CN103958112B

CN103958112B - 铝合金材料的接合方法

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Publication number: CN103958112B
Application number: CN201280058705.8A
Authority: CN
Inventors: 柳川裕; 村濑崇
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: WO2013081124A3; CN103958112A; JPWO2013081124A1; JP6023078B2; WO2013081124A2

Abstract

本发明提供一种不使用接合构件并能够得到在炉中的良好的接合性和高可靠性的新的接合方法。其为以铝合金材料为一方的被接合构件、以铝合金材料和纯铝材料中的任一种为另一方的被接合构件，将这两个被接合构件接合的方法，在相对于作为一方的被接合构件的铝合金材料的全部质量该铝合金材料内生成的液相的质量之比成为5％以上且35％以下的温度，在大气中进行接合。

Description

铝合金材料的接合方法

技术领域

本发明涉及以铝合金材料为一方的被接合构件、以铝合金材料和纯铝材料中的任一种为另一方的被接合构件，将这两个被接合构件接合的方法。

背景技术

对于金属制构件的接合方法，一直以来采用各种方法。在非专利文献1中，金属的接合方法大致被分为材质接合法、化学接合法和机械接合法。铝合金材料的接合也使用它们当中的任一种方法。

材质接合法是通过金属结合将被接合构件彼此牢固接合的方法。通过适当进行，能够提高接合部的可靠性。具体地说，可分为熔融并接合的焊接法；扩散接合法、摩擦接合法、压接法等固相接合法；钎焊等液相-固相反应接合法；等。材质接合法如上所述通过金属结合来实现牢固接合。其中，作为液相-固相反应接合法的钎焊由于在炉中将被接合构件全体加热来进行接合，因此能够同时进行多点接合。发挥这样的优点的钎焊多适用于汽车用热交换器、散热片等接合位置多且以窄的间隔接合的产品的接合中。

化学接合法是使用所谓的粘接剂的接合方法。与材质接合法不同，不需要在高温下接合，具有不发生被接合构件本身的变形这样的优点。然而，由于无法得到像金属结合那样的牢固的接合，因此存在接合部的可靠性、热传导性与材质接合法相比差这样的缺点。

对于机械接合法，可以举出铆接、螺栓连接等。与材质接合法、化学接合法相比，能够比较简单地进行接合。此外，能够得到与材质接合法同等以上的接合强度，根据方法，容易反复接合。然而，存在接合部的形状受到限定、不适于需要密闭性的接合等缺点。

对于铝合金材料的接合，一直以来使用焊接法、软钎焊法、硬钎焊法等材质接合法。

焊接法是通过电或者火焰将接合部加热并熔融、合金化而实现接合的方法。在接合部的间隙大的情况、需要接合强度的情况下，接合时使填充材料同时熔融而填充间隙。这样，由于接合部熔融而实现可靠的接合。另一方面，由于将接合部熔融并接合，因此有如下的情况：接合部附近的形状产生大的变形，金属组织也局部发生大的变化，变成不同组织，而产生局部脆弱化。另外，由于仅需要将接合部局部性地逐渐加热，因此还存在难以同时接合多点等问题。

在软钎焊法、硬钎焊法中，使用熔点比被接合构件低的软钎料、硬钎料，通过电或者火焰进行加热，从而仅使这些软钎料、硬钎料熔融而填充接合部的间隙，从而实现接合。其对点状、线状的连接部的接合有利，软钎料、硬钎料通过在接合凝固时形成称为角焊缝的形状，从而在强度、热传导性等方面能够得到非常高的可靠性。此外，能够不使母材熔融并在短时间内得到牢固接合。特别是NOCOLOK硬钎焊法、真空硬钎焊法等炉中硬钎焊法，其特征在于使用硬钎料和作为被接合构件的包覆铝合金材料的硬钎焊片。对硬钎焊片进行压制加工，组装具有中空结构的层叠型热交换器，在炉中加热，从而能够制造接合位置多且具有复杂的形状的热交换器。另一方面，在硬钎焊、软钎焊时，由于液相流动，因此还存在微细的流路等被钎料填埋的情况。此外，通过使用硬钎焊片，具有能够容易向接合部均匀地供给钎料的优点，另一方面，由于硬钎焊片的制造复杂，因此要求降低成本、改善供应性。进而，还存在在接合面侧的切削等加工的自由度受损等问题。

扩散接合法、摩擦接合法等固相接合法是原则上不伴随被接合构件的熔融的接合方法。

扩散接合法是使母材彼此密合，基本上在母材的熔点以下加压至不产生塑性变形的程度，利用在接合面间产生的原子的扩散，而实现接合的方法。在该接合方法中，不伴随被接合构件的变形，能够同时进行多点接合、面接合。因此，能够进行具有微细的形状的被接合构件的接合。然而，由于利用扩散现象，因此对接合需要与焊接、硬钎焊等相比长的时间。通常由于为30分钟左右，因此需要在规定温度保持30分钟以上的时间。此外，由于接合需要加压，因此无法避免接合操作的复杂化、成本增加。进而，在铝合金材料的情况下，由于在其表面上存在稳定且牢固的氧化皮膜，由此扩散受到阻碍，因而难以适用固相扩散接合。在使用被接合构件中含有0.5～1.0质量％左右的Mg的铝合金材料的情况下，通过Mg的还原作用而氧化皮膜被破坏，能够比较容易地进行接合，在使用其他铝合金材料时，需要将接合面的氧化皮膜除去的清洁化处理，存在需要氩离子冲击、辉光放电、赋予超声波等特殊的工序等问题。

