JP5275224B2 - 反応性多層接合処理を用いた大寸法結合を形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、反応性多層化箔のような反応性複合材料を用いて、大寸法の結合領域にわたって、材料本体を接合する技術に関する。米国政府は、NSF賞DMI−034972に準拠し、本発明のある権利を有する。

Weihsらの米国特許第6,534,192B2号、およびWeihsらの米国特許第6,736,942号に示されているような、反応性複合接合技術は、室温での材料のはんだ付け、溶接、またはろう付け処理において、特に有意な処理プロセスである。この処理プロセスは、2つの溶融性材料の層の間に、反応性複合材料（RCM）を挟み込むステップを有する。次に、RCMおよび溶融性材料は、2つの被接合部材の間に配置され、RCMに点火がなされる。RCM内で、自己伝播反応が開始され、この結果、RCM内で急激な温度上昇が生じる。反応によって放出された熱により、隣接する溶融性材料の層が溶融し、冷却の際に、溶融性材料により、2つの部材が相互に結合される。

あるいは、2つの部材の組成によっては、溶融性材料の層は、使用されず、2つの部材の間に、反応性複合材料が直接配置される。RCMへの点火により放出される熱エネルギーにより、隣接する部材表面から材料が溶融し、その結果、部材同士が接合される。

図1を参照すると、この図には、2つの部材10Aおよび10Bの反応性複合接合用の配置9が示されている。反応性複合材料12のシートまたは層は、溶融性材料14Aと14Bの2つのシートまたは層の間に配置され、これらの溶融性材料は、部材10Aと10Bの対応表面（視認できない）の間に挟まれている。次に、挟まれた組立体は、バイス16に象徴されるように、相互に押し付けられ、マッチ18により、反応性複合材料が点火される。反応は、RCM12を介して急速に伝播し、溶融性層14Aおよび14Bが溶融する。溶融層が冷却されると、部材10Aと10Bとが相互に接合される。通常の場合、RCM12は、反応性多層箔であり、通常の場合、溶融性材料14A、14Bは、はんだまたはろう（ろう付け用）である。

2つの部材10A、10Bを接合する処理プロセスは、反応性複合接合処理プロセスを用いることにより、反応炉やトーチを用いる従来の接合技術に比べて、より急速に生じる。従って、生産性に有意な向上が得られる。また、反応性複合接合処理プロセスによる極めて局部的な発熱により、温度感応部材同士、および金属とセラミックのような異質材料同士を、熱的損傷を与えずに、はんだ付けまたはろう付けすることができる。反応性複合接合処理プロセスを用いることにより、微細結晶粒金属を粒成長させずに、はんだ付けまたはろう付けし、バルクアモルファス材料を、室温からの局部的な逸脱のみで溶接し、結晶化を最小限に抑制したまま、高強度結合を形成することができる。

通常の場合、反応性複合接合処理プロセスに使用される反応性複合材料12は、Weihsらの米国特許第6,534,194B2号に記載されているような、ナノ構造化された材料である。通常、反応性複合材料12は、ナノスケールの数百の層の気相成膜法により製作され、これらの層は、ニッケルおよびアルミニウムのような、負の大きな混合熱を有する元素の間に交互に配置される。最近の開発では、交互配置層の厚さを変化させることにより、反応の熱および反応の速度の両方について、正確な制御が可能であることが示されている。また、反応の熱は、箔の組成を調整すること、あるいは製作後に反応性多層化層の低温熱処理を行うことにより、制御可能であることが示されている。また、ナノ構造化反応性多層化層を製作する別の方法には、機械的処理プロセスが含まれ得ることが知られている。

部材同士の接合に反応性複合材料を使用することにより得られる、2つの重要な利点は、速度と、接合領域での熱の局在化である。速度および局在化の改善により、特に、温度感応部材、または金属／セラミック結合の際に生じるような、熱膨張係数が大きく異なる部材を含む用途において、従来のはんだ付け法またはろう付け法を超える利点が得られる。従来の溶接法もしくはろう付け法では、温度感応部材は、処理の間に、損壊または損傷してしまう。部材内の残留熱応力のため、後続のアニール処理または熱処理のような、コストと時間のかかる処理が必要となる。一方、反応性複合材料を用いた接合法では、部材は、ほとんど熱を受けず、極めて局部的な温度上昇しか生じない。通常の場合、隣接する溶融性層および隣接する部材の表面のみが、実質的に加熱される。従って、部材に対する熱損傷のリスクが最小限に抑制される。また、反応性複合接合法は、高速で、対コスト効果が良く、強固で熱伝導性のある接合が得られる。
米国特許第6,534,192号明細書 米国特許第6,736,942号明細書

従来の反応性複合接合法は、約4インチ以下の長さ、および約16平方インチ未満の面積にわたっては、部材同士の接合に極めて有効であるが、これ以上の長さおよび面積にわたる接合は、特に難しいという問題がある。最適な接合法では、被接合表面を、できるだけ均一に、同時に加熱することが有意であることが観察されている。長さおよび面積が大きくなると、これに伴い、単一の点火位置からの所望の反応の同時性および均一性を維持することは、難しくなる。また、大きな接合領域寸法では、RCMの製作容易性が失われ、接合表面領域を網羅するような、多数の反応性箔が必要となる。接合領域がRCM全体に急速に波及したとしても、大表面積の接合領域の全ての部分を同時に溶融することは難しいため、部材同士の間に、弱い結合力が得られることになる。また、被接合表面積の増大により、接合処理プロセスの間、部材に均一に圧力を適用するための厳しい要求が生じることになる。

