JP2585654B2 - セラミックスの接合方法 - Google Patents
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Description
（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な
濡れ性をもってろう付接合され、ろう付接合に際して、
スプラッシュの発生や窪みの形成などがなく、ろう材を
用いた場合の接合性能を著しく高めて強固なる接合強度
を得ることを可能とした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。
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な
濡れ性をもってろう付接合され、ろう付接合に際して、
スプラッシュの発生や窪みの形成などがなく、ろう材を
用いた場合の接合性能を著しく高めて強固なる接合強度
を得ることを可能とした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。
（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
わせた状態にして接合するに際し、被接合端面を突き合
わせた接合材の表面の被接合部に沿って、接合材の熱分
解温度または溶融温度よりも高い融点を有する高融点ろ
う材を配設し、接合材表面および接合材裏面のうち少な
くとも接合材表面の被接合部にレーザービームを照射
し、この際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高融点ろう材の溶融開
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高融点ろう材への供
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、被接合部を予熱するとともに、前記高融点
ろう材を加熱・溶融することにより、溶融したろう材を
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ことによっ
て、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に関する実施例
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は高融点ろう材４とと
もに加工室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。 高融点ろう材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、前記接合材2,3の熱分解温度また
は溶融温度よりも高い融点を有するもの、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。 前記高融点ろう材４を加熱して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
分布を待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、
上方からのレーザービーム8aは接合材上面の前記被接合
部７に沿った接合線を中心とした所定の範囲および前記
高融点ろう材４に照射され、下方からのレーザービーム
8bは接合材下面の前記接合部７に沿った被接合線を中心
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、前記高
融点ろう材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を中心として接合材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τ０から高融点ろう材４の溶融
開始時刻τ１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τ０
から前記溶融開始時刻τ１までの照射時間τｈおよび前
記溶融開始時刻τ１でのエネルギー強度Ipsは、前記高
融点ろう材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、前記隙間11
への前記高融点ろう材４の充填完了時刻τ２において照
射が停止される。前記溶融開始時刻τ１から前記充填完
了時刻τ２までの照射時間はτｍとして表してあり、こ
のときのエネルギー強度（Ip）は前記高融点ろう材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、前記点ろう材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のそれぞれ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できるようにする。 第２図は、上記の構成をもつ接合装置１を使用し、前
記接合材2,3の突き合わせ被接合端面2a,3a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
て高融点ろう材４を配設した状態にして、接合材2,3の
下面の接合部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に沿って配設した高融点ろう材４に対して上
方からのレーザービーム8aを照射するのであるが、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なる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τｈ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ている。 この高融点ろう材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分が熱的損傷を受
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
に高められた上方からのレーザービーム8aを照射されて
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
熱的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、その後停止される。 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に窒化ケイ素質セラミッ
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、高融点ろう材４としてY
2O3,La2O3,Si3N4,MgOから構成される混合微粉末を用い
た。 また、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、高融点ろう材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の照射を開
始し、その時の出力は前記高融点ろう材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
間に第３図に示したように徐々に出力を増加させ、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。この間に高融点ろう
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における熱応力緩和のため、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接合材2,3の接合部17におけ
る接合強度は、接合材自体の強度の80％近いおよそ550M
Paを得ることができた。
スとセラミックス，サーメットもしくは金属とを突き合
わせた状態にして接合するに際し、被接合端面を突き合
わせた接合材の表面の被接合部に沿って、接合材の熱分
解温度または溶融温度よりも高い融点を有する高融点ろ
う材を配設し、接合材表面および接合材裏面のうち少な
くとも接合材表面の被接合部にレーザービームを照射
し、この際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高融点ろう材の溶融開
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高融点ろう材への供
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、被接合部を予熱するとともに、前記高融点
ろう材を加熱・溶融することにより、溶融したろう材を
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ことによっ
て、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に関する実施例
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は高融点ろう材４とと
もに加工室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。 高融点ろう材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、前記接合材2,3の熱分解温度また
は溶融温度よりも高い融点を有するもの、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。 前記高融点ろう材４を加熱して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
分布を待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、
上方からのレーザービーム8aは接合材上面の前記被接合
部７に沿った接合線を中心とした所定の範囲および前記
高融点ろう材４に照射され、下方からのレーザービーム
8bは接合材下面の前記接合部７に沿った被接合線を中心
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、前記高
融点ろう材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を中心として接合材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τ０から高融点ろう材４の溶融
開始時刻τ１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τ０
から前記溶融開始時刻τ１までの照射時間τｈおよび前
記溶融開始時刻τ１でのエネルギー強度Ipsは、前記高
融点ろう材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、前記隙間11
への前記高融点ろう材４の充填完了時刻τ２において照
射が停止される。前記溶融開始時刻τ１から前記充填完
了時刻τ２までの照射時間はτｍとして表してあり、こ
のときのエネルギー強度（Ip）は前記高融点ろう材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、前記点ろう材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のそれぞれ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できるようにする。 第２図は、上記の構成をもつ接合装置１を使用し、前
記接合材2,3の突き合わせ被接合端面2a,3a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
て高融点ろう材４を配設した状態にして、接合材2,3の
下面の接合部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に沿って配設した高融点ろう材４に対して上
