(57)【要約】【課題】ろう接の被接合部の間隙を適切に管理することが難しい場合にも、安定してろう接することができる接合体及び接合体の製造方法を提供する。【解決手段】ろう付接合体１００は、第１の部材であるオス側配管部品１０と、第２の部材であるメス側配管部品３０と、を備える。オス側配管部品１０とメス側配管部品３０とは、ろう９０によりろう接される。オス側配管部品１０は、母材である管状部１１と、管状部１１と一体化しておりメス側配管部品３０と隣接した多孔質部１２を備える。オス側配管部品１０とメス側配管部品３０とは、多孔質部１２がメス側配管部品３０内に挿入される位置でろう付される。ろう９０は、多孔質部１２に充填されるとともに、フィレット部４１及びフィレット部４２を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、
第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材とろう接するろう材と、を備え、
前記第１の部材は、母材と、前記母材と一体化しており前記第２の部材と隣接した多孔質部と、を備え、
前記ろう材は、前記多孔質部に充填されている、
接合体。
【請求項２】
前記多孔質部は、周期的な空間を有する格子状に形成されており、毛細管力によって前記空間を溶融した前記ろう材が流動可能である、
請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
前記多孔質部は、周期的な空間を有する櫛状に形成されており、毛細管力によって前記空間を溶融した前記ろう材が流動可能である、
請求項１に記載の接合体。
【請求項４】
前記多孔質部の厚さは、０．１〜２．０ｍｍである、
請求項１から３のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項５】
前記第１の部材は、前記母材と一体化しており前記第２の部材とのろう接のフィレットとなる位置に配置された多孔質フィレット部を備え、
前記ろう材が前記多孔質フィレット部に充填されている、
請求項１から４のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項６】
第１の部材と第２の部材とを備える接合体の製造方法であって、
前記第１の部材の母材に、前記第２の部材と隣接する位置に多孔質部を前記母材と一体化して形成し、
加熱したろう材を前記多孔質部の内部に毛細管力によって流動させて、前記第１の部材の前記多孔質部と前記第２の部材とをろう接する、
接合体の製造方法。
【請求項７】
前記多孔質部を付加製造により形成する、
請求項６に記載の接合体の製造方法。
【請求項８】
前記ろう接の前に、前記第１の部材と前記第２の部材とを前記多孔質部が圧縮される組み合わせで固定する、
請求項６又は７に記載の接合体の製造方法。
【請求項９】
前記第１の部材の母材に、前記第２の部材とのろう接のフィレットとなる位置に多孔質フィレット部を前記母材と一体化して付加製造により形成し、
加熱したろう材を前記多孔質部内に毛細管力によって流動させて前記フィレットを形成する
請求項６から８のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記多孔質フィレット部を付加製造により形成する、
請求項９に記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合体及び接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、付加製造技術（３Ｄプリンタ、積層造形、アディティブマニュファクチャリング）と呼ばれる製造技術が用いられている。付加製造された部品を製品に用いる場合、付加製造された部品を他の部品と接続するための接合技術が必要となる。
【０００３】
ろう接の一種であるろう付は、金属を含む無機材料の接合技術として広く利用されており、付加製造された部品を接合する手法として有効な手法の１つである。
【０００４】
しかし、付加製造された部品の寸法精度及び表面粗さは、ろう付で重要となる被接合部の間隙を適切な寸法である０〜０．２ｍｍに精緻に設定することが難しい。特許文献１では、適正な間隙を設定することが難しいろう付部に金属多孔体を挿入し、多孔体の示す良好な毛細管力を活用してろう付する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２２４１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１による手法では、ウレタンに浸透させたニッケル粉末を焼結することにより製造された金属多孔体を使用している。そのため、加工が難しく取り扱いにくい金属多孔体を任意の形状に設けることが困難である。また、金属多孔体が被接合材とは別部材であるため、製造工程が煩雑である。