従って、反応性複合材料の単一シートの寸法より大きな表面積にわたって、部材を接合する際に使用される、反応性複合接合処理プロセスを提供することは有意であり、この結果、部材材料同士の間に、強固で、比較的均一な結合が得られるようになる。

簡単に言えば、本発明では、部材材料本体の間に、複数の実質的に接触したRCMシートを配置することにより、部材材料本体を、大寸法領域にわたって接合する方法が提供される。実質的に接触したRCMシートの各々は、あるシートから別のシートに、エネルギー反応を輸送することが可能な材料のブリッジ化により、少なくとも一つの隣接するRCMシートと結合される。点火反応は、1または2以上のRCMシートにおいて開始され、これは、ブリッジ化材料を介して、残りのシート全体に波及させることができ、この結果、シートに隣接する材料に、急速な局部的加熱が生じ、冷却の際に、部材材料の本体同士に結合が形成される。

本発明の実施例では、複数の実質的に接触したRCMシートが、大寸法領域にわたって、被接合部材材料本体の間に配置され、ブリッジ化材料により相互に結合される。ブリッジ化材料は、反応性箔、ワイヤ、層、粉末の形態であっても良く、または直接もしくは熱伝導により、あるシートから別のシートに点火反応を伝達することの可能な、他の材料であっても良い。ブリッジ化材料は、第1のRCMシートの点火に応答して反応することができ、これにより、第2のRCMシートが点火される。

本発明の代替実施例では、複数の実質的に接触するRCMシートは、大寸法領域にわたって、被接合部材材料本体の間に設置され、溶融性材料の構造的支持タブにより相互に結合され、被接合部材本体の間に、複数のRCMシートを組み立て、移動し、配置することが容易となる。

本発明の変形例では、複数の実質的に接触するRCMシートは、大寸法領域にわたって、被接合部材材料本体の間に配置され、直接、被接合部材材料本体の表面と隣接する。

本発明の代替実施例では、複数の実質的に接触するRCMシートは、大寸法領域にわたって、被接合部材材料本体の間に配置される。はんだまたはろうのような、溶融性材料のシートが、RCMシートおよび部材材料本体に近接して配置される。溶融性材料シートは、反応性複合材料のシートの上部または下部に配置され、あるいはこのシートに挟まれる。溶融性材料シートは、接触RCMシートの境界にわたって連続し、必要な場合、RCMシートを相互に保持する接続材料として機能しても良い。

大寸法領域にわたって、部材材料本体を接合する本発明の方法は、部材材料本体の間に、少なくとも一つのRCMシートを配置するステップを有する。点火反応は、RCMシートの周囲に配置された複数の点火位置で開始され、結果的に、シートに隣接する材料に、急激な局部的加熱が生じ、冷却の際に、部材材料本体の間に結合が形成される。

大寸法領域にわたって、部材材料本体を接合する本発明の方法の変形例は、部材材料本体の間に、少なくとも一つのRCMシートを配置するステップを有する。外部圧力源と部材本体の間には、少なくとも一つのスペーサ板が配置される。この配置には、外部圧力源から圧力が印加され、部材本体は、相互に向かって押し付けられ、RCMシートの点火反応の開始後に、部材本体の間の結合の形成が制御される。RCMシート内での点火反応の結果、シートと隣接する材料に、急激な局部的加熱が生じ、冷却の際に部材材料本体の間に、結合が形成される。

本発明の利点、特性、および各種追加の特徴は、以下、添付図面を参照して詳細に示す実施例の説明を考慮することにより、明らかとなろう。

いくつかの図面において、対応する参照符号は、対応する部品を示す。図面は、本発明の概念を示すためのものであり、スケールは示されていないことを理解する必要がある。

以下、一例として本発明を詳細に説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。以下の記載により、当業者には本発明を理解し、使用することができる。本発明のいくつかの実施例、適用、変形例、代替例、および使用が示されており、これらには、現時点で本発明を実施する際の最良の形態であると考えられるものが含まれている。

本願において使用される「大（きな）寸法」という用語は、接合領域もしくは結合領域を示すために使用され、これは、以下のいずれかの面積または長さを有する接合領域もしくは結合領域を意味することに留意する必要がある：すなわち、接合処理プロセスに使用される反応性複合材料の単一のシートの面積または長さを超える接合領域もしくは結合領域；反応性複合材料のシート内での点火反応からの単一の伝播波面では、結合領域全体にわたって、所望の結合特性が得られなくなるような、十分に大きな接合領域もしくは結合領域；あるいは接合領域もしくは結合領域の中央と端部の間で、負荷の変動が生じるような接合領域もしくは結合領域。例えば、16.0平方インチ未満の面積および4.0インチ未満の最大寸法を有する反応性複合材料のシートを利用する場合、少なくとも16.0平方インチの面積、または少なくとも4.0インチの長さは、大きな寸法と見なされる。

本願において、「反応性複合材料」または「RCM」という表現は、当業者には、制御された態様で離間された、2または3以上の材料相を有する反応性多層化箔のような構造を示しており、例えば、適切な励起または発熱反応開始の際に、材料が化学的に発熱反応し、複合材料構造全体にこれが波及することが理解される。これらの発熱反応は、1または2以上の点火位置における、反応性複合材料の電気抵抗加熱法、誘導加熱法、レーザパルス、マイクロ波エネルギー、または超音波振動（かくはん）により開始されても良い。

