JP6285724B2

JP6285724B2 - 接合方法及び接合装置

Info

Publication number: JP6285724B2
Application number: JP2014003879A
Authority: JP
Inventors: 三浦　栄朗; 栄朗三浦; 康男澤井; 正行阿部; 日吉石川; 清邦萩原
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-01-14
Also published as: JP2015131318A

Description

本発明は、２つの金属部材を接合する接合方法および接合装置に関する。

電気回路は、電気の供給源となる電源や電気を利用して一定の機能を果たす電気部品等を配線で接続して構成されており、電気回路の構築には配線接続または結線の作業が必ず必要になる。一般的に、ディスクリートな端子部材同士のスポット接合、特に銅のバスバー同士のスポット接合には、電気の放電現象（アーク放電）を利用する熱量の大きなアーク溶接法が多く用いられている。アーク溶接法は、電極と母材との間で空中に発生するアークの熱を利用して母材を溶接する接合方法であり、アーク熱により電極が消耗（溶融）する消耗電極式（たとえばＭＩＧ溶接法）と、消耗しない非消耗電極式（たとえばＴＩＧ溶接法）の２種類がある。

特開２０１１−６２７２３号公報

アーク溶接法は、上記のように電極と母材との間で空中に発生するアークの熱を利用して母材を溶接する接合方法であるため、電力を多く消費し、周囲に与える熱影響も大きい。特に、回路基板上で多数の集積回路に電力を供給するために用いられる細長い棒状または板状の導体金属であるバスバーは、回路基板上に実装された状態で、かつ多くの箇所で接合加工を受けることから、バスバー同士のスポット接合にアーク溶接を用いた場合の電力消費量の大きさと周囲への熱影響は顕著であり、深刻な問題となっている。

また、バスバーの素材には純銅が好適に用いられる。純銅は、大別して、純度９９．９５％以上の無酸素銅と、純度９９．９％以下のタフピッチ銅の二種類があり、コスト的にはタフピッチ銅の方が断然有利である。ところが、タフピッチ銅のバスバーをアーク溶接すると、ブローホールが発生しやすい。すなわち、タフピッチ銅の場合、アーク雰囲気の高温下で水素が銅内部に残っている酸素と反応して水蒸気を発生し、この水蒸気が外界へ拡散、放出されずにブローホールとなる。

さらに、溶接によっていったん形成された金属接合は取り戻し（リカバリー）や遣り直しが利かないことも、歩留りの面で大きな不利点になっている。たとえば、１つの回路基板上でバスバーの継手または被接合部が１０箇所ある場合、その中の１箇所でも溶接不良があると、たとえ残りの９箇所全部の溶接結果が良好であったとしても、当該回路基板上の電子回路全体が不良品となる。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、２つの金属部材を周囲に熱影響を与えずに低消費電力で仕上がり良くかつ歩留り良く安定に接合できる接合方法および接合装置を提供する。

本発明の接合方法は、第１および第２の金属部材の被接合部を合わせて被接合部を形成する第１の工程と、前記被接合部にトーチ電極の先端を接触させる第２の工程と、前記被接合部に前記トーチ電極の先端が接触した状態の下で、前記トーチ電極の周囲にシールドガスを供給しながら、前記トーチ電極と前記被接合部との間で通電を開始する第３の工程と、前記シールドガスの供給と前記通電を継続しながら、前記トーチ電極の先端を前記被接合部から離して、前記トーチ電極と前記被接合部との間で前記端子部材を殆ど溶かさないアークを発生させる第４の工程と、前記アークの中に溶加材を供給して、前記溶加材を前記アークの熱で溶かし、溶けた前記溶加材を前記被接合部の隙間に拡げる第５の工程と、前記アークから前記溶加材を退避させるとともに、前記アークを消滅させて、前記被接合部の隙間およびその回りで溶けていた前記溶加材を凝固させる第６の工程とを有する。

本発明の接合装置は、第１および第２の金属部材の被接合部を接合するための接合装置であって、トーチ電極を着脱可能に装着して保持するトーチボディと、前記トーチ電極と前記被接合部とを含む閉回路内で電流を流すための電源と、前記被接合部に向けて溶加材を送るための溶加材送給部とを有し、前記トーチ電極の先端を前記被接合部に接触させた状態で、前記閉回路内の通電を開始し、前記閉回路内の通電を継続しながら前記トーチ電極の先端を前記被接合部から離して、前記トーチ電極と前記被接合部との間で前記第１および第２の金属部材を殆ど溶かさないアークを発生させるとともに、前記アークの中に前記溶加材を供給して前記アークの熱により前記溶加材を溶かし、溶けた前記溶加材が前記被接合部の隙間に十分拡がった後に、前記溶加材を前記アークから退避させ、かつ前記閉回路内の通電を止める。

本発明では、トーチ電極と両金属部材の被接合部の間にアークを発生させ、このアークを被接合部の溶融（アーク溶接）にではなく専ら溶加材の溶融に用いる。しかも、タッチスタート方式でアーク放電を開始させるので、常に決まった位置（被接合部のトーチ電極の先端が接触していた位置）でアークを発生させることができる。これにより、スポット接合において、アークの中に溶加材を迅速かつ確実に供給して効率よく安定に溶かすことが可能であり、信頼性の高い高品質のろう接継手を得ることができる。

