JP5037102B2

JP5037102B2 - 高導電性被接合物の拡散接合方法

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Publication number: JP5037102B2
Application number: JP2006326676A
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Inventors: 佐々木　　広治
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Priority date: 2006-12-04
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Publication date: 2012-09-26
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Description

本発明は、様々な同種又は異種の金属材料からなる被接合物、特に導電性が高い銅部材と銅部材など従来の溶接方法では接合が極めて困難とされていた高導電性被接合物同士、あるいは高導電性被接合物とこれよりも導電性が低い他の被接合物とを拡散接合するのに適したプロジェクション構造を有する高導電性被溶接物及びその拡散接合方法に関する。

同種の金属材料同士や、鉄系材料とステンレス材料、あるいは鉄系材料と銅材料、又は鉄系材料とアルミニウム材料、更には銅材料又はアルミニウム材料と鉄系材料、ステンレス材料、黄銅など、融点や導電率など特性の異なる異種金属材料を接合する方法が種々提案されているが、異種金属材料の接合は硬ロウによる接合、あるいは超音波接合、又はかしめ、ボルト締めなど機械的な結合などによって、接合される場合が多かった。また、同種の金属材料同士の接合でも、導電率が非常に良好な銅材料と銅材料同士、又はアルミニウム材料とアルミニウム材料同士の接合なども同様の手段で行われていたが、このような接合方法では、導電率が非常に良好な銅材料、アルミニウム材料を用いるという用途から見て、それらの接合部の抵抗を無視できるほどには小さくできない。このような理由もあって、導電率が非常に良好な銅材料同士、アルミニウム材料同士、又は銅材料とアルミニウム材料との拡散接合は特に難しいとされている中、界面抵抗を小さくできる抵抗溶接を行う努力が既に行われており、下記のような処理工程を予め行うことによって銅材料とアルミニウム材料との抵抗溶接を可能にする改良技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この方法は、銅材料とアルミニウム材料とを直接抵抗溶接することはできないので、抵抗溶接前に予め銅材料の接合表面にスズ膜を形成し、更に処理を行ってその銅材料とスズとの界面に銅とスズとの固溶を生成させたスズ被覆層を形成した後に、そのスズ被覆層とアルミニウム材料とを接触させ、その固溶生成させたスズ被覆層を銅材料とアルミニウム材料との間に介在させた状態で加圧し、溶接電流を流して抵抗溶接を行うものである。この抵抗溶接方法を実現するのは、コンデンサ式溶接機ではなくインバータ式溶接機を用いて、高周波の溶接電流を銅材料とアルミニウム材料とに流し、銅材料とアルミニウム材料との接合部を溶融させて溶融した銅とアルミニウムとを互いに混じり合わせたナゲットを形成して溶接を行うものである。また、異種金属の接合に当たっては、予め異種金属の拡散接合部を最適な特殊形状に加工することによって良好な接合結果が得られる拡散接合方法、及び接合装置が既に報告されている（例えば、特許文献２〜５参照）。また、拡散接合時にアルミニウム又はマグネシウムなどの接合面の酸化膜や汚れを除去する酸洗いなどの前処理を不要にするために、被接合物の双方にプロジェクションを形成し、それらプロジェクションの頂部同士を当接させて接合する方法も開示されている（例えば、特許文献６参照）。
特開２００１−０８７８６６公報特開平０８−１１８０４０号公報特開平１０−１２８５５０号公報特開平１０−１５６５４８号公報特開平１１−０３３７３７号公報特開２００２−１０３０５６公報

しかし、前掲特許文献１で開示された抵抗溶接方法にあっては、銅材料の接合表面にスズ膜を形成し、更に銅とスズとの固溶層を形成した上で銅材料とアルミニウム材料との接合部にナゲットを形成する溶接方法であるので、溶接前に低融点金属膜であるスズ膜を形成しなければならない。このことはスズ膜をメッキなどで形成した上で銅とスズとの固溶層を形成する工程が必要であること、及び銅材料とアルミニウム材料との溶接部にスズ材料が混入するために、溶接部での抵抗が大きくなるという欠点がある。また、相互の導電性の高い金属を溶融させてナゲットを形成するには極めて大きな溶接電流を流さなければならず、この点も大きな問題であるが、溶融することによって形成されるナゲットの熱によって溶融部のスズがチリとなって勢いよく飛散するという問題点もある。

