JP3546626B2 - 構造材の接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造材の接合方法に係り、特にアルミニウム合金からなる構造材を、超音波振動の印加を利用した超音波はんだ付け法で接合する構造材の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、構造材の接合方法としては以下のようなものがあった。例えば、自動車用エンジン等の水冷式内燃機関のシリンダブロックは、近年特にアルミ化が進展している。ここで、シリンダブロックの形式としては、いわゆるクローズドデッキ式のものとオープンデッキ式のものがある。
【０００３】
ここで、オープンデッキ式とは、シリンダの周囲部全体に冷却水通路が形成されており、シリンダブロックの上端面の冷却水通路の周囲部全体が解放されて、冷却水通路がメガネ状に形成されているものである。このオープンデッキ式のものは、通常ダイカスト鋳造法により製造されている。ところで、オープンデッキ式のシリンダブロックは、冷却水通路の上端部全体が開放されているので、この領域の強度が低く、運転時のシリンダ内での燃焼による振動や騒音が生じ易い。このため、従来より、以下のような改良が提案されている。
【０００４】
即ち、シリンダブロックの強度を向上させることを目的として、例えば、特開平１−１００３５２号公報では、冷却水通路の開口部の一部に、所定形状のピース部材を溶接固定する、という提案がなされている。また、特開平１−１４７１４５号公報では、上記した従来例と同様に所定のピース部材を冷却水通路の開放部に溶接固定するものであるが、特に、ピース部材をシリンダブロック本体より高融点のアルミ合金により構成するものである。また実開平２−１０５５５７号公報では、所定のプラグ部材（ピース部材）をシリンダブロック本体より融点の低い材質で構成し、これをシリンダブロック本体に対してアークまたはレーザーなどの熱源により加熱して溶着するものである。
【０００５】
また、エンジンから発生する振動や音の対策としては、以下のようなものが提案されている。即ち、エンジンを車体のエンジンマウントに固定する際に、ゴム等の弾性材を主成分としたダンパ部材を介して設置するようにしている。これは、エンジンから発生した振動や音が車体に直接伝達しないようにするためである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各従来例には以下のような不都合があった。例えば、ダイカスト鋳造法でオープンデッキ式のシリンダブロック本体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、通常の溶接方法（レーザー、アーク溶接等）で接合部材を構造材としてのシリンダブロック本体に接合しても、ガス欠陥が顕著に出現して十分な機械的接合強度を得ることができない、という不都合を生じていた。
【０００７】
また、シリンダブロック本体の材質より低融点の金属材料を所定の熱源の熱により融解させて接合する従来例でも、以下のような不都合がある。即ち、鋳造後のシリンダブロック本体のアルミニウム合金の地肌は、強固な酸化被膜が形成されており、既存の溶接法等では強固に溶着させることはできない。また、フラックス等を用いて表面処理をした後溶着する場合でも、接合強度を十分に確保することは困難である。逆に、フラックスによるアルミ部材の不要な腐食等を誘発する、という不都合を生じていた。
【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、接合強度に優れた構造材を簡易に製造し得る構造材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、相互に近接対向する少なくとも２つの接合面を有する構造材と、各接合面の相互間に嵌合されて各接合面間を相互に接合する接合部材とを備え、構造材及び接合部材を溶融亜鉛合金はんだ浴に浸漬しながら超音波振動を印加して、構造材の接合面及び接合部材の表面に亜鉛合金はんだ層を形成する。そして、しかる後、構造材の接合面に接合部材を嵌合し、一体化された構造材及び接合部材を溶融亜鉛合金はんだ浴に浸漬すると共に、一体化された構造材及び接合部材の一部に超音波振動を印加して構造材の接合面間を接合する、という構成及び方法を採っている。
