JPH05337639A

JPH05337639A - アルミニウム材の接合方法

Info

Publication number: JPH05337639A
Application number: JP15046292A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Sato; 昭一佐藤; Ichiro Iwai; 一郎岩井; Tatsuo Otsuka; 達雄大塚
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Showa Aluminum Can Corp
Priority date: 1992-06-10
Filing date: 1992-06-10
Publication date: 1993-12-21

Abstract

(57)【要約】【目的】アルミニウム材どうしを短時間で良好に接合
する。コストを安くする。【構成】２つのアルミニウム材A1、A2の接合面間にフ
ラックスを含むＡｌ−Ｓｉ系ろう材１を介在させる。両
アルミニウム材A1、A2を０．０１〜２０ｋｇｆ／ｍｍ²
の加圧力で接合面どうしを押し付ける方向に加圧する。
少なくともいずれか一方のアルミニウム材A1に超音波振
動を付与して両アルミニウム材A1、A2の接合面およびろ
う材１表面の酸化皮膜を破壊する。また、付与した超音
波振動により、両アルミニウム材A1、A2とろう材１との
間に摩擦熱を発生させる。これと同時に、両アルミニウ
ム材A1、A2間に電流を流して抵抗熱を発生させる。摩擦
熱および抵抗熱によりろう材１を溶融させて両アルミニ
ウム材A1、A2をろう付する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はアルミニウム材の接合
方法に関し、さらに詳しくいえば、たとえばアルミニウ
ム製自動車部品、アルミニウム製熱交換器等を製造する
にあたり、アルミニウム材どうしを接合するのに適用さ
れる方法であって、特にＭｇを０．５重量％以上含有し
たアルミニウム材を接合するのに適した方法に関する。

【０００２】この明細書において、「アルミニウム」と
いう語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を
含むものとする。

【０００３】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】アルミニ
ウム材の接合は、従来、接合部にろう材を供給するとと
もに、アルミニウム材の接合面およびろう材の表面に生
成している酸化皮膜を除去する目的でフラックスの懸濁
液をろう付部に塗布し、加熱することによりろう付を行
っていた。ところが、ろう材の供給およびフラックス懸
濁液の塗布を別個の作業で行なう必要があるため、その
作業が面倒であるという問題があった。しかも、塗布す
るフラックス量にばらつきが生るので、安定したろう付
をすることができず、さらにフラックス懸濁液の量が多
くなった場合にこれが垂れてろう付炉等を汚すという問
題があった。

【０００４】さらに、上記フラックスとしては、非腐食
性の弗化物系フラックスを用いることが一般的である
が、自動車用部品等のように強度を要求される部品とし
て使用されるＭｇを含むアルミニウム材のろう付には弗
化物系フラックスを使用することができなかった。その
ため、Ｍｇを０．５重量％以上含むアルミニウム材のろ
う付には塩化物系フラックスが用いられていた。ところ
が、塩化物系フラックスを用いた場合、フラックスの残
渣によりろう付後のアルミニウム製品が腐食するので、
ろう付後にフラックスの残渣の洗浄処理を行わなければ
ならず、作業が面倒であるとともに、コストが高くなる
という問題があった。特に、大量のフラックス懸濁液を
用いた場合には、その作業が極めて面倒であった。

【０００５】また、上記のようなフラックスを必要とし
ない接合方法として、超音波を利用して接合面の酸化皮
膜を除去しつつはんだ付を行う超音波はんだ付方法が知
られている。このような超音波はんだ付方法としては一
般的に２つの方法があるが、そのうちの第１の方法は、
接合すべきアルミニウム材を、処理槽に入れられた溶融
はんだ中に浸漬し、処理槽に取付けられた超音波振動子
を用いて溶融はんだに超音波振動を付与することにより
接合面の酸化皮膜を破壊しながら、はんだ付を行う方法
である。

