JP2011206784A - 接合治具及び接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部材の塑性変形量を抑制し、高強度の拡散接合ができる接合治具が得られるものとする。
【解決手段】接合時の溶着を防ぐために接合部材５をスペーサ７で挟み、重ね合わせた面に垂直に押圧力を加えて重ね合わせた面を密着させる第１の段階、重ね合わせた面における拡散を進行させる第２の段階により拡散接合をする接合治具で、スペーサ７で挟まれた接合部材５を重ね合わせた面を水平にして載置する基礎１、基礎１に立設した支柱３、支柱３に支持・固定された固定板２、スペーサ７の上面から固定板２の下面の間に配置された錘１１及びばね８、ばね８のばね受け板１０、ばね受け板１０を上下させてばね８の押圧力を調整するための調整ネジ４を備え、第１の段階では錘１１及びばね８の合計の押圧力が加えられ、第２の段階では錘１１の押圧力が加えられるものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、拡散接合において加圧力が制御可能な加圧装置を有する接合治具及び接合方法に関するものである。

従来、拡散接合に用いる接合治具として、接合部材を重ね合わせて接合時の溶着を防ぐための当て板で挟み、当て板で挟んだロットを積み重ね、上下にスペーサを配し、スペーサを介して接合部材の重ね合わせ面に押圧力を加えるものがある。この接合治具では、上のスペーサ上にばね受け板を配し、ばね受け板の上部に耐熱ばねを配し、耐熱ばねの上に押し板を配し、ボルトを基礎を通って押し板を貫通させ、押し板の上部からナットを締めることによって圧縮する。そして、耐熱ばねの圧縮量を調節することによって、再現性のある安定した加圧を実現している（例えば、特許文献１参照）。

特許第２５４０７７５号公報（第３頁、図１）

アルミニウム等の拡散接合において、高強度の拡散接合を得るには、拡散接合の初期において接合面を十分に密着させ、その後、密着させた接合面に隙間ができないように保持する必要がある。

また、拡散接合の初期において重ね合わせ面を十分に密着させる第１の段階では、重ね合わせ面を変形させるだけの高い押圧力が必要となる。重ね合わせ面が密着した後の拡散が進行する第２の段階では、接合部材が不均一に加熱されることによる熱変形等が原因となり、重ね合わせ面に空隙ができる可能性があるため押圧力を一定に保持する必要があるが、拡散接合の初期に接合部材に与えた押圧力ほど高いものは必要とならない。

上記特許文献１のような従来の接合治具では、押圧力は接合部材の重ね合わせ面の面積、ばねのたわみ量及びばね定数によって決定される。そのため、例えば、アルミニウムを接合部材として用いる場合、アルミニウムは融点に近い温度で拡散接合する金属であるため、押圧により塑性変形してばねの圧縮量が減少する。拡散接合の初期において重ね合わせ面を十分に密着させるためには高い押圧力が必要となるため、ばねのばね定数および圧縮量を大きく設定する必要があるが、ばね定数を高く設定した場合、接合部材の塑性変形にともないばねの圧縮がすぐに開放されて加圧力が作用しないため、重ね合わせ面の密着状態を保持することができなくなり高強度の拡散接合が得られない。また、ばねの圧縮量を大きく設定した場合、拡散接合の初期の高い加圧力が拡散接合のプロセス全体で保持されるため、接合部材の塑性変形量が大きくなってしまう。

この発明は、重ね合わせ面を十分に密着させる第１の段階では重ね合わせ面を十分に密着させる高い押圧力を加え、拡散が進行する第２の段階では重ね合わせ面の密着状態を維持する程度の押圧力を加えるようにして、接合部材の塑性変形量を抑制し、かつ、高強度の拡散接合が得られる接合治具及び接合方法を得ることを目的とする。

