JP2001225163A - アルミニウム合金部材の超音波ハンダ付け方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接合部の外部に溶融ハンダが流出することを
防止して接合強度を保持することができるアルミニウム
合金部材の超音波ハンダ付け方法を提供する。 【解決手段】 高さＨが０．３〜２．０ｍｍの突起１５
を形成した振動板９をハンダ浴１０中に浸漬するステッ
プと、該振動板９をハンダ浴１０から引き上げて振動板
９の上に溶融ハンダ１９を残存させるステップと、この
溶融ハンダ１９を振動板９に残存させた状態で、突起１
５にアルミニウム合金部材１の接合面４の中央部４ａを
載置するステップと、上記振動板９に超音波を印加し、
該振動板９の突起１５を介してアルミニウム合金部材１
の接合面４に超音波振動を伝達するステップと、該アル
ミニウム合金部材１，２の接合面同士４，５を突き合わ
せた状態で、両部材１，２に超音波を印加するステップ
とを含んでなるアルミニウム合金部材の超音波ハンダ付
け方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
部材を超音波ハンダ付法により接合する方法に関する。
更に詳しくは、本発明は、複雑な形状のアルミニウム合
金部品を、分割した状態で製造し、これらの各部品同士
を接合して一体化する超音波ハンダ接合技術に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来のアルミニウム合金同士をハンダ付
けする技術には、例えば特開昭６２−２６３６４号公報
に記載されているように、ケース状のアルミニウム合金
部品をハンダ浴中に浸漬し、超音波を印加したのち、そ
れらの接合面同士をろう付けすることにより、接合する
ものがある。この方法では、振動板をハンダ浴中に浸漬
させるため、超音波ホーンから発振した超音波振動は振
動板に伝達される際に弱められてしまう。したがって、
アルミニウム合金部材の鋳肌面のように強固な酸化皮膜
で覆われている部分には、健全なハンダ層を形成するこ
とが困難であった。

【０００３】この酸化皮膜を除去するには、アルミニウ
ム合金部材の鋳肌面に機械加工等を施す方法があるが、
この方法はコストがかかった。また、超音波出力を上げ
て鋳肌面にハンダ層を形成する方法では、図１０に示す
ように、アルミニウム合金鋳物１０１，１０２の接合面
１０３，１０４以外の部分、例えばアルミニウム合金鋳
物１０１，１０２の端部の側面１０６，１０７にもハン
ダが付着してハンダ層１０９，１１０が形成されること
があり、外観上好ましくなかった。これに対して、特開
平１１−５２１６７号公報では、アルミニウム合金部材
の端部をハンダ浴中に浸漬させず、振動板上に薄く残存
した溶融ハンダ液を用いて、接合面のみにハンダ層を形
成する技術を開示している。

【０００４】しかし、この場合には、以下のような問題
点があった。１）図１１に示すような、略蓋状に形成さ
れたアルミニウム合金部材１１１の接合面１１２に超音
波を印加すると、該接合面１１２の表面に形成されてい
る酸化皮膜が破壊され、アルミニウム合金部材１１１の
素材面が全面に亘って侵食される。このため、接合面１
１２の断面は、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸
を有する波形状の面となり、この面に溶融ハンダ１１５
が塗布された状態となっている。これらの２つのアルミ
ニウム合金部材１１１，１２１の接合面同士１１２，１
２２を突き合わせると、図１３（ａ）（ｂ）に示すよう
に、両接合面１１２，１２２の間には空隙１３０が形成
される。この空隙１３０が接合面１１２，１２２の端部
１３１に形成されると、図１３（ｂ）に示すように、接
合時に溶融ハンダ１１５が外部に流出し易くなると共
に、侵食の大きい空隙１３０は、溶融ハンダ１１５によ
って埋め尽くせずに隙間１３３となってしまう場合があ
った。従って、接合面積が小さくなり、接合強度の低下
を招くおそれがあった。２）また、接合部の肉厚が薄い
場合は、侵食の大きい部位が貫通穴となって、圧漏れ不
良等を引き起こすおそれがあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題を
解決し、接合部の外部に溶融ハンダが流出することを防
止して接合強度の低下を抑制することができるアルミニ
ウム合金部材の超音波ハンダ付け方法を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアルミニウ
ム合金部材の超音波ハンダ付け方法は、上記目的を達成
するため、その上面に突起を形成した振動板をハンダ浴
中に浸漬するステップと、該振動板をハンダ浴から引き
上げて振動板の上に溶融ハンダを残存させるステップ
と、この溶融ハンダを振動板に残存させた状態で、突起
にアルミニウム合金部材の接合面を載置するステップ
と、上記振動板に超音波を印加し、該振動板の突起を介
してアルミニウム合金部材の接合面に超音波振動を伝達
するステップと、該アルミニウム合金部材の接合面同士
を突き合わせた状態で、両部材に超音波を印加するステ
ップとを含んでいる。上記超音波ハンダ付け方法によれ
ば、アルミニウム合金部材の接合面のうち、突起に載置
された部位は超音波による侵食のために大きな凹みが形
成され、突起に載置されない部位はあまり侵食されな
い。従って、この接合面同士を突き合わせると、大きく
侵食された部位同士によって空隙が形成され、該空隙に
溶融ハンダを溜めることができる。また、侵食が小さい
部位同士によって空隙が塞がれるため、外部に溶融ハン
ダが流出することを防止することができる。よって、突
起に載置する接合面の部位は、該接合面の端部以外、例
えば中央部であることが必要である。端部に空隙を形成
すると、接合面同士を突き合わせた場合に、端部から溶
融ハンダが流出してしまうからである。なお、これによ
り、複雑な形状のアルミニウム合金部材を分割して別々
に製造したのち、これらの複数のアルミニウム合金部材
同士を接合して一体化することによって、生産性を高め
ると共に、部材同士の接合強度を向上させることができ
る。