【０００６】ところが、この方法では、設備が大掛かり
になるとともに、大量のはんだを必要とし、しかも超音
波により処理槽の壁が浸食されるのでコストが高くなる
という問題がある。また、クリアランスの小さな重ね継
手部や、はぜ止め継手部や、突き合わせ継手部において
は、酸化皮膜が十分に破壊されず、接合不良を起こすと
いう問題がある。この問題を解決するには、継手部のク
リアランスを大きくしなければならないが、これでは得
られる製品の寸法精度が十分ではなく、場合によっては
接合工程においてアルミニウム材どうしがずれてしまう
という問題がある。

【０００７】超音波はんだ付方法の第２の方法は、超音
波振動子が取付けられたはんだごてを用いてはんだ付す
る方法である。

【０００８】ところが、この方法では、はんだごての先
端のチップの寿命が短く、コストが高くなるという問題
がある。

【０００９】この発明の目的は、上記問題を解決したア
ルミニウム材の接合方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明によるアルミニ
ウム材の接合方法は、２つのアルミニウム材の接合面間
にフラックスを含むＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介在させ、両
アルミニウム材を０．０１〜２０ｋｇｆ／ｍｍ²の加圧
力で接合面どうしを押し付ける方向に加圧し、この状態
で少なくともいずれか一方のアルミニウム材に超音波振
動を付与することにより両アルミニウム材の接合面の酸
化皮膜およびろう材表面の酸化皮膜を破壊するととも
に、アルミニウム材とろう材との間に摩擦熱を発生さ
せ、さらに両アルミニウム材間に電流を流すことにより
抵抗熱を発生させ、摩擦熱および抵抗熱によりろう材を
溶融させて両アルミニウム材をろう付することを特徴と
するものである。

【００１１】上記において、２つのアルミニウム材を加
圧するさいの加圧力を０．０１〜２０ｋｇｆ／ｍｍ²の
範囲内に限定したのは、加圧力が下限値よりも小さい
と、アルミニウム材とこれを保持する部分との間に滑り
が発生して超音波の伝達が不十分になるとともに、アル
ミニウム材とろう材との接触抵抗が大きくなって十分な
抵抗熱（ジュール熱）が発生せず、上限値を越えると、
アルミニウム材に座屈あるいは変形が生じるとともに、
アルミニウム材とろう材が融合し合ってアルミニウム材
の侵食が大きくなり、しかもアルミニウム材の粒界にバ
ーニングが発生するおそれがあるからである。

【００１２】付与する超音波振動は、周波数１０〜２０
ｋＨｚ、振幅５〜１００μｍ、出力１００〜４５００Ｗ
とするのがよい。このような範囲内であれば、酸化皮膜
の破壊が十分に行われるとともに、アルミニウム材とろ
う材との間に十分な摩擦熱を発生させ、発生した摩擦熱
をろう材の溶融に寄与させることができるからである。
さらに、超音波振動は、アルミニウム材の接合面と平行
な方向に付与するのがよい。

【００１３】両アルミニウム材間に流す電流は１０００
〜１００００Ａとするのがよい。１０００Ａ未満であれ
ば発生する抵抗熱が十分ではなくてろう材が溶融しにく
く、１００００Ａを越えると母材であるアルミニウム材
が溶融するおそれがあるからである。

