JPH01148761A - セラミックスの接合方法 - Google Patents
セラミックスの接合方法Info
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
【発明の目的コ
（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・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Ｖ：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な濡れ
性をもってろう付接合され、ろう付接合に際してスプラ
ッシュの発生や窪みの形成などがなく、ろう材を用いた
場合の接合性能を著しく高めて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
わせた状態にして接合するに際し、被接合端面を突き合
わせた接合材の表面の被接合部に沿って、接合材の熱分
解ないしは溶融温度に近いかそれよりも高い融点を有す
る高融点ろう材を配設し、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レーザービー
ムを照射し、この際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
、被接合部を予熱するとともに、前記高融点ろう材を加
熱・溶融することにより、溶融した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ことによって、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に関する実施例を
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は高融点ろう材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。 高融点ろう材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、前記接合材２．３の熱分解ないし
は溶融温度よりも高い融点を有するもの、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９球状、Ｓ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は合される。 前記高融点ろう材４を加熱して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８ａ、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１０ａ、１
０ｂ （例えば、Ｚｎ５ｅ製）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高融点ろう材４に照
射され、下方からのレーザーど−ム８ｂは接合材下面の
前記接合部７に沿った被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ＴＥＭｏ
ｎ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、
前記高融点ろう材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
心として接合材２゜３の下面での照射幅をおよそ１０ｍ
ｍに、照射長を前記接合部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。から高融点ろう材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
τ０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は、
前記高融点ろう材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、前記隙間１
１への前記高融点ろう材４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ｌから前記充填
完了時刻で２までの照射時間はτｍとして表してあり、
このときのエネルギー強度（Ｉｐ）は前記高融点ろう材
４が蒸発することなく溶融状態を保つエネルギー強度Ｉ
ｐａ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のそれぞれの照射長と比較して長い場合には、
反射鏡１３ａ、１３ｂを適宜移動させることにより、レ
ーザービーム３ａ。 ８ｂ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できるようにする。 第２図は、上記の構成をもつ接合装置１を使用し、前記
接合材２，３の突き合わせ被接合端面２ａ、３ａ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ＩＵ７
（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の接合線に沿って高融点ろう材４を配設した状
態にして、接合材２，３の下面の接合部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の下面が熟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（Ｉｐ）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
ｇＢ７が加熱されるのみであり、溶融ないしは熱分解し
ない。 次に７ＪＴ２段階では、第２図（ｂ）に示すように、前
記被接合部７に沿って配設した高融点ろう材４に対して
上方からのレーザービーム８ａを照射するのであるが、
この上方からのレーザーど−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
ー出力を高めながら、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。 この高融点ろう材４は、照射レーザー光を吸収し易くか
つ熟容蛍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
触に近い状態となっているので、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分が熱的損傷を
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が照射するこ
とによって予熱されている。 次の第３段階では、７ＪＪ２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上方からのレーザービーム８ａを照
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
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
部分が熱的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、その後停止される。 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２ａ、３ａを突き合わせて接合するに際し、
高融点ろう材４としてＹ２０３ 、Ｌａ２０３ 、Ｓ
ｉ３ Ｎ４．ＭｇＯから構成される混合微粉末を用いた
。 また、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、高融点ろう材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
ームの照射を開始し、その時の出力は前記高融点ろう材
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０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、その間に第３図に示したように徐々に出
力を増加させ、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、高融点ろう材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１１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！１
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℃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、接合部１７における熱応力緩和の
ため、下方からのレーザービーム８ｂをさらに２０秒間
照射した。 このようにして接合した接合材２，３の接合部１７にお
ける接合強度は、接合材自体の強度の８０％近いおよそ
５５０ＭＰ ａ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災き合わせた状態にして接合するに
際し、被接合端面を突き合わせた接合材の表面の被接合
部に沿って、接合材の熱分解ないしは溶融温度に近いか
それよりも高い融点を有する高融点ろう材を配設し、接
合接合材表面および接合材裏面のうち少なくとも接合材
表面の被接合部にレーザービームを照射し、この際に照
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、被接合部を予熱すると
