(57)【要約】【課題】本発明の目的は、簡便な方法で、金属又は合金母材に酸化被膜が形成されていても、強固に当該母材をはんだにより接合する方法を提供することである。【解決手段】金属又は合金からなる２つの母材の接合面の間に、はんだを介在させた状態で、はんだが固液二相状態となる温度に加熱し、少なくとも１方の金属母材に超音波振動を付加することによって、２つの母材を接合させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属又は合金からなる２つの母材をはんだにより接合する方法であって、
２つの母材の接合面の間にはんだを介在させた状態で、はんだが固液二相状態となる温度に加熱し、少なくとも１方の金属母材に超音波振動を付加する工程を含むことを特徴とする、接合方法。
【請求項２】
２つの母材の内、少なくとも一方が酸化皮膜を有する金属又は合金である、請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
２つの母材の内、少なくとも一方がアルミニウム材である、請求項１又は２に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属又は合金母材のはんだ付方法、即ち、金属又は合金からなる２つの母材をはんだにより接合する方法に関する。より詳細には、表面酸化被膜が形成される母材に対しても、簡便な方法で強固にはんだ付することが可能である接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般のはんだ付、ろう付においては、接合時の加熱による被接合材の機械的特性等の劣化や作業上の問題から、できるだけ低い温度での接合が望まれる。また、接合時のぬれ性を十分に確保するために、はんだやろう材は接合温度において完全に溶融する必要がある。そのため、多くの場合、従来から用いられているはんだやろう材の成分は、融点が低い共晶組成付近の成分となっている。
【０００３】
また、従来、金属又は合金母材のはんだ付において、被接合材の機械的特性の劣化抑制等のために、はんだ付温度がある温度以下に制限されることがある。このような場合、使用できるはんだ組成は、所定のはんだ付温度ではんだが完全に溶融するような融点の低いはんだ組成に限定されるため、強度や耐食性などのはんだ自身の特性やはんだのコストの観点からはんだ組成を選択できる余地はほとんどなく、継手の接合強度や耐食性を改善することや継手作製のコストを低減することは困難であるという問題がある。
【０００４】
また、金属又は合金母材を突き合わせ継手する場合においては、継手間隙は継手強度に関係する重要な因子となる。そのために、接合作業において適正な継手間隙の確保が重要であり、隙間確保材（スペーサー）を設置するなど手間のかかる作業が必要となっている。
【０００５】
更に、アルミニウムやその合金等の母材は、表面に酸化皮膜が形成し、接合を阻害するために、これをはんだ付するには接合面の表面酸化皮膜を除去する必要がある。そして、従来、はんだ付後の洗浄処理が必要であるフラックスを用いずにはんだ付を行う方法として、超音波を利用する方法が知られている。
【０００６】
超音波を利用したはんだ付方法として、例えば、接合すべき金属又は合金母材を、処理槽に入れられた溶融はんだ中に浸漬し、処理槽に取付けられた超音波振動子を用いて溶融はんだに超音波振動を付与することにより接合面の酸化皮膜を破壊しながら、はんだ付を行う方法が知られている。しかしながら、この方法では、はんだが完全に溶融する条件でなければ、クリアランスの小さい重ね継手部や、突き合わせ継手部においては、酸化皮膜が十分に破壊されず、接合不良を起こすという問題がある。
【０００７】
また、超音波を利用した他のはんだ付方法として、超音波振動子が取付けられたはんだごてを用いてはんだ付する方法がある。ところが、この方法では、クリアランスの小さい重ね継手部や、突き合わせ継手部においては、酸化皮膜が十分に破壊されず、接合不良を起こすという問題がある。
【０００８】
更に、超音波を利用したはんだ付方法として、2つのアルミニウム材の接合面間にはんだを介在させ、接合面同士を押し付ける方向に加圧するとともに、少なくともいずれか一方のアルミニウム材に超音波振動を付与して両アルミニウム材の接合面の酸化皮膜を破壊し、これと同時に加熱して両アルミニウム材を接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、接合部に超音波振動を伝達し、固相状態のはんだとアルミニウム材との摩擦によって、アルミニウム材の接合面表面の酸化皮膜を破壊する必要があるため、超音波発振器の工具ホーンにアルミニウム材をボルト等で強固に固定しなければならないところ、接合時に付加する超音波振動によってボルト等が緩み易く、固定が困難であるという問題がある。また、はんだの組成もアルミニウム材と共晶反応を起こす純亜鉛等に限定されるという問題がある。