摩擦接合法之中适用于铝材料的摩擦搅拌接合法可适用于全部的铝合金材料。由于不伴随母材的熔融，因此具有因接合而发生的被接合构件的变形少这样的优点。另一方面，接合部的形状被限定为直线、平缓曲线，复杂形状的接合困难。此外，由于使接合工具与接合部直接接触，因此微细的形状的接合困难，并且也难以同时接合多点。此外，在该接合方法中，无法避免在接合终端部残留接合销(pin)的痕迹。进而，由于在接合部中被接合构件被搅拌，因此还存在由于呈现与母材不同的组织而接合强度降低的问题。

如上所述，在通过材质接合法将铝材料接合的情况下，一般采用使被接合构件不熔融、或者仅使接合部附近局部性熔融的接合方法。这是因为，如果被接合构件全体熔融，则无法保持形状，而无法得到所希望的形状。然而，为了以实用的速度可靠地进行接合，需要被熔融的部分，无法避免该部分的变形。因此，存在必须设定接合后的尺寸变化、强度变化来进行构件的设计、组装这样的问题。

另一方面，还提出了使金属构件全体为半熔融状态进行的接合方法。在专利文献1中，提出了利用合金粉末的半熔融的接合方法。在该接合方法中，由于作为被接合构件的合金粉末其全体成为半熔融状态，因此其形状变形显著，不适于希望抑制形状变形的构件的接合。此外，在专利文献2中，提出了将非金属构件压入半熔融的合金母材，接合非金属构件与合金母材的方法。然而，在该接合方法中，将冲头与规定的模具压接而接合，因此产品的形状受限。

此外，在专利文献3中，提出了如下的方法：在制作波导管型天线时，对构成波导管的槽板和基板使用Mg系的铝合金，在该铝合金的固液共存区域或固液共存区域附近的温度加热、加压，进行扩散接合。在该方法中，以使用楔子的夹具对接合面加压，利用夹具与该铝的热膨胀差进一步对接合部给予加压，而实现扩散接合。此时，显示出作为构件的槽板和基板的液相率最大成为1.7％那样的接合条件。但是，在液相率为1.7％左右的情况下，所生成的液相过少，有可能无法实现具有充分强度的接合。此外，在专利文献3中提出的方法中，在以使液相的比例变大的方式进一步提高温度的情况下，压力施加过度而有可能产生大的变形。进而，在该方法中，只能接合平坦的板状物，且接合面的朝向被限定为加压方向。

在专利文献4中，提出了如下的方法：在两个金属合金的被接合构件全都处于固相率为30％以上且小于90％(液相率为10％以上且小于70％)的范围内的温度，将它们插入锻模内，锻造并成型的同时实现接合。该方法是通过锻造将多个合金板复合材料化的方法，因此无法在保持接合前后的形状的状态下进行接合。此外，无法在所接合的接合材料之间设置中空部、或者接合不平坦的材料。进而，还需要高温、大型的锻造装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-30513号公报

专利文献2：日本特开2003-88948号公报

专利文献3：日本特开平10-313214号公报

专利文献4：日本特许第4261705号

非专利文献

非专利文献1：溶接·接合技術データブック、p.57、溶接·接合技術データブック編集委員会(焊接/接合技术数据手册、57页、焊接/接合技术数据手册编辑委员会)(2007年)

发明内容

发明要解决的课题

鉴于如上所述的现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种具有良好的接合性且几乎不存在因接合时材料的流动而造成的变形的、可靠性高的新的接合方法。

用于解决课题的方法

本发明人等进行深入研究，结果发现利用将作为被接合构件的铝合金加热时生成的液相的新的接合方法，从而完成本发明。即，本发明在权利要求1中提出一种铝合金材料的接合方法，其特征在于，为以铝合金材料为一方的被接合构件、以铝合金材料和纯铝材料中的任一种为另一方的被接合构件，将所述一方的被接合构件与另一方的被接合构件加热而接合的方法，在相对于作为所述一方的被接合构件的铝合金材料的加热部分的全部质量该铝合金材料内生成的液相的质量之比成为5％以上且35％以下的温度，在大气中进行接合。

本发明的权利要求2涉及权利要求1，在被接合构件间涂布有焊剂的状态下进行接合。

本发明的权利要求3涉及权利要求2，使所述焊剂为氯化物系焊剂。

发明效果

本发明涉及的铝合金材料的接合方法是利用在接合的铝合金内部产生的极少的液相进行接合的方法。在本发明中，通过可靠性高的金属结合，不仅能够实现相同组成的铝合金材料彼此的接合，而且能够实现铝合金材料和纯铝材、铝合金材料和与其不同组成的铝合金材料的接合。

此外，本发明由于被接合构件本身不会因熔融而产生大的流动，不使用软钎料、硬钎料、熔化材料等，因此由于接合而引起的尺寸变化小，几乎不发生形状变化。特别是，即使在具有微细的流路的构件的接合中，也不会由于液相的流入、变形而造成流路堵塞，能够进行良好的接合。

进而，由于在接合部附近不会引起局部性组织变化，因此不易产生强度脆化。此外，在不使用预加钎料、焊膏、包覆硬钎料的硬钎焊片等的情况下能够进行具有与硬钎焊法同等可靠性的同时多点接合。由此，不有损接合性能并能够实现材料的成本降低。

与本发明同样地因接合而引起的变形少且能够同时多点接合的扩散接合相比，不需要加压、能够缩短接合所需时间，即使是与不含Mg的铝合金材料的接合，也不需要用于接合面的清洁化处理的特殊的工序。