【０００７】また、本発明に係る超音波ハンダ付け方法
の一態様では、上記突起を、その高さが０．３〜２．０
ｍｍの断面略矩形状に形成している。さらに、本発明に
超音波ハンダ付け方法の別の態様では高さが０．３〜
２．０ｍｍで断面略矩形状の突起を形成した振動板をハ
ンダ浴中に浸漬するステップと、該振動板をハンダ浴か
ら引き上げて振動板の上に溶融ハンダを残存させるステ
ップと、この溶融ハンダを振動板に残存させた状態で、
突起にアルミニウム合金部材の接合面を載置するステッ
プと、発振周波数が１８〜２２ｋＨｚ、発振器出力が１
５０〜１０００Ｗ、印加時間が３〜１０秒の条件下で振
動板に超音波を印加し、該振動板の突起を介してアルミ
ニウム合金部材の接合面に超音波振動を伝達するステッ
プと、該アルミニウム合金部材の接合面同士を突き合わ
せた状態で、両部材に、発振周波数が１８〜２２ｋＨ
ｚ、発振器出力が１５０〜１０００Ｗ、印加時間が３〜
１０秒の条件下で超音波を印加するステップとを含んで
いる。上記超音波ハンダ付け方法によれば、超音波を印
加することによって接合面のうち、突起に載置された部
位、例えば中央部が大きく侵食され、その周辺部はあま
り侵食されることがない。このため、アルミニウム合金
部材の接合面同士を突き合わせると、突起に載置された
部位の空隙が大きく、この空隙に溶融ハンダが溜まり、
突起に載置されない部位の隙間は小さいため、外部に溶
融ハンダが流出することがない。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係るアル
ミニウム合金部材の超音波ハンダ付け方法は、超音波を
伝達する振動板に、接合面に合わせた突起を設け、該突
起にアルミニウム合金部材の接合面を載せた状態で超音
波ハンダ付けを行うことにより、接合部からの溶融ハン
ダの流出を抑え、接合強度の向上を狙ったものである。
即ち、本案は、振動板の突起により積極的に侵食させて
確実にコーティングを行う部位と、侵食を防止して接合
面の精度を保持する部位とを独立させることにより、気
密性や水密性を向上させたものである。

【０００９】まず、本発明の実施の形態に係る超音波ハ
ンダ付け方法に用いる材料及び装置等について説明す
る。 ［被処理材］本実施の形態の超音波ハンダ付け方法で用
いる被処理材としては、アルミニウム合金部材、特にＪ
ＩＳに規定されたアルミニウム及びその合金等である展
伸材や鋳物材などが適しており、例えば、ＡＤＣ１２
材、Ａ６０６１、Ａ５０５２、ＡＣ４Ｃ等が挙げられ
る。また、その形状は特にこだわらないが、例えば、図
１に示すような、略蓋状に形成された断面略コ字状のア
ルミニウム合金部材１，２の接合面同士４，５を接合す
る場合に適用できる。