前掲の特許文献２〜５に記載されている接合部の構造は特定の構造の異種金属材料からなる被接合物に適しているが、特に銅材料と銅材料、又はアルミニウム材料とアルミニウム材料、あるいは銅材料とアルミニウム材料との拡散接合、あるいは銅材料又はアルミニウム材料とそれらよりも導電性の低い金属材料との拡散接合にはそのまま適用することが難しく、前掲特許文献４又は前記特許文献５に開示されている接合装置をもってしても安定な接合結果を得難い。前掲の特許文献６に記載されているように、銅材料とアルミニウム材料との双方にプロジェクションを設けて互いに突合せて接合しても、アルミニウム材料と銅材料の塑性流動化に時間的なずれが生じるために十分に安定な接合結果が得られず、また、プロジェクション同士の位置合わせを行い、その位置合わせ状態を保持しながら接合を行わねばならないなどの問題があり、実際の製造ラインに特許文献６に記載されている拡散接合方法を用いることは難しい場合が多い。

本発明は前述の問題点を解決し、拡散接合面にスズ膜のような低融点金属膜を形成しなくても、銅材料又はアルミニウム材料などの導電率が非常に高い高導電性被接合物同士の拡散接合、又はこのような高導電性被接合物とこれよりも導電性の低いステンレス、鉄又は黄銅などの金属材料からなる他の被接合物との拡散接合が可能であり、かつ簡単で安価に接合強度の高い接合結果が得られる構造を有する高導電性被接合物及び拡散接合方法を提供することを主目的としている。

第１の発明は、接合側面から突出する環状のプロジェクションを備える高導電性被接合物と平坦な接合面を有する他の被接合物との間にパルス状の接合電流を通電し、前記高導電性被接合物と前記他の被接合物とを拡散接合して拡散接合面を形成する拡散接合方法であって、前記環状のプロジェクションの内周面の延長線と外周傾斜面の延長線とが交わる角度は６０〜１２０度の範囲にあり、前記環状のプロジェクションに囲まれた前記接合側面の中央面域には、前記接合側面よりも低くなる深さを有し、前記高導電性被接合物と前記他の被接合物とが拡散接合されるときに、前記環状のプロジェクションの塑性流動した金属材料を収容するに足りる容積を有する凹所又は内周溝を備え、前記環状のプロジェクションの根元面域が前記拡散接合面となるような加圧力を前記高導電性被接合物の前記環状のプロジェクションと前記他の被接合物の前記平坦な接合面との間に印加した状態で前記接合電流を通電し、前記高導電性被接合物の前記接合側面と同じ水平面にある前記環状のプロジェクションの根元面域で前記高導電性被接合物と前記他の被接合物とを拡散接合することを特徴とする高導電性被接合物の拡散接合方法を提供する。

第２の発明は、前記第１の発明において、前記高導電性被接合物は銅又は銅合金、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする高導電性被接合物の拡散接合方法を提供する。

第３の発明は、前記第１の発明又は前記第２の発明において、前記接合電流は、電流がピーク値までに立ち上がるのに要する時間が１０ｍｓ以下のパルス状電流であることを特徴とする高導電性被接合物の拡散接合方法を提供する。

本発明によれば、プロジェクションの形状にかかわらず、接合電流の通電する際、高導電性被接合物と他の被接合物との拡散接合面が前記環状のプロジェクションの根元面域に等しくなるために、拡散接合面を大きくでき、かつ加圧面積がプロジェクションの塑性流動化した金属材料に分散されないから所要の加圧力を拡散接合面に印加することができる。したがって、拡散接合部の接合強度を効率よく向上させることができ、接合強度を安定化させることが可能である。

[実施形態１]
金属材料の拡散接合は、接合電流が流れるときに金属材料同士の当接面での接触抵抗及び金属材料の有する抵抗が生じる発熱によって双方の金属材料の当接面で塑性流動化、つまり軟化が起こり、接合が行われる。しかしながら、銅材料又はアルミニウム材料の抵抗率は極めて小さいためにその抵抗及び接触抵抗により発熱する発熱量が不足し、要求される接合強度が極めて小さい場合を除いて、満足の行く拡散接合強度を得るのは難しい。要求される接合強度が極めて小さい拡散接合は可能であっても、現実に要求される接合強度を満足するには、銅材料又はアルミニウム材料からなる高導電性被接合物の接合部の形状や表面状態、接合電流の条件、接合装置の諸々の特性など種々の制約が厳しいので実際の製造ラインに適用することは難しかった。

