JPH1071465A

JPH1071465A - アルミニウム材と異種材との接合方法

Info

Publication number: JPH1071465A
Application number: JP22655296A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Yotsuya; 剛毅四谷
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 1998-03-17

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、前処理と超音波の印加により、メ
ッキ処理を行うことなく、メッキを行う接合法と同等の
接合強度を得ることができ、生産性の向上とコスト低減
を図ることが可能なアルミニウム材と異種材との接合方
法を提供することにある。【解決手段】本発明は、アルミニウム材２と鉄鋼材１
とをはんだ１０を用いた超音波はんだ付により接合する
ものであり、鉄鋼材１の接合部１ａ表面の酸化膜１３を
酸洗で除去し、この酸洗による前処理を行った後、はん
だ１０浴中での超音波の印加によって、鉄鋼材１の接合
部１ａ表面の酸化膜１３を完全に破壊するとともに、こ
れと連続して鉄鋼材１の接合部１ａ表面にはんだ層１４
を形成し、アルミニウム材２の接合部２ａ表面にはんだ
１０浴中での超音波の印加によってはんだ層１５を形成
し、その後、はんだ層１４，１５を形成したアルミニウ
ム材２と鉄鋼材１とを突き合わせ、加圧しながら超音波
接合している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、四輪車用インテー
クマニホールドなどに応用可能であって、アルミニウム
材と異種材の鉄鋼材等とをはんだを用いた超音波はんだ
付により接合するアルミニウム材と異種材との接合方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、はんだ付（又はろう付）による
アルミニウム材と鉄鋼材との接合を行う場合、そのまま
では鉄鋼材表面に存在する酸化膜によってはんだが付か
ず、両部材の接合ができなかった。そこで、従来の技術
として特開平５ー１８５２１７号に知られているよう
に、アルミニウム材と異種金属材とのろう付、あるい
は、はんだ付において異種金属材料の表面にあらかじめ
銅メッキ等のメッキ処理を施してはんだ付性を改善する
といった方法が提案されている。

【０００３】すなわち、アルミニウム材と鉄鋼材の接合
を考えた場合、接合界面に形成される硬くて脆い金属間
化合物のＡｌ₂Ｆｅ₅が問題となる。はんだ付による接
合は低温で行われ、かつ、鉄鋼材とアルミニウム材との
間にはんだが介在するため、金属間化合物が形成され難
く、この点で有利である。ところが、はんだ付による接
合では、はんだの濡れ性の観点から、被はんだ付材表面
の酸化膜が問題となる。図６に示すようなアルミニウム
材５１では、超音波はんだ付装置５２を使用し、はんだ
付に際してタンク５３内のはんだ５４浴中に超音波振動
子５５からの超音波を印加することにより、アルミニウ
ム表面の酸化膜を破壊して、アルミニウム材５１の表面
にはんだ層５６を形成し、はんだ５４の濡れ性を改善す
る超音波はんだ付法が行われている。

【０００４】一方、図７〜図１０に示すような鉄鋼材６
１においては、超音波の印加だけでははんだが濡れない
ため、鉄鋼材表面に銅メッキ等のメッキ処理を施すこと
によってはんだの濡れ性を改善する超音波はんだ付する
方法が行われている。すなわち、この方法では、メッキ
処理工程において、図７に示す如く、一度、鉄鋼材６１
をタンク６２の酸６３中に浸漬し、その表面の酸化膜６
４を完全に除去して清浄な鉄鋼材表面を出現させ、この
鉄鋼材６１を図８で示す電解メッキである銅メッキ液６
５中に浸漬してその表面に銅メッキ６６を施す。次い
で、超音波はんだ付工程において、図９に示す如く、超
音波はんだ付装置６７を使用し、はんだ付に際してタン
ク６８内のはんだ６９浴中に超音波振動子７０からの超
音波を印加することにより、鉄材表面の銅メッキ６６を
破壊して再び清浄な鉄鋼材表面を出現させる。そして、
図１０に示す如く、タンク６８内のはんだ６９浴中に超
音波はんだ付装置６７の超音波振動子７０からの超音波
を印加することにより、鉄鋼材６１の表面にはんだ層７
１を形成する。しかる後、はんだ層５６，７１を形成し
たアルミニウム材５１と鉄鋼材６１の接合面を突き合わ
せて超音波接合を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、銅メッ
キを行う接合法では、脱酸，水洗，酸洗，水洗，電解，
水洗，乾燥といった多くのメッキ処理工程が必要となる
ので、メッキ処理の手間とコストが掛かってしまうとい
う不具合を有していた。また、はんだ付の際に、銅メッ
キがはんだ浴中に溶け出すので、はんだ付の度にはんだ
の組成が変化してしまうおそれがあった。しかも、図７
〜図１０で示すような鉄鋼材６１の場合には、メッキ処
理工程において、一度、鉄鋼材表面の酸化膜６４を除去
して清浄な鉄鋼材表面を出現させた後、超音波はんだ付
工程において、銅メッキ６６を破壊して再び清浄な鉄鋼
材表面を出現させるという２重の手間を掛けているの
で、無駄が多くて生産性に劣るとともに、コスト高を招
来するという問題があった。