図面を参照すると、図2には、少なくとも2つの反応性複合材料の接触シート12を用いて、大寸法（大面積または大きな長さの）の接合領域もしくは結合領域にわたって、2つの部材本体10A、10Bを相互に接合する方法を含むステップの一般化されたフロー図が示されている。最初に、ブロックAに示すように、実質的に適合する大寸法対応表面にわたって接合される、2つの部材本体10Aおよび10Bが提供される。2つの部材本体10Aおよび10Ｂは、予め、はんだもしくはろう合金のような、溶融性材料14A、14Bの1または2以上の層で被覆されていても良い。あるいは溶融性材料14Aおよび14Bの1または2以上のシートは、部材本体10Aおよび10Bの間に配置されても良い。部材本体10Aおよび10Bは、黄銅のような同じ種類の材料を有しても良く、あるいはニッケルと黄銅、アルミニウムとチタン、炭化ホウ素と鋼、炭化ホウ素と銅、炭化珪素とアルミニウム、およびタングステンチタン合金と銅クロム合金のように、異なる種類の材料で構成されても良い。

次に、ブロックBに示すように、実質的に接触した配置において、2または3以上の反応性複合材料のシート12が、2つの部材本体10A、10Bの対応表面の間に配置される。本願において使用される「接触した」という用語は、反応性複合材料のシート12のいかなる隣接する端部も、相互に必要なだけ接近して配置され、実質的にボイドのない結合が形成されるとともに、隣接する端部が少なくとも十分に相互に接近しており、反応性複合材料の隣接するシート12が、単一の組立体に相互に作動可能に接続されることを意味することが当業者には理解される。「接触」RCMシートは、必ずしも、相互に物理的に接触した状態である必要はない。

隣接するRCMシート12を作動可能に接続するため、シート12の間には、多数の構造的支持ブリッジ、またはタブ20が形成される（図3および4に示されている）。ブリッジまたはタブは、部材本体10Aおよび10Bの間の結合の一部を形成する、溶融性材料20で形成されても良く、あるいは、隣接するRCMシートの間に、点火反応を伝達することが可能な、反応性材料22で形成されても良い。ブリッジまたはタブ20、22を使用することにより、2または3以上の隣接するRCMシート12は、組立体24内で相互に固定され、組立、搬送、および大寸法結合領域における、部材本体10A、10Bの整合表面の間の位置決めの際に、相互に対する相対的位置が維持される。

構造的支持ブリッジまたはタブ20は、組立体24において、接触RCMシート12を相互に固定する、いくつかの形態のうちのいかなるものであっても良い。ある一実施例では、構造化支持ブリッジまたはタブ20は、軟質金属または溶融性材料シートの形態であり、例えば、RCMシート12上で冷間圧延処理、またはロール処理されたインジウムである。

反応性材料から形成された点火ブリッジまたはタブ22は、これが点火を開始し、または熱エネルギーを隣接するシート12の間に伝達して、第1のシート12Aで開始された反応が、ブリッジまたはタブを介して、隣接するシート12Bまで継続するように、選定されることが好ましい。点火ブリッジまたはタブ22の構成は、接触RCMシート12の間の反応の伝播を支援する、いくつかの形態のいかなる一つであっても良い。例えば、点火ブリッジまたはタブ22は、RCMシート12に使用されるものと同様のまたは同一の、反応性多層化箔の形態であっても良く、あるいは負の大きな混合熱を有する材料の領域または層を含む細いワイヤであっても良い。点火ブリッジまたはタブ22のこれらの構成は、少量の接着剤を用いて、あるいは少量の溶融性はんだを用いて、接触シート12の一つまたは両方に取り付けられる。また、開始された反応の伝達に加えて、点火ブリッジまたはタブ22は、事実上、RCMのシート12の配置に、構造的支持を提供する構造であっても良く、あるいは、事実上、非構造的な支持であっても良い。例えば、非構造的支持点火ブリッジ22は、負の大きな混合熱を有する材料の、低密または稠密粉末の形態であっても良い。

ブリッジおよびタブ20、22の両方の各種形態は、RCMシート12の寸法に比べて小さく、接合処理の間、結合領域に存在するいかなる溶融性材料の流れにも干渉せず、あるいは、部材本体対応表面の平坦度に干渉しないことが有意である。

図3を参照すると、複数の接触RCMシート12の一例としての配置が示されており、これは、はんだ組立体タブ20および点火可能なブリッジ22に接続され、2つの部材本体（図示されていない）の間に、大面積結合領域26を被覆する反応性複合材料シート組立体24が形成される。図3に示された配置では、はんだ組立体タブ20および点火可能なブリッジ22の両方は、大面積結合領域26の内部に収容される。組立体24の周囲に配置された矢印は、組立体24に対応する、複数の点火または反応開始位置を示している。

図4には、複数の接触RCMシート12の第2の例の配置を示す。これは、はんだ組立体タブ20および点火可能なブリッジ22により接続され、2つの部材本体（図示されていない）の間の大面積結合領域26を被覆する、反応性複合材料シート組立体24が形成される。図4に示された配置では、はんだ組立体タブ20は、大面積結合領域26の内部に収容され、一方点火可能なブリッジ22は、大面積結合領域26の外側に配置される。点火可能なブリッジ22を、大面積結合領域26の外側に配置することにより、点火可能なブリッジ22は、大面積結合領域内では使用不可能なテープまたは他の手段で、組立体24のシート12に取り付けられる。従って、シート12を組立体24内に固定するため、および点火反応の開始のため、ブリッジが使用され、これは、複数の点火位置または反応開始位置を示す、組立体24の周囲に配置された矢印で示されている。

