JP4361825B2 - アルミニウム系部材の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、純アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するアルミニウム系部材の接合方法に関するものである。

従来、純アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するために、ロウ付けによる方法が知られている。前記ロウ付けに用いるロウ材として、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金ロウ材、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎを特定量含むＺｎ基合金ロウ材等が知られている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、前記アルミニウム系材料からなる被接合部材（本明細書では、単にアルミニウム系部材と略記することがある）は、表面に安定な酸化被膜が形成されているため、濡れ性に乏しく、ロウ付けにより接合するには、該酸化被膜を機械的に除去する必要があるとの不都合がある。前記酸化被膜は、ロウ付けの際にフラックスを用いて除去することもできるが、フラックスを用いる場合には大面積での接合が難しい上、フラックスによりロウ付けに用いる熱処理炉が汚染されるとの不都合もある。
特開平６−２１０４８９号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、酸化被膜を除去することなく、大面積で接合することができ、しかも熱処理炉を汚染する虞のないアルミニウム系部材の接合方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、
アルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するアルミニウム系部材の接合方法において、一方の被接合部材の接合面に亜鉛からなる第１の被覆層を設けると共に、他方の被接合部材の接合面に錫からなる第２の被覆層を設け、両被接合部材を両被覆層を介して重ね合せ、被覆層を形成する金属同士の固相線温度または各被覆層を形成する金属とアルミニウムとの固相線温度のうち、最も高い固相線温度以上の温度に加熱することを特徴とする。

本発明の方法では、まず、一方の被接合部材の接合面に亜鉛からなる第１の被覆層を設けると共に、他方の被接合部材の接合面に錫からなる第２の被覆層を設け、両被接合部材を両被覆層を介して重ね合せる。このようにすると、両被接合部材が重ね合せられた部分には、一方の被接合部材と第１の被覆層との界面、第１の被覆層と第２の被覆層との界面、他方の被接合部材と第２の被覆層との界面が形成される。

そこで次に、重ね合された両被接合部材を、被覆層を形成する金属同士の固相線温度または各被覆層を形成する金属とアルミニウムとの固相線温度のうち、最も高い固相線温度以上の温度に加熱する。このようにすると、被覆層を形成する金属同士または各被覆層を形成する金属とアルミニウムとの組み合せのうち、前記固相線温度が最も高い金属の組み合せの界面で該界面を形成する２つの金属が溶融することはもちろん、前記固相線温度がより低い金属の組み合せの界面でも該界面を形成する２つの金属が溶融する。

この結果、前記両被接合部材が重ね合せられた部分において、一方の被接合部材と第１の被覆層との界面、第１の被覆層と第２の被覆層との界面、他方の被接合部材と第２の被覆層との界面の各界面を形成する２つの金属がいずれも溶融するので、これを冷却することにより第１、第２の両被覆層を介して両被接合部材を接合することができる。

従って、本発明の方法によれば、前記アルミニウム系材料からなる被接合部材の表面に形成されている酸化被膜を除去することなく、２つの被接合部材を大面積で接合することができる。さらに、本発明の方法によれば、フラックスを用いることがないので熱処理炉を汚染することなく、２つの前記被接合部材を接合することができる。

尚、固相線温度との用語は一般的には、互いに異なる２種の金属からなる２成分系において該２成分系が固相から液相に転ずる臨界温度を意味するが、本明細書ではさらに前記２種の金属が同一の金属である場合に該金属が固相から液相に転ずる臨界温度、すなわち該金属の融点も意味する。前記２種の金属が同一の金属となる場合としては、前記両被覆層が同一の金属からなる場合がある。

本発明の方法は、さらに具体的には、前記第１の被覆層が亜鉛からなり、前記第２の被覆層が錫からなる前記両被接合部材を、両被覆層を介して重ね合せ、亜鉛とアルミニウムとの固相線温度以上の温度に加熱する。

本発明の方法において、前記被覆層は、前記被接合部材の接合面に亜鉛部材または錫部材を重ね合せ、該被接合部材と共に塑性加工することにより、該被接合部材の接合面に接合されていてもよく、各種めっき法により該被接合部材の接合面に接合されていてもよい。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の接合方法を示す説明的断面図であり、図２（ａ）は本実施形態の接合方法により接合されたアルミニウム系部材の接合強度の試験方法を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図である。

