JPH01148760A - 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４２＆、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４２．４３
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４２．４３
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５２ａ、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、前記ろう材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６２ａ、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φ溶融することにより当該ろ
う材６４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６２
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
放電もしくは赤外線放射などを用いて前記ろう材と前記
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キー密度の
ビーム、例えばレーザービームを照射した場合に、接合
材の被接合端面同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、接合面積が狭いため接
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、被接合端面
の全体が十分に接合し、スプラッシュの発生や窪みの形
成などがなく、接合材に対して熱的な損傷を与えること
もなく、強固なる接合強度を得ることが可能であるセラ
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、接合材表面の被接合部に
沿ってろう材を配設し、接合雰囲気の圧力を常圧よりも
高くした状態にして、接合材表面および接合材裏面の被
接合部のうち少なくとも接合材表面の被接合部を中心と
した所定の範囲にレーザービームを照射し、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照射レーザービームの密度または分
布を徐々に増減させることにより、前記被接合部を予熱
するとともに、前記ろう材を加熱・溶融することにより
、前記ろう材を前記被接合部の隙間に浸透させ、前記隙
間に前記ろう材を充填して凝固させることにより接合す
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だめの接合装置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、圧
力容器の機能を持った加工室５内に設置されている接合
材支持手段６により支持されている。 一方の接合材２はセラミックスからなり、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、
接合材支持手段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い。この
とき、前記接合材２の端面と接合材３の端面とを突き合
わせて密着するようにして形成される被接合部７には、
被接合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。 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、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
、８容量の小さい形態１例えば微粒子状９球状、棒状ま
たは板状などとして接合材表面（図では上面）に前記被
接合部７の接合線に沿って配設されているか、または上
方からのレーザービーム８ａの照射時に連続的もしくは
間欠的に供給される。 接合材２，３は接合材支持手段６によって支持され、当
該支持手段６とともに、圧力容器の機能を持った加工室
５内に設置され、前記ろう材４は接合材２，３の表面の
被接合部７の部分に沿って配設され、加工室５は弁１４
を開いて気体を注入することにより常圧よりも高く加圧
することができ、弁１５を開くことにより、前記加工室
５内の気体を外部に放出して常圧まで減圧することがで
きるようになっている。 前記ろう材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の下面から加熱するための熱源として用いら
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
スレーザー光が用いられ、前記レーザービーム９ａ、８
ｂは集光光学系９ａ、９ｂをそれぞれ介して所定のエネ
ルギー強度分布を持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１０ａ、１
０ｂ（例えば、Ｚｎ５ｅ製）を通してそれぞれ反射鏡１
３ａ、１３ｂにより反射されて、上方からのレーザーど
−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に照射される。 この実施例において、上方からのレーザービーム８ａお
よび下方からのレーザービーム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、それぞれの照射長は、前
記ろう材４の溶融条件ならびに前記被接合部７の予熱条
件など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、前記ろう材４を配設し
た接合材２，３の上面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（被
接合部７の長さが短い場合）に設定し、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を中心とした
接合材２．３の下面での照射幅をおよそ１０ｍｍに、照
射長を前記幅被接合部７の接合長を十分覆う長さ（被接
合部７の長さが短い場合）に設定される。 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。から前記ろう材４の溶融開
始時刻で１まで、照射時間（τ）の経過とともに当該レ
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τ
０から前記溶融開始時刻τ１までの照射時間τｈおよび
前記溶融開始時刻でｌでのエネルギー強度工ｐｓ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をもって選択される。 そして、上方からのレーザービーム８ａは、前記ろう材
４の隙間１１への充填完了時刻で２において照射が停止
される。前記溶融開始時刻で１から前記充填完了時刻で
２までの照射時間はτｍとして表しており、このときの
エネルギー強度（Ｉｐ）は前記ろう材４が込発すること
なく溶融状態を保つエネルギー強度Ｉｐａとしてあり、
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。 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の照射長と比較して長い場合には、反射鏡１３
ａ、１３ｂを適宜移動させることにより、レーザービー
ム９ａ、５ｂを前記被接合部７のそれぞれの照射範囲に
追従させることによって均一に照射することが可能であ
る。 第２図は、上記接合装置１を使用し、加工室５内の雰囲
気を常圧よりも高い状態にして、前記接合材２，３の突
き合わせ被接合端面２ａ、２ｂで本発明に係るセラミッ
クスの接合方法を実施して接合したときの接合過程を示
す模型的説明図である。 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
ーザービーム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（Ｉｐ）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（Ｉ　