如上所述，本发明提供以往未有的新的接合方法。将本发明涉及的接合方法命名为“渗出接合(bleedbonding)”。

附图说明

图1是示出作为二元系共晶合金的Al-Si合金的状态图的示意图。

图2是示出本发明涉及的铝合金材料的接合方法中液相的生成机制的说明图。

图3是示出本发明涉及的铝合金材料的接合方法中液相的生成机制的说明图。

图4是示出倒T字型接合试验片及其接合部的观察面位置的主视图。

图5是示出在图4中观察的接合部的显微镜照片。

图6是用于评价接合率的倒T字型接合试验片的立体图。

图7是说明用于评价变形率的下垂试验的立体图(a)及侧视图(b)。

图8是示出用于评价接合率的接合试验片的立体图。

图9是示出用于评价接合率的接合试验片的立体图。

图10是说明用于评价接合率的试验的立体图。

具体实施方式

以下，详细说明本发明。

A.被接合构件的组合

在本发明涉及的铝合金材料的渗出接合中，以铝合金材料为一方的被接合构件、以铝合金材料和纯铝材料中的任一种为另一方的被接合构件，将一方的被接合构件与另一方的被接合构件接合。在将铝合金材料彼此接合的情况下，可以是合金组成相同的材料彼此接合，也可以是合金组成不同的材料彼此接合。

B.液相的生成

在本发明涉及的铝合金材料的渗出接合中，需要在相对于作为一方的被接合构件的铝合金材料的加热部分的全部质量该铝合金材料内生成的液相的质量之比(以下，记为“液相率”)成为5％以上且35％以下的温度进行接合。如果液相率超过35％，则所生成的液相的量过多，铝合金材料会无法维持形状而产生大的变形。另一方面，在液相率小于5％时，接合变得困难。优选的液相率为5～30％，更优选的液相率为10～20％。

测定加热中的实际液相率是非常困难的。于是，本发明中规定的液相率通过平衡计算来求出。具体地说，通过Thermo-Calc等热力学平衡计算软件，根据合金组成和加热时的最高达到温度来计算。

对液相的生成机制进行说明。在图1中示意性地示出作为代表性二元系共晶合金的Al-Si合金的状态图。如果对Si浓度为c1的铝合金材料进行加热，则在超过共晶温度(固相线温度)Te的附近的温度T1开始液相的生成。在共晶温度Te以下时，如图2(a)所示，在由晶界区分的基体中分布有晶体析出物。如果在此开始液相的生成，则如图2(b)所示，晶体析出物分布的偏析多的晶界熔融而变成液相。接着，如图2(c)所示，分散在铝合金的基体中的作为主添加元素成分的Si的晶体析出物粒子、金属间化合物的周边以球状熔融而变成液相。进而如图2(d)所示，生成在基体中的该球状的液相利用界面能，随着时间的经过、温度上升，再固溶于基体中，并通过固相内扩散而向晶界、表面移动。接着，如图1所示，如果温度上升为T2，则从状态图可知液相量增加。如图1所示，在一方的铝合金材料的Si浓度比最大固溶限浓度小的c2的情况下，在超过固相线温度Ts2的附近开始液相的生成。但是，与c1的情况不同，即将熔融之前的组织如图3(a)所示，有在基体中不存在晶体析出物的情况。在这种情况下，如图3(b)所示在晶界先熔融而变成液相后，如图3(c)所示在基体中从溶质元素浓度高的位置开始局部性地产生液相。如图3(d)所示，生成在基体中的该球状的液相与c1的情况同样地，利用界面能，随着时间的经过、温度上升，再固溶于基体中，并通过固相内扩散而向晶界、表面移动。如果温度上升为T3，则从状态图可知液相量增加。这样，本发明涉及的渗出接合利用通过铝合金材料内部的局部性熔融而生成的液相，能够实现兼顾接合与维持形状。

C.接合时的金属组织的行为

说明产生液相后到接合为止的金属组织的行为。如图4所示，接合使用了生成液相的铝合金材料A以及与其接合的铝合金材料B的倒T字型接合试验片，用显微镜观察图中所示的观察面。如上所述，在接合中，在铝合金材料A的表面上生成的极少的液相填埋与因焊剂等的作用而氧化皮膜被破坏的对象的铝合金材料B的间隙。接下来，位于两个合金材料的接合界面附近的液相向铝合金材料B内移动，与此相伴，与接合界面相接的铝合金材料A的固相α相的晶粒朝向铝合金材料B内生长。另一方面，铝合金材料B的晶粒也向铝合金材料A侧生长。

在铝合金材料B为不生成液相的合金的情况下，如图5(a)所示，成为在接合界面附近的铝合金材料B中进入铝合金材料A的组织那样的组织而接合。因此，在接合界面上不产生除了铝合金材料A和铝合金材料B以外的金属组织。此外，在铝合金材料B也为生成液相的合金的情况下，如图5(b)所示，形成两个合金材料完全一体化的组织，而无法辨别接合界面。

另一方面，在使用包覆硬钎料的硬钎焊片作为铝合金材料A、使用不生成液相的合金作为铝合金材料B的情况下，如图5(c)所示，在接合部形成角焊缝，可见共晶组织。这样，在图5(c)中，形成与图5(a)、(b)中所形成的接合组织不同的组织。在硬钎焊法中，由于液相钎料填埋接合部而形成角焊缝，因此接合部形成与周围不同的共晶组织。此外，在焊接法中，由于接合部局部熔融，因此形成与其他部位不同的金属组织。与此相对，本发明涉及的渗出接合中，接合部的金属组织仅由两个被接合构件的材料构成、或者由两个被接合构件一体化而成的材料构成，在这一点上与通过硬钎焊、焊接而产生的接合组织不同。

由于这样的接合行为，而在接合工序后几乎不发生接合部位附近的形状变化。即，在本发明涉及的接合方法中几乎不发生焊接法的焊道、硬钎焊法中的角焊缝那样的接合后的形状变化。尽管如此，也能够与焊接法、硬钎焊法同样地利用金属结合进行接合。例如，在使用硬钎焊片(硬钎料包覆率为单面5％)组装冲压杯式(drawncuptype)层叠型热交换器的情况下，由于在硬钎焊加热后熔融的硬钎料集中于接合部，因此层叠的热交换器的高度减少5～10％。因此，在产品设计中需要考虑该减少部分。在本发明中适用的渗出接合中，由于接合后的尺寸变化极小，因此能够实现高精度的产品设计。

