性の低い金属（例：ステンレス、チタン、Ni基合金）は冷間圧接が困難
- 酸化膜の影響：酸化皮膜の厚さが0.5μmを超えると接合強度が著しく低下
- 形状制約：棒状、線状、薄板状部材への適用が主であり、複雑形状品への適用は限定的
主な適用分野と実例
- 電子部品：ICリードフレームと銅線の接合（自動機で1時間に最大3,000接合）
- 電線製造：通信・電力ケーブルの導体同士を中間接続（直径0.5〜5mmが主流）
- 熱交換器：アルミパイプとフィンの高密度接合で冷却性能を最大15%向上
- 航空宇宙：軽量・高信頼性が求められる端子接合やシールド材固定部に採用
- 医療機器：ニッケルチタン合金（Nitinol）への非熱接合として冷間圧接が選定
安全性と作業ガイドライン
- 熱・火花なし：火災リスクが低く、消火設備の簡素化が可能
- 振動・騒音対策：プレス装置の緩衝制御により作業音を80dB以下に制御可能
- 作業保護具：圧力機構の暴発に備えて、耐衝撃手袋・ゴーグル・防振マット使用が推奨
導入時のチェックポイント
- 材料適性評価：伸び率、降伏強度、表面硬度などを事前に測定
- 圧接パラメータ設定：押圧力・保持時間・移動速度を数値で最適化（例：銅線で150MPa×1.0秒）
- 品質検証：接合後の引張強度、導通試験、断面観察を実施
まとめ
冷間圧接は、金属を加熱せずに高速・高強度で接合する、極めて合理的かつエネルギー効率に優れた製造プロセスです。材料選定や表面処理、圧力制御といった技術的前提がある一方で、正しく運用すれば他の溶接手法よりも高品質・低コスト・環境負荷の少ない接合が可能です。導電性を要する精密機器や、温度制約のある高度産業において、その価値は今後さらに高まっていくと見られます。
