JP3427622B2

JP3427622B2 - アルミニウムの接合方法

Info

Publication number: JP3427622B2
Application number: JP16687996A
Authority: JP
Inventors: 延明鈴木; 茂則山田; 直樹尾崎
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 2003-07-22
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: JPH09323167A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウムの接
合方法にかかり、特に超音波振動の印加を利用して複数
の接合部材をはんだ付けして接合するアルミニウムの接
合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、アルミニウムの接合方法とし
ては以下のようなものがあった。即ち、アルミニウム合
金同士を冶金的に接合する方法として、ＴＩＧ（Tung
sten inert gas）溶接やＭＩＧ（metal active gas）溶
接、摩擦圧接法、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニ
ウム・ガーネット）レーザ溶接または電子ビーム溶接等
が一般的である。

【０００３】また、複数の接合部材を接合することによ
り、例えばシリンダブロック等を製造する方法として、
実開昭６３−６９７４０号公報に開示されているものが
ある。これは、シリンダブロック本体を上部と下部の二
つの部材に分割してそれぞれ別個に鋳造し、その後これ
らを相互にボルトで締結し構成するものである。更に
は、接着剤等による機械的な締結方法も採用されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来例には以下のような不都合があった。即ち、溶接
法による接合では、溶込み量に限界があり広い面積を有
するもの同士を接合するには適切でない。また、一般的
な手法であるダイカスト鋳造法でアルミニウムの接合部
材を製造する場合には、この製造法の特性上、鋳物の内
部にガスが微細空隙となって分散してトラップされる。
このため、上記した通常の溶接方法（ＴＩＧ溶接、ＭＩ
Ｇ溶接等）では上記した粗材内部の欠陥によって接合強
度が大きく影響される。即ち、接合後の十分な機械的接
合強度を得ることができない。また、接合される部材が
局部的に加熱されることに起因して、内部に熱歪みが発
生するといった不都合も生じる。

【０００５】また、摩擦圧接法では十分な接合強度を得
ることができないため、大きな荷重が加わる部材や高圧
の流体を内部に流す部材の場合には、適用することがで
きない。更に、ＹＡＧレーザ溶接法では、特別な設備を
必要とするため製造コストが上昇し、またこの方法の特
性上大きな部材の接合には不向きであるといった不都合
があった。

【０００６】また、接合部材を複数の部材から構成して
これらをボルト等で接合固着する方法の場合には、接合
部の気密性を高めるために高性能なガスケットを使用し
たり、その他ボルトによる締結箇所の増加に伴い、機械
加工の工程数が増大するため、製造コストの上昇を招来
し、また、エンジンの組立作業効率が低下する、という
不都合を生じていた。

【０００７】加えて、図９に示すような、各接合部材５
１，５２に所定の貫通孔Ｘ１，Ｙ１，Ｘ２，Ｙ２が形成
され、これらの貫通孔を相互に接合する必要のある場合
などには、通常の溶接法等によって両者を接合しても、
接合不良や接合面相互間に生じる僅かな隙間を解消する
ことはできない。このため、上記した貫通孔Ｘ１，Ｙ
１，Ｘ２，Ｙ２に流体ｘ，ｙ等を流入させた場合に、こ
れらの流体ｘ，ｙが隙間を通って外部に漏洩したり、ま
た異なる貫通孔内を流れる流体同士が相互に混合してし
まう、という不都合を生じていた。これらの現象は特に
高圧の流体が流れる場合に顕著となり、大きな問題とな
っていた。例えば、内燃機関等の構成部材等は、その内
部に数多くの貫通孔が形成されており、接合部の気密度
の要求は通常の機械部品等と比較しても高いものとなっ
ている。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、特に接合強度に優れ、且つ接合部の気密性の
高いアルミニウムの接合方法を提供することを、その目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１記載の発明では、予め超音波振動を印
加しながらコーティングされた亜鉛合金はんだ層が付さ
れた接合面を有する第１接合部材と第２接合部材とを備
えると共に、これら各接合部材の少なくとも一方をアル
ミニウムにより構成し、前記接合面の形状に対応しその
融点を前記亜鉛合金はんだ層の融点に対して±３０℃以
内に設定した亜鉛合金はんだシートを形成すると共に、
この亜鉛合金はんだシートを前記両接合部材の接合面で
挟持し、前記接合面領域を前記亜鉛合金はんだ層及び亜
鉛合金はんだシートのうちの最も高い融点以上の温度で
加熱して前記亜鉛合金はんだシートを溶融させると共
に、この接合面を均一に加圧しながら両接合部材を接合
するという構成及び方法を採っている。