D.氧化皮膜的破坏

在铝合金材料的表层上形成有氧化皮膜，由此接合受到阻碍。因此，在接合中需要破坏氧化皮膜。本发明涉及的渗出接合在大气中进行，但为了破坏氧化皮膜，采用以下的D-1或者D-2中所示的任一种方法。

D-1.利用焊剂的氧化皮膜的破坏

在该方法中，为了破坏氧化皮膜，至少对接合部涂布焊剂。作为本发明中使用的焊剂，使用铝合金的硬钎焊中所使用的KCl、NaCl、LiCl、ZnCl₂等氯化物系焊剂或者KAlF₄、CsAlF₄等氟化物系焊剂。

在本发明中，优选使用氯化物系焊剂。通过将氯化物系焊剂涂布于接合部，能够在大气中将被接合构件加热而实现良好的接合。所谓的氯化物系焊剂是以氯化物为主成分的焊剂，也包括含有少量的氟化物的焊剂。氯化物系焊剂即使在大气中进行加热也不会与氧反应而劣化，如果被加热至焊剂的熔融温度以上而熔融，则能够破坏铝材料表面的氧化皮膜。进而，熔融的焊剂以覆盖氧化皮膜被破坏的铝材料而存在，还具有妨碍铝材料直接与大气接触的作用。其结果是，能够防止铝材料表面的再氧化，而能够实现本发明的渗出接合。

另一方面，氟化物系焊剂在加热中与气氛中的氧、水分反应而容易劣化。因此，在加热炉内使用的情况下，通常需要使炉内形成非氧化性气氛，来抑制氧量、水分量。然而，通过将足够量的氟化物系焊剂涂布于被接合构件，从而即使在大气中也能够实现本发明的渗出接合。进而，通过将氟化物系焊剂涂布于被接合部，用短时间的加热方法使接合结束，从而能够将焊剂的劣化抑制为最小限度，而能够实现本发明的渗出接合。

这些焊剂在渗出接合中液相熔融之前或者达到接合温度之前熔融，并与氧化皮膜反应而破坏氧化皮膜。

此外，如果铝材料的Mg含量超过0.7质量％，则与焊剂反应而有时氧化皮膜破坏作用受损。因此，在两个被接合构件为铝合金材料的情况下，优选这些被接合构件全都由Mg含量被限制为0.7质量％以下的铝合金构成。

D-2.利用Mg的吸气(getter)作用的氧化皮膜的破坏

在铝材料中添加了规定量Mg的情况下，即使对接合部不涂布焊剂，也能够在大气中破坏氧化皮膜而实现接合。在这种情况下，与真空无焊剂硬钎焊同样地，铝合金熔融而液相出现在表层时，通过从铝合金中蒸发的Mg的吸气作用而氧化皮膜被破坏。

在通过Mg的吸气作用而破坏氧化皮膜的情况下，为了抑制加热中的氧化皮膜的生长，优选尽可能抑制铝合金材料与大气气氛的接触，作为这样的接合方式，可以举出将接合部位设为面接合来防止与气氛的接触的方式。作为面接合，通过提高接合部位的密合度，从而抑制从外部流入氧，提高接合性。

为了通过Mg的吸气作用而破坏氧化皮膜，作为一方的被接合构件的铝合金材料优选为含有0.2质量％以上且2.0质量％以下的Mg的铝合金。在小于0.2质量％时，有时无法得到充分的吸气作用，而不能实现良好的接合。另一方面，如果超过2.0质量％，则有时在表面上Mg与气氛中的氧反应，大量生成氧化物MgO，而接合受到阻碍。另外，在作为另一方的被接合构件的铝合金材料中，铝合金中的Mg含量并不限定为0.2质量％以上，但是如果大量生成MgO则接合受到阻碍，因此Mg含量优选设为2.0质量％以下。此外，在一方的被接合构件中，在将Mg含量设为0.2质量％以上且2.0质量％以下的情况下，对铝合金中所含有的其他元素的种类、含量没有限制。

E.液相形成所需时间的下限

本发明的接合中，在接合部氧化皮膜被破坏后，液相填充到两个被接合构件之间而实现接合。该液相生成在作为一方的被接合构件的铝合金材料中。为了使液相充分地填充到接合部中，液相为5％以上且35％以下的时间优选为30秒以上。更优选地，如果液相率为5％以上且35％以下的时间为60秒以上，则能够进行更加充分的填充而实现可靠的接合。此外，在本接合中，由于液相仅在与接合部非常接近处进行移动，因此该填充所需时间并不取决于接合部的大小。此外，在作为另一方的被接合构件的铝合金材料中，也可以生成液相，在此的液相率为5％以上且35％以下的时间也优选为30秒以上，更优选为60秒以上。

F.维持形状所需的接合时间的上限

在本发明中，作为产生液相的一方的被接合构件的铝合金材料中的液相率为5％以上且35％以下的时间优选为3600秒以内。如果超过3600秒，则即使液相率为35％以下，也有可能被接合构件产生大的变形。更优选地，如果使液相率为5％以上且35％以下的时间为1800秒以内，则能够可靠地抑制形状变化。此外，在作为另一方的被接合构件的铝合金材料中也生成液相的情况下，在此的固相线温度以上的时间优选为3600秒以内，更优选为1800秒以内。