【０００６】本発明はこのような実状に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、前処理と超音波の印加によ
り、メッキ処理を行うことなく、メッキを行う接合法と
同等の接合強度を得ることができ、生産性の向上とコス
ト低減を図ることが可能なアルミニウム材と異種材との
接合方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の有する課
題を解決するために、請求項１の発明は、アルミニウム
材と異種材とをはんだを用いた超音波はんだ付により接
合するアルミニウム材と異種材との接合方法において、
異種材の接合部表面の酸化膜を酸洗で除去し、この酸洗
による前処理を行った後、はんだ浴中での超音波の印加
によって、上記異種材の接合部表面の酸化膜を完全に破
壊するとともに、これと連続して上記異種材の接合部表
面にはんだ層を形成し、一方、上記アルミニウム材の接
合部表面にはんだ浴中での超音波の印加によってはんだ
層を形成し、その後、これらはんだ層を形成したアルミ
ニウム材と異種材とを突き合わせ、加圧しながら超音波
接合している。

【０００８】また、請求項２の発明は、上記異種材とし
て鉄鋼材を用い、上記前処理工程では塩酸（濃度５〜２
０％），硫酸（濃度１０〜２０％）の酸洗材を用い、上
記超音波はんだ付工程ではアルミニウム材用のはんだ
（ＺｎーＡｌ系，ＺｎーＳｎ系，ＺｎーＣｄ系等）を用
い、はんだ浴の温度をはんだの融点以上とし、鉄鋼材の
接合部には１０μｍ以上の厚さのはんだ層を形成すると
ともに、アルミニウム材の接合部には４００〜４６０゜
Ｃのアルミニウム材用のはんだ浴中で１０μｍ以上の厚
さのはんだ層を形成し、上記超音波接合工程では加圧力
を１ＭＰａ以上とし、超音波を周波数１０〜１００ｋＨ
ｚ，出力１００〜６００Ｗで１〜１０秒間印加してい
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。

【００１０】図１〜図５は、本発明に係る実施の形態の
アルミニウム材と異種材との接合方法を示している。本
実施の形態の接合方法は、メッキ処理を行うことなく、
酸洗による前処理工程と、酸化膜破壊工程およびはんだ
層形成工程からなる異種材の超音波はんだ付工程と、ア
ルミニウム材の超音波はんだ付工程と、超音波接合工程
とを経て、異種材である鉄鋼材１とアルミニウム材２と
の接合を行っている。

【００１１】本実施の形態の接合方法で用いられる鉄鋼
材１としては、プレス、曲げ、鍛造および溶接が可能な
構造用鋼や構造用鋼管であり、例えば、ＳＳ４００やＳ
ＰＣＣ等が挙げられる。また、アルミニウム材２として
は、特に限定されないが、ＪＩＳに規定されたアルミニ
ウムおよびその合金等である展伸材や鋳物材などが用い
られ、例えば、ＡＤＣ１２材，Ａ６０６１，Ａ５０５
２，ＡＣ４Ｃ等が挙げられる。また、酸洗による前処理
には、図１に示すような酸３を貯蔵するタンク４が用い
られている。さらに、超音波はんだ付法には、図２〜図
４に示すような超音波はんだ付装置５が用いられてい
る。この超音波はんだ付装置５は、超音波振動子６にて
発生させた超音波を超音波ホーン７および振動板８を介
してタンク９内のはんだ１０浴中に伝達して印加するよ
うに構成されている。そしてまた、超音波接合には、図
５に示すような加圧プレス１１と超音波ホーン１２が用
いられている。

