JP5931785B2

JP5931785B2 - セラミック部材の接合方法

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Publication number: JP5931785B2
Application number: JP2013060560A
Authority: JP
Inventors: 河野　渉; 渉河野; 須山　章子; 章子須山; 福田　大二郎; 大二郎福田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: JP2014185058A

Description

本発明はセラミック部材の接合方法に関する。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）やアルミナ等のセラミックス部材の接合手段として、一般にろう付けによる接合方法が用いられている。このろう付けによる接合方法は、図５（ａ）に示すように、２つのセラミック部材からなる被接合部材１ａ、１ｂの接合面７に銀ろう等のろう材２を塗布して、真空炉３の内部でヒーター等の熱源４を用いて加熱し、ろう材２を溶融して接合する。この場合、被接合部材１の大きさは使用する真空炉３の大きさによって制限されることになる（特許文献１）。

また、真空炉３を使用せずにろう付けする接合手段として、図５（ｂ）に示すように、接合面７にろう材２が塗布された２つの被接合部材１ａ、１ｂを回転装置６により回転させながら、ろう材２に高パワー密度熱源であるレーザ５を照射して溶融接合させる手段が知られている（特許文献２）。

特開２００８−２５４０１０号公報特開平９−８７０５１号公報

上述した真空炉を用いたろう付け手段は、真空炉の内容積に制限があるため、大型のセラミック部材の接合には用いることができない。一方、ろう材の加熱源としてレーザを用いることにより、大型のセラミック部材を接合することが可能となるが、レーザは局部的な加熱手段であるため、加熱領域の前後で急激な温度上昇が発生してセラミック部材に熱膨張差による割れ等の損傷が発生するという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、大型のセラミック部材をレーザ等の高パワー密度熱源によりろう付け接合する際に、急激な温度上昇によるセラミック部材の損傷を抑制することにより、セラミック部材を健全かつ高強度で接合することができるセラミック部材の接合方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るセラミック部材の接合方法は、セラミック部材からなる被接合部材の接合面にろう材を塗布し、前記被接合部材を回転させながら複数設けられた高パワー密度熱源により前記接合面の複数箇所を照射し、前記ろう材を加熱溶融させて前記被接合部材を接合するセラミック部材の接合方法において、前記高パワー密度熱源が照射される被照射部の温度と前記接合面が当該被照射部を通過する直前の隣接部の温度をそれぞれ測定し、前記被照射部と前記隣接部の最大温度差が損傷発生温度差以下となるように前記高パワー密度熱源の照射条件を調整することを特徴とする。

本発明によれば、セラミック部材を接合する際に、急激な温度上昇によるセラミック部材の損傷の発生を抑制することにより、セラミック部材を健全かつ高強度で接合することができる。

（ａ）は第１の実施形態に係る接合方法の作業例を示す図、（ｂ）はその上面図。第１の実施形態に係る被照射部の温度上昇曲線模式図。第２の実施形態に係る接合方法の作業例を示す図。（ａ）から（ｆ）は各々第３の実施形態に係る接合方法の作業フローを示す図。（ａ）は従来の溶解炉を用いたろう付け装置の模式図、（ｂ）はレーザを用いたろう付け装置の模式図。

以下、本発明に係るセラミック部材の接合方法の実施形態について図を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係るセラミック部材の接合方法を、図１及び図２により説明する。

（構成）
本実施形態では、高パワー密度熱源としてレーザを用い、セラミック部材として炭化ケイ素からなる円筒状の被接合部材１ａ、１ｂを接合する例について説明する。

この被接合部材１ａ、１ｂをろう付け接合するに際し、被接合部材１ａ、１ｂの接合面７に、ろう材２として、例えばアルミナ−シリカ−マグネシア系のセラミック酸化物が塗布される。このろう材２が塗布された被接合部材１ａ、１ｂは、回転装置によって所定の回転速度で回転される。

被接合部材１ａ、１ｂの接合面７の周囲には光学系を備えたレーザ照射装置８（高パワー密度熱源）が配置され、レーザ照射装置８で発生したレーザ５は光学系により収束され、所定の走査速度で所定範囲の被照射部９を照射し加熱する。