【０００７】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、ろう接の被接合部の間隙を適切に管理することが難しい場合にも、安定してろう接することができる接合体及び接合体の製造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】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明の接合体は、第１の部材と、第２の部材と、第１の部材と第２の部材とろう接するろう材と、を備え、第１の部材は、母材と、母材と一体化しており第２の部材と隣接した多孔質部と、を備え、ろう材は、多孔質部に充填されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、第１の部材と第２の部材とのろう接が、第１の部材の母材と一体化した多孔質部に充填されたろう材によって行われる。従って、本発明によれば、ろう接の被接合部の間隙を適切に管理することが難しい場合にも、安定してろう接することができる接合体及び接合体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るろう付接合体の断面図
【図２】本発明の実施の形態１に係るろう付接合体を構成する２つの部材の組付け前の斜視図
【図３】本発明の実施の形態１に係るろう付接合体の多孔質部の模式図
【図４】本発明の実施の形態１に係るろう付接合体の多孔質部にろうが流れる様子の模式図
【図５】（ａ）〜（ｇ）本発明の実施の形態１に係るろう付接合体における多孔質部の形状の例を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態２に係るろう付接合体の断面図
【図７】本発明の実施の形態２に係るろう付接合体を構成する２つの部材の組付け前の斜視図
【図８】本発明の実施の形態３に係るろう付接合体の断面図
【図９】本発明の実施の形態３に係るろう付接合体を構成する２つの部材の組付け前の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態１に係るろう付接合体１００について説明する。
【００１２】
図１及び図２に示すように、ろう付接合体１００は、オス側配管部品１０と、メス側配管部品３０と、を備える。オス側配管部品１０とメス側配管部品３０とは、ろう９０によりろう付接合されている。
【００１３】
オス側配管部品１０は、付加製造技術によって製造された第１の部材の一例である。
【００１４】
付加製造のプロセスは、支持体又は基板／基部上の選択された領域に材料を分布させ、レーザ若しくは電子ビーム、又は、同等のプロセスで材料を選択的に溶融又は焼結することを含む。また、本明細書では、付加製造は三次元印刷を含む。
【００１５】
付加製造のプロセスの例は、これらに限定されない。例えば、直接金属レーザ溶融法（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）、及び、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）等の公知のプロセスが含まれる。
【００１６】
本明細書における「付加製造」という用語は、材料を層ごとに積み重ねることを含む上述のプロセス並びに他の適切な現在又は将来のプロセスを指す。付加製造に適した材料は、これらに限定されないが、プラスチック、熱可塑性プラスチック、金属、金属材料、セラミック材料、他の適切な材料、又は、それらの組み合わせを含む。材料は、粉末の形態であってもよい。粉末に適した材料は、これらに限定されないが、ステンレス鋼、工具鋼、コバルトクロム、チタン、ニッケル、アルミニウム、それらの合金、及び、それらの組み合わせを含む。
【００１７】
オス側配管部品１０は、管状部１１と、多孔質部１２と、を備える。
【００１８】
管状部１１は、円筒状に形成された部分である。管状部１１は、構造用部材としての強度を有する。
【００１９】
多孔質部１２は、管状部１１と同一の材料で一括して造形する方法で形成されている。しかし、多孔質部１２は、多孔質体として形成されている点で管状部１１と異なる部分である。多孔質部１２は、管状部１１の長さ方向の一部において、管状部１１の外側の全周を包囲して、管状部１１と一体に形成されている。従って、多孔質部１２も全体として円筒状に形成されている。
【００２０】
メス側配管部品３０は、円筒の管状に形成された金属製の第２の部材の一例である。メス側配管部品３０は、機械加工、鍛造、塑性加工等の公知の方法で製造されている。メス側配管部品３０は、多孔質部１２の外径よりわずかに小さい内径を有する。
【００２１】