【００１０】
以上のように構成されたことにより、構造材及び接合部材に溶融亜鉛合金はんだ浴内で超音波振動が印加されて、構造材の接合面及び接合部材の表面に亜鉛合金はんだ層が形成される。そして、これら構造材及び接合部材の温度が低下する前に、接合部材を構造材の接合面に嵌合する。その後、一体となった構造材と接合部材を再度溶融亜鉛合金はんだ浴に浸漬する。ここで浸漬するのは、構造材の接合面と接合部材の近傍領域である。そして、接合部材又は構造材に対して超音波振動を印加して、接合面に摩擦エネルギを付与し、亜鉛合金はんだ層を再度溶融させる。最後に構造材を溶融亜鉛合金はんだ浴から引き上げ、自然冷却させれば、構造材の接合が完了する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を、図１ないし図９に基づいて説明する。
【００１２】
本発明にかかる構造材の接合方法の概略を説明すると、相互に近接対向する少なくとも２つの接合面を有する構造材と、各接合面の相互間に嵌合されて各接合面間を相互に接合する接合部材とを備え、構造材及び接合部材を溶融亜鉛合金はんだ浴に浸漬しながら超音波振動を印加して、構造材の接合面及び接合部材の表面に亜鉛合金はんだ層を形成する。しかる後、構造材の接合面に接合部材を嵌合し、一体化された構造材及び接合部材を溶融亜鉛合金はんだ浴に浸漬すると共に、接合部材に超音波振動を印加して構造材の接合面間を接合することを特徴としている（図１参照）。
【００１３】
以下詳細に説明すると、本実施形態にかかる構造材３は、図２に示すように、上端部領域にＶ字溝２を有しており、アルミニウム合金のダイカスト鋳物によって形成されている。そして、このＶ字溝２が接合部材５との接合面９となる。また、接合部材５は、構造材３のＶ字溝２に対応するように断面台形に形成されており、この接合部材５もアルミニウム合金のダイカスト鋳物からなる。ここで、構造材３及び接合部材５の具体的な材質としては、一般的に用いられているＡＤＣ１０，ＡＤＣ１２そしてＡＤＣ１４等である。
【００１４】
ダイカスト鋳造によって構造材３が鋳造されたのち（図１中のＳ１）、所定の機械加工を経て、また構造材３が予熱される（図１のＳ２）。これは、後述する亜鉛合金はんだ層を形成する際に、構造材３と亜鉛合金はんだとの結合性を向上させるためである。予熱温度としては、接合に用いる亜鉛合金はんだの融点との関係で決定されるものであり、具体的には、融点以上で且つ融点から約５０〔℃〕程度高い温度を上限としている。例えば、本実施形態では約３７０〔℃〕としている。
【００１５】
次に、予熱された構造材３が、図３に示すように、溶融亜鉛合金はんだ浴１５に浸漬され、振動板１７の上に担持される。そして、構造材３の接合面９が溶融した亜鉛合金はんだ１５に充分に接触する深さまで浸漬される（図１のＳ３）。次に、構造材３を担持している振動板１７に超音波振動が印加される（図１のＳ４）。この振動板１７に印加された超音波振動は、構造材３に伝達される。
【００１６】
本実施形態において接合に使用される溶融亜鉛合金はんだ浴１５は、Zn−Al−Mg系のものである。そして、この溶融亜鉛合金はんだ浴１５が溶融亜鉛合金はんだ槽１９において４００［℃］程度で保持されている。溶融亜鉛合金はんだ槽１９の温度を維持しているのは、内部に装備されているヒータ１８である。また、具体的な超音波振動の印加条件としては、周波数を約１９［ＫＨｚ］程度に設定し、発振器出力は約３５０［Ｗ］の範囲で印加する。また、具体的印加時間としては、構造材３が溶融亜鉛合金はんだ浴１５に浸漬されて３０〔秒〕程度経過した後、約９〔秒〕程度印加される。これにより、図４に示すように、構造材３の接合面９に亜鉛合金はんだ層３ａが形成される（図１のＳ５）。尚、図４における亜鉛合金はんだ層３ａの厚みは、説明の便宜上誇張したものであり、実際には薄いものである。
【００１７】
ここで、超音波振動を構造材３に印加するための装置について詳述すると、上記したように、溶融亜鉛合金はんだ浴１５を保持しているのは、ヒータ１８付の溶融亜鉛合金はんだ槽１９であり（図３参照）、溶融亜鉛合金はんだ浴１５の温度を上記した所定値に維持している。また、振動板１７には、超音波発振装置２１が係合されており、超音波振動が伝達されるようになっている。この超音波発振装置２１は、上記振動板１７に直接振動を付与するホーン２３と、このホーン２３に振動を伝える振動子２５と、当該振動子２５に発振信号を伝達する発振器２７とにより構成される。