本実施形態では、まず図１（ａ）に示すように、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系部材１ａの接合面に亜鉛からなる被覆層２を形成すると共に、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系部材１ｂの接合面に亜鉛、または錫からなる被覆層３を形成する。被覆層２，３は、例えば、アルミニウム系部材１ａ，１ｂの接合面に亜鉛部材または錫部材を重ね合わせ、アルミニウム系部材１ａ，１ｂと共に冷間圧延等の塑性加工を施すクラッド法により形成することができるが、各種めっき法により形成してもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、アルミニウム系部材１ａの接合面に被覆層２が形成されたアルミニウム系部材４ａと、アルミニウム系部材１ｂの接合面に被覆層３が形成されたアルミニウム系部材４ｂとを、被覆層２，３を介して重ね合わせる。そして、重ね合せられたアルミニウム系部材４ａ，４ｂを、被覆層２，３を形成する金属同士の固相線温度または被覆層２，３を形成する金属とアルミニウムとの固相線温度のうち、最も高い固相線温度以上の温度に加熱する。

例えば、被覆層２，３が共に亜鉛である場合には、被覆層２，３を形成する金属同士の固相線温度は亜鉛の融点の４１９．６℃であり、被覆層２，３を形成する金属とアルミニウムとの固相線温度は亜鉛とアルミニウムとの固相線温度の３８１℃である。この場合には、亜鉛の融点の方が高温であるので、重ね合せられたアルミニウム系部材４ａ，４ｂを亜鉛の融点である４１９．６℃以上の温度、例えば４５０℃に１〜３時間加熱保持した後、冷却することによりアルミニウム系部材４ａ，４ｂを接合することができる。

一方、被覆層２が亜鉛であり、被覆層３が錫である場合には、被覆層２，３を形成する金属同士の固相線温度は亜鉛と錫との固相線温度の１９８．５℃である。また、被覆層２，３を形成する金属とアルミニウムとの固相線温度は、亜鉛とアルミニウムとの固相線温度が３８１℃であり、錫とアルミニウムとの固相線温度が２２８℃である。この場合には、前記各固相線温度のうち、亜鉛とアルミニウムとの固相線温度である３８１℃が最も高温であるので、重ね合せられたアルミニウム系部材４ａ，４ｂを亜鉛とアルミニウムとの固相線温度である３８１℃以上の温度、例えば４００〜４５０℃でに１〜３時間加熱保持した後、冷却することによりアルミニウム系部材４ａ，４ｂを接合することができる。

次に、本発明の実施例及び比較例を示す。

本実施例では、まず、厚さ４ｍｍの純アルミニウム板（Ａｌ９９．５％以上）の表面に、厚さ１ｍｍの亜鉛板（Ｚｎ９９．６％以上）を重ね合せて冷間圧延するクラッド法により、厚さ０．８ｍｍの純アルミニウム板１ａ，１ｂの表面に厚さ０．２ｍｍの亜鉛からなる被覆層２，３を備える亜鉛被覆アルミニウム板４ａ，４ｂを製造した。前記亜鉛被覆アルミニウム板４ａ，４ｂは、それぞれ２００ｍｍ×１００ｍｍ×１ｍｍの大きさを備えている。

次に、図２に示すように、前記２枚の亜鉛被覆アルミニウム板４ａ，４ｂを２０ｍｍ×２０ｍｍの範囲で、被覆層２，３を介して重ね合せ、２０Ｎの荷重をかけた状態で加熱炉に収容した。そして、Ａｒ雰囲気中、亜鉛の融点である４１９．６℃以上の４５０℃の加熱温度で１時間加熱保持した後、炉冷することにより接合した。

次に、接合された亜鉛被覆アルミニウム板４ａ，４ｂに対して室温で引張試験を行って接合強度を測定したところ、破断荷重は３０００Ｎであった。結果を表１に示す。尚、接合された亜鉛被覆アルミニウム板４ａ，４ｂの破断は、アルミニウム板１ａまたはアルミニウム板１ｂに発生しており、母材破断であった。
〔比較例１，２〕
本比較例では、加熱温度を４００℃（比較例１）または３５０℃（比較例２）とした以外は、実施例１と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム板４ａ，４ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。

本実施例では、まず、厚さ４ｍｍの純アルミニウム板（Ａｌ９９．５％以上）の表面に、厚さ１ｍｍの亜鉛板（Ｚｎ９９．６％以上）を重ね合せて冷間圧延するクラッド法により、厚さ０．８ｍｍの純アルミニウム板１ａの表面に厚さ０．２ｍｍの亜鉛からなる被覆層２を備える亜鉛被覆アルミニウム板４ａを製造した。次に、厚さ４ｍｍの純アルミニウム板（Ａｌ９９．５％以上）の表面に、厚さ１ｍｍの錫板（Ｓｎ９９．６％以上）を重ね合せて冷間圧延するクラッド法により、厚さ０．８ｍｍの純アルミニウム板１ｂの表面に厚さ０．２ｍｍの錫からなる被覆層３を備える錫被覆アルミニウム板４ｂを製造した。前記亜鉛被覆アルミニウム板４ａと前記錫被覆アルミニウム板４ｂとは、それぞれ２００ｍｍ×１００ｍｍ×１ｍｍの大きさを備えている。

