JP7557331B2 - 接合構造体及び接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、接合構造体及び接合方法に関する。

従来、接合構造体として、例えば、特許文献１には、鉄系金属部材とアルミニウム系金属部材とを溶融層を介して接合した溶接接合体が記載されている。この溶接接合体は、溶融層に含まれる金属間化合物の体積率や大きさを規定することにより接合強度の低下を抑制している。

特開２０１９－１２６８２４号公報

ところで、上述の特許文献１に記載の接合構造体は、例えば、溶融層の端部から露出した金属間化合物において接合強度が低下するおそれがあり、この点でさらなる改善の余地がある。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、異種金属を適正に接合することができる接合構造体及び接合方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る接合構造体は、第１接合面を有する第１金属部材と、前記第１金属部材とは異なる金属部材であり第２接合面を有する第２金属部材と、対向方向に沿って対向した前記第１接合面と前記第２接合面とを液相接合した液相接合部と、を備え、前記第１接合面及び前記第２接合面の少なくとも一方は、前記対向方向に沿って窪んで形成された窪み部と、前記対向方向に交差する交差方向に沿って延在し前記窪み部の周囲を囲う接合主面とを有し、前記窪み部は、前記対向方向において、当該窪み部と前記第１接合面及び前記第２接合面の他方との間隔が、前記接合主面と前記他方との間隔よりも長く、前記液相接合により生じた金属間化合物が貯留されていることを特徴とする。

本発明に係る接合方法は、第１金属部材の第１接合面と、前記第１金属部材とは異なる金属部材である第２金属部材の第２接合面とを押圧した状態で前記第１金属部材及び前記第２金属部材に電圧を印加して液相接合を行う接合工程を含み、前記第１接合面及び前記第２接合面の少なくとも一方は、対向方向に沿って窪んで形成された窪み部と、前記対向方向に交差する交差方向に沿って延在し前記窪み部の周囲を囲う接合主面とを有し、前記窪み部は、前記対向方向において、当該窪み部と前記第１接合面及び前記第２接合面の他方との間隔が、前記接合主面と前記他方との間隔よりも長く、前記液相接合により生じた金属間化合物を貯留することを特徴とする。

本発明に係る接合構造体及び接合方法は、液相接合される接合面が、窪み部及び当該窪み部の周囲を囲う接合主面を有するので、金属間化合物の露出端面の面積を小さくすることができ、この結果、異種金属を適正に接合することができる。

図１は、実施形態に係る接合構造体の構成例を示す断面図である。 図２は、実施形態に係るアルミ板及び銅板の構成例を示す斜視図である。 図３は、実施形態に係る溶接機の構成例を示す概略図である。 図４は、実施形態に係る接合前のアルミ板及び銅板を示す断面図である。 図５は、実施形態に係る接合中のアルミ板及び銅板を示す断面図である。 図６は、実施形態に係る接合方法の工程を示すフローチャートである。 図７は、実施形態の変形例に係る接合構造体の構成例を示す断面図である。 図８は、実施形態の変形例に係るアルミ板及び銅板の構成例を示す斜視図である。 図９は、実施形態の変形例に係る接合前のアルミ板及び銅板の構成例を示す断面図である。 図１０は、実施形態の変形例に係る接合中のアルミ板及び銅板の構成例を示す断面図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。更に、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

〔実施形態〕
図面を参照しながら実施形態に係る接合構造体１及び接合方法について説明する。接合構造体１は、接合方法により異種金属を液相接合したものである。ここで、液相接合とは、接合対象の金属を互いに組み合わせた状態で接合部に電圧を印加し、当該接合部の金属を溶融することにより接合することである。接合構造体１は、図１及び図２に示すように、第１金属部材としてのアルミ板１０と、第２金属部材としての銅板２０と、液相接合部３０とを備える。この例では、アルミ板１０及び銅板２０は、それぞれ矩形状に形成されている。

