JP2585653B2 - Ceramic joining method - Google Patents

Ceramic joining method

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JP2585653B2
JP2585653B2 JP62307231A JP30723187A JP2585653B2 JP 2585653 B2 JP2585653 B2 JP 2585653B2 JP 62307231 A JP62307231 A JP 62307231A JP 30723187 A JP30723187 A JP 30723187A JP 2585653 B2 JP2585653 B2 JP 2585653B2
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irradiation
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 【発明の目的】[Object of the invention]

(産業上の利用分野) 本発明は、レーザービームを熱源として、セラミック
スとセラミックス,サーメットもしくは金属とを突き合
わせた状態でろう材を介して接合するのに利用されるセ
ラミックスの接合方法に関するものである。 (従来の技術) 従来の技術では、セラミックスとセラミックス,サー
メットもしくは金属とを突き合わせて接合する方法とし
て、 第4図(a)に示すように、接合材42,43の被接合端
面42a,43aを突き合わせて、被接合部47に沿って高エネ
ルギー密度のビーム48、例えばレーザービームや電子ビ
ームなどを照射して、接合材42,43の被接合部47を加熱
することにより溶融または拡散させ、第4図(b)に示
すように、前記接合材42,43の双方で溶け込んだ部分あ
るいは拡散した部分45を形成したのち凝固させることに
より接合する方法や、 第5図(a)に示すように、被接合端面52a,53aで突
き合わせた接合材52,53の被接合部57の接合線方向に沿
ってろう材54を配設し、前記ろう材54に高エネルギー密
度のビーム58、例えばレーザービームや電子ビームなど
を照射して、前記ろう材54と前記被接合部57をともに加
熱・溶融させて、第5図(b)に示すように、前記ろう
材54を配設した側の前記接合材52,53の表面と前記ろう
材54とを溶着させて、双方が溶け込んだ部分(あるいは
拡散した部分)55を形成することにより接合する方法
や、 第6図(a)に示すように、被接合端面62a,63aで突
き合わせた接合材62,63の被接合部67の接合線に沿って
ろう材64を配設し、第6図(b)に示すように、前記ろ
う材64にレーザービーム68を照射して当該ろう材64を加
熱・溶融することにより当該ろう材64の表面張力で球状
化した後、第6図(c)に示すように、前記被接合部67
の隙間69に前記溶融して球状化したろう材64を浸透させ
て前記隙間69に充填した後、前記レーザービーム68の照
射を停止し、第6図(d)に示すように、前記ろう材64
を前記隙間69内で凝固させて接合する方法や、 突き合わせた接合材の両被接合端面間に当該被接合端
面の形状に合わせてろう材を介在させ、前記接合材の突
き合わせ方向に適度の圧力を加えて、前記被接合端面に
前記ろう材が密着するように当該ろう材を前記被接合端
面間に固定した後、電気炉,高周波炉,ガス炎,アーク
放電もしくは赤外線放射などを用いて前記ろう材と前記
接合材の全体、もしくは前記ろう材または前記ろう材と
前記接合材の一部を加熱し、前記ろう材を溶融させて、
溶融したろう材の固化により前記接合材を接合する方法
や、 接合材の被接合端面を平滑な面に形成したうえで、当
該被接合端面を突き合わせ、超音波振動により前記被接
合端面を擦り合わせて摩擦熱を発生させ、その発熱によ
り前記被接合端面を加熱溶融あるいは拡散させて接合す
る方法、 などが考案され、そして実施されたりしている。 (発明が解決しようとする問題点) セラミックスとセラミックス,サーメットもしくは金
属とを接合する従来の方法では、接合材の被接合端面を
突き合わせた状態で、被接合部に直接高エネルギー密度
のビーム、例えばレーザービームを照射した場合に、接
合材の被接合端面同士が接合され難かったり、スプラッ
シュが発生したりあるいは接合部に窪みを生じたりする
という問題点があった。また、被接合部の表面の接合線
に沿ってろう材を配設して前記ろう材と前記被接合部表
面とを加熱して接合した場合では、接合面積が狭いため
接合強度が十分に得られないという問題点があった。さ
らに、電気炉,高周波炉,ガス炎,アーク放電もしくは
赤外線放射などの加熱手段を用いる方法では、接合材の
耐熱強度を超える融点を有するろう材を用い難いため、
高温において十分な接合強度を得ることができないとい
う問題点を有し、接合材の熱損傷を考慮すると高温状態
での接合が難しいので、比較的低い温度状態で接合を行
うこととなり、接合材とろう材の反応速度が遅くなっ
て、接合に長い時間を要するので、量産に適さないとい
う問題点があった。さらにまた、突き合わせた接合材の
被接合端面間にろう材を挟んだ状態にして、前記ろう材
および被接合部を加熱することにより接合する方法で
は、十分な接合強度を得ることができないという問題点
があった。さらにまた、超音波振動を用いた接合では、
複雑な形状を有する接合面の接合が不可能であるという
問題点を有していた。 (発明の目的) 本発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、セラミックスとセラミックス,サーメットまた
は金属とを接合するに際し、被接合端面の全体が十分に
接合し、スプラッシュの発生や窪みの形成などがなく、
接合材に対して熱的な損傷を与えることもなく、強固な
る接合強度を得ることが可能であるセラミックスの接合
方法を提供することにより、従来の問題点を解決するこ
とを目的としている。
(Field of Industrial Application) The present invention relates to a method of joining ceramics, which is used to join ceramics and ceramics, cermets or metals with a laser beam as a heat source, and to join the ceramics through a brazing material. . (Prior Art) In the conventional technique, as shown in FIG. 4 (a), as a method of joining ceramics and ceramics, cermet or metal by joining, end faces 42a and 43a of joining materials 42 and 43 are joined. Abutting, irradiating a high energy density beam 48, for example, a laser beam or an electron beam, etc. along the bonded part 47, and melting or diffusing by heating the bonded part 47 of the bonding materials 42, 43, As shown in FIG. 4 (b), a method of forming a melted portion or a diffused portion 45 in both of the joining materials 42 and 43 and then solidifying the same, and joining as shown in FIG. 5 (a). A brazing material 54 is arranged along a joining line direction of a joined portion 57 of the joining materials 52, 53 butted at the joined end surfaces 52a, 53a, and a high energy density beam 58, for example, a laser beam, is provided on the brazing material 54. Or electron beam Then, the brazing material 54 and the part to be joined 57 are both heated and melted, and as shown in FIG. 5 (b), the surfaces of the joining materials 52 and 53 on the side where the brazing material 54 is disposed. And the brazing material 54 are welded together to form a portion (or a diffused portion) 55 in which both are melted, and as shown in FIG. 6 (a), the end surfaces 62a and 63a A brazing material 64 is arranged along the joining line of the parts 67 to be joined of the joining materials 62 and 63 butted with each other, and the brazing material 64 is irradiated with a laser beam 68 as shown in FIG. After the brazing material 64 is heated and melted to be spheroidized by the surface tension of the brazing material 64, as shown in FIG.
