JPH01148759A - セラミックスの接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） 本発明は、レーザービームを熱源として、セラミックス
とセラミ−、クス、サーメットもしくは金属とを突き合
わせた状態でろう材を介して接合するのに利用されるセ
ラミックスの接合方法に関するものである。 （従来の技術） 従来の技術では、セラミックスとセラミックス、サーメ
ットもしくは金属とを突き合わせて接合する方法として
、 ■第４図（ａ）に示すように、接合材４２　、４３の被
接合端面４２ａ、４３ａを突き合わせて、被接合部４７
に沿って高エネルギー密度のビーム４８、例えばレーザ
ービームや電子ビームなどを照射して、接合材４２．４
３の被接合部４７を加熱することにより溶融または拡散
させ、第４図（ｂ）に示すように、前記接合材４２．４
３の双方で溶は込んだ部分あるいは拡散した部分４５を
形成したのち凝固させることにより接合する方法や、 ■第５図（ａ）に示すように、被接合端面５２＆、５３
ａで突き合わせた接合材５２．５３の被接合部５７の接
合線方向に沿ってろう材５４を配設し、前記ろう材５４
に高エネルギー密度のビーム５８、例えばレーザービー
ムや電子ビームなどを照射して、前肥ろう材５４と前記
被接合部５７をともに加熱・溶融させて、第５図（ｂ）
に示すように、前記ろう材５４を配設した側の前記接合
材５２．５３の表面と前記ろう材５４とを溶着させて、
双方が溶は込んだ部分（あるいは拡散した部分）５５を
形成することにより接合する方法や、 ■第６図（ａ）に示すように、被接合端面６２＆、６３
ａで突き合わせた接合材６２．６３の被接合部６７の接
合線に沿ってろう材６４を配設し、第６図（ｂ）に示す
ように、前記ろう材６４にレーザービーム６８を照射し
て当該ろう材６４を加熱・溶融することにより当該ろう
材６４をその表面張力で球状化した後、第６図（ｃ）に
示すように、前記被接合部６７の隙間６２に前記溶融し
て球状化したろう材６４を浸透させて前記隙間６２に充
填した後、前記レーザービーム６８の照射を停止し、第
６図（ｄ）に示すように、前記ろう材６４を前記隙間６
２内で凝固させて接合する方法や、 ■突き合わせた接合材の両波接合端面間に当該被接合端
面の形状に合わせてろう材を介在させ、前記接合材の突
き合わせ方向に適度の圧力を加えて、前記被接合端面に
前記ろう材が密着するように当該ろう材を前記被接合端
面間に固定した後、電気炉、高周波炉、ガス炎、アーク
放′七もしくは赤外線放射などを用いて前肥ろう材と前
記接合材の全体、もしくは前記ろう材または前記ろう材
と前記接合材の一部を加熱し、前記ろう材を溶融させて
、溶融したろう材の固化により前記接合材を接合する方
法や、 ■接合材の被接合端面を平滑な面に形成したうえで、当
該被接合端面を突き合わせ、超音波振動により前記被接
合端面を擦り合わせて摩擦熱を発生させ、その発熱によ
り前記被接合端面を加熱溶融あるいは拡散させて接合す
る方法、 などが考案され、そして実施されたりしている。 （発明が解決しようとする問題点） セラミックスとセラミックス、サーメットもしくは金属
とを接合する従来の方法では、接合材の被接合端面を突
き合わせた状態で、被接合部に直接高エネルギー密度の
ビーム、例えばレーザービームを照射した場合に、接合
材の被接合端面間。 士が接合され難かったり、スプラッシュが発生したりあ
るいは接合部に窪みを生じたりするという問題点があっ
た。また、被接合部の表面の接合線に沿ってろう材を配
設して前記ろう材と前記被接合部表面とを加熱して接合
した場合では、接合面１１が狭いため接合強度が十分に
得られないという問題点があった。さらに、電気炉、高
周波炉、ガス炎、アーク放電もしくは赤外線放射などの
加熱手段を用いる方法では、接合材の耐熱強度を超える
融点を有するろう材を用い難いため、高温において十分
な接合強度を得ることができないという問題点を有し、
接合材の熱損傷を考慮すると高温状態での接合が難しい
ので、比較的低い温度状態で接合を行うこととなり、接
合材とろう材の反応速度が遅くなって、接合に長い時間
を要するので、量産に適さないという問題点があった。 さらにまた、突き合わせた接合材の被接合端面間にろう
材を挟んだ状態にして、前記ろう材および被接合部を加