G.添加元素在铝合金材料中的含量

主添加元素在生成液相的铝合金材料中的含量例如可以在二元体系中根据平衡状态图以如下方式设定。如果将接合温度设为T℃、主添加元素相对于铝的添加量设为X(质量％)、共晶温度设为Te(℃)、主添加元素相对于铝的固溶限设为a(质量％)、在共晶点时的主添加元素的含量设为b(质量％)，则通过在满足下述式(1)的范围内实施接合，能够得到更良好的液相率。

(0.05/a+0.95/b)×(Te-660)×T+660＜X＜(0.35/a+0.65/b)×(Te-660)×T+660(1)

如果X为(0.05/a+0.95/b)×(Te-660)×T+660以下，则会发生所产生的液相量并不充分的情况，在这种情况下接合变得困难。另一方面，如果X为(0.35/a+0.65/b)×(Te-660)×T+660以上，则会发生所产生的液相量过多的情况，在这种情况下会引起接合后的大的形状变化。因此，添加元素的添加量X优选满足式(1)。

H.特别适于本发明的合金

作为一方的被接合构件的铝合金材料，可以使用含有Si元素作为必需成分的Al-Si合金、Al-Si-Mg合金。在这样的铝合金中，优选使用Si的含量X(质量％)为0.6～3.5质量％的材料。在小于0.6质量％的情况下，液相率成为5％～35％的温度范围变窄，有时难以实现稳定的接合。另一方面，如果X超过3.5质量％，则在固相线温度＝共晶温度产生的液相量接近35％，从固相线温度到液相率35％的温度范围变窄，而有时难以实现稳定的接合。更优选的Si含量为1.2～3.0质量％。

此外，上述Al-Si合金或者Al-Si-Mg合金可以进一步含有选自Cu：0.05～0.5质量％、Fe：0.05～1.0质量％、Zn：0.2～1.0质量％、Mn：0.1～1.8质量％和Ti：0.01～0.3质量％中的1种或2种以上。

即，优选使用由如下的铝合金构成的铝合金材料：Mg含量被限制为0.7质量％以下或者0.2质量％以上且2.0质量％以下，含有Si：0.6～3.5质量％作为必需元素，进一步含有选自Cu：0.05～0.5质量％，Fe：0.05～1.0质量％，Zn：0.2～1.0质量％，Mn：0.1～1.8质量％和Ti：0.01～0.3质量％中的1种或2种以上作为选择性添加元素，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成。

在将由这样的Al-Si合金或者Al-Si-Mg合金构成的铝合金材料作为一方的被接合构件与另一方的接合构件接合的情况下，优选控制成接合时的一方的被接合构件的温度T为660-39.5X≤T≤660-15.7X、且T≥577。由此能够实现更良好的接合。

作为一方的被接合构件的铝合金材料，也可以使用含有Cu元素作为必需成分的Al-Cu合金、Al-Cu-Mg合金。在这样的铝合金中，优选使用Cu的含量Y(质量％)为0.7～15.0质量％的材料。在小于0.7质量％的情况下，液相率成为5％～35％的温度范围变窄，有时难以实现稳定的接合。另一方面，如果Y超过15.0质量％，则在固相线温度＝共晶温度产生的液相量接近35％，从固相线温度到液相率35％的温度范围变窄，而有时难以实现稳定的接合。更优选的Cu含量为1.5～12.0质量％。

此外，上述Al-Cu合金或者Al-Cu-Mg合金可以进一步含有选自Si：0.05～0.8质量％、Fe：0.05～1.0质量％、Zn：0.2～1.0质量％、Mn：0.1～1.8质量％和Ti：0.01～0.3质量％中的1种或2种以上。

即，还优选使用由如下的铝合金构成的铝合金材料：Mg含量被限制为0.7质量％以下或者0.2质量％以上且2.0质量％以下，含有Cu：0.7～15.0质量％作为必需元素，进一步含有选自Si：0.05～0.8质量％、Fe：0.05～1.0质量％、Zn：0.2～1.0质量％、Mn：0.1～1.8质量％和Ti：0.01～0.3质量％中的1种或2种以上作为选择性添加元素，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成。

在将由这样的Al-Cu合金或者Al-Cu-Mg合金构成的铝合金材料作为一方的被接合构件与另一方的接合构件接合的情况下，优选控制成接合时的一方的被接合构件的温度T为660-15.6Y≤T≤660-6.9Y、且T≥548。由此，能够实现更良好的接合。

I.接合时对两个被接合构件施加的应力

在本发明的接合中，只要在接合部两个被接合构件相接，则并不一定需要对接合面施加压力。然而，在实际的产品制造过程中，为了将被接合构件彼此固定或者缩小空隙，用夹具等对两个被接合构件施加应力的情况较多。此外，也因自重而在被接合构件内产生应力。此时，在各被接合构件内的各部位产生的应力根据形状和载荷求出。例如，使用结构计算程序等来计算。在本发明中，当将在接合时产生液相的被接合构件的各部位产生的应力之中最大者(最大应力)设为P(kPa)、将作为该被接合构件的铝合金中的液相率设为V时，优选以满足P≤460-12V的方式进行接合。该式的右边所示的值为极限应力，如果超过该极限应力的应力施加到产生液相的被接合构件，则即使液相率为35％以内，也有可能对被接合构件产生大的变形。另外，在由两个被接合构件产生液相的情况下，分别对两个被接合构件，使用各自的应力P、液相率V，计算出P≤460-12V，以两个被接合构件都同时满足上述式的方式进行接合。

J.被接合构件的接合表面上的起伏

在本发明的接合中，由于在一方的被接合构件中的液相生成量为微量，因此需要两个被接合构件在接合部以相接的方式配置。然而，由于材料的翘曲、起伏，而有时在两个被接合构件之间产生微小间隙。特别是，凹凸的波长为25～2500μm的起伏，作为间隙是无法忽略的大小，此外也难以通过夹具的推压等来矫正。