【特許文献１】特開平５−６９１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、簡便な方法で、金属又は合金母材に酸化被膜が形成されていても、強固に当該母材をはんだにより接合する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】
【００１０】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行ったところ、金属又は合金からなる２つの母材の接合面の間にはんだを介在させた状態ではんだが固液二相状態となる温度に加熱し、少なくとも１方の金属母材に超音波振動を付加することによって、２つの母材をはんだにより強固に接合できることを見出した。また、上記のようにはんだ付すると、たとえ、金属又は合金母材に酸化被膜が形成されていても、接合面から当該酸化被膜を除去でき、母材間の接合を強固にできることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて、更に改良を重ねることにより完成したものである。
【００１１】
即ち、本発明は、下記に掲げる接合方法を提供する。
項１．  金属又は合金からなる２つの母材をはんだにより接合する方法であって、２つの母材の接合面の間にはんだを介在させた状態で、はんだが固液二相状態となる温度に加熱し、少なくとも１方の金属母材に超音波振動を付加する工程を含むことを特徴とする、接合方法。
項２．  ２つの母材の内、少なくとも一方が酸化皮膜を有する金属又は合金である、項１に記載の接合方法。
項３．  ２つの母材の内、少なくとも一方がアルミニウム材である、項１又は２に記載の接合方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、２つの金属又は合金母材の接合面間にはんだを介在させ、接合部をはんだが固液二相状態となる温度に加熱し、いずれか少なくとも一方の母材に超音波振動を付加するため、母材の接合面に酸化皮膜が存在していても、接合面では当該酸化被膜が破壊された状態で両母材は接合される。従って、はんだが完全に溶融する温度まで加熱する必要がないため、低温でのはんだ付においても、強度や耐食性などのはんだ自身の特性やはんだのコストの観点から選択できるはんだ組成を大幅に広げることができる。また、はんだが完全には溶融しないので、突き合わせはんだ付等において、接合温度に対応したはんだ固相が突き合わせ箇所に残存し、このはんだ固相が接合時の隙間確保材（スペーサー）の役割を果たすため、継手間隔維持のためのスペーサーを設置することなくはんだ付が可能になるという利点もある。
【００１３】
本発明の接合方法は、特に、アルミニウム材（アルミニウム又はアルミニウム合金）の接合に有用であるので、例えば、自動車用吸気マニホルドのようなアルミニウム製自動車部品、又はアルミニウム製熱交換器等を製造するに当たり、アルミニウム材同士を接合するための技術として好適である。
【００１４】
更に、本発明の接合方法は、母材同士の接合の際にスペーサーがなくても実施可能であるので、チューブの重ね接合において、接合後のはんだ層厚さが均一となる継手をスペーサーレスで容易に得ることができるという利点もある。
【００１５】
そして更に、本発明の接合方法によれば、はんだが母材間の外部に排出されるのを抑制して、母材間におけるはんだの残存率を高く維持できるので、良好で安定して継手を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の接合方法では、金属又は合金が、接合対象となる母材として使用される。当該母材として、はんだ付が必要とされるものである限り、特に制限されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、銅、銅合金、超硬合金等が挙げられる。特に、アルミニウム及びアルミニウム合金は、表面に強固な酸化被膜を形成しているため、従来のはんだ付では、簡便な方法によって強固な接合をすることが困難であった。これに対して、本発明によれば、このような酸化被膜が存在していている母材であっても、簡便でしかも強固に接合させることができる。このような本発明の効果に鑑みれば、本発明における接合対象母材として、２つの母材の内、少なくとも一方が酸化皮膜を有する金属又は合金であることが好ましい。中でも、２つの母材の内、少なくとも一方がアルミニウム又はその合金、特に、双方がアルミニウム又はその合金であることが好適である。
【００１７】