熱することにより接合する方法では、十分な接合強度を
得ることができないという問題点があった。さらにまた
、超音波振動を用いた接合では、複雑な形状を有する接
合面の接合が不可能であるという問題点を有していた。 （発明の目的） 本発明は上述した従来の問題点に着目してなされたもの
で、セラミックスとセラミックス、サーメットまたは金
属とを接合するに際し、ろう材を用いた場合の接合性能
を十分に高めることができるような接合部を形成し、熱
源としてレーザービームを用い、被接合部の厚さ方向の
温度勾配を小さくし、高融点を有するろう材にレーザー
ビームを照射して、溶融した前記ろう材を被接合部の隙
間に円滑に浸透させるとともに、接合面と反応させなが
ら充填し、凝固させたのちには強固なる接合強度を得る
ことを可能としたセラミックスの接合方法を提供するこ
とにより、従来の問題点を解決することを目的としてい
る。

【発明の構成】

（問題点を解決するための手段） この発明に係るセラミックスの接合方法は、セラミック
スとセラミックス、サーメットもしくは金属とを突き合
わせた状態で接合するに際し、被接合端面間における隙
間が極小となる状態にして接合材を突き合わせ、接合材
表面の被接合線に沿ってろう材を配設し、接合材表面お
よび接合材裏面のうち少なくとも接合材表面の被接合部
に照射するレーザービームの照射パターンとして、照射
開始時および照射中に当該照射レーザービームの強度又
は分布を徐々に増減させることにより、被接合部を予熱
するとともに前記ろう材を加熱することにより溶融させ
、前記被接合部の隙間に前記溶融したろう材を浸透させ
るとともに、前記接合材の被接合端面より当該接合材の
一部を剥離させ、前記隙間に浸透した溶融ろう材中に前
記剥離した接合材塊片を介在させた状態にして前肥ろう
材を前記隙間に充填したのち凝固させることにより被接
合端面を接合する構成とすることにより、上記した従来
の問題点を解決したことを特徴とする。 （実施例） 本発明に係るセラミックスの接合方法の実施例を第１図
、第２図および第３図により説明する。 第１図は本発明を実施するための接合装置１の断面図で
ある。接合材２および接合材３はろう材４とともに加工
室５内に設置されている接合材支持機構６により支持さ
れている。 一方の接合材２はセラミックスがらなり、他方の接合材
３はセラミックス、サーメットもしくは金属からなり、
前記支持機構６により支持されているが、接合材２．３
の突き合わせ方向には特に圧力は加えていな（・。この
とき、前記接合材２の端面と前記接合材３の端面とを突
き合わせて形成された被接合部７には、接合材端面が有
する表面粗さにより形成されるわずかなる隙間１１が存
在する。この実施例では、前記隙間１１はろう材の浸透
速度を考慮して０．３〜５ｇｍとなるようにした。 ろう材４は前記接合材２．３の接合に適した物質から構
成されており１例えば、酸化イツトリウム、窒化ケイ素
、酸化マグネシウム、酸化ランタンなどの混合物であり
、熱容量の小さい形態、例えば微粒子状２球状、棒状ま
たは板状として接合部２，３の表面（上面）において前
記被接合部７の接合線に沿って配設されているか、また
はレーザービーム８ａ、８ｂ照射時に連続的もしくは間
欠的に供給される。 前記被接合部７の上面のろう材４を加熱してこれを溶融
するための熱源として用いられる上方からのレーザービ
ーム８ａおよび前記被接合部７の下面を加熱して予熱す
るための熱黴として用いられる下方からのレーザービー
ム８ｂは、前記ろう材４に比較的吸収され易いレーザー
光であり、例えば、炭酸ガスレーザー光であり、前記レ
ーザービーム８ａ、８ｂはそれぞれ集光光学系９ａ。 ２ｂを介して所定のエネルギー強度および／または分布
を待つレーザービームに変換され、前記加工室５に取り
付けられたレーザー光入射窓（例えば、Ｚｎ５ｅ製）１
０ａ、１０ｂを通してそれぞれ反射鏡１３ａ、１３ｂに
より反射され、上方からのレーザービーム８ａは接合材
２，３上面の前記被接合部７に沿った接合線を中心とし
た所定の範囲および前記ろう材４に照射され、下方から
のレーザービーム８ｂは接合材２．３下面の前記被接合
部７に沿った接合線を中心とした所定の範囲に照射され
る。 さらに、第３図に示すように、上方からのレーザービー
ム８ａは、照射開始時刻τ。がら前記ろう材４の溶融開