ここで、以下の説明では、アルミ板１０及び銅板２０の短辺に沿った方向を短辺方向（交差方向）Ｘと称し、アルミ板１０及び銅板２０の長辺に沿った方向を長辺方向（交差方向）Ｙと称し、アルミ板１０と銅板２０とが対向する方向を対向方向Ｚと称する。短辺方向Ｘ、長辺方向Ｙ、及び、対向方向Ｚは、互いに交差し、典型的には直交する。

アルミ板１０は、アルミニウムを材料とし、矩形の板状に形成されている（図２参照）。アルミ板１０は、第１接合面１１を有する。第１接合面１１は、平面状に形成され、対向方向Ｚに対して直交している。言い換えれば、第１接合面１１は、短辺方向Ｘ及び長辺方向Ｙに対して平行である。第１接合面１１は、対向方向Ｚにおいて銅板２０と対向し、後述する銅板２０の第２接合面２１と液相接合される部位である。この例では、第１接合面１１は、アルミ板１０の長辺方向Ｙの一方側に所定の範囲で設けられている。

銅板２０は、アルミ板１０とは異なる金属部材であり、銅を材料としている。銅板２０は、矩形の板状に形成され（図２参照）、この例では、アルミ板１０と同じ形状に形成されているが、これに限定されない。銅板２０は、第２接合面２１を有する。第２接合面２１は、対向方向Ｚにおいてアルミ板１０と対向し、アルミ板１０の第１接合面１１と液相接合される部位である。この例では、第２接合面２１は、銅板２０の長辺方向Ｙの一方側に所定の範囲で設けられている。第２接合面２１は、窪み部２１ａと、接合主面２１ｂとを有する。

窪み部２１ａは、対向方向Ｚに沿ってアルミ板１０側とは反対側に窪んで形成された部位であり、１つ設けられている。窪み部２１ａは、例えば、金型を用いたプレス加工により形成され、この例では、図２に示すように、湾曲面形状（例えば、球面形状）に形成されている。窪み部２１ａは、対向方向Ｚに沿って一定の深さがある。つまり、窪み部２１ａは、図１に示すように、対向方向Ｚにおいて、当該窪み部２１ａと第１接合面１１との間隔Ｈ１が、接合主面２１ｂと第１接合面１１との間隔Ｈ２よりも長い。窪み部２１ａは、この一定の深さを有する空間部を含み、当該空間部には、液相接合により生じた金属間化合物Ｃが凝固された状態で貯留されている。そして、窪み部２１ａは、アルミ板１０の第１接合面１１と対向し、金属間化合物Ｃが貯留された状態で第１接合面１１と液相接合されている。なお、金属間化合物Ｃは、相対的に硬くて脆い材質の化合物である。

接合主面２１ｂは、窪み部２１ａの周囲を囲う部位である。言い換えれば、接合主面２１ｂは、窪み部２１ａの縁から短辺方向Ｘ及び長辺方向Ｙに沿って窪み部２１ａの外側に延在した部位である。つまり、接合主面２１ｂは、対向方向Ｚに直交する仮想的な平面を仮想平面とした場合、窪み部２１ａの縁から仮想平面に沿って窪み部２１ａの外側に延在している。接合主面２１ｂは、アルミ板１０の第１接合面１１と対向し、当該第１接合面１１と液相接合されている。

接合主面２１ｂは、テーパー部２１ｃを有する。テーパー部２１ｃは、短辺方向Ｘ及び長辺方向Ｙに対して外側から窪み部２１ａ側に向けて傾斜している。つまり、テーパー部２１ｃは、上記仮想平面に対して外側から窪み部２１ａ側に向けて下降傾斜している。言い換えれば、テーパー部２１ｃは、当該テーパー部２１ｃと仮想平面との間隔が、外側から窪み部２１ａ側に向けて徐々に広くなっている。テーパー部２１ｃは、例えば、長辺方向Ｙから視て、第２接合面２１の短辺方向Ｘの端部から窪み部２１ａの縁まで形成されている。