特に、本発明の好ましい一態様においては、被接合部のトーチ電極が接触していた箇所をめがけて、あるいはトーチ電極の先端と被接合部のトーチ電極が接触していた箇所との間のギャップをめがけて、溶加材を供給する。これにより、常に溶加材を外さずにアークのアーク柱または芯部の中に導入し、溶加材を最も効率よく安定確実に溶かすことが可能であり、ろう接によるスポット接合の加工品質を一層高めることができる。

別の好適な一態様においては、被接合部のトーチ電極が接触すべき箇所が被接合部の隙間またはその付近に設定される。これにより、被接合部の隙間またはその付近にアークを発生させ、溶加材を効率よく隙間の中に拡散させることができる。

別の好適な一態様においては、アークが発生してから所定の時間（好ましくは０．１〜０．５秒）だけ遅らせて、アークの中に溶加材を供給する。これにより、母材が受ける影響を少なくし、かつぬれ性を良くすることができる。

別の好適な一態様においては、被接合部の温度を監視して、被接合部の温度が溶加材の融点よりも高くて金属部材の融点を超えないように、アークのアーク電流を制御する。好ましくは、温度センサを用いて被接合部の温度を測定し、被接合部の測定温度が溶加材の融点より高くて金属部材の融点より低い所定の基準温度に一致または近似するように、アークのアーク電流を制御する。このように被接合部の温度を制御し、ひいては溶加材を溶かす温度を制御することによって、アークのアーク熱を利用して行われるろう接の効率性と信頼性および再現性を向上させることができる。

本発明の接合方法または接合装置によれば、上記のような構成を有することにより、２つの金属部材を周囲に熱影響を与えずに低消費電力で仕上がり良くかつ歩留り良く安定に接合することができる。

本発明の一実施形態における接合装置の全体構成を示す図である。実施形態における母材の被接合部を示す斜視図である。実施形態におけるろう接方法の手順を示すフローチャートである。上記接合装置におけるトーチ昇降動作の一段階を示す図である。上記接合装置におけるトーチ昇降動作の一段階を示す図である。上記接合装置におけるトーチ昇降動作の一段階を示す図である。上記接合装置におけるトーチ昇降動作の一段階を示す図である。上記接合装置におけるトーチ昇降動作の一段階を示す図である。上記接合装置におけるトーチ昇降動作の一段階を示す図である。上記接合装置における溶加材供給動作および通電動作の一段階を示す図である。上記接合装置における溶加材供給動作および通電動作の一段階を示す図である。上記接合装置における溶加材供給動作および通電動作の一段階を示す図である。上記接合装置における溶加材供給動作および通電動作の一段階を示す図である。上記接合装置における溶加材供給動作および通電動作の一段階を示す図である。実施形態における直進駆動部材回りの一変形例を示す図である。実施形態における直進駆動部材回りの別の変形例を示す図である。一変形例におけるトーチ昇降動作および溶加材供給動作の一段階を示す図である。上記変形例におけるトーチ昇降動作および溶加材供給動作の一段階を示す図である。上記変形例におけるトーチ昇降動作および溶加材供給動作の一段階を示す図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態における接合装置の全体構成を示す。この接合装置は、スポット接合、特に拝み接合（突き合わせ接合）に好適に対応できる据置型の装置構成となっており、直流式の電源回路、制御回路および各種駆動回路等を内蔵したユニット形態の装置本体１０と、この装置本体１０からの用力の供給と制御の下で電気部品支持体（たとえば回路基板または回路アッセンブリ）Ｓ上の被接合材（母材）にアークを用いたろう接（ろう付またはハンダ付）を施す接合ヘッド１２と、シールドガスたとえばアルゴンガスの供給源であるガスボンベ１４とを有する。

接合ヘッド１２は、板状のベース１６に可動ステージ１８とトーチスタンド２０を併設し、トーチスタンド２０にトーチ２２を昇降移動可能に搭載するとともに、トーチスタンド２０および可動ステージ１８から独立した支持体（図示せず）に支持アーム２５を介して溶加材送給装置２４を所定位置に保持させている。

可動ステージ１８は、電気部品支持体Ｓを水平面内のＸＹ方向で移動させるためのＸＹステージ２６と、電気部品支持体Ｓを水平面内の方位角方向（θ方向）で移動させるためのθステージ２７とを有している。一方、トーチスタンド２０は、固定台２８の上にたとえばサーボモータを駆動源とする昇降駆動部（図示せず）を内蔵した昇降タワー３０を設けている。この昇降タワー３０の昇降駆動部に昇降支持軸３２を介して直進駆動部材３４が結合され、この直進駆動部材３４にトーチ２２が鉛直方向で一体移動可能に取り付けられている。直進駆動部材３４とトーチ２２とを連結する機構については、後に詳細に説明する。

トーチ２２は、水平方向では固定されている。装置本体１０より電気ケーブル３６を介して送られてくる制御信号の下でＸＹステージ２６およびθステージ２７がＸＹ方向の移動動作およびθ方向の移動（回転）動作をそれぞれ行うことにより、ステージ１８に載置されている電気部品支持体Ｓ上でろう接の対象となる被接合材の被接合部ＷＪをトーチ２２の直下に位置決めすることができる。

トーチ２２は、装置本体１０より電気ケーブル内蔵のホース３８を介して本実施形態におけるろう接用の電力とシールドガスＳＧの供給を受けるようになっており、絶縁体たとえば樹脂からなる円筒状のトーチボディ４０とこのトーチボディ４０の下端（先端）部に取り付けられる円筒状または円錐状のトーチノズル４２とを有し、トーチボディ４０およびトーチノズル４２の中にペンシル形のトーチ電極（タングステン電極棒）４４を着脱自在に装着し、トーチノズル４２の下端（先端）よりわずかに（通常２〜３ｍｍ）トーチ電極４４の下端（先端）を突出させている。