After the molten and spheroidized brazing material 64 penetrates into the gap 69 and fills the gap 69, the irradiation of the laser beam 68 is stopped, and as shown in FIG. 64
Solidifying in the gap 69, a brazing material is interposed between both joined end faces of the butted joining materials according to the shape of the joined end faces, and an appropriate pressure is applied in the joining direction of the joining materials. After the brazing material is fixed between the joined end surfaces so that the brazing material is in close contact with the joined end surface, the electric furnace, a high-frequency furnace, a gas flame, arc discharge or infrared radiation is used to fix the brazing material. By heating the entire brazing material and the joining material, or a part of the brazing material or the brazing material and the joining material, melting the brazing material,
A method of joining the joining material by solidification of the molten brazing material, or forming the joined end surface of the joining material on a smooth surface, butting the joined end surfaces together, and rubbing the joined end surfaces by ultrasonic vibration. A method in which frictional heat is generated, and the end face to be joined is heated and melted or diffused by the generated heat to perform joining, and the like have been devised and implemented. (Problems to be Solved by the Invention) In the conventional method of joining ceramics and ceramics, cermet, or metal, a beam having a high energy density, for example, a beam having a high energy density is directly applied to a portion to be joined in a state where end surfaces to be joined of a joining material are abutted. When the laser beam is irradiated, there are problems that the joining end faces of the joining material are difficult to be joined, a splash is generated, or a dent is formed in a joining portion. In the case where the brazing material is arranged along the joining line on the surface of the portion to be joined and the brazing material and the surface of the portion to be joined are heated and joined, a sufficient joining strength is obtained because the joining area is small. There was a problem that it could not be done. Furthermore, in a method using a heating means such as an electric furnace, a high-frequency furnace, a gas flame, arc discharge or infrared radiation, it is difficult to use a brazing material having a melting point exceeding the heat resistance strength of the joining material.
There is a problem that sufficient bonding strength cannot be obtained at high temperatures, and it is difficult to perform bonding at high temperatures in consideration of thermal damage to the bonding material. Since the reaction speed of the brazing material becomes slow and a long time is required for joining, there is a problem that it is not suitable for mass production. Furthermore, in the method in which the brazing material is sandwiched between the end surfaces to be joined of the butted joining materials, and the brazing material and the joined portion are joined by heating, the sufficient joining strength cannot be obtained. There was a point. Furthermore, in joining using ultrasonic vibration,
There was a problem that it was impossible to join a joint surface having a complicated shape. (Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems. In joining ceramics and ceramics, cermet or metal, the entire end faces to be joined are sufficiently joined to form a splash. There is no generation or dent formation,
An object of the present invention is to solve the conventional problems by providing a ceramic joining method capable of obtaining a strong joining strength without thermally damaging a joining material.

