JP2589776B2 - 高温接合用装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、異種材料間での拡散接合やろう付け等を行
なう際に使用される高温接合用装置に関する。

［従来の技術］ 拡散接合，ろう付け等において、接合強度の向上およ
び接合面の均質化を図るには、接合面に均一な面圧を負
荷することが肝要である。荷重を負荷する手段として
は、第23図および第24図に示されるような高温接合用装
置が提案されている。この従来装置は、ホルダ１と、耐
熱金属製の板ばね２と、ばね受け部材３と、ボルト４等
を備えて構成され、ボルト４のねじ込み量に応じて板ば
ね２を撓ませ、ばね受け部材３を介して被接合材Ａの接
合面に所望の荷重を付加するようになっている。この場
合、ボルト４をねじ込む際の締付けトルクを測定するこ
とによって、板ばね２の反力すなわち被接合材Ａに加わ
る荷重の大きさを間接的に知ることができる。上記ホル
ダ１とばね受け部材3,ボルト４等にもセラミックスが使
われる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来装置のように、ボルト４の締付けトルクに基
づいて荷重を予測する場合、ボルト４と雌ねじ山５との
間の摩擦力の大小によって荷重がばらつきやすい。しか
もセラミックス製のボルト４はねじ山の加工が難しく、
しかも強度面での信頼製に問題がある。

また、ばね受け部材３の被接合材支持面６と、ばね受
け部分7,7との平行度が正確に規制されていないと、設
計通りの面圧を負荷できないとともに、面圧が偏って負
荷されるおそれがある。

従って本発明の目的は、ボルトを用いることなく所望
の面圧を被接合材に均等に負荷できるような高温接合用
装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明の高温接合用装置
は、被接合材の一面側を支える第１支持部およびこの支
持部と対をなす第２支持部をもつホルダと、このホルダ
の第１支持部と第２支持部との間に移動可能に配置され
ていて第１支持部との間で上記被接合材を挟み込む荷重
伝達ブロックと、この荷重伝達ブロックと上記第２支持
部との間に配置されかつ両端部が第２支持部または荷重
伝達ブロックのいずれか一方に支持されるセラミックス
製の板ばねと、このセラミックス板ばねの中央部にこの
板ばねを撓ませた状態で挿入されていて板ばねの弾力を
荷重伝達ブロックに負荷する押圧子とを具備している。

上記ホルダと荷重伝達ブロックは、被接合材を接合す
る際の高温に耐える材料として、例えばセラミックス
（カーボンも含む）によって作られる。押圧子の形状
は、少なくとも上記板ばねと接する側が、例えば球形や
円柱状などのように板ばねと実質的に点接触ないし線接
触できるような形状のものが望ましい。押圧子の材質と
しては、接合温度が比較的低い場合には例えばステンレ
ス，インコネル，超硬合金，モリブデンやタングステン
等のような耐熱金属が適し、接合温度が高い場合にはセ
ラミックスが望ましい。

［作用］ 上記構成の本発明装置は、押圧子の寸法に応じてセラ
ミックス板ばねが規定量だけ撓み、この板ばねの弾力が
荷重伝達ブロックを介して被接合材の接合面に負荷され
る。そしてこの装置は被接合材と共に接合温度まで加熱
される。セラミックス製の板ばねは、高温に熱せられて
もへたることなく所定の荷重を接合面に負荷し続ける。

［実施例］ 以下に本発明の第１実施例につき、第１図ないし第３
図を参照して説明する。

本実施例の高温接合用装置10は、互いに重合された複
数層の被接合材Ａを接合させる際に被接合材Ａをクラン
プするために使われる。この装置10の基本としてのホル
ダ11は、側面視において略コ字状をなしている。すなわ
ちこのホルダ11は、被接合材Ａの一面側を支える第１支
持部12と、この支持部12に離間対向する第２支持部13,1
4とを一体に備え、第１支持部12と第２支持部13,14との
間にブロック収容凹部15が設けられている。また、第１
支持部12と第２支持部13,14間に互いに平行な一対のガ
イドピン16,17がかけ渡されている。