本発明では、高導電性被接合物同士の拡散接合、あるいは高導電性被接合物とステンレス材料、黄銅（真鍮）、鉄などのような他の金属材料との拡散接合のメカニズムについて研究した結果、ある接合条件下では拡散接合強度を向上させることができることを確認した。この点について、図１によって本発明に係る高導電性被接合物Ｗ１の実施形態１を説明しながら述べる。図１（Ａ）は高導電性被接合物Ｗ１を上面から見た図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の切断線Ｘ−Ｘ’での縦断面を示す図である。先ず、本発明が適用できる範囲は一般的な様々な同種の金属材料からなる被接合物同士、あるいは様々な異種の金属材料からなる被接合物などの拡散接合であるが、特に実施形態１では拡散接合が極めて難しいとされている銅又は銅合金（以下、銅材料という。）、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウム材料という。）からなる高導電性被接合物Ｗ１の拡散接合を例として以下に説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）において、高導電性被接合物Ｗ１の接合側面Ｓ１には接合側面Ｓ１から突出する円環状のプロジェクションＰが形成されている。円環状のプロジェクションＰは、小さな円環状幅の頂部面Ｐ１、内周傾斜面Ｐ２、外周傾斜面Ｐ３を有する。環状のプロジェクションＰの場合には、環状の頂部面Ｐ１と他の被接合物Ｗ２との接触面積が従来の円錐台形状のプロジェクションと同程度の大きさであっても、環状のプロジェクションＰの環状の線接触面積は従来の点状面積の場合に比べて実質的に広い面域となり、拡散接合面積を大きくすることができ、熱バランスもよいので接合強度を向上させることができる。したがって、この実施形態１では高導電性被接合物Ｗ１に縦断面が台形状の円環状プロジェクションＰを形成している。

円環状のプロジェクションＰに囲まれた面域には内周傾斜面Ｐ２に近接して接合側面Ｓ１よりも深い円筒状の凹所Ａが形成されている。凹所Ａは、拡散接合時に塑性流動化する円環状のプロジェクションＰの金属材料を収容するに足りる容積を有する。凹所Ａの形状は限定されるものでなく、拡散接合時に塑性流動化する円環状のプロジェクションＰの金属材料が加圧力によって凹所Ａに入り易い構造であればよい。好ましくは、拡散接合時に塑性流動化する円環状のプロジェクションＰの金属材料がほぼすべて凹所Ａに収容され、かつ凹所Ａは空部が生じない程度の容積を有するのが好ましい。

ここで、円環状のプロジェクションＰについてもう少し詳しく説明する。図１（Ｂ）に破線で示した内周傾斜面Ｐ２の延長線と外周傾斜面Ｐ３の延長線とが交わる角度を、ここでは環状のプロジェクションＰの縦断面の開き角度θと言う。この開き角度θは６０〜１２０度の範囲内にあるのが好ましい。開き角度θが６０度を下回る場合には、高導電性被接合物Ｗ１の接合側面Ｓ１とほぼ同じ水平面にある円環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４（破線で示す）と頂部面Ｐ１の面積との差が小さいために、プロジェクションとして十分に作用せず、接合電流のピーク値を調整しても環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４で良好に拡散接合が行われず、所望の拡散接合強度を得難いという問題がある。

また、開き角度Θが１２０度を上回る場合には、高導電性被接合物Ｗ１の接合側面Ｓ１と同じ水平面にある環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４（破線で示す）と頂部面Ｐ１の面積との差が大き過ぎるために、プロジェクションＰの塑性流動化の過程で所要の加圧力をかけられないこともあり、接合電流のピーク値を調整しても環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４で良好に拡散接合が行われず、所望の拡散接合強度を得難いという問題がある。したがって、実施形態１の高導電性被接合物は、好ましくはこのような範囲で比較的小さな角度を有する円環状のプロジェクションＰを備えると共に、その円環状のプロジェクションＰに囲まれた面域に凹所Ａを有するから、拡散接合時に塑性流動化したプロジェクションＰの金属材料が凹所Ａに収容され、良好な拡散接合を行われるので、拡散接合強度を向上させることができる。