【発明の構成】Configuration of the Invention

(問題点を解決するための手段) 本発明に係るセラミックスの接合方法は、セラミック
スとセラミックス,サーメットもしくは金属とを突き合
わせた状態で接合するに際し、接合材表面の被接合部に
沿ってろう材を配設し、接合雰囲気の圧力を常圧よりも
高くした状態にして、接合材表面および接合材裏面の被
接合部のうち少なくとも接合材表面の被接合部を中心と
した所定の範囲にレーザービームを照射し、この際に被
接合部に照射するレーザービームの照射パターンとし
て、照射開始時から少なくともろう材の溶融開始時まで
は照射レーザービームの出力を徐々に増大させまたは分
布を徐々に減少させて前記ろう材への供給エネルギー強
度が徐々に増加するパターンを用いることによって、前
記被接合部を予熱するとともに、前記ろう材を加熱・溶
融することにより、前記ろう材を前記被接合部の隙間に
浸透させ、前記隙間に前記ろう材を充填して凝固させる
ことにより接合する構成とすることにより、上記した従
来の問題点を解決したことを特徴とする。 (実施例) 本発明に係るセラミックスの接合方法の実施例を第1
図,第2図および第3図により説明する。 第1図は本発明を実施するための接合装置1の断面図
である。接合材2および接合材3はろう材4とともに、
圧力容器の機能を持った加工室5内に設置されている接
合材支持手段6により支持されている。 一方の接合材2はセラミックスからなり、他方の接合
材3はセラミックス,サーメットもしくは金属からな
り、接合材支持手段6により支持されているが、接合材
2,3の突き合わせ方向には特に圧力は加えていない。こ
のとき、前記接合材2の端面と接合材3の端面とを突き
合わせて密着するようにして形成される被接合部7に
は、被接合端面が有する表面粗さにより形成されるわず
かなる隙間11が存在する。 ろう材4は前記接合材2,3の接合に適した物質から構
成されており、例えば、酸化イットリウム,窒化ケイ
素,酸化マグネシウム,酸化ランタンなどの混合物であ
り、熱容量の小さい形態、例えば微粒子状,球状,棒状
または板状などとして接合材表面(図では上面)に前記
被接合部7の接合線に沿って配設されているか、または
上方からのレーザービーム8aの照射時に連続的もしくは
間欠的に供給される。 接合材2,3は接合材支持手段6によって支持され、当
該支持手段6とともに、圧力容器の機能を持った加工室
5内に設置され、前記ろう材4は接合材2,3の表面の被
接合部7の部分に沿って配設され、加工室5は弁14を開
いて気体を注入することにより常圧よりも高く加圧する
ことができ、弁15を開くことにより、前記加工室5内の
気体を外部に放出して常圧まで減圧することができるよ
うになっている。 前記ろう材4を加熱してこれを溶融するための熱源と
して用いられる上方からのレーザービーム8aおよび前記
被接合部7の下面から加熱するための熱源として用いら
れる下方からのレーザービーム8bは、前記ろう材4に比
較的吸収され易いレーザー光であり、例えば、炭酸ガス
レーザー光が用いられ、前記レーザービーム8a,8bは集
光光学系9a,9bをそれぞれ介して所定のエネルギー強度
分布を持つレーザービームに変換され、前記加工室5に
取り付けられたレーザー光入射窓10a,10b(例えば、ZnS
e製)を通してそれぞれ反射鏡13a,13bにより反射され
て、上方からのレーザービーム8aは接合材2,3上面の前
記被接合部7に沿った接合線を中心とした所定の範囲に
照射される。 この実施例において、上方からのレーザービーム8aお
よび下方からのレーザービーム8bはともにTEMonモード
のエネルギー強度分布を有し、それぞれのエネルギー強
度、それぞれの照射幅、それぞれの照射長は、前記ろう
材4の溶融条件ならびに前記被接合部7の予熱条件など
に適したレーザー出力値に設定され、上方からのレーザ
ービーム8aの場合には、前記ろう材4を配設した接合材
2,3の上面での照射幅をおよそ0.8mmに、照射長を前記被
接合部7の接合長を十分覆う長さ(被接合部7の長さが
短い場合)に設定し、下方からのレーザービーム8bの場
合には前記被接合部7を中心とした接合材2,3の下面で
の照射幅をおよそ10mmに、照射長を前記幅被接合部7の
接合長を十分覆う長さ(被接合部7の長さが短い場合)
に設定される。 さらに、第3図に示すように、上方からのレーザービ
ーム8aは、照射開始時刻τから前記ろう材4の溶融開
始時刻τまで、照射時間(τ)の経過とともに当該レ
ーザービーム8aのエネルギー強度(Ip)が徐々に増加す
るようなレーザー出力に設定され、照射開始時刻τ
ら前記溶融開始時刻τまでの照射時間τhおよび前記
溶融開始時刻τでのエネルギー強度Ipsは、前記ろう
材4の組成および前記接合材2,3の材質などにより適切
なるレーザー出力値をもって選択される。 そして、上方からのレーザービーム8aは、前記ろう材
4の隙間11への充填完了時刻τにおいて照射が停止さ
れる。前記溶融開始時刻τから前記充填完了時刻τ
までの照射時間はτmとして表しており、このときのエ
ネルギー強度(Ip)は前記ろう材4が蒸発することなく
溶融状態を保つエネルギー強度Ipaとしてあり、前記ろ
う材4の組成および前記接合材2,3の材質などに対応し
て、適切なるレーザー出力値をもって選択される。 前記被接合部7の接合長がそれぞれのレーザービーム
8a,8bの照射長と比較して長い場合には、反射鏡13a,13b
を適宜移動させることにより、レーザービーム8a,8bを
前記被接合部7のそれぞれの照射範囲に追従させること
によって均一に照射することが可能である。 第2図は、上記接合装置1を使用し、加工室5内の雰
囲気を常圧よりも高い状態にして、前記接合材2,3の突
き合わせ被接合端面2a,2bで本発明に係るセラミックス
の接合方法を実施して接合したときの接合過程を示す模
型的説明図である。 本発明に係る接合方法の第1段階では、第2図(a)
に示すように、接合材2,3が、それぞれの被接合端面2a,
3aの持つ表面粗さにより形成された隙間(第2図では拡
大して示してある)11が極小となるように、すなわち被
接合端面2a,3aがほぼ密着するように突き合わされてい
て、接合材2,3の上面の前記被接合部7の接合線に沿っ
て前記ろう材4を配設した状態にして、接合材2,3の下
面の被接合部7に沿った接合線を中心とした所定の範囲
に下方からのレーザービーム8bを連続的または間欠的に
照射する。このときの下方からのレーザービーム8bは、
照射面となる接合材2,3の下面が熱的損傷を受けない程
度のエネルギー強度(Ip)を有するレーザー出力に設定
され、かつ前記ろう材4が溶融したり反応したりしない
程度のエネルギー強度(Ip)を持つレーザー出力に設定
されている。この段階では、前記ろう材4ならびに接合
材2,3の被接合部7が加熱されるのみであり、溶融ない
しは熱分解しない。 次の第2段階では、第2図(b)に示すように、前記
被接合部7に沿って配設したろう材4に対し上方からの
レーザービーム8aを照射するが、この上方からのレーザ
ービーム8aを照射する時の熱衝撃によりろう材4が飛散
することのないように、第3図に示したごとく前記上方
からのレーザービーム8aのエネルギー強度(Ip)が徐々
に強くなるようにレーザ出力を高めながら、前記ろう材
4が溶融を開始するエネルギー強度Ipsなろレーザー出
力まで増加させる。その間の照射時間は前記照射時間τ
hで設定される。また、この間においては前記ろう材4
