JP2000061625A

JP2000061625A - ハンダ接合方法

Info

Publication number: JP2000061625A
Application number: JP10254628A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kuroda; 明浩黒田; Yoshitaka Yotsuya; 剛毅四谷; Toshio Yamauchi; 利夫山内
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2000-02-29

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波印加のタイミング制御の容易化及び接
合不良の防止を課題とする。【解決手段】二つの部材１１，１２の接合部１３にハ
ンダ１４を介挿して接合を行うハンダ接合方法１０にお
いて、二つの部材１１，１２の接合部１３にハンダ１４
を配設するハンダ配設工程Ｓ１と、この接合部１３とハ
ンダ１４とを所定の温度まで加熱する加熱工程Ｓ２と、
接合部１３を所定温度に維持する保温工程Ｓ３と、を備
え、保温工程Ｓ３中に、複数回の超音波の印加を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハンダ接合方法に
係り、特に、インテークマニホールドやウォーターアウ
トレットパイプ等を構成する鋼管部品やアルミニウム部
品を接合するハンダ接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超音波を利用するハンダ接合方
法としては、特開平５−６９１２０号公報に記載されて
いるものが知られている。かかるハンダ接合方法によれ
ば、二つのアルミニウム部材の接合面の間にハンダを介
挿し、接合方向に加圧すると共に加熱する。そして、所
定のタイミングで一方のアルミニウム部材に超音波を印
加してハンダを溶融させ、これにより二つのアルミニウ
ム部材の接合が行われる。この場合、両接合面間に予め
ハンダが介挿されているため、一回の超音波振動印加に
より十分な接合強度が得られていた。

【０００３】一方、図２に示すように、アルミ部材に形
成された円形溝に鋼管を挿入してハンダによる接合を行
う場合には、まず、リング状のハンダを装着した状態で
円形溝に鋼管を挿入する。挿入後、鋼管と溝の内面との
隙間の上方となったリング状のハンダを溶融させ、かか
る隙間にハンダを供給して接合が行われていた。

【０００４】かかる接合作業時における接合対象物の加
熱による温度変化と、超音波印加のタイミングとの関係
を図８に示す。この図８によれば、まず一定の温度まで
鋼管及びアルミ部材を加熱する。そして、一定温度に達
すると、そのままの温度で保温する。この保温期間中に
超音波の印加が一回行われ、これにより、隙間内へハン
ダを浸透させ且つハンダとアルミニウムとの合金化を図
る。そして、その後，接合対象物は冷却され、接合が完
了する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ハ
ンダ接合方法に合っては、アルミ部材と鋼管の熱伝導率
の違いにより加熱が不均一となり易く、保温期間中にお
ける一回の超音波印加により十分な接合強度を得ること
は困難だった。

【０００６】また、印加のタイミングが早過ぎる場合に
は、加熱が不十分となり、隙間内に流入したハンダがア
ルミニウムと合金化しないで凝固してしまい、十分な接
合強度が得られないという不都合があった。

【０００７】また、超音波の印加時間を長時間に設定
し、印加タイミングの逸脱を防止することも考えられる
が、長時間の超音波の印加は、超音波発進装置に対して
負担が大きく、装置の破損等の発生の可能性を生じるも
のであった。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、適度な接合強度を享受し得るハンダ接合方法
を提供することを、その目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願発明では、二つの部
材の接合部にハンダを介挿して接合を行うハンダ接合方
法において、二つの部材の接合部にハンダを配設するハ
ンダ配設工程と、二つの部材の接合部とハンダとを所定
の温度まで加熱する加熱工程と、接合部を所定温度に維
持する保温工程とを備え、保温工程中に、複数回の超音
波の印加を行う。