また、被接合部材１ａ、１ｂの接合面７の周囲には例えば放射温度計からなる第１及び第２の温度計１０、１１が配置され、第１の温度計１０は被照射部９の温度を測定し、第２の温度計１１は接合面７が被照射部９を通過する直前の隣接部１２の温度を測定する。
これにより、回転している接合面７は隣接部１２で第２の温度計１１により温度が測定された後、被照射部９で第１の温度計１０により温度が測定されることになる。

レーザ出力は、被接合部材１として直径５０ｍｍ、肉厚３ｍｍの炭化ケイ素材を用いる場合には、３９００Ｗに設定され、被接合部材１の回転速度は、例えば２０ｒｐｍに設定される。
なお、本実施形態は熱源としてレーザを用いた例を説明したが、粒子線等の他の公知の高パワー密度熱源も用いることができる。

(作用)
上述した照射条件で被接合部材１ａ、１ｂの接合面７の被照射部９にレーザ５を照射すると、回転している被接合部材１ａ、１ｂの接合面７は徐々に温度が上昇していく。ここで被照射部９に着目すると、各回転において接合面７は被照射部９でレーザ５により加熱された後、１回転する間に放熱で温度が低下し、次回転で被照射部９で再度加熱され温度が上昇する。接合面７は、このサイクルを繰り返しながらで徐々に温度が上昇し、最終的にろう材２が溶融する温度（本実施形態で用いられるろう材は約１３５０℃）に達し、ろう付け接合が行われる。

図２は被照射部９の温度上昇曲線を示す模式図で、被照射部９の温度が各回転毎に上下動を繰り返しながら徐々に上昇していく様子を示している。なお、各回転における最低温度１３ｂは第２の温度計で測定された隣接部１２の温度にほぼ等しい。

ところで、本実施形態では、接合面７が回転しながら徐々に温度が上昇していく過程で、被照射部９の温度と隣接部１２の温度１３ｂの最大温度差、すなわち被照射部９の最高温度１３ａと最低温度１３ｂの温度差が約３５０℃以上となると、ろう材２が融点温度に達する前に被接合部材１に割れ等の損傷が発生する可能性がある。

そのため、本実施形態では、この最大温度差が損傷発生温度差以下となるように照射条件を調整する。例えば、レーザ照射装置８の光学系を調整することにより、被照射部９の走査速度や照射範囲を変更し、最大温度差を損傷発生温度差以下にする。

例えば、被照射部９の照射範囲が直径１７ｍｍの円形の場合、レーザ出力が３９００Ｗ以下でも損傷発生温度差（約３５０℃）に達してしまうが、被照射部９の照射範囲を直径３２ｍｍの円形とすれば温度差を約２２０℃に抑えることができる。

このように本実施形態では、ろう付け接合を実施しながら、各回転において被照射部９と隣接部１２の温度差を常時監視し、その最大温度差が損傷発生温度差に達しないようにレーザ５の照射条件を調整する。
なお、損傷発生温度差は被接合部材１の材質によって異なるので、被接合部材１の材質に応じて予め損傷発生温度差を熱応力計算や実験等により求めておく。

また、上記実施形態では、ろう付け接合工程で照射条件を調整する例について説明したが、ろう付け接合を行う前に、熱応力計算又は同一材料を用いた実験を行うことにより、被照射部９と隣接部１２との最大温度差が損傷発生温度差以下となるようにレーザ５の照射条件を調整するようにしてもよい。

また、照射条件として、レーザ５の出力や被接合部材１の回転速度も調整パラメータとなるので、被照射部９の照射範囲や走査速度の外に、レーザ５の出力や被接合部材１の回転速度も調整するようにしてもよい。

(効果)
以上説明したように、本実施形態によれば、セラミック部材からなる被接合部材１をろう付け接合するに際し、被照射部９の温度と隣接部１２の温度との温度差を常時監視し、被接合部材１が損傷発生温度差に達しないように被照射部９の照射範囲、回転速度、レーザ出力及び／又はレーザ走査速度等の照射条件を調整することにより、健全かつ高強度のろう付け接合をおこなうことができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るセラミック部材からなる被接合部材の接合方法を、図３により説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複説明を省略する。
本実施形態では、図３に示すように、炭化ケイ素からなる被接合部材１の周囲に３つのレーザ照射装置８、１４、１５を配置した構成としている。

本実施形態では、３つのレーザ照射装置８、１４、１５は、各レーザ出力の合計が３９００Ｗとなるように設定され、回転する接合面７に対し３方向からレーザを照射して加熱する。