に沿って当該ろう材4を中心とする所定の範囲に照射さ
れる。 このろう材4は、照射レーザー光を吸収し易くかつ熱
容量が小さい形態を持っているため、当該ろう材4は短
時間のうちに急速に加熱されて溶融状態に至る。このと
き、溶融状態となった前記ろう材4は凝集して表面張力
により球状化するが、前記接合材2,3の上面ならびに被
接合部7の隙間11を形成する被接合端面2a,3aに対して
濡れる状態には至らない。また、溶融して球状化したろ
う材4は、前記接合材2,3の上面と点接触に近い状態と
なっているので、前記接合材2,3に熱を伝えることはほ
とんどなく、溶融状態を維持することができる。 一方、前記ろう材4が溶融して球状化した状態にある
ときも、前記接合材2,3の下面の被接合部7には、当該
接合材2,3の厚さ方向の温度勾配ができうる限り小さく
なるようなそしてレーザー光の照射部が熱損傷を受けな
いようなエネルギー強度を有するレーザー出力に設定さ
れた下方からのレーザービーム8bが照射されることによ
って予熱されている。 次の第3段階では、第2図(c)に示すように、前記
ろう材4は前記隙間11に浸透する温度に至るまで、第3
図に示すように、エネルギー強度Ipaなるレーザー出力
に高められたレーザービーム8aを上方から照射されて加
熱され、活性化状態に至り、毛管現象によって隙間11に
浸透し始める。 この場合、前記ろう材4の隙間11への浸透は、数秒か
ら数十秒の前記照射時間τm中に行われて、前記隙間11
を埋めるに至る。このとき、前記接合材2,3の下面の側
における被接合部7は、当該接合材2,3の厚さ方向の温
度勾配ができる限り小さくなるような、そして照射部分
が熱損傷を受けないようなエネルギー強度のレーザー出
力に設定した下方からのレーザービーム8bが照射され、
予熱は継続されている。このために、前記隙間11に浸透
したろう材4は、前記接合材2,3の各被接合端面2a,3aに
対する濡れ性が良好となり、前記隙間11の全域を容易に
かつ十分に埋めつくすに至り、この時点で上方からのレ
ーザービーム8aの照射は停止される。また、下方からの
レーザービーム8bは、前記被接合部7における熱応力の
影響を緩和するため、上方からのレーザービーム8aを停
止した後も、20〜30秒間、前記接合材2,3の下面側の被
接合部7への照射が続けられた後停止される。 続いて、最終の第4段階では、第2図(d)に示すよ
うに、前記隙間11に浸透したろう材4が冷却されて凝固
し、前記接合材2,3の被接合端面2a,3aを強固に結合した
接合部17が形成される。 以上のような経過を経ることにより接合が終了する。 この実施例では、接合材2,3に窒化珪素質セラミック
ス板[10mm(幅)×15mm(長さ)×2mm(厚さ)]を用
い、10mm(幅)×2mm(厚さ)の被接合端面2a,3aを突き
合わせて接合するに際し、ろう材4としてY2O3,La2O3,S
i3N4,MgOから構成される混合微粉末を用いた。 また、加工室5内の雰囲気は、窒素ガスを400KPaの圧
力で充填した状態とした。この場合の接合時における接
合材2,3の耐熱温度は、常圧時(約100KPa)よりもおよ
そ100℃高くすることができた。 さらに、照射レーザー光は、波長10.6μmの炭酸ガス
レーザー光で、予熱に使用する下方からのレーザービー
ム8bの最大出力は30W、ろう材4を溶融するために照射
する上方からのレーザービーム8aの最大出力は45Wに設
定した。そして、下方からのレーザービーム8bを45秒間
照射した後、上方からのレーザービーム8aの照射を開始
し、その時の出力は前記ろう材4がレーザービーム照射
開始時の熱衝撃により飛散したり溶融したりすることが
ないように30W以下の出力に設定した。次いで照射され
る上方からのレーザービーム8aは、前記ろう材4が飛
散,蒸発することなく加熱されて溶融状態に至るよう
に、前記照射時間τhを2ないし3秒として、その間、
第3図に示したように徐々に出力を増加させてレーザー
出力値を45Wまで高め、その出力において照射時間τm
を60秒間として照射を行った。この間に前記ろう材4は
溶融し、凝集して球状化した後、接合材2,3との濡れ性
が良くなる状態になったとき、毛管現象によって前記隙
間11中に浸透し、当該隙間11を十分に埋めることとな
る。 そして、下方からのレーザービーム8bは、上方からの
レーザービーム8aが照射されている間にも照射を継続し
た。このとき、当該照射部分における接合材2,3の上面
と下面とにおける温度差は100℃以内とすることができ
た。そして、上方からのレーザービーム8aの照射を停止
した後も、被接合部17における熱応力を緩和するため、
下方からのレーザービーム8bをさらに20秒間照射した。 このようにして接合した前記接合材2,3の接合部17に
おける接合強度は、接合材2,3自体の強度の80%近いお
よそ550MPaを得ることができた。
(Means for Solving the Problems) In the method for joining ceramics according to the present invention, when joining ceramics and ceramics, cermet or metal in a state of abutting each other, a brazing material is formed along a portion to be joined on the surface of the joining material. With the pressure of the bonding atmosphere set to be higher than the normal pressure, the laser beam is applied to a predetermined range centered on at least the bonded portion on the bonding material surface among the bonded portions on the bonding material surface and the bonding material back surface. The irradiation pattern of the laser beam irradiating the part to be welded at this time is to gradually increase the output of the irradiation laser beam or gradually decrease the distribution from the start of irradiation to at least the start of melting of the brazing material. By using a pattern in which the intensity of energy supplied to the brazing material gradually increases, the joints are preheated and the brazing material is By heating and melting, the brazing material penetrates into the gap of the part to be joined, and the gap is filled with the brazing material and solidified to form a joint. Has been solved. (Example) The first example of the method for bonding ceramics according to the present invention will be described.