大面積結合領域26の内部では、はんだタブ20は、押圧によりまたは少量の接着剤により、組立体24のシート12に固定されても良い。合金化等の懸念により、接合部内における溶融性材料として使用されるはんだ材料とは異なるはんだ材料を、タブ20に使用することが好ましくない場合は、所望のはんだの少量のタブが、反応性シートにのりづけされる。この際、接着剤の量は最小限に抑制されることが好ましい。

図5には、はんだ組立体タブ20および点火可能なブリッジ22により接続された、複数の接触RCMシート12の第3の例の配置を示す。2つの部材本体（図示されていない）の間に、大きな直線寸法結合領域30を被覆するRCMシート組立体24が形成される。点火ブリッジ22は、これらが、接合領域の内側に配置される場合、接着剤または少量の半導体材料により、反応性シート12に取り付けられ、接合領域の外側に配置される場合、接着テープで反応性シート12に取り付けられても良い。

当業者には、図3、4、5に示す各種組立体24を有するRCMシート12の数は、大面積結合領域26または大きな直線寸法結合領域30の寸法および構成に応じて、変化させても良いことが認識される。RCMシート12は、隣接するシート12同士の間の隙間Gが、結合領域の内部からできる限り離れるようにして、特に、隙間Gが、結合領域の端部と平行になるように、組立体24内に配置されることが好ましい。同様に、組立体24が結合領域への配置の間、安定な配置で固定されている場合、および組立体24のシート12の間で、全般に迅速かつ均一に反応が伝播し得る場合、タブ20と点火ブリッジ22の配置および数は、組立体24の特定の用途および形状に応じて変化させても良いことが認識される。

組立体タブ20の代わりに、点火ブリッジ22を有する2または3以上のRCMシート12の組立体24は、図6に示すように、はんだまたはろうのような溶融性材料の層32Aと32Bの間に、パッケージ化されても良い。そのようなパッケージ化により、結合領域内部への配置の際に、溶融性材料層32Aと32B、およびRCMシート12の組立体24を、ユニットとして取り扱うことが可能となる。RCMシート12は、ロール処理、加圧処理または他の適当な手段により、溶融性材料層32A、32Bに結合され、パッケージが構造的に固定された状態が確実に維持される。

一旦、溶融性層32A、32Bを有するまたは有さない組立体24が形成されると、これは、被接合部材10Aと10Bの間の結合領域26内に配置される。図2のブロックCで示すように、被接合部材10Aおよび10Bは、相互に押し付けられ、結合領域26全体に、全般に均一な圧力が提供される。各種装置および技術を用いて、例えば、油圧または機械的な圧力により、部材10Aと10Bの間に、結合領域26の全体にわたって全般的に均一な圧力が得られる。図7に示すように、部材10Aおよび10Bは、一組の定盤（press
platen）36A、36Bの間に、適当なスペーサ34を用いて配置されても良い。スペーサ34の選択、およびこれが結合領域26内に形成される結合に及ぼす効果について、以下詳しく説明する。部材配置において、一つの部材10Aまたは10Bと、隣接する定盤との間に、ゴムシートのような任意弾性層38が配置され、これにより、接合処理プロセスの間、部材10Aおよび10Bの外側表面、ならびに定盤36Aおよび36Bの表面において、いかなる欠陥も適合される。定盤36Aおよび36Bには、いかなる適当な手段により、圧力が付加されても良く、例えば、自動圧力制御を有する油圧プレスにより、圧力が付加される。

図2のブロックDに示す最終ステップでは、組立体24を有するRCMシート12に、点火が行われる。大面積結合の場合、組立体24の端部の周囲の複数の位置において、RCMシート12に、対称に点火することが有意である。これは、図3および4において、矢印の点火位置により示されている。次に、前述のように、組立体24内の点火ブリッジ22にわたる反応の伝播により、結合領域26の外側に端部を有さない内部シート12が点火される。図8に示すような電気的インパルスの同時適用により、またはレーザインパルス、誘導、マイクロ波放射線、もしくは超音波エネルギーにより、組立体24内のシート12の同時点火が行われることが好ましい。

当業者には、点火位置に着火エネルギーを同時に供給することが可能な、各種装置が使用できることが認識される。例えば、各点火位置に対応したスイッチおよびキャパシタからなる電気回路を使用しても良い。全てのスイッチは、キャパシタの充放電が同時に行われるように、マスタースイッチにより制御される。キャパシタから、スイッチを介して、RCMシート12上の点火位置まで電気パルスが伝達され、これが定盤36Ａ、36Ｂを介して、電気的アースに伝達されると、組立体24内のシート12が着火され、最終的に、部材10Ａと10Ｂの間に、結合が形成される。あるいは、単一の大きなキャパシタおよびスイッチが、全ての点火位置に並列に接続されても良い。この場合、エネルギーは、キャパシタから、組立体24の周囲の全ての点火位置に同時に放電され、各シート12が点火される。

結合処理プロセスの間、組立体24内のシート12の点火後、部材本体10Aと10Bの間の不均一な負荷分布によって、空気隙間（ボイド）が存在する低品質の結合が生じることが知られている。通常の場合、負荷機構の定盤36Aと36Bが、結合領域26の寸法に比べて、過度に大きく、あるいは過度に小さい場合、不均一負荷分布が生じる。この問題は、一方のまたは両方の被接合部材10Aおよび10Bが比較的薄い場合、より顕著となる。定盤36A、36Bが、結合領域26の寸法に対して過度に大きい場合、結合領域26の周囲端部近傍において得られる圧力は、結合領域26の中央近傍の圧力よりも大きくなり、従って、結合領域26の中央近傍に、ボイドが形成されるようになる。これは、図9に示す結合領域26の上部超音波音響画像、またはCスキャンの中央近傍に認められる、白い領域で示されている。