【００１０】［ハンダ］本実施の形態の超音波ハンダ付
け方法で用いるハンダとしては、ＪＩＳに規定されてい
るアルミニウム材用ハンダＡＨ−Ｚ９５Ａ（Ｚｎ−５ｗ
ｔ％Ａｌ）や純Ｚｎの他、Ｚｎ−Ｓｎ系、Ｚｎ−Ｃｄ
系、Ｓｎ−Ｐｂ系などが挙げられるが、強度、融点及び
耐食性の点からＺｎ−Ａｌ系の亜鉛ハンダが最も望まし
い。

【００１１】［超音波ハンダ付装置］本実施の形態の超
音波ハンダ付け方法で用いる超音波ハンダ付装置６は、
図２（ａ）に示すように、超音波を発生させる超音波振
動子７と、該超音波振動子７で発生した超音波を増幅さ
せる超音波ホーン８と、該超音波ホーン８に取りつけら
れ、断面略ハット状の形状を有する振動板９と、ハンダ
液１０を収納したハンダ液槽１１とを備えている。ま
た、上記振動板９は、１枚の平滑な平板の中央部を下方
に凹ませて底面１２を形成すると共に、その端部１３を
超音波ホーン８に取りつけている。該振動板９の材質
は、特に限定されないが、オーステナイト系ステンレス
やセラミックス等が好ましい。

【００１２】この振動板９の底面１２の拡大断面図を図
２（ｂ）に示す。底面１２の上面側には、断面略矩形状
の突起１５が上方に凸に形成されている。該突起１５に
よって、アルミニウム合金部材１の接合面４の中央部に
のみ強力な超音波を印加することができる。突起１５
は、振動板９に一体成形しても良く、別体に作製したの
ち、振動板９に溶接やボルト締めなどの慣用な結合手段
によって取り付けても良い。被処理材の接合面４の大き
さや形状等を考慮して、その幅、高さ、長さを決めるこ
とが好ましい。例えば、被処理材の肉厚が５ｍｍの場
合、突起１５の高さＨは０．３〜２．０ｍｍ、幅は１〜
３ｍｍが好ましい。

【００１３】次に、上記超音波ハンダ付装置６による作
用について説明する。まず、超音波振動子７を作動させ
て発生させた超音波振動が超音波ホーン８によって振幅
が増大して振動板９に伝達される。被処理材であるアル
ミニウム合金部材は、後述する図４（ａ）（ｂ）に示す
ように、振動板９の底面１２に形成された突起１５の上
に載置されているため、上記接合面４の中央部４ａには
突起１５による強力な超音波が直接に伝達され、接合面
４の端部４ｂには弱めの超音波が間接的に印加される。
従って、図５に示すように、接合面４の中央部４ａは侵
食が大きく、端部４ｂは侵食が少ないので、中央部４ａ
に湾曲した凹み１７が形成される。

【００１４】次いで、本実施の形態に係る超音波ハンダ
付け方法をその手順ごとに説明する。（１）被処理材の製造工程 まず、図１に示すような、断面略コ字状に形成した２個
のアルミニウム合金部材１，２を作製し、それらの端面
を接合面４，５とする。この接合面４，５は機械加工に
よって平滑な面に形成しても良く、そのままの鋳肌面の
ままでも良い。（２）被処理材の予熱工程 図示しないオーブン等によって、被処理材であるアルミ
ニウム合金部材１，２を３５０〜４００℃に３０分程度
予熱する。

【００１５】（３）振動板の浸漬工程 次いで、図２（ａ）（ｂ）に示すように、超音波ハンダ
付装置６の振動板９をハンダ液１０の中に浸漬して、該
振動板９を予熱する。このハンダ液１０の温度は、ハン
ダの融点＋２０℃〜７０℃程度が好ましい。（４）振動板の引上げ工程 こののち、図３に示すように、浸漬させていた振動板９
をハンダ液１０の中から引き上げ、該振動板９の底面１
２の上に薄く溶融ハンダ１９を残す。該溶融ハンダ１９
の厚さは、０．５ｍｍ〜３ｍｍが好ましい。