方からのレーザービーム8aを照射するのであるが、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なる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τｈ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ている。 この高融点ろう材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分が熱的損傷を受
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
に高められた上方からのレーザービーム8aを照射されて
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
熱的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、その後停止される。 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に窒化ケイ素質セラミッ
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、高融点ろう材４としてY
2O3,La2O3,Si3N4,MgOから構成される混合微粉末を用い
た。 また、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、高融点ろう材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の照射を開
始し、その時の出力は前記高融点ろう材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
間に第３図に示したように徐々に出力を増加させ、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。この間に高融点ろう
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における熱応力緩和のため、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接合材2,3の接合部17におけ
る接合強度は、接合材自体の強度の80％近いおよそ550M
Paを得ることができた。
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にして接合する
に際し、被接合端面を突き合わせた接合材の表面の被接
合部に沿って、接合材の熱分解温度または溶融温度より
も高い融点を有する高融点ろう材を配設し、接合接合材
表面および接合材裏面のうち少なくとも接合材表面の被
接合部にレーザービームを照射し、この際に照射するレ
ーザービームの照射パターンとして、照射開始時から少
なくとも高融点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
させて前記高融点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、被接合部を
予熱するとともに、前記高融点ろう材を加熱・溶融する
ことにより、溶融した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
とにより接合するようにしたから、高融点ろう材を配設
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り、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
に浸透する溶融ろう材と被接合端面との間での濡れ性を
さらに良好なものとすることができるとともに、接合材
の熱分解温度または溶融温度よりも高い融点のろう材を
用いたことにより、接合部の高温での接合強度をより一
層向上させることができ、ろう材にレーザービームを照
射する際の当該レーザービームの照射パターンとして、
前記ろう材が溶融する状態になるまで徐々に高めるよう
なパターンを用いることにより、照射開始時または照射
中に熱衝撃によってろう材のスプラッシュが発生したり
蒸発を生じたりするのを防止することができ、ろう材を
用いた場合の接合性能を著しく高めて強固なる接合強度
を得ることが可能であるなどの優れた効果がもたらされ
る。
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にして接合する
に際し、被接合端面を突き合わせた接合材の表面の被接
合部に沿って、接合材の熱分解温度または溶融温度より
も高い融点を有する高融点ろう材を配設し、接合接合材
表面および接合材裏面のうち少なくとも接合材表面の被
接合部にレーザービームを照射し、この際に照射するレ
ーザービームの照射パターンとして、照射開始時から少
なくとも高融点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
させて前記高融点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、被接合部を
予熱するとともに、前記高融点ろう材を加熱・溶融する
ことにより、溶融した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
とにより接合するようにしたから、高融点ろう材を配設
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り、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
に浸透する溶融ろう材と被接合端面との間での濡れ性を
さらに良好なものとすることができるとともに、接合材
の熱分解温度または溶融温度よりも高い融点のろう材を
用いたことにより、接合部の高温での接合強度をより一
層向上させることができ、ろう材にレーザービームを照
射する際の当該レーザービームの照射パターンとして、
前記ろう材が溶融する状態になるまで徐々に高めるよう
なパターンを用いることにより、照射開始時または照射
中に熱衝撃によってろう材のスプラッシュが発生したり
蒸発を生じたりするのを防止することができ、ろう材を
用いた場合の接合性能を著しく高めて強固なる接合強度
を得ることが可能であるなどの優れた効果がもたらされ
る。
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
るための接合装置の概略構成を示す断面図、第２図
（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明に係るセラミックス
の接合方法における各接合段階での状態を順次示す模型
的断面説明図、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,3b……被接合端面、 ４……高融点ろう材、 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。
るための接合装置の概略構成を示す断面図、第２図
（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明に係るセラミックス
の接合方法における各接合段階での状態を順次示す模型
的断面説明図、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,3b……被接合端面、 ４……高融点ろう材、 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。
───────────────────────────────────────────────────── 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１−148760（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【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にして接合するに際
し、被接合端面を突き合わせた接合材の表面の被接合部
に沿って、接合材の熱分解温度または溶融温度よりも高
い融点を有する高融点ろう材を配設し、接合材表面およ
び接合材裏面のうち少なくとも接合材表面の被接合部に
レーザービームを照射し、この際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
高融点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
記高融点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、被接合部を予熱する
とともに、前記高融点ろう材を加熱・溶融することによ
り、溶融した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
接合することを特徴とするセラミックスの接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62307232A JP2585654B2 (ja) | 1987-12-04 | 1987-12-04 | セラミックスの接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62307232A JP2585654B2 (ja) | 1987-12-04 | 1987-12-04 | セラミックスの接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01148761A JPH01148761A (ja) | 1989-06-12 |
| JP2585654B2 true JP2585654B2 (ja) | 1997-02-26 |
Family
ID=17966627
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62307232A Expired - Fee Related JP2585654B2 (ja) | 1987-12-04 | 1987-12-04 | セラミックスの接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2585654B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0379709U (ja) * | 1989-12-08 | 1991-08-14 | ||
| US7186241B2 (en) * | 2001-10-03 | 2007-03-06 | Medical Instill Technologies, Inc. | Syringe with needle penetrable and laser resealable stopper |
| DE102011083865A1 (de) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Sgl Carbon Se | Laserstrahllöten von Materialien auf Siliciumkarbidbasis zur Herstellung von keramischen Bauteilen |
| DE102011083864A1 (de) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Sgl Carbon Se | Laserstrahllöten von Materialien auf Siliciumkarbidbasis |
| JP6593060B2 (ja) * | 2015-09-24 | 2019-10-23 | 日本電気硝子株式会社 | 導光板の製造方法 |
| CN114012255B (zh) * | 2021-11-10 | 2023-05-09 | 清华大学 | 陶瓷焊接方法及陶瓷焊接设备 |
-
1987
- 1987-12-04 JP JP62307232A patent/JP2585654B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01148761A (ja) | 1989-06-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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