【００１４】フラックスを含むＡｌ−Ｓｉ系ろう材とし
ては、通常の方法によるアルミニウム材のろう付に用い
る、たとえばＳｉ３〜１２重量％を含み、残部不可避不
純物およびＡｌからなる合金や、これに所望の性能を得
るためにＣｕ、Ｂｅ等の必要成分を添加した合金等に、
さらにフラックスを添加したものが用いられる。フラッ
クスの添加量は、Ａｌ−Ｓｉ系合金とフラックスとの重
量比で７０：３０〜９９．９：０．１の範囲内にあるこ
とが好ましい。フラックスの添加量がＡｌ−Ｓｉ系合金
９９．９に対して０．１未満であると、十分なフラック
スとしての作用、すなわち酸化皮膜の除去作用が得られ
ず、Ａｌ−Ｓｉ系合金７０に対して３０を越えると、両
者を配合しての固形化が困難になるからである。フラッ
クスの添加量は、望ましくは、Ａｌ−Ｓｉ系合金とフラ
ックスとの重量比で９８：２〜９０：１０の範囲内であ
る。このようなろう材は、たとえばＡｌ粉末と、Ｓｉ粉
末と、必要に応じてその他の成分の粉末と、フラックス
の粉末とを混合し、熱間プレスなどにより圧粉固化する
こと、またはＡｌ粉末と、Ｓｉ粉末と、必要に応じてそ
の他の成分の粉末と、フラックスの粉末とをボールミル
の容器内に入れ、アジテータを所定時間回転させてこれ
らを合金一体化した粉末とし、該粉末を熱間プレスなど
により圧粉固化することにより製作されるが、その密度
比は９０％以上、好ましくは９５％以上とするのがよ
い。密度比が９０％未満であると、このろう材に機械的
加工を施して所望の形状に仕上げるさいに、破損するお
それがあるからである。また、使用するＡｌ粉末の平均
粒径は４４μｍ以下、Ｓｉ粉末の平均粒径は５μｍ以
下、フラックス粉末の平均粒径は３０μｍ以下にそれぞ
れしておくことが好ましい。また、ろう材を製作するに
あたって、原料としてＡｌ粉末とＳＩ粉末とを用いる代
わりに、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末を用いてもよい。

【００１５】フラックスとしては、塩化物系および弗化
物系のいずれも用いることが可能である。弗化物系フラ
ックスの種類は特に限定されるものではなく、たとえば
ＫＦとＡｌＦ₃とよりなる錯体化合物、すなわちＫＡｌ
Ｆ₄、Ｋ₂ＡｌＦ₅、Ｋ₃ＡｌＦ₆等が用いられる。こ
のような錯体化合物は、単純化合物で表してＫＦ４０〜
５０重量％、ＡｌＦ₃６０〜５０重量％に相当するもの
である。

【００１６】なお、ろう材としては接合すべき２つのア
ルミニウム材のうち電気伝動率が高いものに比べて電気
伝動率の低いものを用いるのがよい。また、ろう材の厚
さは０．０５〜０．５ｍｍの範囲内でかつ両アルミニウ
ム材の接合部分の肉厚よりも小さくすることが好まし
い。その理由は、０．０５ｍｍ未満の厚さにすることは
加工上困難であり、０．５ｍｍを越えると接合強度や、
伸びが低下するからである。また、ろう材の厚さが、両
アルミニウム材の接合部分の肉厚よりも小さいと、ろう
材での発熱効率が向上するからである。

【００１７】また、超音波振動を付与することによる摩
擦熱発生効果を高めるために、アルミニウム材の接合面
の表面粗さおよびろう材両面の表面粗さは、中心線平均
粗さで０．５〜５０μｍの範囲内にすることが好まし
い。その理由は、この範囲内であれば、摩擦熱が最も効
率良く発生し易く、しかもこの範囲内にするための加工
も容易に行なえるからである。

【００１８】

【作用】この発明の方法によれば、両アルミニウム材を
０．０１〜２０ｋｇｆ／ｍｍ²の加圧力で接合面どうし
を押し付ける方向に加圧し、少なくともいずれか一方の
アルミニウム材に超音波振動を付与することによって摩
擦熱を発生させるとともに、両アルミニウム材間に電流
を流すことにより抵抗熱を発生させ、摩擦熱および抵抗
熱によりろう材を溶融させるので、ろう材を極めて短時
間で溶融させることができ、その結果ろう付時間を短縮
することができる。

【００１９】また、ろう材中に含まれるフラックスの働
き、および付与された超音波振動により、両アルミニウ
ム材の接合面の酸化皮膜およびろう材表面の酸化皮膜を
破壊することができるので、溶融したろう材は、破壊さ
れた酸化皮膜の間を流れて接合面の素地に至り、両アル
ミニウム材を良好に接合することが可能になる。しか
も、ろう材中のフラックス量を少なくすることができ
る。さらに、フラックスを含むろう材を使用するので、
フラックスを別途に供給する必要がなくなる。