【００１６】（５）接合面の超音波処理工程 振動板９の底面１２に残存した溶融ハンダ１９が凝固す
る前に、図４（ａ）に示すように、アルミニウム合金部
材１を該底面１２の突起１５の上に載置する。この状態
で、超音波振動子７を作動させると、振動板９から振動
板９の突起１５を介してアルミニウム合金部材１の接合
面４に超音波が印加される。ここで、図４（ｂ）に示す
ように、振動板９の底面１２には、上述したように突起
１５が設けられているため、アルミニウム合金部材１の
接合面４のうち該突起１５に当接している中央部４ａに
は強力な超音波が直接に印加され、接合面４の端部４ｂ
は弱めの超音波が間接的に印加される。従って、図５に
示すように、アルミニウム合金部材１の接合面４は、中
央部４ａが大きく侵食されて凹み１７が形成され、端部
４ｂはあまり侵食されずに略平面状のままとなる。この
超音波は、例えば、発振周波数は２０ｋＨｚ前後、発振
器出力は１５０〜１０００Ｗ、超音波印加時間は３〜１
０秒間が好ましい。他方のアルミニウム合金部材２につ
いても、同様の手順で、その接合面５に超音波を印加す
る。なお、上記超音波を印加することによって、接合面
４，５に溶融ハンダ１９が付着するが、この溶融ハンダ
１９が冷えて凝固する前に、次の超音波接合工程に移行
することが好ましい。溶融ハンダ１９が凝固すると接合
面４，５にハンダ層が形成され、超音波接合工程におい
て、両部材１，２を加熱する必要があるからである。

【００１７】（６）両部材の超音波接合工程 アルミニウム合金部材１，２の接合面同士４，５を当接
させた状態で、図６に示すように、上方に配設されたア
ルミニウム合金部材１の上部に超音波ホーン２０を載置
し，両部材１，２に圧力を加えながら超音波を印加する
ことによって、両部材１，２を接合する。ここで、図７
に示すように、両接合面同士４，５を突き合わせると、
接合面４，５の端部４ｂ，５ｂの侵食が小さいため、端
部同士４ｂ，５ｂの間に形成される隙間２４が小さく、
溶融ハンダ１９が外部に流出しにくい。また、接合面
４，５の中央部４ａ，５ａに形成された隙間２５は大き
いため、ハンダ溜りとなる。この超音波を印加する条件
については、上述した接合面の超音波処理工程の場合と
同様に、発振周波数は２０ｋＨｚ前後、発振出力は１５
０〜１０００Ｗ、印加時間は３秒間〜１０秒間が好まし
い。

【００１８】なお、アルミニウム合金部材１，２の接合
面４，５に付着した溶融ハンダ１９が凝固して、接合面
４，５にハンダ層３０，３１が形成された場合は、図８
に示すように、両部材１，２の接合部近傍２１をガスバ
ーナーや高周波誘導加熱等の慣用の加熱手段２２を用い
て加熱しながら、両部材１，２を加圧して超音波を印加
することによって、両部材１，２を接合することができ
る。この加熱温度は、ハンダの融点＋２０℃〜７０℃が
好ましく、加熱時間は、ハンダ溶融後に超音波を印加し
たら直ちに終了する時間が好ましい。（７）冷却工程 最後に、接合した両部材１，２を冷却して、図９に示す
ような接合品３３が完了する。

【００１９】次に、本発明を具体的な実施例に基づき説
明する。

【実施例】［実施例１］被処理物として２サイクルのシ
リンダーヘッド（材質：ＡＣ４Ｂ）を用い、該シリンダ
ーヘッドに本発明に係る超音波ハンダ付け方法を適用し
た。シリンダーヘッドの予熱は、３８０℃で３０分間行
い、超音波印加についての条件は、発振周波数を１９ｋ
Ｈｚ、発振器出力を３５０Ｗ、超音波印加時間を５秒と
した。また、圧漏れテストは水没式を適用し、そのエア
ー圧を０．５ＭＰａとした。これらのテスト結果を次の
表に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】以上、本発明の実施の形態につき述べた
が、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではな
く、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能で
ある。例えば、上記振動板９の底面１２に配設した突起
１５は、上述したように略矩形状に限定されず、上方に
凸の形状であれば、断面形状が、略半円状、略楕円状、
略三角状等の形状を採用することができる。また、部材
１，２の材質は、アルミニウム以外でも、プレス、曲
げ、鍛造及び溶接が可能な構造用鋼や構造用配管、例え
ば、ＳＳ４００やＳＰＣ等を用いることができ、例え
ば、アルミニウム合金と構造用鋼とを接合することも可
能である。ただし、この場合は、前処理として構造用鋼
の接合面に銅メッキを施しておく必要がある。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、振動板に突起を設けた
ため、接合面から外部に溶融ハンダが流出することを抑
制することができ、接合不良になりにくい。また、接合
面のうち突起が当たる部位が侵食されてハンダ溜りとな
って、隙間部分へのハンダ補給効果を有するようにな
る。また、２サイクルのシリンダーヘッドのようなアン
ダーカット部を有するアルミニウム合金鋳物に適用する
場合は、該合金鋳物を分割してダイカストを行い、複数
の部品に形成したのち、各部品同士を接合することによ
って、生産性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波ハンダ付け方法に用いるア
ルミニウム合金部材の断面図である。