この発明に係る接合治具は、重ね合わせた接合部材を接合時の溶着を防ぐためのスペーサで挟み、重ね合わせた面に垂直に押圧力を加えて上記重ね合わせた面を密着させる第１の段階と、上記重ね合わせた面における加熱による拡散を進行させる第２の段階とにより拡散接合を実施する接合治具であり、
水平面を有し該水平面上に上記スペーサで挟まれた接合部材を上記重ね合わせた面を水平にして載置する基礎、
上記基礎の水平面に立設した支持部材、
上記支持部材の上部に支持・固定された固定板、
上記基礎の水平面上に載置された上記接合部材を挟んだスペーサの上面から上記固定板の下面いたる間の上下方向に直列に配置された第１の押圧手段及び第２の押圧手段と、上記第２の押圧手段の押圧力を調整する調整部とを含む構成要素を備え、
上記第１の段階では上記第１の押圧手段の押圧力と上記第２手段の押圧力とを合わせた押圧力が加えられ、上記第２の段階では上記第１の押圧手段だけの押圧力が加えられるものである。

この発明に係る接合方法は、重ね合わせた接合部材を接合時の溶着を防ぐためのスペーサで挟み、重ね合わせた面に垂直に押圧力を加えて加熱により拡散接合を実施する接合方法であり、
上記接合部材の一方または両方を、重ね合わせた面に突起部を有する形状に形成しておき、上記スペーサで挟み、
水平面を有する基礎の水平面上に、上記重ね合わせ面を水平にして上記スペーサで挟んだ接合部材を載置し、
上記基礎の水平面上に載置した上記接合部材のスペーサの上に錘を設置して該スペーサを介して接合部材の重ね合わせ面に押圧力を加え、上記突起部の上記重ね合わせ面が時間経過とともに広がることにより、上記時間経過とともに上記接合部材における単位面積あたりの押圧力が減少するようにしたものである。

本発明に係る接合治具によれば、重ね合わせた接合部材を接合時の溶着を防ぐためのスペーサで挟み、重ね合わせた面に垂直に押圧力を加えて上記重ね合わせた面を密着させる第１の段階と、上記重ね合わせた面における加熱による拡散を進行させる第２の段階とにより拡散接合を実施する接合治具であり、
水平面を有し該水平面上に上記スペーサで挟まれた接合部材を上記重ね合わせた面を水平にして載置する基礎、
上記基礎の水平面に立設した支持部材、
上記支持部材の上部に支持・固定された固定板、
上記基礎の水平面上に載置された上記接合部材を挟んだスペーサの上面から上記固定板の下面いたる間の上下方向に直列に配置された第１の押圧手段及び第２の押圧手段と、上記第２の押圧手段の押圧力を調整する調整部とを含む構成要素を備え、
上記第１の段階では上記第１の押圧手段の押圧力と上記第２手段の押圧力とを合わせた押圧力が加えられ、上記第２の段階では上記第１の押圧手段だけの押圧力が加えられるものであるので、接合部材の塑性変形量を抑制し、かつ、高強度の拡散接合ができる接合治具が得られる。

この発明に係る接合方法によれば、重ね合わせた接合部材を接合時の溶着を防ぐためのスペーサで挟み、重ね合わせた面に垂直に押圧力を加えて加熱により拡散接合を実施する接合方法であり、
上記接合部材の一方または両方を、重ね合わせた面に突起部を有する形状に形成しておき、上記スペーサで挟み、
水平面を有する基礎の水平面上に、上記重ね合わせ面を水平にして上記スペーサで挟んだ接合部材を載置し、
上記基礎の水平面上に載置した上記接合部材のスペーサの上に錘を設置して該スペーサを介して接合部材の重ね合わせ面に押圧力を加え、上記突起部の上記重ね合わせ面が時間経過とともに広がることにより、上記時間経過とともに上記接合部材における単位面積あたりの押圧力が減少するようにしたものであるので、接合部材の塑性変形量を抑制し、かつ、高強度の拡散接合ができる接合方法が得られる。

本発明に係る接合治具の実施の形態１を示す断面図である。本発明の実施の形態１による拡散接合治具を示す図である。 本発明に係る接合方法の実施の形態２を示す断面図である。 本発明に係る接合方法の実施の形態２を示す断面図である。 本発明に係る接合治具の実施の形態３を示す断面図である。 本発明に係る接合治具の実施の形態３を示す断面図である。

実施の形態１．
本発明の接合治具は、重ね合わせた接合部材を接合時の溶着を防ぐためのスペーサで挟み、重ね合わせた面に垂直に押圧力を加えて上記重ね合わせた面を密着させる第１の段階と、上記重ね合わせた面における加熱による拡散を進行させる第２の段階とにより拡散接合を実施する接合治具である。