【００２０】

【実施例】以下、この発明の実施例を、図面を参照して
説明する。

【００２１】図１は、この発明の方法を、板状アルミニ
ウム材どうしを重ね継手で点接合するのに適用した実施
例を示す。

【００２２】図１において、２つの板状アルミニウム材
(A1)(A2)どうしの重ね合わせ部分に、フラックスを含む
Ａｌ−Ｓｉ系ろう材(1) が介在させられている。また、
両アルミニウム材(A1)(A2)どうしの重ね合わせ部分は、
上下から加圧電極(2)(3)で加圧されるようになってい
る。上側の加圧電極(2) は、超音波発振機(4) に接続さ
れたトランスデューサ(5) 先端のホルダ部(6) によって
保持されるようになっている。

【００２３】このような構成において、両アルミニウム
材(A1)(A2)を接合するには、上下の加圧電極(2)(3)によ
り、両アルミニウム材(A1)(A2)を上下から０．０１〜２
０ｋｇｆ／ｍｍ²以下の加圧力で加圧するとともに、超
音波発振機(4) から発振された超音波振動を、トランス
デューサ(5) を介して上側の加圧電極(2) に左右方向の
振動として付与する。すると、加圧電極(2) を介して上
側のアルミニウム材(A1)に超音波振動が付与され、この
超音波振動およびろう材(1) に含まれるフラックスの作
用によって両アルミニウム材(A1)(A2)の接合面の酸化皮
膜が破壊される。また、付与された超音波振動により両
アルミニウム材(A1)(A2)とろう材(1) との間に摩擦熱が
発生する。しかも、超音波振動を付与するのと同時に、
両電極(2)(3)間に１０００〜１００００Ａの電流を流
し、これにより抵抗熱を発生させる。上記摩擦熱および
抵抗熱によりろう材(1) が溶融し、溶融したろう材(1)
が破壊された酸化皮膜の間から接合面の素地に達し、そ
の結果両アルミニウム材(A1)(A2)が良好に接合される。

【００２４】図２は、この発明の方法を、板状アルミニ
ウム材どうしを重ね継手で所定長さにわたって接合する
のに適用した実施例を示す。

【００２５】図２において、２つの板状アルミニウム材
(A1)(A2)どうしの重ね合わせ部分に、帯板状のフラック
ス含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材(11)が介在させられている。
また、両アルミニウム材(A1)(A2)どうしの重ね合わせ部
分は、上下からアルミニウム材(A1)(A2)に沿って転動す
る回転加圧電極(12)(13)で加圧されるようになってい
る。上側の回転加圧電極(12)の軸(12a) が、超音波発振
機(4) に接続されたトランスデューサ(5) 先端のホルダ
部(6) によって保持されるようになっている。

【００２６】このような構成において、両アルミニウム
材(A1)(A2)を接合するには、上下の回転加圧電極(12)(1
3)により、両アルミニウム材(A1)(A2)を上下から０．０
１〜２０ｋｇｆ／ｍｍ²以下の加圧力で加圧するととも
に、超音波発振機(4) から発振された超音波振動を、ト
ランスデューサ(5) を介して上側の回転加圧電極(12)に
アルミニウム材(A1)(A2)と平行な方向の振動として付与
する。また、超音波振動を付与するのと同時に、両電極
(12)(13)間に１０００〜１００００Ａの電流を流す。つ
いで、両電極(12)(13)をアルミニウム材(A1)(A2)に沿っ
て転動させる。すると、加圧電極(12)を介して上側のア
ルミニウム材(A1)に超音波振動が付与され、この超音波
振動およびろう材(11)に含まれるフラックスの作用によ
って、両アルミニウム材(A1)(A2)の接合面およびろう材
(11)表面の酸化皮膜が破壊される。また、付与された超
音波振動により両アルミニウム材(A1)(A2)とろう材(11)
との間に摩擦熱が発生する。また、両電極(2)(3)間に流
された電流により抵抗熱が発生する。そして、上記摩擦
熱および抵抗熱によりろう材(11)が溶融し、溶融したろ
う材(11)が破壊された酸化皮膜の間から接合面の素地に
達し、その結果両アルミニウム材(A1)(A2)が所定長さに
わたって良好に接合される。