そして第１支持部12と第２支持部13,14との間に荷重
伝達ブロック20が設けられている。このブロック20は、
ガイドピン16,17が挿通する貫通孔21,22を有している。
なお、貫通孔21,22の代りにホルダ11または荷重伝達ブ
ロック20の側面に開口する溝であってもよい。ブロック
20はガイドピン16,17に沿って摺動自在である。すなわ
ちホルダ11とブロック20がばらばらにならなければどの
ような構造であってもよい。ブロック20と第１支持部12
との対向面間に被接合材Ａが挟み付けられるようになっ
ている。ブロック20とホルダ11は、いずれもAl₂O₃等の
セラミックスからなる。

荷重伝達ブロック20と第２支持部13,14との間にセラ
ミックス板ばね25が配置されている。この板ばね25は自
由状態でストレートな形状となるように成形されてい
る。板ばね25の両端部26,27は第２支持部13,14のばね受
け部分28,29によって支持される。

そして板ばね25と荷重伝達ブロック20との間に押圧子
30が設けられている。本実施例の押圧子30は球形であ
る。この押圧子30は、ブロック20の中央部に設けられた
半休凹状の保持部31に嵌合保持させられていて、板ばね
25の長さ方向中央および板幅方向に当接するようになっ
ている。

次に、上記装置10を用いて被接合材ＡとしてのAl₂O₃
とFe−Ni合金のろう付けを行なう場合について述べる。
ろう材は安価に入手可能な純アルミニウム箔を使用す
る。板ばね25はSi₃N₄製であり、長さＬ＝40mm,板幅Ｂ＝
6mm,板厚ｔ＝1.06mm,縦弾性係数＝28,000kg f/mm²,支持
点間距離ｓ＝30mmとした。被接合材ａの寸法は8.0mm×
3.0mmである。

板ばね25と押圧子30をブロック20と第２指示部13,14
との間にセットしたのち、図示しないシリンダ装置等を
用いてブロック20を板ばね25側に相対移動させる。ブロ
ック20が移動すると押圧子30も同じ方向に移動するた
め、板ばね25が撓む。こうして、第１指示部12とブロッ
ク20との対向面間に被接合材Ａを挿入できる広さの隙間
が確保されるから、この隙間の所定位置に被接合材Ａを
挿入する。この時、被接合材Ａがブロック20の幅方向と
長手方向中央、すなわち荷重負荷の中心に位置すうよう
に注意する。

上記のようにして被接合材Ａをセットしたのち、上記
シリンダ装置等によるブロック20の拘束を解除すると、
板ばね25の弾性復元力によって押圧子30を介して荷重伝
達ブロック20が被接合材Ａ側に押圧され、板ばね25の撓
みに応じた面圧が被接合材Ａに負荷される。本実施例の
場合、板ばね25に与える撓みが0.20mm,荷重が6kg fとな
るように、高温での各部材の熱膨張を考慮して押圧子30
の寸法を定めた。

上記条件で、真空中で700℃ないし900℃,2時間のろう
付けを行なったところ、均質で強度の高い接合部をもつ
複合材が得られた。

この第１実施例によれば、板ばね25と押圧子30が実質
的に点接触となり、この接触箇所を中心にブロック20を
押すようになるから、ブロック20の一面側20aと他面側2
0bの平行度が悪くても板ばね25の弾力を被接合材Ａの接
合面に均等に使用させることができる。そして、板ばね
25が理想に近い３天接触で支持されるから、設計が容易
でありかつ設計通りの荷重を被接合材Ａに与えることが
できる。

本実施例で使用される純アルミニウム箔製のろう材
は、Fe−Niとの間で脆い金属間化合物層を生成するため
極力薄くする必要があり、しかもAl₃O₄とのぬれ性が悪
いため均一な荷重を負荷した状態で接合を行なう必要が
ある。従って本実施例の装置10のように高温度下におい
ても一定の面圧を均等に負荷できるものは、良質な接合
を行なわせる上できわめて有効である。

なお、第４図および第５図に示された第２実施例のよ
うに、円柱状の押圧子30を採用してもよい。本実施例の
円柱状押圧子30は、その軸線が板ばね25の長手方向と直
交する方向に向くように配置され、かつブロック20に設
けられた溝状の保持部31によって動き止めがなされてい
る。この円柱状押圧子30は板ばね25に対して実質的に線
接触するため、被接合材Ａの接合面に所定の荷重を均等
に負荷する上で都合がよい。