装置本体１０は、ユニット正面に表示器４６、操作ボタン４８および電源スイッチ５０等をタッチパネル形式で配設し、ユニット側面または背面に外部接続端子またはコネクタ類５２を配設している。ガスボンベ１４よりホース１５に送出されるシールドガスＳＧは、装置本体１０およびホース３８を経由してトーチ２２に供給されるようになっている。

図２に、この実施形態におけるスポット接合の適用可能な被接合材（母材）の一例を示す。図示の例では、たとえば銅からなる２つの細長い棒状または板状の金属部材たとえばバスバーＷ₁，Ｗ₂を被接合材（母材）とし、両金属部材Ｗ₁，Ｗ₂のそれぞれの上端面（頂面）を略面一に揃えてそれぞれの上端部を一体に合わせている。この一体に合わさった金属部材Ｗ₁，Ｗ₂の上端部が被接合部ＷＪを形成する。各金属部材Ｗ₁，Ｗ₂の他端（図示せず）は、たとえば、電気部品支持体Ｓ上に搭載されている電気部品（図示せず）に通じている。あるいは、一方の端子部材Ｗ₁は電気部品支持体Ｓ上に搭載され、他の端子部材Ｗ₂の他端は別の電気部品支持体（図示せず）上に搭載されている電気部品（図示せず）に通じている。

また、図２に示すように、好ましくは被接合部ＷＪを避けて、両金属部材Ｗ₁，Ｗ₂に一対の接触子（コンタクト）Ｃ₁，Ｃ₂が左右両側から着脱可能に接触する。これらの接触子Ｃ₁，Ｃ₂は、電気ケーブル５６を介して装置本体１０内の電源回路７６（図５）の正極に電気的に接続されている。

さらに、被接合部ＷＪまたはその付近に温度センサとして熱電対５８が取り付けられる。この熱電対５８は、熱電対ケーブル６０および温度測定回路（図示せず）を介して装置本体１０内の制御部に接続されている。

溶加材送給装置２４は、装置本体１０より電気ケーブル６２を介して送られてくる制御信号の下で動作するようになっており、ワイヤ状の溶加材Ｍを円滑に送り出せるように巻き付けているワイヤリール（図示せず）、このワイヤリールからワイヤ状溶加材Ｍを所定の速度で送り出すための送給ローラ（図示せず）、この送給ローラを回転駆動するためのモータ（図示せず）等をその本体２４ａの中に備え、ワイヤ状溶加材Ｍを供給先まで案内するための筒状のワイヤガイド２４ｂを本体２４ａに取り付けている。この実施形態では、ワイヤ状溶加材Ｍを供給先から任意かつ瞬時に退避させることができるように、送給ローラに逆送りの機能を持たせている。

さらに、この実施形態における溶加材送給装置２４は、装置本体１０の中にワイヤ状溶加材Ｍの供給量を測定するための溶加材供給量測定部（図示せず）を備えている。この溶加材供給量測定部は、たとえば本体２４ａの内部またはワイヤガイド２４ｂの先端部に取り付けられ、ワイヤ状溶加材Ｍの送出された量（長さ）を検出するエンコーダ（図示せず）を有する。装置本体１０内の制御部は、溶加材供給量測定部（エンコーダ）の出力信号を受け取り、１回のスポット接合においてワイヤ状溶加材Ｍの供給量（供給されたワイヤの長さ）が設定値になるように、送給ローラの回転動作（回転速度、回転時間等）を制御する。これにより、ワイヤガイド２４ｂから送り出されたワイヤ状溶加材Ｍが途中で撓んでも、ワークまたは被接合部ＷＪに対するワイヤ状溶加材Ｍの供給量（長さ）を一定に制御できるようになっている。

この実施形態では、後述するように常にワイヤ状溶加材Ｍを外さずに必ずアークＡＣのアーク柱または芯部の中に導入して溶かすことができるので、溶加材送給装置２４より被接合部ＷＪに向けて送り出されたワイヤ状溶加材Ｍの全量がろう接に有効に使用されたものとみなすことができる。

一例として、母材の金属部材Ｗ₁，Ｗ₂がそれぞれ断面２ｍｍ×２ｍｍのタフピッチ銅の角棒からなるバスバーである場合、トーチ電極４４にはたとえば直径（φ）２．４ｍｍのタングステン棒が用いられ、ワイヤ状溶加材Ｍにはたとえば直径（φ）０．８ｍｍのりん銅ろうワイヤが用いられる。通常の母材においては、両金属部材Ｗ₁，Ｗ₂の接触界面に必ず幾らか（たとえば０．１ｍｍ程度）の隙間ｇが存在する。この実施形態における被接合部ＷＪのろう接では、後述するように、被接合部ＷＪの頂面付近でアーク熱により溶けた溶加材（りん銅ろう）がねれで拡散して隙間ｇの中に浸み込むようになっている。

次に、図４Ａ〜図４Ｆにつき、この実施形態の接合装置において、直進駆動部材３４とトーチ２２とを連結する機構について説明する。図示のように、板状の直進駆動部材３４の貫通孔３４ａにトーチボディ４０が通され、トーチボディ４０の上部ないし中間部に固定された鍔状またはフランジ状の連結部材６６が直進駆動部材３４の上面に載るようにして、トーチボディ４０が直進駆動部材３４に連結される。