【００１０】上述の構成では、例えば、一方の部材に溝
を設け、他方の部材の一端部をその溝に挿入して接合す
る場合に、溝の開口部を上方に向け、当該開口部の真上
にハンダを配設する。そして、かかる接合部とハンダと
所定温度まで加熱し、保温する。そして、この保温期間
中に複数回の超音波印加を行う。これにより、加熱され
て溶融しているハンダといずれか一方或いは双方の部材
との間でキャビテーション作用による合金化が生じる。
そして、しかる後に接合部を冷却してハンダ接合を終了
する。

【００１１】上述した所定の温度は、ハンダの融点〜当
該融点＋１００［゜C］までのいずれかの温度とすること
が望ましい。

【００１２】また、超音波の各印加時間は１〜５秒間と
することが望ましい。特にこのとき、超音波の複数回の
総印加時間を１０秒以下とすることが望ましい。

【００１３】本発明は、上述した各構成によって前述し
た目的を達成しようとするものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図１乃至図
７に基づいて説明する。この実施形態では、二つの部材
である鋼管１１とアルミ部材１２との接合部１３にハン
ダ１４を介挿して接合を行うハンダ接合方法１０を示し
ている。

【００１５】図１に示すように、ハンダ接合方法１０
は、鉄製の鋼管１１とアルミ部材１２の接合部１３にハ
ンダ１４を配設するハンダ配設工程Ｓ１と、この接合部
１３とハンダ１４とを所定の温度まで加熱する加熱工程
Ｓ２と、接合部１３を所定温度に維持する保温工程Ｓ３
とを備えている。

【００１６】以下、これらを詳述する。図２は、鋼管１
１を示し、図３は、アルミ部材１２を示している。ま
た、図４は、これらの接合部１３の断面を示している。
鋼管１１とアルミ部材１２とは、接合部１３近傍がいず
れも筒状に形成されている。アルミ部材１２は、その一
端部に環状の溝１２１が形成されており、この溝１２１
の開口部を上方に向けて配設されると共に、上方から鋼
管１１の一端部が挿入されている。そして、この溝１２
１の内面とこれに対向する鋼管１１の外周面の一部が接
合部１３を構成する。

【００１７】そして、溝１２１の開口部近傍（上方）に
鋼管１１を挿入した状態でリング状のハンダ１４が配設
されている。このハンダ１４の素材は、アルミニウムの
接合に好適な、Zn-Al系，Sn-Zn系，Cd-Sn系，Zn-Cd系の
ハンダが挙げられるが、廃棄時おける環境面，強度，耐
熱性の観点からZn-Al系が最も望ましい。特に、このZn-
Al系のハンダは、95wt%Zn-5wt%Alの組成を持ち、融点が
382［゜C］，引張強度が200MPaであり、耐熱性，強度の
面で優れている。

【００１８】ハンダ配設工程Ｓ１では、上述のように鋼
管１１の一端部にリング状のハンダ１４を装備した状態
で、かかる一端部をアルミ部材１２の溝１２１内に挿入
することによりハンダ１４の配設が行われる。

【００１９】次に、加熱工程Ｓ２について図５に基づい
て説明する。アルミ部材１２は、図４の状態を維持した
まま、超音波発振装置の超音波ホーン１５の先端部に設
けられた治具１６に、ボルトにより固定される。一方、
鋼管１１は、図４の状態を維持したまま、アルミ部材１
２側へ加圧を行う固定具１７に保持される。さらに、鋼
管１１及びアルミ部材１２の接合部１３の周囲には、加
熱用のコイル１８が配設される（図５中では断面で示し
ている）。また、接合部１３の近傍には、図示しない温
度センサが装備され、かかる温度センサの出力に基づい
て加熱が行われる。

【００２０】鋼管１１が固定具１７によりアルミ部材１
２側に加圧された状態で、コイル１８により接合部１３
の加熱が開始される（Ｓ２１）。このとき、加熱の目標
温度（所定温度）は、ハンダ１４の融点Ｔ（382［゜
C］）〜Ｔ＋100［゜C］の間のいずれかの温度であること
が望ましい。これは、二つの接合対象物の内の融点の低
い方，即ちアルミ部材１２の融点が約500［゜C］である
ため、目標温度をこれより低く設定して当該アルミ部材
１２に溶損が生じない範囲で且つハンダ１４を十分に溶
融させるためである。