[実施形態２]
図２によって本発明に係る高導電性被接合物Ｗ１の実施形態２について説明する。図２は高導電性被接合物Ｗ１の縦断面を示している。基本的には実施形態１の高導電性被接合物Ｗ１と同じであるので、異なる箇所について説明する。高導電性被接合物Ｗ１に形成された円環状のプロジェクションＰは、円環状の小さな幅の頂部面Ｐ１、ほぼ垂直な内周面Ｐ２’、外周傾斜面Ｐ３を有する。円環状のプロジェクションＰに囲まれた高導電性被接合物Ｗ１には逆円錐状の凹所Ａが形成されている。凹所Ａは円環状のプロジェクションＰの塑性流動化した金属材料をほぼ全部収容できる程度の容積を有するのが好ましい。

実施形態２の円環状のプロジェクションＰは、内周面Ｐ２’がほぼ垂直で、外周傾斜面Ｐ３がなす開き角度、つまり外周傾斜面Ｐ３の延長線が交わる点を頂点とする円錐形状の開き角度が６０〜１２０度の範囲内の傾斜面であることから、拡散接合時に円環状のプロジェクションＰの外周側に比べて内周側が塑性流動化し易く、円環状のプロジェクションＰの塑性流動化した金属材料は凹所Ａに入り込みやすいので、その塑性流動化した金属材料のほぼ全部が凹所Ａに収容される。したがって、実施形態２の高導電性被接合物は円環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４により等しい又はより近傍の円環状の面域で拡散接合が良好に行われ、所望の接合強度を得ることができる。実施形態２の高導電性被接合物は、比較的加圧力を小さく抑えたい場合、あるいは比較的接合強度が小さくてもよい場合に適する。

[実施形態３]
図３によって本発明に係る高導電性被接合物Ｗ１の実施形態３について説明する。図３は高導電性被接合物Ｗ１の断面を示している。実施形態１、２は円環状のプロジェクションＰの外径がほぼ１０ｍｍ以下、好ましくは７ｍｍ以下の場合に適しているが、実施形態３は大きな接合強度が要求され、その要求に応えるために円環状のプロジェクションＰの外径がほぼ１０ｍｍを越える場合に適している。この実施形態３の高導電性被接合物Ｗ１も基本的には実施形態１、２の高導電性被接合物Ｗ１と同じであるので、異なる箇所について説明する。高導電性被接合物Ｗ１に形成された円環状のプロジェクションＰは、円環状の幅の頂部面Ｐ１、ほぼ垂直な内周面Ｐ２’、外周傾斜面Ｐ３がなす開き角度、つまり外周傾斜面Ｐ３の延長線が交わる点を頂点とする円錐形状の開き角度が６０〜１２０度の範囲内にあって比較的大きな傾斜角度を有する外周傾斜面Ｐ３を有する。円環状のプロジェクションＰに囲まれた高導電性被接合物Ｗ１には円環状のプロジェクションＰに沿って円環状の内周溝Ａ’が形成されている。

円環状の内周溝Ａ’は、円環状のプロジェクションＰの塑性流動化した金属材料をほとんどすべて収容できる大きさの容積を有するように形成されている。したがって、この実施形態３においても、接合電流の通電によって塑性流動化する円環状のプロジェクションＰの金属材料は円環状の内周溝Ａ’に容易に入り込んで収容されるので、高導電性被接合物Ｗ１と被接合物Ｗ２との拡散接合は、高導電性被接合物Ｗ１の接合側面Ｓ１にほぼ等しい円環状のプロジェクションＰの円環状の根元面域Ｐ４で行われる。実施形態３では、実施形態１、２に比べて円環状のプロジェクションＰの径、及び外周傾斜面Ｐ３の開き角度を大きくしているから、円環状のプロジェクションＰの円環状の根元面域Ｐ４を大きくすることができ、したがって、実施形態３は実施形態１、２に比べて大きな接合強度を得たい場合に適する。この場合には、当然に接合電流及び加圧力を大きくすることが必要である。