液相接合部３０は、第１接合面１１と第２接合面２１とを液相接合した部位である。つまり、液相接合部３０は、第１接合面１１と第２接合面２１との間の部位である。言い換えれば、液相接合部３０は、接合主面２１ｂと第１接合面１１との間の部位、及び、窪み部２１ａの内面と第１接合面１１との間の部位である。液相接合部３０は、液相接合により生じた金属間化合物Ｃを含んで構成されている。液相接合部３０は、外部に露出する金属間化合物Ｃの露出端面３１の対向方向Ｚの厚みを相対的に薄くするように形成されている。液相接合部３０は、例えば、この露出端面３１の厚みを３μｍ以下とするように形成されており、好ましくは、この露出端面３１の厚みを１μｍ以下とするように形成されている。

次に、抵抗溶接を行う溶接機１００によりアルミ板１０と銅板２０とを接合する接合方法について説明する。溶接機１００は、正極の電極１０１と、負極の電極１０２と、正極の電極１０１及び負極の電極１０２に電線１０３を介して接続され電力を供給する電源１０４とを備える。接合方法は、図６に示すように、条件設定工程（ステップＳ１）と、接合工程（ステップＳ２）とを含む。

条件設定工程（ステップＳ１）は、電源１０４から供給する電力、電力を供給する時間等の加工条件を溶接機１００に設定する。条件設定工程（ステップＳ１）の後、接合工程（ステップＳ２）に移行する。

接合工程（ステップＳ２）は、アルミ板１０の第１接合面１１と、銅板２０の第２接合面２１とを押圧した状態でアルミ板１０及び銅板２０に電圧を印加して液相接合を行う。例えば、接合工程は、アルミ板１０の第１接合面１１と銅板２０の第２接合面２１とが対向方向Ｚに沿って対向した状態で、溶接機１００の正極の電極１０１と負極の電極１０２との間にアルミ板１０及び銅板２０をセットする（図４参照）。そして、接合工程は、接機１００により対向方向Ｚに沿って押圧力Ｆ（図３参照）が作用した状態で、正極の電極１０１から電圧を印加する。これにより、接合工程は、抵抗により発生する熱により第１接合面１１及び第２接合面２１の一部を溶融して液相接合する。このとき、接合工程において、金属間化合物Ｃが生成される。接合工程は、図５に示すように、生成された金属間化合物Ｃを接合主面２１ｂのテーパー部２１ｃに沿って外側から窪み部２１ａ側に流し込み、当該窪み部２１ａに貯留する。接合工程は、正極の電極１０１からの電圧の印加を停止して、窪み部２１ａに貯留された金属間化合物Ｃを凝固させると共に、第１接合面１１及び第２接合面２１を接合し、接合構造体１を形成する。

以上のように、実施形態に係る接合構造体１は、アルミ板１０と、銅板２０と、液相接合部３０とを備える。アルミ板１０は、第１接合面１１を有する。銅板２０は、アルミ板１０とは異なる金属部材であり第２接合面２１を有する。液相接合部３０は、対向方向Ｚに沿って対向した第１接合面１１と第２接合面２１とを液相接合した部位である。銅板２０の第２接合面２１は、窪み部２１ａと、接合主面２１ｂとを有する。窪み部２１ａは、対向方向Ｚに沿って窪んで形成された部位である。接合主面２１ｂは、短辺方向Ｘ及び長辺方向Ｙに沿って延在し、窪み部２１ａの周囲を囲う部位である。窪み部２１ａは、対向方向Ｚにおいて、当該窪み部２１ａと第１接合面１１及び第２接合面２１の他方との間隔Ｈ１が、接合主面２１ｂと他方との間隔Ｈ２よりも長く、液相接合により生じた金属間化合物Ｃが貯留されている。

