JP2006170859A - 金属接合体の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一方が三次元網目構造を有する金属多孔質体とされるとともに、他方が金属体とされた金属接合体の接合状態を検査する。
【解決手段】 一方が三次元網目構造を有する金属多孔質体２とされるとともに、他方が金属体３とされた金属接合体１の前記他方側から加熱、若しくは冷却したときにおける、金属多孔質体２の表面の温度を検出することにより、該金属多孔質体２と金属体３との接合状態を検査する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一方が三次元網目構造を有する金属多孔質体とされるとともに、他方が金属体とされた金属接合体の接合状態を検査する金属接合体の検査方法に関するものである。

この種の金属接合体は、液中で使用される電極や、例えば下記特許文献１に示されるような、燃料電池のセパレータ兼用ガス拡散電極、あるいは水蒸気等を発生させる蒸発促進部材等といった様々な用途に適用されている。近年、このような金属接合体の需要が増大しており、これに伴い金属多孔質体と金属体との接合状態を検査する検査方法の確立が要求されるようになっている。
特開２００４−２７３３５９号公報 社団法人 溶接学会編「溶接・接合便覧」丸善株式会社、平成２年９月３０日

このような検査方法として、例えば前記非特許文献１に示されるような、放射線透過試験や超音波探傷試験を適用することが考えられるが、これらの場合、金属接合体の一方が三次元網目構造を有する金属多孔質体とされているので、該三次元網目も検出されるととなり、前記接合状態を検査することはできない。

一方、前記特許文献１に示されるように、金属接合体を加圧した状態で、金属多孔質体と金属体の電気抵抗を測定することにより、前記接合状態を検査することも考えられるが、やはり金属多孔質体が三次元網目構造を有するため、金属多孔質体の、金属体との接合部分が点若しくは線となり、その接触が安定せず検査精度に限界がある。逆に、金属接合体を加圧した状態で前記電気抵抗を測定するので、金属多孔質体と金属体とが良好に接合されていない状態にあっても、前記加圧により金属多孔質体と金属体とが電気的に接続され、電気抵抗値が所定値より小さくなる、つまり接合不良品が良品と判定されるおそれがある。

本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、一方が三次元網目構造を有する金属多孔質体とされるとともに、他方が金属体とされた金属接合体の接合状態を検査することができる金属接合体の検査方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の金属接合体の検査方法は、一方が三次元網目構造を有する金属多孔質体とされるとともに、他方が金属体とされた金属接合体の前記他方側から加熱、若しくは冷却したときにおける、前記金属多孔質体の表面の温度を検出することにより、該金属多孔質体と前記金属体との接合状態を検査することを特徴とする。

本発明によれば、金属体側から加熱、若しくは冷却したときにおける金属多孔質体の表面の温度を検出することにより、前記接合状態を検査するので、該検査を高精度に実施することが可能になる。すなわち、金属多孔質体と金属体とが接合されていない、あるいは接合面積が小さい接合不良の状態にある場合には、金属多孔質体は、その三次元網目構造に起因して、金属体と点、若しくは線接触することになるが、面接触することはないため、金属体を加熱、若しくは冷却しても、金属多孔質体の温度は変化し難いことになる。したがって、金属多孔質体と金属体との接合の良否を確実に検査することができる。

ここで、金属多孔質体は、その三次元網目構造に起因して、一般に内部を熱が伝達し難い性質を有する。したがって、金属多孔質体の金属体側を例えば加熱した場合において、金属多孔質体の、金属体と接合している部分に伝達された熱を、面方向に伝達することを最小限に抑制しつつ厚さ方向に伝達させることが可能になる。このため、温度を検出する金属多孔質体の表面において、金属体と接合している部分に対応する部分と、接合していない部分に対応する部分とで、その温度に差を生じさせることが可能になる。このような作用は金属体側を冷却する場合も同様に奏されるものである。したがって、金属多孔質体と金属体との接合界面において、接合されている部分と接合されていない部分とがあるような、不均一な接合状態をも検出することが可能になり、前記接合を高精度に検査することができる。

ここで、赤外線サーモグラフィ法により前記金属多孔質体の表面の温度を検出することが望ましい。
この場合、金属多孔質体の表面（接合面と反対側の表面）の温度を非接触で検出することが可能になるので、高効率かつ高精度な検査を実現することができる。