在本发明中，在根据接合前的两个被接合构件的接合面表面的凹凸求出的算术平均波度(arithmeticmeanwaviness)Wa1与Wa2之和满足Wa1+Wa2≤10(μm)的情况下，能够得到更充分的接合。此外，算术平均波度Wa1、Wa2是在JISB0633中规定的，根据以在25～2500μm的波长之间形成凹凸的方式设定截止值的、用激光显微镜、共焦显微镜测定的波度曲线求出。

K.固相线温度与液相线温度之差

在本发明涉及的渗出接合中，优选将生成液相的铝合金材料的固相线温度与液相线温度之差设为10℃以上。如果超过固相线温度，则开始液相的生成，但如果固相线温度与液相线温度之差小，则固体与液体共存的温度范围变窄，难以控制所产生的液相的量。因此，优选将该差设为10℃以上。例如，作为具有满足该条件的组成的二元系合金，可以举出Al-Si系合金、Al-Cu系合金、Al-Mg系合金、Al-Zn系合金、Al-Ni系合金等。为了满足该条件，上述那样的共晶型合金由于具有大的固液共存区域而有利。然而，即使是其他的完全固溶型、包晶型、偏晶型等的合金，只要固相线温度与液相线温度之差为10℃以上，则也能够实现良好的接合。此外，上述的二元系合金可以含有除了主添加元素以外的添加元素，实质上还包括三元系、四元系合金、以及五元以上的多元系合金。例如可以举出Al-Si-Mg系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Zn系、Al-Si-Cu-Mg系等。

此外，固相线温度与液相线温度之差越大，就越容易控制成适当的液相量。因此，对固相线温度与液相线温度之差，不特别设置上限。此外，就生成液相的铝合金而言，更优选液相率成为5％的温度与成为35％的温度之差为10℃以上，进一步优选液相率成为5％的温度与成为35％的温度之差为20℃以上。

L.接合后的晶体粒径

在生成液相的铝合金材料中，优选将在接合温度加热后的基体的晶体粒径设为50μm以上。通常，铝合金由于在高温、低应力下晶粒本身的塑性变形优先，在晶界错位的晶界滑移而变形。

特别是在本发明的接合时那样的固液共存区域中，晶界优先熔融，如果晶体粒径小，则单位体积中的晶界变多，而容易产生晶界滑移所引起的变形。如果固液共存区域中的晶体粒径过小，则因自重而容易产生晶界滑移，有可能在加热中形状变化变大。难以直接测定接合中位于固液共存区域的晶体粒径。于是，对接合中位于固液共存区域的晶体粒径与接合加热后的晶体粒径的关系进行研究。由于难以直接测定接合中位于固液共存区域的晶体粒径，因此测定通过通常的硬钎焊炉的冷却工序(加热后以30℃/分钟冷却至400℃)冷却时的晶体粒径，并将其作为接合中位于固液共存区域的晶体粒径。接着，测定在接合加热温度保持后进行水冷时的晶体粒径，并将其作为接合加热后的晶体粒径。将两者比较的结果是，为几乎相同的晶体粒径。由此表明了接合加热后的晶体粒径与接合中位于固液共存区域的晶体粒径同等。于是，在本发明中，根据加热后的晶体粒径，来评价接合中位于固液共存区域的晶体粒径。在本发明的接合方法中，如果加热后的晶体粒径小于50μm，则有可能变形变大。因此，加热后的晶体粒径的下限优选为50μm。这是因为，在小于50μm时，因自重而容易产生晶界滑移，如果接合时间变长则会发生促进变形的情况。此外，晶体粒径的测定通过按照JISH：501的切断法来测定。

M.接合方法

本发明的接合方法中，在大气气氛中加热被接合构件，通常在大气气氛的炉中加热。在炉中，将被接合构件全体作为加热部分进行加热，从而能够将被接合构件全体均匀地加热，因此能够同时接合多个接合位置。此外，在炉中的加热由于容易调整被接合构件的温度，因此容易控制液相的生成量。在利用氯化物系焊剂破坏氧化皮膜而接合时，气氛中的氧与焊剂的反应所引起的焊剂的劣化少，因此利用焊剂除去氧化皮膜，而能够实现更良好的接合。

作为大气气氛，通过使用将气氛中的水分量减少了的干燥空气，也能够抑制焊剂与气氛中的水分的反应，因此即使少量的焊剂涂布，也能够获得充分的氧化皮膜的破坏作用，而形成更优选的加热气氛。当然，在氮气、氩气等非氧化性气氛中进行接合时，能够适用氯化物系焊剂。然而，为了确保非氧化性气氛，需要提高密闭性的高价的加热炉。此外，在加热中将非氧化性气体持续导入炉内，这使与接合相关的费用增加。因此，在工业上实施本发明的渗出接合方法时，能够在大气中加热并接合是非常有用的。

此外，如果在接合后的铝材料表面上残留氯化物系焊剂，则使铝材料腐蚀，使接合构件的耐腐蚀性显著降低，因此充分地除去接合后的焊剂的残渣。特别是，对于在室外环境中使用的接合产品等需要耐腐蚀性的接合产品，需要除去氯化物系焊剂残渣。作为除去方法，与在利用氯化物系焊剂的硬钎焊后实施的除去方法同样。例如，可以举出在浓硝酸中浸渍接合构件的方法。

另一方面，当通过Mg的吸气作用破坏氧化皮膜并在大气气氛的炉内进行接合时，为了尽可能减少接合面与大气气氛的接触部分，将接合部位设为面接合来提高密合度，从而提高接合性。即使在这种情况下，也优选使用将气氛中的水分量减少了的干燥空气。