ともに、前記高融点ろう材を加熱・溶融することにより
、溶融した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
合するようにしたから、高融点ろう材を配設した接合材
表面とは反対の接合材表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り、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
溶融ろう材と被接合端面との間での濡れ性をさらに良好
なものとすることができるとともに、接合材の熱分解な
いしは溶融温度よりも高融点のろう材を用いたことによ
り、接合部の高温での接合強度をより一層向上させるこ
とができ、ろう材にレーザービームを照射する際の当該
レーザービームの照射パターンとして、前記ろう材が溶
融する状態になるまで徐々に高めるようなパターンを用
いることにより、照射開始時または照射中に熱衝撃によ
ってろう材のスプラッシュが発生したり蒸発を生じたり
するのを防止することができ、ろう材を用いた場合の接
合性能を著しく高めて強固なる接合強度を得ることが可
能であるなどの優れた効果がもたらされる。
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・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Ｖ：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な濡れ
性をもってろう付接合され、ろう付接合に際してスプラ
ッシュの発生や窪みの形成などがなく、ろう材を用いた
場合の接合性能を著しく高めて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
わせた状態にして接合するに際し、被接合端面を突き合
わせた接合材の表面の被接合部に沿って、接合材の熱分
解ないしは溶融温度に近いかそれよりも高い融点を有す
る高融点ろう材を配設し、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レーザービー
ムを照射し、この際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
、被接合部を予熱するとともに、前記高融点ろう材を加
熱・溶融することにより、溶融した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ことによって、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に関する実施例を
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は高融点ろう材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。 高融点ろう材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、前記接合材２．３の熱分解ないし
は溶融温度よりも高い融点を有するもの、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９球状、Ｓ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は合される。 前記高融点ろう材４を加熱して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８ａ、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１０ａ、１
０ｂ （例えば、Ｚｎ５ｅ製）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高融点ろう材４に照
射され、下方からのレーザーど−ム８ｂは接合材下面の
前記接合部７に沿った被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ＴＥＭｏ
ｎ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、
前記高融点ろう材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
心として接合材２゜３の下面での照射幅をおよそ１０ｍ
ｍに、照射長を前記接合部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。から高融点ろう材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
τ０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は、
前記高融点ろう材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、前記隙間１
１への前記高融点ろう材４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ｌから前記充填
完了時刻で２までの照射時間はτｍとして表してあり、
このときのエネルギー強度（Ｉｐ）は前記高融点ろう材
４が蒸発することなく溶融状態を保つエネルギー強度Ｉ
ｐａ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のそれぞれの照射長と比較して長い場合には、
反射鏡１３ａ、１３ｂを適宜移動させることにより、レ
ーザービーム３ａ。 ８ｂ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できるようにする。 第２図は、上記の構成をもつ接合装置１を使用し、前記
接合材２，３の突き合わせ被接合端面２ａ、３ａ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ＩＵ７
（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の接合線に沿って高融点ろう材４を配設した状
態にして、接合材２，３の下面の接合部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の下面が熟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（Ｉｐ）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
ｇＢ７が加熱されるのみであり、溶融ないしは熱分解し
ない。 次に７ＪＴ２段階では、第２図（ｂ）に示すように、前
記被接合部７に沿って配設した高融点ろう材４に対して
上方からのレーザービーム８ａを照射するのであるが、
この上方からのレーザーど−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
ー出力を高めながら、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。 この高融点ろう材４は、照射レーザー光を吸収し易くか
つ熟容蛍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
触に近い状態となっているので、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分が熱的損傷を
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が照射するこ
とによって予熱されている。 次の第３段階では、７ＪＪ２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上方からのレーザービーム８ａを照
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
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
部分が熱的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、その後停止される。 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２ａ、３ａを突き合わせて接合するに際し、
高融点ろう材４としてＹ２０３ 、Ｌａ２０３ 、Ｓ
ｉ３ Ｎ４．ＭｇＯから構成される混合微粉末を用いた
。 また、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、高融点ろう材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
ームの照射を開始し、その時の出力は前記高融点ろう材
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０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、その間に第３図に示したように徐々に出
力を増加させ、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、高融点ろう材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１１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！１
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℃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、接合部１７における熱応力緩和の