逆に、定盤36Aおよび36Bが、結合領域26に対して過度に小さい場合、結合領域の中央近傍の圧力は、結合領域26の周囲端部の近傍の圧力に比べて大きくなり、従って、ボイドは、周囲端部の近傍に認められるようになる。これは、図10に示す結合領域26の上面超音波音響画像、またはCスキャンの周囲端部近傍に認められる、白い領域で示されている。

定盤36Aおよび36Bからの負荷を、結合領域26に均一に分散させるため、部材10A、10Bと定盤36A、36Bの間に、結合領域26に整合した寸法の、1または2以上のスペーサ板34が配置される。1または2以上のスペーサ板34の理想的な厚さは、一連の処理プロセスにより定められ、このプロセスでは、最初にいかなるスペーサ板34も使用せずに、試験結合が形成される。部材10Aと10Bの間に得られた結合が評価され、ボイドの有無が判断される。定盤36Aと36Bが結合領域26よりも大きい適用例では、結合品質は、結合領域の全面積に対する、結合領域26の中央地帯におけるボイド面積の比によって定められる。ボイド面積を低減するため、追加の結合試験手順では、部材10Aと10Bの間に、徐々に厚さが厚くなるスペーサ板34が使用され、これは、結合手順において、結合領域面積に対するボイド面積の所望の比が得られるまで、続けられる。スペーサ板34の厚さは、所望の比が得られるまでの、各結合試験手順の間の2倍であることが好ましい。

この手順は、端部ボイドが全く許容されず、あるいは、僅かの限られた数しか許容されない、大面積結合用に修正されても良い。これらの用途では、全結合面積に対する、結合領域26の外側地帯におけるボイド面積の比によって定められる端部ボイドの割合が、前述のようにして調整される。スペーサ板の厚さを2倍にする処理の結果、端部ボイドがなく、中央ボイドに許容可能な割合が得られると、最適スペーサ板の厚さが取得される。一方、処理結果により、中央ボイドについては、許容可能な割合が得られるものの、端部ボイドについてある割合が検出された場合、スペーサ板の厚さは、現在と前のスペーサ板の厚さの平均的な厚さに低減される。この処理は、所定の厚さのスペーサ板34により、最小量の中央ボイドと、所望の量の端部ボイドとが得られるまで繰り返される。これは、図11に示す結合領域26の上面超音波音響画像、またはCスキャンにおいて、中央近傍の微小白色領域と、周囲端部近傍に認められる、全般的な白色領域の欠乏とで示されている。

定盤36Aおよび36Bが、結合領域26に比べて小さい適用例の場合、結合品質は、結合領域の全面積に対する、結合領域26の外側地帯のボイド面積の割合によって定まる。ボイド面積を低減するため、追加の結合試験手順において、部材10Aと10Bの間に、厚さが徐々に増加するスペーサ板34が使用され、これは、結合手順において、結合領域に対するボイド面積に、所望の比が得られるまで行われる。スペーサ板34の厚さは、所望の比が得られるまでの各結合試験手順の間の、2倍であることが好ましい。

以下、6つの実施例により、大寸法結合領域26にわたって、部材本体10Aおよび10Bを接合する本発明の方法を、更に説明する。

（実施例1）
この例では、図3に示すように、反応性または点火ブリッジ22および組立体タブ20を、組立体24上の結合領域26の周囲端部の内側に設置した。図7の一般的配置に示すように、各種部材は、定盤36Aと36Bの間に組み立てられ、ニッケルディスク部材10A（厚さ0.2インチ）と黄銅ディスク部材10B（厚さ0.6インチ）の間に、結合領域26を形成した。結合領域26は、円状であり、外直径は、17.7インチであり、面積は、246平方インチである。スズ鉛はんだのような溶融性材料32A、32Bの層を、ニッケル本体および黄銅本体10A、10Bに予備設置した。結合領域26の被覆を行うため、図3に示すように、隙間Gにわたって、全部で12のインジウムはんだタブ20を押し付けることにより、組立体24として、全部で16枚のRCMシート12（Ni−Al、厚さ80μｍ、反応速度7ｍ／s）を予め組み立てた。隙間Gにわたる反応の伝播を確実に行うため、結合領域26内の隙間Gにわたって、6つの反応性箔点火ブリッジ22を取り付けた。さらに、インジウムはんだの小片を使用して、反応性箔点火ブリッジ22を、RCMシート12に固定した。

黄銅ディスク10Bを、スズ鉛はんだ32Bの予め設置した層が上向きとなるようにして、平坦表面上に配置した。組立体24の一部は、黄銅ディスク10Bの上部に、最小分離隙間Gで相互に隣接するように配置し、これらにより、結合領域26は、完全に被覆された。ニッケルディスク10Aを、スズ鉛はんだ32Aの予め設置した層が下向きとなるようにして、反応性多層化箔の上部に配置し、ニッケルディスク10Aが組立体24においてRCMシート12（Ni−Al、厚さ80μm、反応速度7m／ｓ）と接するようにした。厚さが0.75インチで、直径が17.7インチのアルミニウムスペーサ板34を、ニッケルディスク10Aと整列するようにして、この上部に配置した。スペーサの厚さは、前述の処理プロセスを用いて、予め定められており、これは、異なる寸法のスペーサ板とのいくつかの接合により得られる。アルミニウムスペーサ板34の上部には、整合する表面積を有する硬質ゴム38の薄膜層を配置し、これにより、黄銅とニッケルディスク10A、10Bの外側表面、および、接合の間、負荷を印加するために使用される、定盤36A、36Bの表面の、いかなる欠陥にも適合される。配置全体を、油圧プレスの位置に動かし、配置に、107,000ポンドの負荷を付加した。次に、組立体24のシート12に電気的に点火を行い、同時に図3の矢印で示した周囲の12の点火位置に点火した。その結果、部材本体10Aと10Bが相互に結合された。