図１は、本発明に係る接合治具の実施の形態１を示す断面図である。図１において、重ね合わせた接合部材５は接合時の溶着を防ぐために窒化珪素あるいは黒鉛等からなるスペーサ７で挟まれる。本実施の形態１の接合治具は、水平面を有する基礎１、基礎１の水平面に立設した支柱３等の支持部材、支持部材の上部に支持・固定された固定板２を備え、スペーサ７で挟まれた接合部材５は、重ね合わせ面を水平にして基礎１の水平面に載置される。スペーサ７で挟まれた接合部材５のスペーサ７の上から固定板２の下面にいたる間には、直列に配置されスペーサ７を介して接合部材５の重ね合わせ面に押圧力を加える錘１１（第１の押圧手段）及び耐熱ばね８（第２の押圧手段）と、耐熱ばね８を受けるばね受け板１０及びばね受け板１０を上下させて耐熱ばね８の加圧力を調整する固定板２に取り付けられた調整ネジ４からなる調整部とを含む構成要素を備えている。この構成において、上記第１の段階では錘１１（第１の押圧手段）の押圧力と耐熱ばね８（第２の押圧手段）の押圧力とを合わせた押圧力が加えられ、上記第２の段階では耐熱ばね８（第２の押圧手段）の押圧力が開放され、錘１１（第１の押圧手段）だけの押圧力が加えられる。図１では、スペーサ７の上面と錘１１との間に押し板９が設けられているが押し板９はなくてもよく、また、錘１１と耐熱ばね８の直列配置の配置位置を入れ替えて錘１１を耐熱ばね８の上面と上側のばね受け板１０の下面との間に置くようにしてもよい。

接合部材５及び接合部材５を挟むスペーサ７と、スペーサ７から固定板２の下面にいたる間の構成要素の加熱時における上下方向の膨張長さの合計と、基礎１の水平面から固定板２の下面にいたる間の支持部材の加熱における膨張長さとが等しくなるようにすることによって、耐熱ばね８に与えられたたわみも変化することなく押圧力調整時と同じ押圧力を接合部材５に与えることができる。

本実施の形態１によれば、第１の段階では、ばね受け板１０を上下させて耐熱ばね８の押圧力を調整する調整ネジ４からなる調整部によって調整された耐熱ばね８の押圧力と錘１１の押圧力との合計の押圧力で接合部材５に押圧力を加えることができる。温度上昇から時間が経過すると、高温下での加圧により、接合部材５が塑性流動を起こし接合界面が密着され、その後さらに歪んで行くが、接合部材５が歪むにつれて耐熱ばね８の圧縮量が減少していき、最終的には耐熱ばね８の圧縮量がなくなり、第２の段階では接合部材５への押圧力は、錘１１によるものだけとなる。耐熱ばね８のばね定数及び錘１１の重量を調節することによって、接合部材５への初期の押圧力、最終の押圧力、及び最終の押圧力に達するまでの歪み量を制御することができるので、接合部材５を密着させる第１の段階では十分に大きな押圧力を加え、拡散を進行させる第２の段階では、接合部材５の密着を維持する程度の押圧力とすることにより、接合部材５の塑性変形量を抑制し、かつ、高強度の拡散接合ができる接合治具が得られる。

実施の形態２．
図２、図３は本発明に係る接合方法の実施の形態２を示す断面図であり、図２は加熱前、図３は加熱後の状態を示している。本実施の形態２の接合方法では、上記実施の形態１のように耐熱ばねによる加圧は必ずしも必要としない。なお、図１と同一符号は同一又は相当部分を示している。

図２に示したように、重ね合わせる接合部材５のいずれか一方の接合部材（図２では上側の接合部材５ａ）の形状を断面積の小さい突起部１６ａが形成された形状とし、一方の接合部材５ａの突起部１６ａを他方の接合部材５の重ね合わせ面に重ねてスペーサ６、７で挟む。基礎１の水平面にスペーサ６、７で挟まれた接合部材５及び接合部材５ａを重ね合わせ面を水平にして載置し、スペーサ７の上に錘１１ａを設置してスペーサ７を介して接合部材５、接合部材５ａを加圧する。