かかる構成のトーチ昇降機構においては、トーチ電極４４の下端が空中に浮いている間は（図４Ａ）、昇降タワー３０が直進駆動部材３４を下降させると、連結部材６６が直進駆動部材３４の上面に載った状態でトーチ２２が直進駆動部材３４と一体に下降移動する（図４Ｂ）。そして、トーチ電極４４の下端が母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪの上面に接触し（図４Ｃ）、さらに直進駆動部材３４が下降すると、トーチボディ４０の連結部６６が直進駆動部材３４から分離し（図４Ｄ）、トーチボディ４０は直進駆動部材３４から独立して被接合部ＷＪ上で起立するようになる（図４Ｄ）。この時、被接合部ＷＪにはトーチ２２の自重が加わる。

また、トーチ電極４４の下端が母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪに接触している状態（図４Ｅ）から、直進駆動部材３４を元の高さ位置まで上昇移動させると、その途中でトーチボディ４０の連結部材６６が直進駆動部材３４の上に載ってトーチボディ４０も直進駆動部材３４と一体に上昇移動するようになっている（図４Ｆ）。

この実施形態では、トーチボディ４０の連結部材６６と直進駆動部材３４との間の連結または分離状態を検出するためのセンサ７０が備わっている。図示のセンサ７０は、垂直リニアスケールからなり、連結部材６６の側面に取り付けられている鉛直方向に延びる目盛部７２と、この目盛部７２を直進駆動部材３４の相対的な高さ位置に応じたレベルで光学的に読み取るように直進駆動部材３４に取り付けられている目盛読取部７４とを有している。目盛読取部７４は、反射式の光学センサからなり、電気ケーブル（図示せず）を介して装置本体１０内の制御回路に電気的に接続されている。

このセンサ７０においては、トーチボディ４０の連結部材６６が直進駆動部材３４の上に載っている限り、直進駆動部材３４が任意の高さ位置で昇降移動しても目盛読取部７４の出力信号（読取値）は一定値を保つ。しかし、直進駆動部材３４がトーチボディ４０の連結部材６６から分離すると、目盛部７２と目盛読取部７４との相対位置が変化し、目盛読取部７４の出力信号（読取値）が変化する。装置本体１０内の制御部は、目盛読取部７４からの出力信号に基づいて直進駆動部材３４とトーチボディ４０との相対的な位置関係を監視できるとともに、直進駆動部材３４が往動（下降移動）する途中でトーチ電極４４の下端が母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪに接触したときは、そのことを検出できる。なお、このような目盛を用いる光学式のセンサに代えて、近接センサ等の他の方式のセンサを用いることも可能である。

次に、図３、図４Ａ〜図４Ｆおよび図５Ａ〜図５Ｅを参照して、この実施形態における接合装置の動作およびろう接方法（スポット接合方法）を説明する。

先ず、タフピッチ銅の母材（Ｗ₁，Ｗ₂）を支持する電気部品支持体Ｓがステージ１８上に載置されている状態で、ＸＹステージ２６およびθステージ２７が上記のように装置本体１０内の制御部による制御の下で水平面内の位置合わせを行う。この位置合わせ動作により、母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪ上に予め設定された位置、つまり通電開始のためにトーチ電極４４の下端が接触すべき位置（以下、「通電開始位置」と称する。）Ｐがトーチ電極４４の真下に位置するようになる。図示の例のようなスポット接合（拝み接合）の場合は、被接合部ＷＪの頂面上で隙間ｇまたはその付近の箇所に通電開始位置Ｐを設定するのが好ましい。

通常、電気部品支持体Ｓ上で接合対象となっている全ての被接合部ＷＪにＸＹ座標が割り当てられるので、オープンループ制御の位置合わせ動作を行える。もっとも、モニタカメラ等を用いてフィードバック制御の位置合わせ動作を行うことも可能である。

上記のようにしてステージ１８上で母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪがトーチ電極４４の真下に位置決めされると、溶加材送給装置２４と被接合部ＷＪとの間でも位置合わせが完了する。すなわち、溶加材送給装置２４と被接合部ＷＪとの間では、ワイヤガイド２４ｂの先端またはワイヤ状溶加材Ｍの先端が母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪ上の通電開始位置Ｐを斜め上方から指すような位置関係になる（図５Ａ）。

上記のような水平面内の位置合わせとは別に、高さ方向においても装置本体１０内の制御部により昇降タワー３０を通じてトーチ２２のスタート位置が適当な高さ位置に調整される。ただし、同一種類の複数の被接合部に対して同一条件のろう付を続けて行う場合は、各回のろう付の終了後にトーチ２２を一定のスタート位置に戻すことによって、次回のろう付けのための初期高さ位置調整を省くこともできる。

上記のような位置合わせないし初期高さ位置の調整が済んでいる状態（図４Ａ）から、装置本体１０内の制御部による制御の下で、ステージ１８上の母材（Ｗ₁，Ｗ₂）に対するろう接が接合ヘッド１２で実行される。図３のフローチャートは、この実施形態におけるろう接方法（スポット接合方法）の手順を示す。

先ず、制御部は、昇降タワー３０の昇降駆動部を作動させて、直進駆動部材３４の下降移動を開始する（ステップＳ₁）。トーチ電極４２の下端は空中に浮いているので（図４Ａ）、直進駆動部材３４の下降移動が開始されると、連結部材６６が直進駆動部材３４の上面に載った状態でトーチ２２も直進駆動部材３４と一体に下降移動する（図４Ｂ）。