以上の実施形態１〜３に示した円環状のプロジェクションＰ、凹所Ａ、内周溝Ａ’の形状は例であって、それらの形状に限定されるものではない。例えば、環状のプロジェクションＰは２段形のプロジェクション、つまり下側に接合強度を決める１段目のプロジェクションと、そのプロジェクションの上に塑性流動化し易い２段目のプロジェクションとからなるものであってもよい。なお、他の被溶接物Ｗ２が高導電性被接合物Ｗ１と同じ金属材料からなる場合には、被溶接物Ｗ２の拡散接合面には比較的抵抗の値が大きなスズ膜のような低融点金属膜を形成してあった方が、更に容易に拡散接合を行うことができる。また、他の被溶接物Ｗ２が銅材料又はアルミニウム材料よりも導電性の低いステンレス、黄銅、鉄などの金属材料からなる場合には、高導電性被接合物Ｗ１の少なくとも円環状のプロジェクションＰの頂部面Ｐ１に前述のような低融点金属膜を予め形成しておけば、更に容易に拡散接合を行うことができる。

[実施形態４]
次に、実施形態２で説明した形状の円環状のプロジェクションＰを備える高導電性被接合物Ｗ１の拡散接合例を図４によって説明する。円環状の小さな幅の頂部面Ｐ１、ほぼ垂直な内周面Ｐ２’、外周傾斜面Ｐ３を有する円環状のプロジェクションＰ、円筒状の凹所Ａを接合側面Ｓ１に備える高導電性被接合物Ｗ１が、図４（Ａ）に示すように下部側の接合電極１の上に配置され、他方の被接合物Ｗ２がその円環状のプロジェクションＰに当接するように配置される。他方の被接合物Ｗ２は銅材料又はアルミニウム材料であってもよいが、これらよりも導電性の低いステンレス、黄銅、鉄などであってもよい。上部側の接合電極２が降下、又は接合電極１が上昇することにより、高導電性被接合物Ｗ１と他方の被接合物Ｗ２との間に加圧力がかけられる。この加圧力は初期にはプロジェクションＰの頂部面Ｐ１に相当する面域に印加され、接合電流は当然に初期にはプロジェクションＰの頂部面Ｐ１に相当する面域に集中してプロジェクションＰを通して流れる。

環状のプロジェクションＰの頂部面Ｐ１とその頂部面Ｐ１に当接する他方の被接合物Ｗ２の面との接触抵抗を流れる接合電流による発熱で、先ず環状のプロジェクションＰの頂部面Ｐ１から塑性流動化が始まり、環状のプロジェクションＰは接合側面Ｓ１から突出しているためにその熱は横方向に逃げないから、環状のプロジェクションＰの抵抗による発熱も作用して環状のプロジェクションＰの金属材料が塑性流動化する。塑性流動化したその金属材料は加圧力によって図面横方向に拡がり、凹所Ａに入り込み、収容される。塑性流動化した環状のプロジェクションＰの金属材料はほぼすべて凹所Ａに収容されるから、拡散接合が行われた状態では図４（Ｂ）に示すように、高導電性被接合物Ｗ１と被接合物Ｗ２は少なくとも環状のプロジェクションＰの内外の近傍の面が互いに当接する。この際、その当接直前まで環状のプロジェクションＰに前記所要の加圧力が印加される。

この拡散接合では結局、接合電流の通電初期から拡散接合が行われるまで集中して電流密度の大きな接合電流が流れ、かつ前記所要の加圧力が印加されるのは、環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４であり、環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４とそれに当接する被接合物Ｗ２との間で拡散接合が行われる。本発明の高導電性被接合物Ｗ１にあっては、環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４が円環状の面域であり、その円環状の根元面域Ｐ４にほぼ等しい円環状の拡散接合面Ｕで拡散接合が行われるので、大きな拡散接合面が得られ、大きな接合強度を得ることができる。凹所Ａに収容された金属材料と被接合物Ｗ２との接触面では拡散接合が行われておらず、実質的に接合強度を高める働きは行わない。なお、この拡散接合の過程において、被接合物Ｗ２も当然に発熱により高導電性被接合物Ｗ１のプロジェクションＰに当接する面域が塑性流動化し、高導電性被接合物Ｗ１と被接合物Ｗ２との双方が当接部分で塑性流動化するので、高導電性被接合物Ｗ１と被接合物Ｗ２との間で良好な拡散接合が行われる。良好な拡散接合を行うことができる具体例については後述する。

