JPH067925A

JPH067925A - アルミニウム材の接合方法

Info

Publication number: JPH067925A
Application number: JP15046192A
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: 1994-01-18

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Ｚ
ｎ系はんだ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の接合面およびはんだ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とはんだ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
はんだ１を溶融させて両アルミニウム材A1、A2をはんだ
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、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
れるアルミニウム材の接合方法に関する。

【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。また、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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】

【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Ｚｎ系はんだを介在させ、両アルミニウム材を０．０
１〜２０ｋｇｆ／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はんだ表面
の酸化皮膜を破壊するとともに、アルミニウム材とはん
だ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
よび抵抗熱によりはんだを溶融させて両アルミニウム材
をはんだ付することを特徴とするものである。

【００１０】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
ミニウム材とはんだ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、
アルミニウム材とはんだ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。

【００１１】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、アルミニウム材とは
んだとの間に十分な摩擦熱を発生させ、発生した摩擦熱
をはんだ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。

【００１２】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はんだが溶融しにく
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。

【００１３】Ｚｎ系はんだとしては、通常の方法による
アルミニウム材のはんだ付に用いるものをすべて使用す
ることが可能であり、たとえば純Ｚｎや、Ａｉ３〜８０
重量％含み、残部不可避不純物およびＺｎからなるＺｎ
−Ａｌ系合金よりなるものや、これに所望の性能を得る
ために必要成分、たとえば溶融したはんだの流動性を向
上させるためのＳｉや、はんだの液相温度を下げるため
のＣｕや、酸化膜の生成を抑制するＢｅなどを添加した
もの等が用いられる。また、はんだ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。はんだの
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、はんだの厚さが、両
アルミニウム材の接合部分の肉厚よりも小さいと、はん
だでの発熱効率が向上するからである。

【００１４】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
の表面粗さおよびはんだの両面の表面粗さは、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。

【００１５】

【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、さらに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、両アルミニウム材の接合面の酸化皮膜およびはん
だ表面の酸化皮膜を破壊するので、このような酸化皮膜
を除去するためのフラックスを必要としない。さらに、
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はんだを溶融させる
ので、はんだを極めて短時間で溶融させることができ、
その結果はんだ付時間を短縮することができる。さら
に、溶融したはんだは、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。

【００１６】

【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。

【００１７】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。

【００１８】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、Ｚｎ系はんだ(1)
が介在させられている。また、両アルミニウム材(A1)(A
2)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。

【００１９】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とともに、両アルミニウム材(A
1)(A2)とはんだ(1) との間に摩擦熱が発生する。また、
超音波振動を付与するのと同時に、両電極(2)(3)間に１
０００〜１００００Ａ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はんだ
(1) が溶融し、溶融したはんだ(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。

【００２０】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。

【００２１】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Ｚｎ系は
んだ(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)(1
3)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。

【００２２】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
振動によって両アルミニウム材(A1)(A2)の接合面および
はんだ(11)の表面の酸化皮膜が破壊されるとともに、両
アルミニウム材(A1)(A2)とはんだ(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
よりはんだ(11)が溶融し、溶融したはんだ(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。

【００２３】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。

【００２４】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０．２ｍｍのJIS Ａ５０５２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。また、は
んだ(11)として９５重量％Ｚｎ−５重量％Ａｌからなる
厚さ０．２ｍｍの板状のものを用意した。はんだ(1) の
両面の表面粗さは、中心線平均粗さで２０μｍである。
ついで、両アルミニウム材(A1)(A2)の接合面どうしの間
にはんだ(1) を介在させた。

【００２５】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、０．２秒間ではんだ(1) が溶融し、両アルミニウム
材(A1)(A2)が接合された。

【００２６】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。はんだ(1) は０．２秒で溶融した。

【００２７】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。はんだ(1) は０．２秒で溶融した。

【００２８】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。はんだ(1) は０．２秒で溶融し
た。

【００２９】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。はんだ(1) は２．０秒で溶融した。

【００３０】評価試験具体的実施例１〜３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。

【００３１】

【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、フラックスを用いることなく、
アルミニウム材どうしを良好に接合することができるの
で、従来のはんだ付方法のようにフラックスを供給した
り、フラックスの残渣を洗浄したりする必要がなく、そ
の結果作業が簡単になって生産性が向上するとともにコ
ストが安くなる。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
よりはんだを溶融させるので、はんだを極めて短時間で
溶融させることができ、その結果はんだ付時間を短縮す
ることができる。

【００３２】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の超音波接合付方法のように、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】

１Ｚｎ系はんだ１１Ｚｎ系はんだ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Ｚｎ
系はんだを介在させ、両アルミニウム材を０．０１〜２
０ｋｇｆ／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はんだ表面の酸化
皮膜を破壊するとともに、アルミニウム材とはんだとの
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
抗熱によりはんだを溶融させて両アルミニウム材をはん
だ付することを特徴とするアルミニウム材の接合方法。