【００１０】以上のようなアルミニウムの接合方法の工
程を詳述すると、先ず、第１接合部材及び第２接合部材
を予熱する。各接合部材がある所定温度に加熱されたら
これを取り出し、溶融した亜鉛合金はんだ浴中に上記し
た接合面が浸かるように浸漬する。そして、これと同時
に接合面の近傍に超音波振動を印加して、この接合面に
溶融した亜鉛合金はんだをコーティングする。

【００１１】次に、各接合部材の接合面相互間に亜鉛合
金はんだシートを挟持して、各接合部材を重ねたまま上
方からおもり等で押圧しながら加熱炉内で加熱する。こ
れにより、亜鉛合金はんだ層１ａ，２ａ及び亜鉛合金は
んだシート３のすべてが融解する。この結果、接合部材
相互間に亜鉛合金はんだの接合層が形成され両者が接合
される。

【００１２】請求項２記載の発明では、亜鉛合金はんだ
シートの厚みを０．１〔ｍｍ〕〜３〔ｍｍ〕に設定する
という構成を採っている。以上のように構成したことに
より、各接合部材の相互間に溶融した亜鉛合金はんだが
確実に浸透して充填される。これと同時に、接合面に充
填された亜鉛合金はんだが表面張力の影響によって外部
へ流出してしまうという現象が確実に防止される。

【００１３】

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、図
面に基づいて説明する。

【００１５】まず、図１は本発明にかかるアルミニウム
の接合方法によって接合する各接合部材を示す断面図で
ある。そして、本発明にかかる接合方法においては、予
め亜鉛合金はんだ層１ａ，２ａが付された接合面１ｂ，
２ｂを有する第１接合部材１と第２接合部材２とを備え
ると共に、これら各接合部材１，２の少なくとも一方を
アルミニウムにより構成する。そして、接合面１ｂ，２
ｂの形状に対応した亜鉛合金はんだシート３を構成する
と共に、この亜鉛合金はんだシート３を両接合部材１，
２の接合面１ｂ，２ｂで挟持し、接合面領域を加熱して
亜鉛合金はんだシート３を溶融させると共に、この接合
面１ｂ，２ｂを均一に加圧しながら両接合部材１，２を
接合する、という手法を採っている。

【００１６】以下詳述すると、第１接合部材１及び第２
接合部材２は共にアルミニウム製のブロックであり、各
接合部材１，２の内部には、図１に示すように、流体ｘ
及び流体ｙ等が通る複数個の経路Ｘ１，Ｙ１、Ｘ２、Ｙ
２が形成されている。但し、接合部材１，２の材質とし
てはアルミニウム、アルミニウム合金同士に限定される
ものではなく、アルミニウムとそれ以外（例えば鉄材）
との接合に対しても適用することができる。

【００１７】また、上記した接合部材１，２の接合に際
しては、以下のような要求がある。即ち、各接合部材
１，２間の接合強度を十分に確保することはもちろんで
あるが、各経路Ｘ１とＹ１そしてＸ２とＹ２については
接合後もそれぞれ完全な気密性が保たれる必要もある。
より具体的には、流体ｘ及び流体ｙが相互に混合されな
いこと、そしてこれらの流体ｘ，ｙが外部に漏洩しない
ことである。