【００１２】（１）前処理工程まず、図１に示すように、鉄鋼材１の接合部１ａをタン
ク４内の酸３中に浸漬し（必要に応じて超音波を印加す
る）、酸洗を行う。これによって、鉄鋼材１の接合部１
ａ表面の酸化膜１３の大部分を除去する。ここで、酸３
を構成する酸洗材としては、一般的な塩酸（濃度５〜２
０％），硫酸（濃度１０〜２０％）を用いている。な
お、その後に鉄鋼材１の接合部１ａ表面が次の工程まで
の間に空気に触れて酸化膜を形成しても、この程度の酸
化膜は超音波はんだ付の際に除去され、問題にならな
い。

【００１３】（２）鉄鋼材の超音波はんだ付工程酸化膜破壊工程次いで、図２に示す如く、酸洗による前処理を行った鉄
鋼材１の接合部１ａを超音波はんだ付装置５のタンク９
内のはんだ１０浴中に浸漬する。このとき、特に非酸化
性雰囲気にする必要はない。浸漬後、超音波振動子６等
によってはんだ１０浴中に超音波を印加させると、該超
音波にて引き起こされるキャビテーションが、はんだ１
０浴中に浸漬された鉄鋼材１の接合部１ａ表面に残って
いる酸化膜１３を完全に破壊する。使用するはんだ１０
としては、ＪＩＳに規定されているアルミニウム材用は
んだＡＨ−Ｚ９５Ａ（Ｚｎー５ｗｔ％Ａｌ）の他にＺｎ
ーＳｎ系、ＺｎーＣｄ系などが挙げられるが、強度・融
点・耐食性の点からＺｎーＡｌ系の亜鉛はんだが望まし
い。このような超音波はんだ付けにおいて、はんだ１０
浴中の温度は融点以上としている。また、印加する超音
波は、発振周波数が１０〜１００ｋＨｚ、出力が１００
〜６００Ｗとし、５秒間以上印加するという条件で行っ
た。はんだ層形成工程上記酸化膜破壊工程と連続して、図３に示す如く、はん
だ１０浴中に超音波を印加させると、酸化膜１３が破壊
された鉄鋼材１の接合部１ａに活性な金属表面が現れ、
はんだ１０との間で速やかに合金化し、これにより当該
鉄鋼材１の接合部１ａ表面に１０μｍ以上の厚さのはん
だ層１４を形成させている。はんだ層１４の厚さが１０
μｍ未満であると、接合不良が生じ易くなり、好ましく
ない。なお、はんだ層１４の形成に必要な超音波の印加
時間は３〜１０秒である。

【００１４】（３）アルミニウム材の超音波はんだ付
工程一方、図４に示すように、このアルミニウム材２の接合
部２ａを超音波はんだ付装置５のタンク９内のはんだ１
０浴中に浸漬する。ここで使用するはんだ１０は、上述
と同様、ＪＩＳに規定されているアルミニウム材用はん
だであり、はんだ１０浴中の温度は４００〜４６０゜Ｃ
である。この状態で、超音波振動子６等によってはんだ
１０浴中に超音波を印加させると、当該超音波にて引き
起こされるキャビテーションにより、はんだ１０浴中に
浸漬されたアルミニウム材２の接合部２ａに活性な金属
表面が現れ、はんだ１０との間で速やかに合金化し、当
該アルミニウム材２の接合部２ａ表面に１０μｍ以上の
厚さのはんだ層１５を形成させている。このとき、印加
する超音波は、発振周波数が１０〜１００ｋＨｚ、出力
が１００〜６００Ｗとし、１秒間以上印加するという条
件で行った。