ため、下方からのレーザービーム８ｂをさらに２０秒間
照射した。 このようにして接合した接合材２，３の接合部１７にお
ける接合強度は、接合材自体の強度の８０％近いおよそ
５５０ＭＰ ａ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災き合わせた状態にして接合するに
際し、被接合端面を突き合わせた接合材の表面の被接合
部に沿って、接合材の熱分解ないしは溶融温度に近いか
それよりも高い融点を有する高融点ろう材を配設し、接
合接合材表面および接合材裏面のうち少なくとも接合材
表面の被接合部にレーザービームを照射し、この際に照
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、被接合部を予熱すると
ともに、前記高融点ろう材を加熱・溶融することにより
、溶融した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
合するようにしたから、高融点ろう材を配設した接合材
表面とは反対の接合材表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り、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
溶融ろう材と被接合端面との間での濡れ性をさらに良好
なものとすることができるとともに、接合材の熱分解な
いしは溶融温度よりも高融点のろう材を用いたことによ
り、接合部の高温での接合強度をより一層向上させるこ
とができ、ろう材にレーザービームを照射する際の当該
レーザービームの照射パターンとして、前記ろう材が溶
融する状態になるまで徐々に高めるようなパターンを用
いることにより、照射開始時または照射中に熱衝撃によ
ってろう材のスプラッシュが発生したり蒸発を生じたり
するのを防止することができ、ろう材を用いた場合の接
合性能を著しく高めて強固なる接合強度を得ることが可
能であるなどの優れた効果がもたらされる。
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概略構成を示す断面図、第２図（ａ
）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明に係るセラミックスの接
合方法における各接合段階での状態を順次示す模型的断
面説明図、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、３ｂ・・・被接合端面、 ４・・・高融点ろう材、 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 照壱寸は仔ｒａ （で） 第４図 （ａ）（ｂ） 第５図 （ａ） （ｂ） 第（ （ａ） （Ｃ） ３図 （ｂ） （ｄ）
るための接合装置の概略構成を示す断面図、第２図（ａ
）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は本発明に係るセラミックスの接
合方法における各接合段階での状態を順次示す模型的断
面説明図、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、３ｂ・・・被接合端面、 ４・・・高融点ろう材、 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 照壱寸は仔ｒａ （で） 第４図 （ａ）（ｂ） 第５図 （ａ） （ｂ） 第（ （ａ） （Ｃ） ３図 （ｂ） （ｄ）
Claims (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にして接合するに際し、被
接合端面を突き合わせた接合材の表面の被接合部に沿っ
て、接合材の熱分解ないしは溶融温度に近いかそれより
も高い融点を有する高融点ろう材を配設し、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
部にレーザービームを照射し、この際に照射するレーザ
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、被接合部を予熱するとともに、前記
高融点ろう材を加熱・溶融することにより、溶融したろ
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ことを
特徴とするセラミックスの接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62307232A JP2585654B2 (ja) | 1987-12-04 | 1987-12-04 | セラミックスの接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP62307232A JP2585654B2 (ja) | 1987-12-04 | 1987-12-04 | セラミックスの接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01148761A true JPH01148761A (ja) | 1989-06-12 |
| JP2585654B2 JP2585654B2 (ja) | 1997-02-26 |
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ID=17966627
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62307232A Expired - Fee Related JP2585654B2 (ja) | 1987-12-04 | 1987-12-04 | セラミックスの接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2585654B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0379709U (ja) * | 1989-12-08 | 1991-08-14 | ||
| US20100276035A1 (en) * | 2001-10-03 | 2010-11-04 | Daniel Py | Device with penetrable and resealable portion |
| WO2013045308A1 (de) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Sgl Carbon Se | Laserstrahllöten von materialien auf siliciumkarbidbasis |
| WO2013045306A1 (de) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Sgl Carbon Se | Laserstrahllöten von materialien auf siliciumkarbidbasis zur herstellung von keramischen bauteilen |
| JP2017062890A (ja) * | 2015-09-24 | 2017-03-30 | 日本電気硝子株式会社 | 導光板及びその製造方法 |
| CN114012255A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-02-08 | 清华大学 | 陶瓷焊接方法及陶瓷焊接设备 |
-
1987
- 1987-12-04 JP JP62307232A patent/JP2585654B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0379709U (ja) * | 1989-12-08 | 1991-08-14 | ||
| US20100276035A1 (en) * | 2001-10-03 | 2010-11-04 | Daniel Py | Device with penetrable and resealable portion |
| WO2013045308A1 (de) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Sgl Carbon Se | Laserstrahllöten von materialien auf siliciumkarbidbasis |
| WO2013045306A1 (de) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Sgl Carbon Se | Laserstrahllöten von materialien auf siliciumkarbidbasis zur herstellung von keramischen bauteilen |
| JP2017062890A (ja) * | 2015-09-24 | 2017-03-30 | 日本電気硝子株式会社 | 導光板及びその製造方法 |
| CN114012255A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-02-08 | 清华大学 | 陶瓷焊接方法及陶瓷焊接设备 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2585654B2 (ja) | 1997-02-26 |
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