始時刻で１まで、照射時間（τ）の経過とともにレーザ
ービーム８ａのエネルギー強度（Ｉｐ）が徐々に増加す
るようなレーザー出力に設定され、照射開始時刻で。か
ら前記溶融開始時刻で１までの照射時間τｈおよび前記
溶融開始時刻で１でのエネルギー強度Ｉｐｓなどは、前
記ろう材４の組成および前記接合材２．３の材質などに
より、適切なるレーザー出力値および出力上昇速度をも
って選択される。 また、上方からのレーザービーム８ａは、溶融したろう
材４の前記隙間１１への充填完了時刻τ２において照射
が停止される。前記溶融開始時刻τ１から前記充填完了
時刻で２までの照射時間はτｍであり、この間にお（す
るエネルギー強度Ｉｐは前記ろう材４が蒸発することな
く溶融状態を保つエネルギー強度Ｉｐａであり゛、前記
ろう材４の組成および前記接合材２，３の材質などに対
応して、適切なるレーザー出力値をもって選択される。 この実施例では、レーザービーム８ａ、８ｂは、ともに
ＴＥＭｏｎモードのエネルギー強度分布を有し、それぞ
れのエネルギー強度、それぞれの照射幅およびそれぞれ
の照射長は、前肥ろう材４の溶融条件ならびに前記被接
合部７の予熱条件に適したレーザー出力値に設定され、
上方からのレーザービーム８ａの場合には、前肥ろう材
４を配設した面上での照射幅をおよそ０．８ｍｍに、照
射長を前記被接合部７の接合長を十分覆う長さに設定し
くただし、接合長が短い場合）、下方からのレーザービ
ーム８ｂの場合には前記被接合部７を中心として接合材
下面での照射幅をおよそ１０ｍｍに、照射長を前記被接
合部７の接合長を十分覆う長さに設定する（ただし、接
合長が短い場合）。 前記被接合部７の接合長がそれぞれのレーザービーム８
ａ、８ｂのそれぞれの照射長と比較して長い場合には、
それぞれの反射鏡１３ａ、１３ｂを移動させることによ
り、レーザービーム５ａ。 ８ｂを前記被接合部７のそれぞれの照射範囲に追従させ
て均一に照射するようになすことが可能である。 第２図は上記接合装置１により、接合材２，３に対して
、本発明に係るセラミックスの接合方法を実施したとき
の接合過程を説明する模型図である。 本発明に係る接合方法の第１段階では、第２図（ａ）に
示すように、接合材２．３が、それぞれの被接合端面２
ａ、３ａの持つ表面粗さにより形成された隙間（第２図
では拡大して示しである）１１が極小となるように、す
なわち被接合端面２ａ、３ａがほぼ密着するように突き
合わされていて、接合材２．３の上面の前記被接合部７
の接合線に沿って前記ろう材４を配設した状態にして、
接合材２，３の下面の被接合部７に沿った接合線を中心
とした所定の範囲に前記下方からのレーザービーム８ｂ
を連続的または間欠的に照射する。このときの下方から
のレーザーど−ム８ｂは、照射面となる接合材２．３の
下面が熱的損傷を受けない程度のエネルギー強度（Ｉ　
ｐ）を有するレーザー出力に設定され、かつ前記ろう材
４が溶融したり反応したりしない程度のエネルギー強度
Ｃ１ｐ）を持つレーザー出力に２分定されている。この
段階では、前記ろう材４ならびに接合材２．３の被接合
部７が予熱されるのみである。 次の第２段階では、第２図（ｂ）に示すように、前記被
接合部７に沿って配設したろう材４を、上方からのレー
ザービーム８ａの照射時の熱衝盤により飛散させること
のないように、第３図に示したごとく前記上方からのレ
ーザービーム８ａのエネルギー強度（Ｉｐ）が徐々に強
くなるようにレーザ出力を高めながら、前記ろう材４が
溶融を開始するエネルギー強度Ｉｐｓなるレーザー出力
まで増加させる。その間の照射時間は前記照射時間τｈ
で設定される。また、この間においては前記ろう材４に
沿って当該ろう材４を中心とする所定の範囲に照射され
ている。 このろう材４は照射レーザー光を吸収し易くがつ熱容量
が小さい形態を持っているため、前記ろう材４は短時間
のうちに急速に加熱されて溶融状態に至る。このとき、
溶融状態となった前記ろう材４は凝集して表面張力によ
り球状化するが、前記接合材２，３の上面ならびに被接
合部７の隙間１１を形成する被接合端面２ａ、３ａに対
して濡れる状態には至らない。また、球状化したろう材
４は前記接合材２，３の上面と点接触に近い状態となっ
ているので、前記接合材２，３に熱をほとんど伝えるこ
となく溶融状態を維持することができる。 一方、前記ろう材４が溶融して球状化の状態にあるとき