【００１８】
一方、接合部材５の製造に際しては、上記したように、ダイカスト鋳造により構造材３の接合面９に嵌合できるような形状及び大きさで形成される（図１のＳ１１）。但し、製造法としてはダイカスト鋳造には限定されず、例えば、展伸材から所定形状を削り出して製造するようにしてもよい。また、接合強度を向上させるために、構造材３の接合面９に対向する側を機械加工して、滑らかにするようにしてもよい。
【００１９】
その後は、構造材３の場合と同様に、３７０［℃］程度に予熱され（図１のＳ１２）、また溶融亜鉛合金はんだ浴１５に浸漬され（図１のＳ１３）、超音波振動を印加される（図１のＳ１４）。このとき、超音波振動の印加条件としては、上記した構造材３の場合とほぼ同様である。但し、接合部材５に対する超音波振動の印加時間は約５［秒］程度としている。以上により、接合部材５の表面に亜鉛合金はんだ層５ａが形成される（図１のＳ１５）。ここで、仮に接合部材５全体を溶融亜鉛合金はんだ浴１５中に浸漬すると、接合部材５の全体に亜鉛合金はんだ層５ａが形成されるが、特に製造上は問題とならない。
【００２０】
尚、亜鉛合金はんだ層５ａの形成機構を説明すると、まず、溶融亜鉛合金はんだ浴１５中に設置されている振動板１７に超音波振動を印加することによってキャビテーションが発生する。次に、この発生したキャビテーションによって、構造材３の接合面９や接合部材５の表面の酸化被膜が破壊されて活性な金属面が現れる。そして、この活性金属面と溶融亜鉛合金はんだ浴１５の亜鉛との間で合金反応が生じ、これによって、亜鉛合金はんだ層５ａが形成される。
【００２１】
次に、構造材３の接合面９に接合部材５を嵌合して接合面９の相互間を接合する行程について説明する。上記の如く、図４に示すように、亜鉛合金はんだ層３ａ，５ａが形成された構造材３と接合部材５が用意され、続いて、図５に示すように、接合部材５が構造材３の接合面９に嵌合される（図１のＳ２１）。そして、接合部材５の上部から押圧用のプレス部材２３ａが当接し、構造材３の接合面９に対して接合部材５を大きな力で押圧する（図１のＳ２２）。なお、プレス部材２３ａによる押圧の方法としては、衝撃力を付与しても良いし、大きな力を徐々に加えるようにしてもよい。
【００２２】
次に、構造材と接合部材とは予熱又は保温される（図１のＳ２３）。これは、構造材及び接合部材が製造されたあと、長時間放置された場合には、これら構造材等の温度が低下してしまい、適切に両者を接合できないからである。ここで、構造材及び接合部材を加熱する装置としては、構造材及び接合部材を収納できる加熱炉（図示略）を用いても良いし、また、所定のバーナー装置（図示略）を用いてもよい。但し、構造材及び接合部材の製造直後に接合する場合には、両者は高温に維持されているので、そのまま次の行程に進む（図１の点線）。
【００２３】
続いて、接合部材５が接合面９に嵌合された構造材３は、図６に示すように、再び溶融亜鉛合金はんだ浴１５に浸漬される（図１のＳ２４）。具体的には、接合部材５及び構造材３の一部分が溶融亜鉛合金はんだ浴１５に接触するように、所定の深さまで浸漬される。そして、構造材３等に亜鉛合金はんだ層３ａ，５ａを形成した時と同様に、超音波振動が印加される（図１のＳ２５）。
【００２４】
超音波振動の印加は、具体的には接合部材５の嵌合された側が振動板１７に対向して担持され、即ち、振動板１７から接合部材５を通して接合面９に超音波振動が印加される。このとき、構造材３の上方から所定の押圧力を付与するようにする。但し、構造材３自体に充分な重量がある場合には、構造材３の自重によって接合面９には一定の圧力が発生するので、特に外部から押圧力を付与する必要はない。また、超音波振動を印加する装置は、構造材３の接合面９及び接合部材５の表面に亜鉛合金はんだ層３ａ，５ａを形成したものと同様である。
【００２５】
以上のような行程を経ることにより、構造材３と接合部材５は一体となり、最後に一体となった構造材３及び接合部材５を放冷することにより、構造材３の接合が完了する。本発明では、従来接合の最終行程で用いられていた超音波接合装置が不要となり、亜鉛合金はんだ層を形成するための装置を流用できる。