また、前記金属接合体の前記他方側から加熱するに際し、前記金属体と非接触状態でランプ加熱することが望ましい。
この場合、金属体と非接触状態でランプ加熱するので、加熱される金属体の外表面の表面粗さや汚れに依存することなく、該表面を均一に加熱することが可能になり、高精度な検査を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。まず、本発明に係る検査方法の検査対象としての金属接合体について図１を参照して説明する。
この金属接合体１は、一方が三次元網目構造を有する金属多孔質体２とされるとともに、他方が金属体３とされた概略構成とされている。本実施形態では、シート状の金属多孔質体２と、該多孔質体２より厚さの厚い板状の金属体３とが、例えば拡散接合、ろう付け、または圧着等により接合されてなる積層構造とされている。金属多孔質体２および金属体３は、例えば銅、ステンレス鋼、若しくはＮｉ合金により形成され、金属接合体１の使用環境や求められる機能に応じて適宜選定される。金属多孔質体２は、側部に開口する気孔が各方向に連通していることにより通気性、吸水性を有し、軽量で表面積が大きいという特性を有しており、例えば金属粉末焼結体、金属不職布、または後述する製造方法により形成される発泡金属等が適用される。

なお、金属多孔質体２および金属体３を純銅により形成し、かつこれら２、３を拡散接合する場合には、これら２、３を８００℃以上１０５０℃以下とされた還元性雰囲気下に置いて、その厚さ方向にこれらの接合面の全域に亙って０．１ｋＰａ以上１０ｋＰａ以下の圧力が作用するように加圧した状態で、約３０分間保持する。

ここで、金属多孔質体２の一実施形態としての前記発泡金属の製造方法について図２に従い説明する。この金属多孔質体は、各種方法により製造することができるが、本実施形態では、金属粉末を含むスラリーＳを、薄く成形して乾燥させたグリーンシートＧを焼成することにより製造する方法を説明する。
まず、スラリーＳは、金属粉末、有機バインダ（例えばメチルセルロースやヒドロキシプロピルメチルセルロース）、および溶媒（水）を含有する混合物とされ、必要に応じて、該混合物に加熱処理により昇華あるいは気化する発泡剤（例えば炭素数５〜８の非水溶性炭化水素系有機溶剤（例えばネオペンタン、ヘキサン、ヘプタン））や消泡剤（エタノール）等が添加される。

このようなスラリーＳは、グリーンシート製造装置３０のホッパ３１に貯蔵された後に、該ホッパ３１から、ローラ３２によって搬送されるキャリアシート３３上に供給される。キャリアシート３３上のスラリーＳは、移動するキャリアシート３３とドクターブレード３４との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。成形されたスラリーＳは、さらにキャリアシート３３によって搬送され、加熱炉３５を通過する。そして、加熱炉３５中で乾燥されることにより、前記金属粉末が有機バインダによって接合された状態のグリーンシートＧが形成される。

なお、スラリーＳに発泡剤が含まれる場合、キャリアシート３３上に延ばされた状態のスラリーＳを、乾燥前に、高湿度雰囲気下にて加熱処理し、発泡剤を発泡させて発泡スラリーとしてから、乾燥処理を行ってグリーンシートＧを形成する。
このグリーンシートＧは、キャリアシート３３から取り外された後、図示しない真空炉にて脱脂、焼成されることにより、有機バインダが取り除かれ、金属粉末同士が焼結した金属多孔質体２となる。そして、この金属多孔質体２の外表面のうち、キャリアシート３３の上面と当接していた裏面を、金属体３の表面に配置して、前述のようにこれらを接合することにより、金属接合体１が形成される。

次に、金属接合体の検査装置１０の概略構成について説明する。この検査装置１０は、金属接合体１を保持する図示されない保持手段と、該保持手段により保持された金属接合体１において、金属体３の裏面に対向配置された加熱手段１１と、金属多孔質体２の表面に対向配置された温度検出手段１２と、該温度検出手段１２に接続され、予め設定された閾値および温度検出手段１２により得られた検出結果に基づいて、金属体３と金属多孔質体２との接合状態の良否を判定する制御部１３とを備える概略構成とされている。