この第２実施例装置10を用いて、被接合材Ａとしての
CuとSUS304の固相拡散接合を行なう場合ついて述べる。
板ばね25の材質と寸法は前述した第１実施例と同様であ
るが、被接合材Ａの寸法は10mm×2.5mm,板ばね25に与え
る撓みは0.17mm,荷重は5kg fである。板ばね25の撓みの
与え方は第１実施例と同様である。これらの条件で、真
空中で950℃,2時間の固相拡散接合を行なったところ、
良好な接合面と優れた接合強度が得られた。

第６図および第７図に示された本発明の第３実施例に
おける押圧子30は、板ばね25と接する側に尖った稜線部
33をもつ多角柱状をなし、この稜線部33がばね２と線接
触するようになっている。

この第３実施例の装置10を用いて、超硬合金とSUS304
のNiろう付けを行なう場合について述べる。ろう材はBN
i2を使用する。このろう材を使用した場合、荷重を付加
しない状態ではろう材の液相線を越える温度、すなわち
約1050℃でろう付けが行なわれる。しかし、ろう材層を
薄く均一に接合し、しかも接合強度と接合面の信頼性を
向上させるためには、本装置10を用いることによって接
合面に荷重を均等に負荷し、液相線と固相線との間、す
なわち970℃〜1000℃で接合を行なうと好結果が得られ
る。板ばね25やホルダ11,ブロック20等の材質は前述し
た第１および第２実施例と同様である。板ばね25はSi₃N
₄製であって、長さＬ＝40mm,板幅Ｂ＝5mm,板厚ｔ＝0.82
mm,縦弾性係数＝28,000kg f/mm²,支持点間距離ｓ＝30mm
とした。被接合材Ａの寸法は20mm×5.0mm,板ばね25に与
える撓いは0.18mm,荷重が2kg fである。これらの条件
で、真空中で990℃,2時間のろう付けを行なったのちに
１℃/minの冷却速度で冷却したところ、均質で接合強度
の高い接合部をもつ複合材が得られた。

第８図および第９図に示された第４実施例は、押圧子
30が荷重伝達ブロック20と一体に成形されている。この
押圧子30の先端すなわち板ばね25と接する側は、半円凸
状あるいは半楕円形等に成形され、その先端稜線部が板
ばね25にほぼ線接触できるようになっている。

次に、本発明の第５実施例につき第10図ないし第12図
を参照して説明する。

この装置10のホルダ11も第１支持部12と第２支持部13
とを一体に備え、第１支持部12と第２支持部13との間に
ブロック収容凹部15が設けられている。また、第１支持
部12と第２支持部13間に一対のガイドピン16,17がかけ
渡されている。そして第１支持部12と第２支持部13との
間に荷重伝達ブロック20が設けられている。このブロッ
ク20は、ガイドピン16,17が通る貫通孔21,22を有してい
る。なお、貫通孔21,22の代りにホルダ11または荷重伝
達ブロック20の側面に開口する溝であってもよい。ブロ
ック20はガイドピン16,17に沿って摺動自在である。す
なわちホルダ11とブロック20と受け部材35とがばらばら
にならなければどのような構造であってもよい。ブロッ
ク20と受け部材35との間で被接合材Ａを挟み付けるよう
になっている。ホルダ11とブロック20および受け部材35
は、いずれもAl₃O₄等のセラミッス製である。

荷重伝達ブロック20と第２支持部13との間にセラミッ
クス板ばね25が配置されている。この板ばね25は自由状
態（無荷重時）にストレートな形状となうように成形さ
れている。板ばね25の両端部26,27はブロック20のばね
受け部分36,37によって支持される。

セラミックス板ばね25と第２支持部13との間に、ピン
状の押圧子30が挿入されるようになっている。本実施例
の押圧子30は円柱状である。この押圧子30は、ホルダ20
の底壁部38に設けられた孔40に嵌合保持される。この孔
40は、押圧子30が板ばね25の長さ方向中央に正しく配置
されるように押圧子30の位置を規制する機能と、押圧子
30が斜めに差込まれることを防止する機能を有している
が、押圧子30が所定の位置に正確に挿入できるようであ
ればこの孔40は必ずしも必要としない。押圧子30の先端
部には、板ばね25と第２支持部13との間に挿入しやすく
するために、テーパ状ガイド部41が設けられている。