【００２７】以下、この発明の方法のさらに具体的な実
施例について、比較例とともに説明する。

【００２８】具体的実施例１この具体的実施例は、図１に示すようにして行ったもの
である。厚さ１．０ｍｍのJIS Ａ５０５６合金製の２枚
の板状アルミニウム材(A1)(A2)を用意し、その接合面
に、それぞれエメリ研摩処理またはバフ研摩処理を施し
た後、アセトンを用いて超音波洗浄処理を施した。接合
面の表面粗さは、中心線平均粗さで２０μｍである。

【００２９】また、次のようにして、厚さ０．２ｍｍの
板状であるフラックス含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材(1) を製
作した。すなわち、まず純度９９．５％のＡｌ粉末（平
均粒径４４μｍ）と、Ｓｉ粉末（平均粒径５μｍ）と、
ＫＦとＡｌＦ₃との錯体化合物よりなる弗化物系フラッ
クス粉末（平均粒径３０μｍ）を均一に混合し、Ａｌお
よびＳｉと、フラックスとの混合比が７０：３０である
混合粉末を作成した。ついで、この混合粉末を円筒状ア
ルミニウム缶内に大気中で充填した後、これらのアルミ
ニウム缶を５００℃の炉中に保持するとともに、アルミ
ニウム缶内を１ｍｍＨｇ以下に真空脱気した。その後、
アルミニウム缶を再度４８０℃に加熱し、熱間プレス機
により最大圧力４００トンでプレス成形することにより
圧粉固化した。そして、アルミニウム缶内から固化体を
取り出し、この固化体を用いて押出成形により平板を成
形し、さらにこの平板から板状ろう材(1) を切り出すこ
とにより、ろう材(1) を製作した。なお、固化体の密度
比は、９５％であった。

【００３０】ついで、両アルミニウム材(A1)(A2)の接合
面どうしの間にろう材(1) を介在させた。

【００３１】この状態で、上下の加圧電極(2)(3)によ
り、両アルミニウム材(A1)(A2)の接合面どうしを上下か
ら１０ＭＰａの加圧力で加圧した。そして、超音波発振
機(4)から発振された超音波振動を、トランスデューサ
(5) および加圧電極(2) を介して、上側のアルミニウム
材(A1)に左右方向の振動として付与した。超音波の出力
は４５００Ｗ、周波数２０ｋＨｚ、振幅２５μｍとし
た。これと同時に、両電極(2)(3)により両アルミニウム
材(A1)(A2)間に１００００Ａの電流を流した。その結
果、０．５秒間でろう材(1) が溶融し、両アルミニウム
材(A1)(A2)が接合された。

【００３２】具体的実施例２加圧力を５０ＭＰａ、電流を５０００Ａとした他は上記
具体的実施例１と同様にして２つのアルミニウム材(A1)
(A2)を接合した。ろう材(1) は０．５秒で溶融した。

【００３３】具体的実施例３加圧力を１００ＭＰａ、電流を１０００Ａとした他は上
記具体的実施例１と同様にして２つのアルミニウム材(A
1)(A2)を接合した。ろう材(1) は０．５秒で溶融した。

【００３４】具体的実施例４フラックス含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材(11)として、Ａｌ粉
末およびＳｉ粉末と、フラックス粉末との混合比が８
０：２０である混合粉末を用いて製作したものを使用し
た他は、上記具体的実施例１と同様にして２つのアルミ
ニウム材(A1)(A2)を接合した。ろう材(1) は０．５秒で
溶融した。