そして、トーチ電極４４の下端が被接合部ＷＪに通電開始位置Ｐ（または少しずれてその近傍）で接触すると（ステップＳ₂）、トーチ２２の下降移動がそこで終了する（図４Ｃ）。その直後に、直進駆動部材３４がトーチボディ４０の連結部材６６から分離すると（図４Ｄ）、制御部がセンサ７０の出力信号に応答して直進駆動部材３４の下降移動を止める（ステップＳ₃）。

なお、制御部は、トーチ２２の下降移動の途中で、あるいは下降移動の終了直後に、シールドガスＳＧの供給を開始する。シールドガスＳＧは、ボンベ１４から装置本体１０およびホース３８を介してトーチ２２に供給される。トーチ２２は、トーチボディ４０の上部にシールドガスＳＧを導入し、導入したシールドガスＳＧをトーチノズル４２の開口から所定の流量（たとえば５リットル／分）で噴出する。

こうしてトーチ電極４４の下端が被接合部ＷＪ上の通電開始位置Ｐ（またはその近傍）に接触している状態の下で、制御部は通電を開始する（ステップＳ₄）。すなわち、装置本体１０内で定電流源からなる直流電源回路７６のスイッチＳＷをそれまでのオフ状態からオン状態に切り換える。そうすると、直流電源回路７６の正極→オン状態のスイッチＳＷ→電気ケーブル５６→接触子Ｃ₁，Ｃ₂→被接合部ＷＪ→トーチ電極４４→ホース３８内の電気ケーブル３９→直流電源回路７６の負極の経路または閉回路７８内で、一定の直流電流ｉが流れる（図５Ｃ）。

この直流電流ｉの電流値は、通電開始から終了まで一定値に保たれてもよく、あるいは途中で段階的または連続的に切り換えられてもよい。通電時間を通じて一定値に保つ場合は、トーチ電極４４の下端を被接合部ＷＪから離してアークを発生させた時に、融点６４０℃のワイヤ状溶加材（りん銅ろう）Ｍは速やかに溶けつつも融点１０００℃以上の被接合部（タフピッチ銅）ＷＪは全くまたは殆ど溶けないようなアーク熱が得られる電流値Ｉ_M（たとえば７０Ａ）に設定される。

あるいは、この接触状態下の初期通電時において、電流ｉの電流値をろう接に適した上記の値Ｉ_Mより一段と低い値Ｉ_Sに制御してもよい。すなわち、トーチ電極４２の寿命を延ばすには、トーチ電極４２の先端が被接合部ＷＪから離れた瞬間にアーク放電を出来るだけ弱く発生させるのが好ましい。一方で、トーチ電極４２の先端を被接合部ＷＪから引き離して開始されるろう接のぬれ性を良くするには、この段階（接触状態下）の通電において被接合部ＷＪに適度のジュール熱を発生させて予備加熱しておくのが好ましい。この実施形態では、これら両面の観点から、上記閉回路７８内で流す電流ｉの通電開始時の電流値Ｉ_Sをたとえば１０〜２０Ａの範囲に制御する。

あるいは、この実施形態では温度センサ（熱電対）５８を通じて被接合部ＷＪの温度をモニタできるので、そのモニタ温度を一定の値または一定の範囲に制御するように、制御部が電源回路７６を通じて電流ｉの初期電流値Ｉ_Sを可変に制御することも可能である。

制御部は、通電開始から所定時間Ｔ₁が経過すると（ステップＳ₅）、直進駆動部材３４を幾らか上昇移動させて、トーチ電極４４の下端を被接合部ＷＪから設定離間距離（たとえば３ｍｍ）だけ上方に引き離し（ステップＳ₆）、その高さ位置で静止させる。そして、このトーチ電極４４の引き離しと同時に、または引き離しが完了した後に、制御部が電源回路７６を制御して、上記閉回路７８内で流す電流ｉの電流値をそれまでの初期電流値Ｉ_Sよりも一段と大きいろう接用の正規電流値Ｉ_Mに切り換える（ステップＳ₇）。

こうしてトーチ電極４４の下端が被接合部ＷＪから離間し、かつ上記閉回路７８内で正規電流値Ｉ_Mの電流（アーク電流）ｉが流れることにより、融点１０００℃以上の被接合部（タフピッチ銅）ＷＪを全くまたは殆ど溶かさずに融点６４０℃のワイヤ状溶加材（りん銅ろう）Ｍを速やかに溶かすことができるアークＡＣが、トーチ電極４４と被接合部ＷＪとの間の空間ギャップに、特にトーチ電極４４の下端と被接合部ＷＪ上の通電開始位置Ｐとの間の空間ギャップに生成される。

そして、トーチ電極４２の先端を被接合部ＷＪから引き離してから、あるいは上記閉回路７８内の電流ｉの電流値を正規値Ｉ_Mに切り換えてから所定の遅延時間Ｔ₂が経過すると（ステップＳ₈）、このタイミングで制御部は溶加材送給装置２４を通じてアークＡＣの中へのワイヤ状溶加材Ｍの供給を開始する（ステップＳ₉）。

この遅延時間Ｔ₂は、ぬれ性を良くするための最適時間や母材に与える影響等を考慮して決められ、通常は０．１〜０．５秒の範囲に選ばれる。また、この遅延時間Ｔ₂の経過後にジャスト・イン・タイムでワイヤ状溶加材Ｍの先端がアークＡＣのアーク柱の中に突入するように、溶加材送給装置２４の動作を開始するタイミングを若干早めてもよい。