This will be described with reference to FIG. 2, FIG. 2 and FIG. FIG. 1 is a sectional view of a joining apparatus 1 for carrying out the present invention. The joining material 2 and the joining material 3 together with the brazing material 4
It is supported by bonding material support means 6 installed in a processing chamber 5 having the function of a pressure vessel. One bonding material 2 is made of ceramics, and the other bonding material 3 is made of ceramics, cermet or metal, and is supported by bonding material support means 6.
No particular pressure was applied to a few butting directions. At this time, a small gap 11 formed by the surface roughness of the joined end face is formed in the joined part 7 formed by bringing the end face of the joining material 2 and the end face of the joining material 3 into close contact with each other. Exists. The brazing material 4 is made of a material suitable for joining the joining materials 2 and 3 and is, for example, a mixture of yttrium oxide, silicon nitride, magnesium oxide, and lanthanum oxide. Either spherical, rod-like, plate-like or the like is provided on the surface of the joining material (the upper surface in the figure) along the joining line of the joint 7 or continuously or intermittently when the laser beam 8a is irradiated from above. Supplied. The joining materials 2 and 3 are supported by joining material supporting means 6 and are installed together with the supporting means 6 in a processing chamber 5 having the function of a pressure vessel, and the brazing material 4 is coated on the surfaces of the joining materials 2 and 3. Arranged along the joint 7, the processing chamber 5 can be pressurized to a pressure higher than the normal pressure by opening the valve 14 and injecting gas. Can be released to the outside to reduce the pressure to normal pressure. A laser beam 8a from above used as a heat source for heating the brazing material 4 and melting the same, and a laser beam 8b from below used as a heat source for heating from the lower surface of the part 7 to be joined are as described above. A laser beam that is relatively easily absorbed by the brazing material 4, for example, a carbon dioxide laser beam is used, and the laser beams 8a and 8b are laser beams having a predetermined energy intensity distribution via condensing optical systems 9a and 9b, respectively. The beam is converted into a beam, and the laser beam incident windows 10a and 10b (for example, ZnS
e), and are reflected by the reflecting mirrors 13a and 13b, respectively, and the laser beam 8a from above is applied to a predetermined range centered on the joining line along the joint 7 on the upper surfaces of the joining materials 2 and 3. . In this embodiment, both the laser beam 8a from above and the laser beam 8b from below have a TEMon mode energy intensity distribution, and each energy intensity, each irradiation width, and each irradiation length The laser output value is set to a value suitable for the melting conditions of the above and the preheating condition of the part to be welded 7 and the like.