この構成により、接合構造体１は、金属間化合物Ｃを窪み部２１ａに貯留することで、銅板２０の接合主面２１ｂとアルミ板１０の第１接合面１１との間に介在する金属間化合物Ｃの厚みを相対的に薄くすることができる。このとき、接合構造体１は、窪み部２１ａが接合主面２１ｂにより囲われているので外部に露出していない。そしてこれにより、接合構造体１は、銅板２０の接合主面２１ｂとアルミ板１０の第１接合面１１との間から外部に露出する金属間化合物Ｃの露出端面３１の面積を小さくすることができる。従って、接合構造体１は、硬くて脆い材質である金属間化合物Ｃを小さくできるので、当該金属間化合物Ｃの露出端面３１において接合強度が低下することを抑制することができ、この結果、異種金属を適正に接合することができる。

上記接合構造体１において、接合主面２１ｂは、短辺方向Ｘ及び長辺方向Ｙに対して外側から窪み部２１ａ側に向けて傾斜しているテーパー部２１ｃを有する。この構成により、接合構造体１は、外側から窪み部２１ａ側に向けた金属間化合物Ｃの流れを、テーパー部２１ｃにより促進することができるので、外部に露出する金属間化合物Ｃの露出端面３１の面積を小さくすることができる。

実施形態に係る接合方法は、アルミ板１０の第１接合面１１と銅板２０の第２接合面２１とを押圧した状態でアルミ板１０及び銅板２０に電圧を印加して液相接合を行う接合工程を含む。これにより、接合方法は、外部に露出する金属間化合物Ｃの露出端面３１の面積を小さくした接合構造体１を形成することができるので、異種金属を適正に接合することができる。

〔変形例〕
次に、実施形態の変形例について説明する。なお、変形例では、実施形態と同等の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。実施形態の変形例に係る接合構造体１Ａは、窪み部２１ｄが複数設けられる点で実施形態に係る接合構造体１とは異なる。

接合構造体１Ａは、図７及び図８に示すように、アルミ板１０と、銅板２０Ａと、液相接合部３０とを備える。銅板２０Ａは、第２接合面２１Ａを有する。第２接合面２１Ａは、複数の窪み部２１ｄと、接合主面２１ｅとを有する。

複数の窪み部２１ｄは、例えば、金型を用いたプレス加工により形成され、この例では、図７及び図８に示すように、細かい凹部が複数形成されたローレット加工が施されている。つまり、複数の窪み部２１ｄは、短辺方向Ｘ及び長辺方向Ｙに沿って細かい凹部が複数形成されている。複数の窪み部２１ｄは、対向方向Ｚに沿って一定の深さがある。つまり、複数の窪み部２１ｄは、図７に示すように、対向方向Ｚにおいて、当該複数の窪み部２１ｄと第１接合面１１との間隔Ｈ３が、接合主面２１ｅと第１接合面１１との間隔Ｈ４よりも長い。複数の窪み部２１ｄは、この一定の深さを有する空間部を含み、当該空間部には、液相接合により生じた金属間化合物Ｃが凝固された状態で貯留されている。そして、複数の窪み部２１ｄは、アルミ板１０の第１接合面１１と対向し、金属間化合物Ｃが貯留された状態で第１接合面１１と液相接合されている。

接合主面２１ｅは、複数の窪み部２１ｄの周囲を囲う部位である。つまり、接合主面２１ｅは、複数の窪み部２１ｄが形成された領域を窪み部領域Ｔとした場合、この窪み部領域Ｔの周囲を囲う部位である。接合主面２１ｅは、アルミ板１０の第１接合面１１と対向し、当該第１接合面１１と液相接合されている。