【００３５】具体的実施例５フラックス含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材(11)として、Ａｌ粉
末およびＳｉ粉末と、フラックス粉末との混合比が９
０：１０である混合粉末を用いて製作したものを使用し
た他は、上記具体的実施例１と同様にして２つのアルミ
ニウム材(A1)(A2)を接合した。ろう材(1) は０．５秒で
溶融した。

【００３６】比較例１加圧力を０．５ＭＰａ、電流を２００００Ａとした他は
上記具体的実施例１と同様にして２つのアルミニウム材
(A1)(A2)を接合した。ろう材(1) は０．５秒で溶融し
た。

【００３７】比較例２加圧力を３００ＭＰａ、電流を５００Ａとした他は上記
具体的実施例１と同様にして２つのアルミニウム材(A1)
(A2)を接合した。ろう材(1) は５．０秒で溶融した。

【００３８】評価試験具体的実施例１〜５で得られた接合品に引張試験を施し
たところ、接合部では破断せず、アルミニウム材にいわ
ゆる母材破断が起った。これに対し、比較例１で得られ
た接合品では、ほとんど接合していなかった。また、比
較例２で得られた接合品では、アルミニウム材における
接合部が溶融するとともに、この部分に割れが発生して
いた。

【００３９】

【発明の効果】この発明のアルミニウム材の接合方法に
よれば、上述のように、アルミニウム材およびろう材表
面の酸化皮膜は、ろう材中のフラックスおよび超音波振
動により破壊除去されるので、酸化皮膜の破壊除去が確
実に行われ、しかも溶融したろう材が、破壊された酸化
皮膜の間を流れて接合面の素地に至るので、両アルミニ
ウム材を良好に接合することが可能になる。

【００４０】また、ろう材中のフラックス量を少なくす
ることができるので、弗化物系フラックスを使用した場
合にも０．５重量％以上のＭｇを含むアルミニウム材の
ろう付が可能になるとともに、塩化物系のフラックスを
使用した場合にはろう付後のフラックスの残渣の洗浄作
業が簡単になる。

【００４１】また、フラックスを含むろう材を使用する
ので、フラックスを別途に供給する必要がなくなり、ろ
う付作業全体が簡単になって生産性が向上する。しか
も、ろう材中のフラックス量を適当量にしておけば、フ
ラックス懸濁液を塗布する場合のようにフラックス量に
ばらつきが生じるのを防止することができ、その結果確
実にフラックス作用を発揮させて安定したろう付性とな
るとともに、ろう付炉内を汚すこともなくなる。

【００４２】また、少なくともいずれか一方のアルミニ
ウム材に超音波振動を付与することによって摩擦熱を発
生させるとともに、両アルミニウム材間に電流を流すこ
とにより抵抗熱を発生させ、摩擦熱および抵抗熱により
ろう材を溶融させるので、ろう材を極めて短時間で溶融
させることができ、その結果ろう付時間を短縮すること
ができる。

【００４３】また、従来の第１の超音波接合方法のよう
に、大掛かりな設備や大量のはんだを必要としない。し
たがって、この従来方法に比べてコストが安くなる。さ
らに、従来の第２の超音波ろう材付方法のように、寿命
の短いチップを必要としないので、この従来の方法に比
べてコストが安くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法の実施例を示す図である。

【図２】この発明の方法の他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１ろう材１１ろう材Ａ１アルミニウム材Ａ２アルミニウム材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つのアルミニウム材の接合面間にフラ
ックスを含むＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介在させ、両アルミ
ニウム材を０．０１〜２０ｋｇｆ／ｍｍ²の加圧力で接
合面どうしを押し付ける方向に加圧し、この状態で少な
くともいずれか一方のアルミニウム材に超音波振動を付
与することにより両アルミニウム材の接合面の酸化皮膜
およびろう材表面の酸化皮膜を破壊するとともに、アル
ミニウム材とろう材との間に摩擦熱を発生させ、さらに
両アルミニウム材間に電流を流すことにより抵抗熱を発
生させ、摩擦熱および抵抗熱によりろう材を溶融させて
両アルミニウム材をろう付することを特徴とするアルミ
ニウム材の接合方法。