The irradiation width on the top surface of each of the two or three is set to approximately 0.8 mm, and the irradiation length is set to a length sufficiently covering the bonding length of the bonded portion 7 (when the length of the bonded portion 7 is short). In the case of the laser beam 8b, the irradiation width on the lower surface of the joining materials 2 and 3 around the joint 7 is set to about 10 mm, and the irradiation length is set to a length enough to cover the joining length of the joint 7 ( (When the length of the joint 7 is short)
Is set to Further, as shown in FIG. 3, the laser beam 8a from above is irradiated with the energy of the laser beam 8a from the irradiation start time τ 0 to the melting start time τ 1 of the brazing material 4 as the irradiation time (τ) elapses. intensity (Ip) is set to the laser output as gradually increases, the energy intensity Ips of irradiation time τh and the melting start time tau 1 from the irradiation start time tau 0 to the melting start time tau 1, the wax An appropriate laser output value is selected according to the composition of the material 4 and the materials of the bonding materials 2 and 3. Then, the laser beam 8a from above, the irradiation is stopped in the filling completion time tau 2 into the gap 11 of the brazing material 4. From the melting start time τ 1 to the filling completion time τ 2
Irradiation time is expressed as τm, and the energy intensity (Ip) at this time is defined as the energy intensity Ipa for keeping the brazing material 4 in a molten state without evaporating, and the composition of the brazing material 4 and the bonding material 2 , And 3 are selected with an appropriate laser output value. The welding length of the part 7 to be welded is
If the irradiation length is longer than 8a, 8b, the reflecting mirrors 13a, 13b
By appropriately moving the laser beam, the laser beams 8a and 8b can be irradiated uniformly by following the respective irradiation ranges of the part 7 to be joined. FIG. 2 shows that the joining apparatus 1 is used, the atmosphere in the processing chamber 5 is set to a state higher than normal pressure, and the joining materials 2 and 3 are joined with the joined end faces 2a and 2b of the ceramic according to the present invention. It is a model explanatory view showing the joining process at the time of joining by carrying out the joining method. In the first stage of the joining method according to the present invention, FIG.
As shown in the figure, the joining materials 2 and 3 are respectively joined end faces 2a,
The gap (shown enlarged in FIG. 2) 11 formed by the surface roughness of 3a is brought to a minimum, that is, the end faces 2a and 3a to be joined are brought into close contact with each other. In a state where the brazing material 4 is arranged along the joining line of the part 7 to be joined on the upper surfaces of the materials 2 and 3, the center of the joining line along the part 7 to be joined on the lower surfaces of the joining materials 2 and 3 is A predetermined range is continuously or intermittently irradiated with a laser beam 8b from below. At this time, the laser beam 8b from below is
The laser output has an energy intensity (Ip) that does not cause thermal damage to the lower surfaces of the joining materials 2 and 3 to be irradiated surfaces, and an energy intensity that does not cause the brazing material 4 to melt or react. The laser output with (Ip) is set. At this stage, only the to-be-joined portions 7 of the brazing material 4 and the joining materials 2 and 3 are heated, and are not melted or thermally decomposed. In the next second stage, as shown in FIG. 2 (b), the brazing material 4 arranged along the to-be-joined portion 7 is irradiated with a laser beam 8a from above. In order to prevent the brazing material 4 from scattering due to the thermal shock when irradiating the beam 8a, as shown in FIG. While increasing the output, the energy is increased to the laser output at the energy intensity Ips at which the brazing material 4 starts melting. The irradiation time during that time is the irradiation time τ
h. During this time, the brazing material 4 is used.
Along a predetermined range around the brazing material 4. Since the brazing material 4 has a form that easily absorbs the irradiation laser beam and has a small heat capacity, the brazing material 4 is rapidly heated in a short time to reach a molten state. At this time, the brazing material 4 in the molten state is aggregated and spheroidized due to surface tension. However, the upper surfaces of the joining materials 2 and 3 and the end surfaces 2a and 3a forming the gap 11 between the parts 7 to be joined are formed. On the other hand, it does not get wet. Further, since the brazing filler metal 4 which has been melted and spheroidized is in a state close to point contact with the upper surfaces of the joining members 2 and 3, almost no heat is transmitted to the joining members 2 and 3, and the molten state Can be maintained. On the other hand, even when the brazing material 4 is in a molten and spherical state, a temperature gradient in the thickness direction of the joining materials 2 and 3 is formed in the joined portion 7 on the lower surface of the joining materials 2 and 3. The laser beam 8b is preheated by irradiating a laser beam 8b from below which is set to a laser output having an energy intensity which is as small as possible and has an energy intensity such that the laser beam irradiation part does not receive thermal damage. In the next third stage, as shown in FIG. 2 (c), the brazing material 4