【００１８】次に、各接合部材について具体的に説明す
ると、各接合部材１，２の接合面１ｂ，２ｂには、予め
亜鉛合金はんだ層１ａ，２ａが付されている。この亜鉛
合金はんだ層１ａ，２ａは、各接合部材１，２を適切な
温度に昇温した後、図２に示すように、接合部材１また
は接合部材２の接合面１ｂ，２ｂを振動板１９に当接せ
しめて亜鉛合金はんだ浴１５中に浸漬し、振動板１９を
介して超音波振動を印加し、それぞれの接合面１ｂ，２
ｂに亜鉛合金はんだをコーティングしてなる。具体的な
設定条件等は後述する。

【００１９】ここで、超音波振動を印加して亜鉛合金は
んだ層を形成する装置の概要を説明すると、図２に示す
ように、ヒータ１７を内蔵したはんだ槽２０に、溶融し
た亜鉛合金はんだが満たされている。そして、この亜鉛
合金はんだ浴１５中に所定の振動板１９が配置されると
共に、この振動板１９に超音波ホーン２１が係合されて
いる。また、超音波ホーン２１には振動子２３が接合さ
れており、発振器２５からの信号に基づいて超音波振動
を発生するようになっている。以上が超音波振動による
亜鉛合金はんだ層形成装置の概要である。

【００２０】また、各接合部材１，２の相互間には、図
１に示すように、所定の亜鉛合金はんだシート３が配設
される。この亜鉛合金はんだシート３は、後述するよう
に各接合部材１，２同士を接合するために用いられる。
このため、亜鉛合金はんだシート３は、各接合部材１，
２の接合面１ｂ，２ｂの形状に対応した形状で構成され
ている。具体的に本実施形態にかかる亜鉛合金はんだシ
ート３は、各接合部材１，２に形成された経路Ｘ１，Ｙ
１，Ｘ２，Ｙ２に対応して所定の貫通穴４Ｘ，４Ｙが形
成されている。

【００２１】ここで、亜鉛合金はんだシート３の作製
は、凝固している亜鉛合金を熱間で圧延して薄板とした
後、プレス装置による打ち抜きで製造することができ
る。尚、本実施形態にかかる亜鉛合金はんだシート３は
平面状に構成されているが、各接合面１ｂ，２ｂに凹凸
が形成されている場合には、その凹凸に合わせて形成す
ることも本発明の適用上有効である。

【００２２】また、亜鉛合金はんだシート３は融点が上
記した亜鉛合金はんだ層１ａ，２ａの融点に対して±３
０〔℃〕以内のものとすることが好適である。そして、
厚さは０．１〔ｍｍ〕〜３．０〔ｍｍ〕程度に設定す
る。即ち、０．１〔ｍｍ〕以下では接合面１ｂ，２ｂの
相互間の僅かな隙間への亜鉛合金はんだの充填が不十分
となる。一方、３．０〔ｍｍ〕以上では、後の行程で溶
融した亜鉛合金はんだの液だれ現象が生じ問題となるか
らである。

【００２３】次に、以上のように構成された各接合部材
１，２を亜鉛合金はんだシート３を介して接合する工程
について説明する。先ず、図１に示すように接合部材
１，２の接合面１ｂ，２ｂの相互間に上記した亜鉛合金
はんだシート３を挟持する。そして、図３に示すように
各接合部材１，２を重ねたまま上方からおもりＷ１，Ｗ
２等で押圧しながら加熱炉４８内で加熱する。このとき
の加熱温度は、接合部材１，２に形成された亜鉛合金は
んだ層１ａ，２ａ及び亜鉛合金はんだシート３のうち
の、最も高い融点以上の温度とする。これにより、亜鉛
合金はんだ層１ａ，２ａ及び亜鉛合金はんだシート３の
すべてが融解するからである。

【００２４】そして、亜鉛合金はんだ層１ａ，２ａ及び
亜鉛合金はんだシート３が融解した後に、接合部材１，
２を加熱炉４８から取り出し、大気中でゆっくりと放冷
する。これにより、第１接合部材１と第２接合部材２の
相互間は融解した亜鉛合金はんだによって完全に充填さ
れ、図４に示すような気密性に優れた接合層Ｓが完成す
る。