も、前記接合材２，３の下面の被接合部７には、当該接
合材２，３の厚さ方向の温度勾配ができうる限り小さく
なるようなそしてレーザー光照射部が熱損傷を受けない
ようなエネルギー強度を有するレーザー出力に設定され
た下方からのレーザービーム８ｂが照射され、予熱され
ている。 次の第３段階では、第２図（Ｃ）に示すように、前記ろ
う材４は前記隙間１１に浸透する温度に至るまで、第３
図に示すように、エネルギー強度Ｉｐａなるレーザー出
力に高められたレーザービーム８ａを上方から照射され
て加熱され、活性化状態に至り、毛管現象により隙間１
１に浸透し始める。このとき、被接合材端面；ｉ’ａ、
３ａの表層部分から前記接合材２．３の一方または両方
の一部分が剥離した接合材塊片１２は、前記隙間１１に
浸透する溶融状態の前記ろう材４中に入り込み、前記ろ
う材４中に介在する。この場合、前記ろう材４の前記隙
間１１への浸透は、数秒から数十秒の前記照射時間τｍ
中に行われて前記隙間１１を埋めるに至る。このとき、
前記接合材２゜３の下面側における被接合部７は、当該
接合材２．３の厚さ方向の温度勾配ができる限り小さく
なるような、そして照射部が熱損傷を受けないようなエ
ネルギー強度のレーザー出力に設定した下方からのレー
ザービーム８ｂが照射され、予熱されている。このため
に、前記隙間１１に浸透した前記剥離した接合材塊片１
２を含むろう材４は、前記接合材２．３の各被接合端面
２ａ、３ａとの濡れ性が良好となり、前記隙間１１の全
域を容易にかつ十分に埋めつくすに至り、この時点で上
方からのレーザービーム８ａの照射は停止される。 また、下方からのレーザービーム８ｂは、前記被接合８
Ｂ７における熱応力の影響を緩和するため、上方からの
レーザービーム８ａを停止した後も、２０〜３０秒間、
前記接合材２．３の下面の被接合部７へ照射が続けられ
た後停止される。 続いて、最終の第４段階では、第２図（ｄ）に示すよう
に、前記隙間１１に浸透した前記剥離した接合材塊片１
２を含むろう材４は、冷却されて凝固し、前記接合材２
，３の被接合端面２ａ。 ３ａを強固に結合した接合部１７が形成される。 以上のような経過を経ることにより接合が終了する。 この実施例では、接合材２，３に窒化ケイ素質セラミッ
クス板［１０ｍｍ（幅）Ｘ１５ｍｍ（長さ）Ｘ２ｍｍ　
（厚さ）］を用い、１０ｍｍ（幅）ｘ２ｍｍ（厚さ）の
被接合端面２’ａ　、　３　ａを突き合わせて接合する
に際し、ろう材４としてＹ２０３　　、Ｌａ２Ｏ３、Ｓ
　ｉ３　Ｎ４　、ＭｇＯから構成される混合微粉末を用
いた。 照射レーザー光は、波長１０．６ルｍの炭酸ガスレーザ
ー光で、予熱に使用する下方からのレーザービーム８ｂ
の最大出力は３０Ｗ、ろう材４を溶融するために照射す
る上方からのレーザービーム８ａの最大出力は４５Ｗに
設定した。そして、下方からのレーザービーム８ｂを４
５秒間照射した後、上方からのレーザービーム８ａの照
射を開始し、その時の出力においては、前記ろう材４が
照射開始時の熱衝撃により飛散したりａ融したりするこ
とがない３０Ｗ以下の出力に設定した。次いで、上方か
らのレーザービーム８ａは、前記ろう材４が飛散、蒸発
することなく加熱されて溶融状態に至るように、照射時
間τｈを２ないし３秒として、その間に第３図に示した
ように徐々に出力を増加させた後、レーザー出力値を４
５Ｗまで高め、その後の照射時間τｍを６０秒間として
照射した。その間に、前記ろう材４は溶融し、凝集して
球状化した後、接合材２，３との塙れ性が良くなる状態
になったとき、毛管現象によって前記隙間１１中に浸透
し、このとき、前記隙間１１の被接合端面２ａ、３ａの
表層の一部分を剥離させて前記ろう材４中に入り込ませ
た状態にして前記隙間１１中に十分に充填する。そして
、充填したろう材４が凝固することにより、強固な接合
部１７が形成される。 この実施例において、上方からのレーザービーム８ａを
照射している間も下方からのレーザービーム８ｂを照射
したが、このとき、当該照射部における接合材２．３の
上面と下面との温度差は１００°Ｃ以内とすることがで
きた。そして、上方からのレーザービーム８ａの照射を
停止した後も、被接合部１７における熱応力緩和のため
、下からのレーザービーム８ｂをさらに２０秒間照射し
た。 このようにして、前記接合材２．３の接合部１７におけ