As shown in the figure, a laser beam 8a having a laser output having an energy intensity Ipa is irradiated from above to be heated, reaches an activated state, and starts penetrating into the gap 11 by capillary action. In this case, the penetration of the brazing material 4 into the gap 11 is performed during the irradiation time τm of several seconds to several tens of seconds, and the gap 11
To fill. At this time, the bonded part 7 on the lower surface side of the bonding materials 2 and 3 is such that the temperature gradient in the thickness direction of the bonding materials 2 and 3 is as small as possible, and the irradiated part is not damaged by heat. A laser beam 8b from below is set to a laser output with such energy intensity,
Preheating is continuing. For this reason, the brazing material 4 that has penetrated into the gap 11 has good wettability with respect to the joined end faces 2a, 3a of the joining materials 2, 3, so that the entire area of the gap 11 can be easily and sufficiently filled. At this point, the irradiation of the laser beam 8a from above is stopped. In addition, the laser beam 8b from below is used for 20 to 30 seconds after stopping the laser beam 8a from above in order to reduce the influence of the thermal stress in the part 7 to be joined. After the irradiation to the part 7 to be bonded on the side is continued, it is stopped. Subsequently, in the final fourth stage, as shown in FIG. 2 (d), the brazing material 4 permeating the gap 11 is cooled and solidified, and the joined end faces 2a, 3a of the joining materials 2, 3 are joined. Are firmly joined to form a joint 17. Through the above-described process, the joining is completed. In this embodiment, a silicon nitride ceramic plate [10 mm (width) x 15 mm (length) x 2 mm (thickness)] is used as the bonding material 2 and 3, and a 10 mm (width) x 2 mm (thickness) member to be bonded is used. When joining the end faces 2a and 3a by butt, as the brazing material 4, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , S
A mixed fine powder composed of i 3 N 4 and MgO was used. The atmosphere in the processing chamber 5 was filled with nitrogen gas at a pressure of 400 KPa. In this case, the heat-resistant temperature of the joining materials 2 and 3 at the time of joining could be increased by about 100 ° C. as compared with the normal pressure (about 100 KPa). Further, the irradiation laser beam is a carbon dioxide gas laser beam having a wavelength of 10.6 μm, the maximum output of the laser beam 8b from the lower side used for preheating is 30 W, and the laser beam 8a from the upper side irradiated to melt the brazing material 4. The maximum output was set to 45W. Then, after irradiating the laser beam 8b from below for 45 seconds, the irradiation of the laser beam 8a from above is started, and the output at that time is such that the brazing material 4 is scattered or melted by the thermal shock at the start of laser beam irradiation. The output was set to 30W or less so that no power was lost. Then, the irradiation time τh is set to 2 to 3 seconds so that the brazing material 4 is heated without being scattered and evaporated and reaches a molten state, during which the laser beam 8a from above is irradiated.
As shown in FIG. 3, the output is gradually increased to increase the laser output value to 45 W, and the irradiation time τm
For 60 seconds. During this time, the brazing material 4 is melted, agglomerated and spheroidized, and when the wettability with the bonding materials 2 and 3 is improved, the brazing material 4 penetrates into the gap 11 by capillary action, and the gap 11 Will be filled enough. The irradiation with the laser beam 8b from below was continued even while the laser beam 8a from above was being irradiated. At this time, the temperature difference between the upper surface and the lower surface of the bonding materials 2 and 3 in the irradiated portion could be kept within 100 ° C. Then, even after stopping the irradiation of the laser beam 8a from above, in order to alleviate the thermal stress in the joined portion 17,
The laser beam 8b from below was irradiated for another 20 seconds. The joining strength of the joining materials 2 and 3 thus joined at the joining portion 17 was approximately 550 MPa, which is almost 80% of the strength of the joining materials 2 and 3 themselves.

【発明の効果】【The invention's effect】

以上説明してきたように、本発明に係るセラミックス
の接合方法では、セラミックスとセラミックス,サーメ
ットもしくは金属とを突き合わせた状態で接合するに際
し、接合材表面の被接合部に沿ってろう材を配設し、接
合雰囲気の圧力を常圧よりも高くした状態にして、接合
材表面および接合材裏面の被接合部のうち少なくとも接
合材表面の被接合部を中心とした所定の範囲にレーザー
ビームを照射し、この際に被接合部に照射するレーザー
ビームの照射パターンとして、照射開始時から少なくと
もろう材の溶融開始時までは照射レーザービームの出力
を徐々に増大させまたは分布を徐々に減少させて前記ろ
う材への供給エネルギー強度が徐々に増加するパターン
を用いることによって、前記被接合部を予熱するととも
に、前記ろう材を加熱・溶融することにより、前記ろう
材を前記被接合部の隙間に浸透させ、前記隙間にろう材
を充填して凝固させることにより接合するようにしたか
ら、ろう材を配設した接合材表面とは反対の接合材裏面
にもレーザービームを照射して被接合部を予熱すること
によって、被接合部の厚さ方向における温度勾配を小さ
くし、被接合部の隙間に浸透する溶融したろう材と被接
合端面との間の濡れ性を良好なものとすることができる
ようになるとともに、接合雰囲気の圧力を常圧より高く
した状態にして接合を行うことにより、接合材の熱分解
温度を高めることができるので、より高融点のろう材を
適用することが可能であり、これによって接合部の高温