本実施形態の加熱手段１１は、金属接合体１を金属体３側から、該金属体３と非接触状態で加熱可能とされた加熱ランプとされている。
また、温度検出手段１２は、金属多孔質体２の表面のうち、予め選択された検出領域、例えば約０．３ｍｍ〜０．４ｍｍ四方を１ポイントとした縦６０ポイント×横６０ポイント＝３６００ポイントの範囲において、各ポイントごとでの温度が検出可能された赤外線サーモグラフとされている。なお、１ポイントの大きさや検出領域の大きさは、検査対象としての金属接合体１の寸法等に応じて適宜変更することができる。
さらに、制御部１３は、前記検出領域において、分割された複数の領域毎および全領域での平均温度をそれぞれ算出し、これらの算出値と予め設定された閾値とを対比して、前記接合状態を判定するようになっている。

次に、以上のように構成された検査装置１０により、金属接合体１の接合状態を検査する方法について説明する。
まず、加熱手段１１により金属接合体１における金属体３の裏面側から所定のワット数で所定時間加熱する。この際に、温度検出手段１２により、赤外線サーモグラフィ法によって、金属多孔質体２の表面のうち、前記検出領域における各ポイントごとでの温度を検出し、この検出データを制御部１３に送信する。そして、制御部１３は、前記検出領域において、分割された複数の領域毎および全領域での平均温度を前記検出データに基づいて算出し、この算出値と前記閾値とを対比して、全ての算出値が閾値以上であれば金属接合体１の接合状態が良好であると判定し、算出値が１つでも閾値より小さければ接合状態が不良であると判定する。

以上説明したように本実施形態の金属接合体の検査方法によれば、金属体３側から加熱したときにおける金属多孔質体２の表面の温度を検出することにより、前記接合状態を検査するので、該検査を高精度に実施することが可能になる。すなわち、金属多孔質体２は、その三次元網目構造に起因して、金属多孔質体２と金属体３とが接合されていない、あるいは接合面積が小さい場合には、金属体３と点、若しくは線接触することになるが、面接触することはないため、金属体３を加熱しても、金属多孔質体２の温度は変化し難い。したがって、金属多孔質体２と金属体３との接合の良否を確実に検査することができる。

ここで、金属多孔質体２は、その三次元網目構造に起因して、一般に内部を熱が伝達し難い性質を有する。したがって、金属多孔質体２の金属体３側を加熱した場合において、金属多孔質体２の、金属体３と接合している部分に伝達された熱が、面方向に伝達することを最小限に抑制しつつ厚さ方向に伝達させることが可能になる。このため、温度を検出する金属多孔質体２の表面において、金属体３と接合している部分に対応する部分と、接合していない部分に対応する部分とで、その温度に差を生じさせることが可能になる。したがって、金属多孔質体２と金属体３との接合界面において、接合されている部分と接合されていない部分とがあるような、不均一な接合状態をも検出することが可能になり、前記接合を高精度に検査することができる。

さらに本実施形態では、赤外線サーモグラフィ法により金属多孔質体２の表面の温度を検出するので、金属多孔質体２の表面（接合面と反対側の表面）の温度を非接触で検出することが可能になるので、高効率かつ高精度な検査を実現することができる。
さらにまた、金属接合体１を金属体３側から加熱するに際し、金属体３と非接触状態でランプ加熱するので、加熱される金属体３の裏面の表面粗さや汚れに依存することなく、該表面を均一に加熱することが可能になり、高効率かつ高精度な検査を実現することができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、前記実施形態では、金属接合体１を金属体３側から加熱する方法を示したが、例えば金属体３の裏面に冷媒を接触させることにより冷却する場合にも適用可能である。このような場合においても前記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、前記実施形態の制御部１３では、金属多孔質体２の表面のうち、前記検出領域において、分割された複数の領域毎および全領域での平均温度をそれぞれ算出し、これらの算出値と予め設定された閾値とを対比して、前記接合状態を判定する方法を示したが、前記分割された複数の領域毎、および全領域のいずれか一方の平均温度に基づいて判定するようにしてもよい。さらに、制御部１３において、温度検出手段１２により得られた検出結果から画像処理を施して、該処理結果に基づいて前記接合状態を判定するようにしてもよい。
さらにまた、前記実施形態では、金属多孔質体２がシート状とされ、金属体３が板状とされた金属接合体１を示したが、これら２、３の少なくとも一方が例えば塊状であってもよく、その形状は限定されるものではない。