【００１５】（４）超音波接合工程しかる後、図５に示す如く、接合部１ａ，２ａの表面に
はんだ層１４，１５を形成した鉄鋼材１とアルミニウム
材２とを上下方向に配置して突き合わせ、加圧しながら
超音波接合する。このとき、ガスバーナや高周波誘導加
熱などによる加熱で接合部１ａ，２ａのはんだを溶融さ
せる。加熱温度は３７０〜４００゜Ｃ（はんだの融点が
３８０゜Ｃ位）であり、加熱時間は数秒間である。ま
た、加圧力Ｐは１ＭＰａ以上とし、超音波は周波数が１
０〜１００ｋＨｚ、出力が１００〜６００Ｗとし、１〜
１０秒間印加する。これら両部材の接合時において、超
音波を印加するのは、当該超音波によって鉄鋼材１とア
ルミニウム材２との接合界面に存在するはんだ層１４，
１５の酸化膜が破壊され、両者のはんだが均一に混ざり
合うからである。そして、加圧するのは、これによって
接合界面の余分なはんだが外に押し出されてはんだ層１
４，１５の厚さが均一に保たれ、安定した接合強度を得
ることが可能となるからである。なお、加圧プレス１１
の手段としては、機械プレス、油圧プレス、空圧プレス
等を用いることが可能である。

【００１６】（実施例）次に、本発明を具体的な実施例
に基づき説明する。鉄鋼材１としてφ１２ｍｍ×８０ｍ
ｍのＳＳ４００材を用意し、アルミニウム材２としてφ
１６ｍｍ×８０ｍｍのＡＤＣ１２材を用意した。ＳＳ４
００材は、接合部を希望塩酸溶液（濃度：１０％）に浸
漬して、２０秒間超音波を印加しながら酸洗した。そし
て、これを４２０゜Ｃの亜鉛はんだ浴中（Ｚｎー５ｗｔ
％Ａｌ，ＪＩＳＡＨーＺ９５Ａ）に浸漬するととも
に、周波数１８．６ｋＨｚ，出力２００Ｗで３０秒間超
音波を印加することによって、亜鉛はんだ層を１００μ
ｍの厚さで形成させた。また、ＡＤＣ１２材は、接合部
を４００゜Ｃの亜鉛はんだ浴中に浸漬した後、鉄鋼材と
同じ条件で５秒間超音波を印加することによって亜鉛は
んだ層を１００μｍの厚さで形成させた。

【００１７】その後、はんだ層を形成させたＳＳ４００
材とＡＤＣ１２材の接合面を突き合わせ、２ＭＰａの加
圧力で加圧を行い、ガスバーナで接合部を加熱して両は
んだ層を溶融させた。そして、はんだが溶融した時点で
超音波を５秒間印加して接合を行った。接合時に用いた
超音波の周波数は１９．６ｋＨｚであり、出力は６００
Ｗであった。このＳＳ４００ーＡＤＣ１２接合材より引
張試験片を採取して、引張試験を行ったところ、平均２
００ＭＰａでＡｌ側において破断した。したがって、本
実施の形態の接合方法により接合された鉄鋼材１とアル
ミニウム材２の接合強度は、Ａｌ材（ＡＤＣ１２）以上
の十分な強度を有していることが判った。下記の表１
は、前処理の有無、はんだ浴温度および超音波印加時間
の違いに分けて超音波はんだ付接合強度の結果を示して
いる。

【００１８】

【表１】

【００１９】以上、本発明の実施の形態につき述べた
が、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではな
く、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能で
ある。

【００２０】

【発明の効果】上述の如く、本発明に係るアルミニウム
材と異種材との接合方法は、アルミニウム材と異種材と
をはんだを用いた超音波はんだ付により接合するもので
あって、異種材の接合部表面の酸化膜を酸洗で除去し、
この酸洗による前処理を行った後、はんだ浴中での超音
波の印加によって、上記異種材の接合部表面の酸化膜を
完全に破壊するとともに、これと連続して上記異種材の
接合部表面にはんだ層を形成し、一方、上記アルミニウ
ム材の接合部表面にはんだ浴中での超音波の印加によっ
てはんだ層を形成し、その後、これらはんだ層を形成し
たアルミニウム材と異種材とを突き合わせ、加圧しなが
ら超音波接合しているので、以下の効果が得られる。酸洗による前処理と超音波の印加によるはんだ付に
て、メッキ処理を行うことなくメッキ法と同等の接合強
度が得られるため、メッキ処理に必要な手間を省くこと
ができ、生産性の向上とコストダウンを図ることができ
る。また、メッキ処理が不要であるため、はんだ付の際
にメッキがはんだ浴中に溶け出るようなことが起こらな
い。したがって、アルミニウム材と異種材との接合によ
りはんだの組成が変化することがなくなり、量産に適し
ている。さらに、アルミニウム材と異種材に対して接合後に
防錆処理を行う場合、塗装などではんだを含めて一括し
て防錆し得るため、より一層生産性を向上させることが
できるとともに、コストを低減させることができる。また、はんだ付が比較的低温で行われるため、アル
ミニウムの時効処理への影響が少なく、かつ酸素拡散に
よる界面の内部酸化も生じ難く、信頼性の高い製品を作
製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る接合方法において、
鉄鋼材の接合部表面の酸化膜を酸洗で除去する前処理工
程を示す概念図ある。