【００２５】ここで、図５は、以上の接合工程を示す工
程図である。

【００２６】次に、本発明を適用した具体的な実施例と
して、板厚１０〔ｍｍ〕のＡＤＣ１２材製の第１接合部
材及び第２接合部材（テストピース）の接合を試みた。
当該接合における接合条件としては以下の通りである。
即ち、亜鉛合金はんだ層の形成には際しては、各接合部
材の予熱温度は３７０〔℃〕程度とし、融点が３５２
〔℃〕程度のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系のはんだを使用し、超
音波振動の発振器出力は３５０〔Ｗ〕としている。ま
た、超音波振動の印加時間は約６〔秒〕である。

【００２７】また、使用した亜鉛合金はんだシートは亜
鉛合金はんだ層と同成分系のものを使用し、その厚みは
約１．５〔ｍｍ〕に設定している。尚、亜鉛合金はんだ
シートの厚みは、１．５±０．３〔ｍｍ〕程度が好適で
ある。更に、亜鉛合金はんだシートを各接合部材で挟持
したあとの接合条件としては、接合部材の加熱温度を約
４００〔℃〕とし、その時の押圧力は約０．１〜１．０
〔Ｋｇ／ｃｍ²〕としている。

【００２８】ここで図６は、以上の接合条件で接合した
第１接合部材１Ａと第２接合部材２Ａ（テストピース）
の断面図を示す。この図からも判るように、各接合部材
１Ａ，２Ａの相互間に接合層３Ａ（Ｚｎ合金層）が認め
られ、両接合部材相互間の隙間に対する充填性が良く、
各経路Ａ，Ｂにおける気密性が十分に確保されている。

【００２９】また、本発明は他の具体的適用例として、
図７に示すような内燃機関のシリンダブロックの製造に
応用することができる。即ち、シリンダスリーブ（図示
略）を支えるデッキ部材４１と、クランクジャーナル部
４４やシリンダー部４５を有しながらウォータージャケ
ット（冷却水通路、Ｗ／Ｊ）４６がオープンデッキ状と
なっているシリンダブロック本体４３は、それぞれ別個
にアルミダイカスト鋳造される。

【００３０】そして、これらのデッキ部材４１およびシ
リンダブロック本体４３は、鋳造後に先ずフライス加工
により接合面４１ｂ，４３ｂの黒皮が除去される。この
黒皮の除去作業は、後行程の超音波振動印加によるはん
だ付け行程において、亜鉛合金はんだを各接合面４１
ｂ，４３ｂに適切に付着させるためである。具体的には
フライス加工後に図２に示したと同様の超音波はんだ付
け装置によって亜鉛合金はんだ層が接合面４１ｂ，４３
ｂに付される。

【００３１】以上のように亜鉛合金はんだ層が付された
デッキ部材４１及びシリンダブロック本体４３は、薄板
状の亜鉛合金はんだシート４７を挟んで相互に固定され
る。その後、デッキ部材４１及びシリンダブロック本体
４３を一体的に固定したまま、図８に示すようにこれら
を再度加熱炉４８内で加熱する。そして接合部材４１，
４３が所定温度になり亜鉛合金はんだ層及び亜鉛合金は
んだシートが溶融する。このとき、図８に示すように、
デッキ部材４１が下になるように載置する。これによ
り、シリンダブロック本体４３の自重Ｐが接合面に作用
して、接合面に滞留している余分な亜鉛合金はんだは外
部に流出し、全体の厚みが均一な接合層Ｓを得ることが
できる。

【００３２】シリンダブロック本体４３とデッキ部材４
１の接合後は、加熱炉４８から引き出して所定温度まで
冷却し、亜鉛合金はんだを凝固させる。そして、その後
シリンダボア穴の内周壁の切削等、従来の機械加工を施
し、シリンダスリーブ（図示略）の圧入等を行うこと
で、アルミダイカスト製のクローズドデッキ式のシリン
ダブロックが完成する。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明では、接合部材の接
合面に亜鉛合金はんだ層を形成すると共に、接合面相互
間に亜鉛合金はんだシートを挟持してこれらを接合する
こととした。このため、接合面全体にわたり厚みが均一
な接合層を形成することができる、という優れた効果を
生じる。またこれに伴い、接合部材に流体等が流れる経
路が形成されている場合でも、接合後の各経路の耐圧性
及び気密性を十分に確保することができる、という優れ
た効果を生じる。