オス側配管部品１０とメス側配管部品３０に隣接するオス側配管部品１０の管状部１１の端部には、ろう９０によるフィレット部４１が形成されている。加えて、管状部１１に隣接するメス側配管部品３０の端部には、ろう９０によるフィレット部４２が形成されている。
【００２２】
ろう９０の材料には、銀、銅、ニッケル、鉄、チタン、アルミ、スズ、鉛、インジウム、金、亜鉛、又は、これらを１つ以上含む合金が用いられる。
【００２３】
次に、図３を参照して、多孔質部１２の構造についてさらに説明する。
【００２４】
多孔質部１２は、ラティスと呼ばれる様々な形状の単位格子が周期的に繰り返されて配置された、格子部１３を備える。図３には、オス側配管部品１０の外側から見た格子状の面の一部が矩形範囲内に示されている。この他、多孔質部１２の厚さ方向にも格子部１３は形成されている。従って、多孔質部１２内の空間も周期的に繰り返されて配置されている。
【００２５】
格子部１３の各格子には、孔１４が形成されている。それぞれの孔１４は、多孔質部１２内で互いに連通しており、連通した空間内にろう９０が流通する。多孔質部１２の形状及び寸法は、多孔質部１２内においてろう付に適した寸法の空間を残すことを考慮して決定される。
【００２６】
次に、図４も参照し、ろう付接合体１００の製造方法について一例を挙げて説明する。
【００２７】
オス側配管部品１０の管状部１１と多孔質部１２とを、ＳＬＭ方式で一体部品として形成する。このとき、原材料としてＳＵＳ３１６Ｌの粉末材料を用いる。ＳＬＭ方式で造形したときの管状部１１に相当する部分の密度は、構造用の強度を有するため、例えば９９％以上である。
【００２８】
また、メス側配管部品３０を、ＳＵＳ３１６Ｌの材料を機械加工して形成する。
【００２９】
オス側配管部品１０及びメス側配管部品３０の表面には、あらかじめＮｉめっきを施しておく。ＳＵＳ３１６Ｌの部品をろう付する場合、ろう９０との親和性の観点から望ましいためである。
【００３０】
続いて、オス側配管部品１０の多孔質部１２が全てメス側配管部品３０内となるまで、オス側配管部品１０をメス側配管部品３０内に挿入する。メス側配管部品３０の内径が多孔質部１２の外径よりわずかに小さいため、挿入の際に多孔質部１２が変形する。これにより、多孔質部１２の外径部とメス側配管部品３０の内径部とは互いに接触する。
【００３１】
続いて、組み合わせられたオス側配管部品１０とメス側配管部品３０とを加熱して、銀ろう（Ａｇ−Ｃｕろう）のろう９０を用いて真空ろう付装置にて約８００℃の温度条件で接合する。
【００３２】
めっきとろう、及び母材について、それぞれ、界面の密着強度を確保できる材質の種類を適宜選択することができる。
【００３３】
ろう９０の供給には、ろう材を有機材料と混錬してペーストとしてろう９０を供給する方法、ワイヤ状又は板状として供給する方法、あらかじめ被ろう付部付近に仮付着させておいて供給する方法が含まれる。また、ろう９０の流動性をよくするために、フラックスを用いることができる。さらに、加熱方法として、炉、炎、レーザ、高周波、電気ヒーター等の熱源、又は、これらを組み合わせた方法で加熱してもよい。
【００３４】
ろう９０を溶融させると、多孔質部１２が毛細管力によって溶融したろう９０を吸い込む。これにより、図４に示すように、ろう９０が流動して多孔質部１２の内部の空間に充填される。ろう９０が充填されることで多孔質部１２とろう９０とが一体化する。これにより、ＳＵＳ３１６Ｌの母材とＮｉめっきの密着性を確保しつつ、Ｎｉめっきと銀ろうのろう９０との間の良好な接合性を実現することができる。
【００３５】
上記のろう付をすることにより、ろう付接合体１００が製造される。
【００３６】
一般的なろう付の場合、２つの被ろう付部品同士の間隙を０〜０．２ｍｍに管理して組み付けることで毛細管力を発現せしめ、ろう材を充填することが多い。これに対して、本発明の実施の形態１によれば、一定の間隙を設定しなくても、多孔質部１２が毛細管力を発現させることができる。そのため、ろう９０を十分に引き込み隙間を充填することが可能となる。
【００３７】
多孔質部１２には、様々な形状を用いることとしてよい。図５（ａ）〜（ｇ）に、本発明の実施の形態１に係る多孔質部１２について、図３の格子部１３に相当する部分の形状の例を多孔質部１２ａ〜１２ｇとして示す。
【００３８】
図５（ａ）の多孔質部１２ａは、管状部１１の外径面に対して角度をつけて形成された格子状の構造を有する。図５（ｂ）の多孔質部１２ｂは、管状部１１の外径面に対して直交して形成された格子状の構造を有する。図５（ｃ）の多孔質部１２ｃは、管状部１１の外径面にギザギザ状に形成された構造を有する。図５（ｄ）の多孔質部１２ｄは、管状部１１の外径面から櫛状に形成された構造を有する。図５（ｅ）の多孔質部１２ｅは、管状部１１の外径面に対して角度をつけて形成された櫛状の構造を有する。図５（ｆ）の多孔質部１２ｆは、管状部１１の外径面から折れ曲がった櫛状に形成された構造を有する。図５（ｇ）の多孔質部１２ｇは、管状部１１の外径面から櫛状に形成され、櫛の歯のそれぞれが孔１５を備える構造を有する。