（実施例2）
この例では、図4に示すように、組立体タブ20を、組立体24上の結合領域26の周囲端部の内側に設置し、反応性または点火ブリッジ22を、結合領域26の周囲端部の外側に配置した。図7の一般的配置に示すように、定盤36Aと36Bの間に、各種部材を組み立て、ニッケルディスク部材10A（厚さ0.2インチ）と黄銅ディスク部材10B（厚さ0.6インチ）の間に、結合領域26を形成した。結合領域26は、円状であり、外直径は、17.7インチであり、面積は、246平方インチである。前述の実施例1と同様に、スズ鉛はんだのような溶融性材料32A、32Bの層を、ニッケル本体および黄銅本体10A、10Bに予備設置した。結合領域26の被覆を行うため、隙間Gにわたって、全部で3枚のインジウムはんだタブ20を押し付けることにより、図4に示すように、組立体24として、全部で8枚のRCMシート12を予め組み立てた。隙間Gにわたる反応の伝播を確実に行うため、結合領域26の外側の隙間Gにわたって、8つの反応性箔点火ブリッジ22を取り付けた。さらに、組立体24の構造的支持を提供することを目的として、小さな高温テープ（Kapton（登録商標））を用いて、点火ブリッジ22とRCMシート12の間を接着した。

次に、予め設置したスズ鉛はんだ32Bの層が上側となるようにして、黄銅ディスク10Bを平坦表面上に配置した。組立体24の部分は、黄銅ディスク10Bの上部に、最小分離隙間で、相互に隣接するように配置され、これにより、結合領域26は、完全に被覆された。予め設置したスズ鉛はんだ32Aの層が下向きとなるようにして、ニッケルディスク10Aを反応性多層化箔の上部に配置し、このディスクが組立体24においてRCMシート12と接するようにした。厚さが0.75インチで、直径が17.7インチのアルミニウムスペーサ板34を、ニッケルディスク10Aと整列するようにして、この上部に配置した。スペーサの厚さは、前述の処理プロセスを用いて、予め定められており、異なる寸法のスペーサ板のいくつかの接合により得られる。アルミニウムスペーサ板34の上部には、表面領域が整合するようにして、硬質ゴム38の薄膜層が配置され、これにより、黄銅とニッケルディスク10A、10Bの外側表面、ならびに接合の間、負荷を印加するために使用される、定盤36A、36Bの表面の、いかなる欠陥も適合される。配置全体を、油圧プレスの位置に動かし、配置には、107,000ポンドの負荷を付加した。次に、組立体24のシート12に電気的に点火を行い、同時に図4の矢印で示した周囲の16の点火位置に点火した。その結果、部材本体10Aと10Bが相互に結合された。

（実施例3）
この例では、図12に示すように、組立体タブ20および点火ブリッジ22を、組立体24上の、結合領域26の周囲端部の内側と外側の両方に設置した。図7の一般的配置に示すように、0.3インチの厚さの銅合金ディスク（10A）および0.5インチの厚さの銅合金ディスク（10B）からなる部材本体10Aおよび10Bを、結合領域26内に、組立体24とともに配置した。結合領域26は、円状であり、外直径は、13インチであり、面積は、133平方インチである。溶融性材料層32Aおよび32Bとして、スズ鉛はんだを使用した。図12に示すように、シート隙間Gにわたって、4つのインジウムはんだタブ20を押し付けることにより、組立体配置24内に、9枚のRCMシート12を予め組み立てた。隙間Gにわたる反応の伝播を確実に行うため、臨界境界に、10の反応性箔点火ブリッジ22を取り付けた。2つは、結合領域26の内部に取り付け、8つは、結合領域26の外側に取り付けた。図7に示すように、0.5インチの銅ディスク10Bが底部となるように、各種部材を配置した。ただし、その下には、追加のスペーサ板34は、置かなかった。次に、結合領域26内に、組立体24を配置し、さらに、上部に0.3インチの同ディスク10Aを配置した。その上には、0.3インチの銅ディスク10Aと位置が揃うようにして、アルミニウムスペーサ板34を配置した。弾性層78として、整合表面積寸法を有する硬質発泡体の薄層を提供した。全配置を油圧プレスの位置に動かし、プレスにより、この配置に57,850ポンドの負荷を付加した。RCMシート12に電気的に点火を行い、同時に図12の矢印で示すように、周囲の12の均等に配置された位置に点火し、結合形成反応を開始させた。

得られた接合組立体を超音波（音響）走査し、結合品質を調べた。音響走査結果の一例を、図13に示す。図において、ボイドとして知られる、トラップされた空気を含む低結合品質の領域は、結合領域26の周囲端部に隣接する明白色領域として示されている。全結合領域の百分率として測定されるボイド量は、1％未満であり、高品質の結合が得られたことが示された。図13の暗い直線は、反応性複合材料の個々のシート間のクラックまたは隙間を示しており、これらは、接合処理プロセスの間に、溶融はんだで充填されていた。非直線的な暗い線は、反応性複合材料の個々のシートのクラック発生によるものであり、これは、接合処理の間に反応した、シートの体積現象により生じる。個々の反応性多層化箔の間の充填された隙間は、直線状であり、接合処理の前に、組立体24に予め組み立てられた、反応性複合材料の個々のシートのパターンがわかる。