このような接合部材５ａと接合部材５とを用いて拡散接合を行うことにより、断面積が小さい突起部１６ａには錘１１ａによって大きな応力が働き、突起部１６ａが集中的に塑性変形し、つぶれて行き、突起部１６ａがつぶれていくにしたがって、重ね合わせ面の密着が進み、図３に示したように、突起部１６ａの接合部材５との重ね合わせ面が広がっていくことによって重ね合わせ面に働く単位面積あたりの押圧力が低減していく段階的加圧法が可能となる。

本実施の形態２の接合方法によれば、このような接合部材を用いて拡散接合を行うことにより、押圧力の発生源が錘１１ａのような荷重を変化させることができないものであっても、接合部材５，５ａの重ね合わせ面を密着させる第１の段階では、単位面積あたりの押圧力を大きくして、十分に密着させ、時間経過に伴い単位面積あたり押圧力を減少させ、拡散を進行させる第２の段階では、密着を維持する程度の単位面積あたり押圧力とすることによって、接合部材の塑性変形量を抑制し、かつ、高強度の拡散接合ができる。

なお、本実施の形態２において、両方の接合部材５の形状を突起１６ａを有する形状としてもよい。

実施の形態３．
図４、図５は本発明に係る接合治具の実施の形態３を示す断面図である。図４は、加熱前を示し、図５は、加熱後を示している。本実施の形態３の接合治具では、上記実施の形態１における耐熱ばねの機能を錘が果たしており、耐熱ばねによる加圧は必ずしも必要としない。なお、図１と同一符号は同一又は相当部分を示している。

本実施の形態３における接合治具は、水平面を有する基礎１、水平面を有する第２の基礎１７ａの水平面上に支持部材１７ａが立設されたトレイ状基礎１７を備えている。スペーサ７に挟まれた接合部材５は、トレイ状基礎１７の水平面に載置される。また、スペーサ７の上には押し板小１８が設置され、さらに、押し板小１８の上にトレイ状基礎１７の支持部材１７ａの上面より所定の長さだけ突出した錘１１ｂが設置され、さらに、錘１１ｂ（第１の錘）の上に支持部材１７ａで受け止められる大きさの押し板大１９が設置され、さらに、押し板大１９の上に錘１１ｃ（第２の錘）が設置される。

図４の状態で加熱すると、錘１１ｂと錘１１ｃとの合計の押圧力によって接合部材５が塑性変形し、押し板大１９が下降する。押し板大１９の下降が進行すると、図５に示したように、押し板大１９がトレイ状基礎１７の支持部材１７ａの先端によって受け止められ、その後は、錘１１ｂのみの押圧力によって拡散接合が進行する。

本実施の形態３によれば、押圧力の発生源が錘１１ｂ、１１ｃのような荷重を変化させることができないものであっても、重ね合わせ面を密着させる第１の段階では、単位面積あたりの押圧力を大きくして、十分に密着させ、拡散を進行させる第２の段階では、密着を維持する程度の単位面積あたり押圧力とすることによって、接合部材５の塑性変形量を抑制し、かつ、高強度の拡散接合ができる。

また、図４に示したように、錘１１ｂと接合部材５とトレイ状基礎１７からなる要素を一まとまりとして、この複数の要素（図４では２個の要素）が鉛直方向に直列に重なるように配置されたものが、基礎１の上に設置され、最上部の要素の錘１１ｂの上にある押し板大１９の上には錘１１ｃが設置されることにより、押し板大１９の上から錘１１ｃにより一定の押圧力が与えることにより、すべての接合部材５に錘１１ｃの押圧力が与えられるようにすることができる。また、それぞれの接合部材５について、塑性変形が進むと、図５に示したように、トレイ状基礎１７の支持部材１７ａによって押し板大１９が受け止められるとともに、上部の要素の基礎１７ｂが下部の要素のトレイ状基礎１７の支持部材１７ａによって受け止められ、その後は、各要素において錘１１ｂのみの押圧力によって各接合部材５の接合が進行する。

このように、錘１１ｂと接合部材５とトレイ状基礎１７からなる要素を一まとまりとして複数の要素を鉛直方向に直列に重なるように配置することにより、多数の接合部材５を同時に複数重ねた場合は下部になるほどそれぞれの錘の重量が加算され圧力は高くなるが、想定したひずみ量変形すると１９と１７ａが当接して各接合部ごとの錘１１のみからなる加圧力となるため部材５ごとにひずみが偏るようなことはない。また、接合部材５によって歪み量が偏るようなこともなく、接合部材５の塑性変形量を抑制し、かつ、高強度の拡散接合ができる。