【００３９】
図５（ａ）〜（ｇ）の各構造において、多孔質部１２の空間は、流動するろう９０を浸透させるために外気と接続している開気孔状でなければならない。また、多孔質部１２の中の隙間は、ろう９０を引き込む毛細管力を発現させるため、０．２ｍｍ以下の代表寸法を有することが好ましい。０．２ｍｍより大きくなると、次第に毛細管力が低下し、ろう９０を引き込む機能が十分に得られない場合がある。
【００４０】
また、オス側配管部品１０の多孔質部１２の外面と、メス側配管部品３０の内径面と、の間にろう９０が充填されない大きな間隙がある場合、良好なろう付がなされない。従って、オス側配管部品１０のろう付部である多孔質部１２の外径は、メス側配管部品３０の内径より大きいか、又は、同等であることが望ましい。
【００４１】
多孔質部１２は、多くの空間を有するため変形しやすい。従って、多孔質部１２を含むオス側配管部品１０のろう付部の外径がメス側配管部品３０の内径より大きくても、圧入することによって多孔質部１２を圧縮し変形させながら挿入することができる。これにより、配管部材同士を確実に接触させながらろう付することができる。多孔質部１２を変形させながら挿入するためには、多孔質部１２の厚さは０．１〜２．０ｍｍであることが望ましい。
【００４２】
本実施の形態では、付加製造によって形成されたオス側配管部品１０の被ろう付部に多孔質部１２を一体化して設けた。これにより、寸法精度が低い又は表面粗さが大きい付加製造部品に対して組付け精度のロバストさを向上させることができる。すなわち、ろう接の被接合部の間隙を適切に管理することが難しい場合にも、安定してろう接することができる。また、一体化によって任意の箇所又は任意の形状に金属多孔体の多孔質部１２を配置することができるため、ろう９０の流れを制御しやすくなる。さらに、ろう９０を引き込む毛細管力を発現させて、多孔質部１２におけるろう９０の充填性を向上させる効果を得ることができる。
【００４３】
実施の形態２．
図６及び図７を参照して、本発明の実施の形態２に係るろう付接合体２００を説明する。
【００４４】
実施の形態２のろう付接合体２００のオス側配管部品２０は、管状部１１と、多孔質部１２と、に加えて、多孔質フィレット部２１と、多孔質フィレット部２２と、を備える。
【００４５】
多孔質フィレット部２１及び多孔質フィレット部２２は、オス側配管部品２０とメス側配管部品３０とのろう付部の端部におけるフィレットを形成するために設けられている。多孔質フィレット部２１及び多孔質フィレット部２２は、多孔質部１２と同様にろう９０を充填させるため、多孔質に形成されている。
【００４６】
通常ろう付を行うと、配管の端部にフィレットと呼ばれる、ろう材が間隙の終端部にあふれて溶融時の曲面を保持ししたまま凝固した部分が形成される。実施の形態１では、ろう付時にろう９０によってフィレット部４１及びフィレット部４２として形成される。
【００４７】
フィレット部は、ろう付継手の角部の応力集中箇所を覆うことから、ろう付継手にかかる外力に対して端部で応力が集中することを抑制し、継手強度を向上させる効果があることが一般的に知られている。特に、フィレットを構成する曲面の曲率半径が大きいほど発生する応力が低下する。しかし、通常の配管同士のろう付の場合、フィレットの形状は、ろう材の量又は温度、凝固のタイミング、重力方向等に影響される。そのため、安定して曲率半径の大きい形状に形成することが極めて困難である。
【００４８】
実施の形態２では、オス側配管部品２０の多孔質フィレット部２１及び多孔質フィレット部２２は、多孔質部１２と同様に、管状部１１と一体となっている。また、ラティスと呼ばれる様々な形状の単位格子が周期的に繰り返されて毛細管力を発現させる効果を多孔質部１２と同様に有する。
【００４９】
オス側配管部品２０とメス側配管部品３０とをろう付することで、多孔質フィレット部２１及び多孔質フィレット部２２にも毛細管力によってろう９０が流れ込み、一体化する。これにより、多孔質フィレット部２１及び多孔質フィレット部２２の外形に沿った形へとフィレット形状を制御して形成することが可能となる。
【００５０】
本発明の実施の形態２によれば、従来困難であった曲率半径の大きい形状に安定してフィレットを形成することができる。そのため、配管のろう付継手にかかる外力に対して、継手の端部で応力が集中することを抑制し、継手強度を向上させる効果を得ることができる。
【００５１】
実施の形態３．
図８及び図９を参照して、本発明の実施の形態３に係るろう付接合体３００を説明する。
【００５２】
実施の形態３のろう付接合体３００は、板状部品６０と、板状部品７０と、がろう付接合される。
【００５３】
板状部品６０は、金属から製造され、機械加工された矩形の平板状の部材である。