在本发明的渗出接合中，也可以适用除了在炉中以外进行加热的方法。在炉中加热时，能够将被接合部全体加热，但在接合产品的接合位置为产品的一部分的情况下，并不是将被接合物全体加热，而对作为加热部分的接合位置进行局部性加热，从而能够提高能量效率。在这样的局部加热中，采用不使用炉的加热方法。例如，可以举出：以接近被接合部的接合部附近的方式配置热源，利用热源的辐射热选择性地加热接合部；在被接合物的接合部附近吹热风，选择性地加热该部分；或者使加热体与接合位置接触，选择性地加热该部分的方法等。

在通过这样的局部性加热而接合的情况下，不将被接合构件全体的液相的质量的比率设为5％以上且35％以下，而仅对通过局部加热方法而选择性地加热的部分，将材料中的液相的质量的比率设为5％以上且35％以下。因此，通过以使接合部分附近的液相的比率成为5％以上且35％以下的方式选择性地调整接合部附近的加热温度，能够以高能量效率制造接合性良好的产品。

此外，在作为局部性加热将接合位置选择性地加热的情况下，优选使用使热容量大的加热体与接合位置接触并加热的方法。通过预先接触保持在高温的加热体，能够将接合位置迅速加热至规定温度。特别是在将板形状的被接合构件彼此面接合时，通过使加热体与组合的两面接触来升温，从而能够以高精度迅速地达到成为本发明的液相比率的温度。

进而，在作为局部性加热将接合位置选择性地加热的情况下，也可以采用焊炬(torch)加热方法。特别是氟化物系焊剂在加热中与气氛中的氧、水分反应而容易劣化。通过在大气中进行焊炬加热，能够在短时间内将接合位置升温至接合温度，因此能够抑制焊剂的劣化。如果使用KAlF₄、CsAlF₄等氟化物系焊剂，则由于接合后的焊剂残渣对铝材料无腐蚀性，因此不需要除去焊剂残渣，能够使工序简化。在焊炬加热中，由于温度的控制困难，因此优选将固相线温度与液相线温度之差尽可能大的铝材料用于被接合构件。

进而，作为适用氯化物系焊剂的方式，也可以是在熔融的焊剂浴中浸渍被接合构件的方法。在这种情况下，浸渍在熔融焊剂浴中的被接合构件表面仅与焊剂接触，不会与气氛气体接触。在这种情况下，只要将氯化物浴设置在大气中即可。

实施例

以下，基于实施例和比较例详细说明本发明。

实施例A(实施例1～30以及比较例31～36)

在调制表1中所示的合金成分的铸块后，通过热轧及冷轧得到厚度为1mm的轧制板。在将该轧制板置于矫平机(leveller)后，在380℃退火2小时，作为轧制板试样。采用这样制作的轧制板试样，使用氯化物系焊剂，利用在大气中的加热进行接合，评价接合率和变形率。

[表1]

(1)接合率评价

从上述轧制板试样切出宽度20mm×长度50mm的两块板，利用铣刀使各自的端面平滑，作为铝合金材料的上板与下板进行组合，制作图6中所示的倒T字型接合试验片。对于试验片的上板和下板，使用了表1中所示的组成的铝合金板。在表2中示出各试验片的上板与下板的组合。上板与下板的铝合金的组成相同，这些例子是相同组成的铝合金材料彼此的接合。在该接合试验片的接合面上，涂布以下述成分的重量比构成的氯化物系焊剂的醇悬浮液。此外，醇悬浮液的成分浓度选择了形成易于涂布的粘性的浓度。

[表2]

NaF：7重量份

NaCl：25重量份

ZnCl₂：8重量份

LiCl：13重量份

KCl：47重量份

在图6中，还示出上板与下板的尺寸。此外，两个被接合构件的表面的算术平均波度Wa1、Wa2在任一个试验片中均为1.0μm以下。此外，成为上板的接合面的端面的算术平均波度Wa在任一个试验片中均为1.0μm以下。

在大气气氛的炉中，将上述的试验片升温至规定的温度，并在该温度(表2中所示的接合温度)保持180秒后，在炉中进行自然冷却。升温速度在520℃以上时设为10℃/分钟。

利用接合加热后的试验片，如下求出接合率。使用超声波探伤装置，测定在接合部中被接合的部分的长度。将倒T字试验片的接合部的全长设为50mm，根据{在接合部中被接合的部分的长度(mm)/50(mm)}×100来计算接合率(％)。将接合率为95％以上判定为◎、90％以上且小于95％判定为○、25％以上且小于90％判定为△、小于25％判定为×。

(2)变形率评价

从上述轧制板试样切出宽度10mm×长度30mm的板，作为变形率测定用试验片。如图7(a)所示，将该试验片以具有突出长度20mm的方式安装设置于下垂试验用夹具(在图中，设置有3块试验片)。根据弯矩M和剖面系数Z，如下求出在下垂试验那样的悬臂梁的形状时的最大应力P(N/m²)。

P＝M/Z＝(W×I²/2)/(bh²/6)＝[(g×ρ×I×b×h/I)×I²/2]/(bh²/6)＝3×g×ρ×I²/h

M：弯矩(N·m)

等分布载荷的悬臂梁时W×I²/2

Z：剖面系数(m³)

剖面形状为长方形时bh²/6

W：等分布载荷(N/m)

g：重力加速度(m/s²)

ρ：铝的密度(kg/m³)

I：突出长度(m)

b：板宽度(m)

h：板厚(m)

另外，最大应力P施加到突出部的根部。在该试验中，施加到试验片的最大应力P通过将数值代入上式来计算，其结果是31kPa。在大气气氛中将该试验片加热至规定温度，在该温度(表2中所示的接合温度)保持180秒后，在炉中进行自然冷却。升温速度在520℃以上时设为10℃/分钟。