この実施形態では、ワイヤ状溶加材Ｍの先端が被接合部ＷＪ上の通電開始位置Ｐをめがけて斜め上方から送られるため、ワイヤ状溶加材Ｍが確実にアークＡＣのアーク柱の下端部に導入され、その導入位置でアーク熱を浴びて速やかに溶ける。そして、溶けた溶加材＜Ｍ＞は、ねれで周囲に拡がり、被接合部ＷＪの隙間ｇの中または内奥に浸み込む（図５Ｄ）。

制御部は、溶加材送給装置２４を通じてワイヤ状溶加材ＭをアークＡＣの中に供給しながら、温度センサ（熱電対）５８を通じて被接合部ＷＪの温度を監視して、被接合部ＷＪの温度が溶加材Ｍの融点よりも高くて母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の融点を超えないように、アーク電流ｉを制御する。より具体的には、被接合部ＷＪの測定温度が溶加材Ｍの融点より高くて母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の融点より低い所定の基準温度（たとえば７５０℃）に一致または近似するように、アーク電流ｉの電流値Ｉ_Mを制御する。たとえば、被接合部ＷＪの測定温度が基準温度より下がったときはアーク電流ｉの電流値Ｉ_Mを１００Ａ程度に上げ、被接合部ＷＪの測定温度が基準温度を超えた時はアーク電流ｉの電流値Ｉ_Mをたとえば１０Ａ程度に下げるような制御を繰り返す。

このように被接合部ＷＪの温度を制御し、ひいてはワイヤ状溶加材Ｍを溶かす温度を制御することによって、アークＡＣのアーク熱を利用して行われるろう接の効率性と信頼性および再現性を向上させることができる。

制御部は、ワイヤ状溶加材Ｍの供給を開始してから所定の時間Ｔ₃（たとえば２〜３ｓｅｃ）が経過すると（ステップＳ₁₀）、溶加材送給装置２４を制御してワイヤ状溶加材ＭをアークＡＣから退避させ（ステップＳ₁₁）、次いで電源回路７８のスイッチＳＷをオフ状態に切り換えて通電を止める（ステップＳ₁₂）。直後にシールドガスＳＧの供給も止める。

なお、制御部は、上記のようなタイマ機能に代えて、溶加材送給装置２４の溶加材供給量検出部（エンコーダ）の出力信号に基づいて、ワイヤ状溶加材Ｍの送出量または供給量が設定値に達したタイミングで、ワイヤ状溶加材ＭをアークＡＣから退避させることもできる。

ワイヤ状溶加材ＭがアークＡＣから退避すると、その瞬間に被接合部ＷＪへの溶加材の供給が停止する。また、通電が止まると、その瞬間にアークは消滅する。アークが消滅すると、被接合部ＷＪの隙間ｇの中およびその周囲に拡散していた溶融状態（液状）の溶加材＜Ｍ＞が大気中の自然冷却によって直ぐに凝固して固体金属または合金［Ｍ］となる。こうして、母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪにろう接の拝み接合（継手）が形成される。

この後、制御部は、昇降タワー３０の昇降駆動部を通じて直進駆動部材３４を上昇移動させて、トーチ２２をスタート位置に戻す（ステップＳ₁₃）。

上述したように、この実施形態においては、母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪにトーチ電極４４の先端を接触させた状態で、トーチ電極４４の周囲にシールドガスＳＣを供給しながら、トーチ電極４４と被接合部ＷＪとの間で通電を開始する。そして、シールドガスＳＣの供給と通電を継続しながら、トーチ電極４４の先端を被接合部ＷＪから離して、トーチ電極４４と被接合部ＷＪとの間で母材（Ｗ₁，Ｗ₂）を全くまたは殆ど溶かさずに溶加材Ｍを速やかに溶かすことができるアークＡＣを発生させる。そして、少し遅れてこのアークＡＣの中にワイヤ状の溶加材Ｍを供給して、溶加材ＭをアークＡＣの熱で溶かし、溶けた溶加材＜Ｍ＞をぬれで拡散させて被接合部ＷＪの隙間ｇに浸み込ませる。そして、一定時間経過後に（または、ワイヤ状溶加材Ｍの送出量または供給量が設定値に達したタイミングで）、溶加材ＭをアークＡＣから退避させ、次いでアークＡＣを消滅させて、被接合部ＷＪの隙間ｇおよびその回りに拡散していた溶融状態（液状）の溶加材＜Ｍ＞を凝固させる。

このように、この実施形態では、トーチ電極４４と母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪとの間に発生させるアークＡＣを、被接合部ＷＪの溶融（アーク溶接）にではなく、専ら可溶材Ｍの溶融に用いる。これによって、被接合部ＷＪにはろう接による金属接合（継手）が得られる。したがって、たとえば、母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の材質がタフピッチ銅であっても、アーク溶接で見られるようなブローホールが原理的に発生することはない。

しかも、タッチスタート方式でアークＡＣを発生させ、被接合部ＷＪのトーチ電極４４の先端が接触していた位置（通電開始位置Ｐ）をめがけてワイヤ状の溶加材Ｍを送るので、溶加材Ｍを外さずに確実にアークＡＣのアーク柱または芯部の中に導入して最も効率よく溶かすことができる。