接合主面２１ｅは、テーパー部２１ｆを有する。テーパー部２１ｆは、短辺方向Ｘ及び長辺方向Ｙに対して外側から複数の窪み部２１ｄ側に向けて傾斜している。つまり、テーパー部２１ｆは、仮想平面に対して外側から窪み部２１ａ側に向けて下降傾斜している。言い換えれば、テーパー部２１ｆは、当該テーパー部２１ｆと仮想平面との間隔が、外側から複数の窪み部２１ｄ側に向けて徐々に広くなっている。テーパー部２１ｆは、例えば、長辺方向Ｙから視て、第２接合面２１Ａの短辺方向Ｘの端部から複数の窪み部２１ｄの縁まで形成されている。

このように複数の窪み部２１ｄが形成された銅板２０Ａにおいて、接合工程は、アルミ板１０の第１接合面１１と、銅板２０Ａの第２接合面２１Ａとを押圧した状態でアルミ板１０及び銅板２０Ａに電圧を印加して液相接合を行う。例えば、接合工程は、第１接合面１１と第２接合面２１Ａとが対向方向Ｚに沿って対向した状態で、溶接機１００の正極の電極１０１と負極の電極１０２との間にアルミ板１０及び銅板２０Ａをセットする（図９参照）。そして、接合工程は、溶接機１００により対向方向Ｚに沿って押圧力Ｆ（図３差参照）を作用させた状態で、正極の電極１０１から電圧を印加される。これにより、接合工程は、抵抗により発生する熱により第１接合面１１及び第２接合面２１Ａの一部が溶融して液相接合する。このとき、接合工程において、第１接合面１１Ａと第２接合面２１との間に金属間化合物Ｃが生成される。接合工程は、図１０に示すように、接合主面２１ｅのテーパー部２１ｆに沿って外側から複数の窪み部２１ｄ側に金属間化合物Ｃを流し込み、当該複数の窪み部２１ｄに金属間化合物Ｃを貯留する。接合工程は、正極の電極１０１からの電圧の印加を停止すると、複数の窪み部２１ｄに貯留された金属間化合物Ｃを凝固させると共に、第１接合面１１及び第２接合面２１Ａ接合し、接合構造体１Ａを形成する。

以上のように、実施形態の変形例に係る接合構造体１Ａは、金属間化合物Ｃを複数の窪み部２１ｄに貯留することで、銅板２０Ａの接合主面２１ｅとアルミ板１０の第１接合面１１との間に介在する金属間化合物Ｃの厚みを相対的に薄くすることができる。このとき、接合構造体１Ａは、複数の窪み部２１ｄが接合主面２１ｅにより囲われているので外部に露出していない。そしてこれにより、接合構造体１Ａは、銅板２０Ａの接合主面２１ｅとアルミ板１０の第１接合面１１との間から外部に露出する金属間化合物Ｃの露出端面３１の面積を小さくすることができる。従って、接合構造体１Ａは、硬くて脆い材質である金属間化合物Ｃを小さくできるので、当該金属間化合物Ｃの露出端面３１において接合強度が低下することを抑制することができ、この結果、異種金属を適正に接合することができる。

なお、上記説明では、接合主面２１ｂは、短辺方向Ｘ及び長辺方向Ｙに対して外側から窪み部２１ａ側に向けて傾斜しているテーパー部２１ｃを有する例について説明したが、これに限定されず、テーパー部２１ｃを有していなくてもよい。

接合主面２１ｅは、短辺方向Ｘ及び長辺方向Ｙに対して外側から複数の窪み部２１ｄ側に向けて傾斜しているテーパー部２１ｆを有する例について説明したが、これに限定されず、テーパー部２１ｆを有していなくてもよい。

第１金属部材は、アルミニウムを材料とする例について説明したが、これに限定されず、第２金属部材と異なる金属であれば、その他の金属であってもよい。

第２金属部材は、銅を材料とする例について説明したが、これに限定されず、第１金属部材と異なる金属であれば、その他の金属であってもよい。

窪み部２１ａ及び接合主面２１ｂは、第２接合面２１に設けられる例について説明したが、これに限定されず、第１接合面１１に設けてもよい。また、窪み部２１ａ及び接合主面２１ｂは、第１接合面１１又は第２接合面２１のいずれか一方に設ける例に限定されず、第１接合面１１及び第２接合面２１の両方に設けてもよい。