利用加热后的试验片，如下求出变形率。如图7(b)所示，测定加热后的试验片的垂下量。使用突出长度(20mm)，根据{垂下量(mm)/20(mm)}×100来计算变形率(％)。将变形率为50％以下判定为◎、超过50％且70％以下判定为○、超过70％且80％以下判定为△、超过80％判定为×。

(综合判定)

根据以上的结果，对于各评价的判定，将◎设定为5分、○设定为3分、△设定为0分、×设定为-5分，附上分数，将合计分为10分判定为◎、6分以上且9分以下判定为○、1分以上且5分以下判定为△、0分以下判定为×，进行综合判定。综合判定为将◎、○、△判定为合格，将×判定为不合格。将接合率、变形率及综合判定的结果与接合条件(温度、平衡液相率的计算值)一起示于表2。

在实施例1～30中，接合加热时的铝合金材料中的液相率为适当的范围，因此实现了良好的接合，综合判定为合格。

在比较例31中，所生成的液相率过低，因此接合率变低，综合判定为不合格。

在比较例32～34、36中，液相率过高，因此变形率变大，综合判定为不合格。

在比较例35中，未生成液相，因此未实现接合，综合判定为不合格。

实施例B(实施例37～46以及比较例47～49)

与实施例A同样地，采用表1中所示的合金的轧制板试样，不使用焊剂，在大气中进行利用加热的接合，评价接合率和变形率。

(1)接合率评价

从上述轧制板试样切出20×20mm和10×10mm的两块板，制作图8中所示的接合率评价试验片。在表3中示出各试验片的上板与下板的组合。上板与下板的铝合金的组成相同，将上板与下板在不涂布焊剂的情况下重叠，利用弹簧施加100kPa的压力而固定，作为接合率评价样品。

[表3]

在大气气氛的炉中将上述的试验片升温至规定的温度，在该温度(表3中所示的接合温度)保持180秒后，在炉中进行自然冷却。升温速度在520°C以上时设为10℃/分钟。

利用接合加热后的试验片，使用超声波探伤装置，测定被接合的部分的面积。求出接合的部位的面积相对于重叠的面积10×10mm的比率，作为接合率(％)。将接合率为95％以上判定为◎、90％以上且小于95％判定为○、25％以上且小于90％判定为△、小于25％判定为×。

(2)变形率评价

与实施例A同样地操作，求出试验片的变形率。判定基准也与实施例A同样。

进而，与实施例A同样地操作，进行综合判定。将接合率、变形率及综合判定的结果与接合条件(接合温度、平衡液相率的计算值)一起示于表3。

在实施例37～46中，接合加热时的铝合金材料中的液相率为适当的范围，因此实现良好的接合，综合判定为合格。

在比较例47～49中，液相率过高，因此变形率变大，综合判定为不合格。

实施例C(实施例50～57以及比较例58～60)

使用氟化物系焊剂，评价在大气中利用局部加热的接合率和变形率。

(1)接合率评价

通过挤出，制作2根表1中所示的合金成分的管材(外径10mm、厚度1mm)。将各管材切断成长度200mm后，对一方的管材的端部进行扩管。在该扩管部的内面涂布以下述成分的重量比构成的氟化物系焊剂的醇悬浮液。

KAlF₄：80重量份

K₃AlF₆：20重量份

如图9所示，向一方的管材的扩管部插入另一方的管材的端部，将两个管材组装并用未图示的夹具来固定。接着，如图10所示，在一方及另一方的两个管材的接合部的周围配置加热用电加热器，在大气中加热至规定的温度。加热时，在接合部中配置热电偶，一边监视接合部的温度一边加热。升温速度在500℃以上时为平均50℃/分钟，在规定的温度保持60秒后，进行自然冷却。

对于加热后的试验片，将接合部切成圆片，观察剖面，将被接合的部分的圆周长度的比率作为接合率进行测定。将接合率为95％以上判定为◎、90％以上且小于95％判定为○、25％以上且小于90％判定为△、小于25％判定为×。

(2)变形程度的评价

对供于上述的接合率评价的加热后的试验片，通过目视观察外观，评价变形程度。将一方的管材和另一方的管材全都几乎无变形的情况判定为◎，由变形引起的错位明显大的情况、管材熔化而无法保持接合部的形状的情况判定为×。

进而，与实施例A同样地操作，进行综合判定。将接合率、变形程度及综合判定的结果与接合条件(接合温度、平衡液相率的计算值)一起示于表4。

[表4]

在实施例50～57中，接合加热时的铝合金材料中的液相率为适当的范围，因此实现良好的接合，综合判定为合格。

在比较例58中，所生成的液相率过低，因此接合率变低，综合判定为不合格。

在比较例59、60中，液相率过高，因此变形程度变大，综合判定为不合格。

产业可利用性

根据本发明，能够实现具有良好的接合性且几乎不存在因接合而造成的变形的、可靠性高的铝合金材料的接合方法，其工业价值大。

符号说明

c：Si浓度

c1：Si浓度

c2：Si浓度

T：温度

T1：超过Te的温度

T2：比T1更高的温度

T3：超过Ts2的温度

Te：固相线温度

Ts2：固相线温度

Claims

1.一种铝合金材料的接合方法，其特征在于，为以铝合金材料为一方的被接合构件、以铝合金材料和纯铝材料中的任一种为另一方的被接合构件，将所述一方的被接合构件与另一方的被接合构件加热而接合的方法，在相对于作为所述一方的被接合构件的铝合金材料的加热部分的全部质量该铝合金材料内生成的液相的质量之比成为5％以上且35％以下的温度，在大气中进行接合。

2.根据权利要求1所述的铝合金材料的接合方法，其在被接合构件间涂布有焊剂的状态下进行接合。

3.根据权利要求2所述的铝合金材料的接合方法，所述焊剂为氯化物系焊剂。