また、本発明で使用されるはんだについても、特に制限されるものではなく、接合対象母材の種類や大きさ、求められる接合強度、コスト等を総合的に考慮して、適宜選択すればよい。本発明に使用されるはんだの一例として、Sn-Zn合金又はZn-Al合金からなるものが例示される。より具体的には、Sn-23Zn、Sn-40Zn、Sn-82Zn、Zn-16Al等のはんだが挙げられる。なお、本明細書において、「Sn-xZn」とはSnが100-ｘ重量％であり、Znが約ｘ重量％である組成の合金を示す。即ち、例えば、「Sn-23Zn」とはSnが約77重量％であり、Znが約23重量％である組成の合金を表す。また、同様に、本明細書において、「Zn-xAl」とはZnが約100-ｘ重量％であり、Alが約ｘ重量％である組成の合金を示す。即ち、例えば、「Zn-16Al」とはZnが約84重量％であり、Alが約16重量％である組成の合金を表す。
【００１８】
本発明の接合方法では、まず、接合対象となる２つの母材の接合面の間にはんだを介在させる。具体的には、２つの母材の接合面の間を、例えば５０〜２００μｍ、好ましくは８０〜１２０μｍ程度に設定し、この２つの母材の接合面の間にはんだを挟み込むように保持させるとよい。２つの母材の接合面の間にはんだを簡便に介在させるために、使用するはんだの径又は厚みを、２つの母材の接合面間の幅（両接合面の隙間）と一致するように調整しておくことが望ましい。
【００１９】
また、このように２つの母材の接合面にはんだを介在させる際には、２つの母材の接合面によって、はんだを例えば０．０５〜２．０ＭＰa程度、好ましくは０．２〜１．０ＭＰa程度に加圧しておいてもよい。
【００２０】
また、本発明では、固液二相状態ではんだ付がなされ、接合時にはんだ固相部分が接合時の隙間確保材（スペーサー）の役割を果たすため、両接合面の隙間には、継手間隔維持のためのスペーサーを設置しなくてもよい。
【００２１】
このように２つの母材の接合面の間にはんだを介在させた状態で、はんだが固液二相状態となる温度に加熱する。
【００２２】
ここで、加熱温度としては、はんだが固液二相状態となる範囲であればよく、使用するはんだの種類に応じて適宜設定される。例えば、Sn-23Znの場合であれば、２００〜２９５℃程度、好ましくは２２０〜２６０℃程度；Sn-40Znの場合であれば、２００〜３４０℃程度、好ましくは２２０〜３００℃程度；Sn-82Znの場合であれば、２００〜３８５℃程度、好ましくは３００〜３５０℃程度が例示される。
【００２３】
上記加熱は、加熱は高周波誘導加熱装置を用いて行うことが好ましく、当該装置によって接合部を局所的に急速加熱できるが、本発明では加熱手段についてはこれに限るものではない。
【００２４】
また、加熱によりはんだが固液二相状態になっていることについては、使用するはんだの種類と加熱温度の関係から判定できるが、本発明により接合された母材を解体し、当該母材の接合面に存在するはんだを顕微鏡観察により、接合時に固体状態であった相（以下、非溶融固相と表記する）と接合時に液体状態であった相（以下、溶融固相と表記する）の状態を確認することによっても判定できる。具体的には、母材の接合時にはんだが固液二相状態である場合、母材の接合面に対して、はんだの溶融固相が主に接しており、はんだの非溶融固相は母材の接合面には殆ど接していない。これに対して、母材の接合時にはんだが液相状態である場合、母材の接合面に対して、はんだの初晶（液相状態からの冷却過程で最初に凝固する相）が主に接しおり、はんだの溶融固相は母材の接合面には殆ど接していない。ここで、はんだがSn-23Zn、Sn-40Zn、Sn-82Zn合金の場合であれば、溶融固相の主成分はSnで、非溶融固相又は初晶の主成分はZnとなる。また、はんだがZn-16Al合金の場合であれば、溶融固相の主成分はZnで、非溶融固相又は初晶の主成分はAlとなる。
【００２５】
本発明では、上記のように母材の接合面に介在するはんだが固液二相状態とした条件下で、少なくとも１方の母材に対して超音波振動を付加する。このような条件下で超音波振動を付加することにより、母材の接合面に存在している酸化被膜や不純物が除去され、２つの母材の接合をより強固にすることが可能になる。
【００２６】
本発明で、付加される超音波振動としては、特に限定されるものではないが、例えば、出力１０〜２５００Ｗ、周波数１５〜６０kHz、振幅０．１〜８０μm、好ましくは出力６０〜２４０Ｗ、周波数１５〜３０kHz、振幅４〜２０μmが挙げられる。
【００２７】
また、超音波振動を上記金属母材に付加する時間としては、例えば０．１〜３０秒、好ましくは４〜８秒に設定すればよい。
【００２８】
超音波振動は、２つの母材の内、何れか一方の母材のみに付加してもよいが、両方の母材に付加してもよい。
【００２９】
また、母材に対して超音波振動を与えるには、例えば、はんだ付時に母材を固定するための２つの支持部材の内、少なくとも１方の支持部材に超音波発振器を備えさせておき、上記所定の条件になった際に、当該超音波発振器を用いて所定の超音波振動を付加すればよい。
【００３０】