（実施例4）
この例では、図14に示すように、RCMシート12の組立体を配置した。組立体タブ20は、正方形状結合領域26内に配置し、点火ブリッジ22は、正方形状結合領域26の周囲端部の外側に配置した。被結合部材10Aおよび10Bは、厚さが0.5インチのアルミニウムの正方形板10Aと、厚さが0.5インチのチタンアルミニウムバナジウム合金の正方形板10Bとで構成される。結合領域26は、一辺が12インチの長さで、面積が144平方インチの正方形を形成する。スズ銀はんだを使用して、2つの部材本体10A、10B上に、溶融性層32Aおよび32Bを提供した。シート12の間の隙間Gにわたって、2つのインジウムはんだタブ20を押し付けることにより、図14に示すようなパターンに、6枚の等しい寸法のRCMシート12を予め組み立てた。隙間Gにわたる反応の伝播を確実に行うため、結合領域26の外側の臨界境界に、6つの反応性箔点火ブリッジ22を取り付けた。図7の一般的配置に示すように、平坦表面上に、厚さが0.5インチで一辺が12インチのアルミニウムの正方形スペーサ板34を配置した。次に、スペーサ板34の上部に、チタン合金部材本体10B、反応性多層化箔組立体24、およびアルミニウム部材本体10Aを配置した。その上には、アルミニウム部材本体10Aと位置が揃うようにして、第1のスペーサ板と同様の寸法の、第2の正方形アルミニウムスペーサ板34を配置した。第2のスペーサ板34の上部には、弾性層38として機能する硬質ゴムの薄層を配置した。全配置を油圧プレスの位置に動かし、定盤36A、36Bにより、この配置に62,640ポンドの負荷を付加した。RCMシート12に電気的に点火を行い、同時に図14の矢印で示すように、周囲の10の均等に配置された位置に点火した。その結果、部材本体10Aと10Bの間に、結合反応が生じた。

部材本体10A、10Bの間に得られた接合を、超音波走査し、結合品質を調べた。図15には、音響走査の結果を示す。全結合領域の百分率として測定されるボイド量は、1％未満であり、高品質の結合が確認された。図15において、暗い水平線および垂直線は、個々のRCMシート12の間の隙間を示しており、ここには、接合処理プロセスの間に、溶融はんだが充填された。従って、超音波C走査から、反応性複合材料の6枚のシートにより、2つの部材本体10A、10Bが有効に接合されていることが明確に観察される。

（実施例5）
この例では、図16に概略的に示すように、RCMシート12の組立体24を用いて、一組の別個の部材タイル40A−40Fが、単一のベース部材本体42に同時に接合される。個別の部材タイル40A−40Fの各々は、炭化ホウ素（B₄C）で構成され、この寸法は、全長6.25インチ、幅6インチ、厚さ0.25インチである。単一のベース部材本体42は、銅板を有し、これは、全長26.25インチ、幅7.25インチ、厚さ0.31インチの寸法を有する。結合領域26は、矩形状配置を有し、これは、全長が25インチ、幅が6インチ、面積が150平方インチである。銀はんだの層が、銅板42および各炭化ホウ素タイル40A−40Fに予備設置され、この層は、溶融性材料層32A、32Bとして機能する。図5に示すように、結合領域26の外側で、シート12の間の隙間にわたって、10の反応性多層化箔点火ブリッジ22をテーピングすることにより、6枚のRCMシート12が予め組み立てられ、これにより、全てのシート12での同時点火の確率が高まる。銅板42は、スズ銀はんだ32Bの層が上方を向くようにして、平坦表面に配置される。銅板42の上部には、組立体24が配置され、これにより、結合領域26が完全に被覆される。各炭化ホウ素タイル40A−40Fは、スズ銀はんだ32Aの層が下向きとなり、組立体24のシート12と接触するようにして、所望の配置で、組立体24の上部に配置される。本実施例では、図16に示すように、炭化ホウ素タイル40A−40Fは、端部同士が相互に接触するように配置され、矩形状結合領域26と位置が揃えられる。炭化ホウ素タイル40A−40Fの上部には、結合領域26の配置と整合するように、硬質ゴムの薄層からなる弾性層38を配置した。弾性層38の上部には、結合領域26と位置が揃うように、アルミニウムスペーサ板34を配置した。全配置を油圧プレスの位置に動かし、定盤36A、36Bにより、この配置に65,250ポンドの負荷を付加した。RCMシート12に電気的に点火を行い、同時に、各点火ブリッジ22に対応する周囲の12の均等に配置された位置、および組立体24の各端部の位置に点火した。銅板と炭化ホウ素タイル40A−40Fの間に、結合反応が生じた。