る接合強度は、接合材２．３自体の強度の８０％近いお
よそ５５０ＭＰａを得ることができた。

【発明の効果】

以上説明してきたように、本発明に係るセラミックスの
接合方法では、セラミックスとセラミックス、サーメッ
トもしくは金属とを突き合わせた状態で接合するに際し
、被接合端面間における隙間が極小となる状態にして接
合材を突き合わせ、接合材表面の被接合線に沿ってろう
材を配設し、接合材表面および接合材裏面のうち少なく
とも接合材表面の被接合部に照射するレーザービームの
照射パターンとして、照射開始時および照射中に当該照
射レーザービームの強度又は分布を徐々に増減させるこ
とにより、被接合部を予熱するとともに前記ろう材を加
熱することにより溶融させ、前記被接合部の隙間に前記
溶融したろう材を浸透させるとともに前記接合材の被接
合端面より当該接合材の一部を剥離させ、前記隙間に浸
透した溶融ろう材中に前記剥離した接合材塊片を介在さ
せた状態にして前記ろう材を前記隙間に充填したのち凝
固させることにより被接合端面を接合させるようにした
から、ろう材を配設した接合材表面とは反対の接合材裏
面にもレーザービームを照射して被接合部を予熱するこ
とによって、被接合部の厚さ方向における温度勾配を小
さくし、被接合部の隙間に浸透する溶融したろう材と被
接合端面との間の濡れ性を良好なものとすることができ
るとともに、被接合端面間における隙間が極小となるよ
うに突き合わせ、このときに生じる被接合端面の有する
表面粗さにより形成される隙間としたことにより、前記
隙間へ溶融したろう材の浸透を促進することができ、被
接合部の被接合端面と溶融したろう材とを反応させ、と
くに被接合部の接合材端面の一部が剥離して、溶融した
ろう材中に入り込むことにより、接合強度をより一層高
めることができ、さらには、ろう材に照射する際のレー
ザービームの出力をろう材が溶融する状態になるまで徐
々に高めるパターンとすることにより、照射開始時また
は照射中に発生する熱＋ｉ　？Ｊによるろう材のスプラ
ッシュや蒸発を防止することができるなどの優れた効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るセラミックスの接合方法を実施す
るための接合装置の断面図、第２図（ａ）（ｂ）（ｃ）
（ｄ）は各接合段階での状態の拡大模型的説明図、第３
図はろう材に照射するレーザービームの照射パターンを
示すグラフ、第４図（ａ）（ｂ）、第５図（ａ）　　（
ｂ）および第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はいずれも
従来のセラミックスの接合方法の各接合段階での状態を
示す模型的説明図である。 ２．３・・・接合材、 ２ａ、３ａ・・・被接合端面、 ４・・・ろう材、 ７・・・被接合部、 ８ａ・・・上方からのレーザービーム、８ｂ・・・下方
からのレーザービーム、１１・・・隙間、 １２・・・剥）憤した接合材塊片、 １７・・・接合部。 第１図 第２図 （ｃ）　　　　　　　　（ｄ） ｂ 照射時間（て） 第４図 （ａ）　　　　　　　（ｂ） 第５図 （ａ）　　　　　　　（ｂ） 篭 （ａ） （Ｃ） ３図 （ｂ） （ｄ） ノ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスとセラミックス、サーメットもしく
   は金属とを突き合わせた状態で接合するに際し、被接合
   端面間における隙間が極小となる状態にして接合材を突
   き合わせ、接合材表面の被接合線に沿ってろう材を配設
   し、接合材表面および接合材裏面のうち少なくとも接合
   材表面の被接合部に照射するレーザービームの照射パタ
   ーンとして、照射開始時および照射中に当該照射レーザ
   ービームの強度又は分布を徐々に増減させることにより
   、被接合部を予熱するとともに前記ろう材を加熱するこ
   とにより溶融させ、前記被接合部の隙間に前記溶融した
   ろう材を浸透させるとともに前記接合材の被接合端面よ
   り当該接合材の一部を剥離させ、前記隙間に浸透した溶
   融ろう材中に前記剥離した接合材塊片を介在させた状態
   にして前記ろう材を前記隙間に充填したのち凝固させる
   ことにより被接合端面を接合させることを特徴とするセ
   ラミックスの接合方法。