ここでもし、高導電性被接合物Ｗ１に凹所Ａが形成されておらず平坦であるものとすれば、図４（Ｃ）に示すように、前述したように塑性流動化した環状のプロジェクションＰの金属材料は加圧力によって図面横方向に拡がる。塑性流動化した環状のプロジェクションＰの金属材料を収容する凹所が存在しないので、塑性流動化した環状のプロジェクションＰの金属材料は高導電性被接合物Ｗ１の接合側面Ｓ１上に盛り上がった堆積層Ｐｗを形成する。図４（Ｃ）に示すような状態になる過程において、接合電流の通電初期から拡散接合が行われるまで集中して電流密度の大きな接合電流が流れるのは、環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４に達しない途中の面域であり、その面域が円環状の拡散接合面Ｚとなる。

環状のプロジェクションＰが頂部面Ｐ１、内周傾斜面Ｐ２、外周傾斜面Ｐ３からなることを考えれば、当然に円環状の拡散接合面Ｚの面積は図４（Ｂ）の拡散接合面Ｕよりも小さくなり、かつ結果的に有効な拡散接合時間が短くなるので、本発明の高導電性被接合物Ｗ１で得られる接合強度に比べて大幅に接合強度が低下する。なお、図４（Ｃ）に示す状態に至ると、接合電流及び加圧力は堆積層Ｐｗに分散されるから、単位面積あたりの接合電流、加圧力は大幅に小さくなる。したがって、図４（Ｃ）に示す状態では拡散接合が実質的に進捗せず、円環状の拡散接合面Ｚを除く堆積層Ｐｗの当接面では拡散接合が実質的に行われず、接合強度の向上に実質的に寄与しない。以上述べたように、本発明では高導電性被接合物Ｗ１に縦断面が台形状の円環状プロジェクションＰを形成し、その円環状のプロジェクションＰの根元面域Ｐ４とほぼ等しい面域で高導電性被接合物Ｗ１と他の被接合物Ｗ２との拡散接合が行われているので、大きな接合強度を得ることができ、また接合面の平坦性を向上させることができる。

[実施形態５]
次に、このような環状のプロジェクションＰが形成された高導電性被接合物Ｗ１と他の被接合物Ｗ２との拡散接合を実現するのに好適なコンデンサ式接合装置の一例を示す図５を用いて、具体的な拡散接合の実施形態５について説明する。前述した高導電性被接合物Ｗ１と他の被接合物Ｗ２とは、図４（Ａ）で示したように、接合電極１と接合電極２との間に配置される。この接合装置が設置される床又はベース部材３に支持機構４が固定されている。支持機構４にはシリンダ装置などからなる加圧機構５が取り付けられ、加圧機構５の先端部には金属材料からなる可動ブロック６が取り付けられている。スプリング又は電磁加圧装置のような加圧補助部材７が可動ブロック６と支持部材８との間に備えられ、接合電極の加圧応答性を向上させる補助的な役割を行っている。加圧補助部材７は加圧機構５の加圧力に弾性力を重畳する形となり、高導電性被接合物Ｗ１と被接合物Ｗ２との間には弾性力が重畳された圧力が印加される。

高導電性被接合物Ｗ１の拡散接合ではこの加圧補助部材７の働きが大きい。ここで、支持部材８は直接又は間接的に加圧補助部材７の下端部に結合され、給電部としても作用する銅のような金属材料からなる。上部側の接合電極２は支持部材８に支承されており、その接合電極２と向かい合った位置には下部側の接合電極１が存在する。加圧補助部材７の伸縮の影響を受けない高さに位置する可動ブロック６にはＬ字形の中間接続部材９が固定されている。支持部材８とＬ字形中間接続部材９との間を接続する撓み易い第１のフレキシブル導電部材１０が備えられ、Ｌ字形の中間接続部材９と一方の給電導体１２との間は第２のフレキシブル導電部材１１によって接続されている。接合電極１と接合電極２とは、例えば銅合金である黄銅からなる。