における接合強度を高めることができ、さらには、ろう
材に照射するレーザービームの出力を当該ろう材が溶融
する状態になるまで徐々に高めるパターンとすることに
より、照射開始時または照射中に発生する熱衝撃による
ろう材のスプラッシュや蒸発を防止することができ、接
合材に対して熱的な損傷を与えることがないなどの優れ
た効果がある。
As described above, in the method for joining ceramics according to the present invention, when joining ceramics and ceramics, cermet or metal in abutting state, a brazing material is arranged along a portion to be joined on the surface of the joining material. With the pressure of the bonding atmosphere set to be higher than the normal pressure, a laser beam is irradiated to a predetermined range centered on at least the bonded portion on the bonding material surface among the bonded portions on the bonding material surface and the bonding material back surface. In this case, the irradiation pattern of the laser beam irradiating the portion to be welded is such that the output of the irradiation laser beam is gradually increased or the distribution is gradually decreased from the start of irradiation to at least the start of melting of the brazing material. By using a pattern in which the intensity of energy supplied to the brazing material gradually increases, the portion to be joined is preheated and the brazing material is heated. -By melting, the brazing material penetrates into the gap of the part to be joined, and the gap is filled with the brazing material and solidified so that the joining is performed. Preheats the joint by irradiating the opposite surface of the joint material with a laser beam to reduce the temperature gradient in the thickness direction of the joint and reduce the temperature gradient in the gap between the joints. It is possible to improve the wettability between the end face to be joined and the joining atmosphere with the pressure of the joining atmosphere higher than the normal pressure to increase the thermal decomposition temperature of the joining material. Therefore, it is possible to apply a brazing material having a higher melting point, thereby increasing the bonding strength of the joint at a high temperature, and further reducing the output of the laser beam applied to the brazing material. By gradually increasing the pattern until the brazing material is melted, it is possible to prevent the brazing material from splashing or evaporating due to a thermal shock generated at the start of the irradiation or during the irradiation. It has excellent effects such as not causing any significant damage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明に係るセラミックスの接合方法を実施す
るための接合装置を例示する断面図、第2図(a)
(b)(c)(d)は各接合段階での状態の拡大模型的
説明図、第3図はろう材に照射するレーザービームの照
射パターンを示すグラフ、第4図(a)(b),第5図
(a)(b)および第6図(a)(b)(c)(d)は
いずれも従来のセラミックスの接合方法の各接合段階で
の状態を示す模型的説明図である。 2,3……接合材、 2a,2b……被接合端面、 4……ろう材、 7……被接合部、 8a……上方からのレーザービーム、 8b……下方からのレーザービーム、 11……隙間、 17……接合部。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a joining apparatus for carrying out the method for joining ceramics according to the present invention, and FIG. 2 (a).
(B), (c) and (d) are enlarged schematic explanatory views of the state at each joining stage, FIG. 3 is a graph showing an irradiation pattern of a laser beam applied to a brazing material, and FIGS. 4 (a) and (b) 5, (a), (b) and (a), (b), (c), and (d) of FIG. 6 are schematic explanatory views showing states at respective bonding stages of a conventional ceramic bonding method. . 2, 3 ... joining material, 2a, 2b ... end face to be joined, 4 ... brazing material, 7 ... joined part, 8a ... laser beam from above, 8b ... laser beam from below, 11 ... ... gaps, 17 ... joints.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−58869(JP,A) 特開 昭60−16876(JP,A) 特開 昭63−225584(JP,A) 特開 昭58−32593(JP,A) 特開 昭58−32082(JP,A) 特開 平1−148759(JP,A) 特開 平1−148761(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-61-58869 (JP, A) JP-A-60-16876 (JP, A) JP-A-63-225584 (JP, A) JP-A-58-58 32593 (JP, A) JP-A-58-32082 (JP, A) JP-A-1-148759 (JP, A) JP-A-1-148761 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】セラミックスとセラミックス,サーメット
もしくは金属とを突き合わせた状態で接合するに際し、
接合材表面の被接合部に沿ってろう材を配設し、接合雰
囲気の圧力を常圧よりも高くした状態にして、接合材表
面および接合材裏面の被接合部のうち少なくとも接合材
表面の被接合部を中心とした所定の範囲にレーザービー
ムを照射し、この際に被接合部に照射するレーザービー
ムの照射パターンとして、照射開始時から少なくともろ
う材の溶融開始時までは照射レーザービームの出力を徐
々に増大させまたは分布を徐々に減少させて前記ろう材
への供給エネルギー強度が徐々に増加するパターンを用
いることによって、前記被接合部を予熱するとともに、
前記ろう材を加熱・溶融することにより、前記ろう材を
前記被接合部の隙間に浸透させ、前記隙間にろう材を充
填して凝固させることにより接合することを特徴とする
セラミックスの接合方法。
When joining ceramics and ceramics, cermet or metal in abutting condition,
A brazing material is arranged along the portion to be joined on the surface of the joining material, and the pressure of the joining atmosphere is set to be higher than the normal pressure. The laser beam is irradiated to a predetermined range centered on the part to be welded, and the irradiation pattern of the laser beam applied to the part to be welded at this time is as follows. By using a pattern in which the output energy intensity to the brazing material is gradually increased by gradually increasing the output or gradually decreasing the distribution, while preheating the joined parts,
A method of joining ceramics, comprising heating and melting the brazing material to allow the brazing material to penetrate into the gaps of the portions to be joined, and filling the gaps with the brazing material and solidifying the ceramics for joining.
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