本発明の接合方法により、丸棒状母材同士を突き合わせ継手で接合するのに用いられる装置の一例を図１に示す。図１に示す装置では、丸棒状母材を固定する２つの支持部材1-1及び1-2の内、一方支持部材1-1に超音波発振器が取り付けられている。支持部材1-1及び1-2の先端には、丸棒状母材４を支持するための底付き穴が設けられており、２つの丸棒状母材４が、それぞれの支持部材の穴に挿入され、保持されている。この際、丸棒状母材４の支持には、ボルト等の止め金具はなくてもよい。また、２つの支持部材1-1及び1-2は、それぞれ丸棒状母材４を保持した状態で、はんだ５を介在させて２つの丸棒状母材４の接合面同士が付き合わさるような位置関係になるように位置決めされており、さらにこれら支持部材1-1及び1-2の少なくとも一方は、当該位置決めができるように移動可能になっている。更に、図１に示す装置では、両母材の接合面の突き合せ部には、高周波誘導加熱装置の誘導コイル３が配置されている。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明を具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
試験例
図１に示す構成の装置を用いて、直径５ｍｍ、長さ３５ｍｍのJIS A1070製の２本の丸棒状アルミニウム材同士をはんだを用いて接合させた。具体的な条件は、次の通りである。
【００３２】
丸棒状アルミニウム材の接合面は、予め、バフ研磨処理を施した後、アセトンを用いて超音波洗浄処理を施した。この丸棒状アルミニウム材をそれぞれの支持部材に保持させ、両アルミニウム材の先端の接合面同士の間には、１００μmの隙間を設け、その中に、表１に示す組成のはんだをスペーサーを使用することなく介在させた。なお、この際、はんだには、０．５ＭＰａの圧力かけておいた。次いで、アルミニウム材の接合面部分が、表１に示す温度になるように、高周波誘導加熱装置の誘導コイルにより加熱した。次いで、所定の温度に到達した時点で、一方の支持部材から超音波振動をアルミニウム材に対して４秒間付加した。ここで、超音波振動の出力は、１２０W、周波数は１９ｋHｚ、振幅は６μｍとした。このようにして２つのアルミニウム材を接合した。
【００３３】
斯くして接合した２つの丸棒状アルミニウム材の接合強度を、引張試験により測定した。更に、２つの丸棒状アルミニウム材の接合部分のはんだ残存率についても測定した。この結果から、はんだが固液二相の状態で超音波振動を付加した場合には、接合強度が高く、接合部におけるはんだの残存率も高いことが確認された。一方、はんだが液相になるように加熱して超音波振動を付加した場合には、接合強度とはんだ残存率の点で満足できるものではなかった。
【００３４】
また、実施例５及び比較例１−２の条件で接合したアルミニウム材において、アルミニウム材の接合部分を顕微鏡写真により観察した結果を図２に示す。図２から明らかなように、はんだが固液二相の状態で接合されたアルミニウム材の接合部分では、はんだに非溶融固相の存在を確認できたのに対して、液相で接合されたアルミニウム材の接合部分では、そのような非溶融固相の存在は確認されなかった。
【００３５】
更に、実施例５の条件で接合したアルミニウム材において、アルミニウム材の接合部分を元素マッピングにより分析した結果を図３に示す。この結果から、母材であるアルミニウム材の接合界面には、はんだのSnからなる相（溶融固相）が接触しており、はんだのZnからなる相（非溶融固相）は接触していないことが確認された。この結果からも、実施例５の条件では、接合時にはんだが固液二相状態を形成していたことが示された。
【００３６】
【表１】
2008207241.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の接合方法により、丸棒状アルミニウム材同士を突き合わせ継手で接合するのに用いられる装置の一例を示す図である。
【図２】実施例５及び比較例１−２の条件で接合したアルミニウム材において、アルミニウム材の接合部分を顕微鏡写真により観察した結果を示す図である。
【図３】実施例５の条件で接合したアルミニウム材において、アルミニウム材の接合部分を元素マッピング分析した結果を示す図である。右上の図は、アルミニウム材とはんだとの界面を顕微鏡により観察したものであり、左中、左下、右中、及び右下の図は、右上の図と同一視野において、それぞれ、O、Sn、Al、及びZnについて、元素マッピング分析した結果である。
【符号の説明】
【００３８】
1-1  超音波発振器が取り付けられている支持部材
1-2  超音波発振器に取り付けられていない支持部材
３  高周波誘導加熱装置の誘導コイル
４  丸棒状母材
５  はんだ
【図１】
2008207241.tif 000003
【図２】
2008207241.tif 000004
【図３】
2008207241.tif 000005