ｐ）を持つレーザー出力に設定されている。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
加熱されるのみであり、溶融ないしは熱分解しない。 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に対し上方からのレ
ーザービーム８ａを照射するが、この上方からのレーザ
ービーム８ａを照射する時の熱衝撃によりろう材４が飛
散す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
に照射される。 このろう材４は、照射レーザー光を吸収し易くかつ熱容
量が小さい形態を持っているため、当該ろう材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、溶融して球状化
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７％となっているので、前記接合材２゜３に熱を伝
えることはほとんどなく、溶融状態を維持することがで
きる。 一方、前記ろう材４が溶融して球状化した状態にあると
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の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が照射されること
によって予熱されている。 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、毛管現象によって隙間
１１に浸透し始める。 この場合、前記ろう材４の隙間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１
１を埋めるに至る。このとき、前記接合材２．３の下面
の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
射部分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、予熱は継続されている。このために、前記隙間
１１に浸透したろう材４は、前記接合材２．３の各被接
合端面２ａ、３ａに対する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
接合部７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の下面側の被接合部７への照射が
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に浸透したろう材４が冷却されて凝固
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に窒化珪素質セラミック
ス板［１０ｍｍ（幅）Ｘ１５ｍｍ（長さ）Ｘ２ｍｍ　（
厚さ）］を用い、１０ｍｍ（幅）Ｘ２ｍｍ（厚さ）の被
接合端面２ａ、３ａ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　Ｎ
４　　、ＭｇＯから構成される混合微粉末を用いた。 また、加工室５内の雰囲気は、窒素ガスを４００ＫＰａ
の圧力で充填した状態とした。この場合の接合時におけ
る接合材２．３の耐熱温度は、常圧時（約１００ＫＰａ
）よりもおよそ１００℃高くすることができた。 さらに、照射レーザー光は、波長１０．６ｇｍ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４５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、その時の出力は前記ろう材４がレ
ーザービーム照射開始時の熱衝撃により飛散したり溶融
したりすることがないように３０Ｗ以下の出力に設定し
た。次いで照射される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、前記照射時間τｈを２ないし３秒
として、その間、第３図に示したように徐々に出力を増
加させてレーザー出力値を４５Ｗまで高め、その出力に
おいて照射時間τｍを６０秒間として照射を行った。こ
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との濡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、当該隙間１
１を十分に埋めることとなる。 そして、下方からのレーザービーム８ｂは、上方からの
レーザービーム８ａが照射されている間にも照射を継続
した。このとき、当該照射部分における接合材２，３の
上面と下面とにおける温度差は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における熱応力を緩
和するため、下方からのレーザービーム８ｂをさらに２
０秒間照射した。 このようにして接合した前記接合材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ｊＥで接合するに際
し、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、接合材表
面の被接合部に沿ってろう材を配設し、接合雰囲気の圧
力を常圧よりも高くした状態にして、接合材表面および
接合材裏面の被接合部のうち少なくとも接合材表面の被
接合部を中心とした所定の範囲にレーザービームを照射
し、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照射レーザービーム
の密度または分布を徐々に増減させることにより、前記
被接合部を予熱するとともに、前記ろう材を加熱・溶融
することにより、前記ろう材を前記被接合部の隙間に浸
透させ、前記隙間にろう材を充填して凝固させることに
より接合するようにしたから、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ようになるとともに、接合雰
囲気の圧力を常圧より高くした状態にして接合を行うこ
とにより、接合材の熱分解温度を高めることができるの
で、より高融点のろう材を適用することが可能であり、
これによって接合部の高温における接合強度を高めるこ
とができ、さらには、ろう材に照射するレーザービーム
の出力を当該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
中に発生する熱衝撃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、接合材に対して熱的な損傷を与
えることがない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
るための接合装置を例示する断面図、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、２ｂ・・・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、 １７・・・接合部。 特許出願人　　　　宮　　本　　　　勇特許出願人　　
　　株式会社日平トヤマ代理人弁理士　　　小　　塩　
　　　豊第１図 第２図 （ａ）　　　　　　　　　　（ｂ） （ｃ）　　　　　　　　　　（ｄ） ｂ 第３図 耶射詩間（τ） 第４図 （ａ）　　　　　　　（ｂ） 第５図 （ａ）　　　　　　　（ｂ） 第（ （ａ） （Ｃ） ｂ／ 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、接合材
   表面の被接合部に沿ってろう材を配設し、接合雰囲気の
   圧力を常圧よりも高くした状態にして、接合材表面およ
   び接合材裏面の被接合部のうち少なくとも接合材表面の
   被接合部を中心とした所定の範囲にレーザービームを照
   射し、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照射レーザービー
   ムの密度または分布を徐々に増減させることにより、前
   記被接合部を予熱するとともに、前記ろう材を加熱・溶
   融することにより、前記ろう材を前記被接合部の隙間に
   浸透させ、前記隙間にろう材を充填して凝固させること
   により接合することを特徴とするセラミックスの接合方
   法。