【００５４】
板状部品７０は、付加製造技術によって形成された部材である。板状部品７０は、平板部７１と、多孔質部７３と、多孔質フィレット部７４と、を備える。
【００５５】
平板部７１は、実施の形態１の管状部１１と同様に構造用部材として形成された、矩形の平板状の部分である。
【００５６】
多孔質部７３は、平板部７１の表面７２上に配置された、実施の形態１の多孔質部１２と同様の多孔質部である。多孔質部７３の上面は、板状部品６０の下面と対面する矩形の面である。
【００５７】
多孔質フィレット部７４は、平板部７１の表面７２上において、多孔質部７３の全周を取り囲んで形成されている。多孔質フィレット部７４は、実施の形態２の多孔質フィレット部２１及び多孔質フィレット部２２と同様の、フィレットを形成するための多孔質部である。
【００５８】
板状部品６０と板状部品７０とを図８の配置で組み合わせて、ろう９０を用いてろう付することにより、ろう付接合体３００が製造される。
【００５９】
実施の形態３の構成によっても、被ろう付面となる多孔質部７３の全体にろう９０が毛細管力によって広く流動して一体化し、安定したろう付状態を実現することができる。また、被ろう付面の一部分にろう付したくない部分がある場合、部分的に多孔質部７３を設けないことによってろう付する部分としない部分を選択することが容易である。
【００６０】
また、被ろう付面の端部には多孔質フィレット部７４が備えられているので、板状部品６０と板状部品７０との間の応力集中しやすい角部にろう９０を留めて安定した形状のフィレットを形成することができる。これにより、ろう付継手の接合信頼性を向上させることができる。
【００６１】
実施の形態３によって板状部品をろう付する場合、板状部品６０と多孔質部７３との被ろう付面の密着を一層図るために、ろう９０を溶融加熱させる前に加圧したり重りを載せたりする等で固定する方法をとることが望ましい。加圧等によって多孔質部７３が圧縮されて変形しても、実施の形態１と同様に毛細管力によってろう９０が多孔質部７３内を流動可能であればよい。
【００６２】
本発明の実施の形態３によれば、実施の形態１及び実施の形態２と同様に、付加製造特有の寸法精度の低さと表面粗さの大きさにもかかわらず、安定したろう付継手を得る効果が得られる。また、板状の部品についても、従来困難であった曲率半径の大きい形状に安定してフィレットを形成し接合信頼性を向上させる効果が得られる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
【００６４】
上述の実施の形態ではろう付と呼称したが、被ろう付物をほとんど溶融させることなく溶融した金属を流動させて接合する手法の総称であるろう接に適用することができる。従って、はんだ付けに対しても本発明を用いることができる。
【００６５】
上述の実施の形態では、多孔質部を含むオス側配管部品１０、オス側配管部品２０、板状部品６０はそれぞれ全体が付加製造によって形成された。この他にも、例えばオス側配管部品１０の管状部１１の表面に、後から付加製造手法によって管状部１１と異なる材料の多孔質部１２を設けることもできる。
【００６６】
また、多孔質部の形成には上述した各種の付加製造技術が好ましい手法であるが、これに限定されるものではない。例えば、構造用強度を有する母材に多孔質部となる粉末材料を付着させて焼結することとしてもよい。
【００６７】
上述の実施の形態では、オス側配管部品１０、オス側配管部品２０、板状部品７０の被ろう付面となる箇所に多孔質部１２、７３を設けた。この他、相手側部品に多孔質部１２、７３と同様の多孔質部を設けることとしてもよく、ろう付される両方の部品に多孔質部を設けることとしてもよい。
【００６８】
上述の実施の形態では、ろう付接合体１００、２００、３００を表示したが、接合体の形態は任意である。例えば、配管継手として形成されたオス側配管部品又はメス側配管部品が、両端に相手側部品を接合するための多孔質部を備えることとしてもよい。また、多孔質部を備えるのは配管継手の一方の端部だけであってもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１０、２０  オス側配管部品、１１  管状部、１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、７３  多孔質部、１３  格子部、１４、１５  孔、２１、２２、７４  多孔質フィレット部、３０  メス側配管部品、４１、４２  フィレット部、６０、７０  板状部品、７１  平板部、７２  表面、９０  ろう、１００、２００、３００  ろう付接合体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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