３つのレーザ照射装置のうち、レーザ照射装置８によって照射される被照射部９の温度と隣接部１２の温度をそれぞれ第１及び第２の温度計１０、１１によって測定し、その最大温度差が損傷発生温度差以下となるように照射条件を調整する。

本実施形態によれば、第１の実施形態の作用効果に加え、３つのレーザ照射装置を用いることで、各レーザ出力を約１／３に低減できるので、レーザ照射によって生じる急激な温度上昇も約１／３に低減することができる。これにより、接合工程においてセラミック部材に割れ等の損傷が発生するのをさらに抑制することができる。
なお、本実施形態では３つのレーザ照射装置を用いた例を説明したが、これに限定されず、レーザ照射装置の配置数を２又は４以上としてもよい。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係るセラミック部材からなる被接合部材の接合方法を、図４により説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態では、ろう付け接合工程の前に、被溶接部材１ａ、１ｂに塗布されたろう材２を溶融、急冷し、ガラス化する構成としている。
このガラス化工程では、まず、被接合部材１ａ、１ｂの端面にセラミック酸化物からなるろう材２が塗布され（図４（ａ））、ろう材は粉末として被接合部材１の端面に堆積した状態となる（図４（ｂ））。その状態で粉末状のろう材２を１３５０℃以上に加熱し、ろう材２を溶融させ（図４（ｃ））、ろう材の溶融層１８を形成する（図４（ｄ））。ろう材の加熱手段としてはレーザ又は加熱炉等の熱源が用いられる。

その際、粉末状のろう材２の間に残存していた空気層の一部は気泡１６として溶融層１８内に残留するが、その状態で溶融層１８を加熱維持することで、残存した気泡を脱泡する。これにより、気泡がないろう材２の溶融層１８を得ることができる（図４（ｄ））。
その後、脱泡された溶融層１８を急冷することによって、酸化物のろう材２はガラス化し、被接合部材１ａ、１ｂの端面にガラス層１７が形成される（図４（ｅ））。

この端面にガラス層１７が形成された被接合部材１ａ、１ｂを、第１又は第２の実施形態の接合方法によってろう材２を溶融させろう付け接合を行う（図４（ｆ））。
その際、ろう材２がガラス化したことで、ろう材２の融点が１３５０℃から約１２００℃以下に下降する。これにより、約１１００℃〜１２００℃でろう付け接合が可能となるので、レーザ出力を低減させることができるとともに、被照射部９の温度変動も小さくすることができるので、割れ等の損傷の発生をさらに抑制することができる。

本実施形態によれば、ろう材をガラス化したことで、レーザ出力を低減させることができるとともに、被照射部の温度変動も小さくすることができるので、割れ等の損傷の発生をさらに抑制することができる。また、ろう材から気泡を除去することで、ろう付け接合の強度及び信頼性を高めることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１,１ａ，１ｂ…被接合部材、２…ろう材、３…真空炉、４…熱源、５…レーザ、６…回転装置、７…接合面、８，１４，１５…レーザ照射装置、９…被照射部、１０…第１の温度計、１１…第２の温度計、１２…隣接部、１３ａ…最高温度、１３ｂ…最低温度、１６…気泡、１７…ガラス層、１８…溶融層。

Claims

セラミック部材からなる被接合部材の接合面にろう材を塗布し、前記被接合部材を回転させながら複数設けられた高パワー密度熱源により前記接合面の複数箇所を照射し、前記ろう材を加熱溶融させて前記被接合部材を接合するセラミック部材の接合方法において、
前記高パワー密度熱源が照射される被照射部の温度と前記接合面が当該被照射部を通過する直前の隣接部の温度をそれぞれ測定し、前記被照射部と前記隣接部の最大温度差が損傷発生温度差以下となるように前記高パワー密度熱源の照射条件を調整することを特徴とするセラミック部材の接合方法。
前記被接合部材の接合面にろう材を塗布した後、前記ろう材を加熱溶融して脱泡し、次いで冷却することにより前記ろう材をガラス化することを特徴とする請求項１記載のセラミック部材の接合方法。
前記ろう材はセラミック酸化物からなることを特徴とする請求項１又は２記載のセラミック部材の接合方法。
前記調整される照射条件は前記被照射部の照射範囲、前記高パワー密度熱源の出力及び前記被接合部材の回転速度の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミック部材の接合方法。
前記高パワー密度熱源はレーザであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミック部材の接合方法。