給電導体１２と、接合電極１に接続された他方の給電導体１３との間に接合用トランス１４の２次巻線Ｎ２が接続され、これに磁気的に結合された１次巻線Ｎ１にはインバータ回路又は半導体スイッチ回路のような放電回路１５が接続される。放電回路１５にはエネルギー蓄積用コンデンサ１６とそのコンデンサを充電する充電回路１７とが接続されている。拡散接合にあっては、接合に寄与する接合電流のほとんどは立ち上がりからピーク値近傍までの電流であるので、実施形態４の拡散接合では接合電流がピーク値近傍まで立ち上がる時間が１０ｍｓ程度以下、特に７ｍｓ以下であることが好ましい。そして、この接合装置では上部側の接合電極２が僅かな外力で上下方向に上下動できる支持部材８に支えられていると同時に、即応性の高い弾性力を与えることができる加圧補助部材７に結合されているので、環状のプロジェクションＰの塑性流動化に伴う接合電極２と被接合物Ｗ２との間の微妙な加圧力の変化に対して、接合電極２が即応することができる。なお、記号１８〜２０は３相交流入力端子を示す。

次に、この接合装置を用いて図１又は図２に示した高導電性被接合物Ｗ１と他の被接合物Ｗ２とを拡散接合する方法について述べる。先ず、高導電性被接合物Ｗ１を下部側の接合電極１上に載置し、その上に被接合物Ｗ２を載置する。この状態で、図５の加圧機構５が下方向に動作し、これに伴い、可動ブロック６、加圧補助部材７、支持部材８及び上部側の接合電極２からなる上部接合ヘッド全体が下降し、接合電極２が被接合物Ｗ２に所要の加圧力を加える。このとき、被接合物Ｗ２の下面の一部面域は高導電性被接合物Ｗ１の環状のプロジェクションＰの頂部面Ｐ１に当接する。そして、接合電極２と支持部材８とはその位置で停止するが、加圧機構５がさらに下降するのに伴い、加圧補助部材７が収縮され、可動ブロック６は加圧機構５と一緒に下降する。また、可動ブロック６が下降するのに伴い、第２のフレキシブル導電部材１１は撓み、第１のフレキシブル導電部材１０は可動ブロック６と一緒に動くので、前述のように支持部材８が停止した状態で、可動ブロック６が加圧補助部材７を収縮させながら下降するとき、最初の状態から変形する。しかし、前述のように第１のフレキシブル導電部材１０は第２のフレキシブル導電部材１１に比べて撓み易く作られているから、支持部材８と上部側の接合電極２との動きに対する抵抗が軽減される。したがって、上部側の接合電極２の即応性が改善される。

このように、加圧機構５が動作して下降運動を行っている過程で加圧補助部材７が収縮し、そして接合電極１と接合電極２との間の圧力が予め決められた傾斜で上昇している途中で、あるいは加圧力がほぼ一定になった段階で、放電回路１５がオンして、充電回路１７により既にエネルギー蓄積用コンデンサ１６に充電されている電荷を、接合トランス１４の１次巻線Ｎ１に放出する。これに伴い、１次巻線Ｎ１に比べて巻数が大幅に少ない１ターン又２ターン程度の２次巻線Ｎ２に大きな電流が発生し、接合電極１と接合電極２とその間に挟まれている高導電性被接合物Ｗ１と被接合物Ｗ２とを介して急峻なパルス状の接合電流が流れる。

前述のようなパルス状の接合電流は、先ず高導電性被接合物Ｗ１の円環状のプロジェクションＰ２の頂部面Ｐ１とこれに当接している被接合物Ｗ２の面域とに集中して短時間流れる。円環状のプロジェクションＰを流れる接合電流は電流密度が高いから、先ずプロジェクションＰの頂部面Ｐでの接触抵抗による発熱で円環状のプロジェクションＰはその頂部面Ｐ１で塑性流動化を始め、円環状のプロジェクションＰ２に発熱した熱は横方向に実質的に熱伝達されないので、環状のプロジェクションＰ２を温度上昇させ、塑性流動化させる。環状のプロジェクションＰ２の塑性流動化した金属材料は、前述したように加圧力によって凹所Ａに入り込み、収容される。このことは、加圧補助部材７が弾性力を常に上部側の接合電極２に与えている、つまり高導電性被接合物Ｗ１と被接合物Ｗ２との間には弾力性を含む加圧力が印加されているので速やかに行われ、接合電流がピーク値近傍まで立ち上がる１０ｍｓ程度以下の短い時間での拡散接合を可能にしており、接合強度の大きな拡散接合を可能にしている。