さらには、溶加材送給装置２４に備えられる溶加材供給量測定部（エンコーダ）を通じて、１回のスポット接合において被接合部ＷＪに対するワイヤ状溶加材Ｍの供給量（供給されたワイヤの長さ）を常に設定値に管理できるので、溶加材Ｍを必ずアークＡＣのアーク柱の中に確実に導入できる上記の作用効果と相まって、ろう接加工の品質、信頼性および再現性を大きく向上させることができる。

さらに、ろう接によって形成された金属接合は、仮に接合不良であったとしても、取り戻し（リカバリー）や遣り直しが利くので、歩留まりの面でも有利である。また、アーク溶接と比較して、トーチ電極と母材との間に発生させるアークのアーク熱は格段に弱いので、つまりアーク電流が格段（約１／２程度）に小さいので、周囲に与える熱影響が少なく、消費電力の節約を図ることもできる。

［他の実施形態又は変形例］

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、上述した実施形態では、トーチ電極４４の下端が母材（Ｗ₁，Ｗ₂）の被接合部ＷＪの上面に接触してから直進駆動部材３４がさらに下降すると、被接合部ＷＪにはトーチ２２の自重が加わるようになっていた。別の実施例（変形例）として、図６に示すように、直進駆動部材３４とトーチボディ４０の一部（たとえばトーチボディ４０に固定された鍔状のばね受け部８０）との間に、直進駆動部材３４の移動する方向で弾性変形可能なばね部材たとえばコイルばね８２を設けることも可能である。この場合、コイルばね８２に圧縮コイルばねを用いることで、トーチ電極４２が被接合ＷＪに接触したときに被接合部ＷＪの受ける荷重をトーチボディ４０の自重より任意に軽くすることができる。母材（Ｗ₁，Ｗ₂）が小型精密電子部品の端子部材である場合に有利な形態である。あるいは、コイルばね８２に引っ張りコイルばねを用いることで、トーチ電極４２が被溶接部ＷＪに接触したときに被溶接部ＷＪの受ける荷重をトーチボディ４０の自重より任意に重くすることもできる。なお、ばね受け部８０の位置を調整する機構（図示せず）を備えることで、コイルばね８２のばね力を調整することもできる。

このように直進駆動部材３４にコイルばね８２を介してトーチボディ４０を取り付ける構成においては、直進駆動部材３４を斜め方向または水平方向で直進移動させ、トーチ電極４２を同方向に直進移動させることも可能である。

上述した実施形態における直進駆動部材３４の板状の形態は一例であり、直進駆動部材３４は任意の形状の板体、ブロック、筒体、筺体の構造を採ることが可能である。同様に、連結部材６６も任意の形態を採ることができる。

また、上述した実施形態では、直進駆動部材３４にトーチ２２を直接取り付けた。しかし、図７に示すように、直進駆動部材３４にたとえば昇降棒のような直進可動部材８８を鉛直方向で一体移動可能かつ分離可能に取り付け、この直進可動部材８８に結合されたホルダ９０にトーチ２２を着脱可能に取り付ける構成も可能である。

また、上述した実施形態では、２つの金属部材Ｗ₁，Ｗ₂の先端部分を合わせてろう接する拝み接合を行った。しかし、図示省略するが、２つの金属部材Ｗ₁，Ｗ₂の先端または側面を突き合わせてろう接する突き合わせ接合も可能である。

さらには、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、２つの金属部材Ｗ₁，Ｗ₂を重ね合わせてろう接する重ね合わせの接合も可能である。この場合は、被溶接部ＷＪの位置で重ね合わせの上になる方の金属部材Ｗ₁に好ましくはテーパ状の開口９２を形成し、この開口９２の中で露出する下側の金属部材Ｗ₂の上面に通電開始位置Ｐを設定する。そして、上記実施形態と同様に、トーチ電極４４の先端を下側の金属部材Ｗ₂に通電開始位置Ｐ（またはその近傍）にて接触させた状態で通電を開始し（図８Ａ）、それからトーチ電極４４の先端を引き離して上記と同様の強さのアーク熱を放つアークＡＣを発生させ、このアークＡＣの中にワイヤ状溶加材Ｍを供給する（図８Ｂ）。この場合も、通電開始位置Ｐをめざしてワイヤ状溶加材Ｍを送るのが好ましい。そうすると、金属部材Ｗ₁，Ｗ₂は全くまたは殆ど溶けずに溶加材Ｍだけが速やかに溶け、溶けた溶加材＜Ｍ＞がぬれで拡散して金属部材Ｗ₁，Ｗ₂の隙間ｇの中に浸み込む。そして、一定時間の経過後に、ワイヤ状溶加材Ｍを退避させ、直後に通電を止めてアークＡＣを消滅させると、開口９２および隙間ｇの中に拡散していた溶融状態（液状）の溶加材Ｍが直ぐに凝固して固体金属または合金［Ｍ］となる（図８Ｃ）。

なお、アークＡＣの中にワイヤ状の溶加材Ｍを供給するときは、被溶接部ＷＪ上の通電開始位置Ｐをめざして溶加材Ｍを送るのが最も好ましい。しかし、通電開始位置Ｐの直上、つまりトーチ電極４４の先端と通電開始位置Ｐとの間のギャップをめがけて溶加材Ｍを送ることも可能である。溶加材Ｍの形体は任意であり、ワイヤに限定されず、たとえば棒や板体であってもよい。