【００２１】かかる範囲の目標温度（例えば、一例とし
て432［゜C］）が検出されると（Ｓ２２）、コイル１８
の出力が抑えられ、現状温度を維持するだけの出力に切
り換えられる。このとき、ハンダ１４は溶融を開始する
が、接合部１３では酸化膜がその表面に形成されている
ため、ハンダ１４は流動せず、元の形状を維持した状態
に留まっている。

【００２２】上述のように、目標温度が検出されると、
加熱工程Ｓ２から保温工程Ｓ３に移行する。かかる保温
工程Ｓ３は、目標温度が検出されると同時に超音波の印
加が行われる工程Ｓ３１と、その後、一定時間保温が行
われる工程Ｓ３２と、再び超音波の印加が行われる工程
Ｓ３３とから構成される。

【００２３】図６は、接合部１３における温度変化と超
音波出力のタイミングの関係を示している。これにより
上記各工程を詳述すると、工程Ｓ３１では、コイル１８
の出力切り換えと同時に超音波ホーン１５から超音波が
印加される。このとき、接合部１３の表面に形成された
酸化膜が、超音波により破壊され、これによって、融解
したハンダ１４が接合部１３の内部に流れ込み、浸透す
る。

【００２４】そして、工程Ｓ３２では、鋼管１１とアル
ミ部材１２における接合部１３周辺の均熱化を図るため
に、目標温度のまま、一定時間保温される。この保温時
間は、１０〜３０秒の間であり、鋼管１１及びアルミ部
材１２の大きさ等により調整する。

【００２５】工程Ｓ３３では、一定時間の保温後に、再
び、超音波ホーン１５から超音波が印加される。これに
より、溶融しているハンダ１４と接合部１３との間でキ
ャビテーション作用による合金化が生じる。

【００２６】工程Ｓ３１と工程Ｓ３３における超音波の
印加時間は、いずれも１〜５秒の範囲で接合の対象物の
大きさに応じて決定される。また、一回目の印加時間と
二回目の印加時間の和が、１０秒以下となることが望ま
しい。これは、超音波印加を短時間で複数回行う方が、
一度に長時間行う場合よりも超音波発振装置への負担が
小さくなり、超音波ホーン１５等の損耗度合いを低減
し、装置全体の長寿命化を図れるという利点がある。

【００２７】二度目の超音波印加が済むと、コイル１８
の加熱が止められ、保温工程Ｓ３が終了する。そして、
そのまま冷却工程Ｓ４に移行し、接合部１３が冷却され
て、ハンダ１４が固化することにより鋼管１１とアルミ
部材１２とが接合される。その後、アルミ部材１２が治
具１６から外され、鋼管１１は固定具１７から外され、
コイル１８も取り払われることにより接合が終了する。
図７は、接合された鋼管１１及びアルミ部材１２を示し
ている。

【００２８】本実施形態では、保温工程において、二回
の超音波印加を接合部に行うことにより、ハンダ１４の
接合部１３への充填の役割と、キャビテーション作用に
よりハンダ１４と接合部との合金化促進の役割とを分担
する。したがって、超音波印加のタイミングの逸脱によ
る接合不良を有効に回避することができる。

【００２９】また、同様にして、ハンダの充填を行うた
めの初回の超音波印加により充填されたハンダ１４を介
して鋼管１１とアルミ部材１２との間の均熱化を図るこ
とができ、次回の超音波印加による合金化を効果的に行
うことができ、接合強度の向上を図ることが可能であ
る。また、均熱化を効率的に行うことができるため、保
温時間の短縮を図ることも可能となり、作業性の向上及
びサイクルタイム短縮によるコストダウンを図ることも
可能となる。

【００３０】また、このように充填と合金化とを個別の
超音波印加により行うことは、接合部が溝とこれに挿入
されるものとから構成される場合のような、狭い領域内
の接合に有効であるといえる。