（実施例6）
この例では、図17に示すように、RCMシート12の組立体24を用いて、非平坦（湾曲）整合表面にわたって、2つの湾曲した部材本体44Aおよび44Bを結合した。より詳しくは、厚さが0.015インチの鋼の湾曲シートを有する部材本体44Aを、湾曲した炭化ホウ素タイルを有する部材本体44Bと結合した。結合領域は、規定形状に制限されていないが、ほぼ111平方インチの表面積を有した。鋼シートおよび炭化ホウ素タイルには、スズ銀はんだの溶融性層32Aおよび32Bを予備設置した。不規則湾曲結合領域26の外側で、隙間Gにわたって、6つの多層化箔点火ブリッジ22をテーピングし、結合領域26の内側で、隙間Gにわたって、2つのインジウムはんだタブを押し付けることにより、組立体24内に、6枚のRCMシート12を予め組み立てた。スズ銀はんだの溶融性層32Bが上向きとなるようにして、適正形状のモールド46上に、炭化ホウ素タイルを配置した。適正形状のモールド46は、ゴム製の弾性層38で被覆されており、表面欠陥に適合することができる。4つの各々が3インチの幅を有する銀スズチタンはんだ（S-Bond（登録商標）220）で構成された、自立型溶融性層48を炭化ホウ素タイル44B上に配置した。次に、自立型溶融性層48の上部に、RCM組立体24を設置し、これにより、不規則湾曲結合領域26は、完全に被覆された。次に、スズ銀はんだの溶融性層32Aが下向きとなり、RCMシート12と接触するようにして、組立体24の上部に、鋼シート44Aを配置した。鋼シート44A上に、整合する形状のモールド50を配置し、組立体全体を油圧プレスの位置に移動した。定盤36A、36Bにより、この組立体に32,000ポンドの負荷を付加した。反応性複合材料に電気的に点火を行い、同時に、結合領域26の周囲端部の10の均等に配置された位置に点火したところ、湾曲不規則結合領域全体にわたって、結合反応が開始された。

前述の構成および手順において、本発明の範囲から逸脱しないで、各種変更を行うことが可能であり、このため、前述の記載または添付図面に含まれる全ての事象は、一例であって、限定的なものと解してはならない。

従来の2つの部材の反応性複合接合処理を実施する、従来の配置を概略的に示した図である。 本発明による大寸法接合処理により、2つの本体を接合する方法に含まれるステップを示したブロック図である。 2つの部材本体の間に大面積結合を形成するため、結合領域内の構造的支持タブおよび点火ブリッジにより、動作可能に接続された複数の接触反応性複合材料シートの上面図である。 2つの部材本体の間に大面積結合を形成するため、結合領域内の構造的支持タブおよび結合領域の外側の点火ブリッジにより、動作可能に接続された複数の接触反応性複合材料シートの上面図である。 シートからシートへの点火領域の伝播のため、結合領域の外側の点火ブリッジにより動作可能に接続された、いくつかの接触反応性複合材料シートを概略的に示した図である。 溶融性材料の2つの層の間に挟まれた、一組の接触反応性複合材料シートの断面図である。 本発明の接合方法を実施するための、部材および層の配置を示すブロック図である。 本発明の方法による結合接続の形成の間、複数の反応性複合材料シートに同時に点火を行うための配置の一例を示した図である。 本発明の方法により形成された大寸法接合の上部音響画像である。 本発明の方法により形成された大寸法接合の上部音響画像であり、端部ボイドを示す図である。 本発明の最適負荷結合方法により形成された大寸法接合の上部音響画像である。 接触反応性複合材料シート、溶融性材料支持タブ、点火ブリッジ、および点火位置の一例としての配置を示した図である。 図12に示した配置から得られた大寸法接合部の上部音響画像である。 接触反応性複合材料シート、溶融性材料支持タブ、点火ブリッジ、および点火位置の一例としての配置を示した図である。 図14に示した配置から得られた大寸法接合部の上部音響画像である。 本発明の接合方法を実施するための、部材および層の第1の一例を示したブロック図である。 本発明の接合方法を実施するための、部材および層の第2の一例を示したブロック図である。

Claims (8)

1. 反応性複合材料の単一のシートの表面積よりも大きな表面積を有する大寸法結合領域にわたって、第1の部材本体を、少なくとも一つの追加部材本体に結合する方法であって、
   前記第1の部材本体と各追加部材本体の間に、2以上の反応性複合材料のシートを、端部に沿って隣接した配置で配置するステップと、
   前記隣接する反応性複合材料のシートの間に、少なくとも一つの点火ブリッジを配置するステップであって、前記点火ブリッジは、前記隣接する反応性複合材料のシートの間に、開始された発熱反応を伝達するステップと、
   前記大寸法結合領域の周囲端部に隣接する前記反応性複合材料のシートの各々において、発熱反応を開始させるステップであって、前記発熱反応の結果、前記第1の部材本体と前記少なくとも一つの追加部材本体の間に、前記大寸法結合領域にわたって、結合が形成されるステップと、
   前記反応性複合材料のシートに、前記第1の部材本体および各追加部材本体を介して、圧力を付加するステップであって、前記圧力は、前記発熱反応の開始前および開始中に、付加されるステップと、
   を有する方法。
2. さらに、
   前記圧力を付加する前に、部材本体に近接して、少なくとも一つのスペーサ板を配置するステップを有し、
   前記スペーサ板は、前記結合の形成の間、ボイド形成を変化させることを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. さらに、
   前記反応性複合材料のシートと、前記第1の部材本体との間および／または前記少なくとも一つの追加部材本体の各々との間に、溶融性材料の層を配置するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
4. 前記点火ブリッジは、反応性複合材料、多層化ワイヤ、反応性化合物の低密混合物、および反応性化合物の稠密混合物のうちの少なくとも一つを含み、
   当該方法は、さらに、前記複数の隣接する反応性複合材料のシートの各々を、反応性複合材料の組立体に固定するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
5. さらに、
   前記隣接する反応性複合材料のシートの間に、溶融性材料からなる少なくとも一つの構造的支持タブを固定するステップを有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
6. さらに、
   隣接する反応性複合材料のシートの接触端部同士を結合して、前記組立体を形成するステップを有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
7. 前記反応性複合材料の各シートにおいて、前記発熱反応を開始させる前記ステップは、前記反応性複合材料の各シートにおける複数の点火位置で、前記発熱反応を同時に開始させるステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
8. 前記発熱反応は、前記大寸法結合領域の外側から中央に向かって、実質的に対称に伝播することを特徴とする請求項7に記載の方法。

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