上記実施形態における接合装置は据置型であったが、ロボットに搭載する形態も可能である。その場合は、直進駆動部材３４または昇降支持軸３２をロボットアームに結合すればよい。同様に、溶加材送給装置２４も、トーチ２２と一緒に同一のロボットに搭載してもよく、あるいは別のロボットに搭載することもできる。

上記実施形態における接合装置は、接合ヘッド１２のステージ１８に自動位置合わせ機構（ＸＹステージ２５、θステージ２６）を備えた。しかし、ステージ１８を手動式の可動ステージに構成することや、あるいは固定式のステージ１８上でワークまたは電気部品支持体Ｓの位置合わせを手動で行うことも可能である。

被接合部ＷＪにおいて、金属部材Ｗ₁，Ｗ₂の材質は銅または銅合金に限定されず、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム金合や真鍮等の導体であってもよく、端子部材Ｗ₁の材質と端子部材Ｗ₂の材質が異なっていてもよい。また、金属部材Ｗ₁，Ｗ₂の形状も任意でよく、たとえば断面が矩形の棒体または板体に限らず断面が円形の棒体または板体であってもよい。

１０装置本体
１２接合ヘッド
１８可動ステージ
２２トーチ
２４溶加材送給装置
３０昇降タワー
３４直進駆動部材
４０トーチボディ
４４トーチ電極
６６連結部材

Claims

第１および第２の金属部材を合わせて被接合部を形成する第１の工程と、
前記被接合部にトーチ電極の先端を接触させる第２の工程と、
前記被接合部に前記トーチ電極の先端が接触した状態の下で、前記トーチ電極の周囲にシールドガスを供給しながら、前記トーチ電極と前記被接合部との間で通電を開始する第３の工程と、
前記シールドガスの供給と前記通電を継続しながら、前記トーチ電極の先端を前記被接合部から離して、前記トーチ電極と前記被接合部との間で前記第１および第２の金属部材を全くまたは殆ど溶かさないアークを発生させる第４の工程と、
前記アークの中に溶加材を供給して、前記溶加材を前記アークの熱で溶かし、溶けた前記溶加材を前記被接合部の隙間に拡げる第５の工程と、
前記アークから前記溶加材を退避させるとともに、前記アークを消滅させて、前記被接合部の隙間およびその回りで溶けていた前記溶加材を凝固させる第６の工程と
を有する接合方法。
前記被接合部の前記トーチ電極が接触していた箇所をめがけて前記溶加材を供給する、請求項１に記載の接合方法。
前記トーチ電極の先端と前記被接合部の前記トーチ電極が接触していた箇所との間のギャップをめがけて前記溶加材を供給する、請求項１に記載の接合方法。
前記被接合部の前記トーチ電極が接触すべき箇所を前記被接合部の隙間またはその付近に設定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合方法。
前記アークが発生してから０．１〜０．５秒だけ遅延して、前記アークの中に前記溶加材を入れる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合方法。
前記被接合部の温度を監視して、前記被接合部の温度が前記溶加材の融点よりも高くて前記第１および第２の金属部材の融点を超えないように、前記アークのアーク電流を制御する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合方法。
温度センサを用いて前記被接合部の温度を測定し、前記被接合部の測定温度が前記溶加材の融点より高くて前記第１および第２の金属部材の融点より低い所定の基準温度に一致または近似するように、前記アークのアーク電流を制御する、請求項６に記載の接合方法。
第１および第２の金属部材の被接合部を接合するための接合装置であって、
トーチ電極を着脱可能に装着して保持するトーチボディと、
前記トーチ電極と前記被接合部とを含む閉回路内で電流を流すための電源と、
前記被接合部に向けてワイヤ状または棒状の溶加材を送るための溶加材送給部とを有し、
前記トーチ電極の先端を前記被接合部に接触させた状態で、前記閉回路内の通電を開始し、
前記閉回路内の通電を継続しながら前記トーチ電極の先端を前記被接合部から離して、前記トーチ電極と前記被接合部との間で前記第１および第２の金属部材を殆ど溶かさないアークを発生させるとともに、前記アークの中に前記溶加材を供給して前記アークの熱により前記溶加材を溶かし、
溶けた前記溶加材が前記被接合部の隙間に十分拡がった後に、前記溶加材を前記アークから退避させ、かつ前記閉回路内の通電を止める、
接合装置。
前記被接合部の温度を検出するための温度センサを有し、前記温度センサにより検出される前記被接合部の温度が前記溶加材の融点より高くて前記第１および第２の金属部材の融点より低い所定の基準温度に一致または近似するように、前記電源を通じて前記アークのアーク電流を制御する、請求項８に記載の接合装置。
前記トーチボディを支持して前記トーチ電極の軸方向と平行に直進移動可能な直進駆動部材を備え、
前記トーチ電極を前記被接合部から遠ざけるための第１の位置と、前記トーチ電極の先端を前記被接合部に接触させるための第２の位置と、前記トーチ電極の先端をアークの生成に適した所定の距離だけ前記被接合部から離すための第３の位置との間で、前記直進駆動部材を直進移動させる、
請求項８または請求項９に記載の接合装置。
前記直進駆動部材と前記トーチボディまたはこれに結合された第１の直進可動部材との間に設けられ、前記直進駆動部材の移動する方向で弾性変形可能なばね部材を有する、請求項１０に記載の接合装置。
前記トーチ電極の先端が前記被接合部に接触したことを検出する位置センサを有し、前記位置センサの出力信号に応答して前記直進駆動部材の移動を停止させる、請求項１０または請求項１１に記載の接合装置。