１，１７ｂ，２１ 基礎、２ ねじ固定板、３ 支柱、４ 調整ねじ、
５，５ａ 接合部材、７ スペーサ、８ 耐熱ばね、９ 押し板、１０ ばね受け板、
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 錘、１６ａ 突起、１７ トレイ状基礎、
１７ａ 支持部材、１８ 押し板小、１９ 押し板大。

Claims (6)

1. 重ね合わせた接合部材を接合時の溶着を防ぐためのスペーサで挟み、重ね合わせた面に垂直に押圧力を加えて上記重ね合わせた面を密着させる第１の段階と、上記重ね合わせた面における加熱による拡散を進行させる第２の段階とにより拡散接合を実施する接合治具であり、
   水平面を有し該水平面上に上記スペーサで挟まれた接合部材を上記重ね合わせた面を水平にして載置する基礎、
   上記基礎の水平面に立設した支持部材、
   上記支持部材の上部に支持・固定された固定板、
   上記基礎の水平面上に載置された上記接合部材を挟んだスペーサの上面から上記固定板の下面いたる間の上下方向に直列に配置された第１の押圧手段及び第２の押圧手段と、上記第２の押圧手段の押圧力を調整する調整部とを含む構成要素を備え、
   上記第１の段階では上記第１の押圧手段の押圧力と上記第２手段の押圧力とを合わせた押圧力が加えられ、上記第２の段階では上記第１の押圧手段だけの押圧力が加えられることを特徴とする接合治具。
2. 上記第１の押圧手段が錘からなり、
   上記第２の押圧手段がばねと上記ばねを受けるばね受け板とからなり、
   上記調整部が、上記固定板に取り付けられ、上記ばね受け板を上下させる調整ネジからなることを特徴とする請求項１に記載の接合治具。
3. 上記スペーサ及び上記スペーサで挟まれた接合部材と、上記構成要素との上記加熱による上下方向の膨張長さの合計が、上記基礎の水平面から上記固定板の下面にいたる上記支持部材の上記加熱による膨張長さとが等しくなるようにすることを特徴とする請求項１または２に記載の接合治具。
4. 上記基礎上に載置され、上記スペーサで挟まれた接合部材を上記重ね合わせた面を水平にして載置する水平面を有する第２の基礎及び該第２の基礎の水平面上に立設された支持部材からなり、上記基礎の水平面上に設置されるトレイ状基礎を備え、
   上記第１の押圧手段が、上記トレイ状基礎の支持部材の上面より所定の長さだけ突出するように上記スペーサ上に設置される第１の錘からなり、
   上記第２の押圧手段が、上記第１の錘の上に設置され、上記支持部材で受け止められる大きさの押し板と上記押し板の上に設置される第２の錘からなり、
   上記第２の段階では上記押し板が上記支持部材で受け止められて上記第１の錘だけの押圧力が加えられるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の接合治具。
5. 上記第１の錘と上記スペーサに挟まれた接合部材と上記トレイ状基礎からなる要素を一まとまりとして、上記要素を複数個上下方向に直列に重なるように配置して上記基礎の上に設置し、上記要素のうちの最上部の要素の第１の錘の上に上記押し板が設置され、上記第２の段階で、一の要素の上記第１の基礎が上記一の要素の下部にある要素の上記トレイ状基礎の支持部材に受け止められ、上記第１の錘だけの押圧力が加えられるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の接合治具。
6. 重ね合わせた接合部材を接合時の溶着を防ぐためのスペーサで挟み、重ね合わせた面に垂直に押圧力を加えて加熱により拡散接合を実施する接合方法であり、
   上記接合部材の一方または両方を、重ね合わせた面に突起部を有する形状に形成しておき、上記スペーサで挟み、
   水平面を有する基礎の水平面上に、上記重ね合わせ面を水平にして上記スペーサで挟んだ接合部材を載置し、
   上記基礎の水平面上に載置した上記接合部材のスペーサの上に錘を設置して該スペーサを介して接合部材の重ね合わせ面に押圧力を加え、上記突起部の上記重ね合わせ面が時間経過とともに広がることにより、上記時間経過とともに上記接合部材における単位面積あたりの押圧力が減少するようにしたことを特徴とする接合方法。

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