この加圧補助部材７の応答速度が速ければ速いほど、パルス幅の短いパルス接合電流を、つまり短時間に電流エネルギーを集中して高導電性被接合物Ｗ１と被接合物Ｗ２との間に流すことができ、銅材料のような熱伝導の極めて良好なものでも、好ましい状態に塑性流動化させることができ、このことが高導電性被接合物同士又は高導電性被接合物と他の金属材料からなる被接合物との間でも満足の行く拡散接合をできる一因となっている。なお、この拡散接合方法は高導電性被接合物同士、又は高導電性被接合物と他の金属材料からなる被接合物との拡散接合の他に、それ以外の金属材料、例えば通常の鋼板同士、あるいはステンレス部材と鋼板などの同種、異種の金属材料などにも適用でき、満足の行く拡散接合結果を得ることができる。また、高導電性被接合物は板状の部材に限られず、パイプ状、丸棒状、角棒状など種々の形状であっても同様に大きな接合強度を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る高導電性被接合物を示す図である。本発明の実施形態２に係る高導電性被接合物の断面を示す図である。本発明の実施形態３に係る高導電性被接合物の断面を示す図である。本発明に係る拡散接合方法を説明するための図である。本発明に係る具体的な拡散接合方法を実現するための実接合装置の一例を示す図である。

符号の説明

Ｗ１・・・高導電性被接合物
Ｗ２・・・別の被接合物
Ｐ・・・環状のプロジェクション
Ｐ１・・・プロジェクションＰの頂部面
Ｐ２・・プロジェクションＰの内周傾斜面
Ｐ２’・・プロジェクションＰの内周面
Ｐ３・・プロジェクションＰの外周傾斜面
Ｐ４・・・プロジェクションＰの根元面域
Ｐｗ・・・プロジェクションＰの堆積層
Ｕ・・・拡散接合面域
Ｚ・・・拡散接合面域
Ｓ１・・・高導電性被接合物Ｗ１の接合側面
Ａ・・・凹所
Ａ’ ・・・円環状の内周溝
１・・・下部側の接合電極
２・・・上部側の接合電極
３・・・ベース部材
４・・・支持機構
５・・・加圧機構
６・・・可動ブロック
７・・・加圧補助部材
８・・・支持部材
９・・・Ｌ字形の中間接続部材
１０・・・第１のフレキシブル導電部材
１１・・・第２のフレキシブル導電部材
１２、１３・・・給電導体
１４・・・接合用トランス
１５・・・放電回路
１６・・・エネルギー蓄積用コンデンサ
１７・・・充電回路
１８〜２０・・・３相交流入力端子

Claims

接合側面から突出する環状のプロジェクションを備える高導電性被接合物と平坦な接合面を有する他の被接合物との間にパルス状の接合電流を通電し、前記高導電性被接合物と前記他の被接合物とを拡散接合して拡散接合面を形成する拡散接合方法であって、
前記環状のプロジェクションの内周面の延長線と外周傾斜面の延長線とが交わる角度は６０〜１２０度の範囲にあり、
前記環状のプロジェクションに囲まれた前記接合側面の中央面域には、前記接合側面よりも低くなる深さを有し、前記高導電性被接合物と前記他の被接合物とが拡散接合されるときに、前記環状のプロジェクションの塑性流動した金属材料を収容するに足りる容積を有する凹所又は内周溝を備え、
前記環状のプロジェクションの根元面域が前記拡散接合面となるような加圧力を前記高導電性被接合物の前記環状のプロジェクションと前記他の被接合物の前記平坦な接合面との間に印加した状態で前記接合電流を通電し、前記高導電性被接合物の前記接合側面と同じ水平面にある前記環状のプロジェクションの根元面域で前記高導電性被接合物と前記他の被接合物とを拡散接合することを特徴とする高導電性被接合物の拡散接合方法。
請求項１において、
前記高導電性被接合物は銅又は銅合金、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする高導電性被接合物の拡散接合方法。
請求項１又は請求項２において、
前記接合電流は、電流がピーク値までに立ち上がるのに要する時間が１０ｍｓ以下のパルス状電流であることを特徴とする高導電性被接合物の拡散接合方法。