次に、上記第５実施例装置10を用いて被接合材Ａとし
てのAl₂O₃とFe−Ni合金のろう付けを行なう場合につい
て述べる。ろう材は純アルミニウム箔である。板ばね25
はSi₃N₄製であって、長さＬ＝35mm,板幅Ｂ＝6mm,板厚ｔ
＝1.06mm,縦弾性係数＝28,000kg f/mm²,支持点間距離ｓ
＝30mmとした。第２支持部13とばね受け部分36,37との
間の距離ａ（第11図参照）は5mm,押圧子30の外径寸法ｈ
＝5.2mm,被接合材Ａの寸法は8.0mm×3.0mmである。な
お、図面上では板ばね25の撓ねを誇張して描いてある。

上記板ばね25をブロック20のばね受け部分36,36にセ
ットしかつ被接合材Ａを受け部材35とブロック20との間
にセットしたのち、押圧子30を板ばね25第２支持部13と
の間に挿入する。

あるいは、被接合材Ａをセットする前に、板ばね25と
押圧子30を前述した所定の位置にセットし、図示しない
シリンダ装置等を用いてブロック20を第２支持部13側に
移動させる。こうして受け部材35とブロック20との対向
面間に被接合材Ａの挿入できる広さの隙間が確保される
から、この隙間に被接合材Ａを挿入する。そののち、上
記シリンダ装置等によるブロック20の拘束を解除する。

以上の工程によって板ばね25が所定量だけ撓み、板ば
ね25の撓み量に応じた面圧が荷重伝達ブロック20を介し
て被接合材Ａに負荷される。本実施例の場合、板ばね25
に与える撓みが0.20mm,荷重が6kg fとなるように、押圧
子30の寸法ｈを定めた。そして真空中で700℃ないし900
℃,2時間のろう付けを行なったところ、均質で接合強度
の高い接合部をもつ複合材を得ることができた。

この第５実施例の装置10を用いてCuとSUS304の固相拡
散接合を行なう場合について述べる。被接合材Ａの寸法
は10mm×2.5mm,押圧子30の外径ｈは5.17mm,板ばね25に
与える撓みは0.17mm,荷重は5kg fである。この条件下に
おいて、真空中で950℃,2時間の固相拡散接合を行なっ
たところ、良好な接合面と優れた接合強度が得られた。
なお、第13図に示された押圧子30のように、挿入を案内
するためのテーパ状ガイド部41が設けられている側に平
坦に面取りされた部分42を設け、この平坦部分42を第２
支持部13側に向けるようにてもよい。この場合も、押圧
子30の寸法ｈの大きさに応じて板ばね25の撓み量、すな
わち被接合材Ａに負荷する荷重を調整することができ
る。

また、第14図ないし第16図に示された第６実施例のよ
うに、ホルダ11の底壁部38に、一部が半円形あるいは半
楕円形をなす異形孔40を設け、この孔40に対応した断面
形状の押圧子30（第16図）を挿入するようにしてもよ
い。この押圧子30の場合も、寸法ｈの大きさに応じて接
合面に負荷する荷重を調整することができる。

更には第17図に示された第７実施例のような多角形の
孔40を設け、この孔40に対応した多角柱状の押圧子30
（第18図）を挿入するようにしてもよい。この押圧子30
も、先が尖った稜線部33をもっており、寸法ｈの大きさ
に応じて接合面に負荷する荷重を調整することができ
る。

第19図ないし第22図に示された本発明の第８実施例の
装置10は、第２支持部13に押圧子30を挿入するための孔
40をあけるとともに、この孔40と直交する方向にピン挿
入孔45を設け、この孔45に挿入されたロックピン46によ
って押圧子30を所定の位置に固定するようにしている。
押圧子30の側面部には、ロックピン46が嵌合するキー溝
47が設けられている。押圧子30の先端すなわち板ばね25
と接する箇所には尖った形状の稜線部33が設けられてい
て、この稜線部33において板ばね25と線接触するように
なっている。

この実施例装置10を用いて、超硬合金とSUS304のNiろ
う付けを行なう場合について述べる。ろう材はBNi2であ
る。板ばね25やホルダ11,ブロック20等の材質は前述し
た各実施例と同様である。板ばね25は、長さＬ＝35mm,
板幅Ｂ＝5mm,板厚ｔ＝0.82mm,縦弾性係数＝28,000kg f/
mm²,支持点間距離ｓ＝30mmとした。被接合材Ａの寸法は
20mm×5.0mm,押圧子30のｈ寸法は10.18mm,ピン挿入孔46
の中心からばね受け部分36,37までの距離（ａ＋ｂ）は1
0mmであり、板ばね25に与えれ撓みは0.18mm,荷重を2kg
fとした。