【００２６】
〔実施例〕
次に、本発明にかかる構造材の接合方法を車両の内燃機関に用いられるシリンダブロックに適用した場合について説明する。図７は、構造材としてのシリンダブロック本体３３に形成された冷却水通路３９の上端部に、アルミニウム合金の接合部材３５を嵌合した状態を示す断面図である。ここで、接合に際しての具体的な超音波振動の印加条件としては、周波数を約１９［ＫＨｚ］程度に設定し、発振器出力は約３５０［Ｗ］の範囲で印加する。また、具体的印加時間としては、シリンダブロック本体３３及び接合部材３５が溶融亜鉛合金はんだ浴１５に浸漬されて１０〔秒〕程度経過した後、約９〔秒〕程度超音波振動が印加される。
【００２７】
図７に示すように、冷却水通路３９の上端部を相互に接合することにより、シリンダブロック本体３３の上部領域の強度を高めることができる。また図８は、冷却水通路３９の上端部に嵌合された接合部材３５の断面を示す金属組織写真である。図８中の略矩形形状のものが接合部材である。図８から判るように、両者は良好に接合されている。更に、図９は、シリンダブロック本体３３と接合部材３５との境界領域の断面を拡大した金属組織写真であり、特に、図８における丸印の領域を示している。この図９から判るように、シリンダブロック本体３３の接合面と接合部材３５との間に適切に亜鉛合金はんだ層が形成され、欠陥等がなく両者が強固に接合されている。尚、図９に示す金属組織写真は、倍率が約１００倍で１％ＨＦ腐食によるものである。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成され機能するので、これによると、構造材の接合行程が簡略化され、接合作業に要する時間を短縮化できる、という優れた効果を生じる。特に、超音波接合機（押圧しながら超音波振動を印加する装置）が不要となり、製造ラインの短縮化及び小スペース化が可能となる、という優れた効果を生じる。
【００２９】
また、構造材に接合部材を嵌合し、その後に溶融亜鉛合金はんだ浴内で超音波振動を印加するので、両者が強固に接合されると共に、接合面における気密性も向上する、という優れた効果を生じる。
【００３０】
また、構造材の接合面及び接合部材に、接合の前処理として予め亜鉛はんだ層を形成しておくので、超音波はんだ付けにより両者が一体となった時に接合面に所定の亜鉛合金が適切に生成され、機械的強度に優れたシリンダブロックを製造することができる、という優れた効果を生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構造材の接合方法のフローチャートを示す。
【図２】本発明にかかる構造材及び接合部材を示す斜視図である。
【図３】構造材の接合面に亜鉛合金はんだ層を形成する装置の概略説明図である。
【図４】亜鉛合金はんだ層が形成された構造材に接合部材を嵌合する場合を説明する断面図である。
【図５】構造材に接合部材が嵌合された後所定の押圧力を付与する状態を説明する断面図である。
【図６】一体となった構造材と接合部材に再度超音波振動を印加する場合を説明する断面図である。
【図７】本発明を適用したシリンダブロック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の接合部材近傍における断面の金属組織写真を示す。
【図９】図８に開示した金属組織写真の内、シリンダブロック本体と接合部材との接合領域を拡大した金属組織写真である。
【符号の説明】
３ 構造材
３ａ 亜鉛合金はんだ層
５ 接合部材
５ａ 亜鉛合金はんだ層
９ 接合面

Claims (1)

1. 相互に近接対向する少なくとも２つの接合面を有する構造材と、前記各接合面の相互間に嵌合されて各接合面間を相互に接合する接合部材とを備え、
   前記構造材及び前記接合部材を溶融亜鉛合金はんだ浴に浸漬しながら超音波振動を印加して、前記構造材の接合面及び接合部材の表面に亜鉛合金はんだ層を形成し、
   しかる後、前記構造材の接合面に前記接合部材を嵌合し、一体化された前記構造材及び前記接合部材を溶融亜鉛合金はんだ浴に浸漬すると共に、一体化された前記構造材及び前記接合部材の一部に超音波振動を印加して前記構造材の接合面間を接合したことを特徴とする構造材の接合方法。