【００３１】なお、超音波の印加回数は二回に限定され
ず、より多い回数行っても良い。また、ハンダの材質及
びハンダ接合の対象物の材質については、上述のものに
限定されない。ハンダ接合の対象物の材質がハンダの材
質と合金化する組み合わせであれば、他の材質であって
も、本願発明は、十分にその効果を発揮する。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、保温工程におい
て、複数回の超音波印加を接合部に行うため、ハンダの
接合部への充填の役割と、キャビテーション作用により
ハンダと接合部との合金化促進の役割とが各印加ごとに
分担される。したがって、超音波印加のタイミングの逸
脱による接合不良を有効に回避することができる。

【００３３】また、同様にして、初回の超音波印加によ
り充填されたハンダを介して二つの部材間の均熱化を図
ることができ、次回の超音波印加による合金化を効果的
に行うことができ、接合強度の向上を図ることが可能で
ある。また、均熱化を効率的に行うことができるため、
保温時間の短縮を図ることも可能となり、作業性の向上
及びサイクルタイム短縮によるコストダウンを図ること
も可能となる。

【００３４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明と同様の効果を有すると共に、加熱の目標温度をハン
ダの融点〜融点＋100［゜C］の間に設定しているため、
ハンダの溶融を十分に行うことができると共に、二つの
部材の溶損の発生を抑制し、さらなる接合強度の向上を
図ることが可能である。

【００３５】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の発明と同様の効果を有すると共に、超音波の各印加
時間は、いずれも１〜５秒の範囲で行われる。これは、
超音波印加を短時間で複数回行う方が、一度に長時間行
う場合よりも超音波発振装置への負担が小さくなるため
であり、これにより、超音波ホーン等の損耗度合いを低
減し、超音波発振装置の長寿命化を図ることが可能とな
る。

【００３６】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明と同様の効果を有すると共に、超音波印加の総時間を
１０秒以下とすることにより超音波発振装置への負担が
小さくなり、超音波ホーン等の損耗度合いを低減し、超
音波発振装置のさらなる長寿命化を図ることが可能とな
る。

【００３７】本発明は以上のように構成され機能するの
で、これによると、従来にない優れたハンダ接合方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すフローチャートであ
る。

【図２】接合対象物たる鋼管を示す正面図である。

【図３】接合対象物たるアルミ部材を示す正面図であ
る。

【図４】鋼管とアルミ部材との接合部におけ一部省略し
たる断面図を示している。

【図５】加熱工程における各部の構成を示す説明図であ
る。

【図６】全体の工程における接合部の温度変化と超音波
印加のタイミングとの関連を示す説明図である。

【図７】接合された鋼管及びアルミ部材を示す正面図で
ある。

【図８】従来の接合工程における接合部の温度変化と超
音波印加のタイミングとの関連を示す説明図である。

【符号の説明】

１０ハンダ接合方法１１鋼管（一方の部材）１２アルミ部材（他方の部材）１３接合部１４ハンダＳ１ハンダ配設工程Ｓ２加熱工程Ｓ３保温工程

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二つの部材の接合部にハンダを介挿して
接合を行うハンダ接合方法において、前記二つの部材の接合部にハンダを配設するハンダ配設
工程と、前記二つの部材の接合部とハンダとを所定の温度まで加
熱する加熱工程と、前記接合部を前記所定温度に維持する保温工程と、を備
え、前記保温工程中に、複数回の超音波の印加を行うことを
特徴とするハンダ接合方法。
【請求項２】前記所定の温度を、前記ハンダの融点以
上，当該融点＋１００［゜C］以下とすることを特徴とす
る請求項１記載のハンダ接合方法。
【請求項３】前記超音波の各印加時間を１〜５秒の間
とすることを特徴とする請求項１又は２記載のハンダ接
合方法。
【請求項４】前記超音波の複数回の総印加時間を１０
秒以下とすることを特徴とする請求項３記載のハンダ接
合方法。