上記条件で、真空中で990℃すなわちBNi2ろう材の液
相線と固相線間の温度で２時間のろう付けを行なったの
ち、１℃/minの冷却速度で冷却したところ、きわめて良
質の接合部をもつ複合材が得られた。

［発明の効果］ 本発明によれば、ボルトを用いて板ばねを撓ませるよ
うにした従来装置に比較して簡易は押圧子を使用するた
め低コスト化が図れ、しかも破損しにくく小形であり、
高温の接合温度まで加熱されても一定でかつ均一の面圧
を接合部に負荷することができる。このため、高温ろう
付けや拡散接合等による良質な接合部をもつ複合材が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す接合用装置の斜視
図、第２図は第１図に示された装置の平面図、第３図は
第２図中のIII−III線に沿う断面図、第４図は本発明の
第２実施例を示す装置の平面図、第５図は第４図に示さ
れた装置の断面図、第６図は本発明の第３実施例を示す
平面図、第７図は第６図に示された装置の断面図、第８
図は本発明の第４図実施例を示す平面図、第９図は第８
図に示された装置の断面図、第10図は本発明の第５実施
例を示す接合用装置の斜視図、第11図は第10図に示され
た装置の平面図、第12図は第10図に示された装置の断面
図、第13図は押圧子の変形例を示す平面図、第14図は本
発明の第６実施例を示す装置のホルダの平面図、第15図
は第14図に示されたホルダの断面図、第16図は第６実施
例の押圧子の斜視図、第17図は本発明の第７実施例に示
す装置のホルダの平面図、第18図は押圧子の斜視図、第
19図は本発明の第８実施例を示す平面図、第20図は第19
図に示された装置の断面図、第21図は押圧子の平面図、
第22図は第21図に示された押圧子の断面図、第23図は従
来の接合用装置の平面図、第24図は従来の接合用装置の
断面図である。 Ａ……被接合材、10……高温接合用装置、11……ホル
ダ、12……第１支持部、13,14……第２支持部、20……
荷重伝達ブロック、25……セラミックス板ばね、28,29
……ばね受け部分、30……押圧子、36,37……ばね受け
部分、40……孔、41……テーパ状ガイド部、46……ロッ
クピン。

フロントページの続き (72)発明者 東野 豊之 神奈川県横浜市磯子区新磯子町１番地 株式会社日発グループ中央研究所内 (72)発明者 長瀬 悠一 神奈川県愛甲郡愛川町中津字桜台4056 日本発条株式会社厚木工場内 (56)参考文献 特開 昭62−156069（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−209784（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−60272（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに重合された複数層の被接合材をクラ
   ンプするための高温接合用装置であって、上記被接合材
   の一面側を支える第１支持部およびこの支持部と対をな
   す第２支持部をもつホルダと、このホルダの第１支持部
   と第２支持部との間に移動可能に配置されていて第１支
   持部との間で上記被接合材を挟み込む荷重伝達ブロック
   と、この荷重伝達ブロックと上記第２支持部との間に配
   置されかつ両端部が第２支持部または荷重伝達ブロック
   のいずれか一方に支持されるセラミックス製の板ばね
   と、このセラミックス板ばねの中央部にこの板ばねを撓
   ませた状態で挿入されていて板ばねの弾力を荷重伝達ブ
   ロックに負荷する押圧子と、を具備したことを特徴とす
   る高温接合用装置。
2. 【請求項２】上記セラミックス板ばねの両端部が上記ホ
   ルダの第２支持部によって支持され、かつセラミックス
   板ばねの中央部と荷重伝達ブロックとの間に上記押圧子
   が設けられている請求項１記載の高温接合用装置。
3. 【請求項３】上記セラミックス板ばねの両端部が上記荷
   重伝達ブロックによって支持され、かつセラミックス板
   ばねの中央部と上記ホルダの第２支持部との間に上記押
   圧子が挿入されている請求項１記載の高温接合用装置。
4. 【請求項４】上記ホルダと荷重伝達ブロックがセラミッ
   クス製である請求項1,2または３項記載の高温接合用装
   置。