【００３４】また、本発明では各接合部材を相互に当接
させた後は、接合のための特別な超音波接合装置等を必
要としない。このため、設備コストを抑制することがで
きるのはもちろんのこと、作業行程が簡略化されること
により時間的な製造効率を向上させることができる、と
いう優れた効果を生じる。

【００３５】また、簡易な形状の亜鉛合金はんだシート
を利用することができるので、特別複雑な装置や部材を
必要とせずに所望の接合層を形成することができる、と
いう優れた効果を生じる。

【００３６】さらに、亜鉛合金はんだシートの厚みを
０．１〜３．０〔ｍｍ〕程度に設定することとした。こ
のため、接合部材相互間の僅かな隙間にも溶融した亜鉛
合金はんだが充填されると共に、接合面に充填された亜
鉛合金はんだが表面張力の影響によって外部へ流出して
しまうという現象を確実に防止できる、という優れた効
果を生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す断面図であり、各接
合部材と亜鉛合金はんだシートを当接させる前の状態を
示す。

【図２】接合部材の接合面に亜鉛合金はんだ層を形成す
る装置の概略を示す断面図である。

【図３】各接合部材及び亜鉛合金はんだシートが当接さ
れ加熱炉内で加熱されている状態を示す断面図である。

【図４】第１接合部材及び第２接合部材が接合されて一
体となった状態を示す断面図である。

【図５】本発明の接合工程を説明する工程図である。

【図６】接合部材の接合面近傍の金属組織を表わす写真
である。

【図７】本発明をシリンダブロックの製造に適用する場
合を示す断面図である。

【図８】図７に開示したシリンダブロックを加熱炉内で
加熱している状態を示す断面図である。

【図９】従来の接合方法により接合された接合部材を示
す断面図である。

【符号の説明】１第１接合部材１ａ亜鉛合金はんだ層１ｂ接合面２第２接合部材２ａ亜鉛合金はんだ層２ｂ接合面３亜鉛合金はんだシート１５亜鉛合金はんだ浴４８加熱炉Ｓ接合層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩ // Ｂ２３Ｋ 103:10 Ｂ２３Ｋ 103:10 (56)参考文献特開昭50−75965（ＪＰ，Ａ) 特開平３−285762（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 1/00 - 1/20 B23K 35/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】予め超音波振動を印加しながらコーティ
ングされた亜鉛合金はんだ層が付された接合面を有する
第１接合部材と第２接合部材とを備えると共に、これら
各接合部材の少なくとも一方をアルミニウムにより構成
し、前記接合面の形状に対応しその融点を前記亜鉛合金はん
だ層の融点に対して±３０℃以内に設定した亜鉛合金は
んだシートを形成すると共に、この亜鉛合金はんだシー
トを前記両接合部材の接合面で挟持し、前記接合面領域を前記亜鉛合金はんだ層及び亜鉛合金は
んだシートのうちの最も高い融点以上の温度で加熱して
前記亜鉛合金はんだシートを溶融させると共に、この接
合面を均一に加圧しながら両接合部材を接合することを
特徴としたアルミニウムの接合方法。
【請求項２】予め亜鉛合金はんだ層が付された接合面
を有する第１接合部材と第２接合部材とを備えると共
に、これらの各接合部材の少なくとも一方をアルミニウ
ムにより構成し、前記接合面の形状に対応しその厚みが０．１ｍｍ〜３ｍ
ｍに設定された亜鉛合金はんだシートを形成すると共
に、この亜鉛合金はんだシートを前記両接合部材の接合
面で挟持し、前記接合面領域を加熱して前記亜鉛合金はんだシートを
溶融すると共に、この接合面を均一に加圧しながら両接
合部材を接合することを特徴とするアルミニウムの接合
方法。