テーパー部２１ｃは、長辺方向から視て、第２接合面２１の短辺方向Ｘの端部から窪み部２１ａの縁まで形成される例について説明したが、これに限定されない。テーパー部２１ｃは、例えば、長辺方向Ｙから視て、第２接合面２１の短辺方向Ｘの端部よりも窪み部２１ａ側（例えば、第２接合面２１の端部と窪み部２１ａの縁との中間位置）から、窪み部２１ａの縁まで形成されてもよい。

テーパー部２１ｆは、長辺方向から視て、第２接合面２１Ａの短辺方向Ｘの端部から複数の窪み部２１ｄの縁まで形成される例について説明したが、これに限定されない。テーパー部２１ｆは、例えば、長辺方向Ｙから視て、第２接合面２１Ａの短辺方向Ｘの端部よりも複数の窪み部２１ｄ側（例えば、第２接合面２１Ａの端部と複数の窪み部２１ｄの縁との中間位置）から、複数の窪み部２１ｄの縁まで形成されてもよい。

複数の窪み部２１ｄは、細かい凹部が複数形成されたローレット加工が施されている例について説明したが、これに限定されず、例えば、複数のドット（点状の凹部）により構成してもよい。

１、１Ａ 接合構造体
１０ アルミ板（第１金属部材）
１１ 第１接合面
２０、２０Ａ 銅板（第２金属部材）
２１、２１Ａ 第２接合面
２１ａ、２１ｄ 窪み部
２１ｂ、２１ｅ 接合主面
２１ｃ、２１ｆ テーパー部
３０ 液相接合部
Ｈ１～Ｈ４ 間隔
Ｘ 短辺方向（交差方向）
Ｙ 長辺方向（交差方向）
Ｚ 対向方向

Claims (2)

1. 第１接合面を有する第１金属部材と、
   前記第１金属部材とは異なる金属部材であり第２接合面を有する第２金属部材と、
   対向方向に沿って対向した前記第１接合面と前記第２接合面とを液相接合した液相接合部と、を備え、
   前記第１接合面及び前記第２接合面の少なくとも一方は、前記対向方向に沿って窪んで形成された窪み部と、前記対向方向に交差する交差方向に沿って延在し前記窪み部の周囲を囲う接合主面とを有し、
   前記窪み部は、前記対向方向において、当該窪み部と前記第１接合面及び前記第２接合面の他方との間隔が、前記接合主面と前記他方との間隔よりも長く、前記液相接合により生じた金属間化合物が貯留されており、
   前記接合主面は、前記交差方向に対して外側から前記窪み部側に向けて傾斜しているテーパー部を有しており、
   前記テーパー部は、前記接合主面における前記交差方向に沿う短辺方向の端部から前記窪み部の縁まで形成されていることを特徴とする接合構造体。
2. 第１金属部材の第１接合面と、前記第１金属部材とは異なる金属部材である第２金属部材の第２接合面とを押圧した状態で前記第１金属部材及び前記第２金属部材に電圧を印加して液相接合を行う接合工程を含み、
   前記第１接合面及び前記第２接合面の少なくとも一方は、対向方向に沿って窪んで形成された複数の窪み部と、前記対向方向に交差する交差方向に沿って延在し前記窪み部の周囲を囲う接合主面とを有し、
   前記窪み部は、前記対向方向において、当該窪み部と前記第１接合面及び前記第２接合面の他方との間隔が、前記接合主面と前記他方との間隔よりも長く、前記液相接合により生じた金属間化合物を貯留し、
   前記接合主面は、前記交差方向に対して外側から前記窪み部側に向けて傾斜しているテーパー部を有しており、
   前記テーパー部は、前記接合主面における前記交差方向に沿う短辺方向の端部から前記窪み部の縁まで形成されていることを特徴とする接合方法。

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