【図２】上記前処理工程を経た鉄鋼材の接合部表面の酸
化膜を超音波はんだ付装置のはんだ浴中で完全に破壊す
る工程を示す概念図である。

【図３】上記酸化膜破壊工程に連続して、超音波はんだ
付装置のはんだ浴中で鉄鋼材の接合部表面にはんだ層を
形成する工程を示す概念図である。

【図４】本実施の形態に係る接合方法において、超音波
はんだ付装置のはんだ浴中でアルミニウム材の接合部表
面にはんだ層を形成する工程を示す概念図である。

【図５】本実施の形態に係る接合方法において、上記は
んだ層を形成したアルミニウム材と鉄鋼材とを超音波接
合する工程を示す概念図である。

【図６】従来の接合方法において、超音波はんだ付装置
のはんだ浴中でアルミニウム材の接合部表面にはんだ層
を形成する工程を示す概念図である。

【図７】従来の接合方法におけるメッキ処理工程で、鉄
鋼材表面の酸化膜を完全に除去している状態を示す概念
図である。

【図８】図７において酸化膜を完全に除去した鉄鋼材表
面にメッキを施している状態を示す概念図である。

【図９】従来のメッキ処理工程で鉄鋼材表面に施したメ
ッキを超音波はんだ付装置により破壊している状態を示
す概念図である。

【図１０】図９においてメッキを破壊した鉄鋼材表面に
超音波はんだ付装置によりはんだ層を形成している状態
を示す概念図ある。

【符号の説明】

１鉄鋼材２アルミニウム材３酸４タンク５超音波はんだ付装置１０はんだ１１加圧プレス１２超音波ホーン１３酸化膜１４，１５はんだ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｇ 1/08 Ｃ２３Ｇ 1/08 // Ｂ２３Ｋ 103:20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム材と異種材とをはんだを用
いた超音波はんだ付により接合するアルミニウム材と異
種材との接合方法において、異種材の接合部表面の酸化
膜を酸洗で除去し、この酸洗による前処理を行った後、
はんだ浴中での超音波の印加によって、上記異種材の接
合部表面の酸化膜を完全に破壊するとともに、これと連
続して上記異種材の接合部表面にはんだ層を形成し、一
方、上記アルミニウム材の接合部表面にはんだ浴中での
超音波の印加によってはんだ層を形成し、その後、これ
らはんだ層を形成したアルミニウム材と異種材とを突き
合わせ、加圧しながら超音波接合することを特徴とする
アルミニウム材と異種材との接合方法。
【請求項２】上記異種材として鉄鋼材を用い、上記前
処理工程では塩酸（濃度５〜２０％），硫酸（濃度１０
〜２０％）の酸洗材を用い、上記超音波はんだ付工程で
はアルミニウム材用のはんだ（ＺｎーＡｌ系，ＺｎーＳ
ｎ系，ＺｎーＣｄ系等）を用い、はんだ浴の温度をはん
だの融点以上とし、鉄鋼材の接合部には１０μｍ以上の
厚さのはんだ層を形成するとともに、アルミニウム材の
接合部には４００〜４６０゜Ｃのアルミニウム材用のは
んだ浴中で１０μｍ以上の厚さのはんだ層を形成し、上
記超音波接合工程では加圧力を１ＭＰａ以上とし、超音
波を周波数１０〜１００ｋＨｚ，出力１００〜６００Ｗ
で１〜１０秒間印加することを特徴とする請求項１に記
載のアルミニウム材と異種材との接合方法。