また、前記実施形態では、加熱手段１１として、金属接合体１を金属体３側から、金属体３と非接触状態で加熱可能とされた加熱ランプを示したが、これに代えて、図３に示すように、金属体３の裏面に接触して加熱する抵抗加熱ヒータ２１（検査装置２０）を採用してもよい。

ここで、図３に示す検査装置２０を用いて、金属多孔質体２と金属体３との接合状態を検査し、前述した作用効果についての検証試験を実施した。
まず、厚さが０．９ｍｍとされたシート状の金属多孔質体２、および厚さが４．０ｍｍとされた板状の金属体３をともに純銅により形成して、これら２、３を拡散接合により接合して金属接合体１を形成した。また、金属多孔質体２は、平均孔径が約１００μｍとされ、気孔率が約９０％とされたものを採用した。このような金属接合体１を４つ製造し、これらのうち２つは、金属多孔質体２と金属体３とを接合するに際し、良品プロセスに対して加圧力を小さくしたり、予め形成しておく金属多孔質体２の厚さ小さくする等して、前記接合状態が不良のものとした。つまり、良品の金属接合体１を２つ、不良品の金属接合体１を２つそれぞれ形成した。

一方、検査装置２０においては、金属多孔質体２の表面と温度検出手段１２の検出レンズとの距離を約２００ｍｍとし、金属多孔質体２の表面の中で、約０．３ｍｍ〜０．４ｍｍ四方を１ポイントとした、縦６０ポイント×横６０ポイント＝３６００ポイントの範囲を検出領域に設定した。また、加熱手段２１の設定温度は６０℃に設定した。さらに、制御部１３は、前記検出領域の全範囲での平均温度を、温度検出手段１２からの検出データに基づいて算出し、この算出値と前記閾値とを対比して閾値以上であれば金属接合体１の接合状態が良好であると判定し、算出値が閾値より小さければ接合状態が不良であると判定するようにした。

結果を図４に示す。この図から明らかなように、良品の金属接合体１においては、金属体３側からの熱が金属多孔質体２の表面に良好に伝達されて、その温度が早期に所定値（図示の例では５０℃）以上となる反面、不良品の金属接合体１においては、金属多孔質体２の表面における温度が、加熱時間が長くても前記所定値に到達し難いことが確認された。また、前記検査した４つの金属接合体１において、金属多孔質体２と金属体３とを分離させようとすると、前記２つの不良品では、金属多孔質体２が金属体３の表面に残存せずにこれら２、３の接合部ごと剥れる一方、良品においては、これら２、３の接合部が剥れず、金属多孔質体２が金属体３の表面に残存するようにしてちぎれることが確認された。
以上により、本発明に係る検査方法により、金属接合体１の接合状態を高効率かつ高精度に検査できることが確認できた。

一方が三次元網目構造を有する金属多孔質体とされるとともに、他方が金属体とされた金属接合体の接合状態を検査することができる。

本発明に係る第１実施形態として示した金属接合体の検査方法を実施するための検査装置の概略図である。 金属多孔質体を製造する方法の一例を示す模式図である。 本発明に係る第２実施形態として示した金属接合体の検査方法を実施するための検査装置の概略図である。 図３に示す検査装置を用いて金属接合体を検査した結果を示す図である。

符号の説明

１ 金属接合体
２ 金属多孔質体
３ 金属体
１０、２０ 金属接合体の検査装置

Claims (3)

1. 一方が三次元網目構造を有する金属多孔質体とされるとともに、他方が金属体とされた金属接合体の前記他方側から加熱、若しくは冷却したときにおける、前記金属多孔質体の表面の温度を検出することにより、該金属多孔質体と前記金属体との接合状態を検査することを特徴とする金属接合体の検査方法。
2. 請求項１記載の金属接合体の検査方法において、
   赤外線サーモグラフィ法により前記金属多孔質体の表面の温度を検出することを特徴とする金属接合体の検査方法。
3. 請求項１または２に記載の金属接合体の検査方法において、
   前記金属接合体の前記他方側から加熱するに際し、前記金属体と非接触状態でランプ加熱することを特徴とする金属接合体の検査方法。
   
   

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