【図２】本図のうち、（ａ）は本発明に係る超音波ハン
ダ付装置の振動板をハンダ液槽中に浸漬させた状態を示
す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部を拡大した断面図であ
る。

【図３】本発明に係る超音波ハンダ付装置の振動板を引
き上げた状態を示す断面図である。

【図４】本図のうち、（ａ）は本発明に係る超音波ハン
ダ付装置の振動板上にアルミニウム合金部材を載置した
状態を示す断面図、（ｂ）は図４（ａ）のＢ部を拡大し
た断面図である。

【図５】本発明に係る超音波ハンダ付け方法によって処
理を施した接合部の拡大断面図である。

【図６】接合部を加熱せずに、アルミニウム合金部材同
士を超音波接合している状態を示す断面図である。

【図７】図６のＣ部を拡大した断面図である。

【図８】接合部を加熱しながら、アルミニウム合金部材
同士を超音波接合している状態を示す断面図である。

【図９】本発明に係る接合方法によって接合されたアル
ミニウム合金部材の接合完了品を示す断面図である。

【図１０】従来の超音波ハンダ付け方法において、その
接合部にハンダ層を形成したアルミニウム合金部材の断
面図である。

【図１１】従来の超音波ハンダ付け方法を施す被処理材
の斜視図である。

【図１２】本図は、図１１に示す被処理材の接合面に従
来の超音波ハンダ付けを施した断面図であり、このう
ち、（ａ）は図１１のＤ−Ｄ線による断面図に相当し、
（ｂ）は図１１のＥ−Ｅ線による断面図に相当する。

【図１３】本図は、図１２に示す被処理材の接合面同士
を接合したアルミニウム合金部材の接合完了品を示す断
面図であり、このうち、（ａ）は図１１のＤ−Ｄ線によ
る断面図に相当し、（ｂ）は図１１のＥ−Ｅ線による断
面図に相当する。

【符号の説明】

１，２ アルミニウム合金部材 ４，５ 接合面 ６ 超音波ハンダ付装置 ７ 超音波振動子 ８，２０ 超音波ホーン ９ 振動板 １０ ハンダ液 １１ ハンダ液槽 １２ 底面 １３ 端部 １５ 突起 １７ 凹み １９ 溶融ハンダ １５ ハンダ層 ２１ 接合部近傍 ２２ 加熱手段 ２４，２５ 隙間 ３０，３１ ハンダ層 ３３ 接合品

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その上面に突起を形成した振動板をハン
   ダ浴中に浸漬するステップと、該振動板をハンダ浴から
   引き上げて振動板の上に溶融ハンダを残存させるステッ
   プと、この溶融ハンダを振動板に残存させた状態で、突
   起にアルミニウム合金部材の接合面を載置するステップ
   と、上記振動板に超音波を印加し、該振動板の突起を介
   してアルミニウム合金部材の接合面に超音波振動を伝達
   するステップと、該アルミニウム合金部材の接合面同士
   を突き合わせた状態で、両部材に超音波を印加するステ
   ップとを含んでなるアルミニウム合金部材の超音波ハン
   ダ付け方法。
2. 【請求項２】 上記突起を、その高さが０．３〜２．０
   ｍｍの断面略矩形状に形成したことを特徴とする請求項
   １に記載のアルミニウム合金部材の超音波ハンダ付け方
   法。
3. 【請求項３】 高さが０．３〜２．０ｍｍで断面略矩形
   状の突起を形成した振動板をハンダ浴中に浸漬するステ
   ップと、該振動板をハンダ浴から引き上げて振動板の上
   に溶融ハンダを残存させるステップと、この溶融ハンダ
   を振動板に残存させた状態で、突起にアルミニウム合金
   部材の接合面を載置するステップと、発振周波数が１８
   〜２２ｋＨｚ、発振器出力が１５０〜１０００Ｗ、印加
   時間が３〜１０秒の条件下で振動板に超音波を印加し、
   該振動板の突起を介してアルミニウム合金部材の接合面
   に超音波振動を伝達するステップと、該アルミニウム合
   金部材の接合面同士を突き合わせた状態で、両部材に、
   発振周波数が１８〜２２ｋＨｚ、発振器出力が１５０〜
   １０００Ｗ、印加時間が３〜１０秒の条件下で超音波を
   印加するステップとを含んでなるアルミニウム合金部材
   の超音波ハンダ付け方法。