次に、図２に示すように、亜鉛被覆アルミニウム板４ａと、錫被覆アルミニウム板４ｂとを２０ｍｍ×２０ｍｍの範囲で、被覆層２，３を介して重ね合せ、２０Ｎの荷重をかけた状態で加熱炉に収容した。そして、Ａｒ雰囲気中、亜鉛とアルミニウムとの固相線温度である３８１℃以上の４５０℃の加熱温度で１時間加熱保持した後、炉冷することにより接合した。

次に、接合された亜鉛被覆アルミニウム板４ａと、錫被覆アルミニウム板４ｂとに対して室温で引張試験を行って接合強度を測定したところ、破断荷重は３０５０Ｎであった。結果を表１に示す。尚、接合された亜鉛被覆アルミニウム板４ａと錫被覆アルミニウム板４ｂとの破断は、アルミニウム板１ａまたはアルミニウム板１ｂに発生しており、母材破断であった。

本実施例では、加熱温度を、亜鉛とアルミニウムとの固相線温度である３８１℃以上の４００℃とした以外は、実施例２と全く同一にして、亜鉛被覆アルミニウム板４ａと、錫被覆アルミニウム板４ｂとを接合した。

次に、接合された亜鉛被覆アルミニウム板４ａと、錫被覆アルミニウム板４ｂとに対して室温で引張試験を行って接合強度を測定したところ、破断荷重は３２００Ｎであった。結果を表１に示す。尚、接合された亜鉛被覆アルミニウム板４ａと錫被覆アルミニウム板４ｂとの破断は、アルミニウム板１ａまたはアルミニウム板１ｂに発生しており、母材破断であった。
〔比較例３〕
本比較例では、加熱温度を３５０℃とした以外は、実施例２と全く同一にして亜鉛被覆アルミニウム板４ａと、錫被覆アルミニウム板４ｂとの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。
〔比較例４〜６〕
本比較例では、被覆層２，３を共に錫とした以外は、実施例１と全く同一にして、錫からなる被覆層２，３を備える錫被覆アルミニウム板４ａ，４ｂを製造した。

次に、加熱温度を５００℃（比較例４）、４００℃（比較例５）、３００℃（比較例６）とした以外は、実施例１と全く同一にして錫被覆アルミニウム板４ａ，４ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。
〔比較例７〜９〕
本比較例では、亜鉛被覆アルミニウム板４ａ，４ｂに代えて、被覆層２，３を全く形成していないアルミニウム板１ａ，１ｂを用い、加熱温度を８００℃（比較例７）、７５０℃（比較例８）、７００℃（比較例９）とした以外は、実施例１と全く同一にしてアルミニウム板１ａ，１ｂの接合を試みたが、両者を接合することはできなかった。結果を表１に示す。

表１から、被覆層２，３が共に亜鉛である場合（実施例１）には、重ね合せられたアルミニウム系部材４ａ，４ｂを亜鉛の融点である４１９．６℃以上の温度に加熱することによりアルミニウム系部材４ａ，４ｂを接合することができることが明らかである。これに対して、前記加熱温度が亜鉛の融点である４１９．６℃未満の場合（比較例１，２）には、アルミニウム系部材４ａ，４ｂを接合できないことが明らかである。

また、表１から、被覆層２が亜鉛であり、被覆層３が錫である場合（実施例２，３）には、重ね合せられたアルミニウム系部材４ａ，４ｂを亜鉛とアルミニウムとの固相線温度である３８１℃以上の温度に加熱することによりアルミニウム系部材４ａ，４ｂを接合することができることが明らかである。これに対して、前記加熱温度が亜鉛とアルミニウムとの固相線温度である３８１℃未満の場合（比較例３）には、アルミニウム系部材４ａ，４ｂを接合できないことが明らかである。

さらに、表１から、被覆層２，３が共に錫である場合（比較例４〜６）には、加熱温度に関わらずアルミニウム系部材４ａ，４ｂを接合できないことが明らかであり、被覆層２，３を全く形成しない場合（比較例７〜９）には、加熱温度に関わらずアルミニウム系部材１ａ，１ｂを接合できないことが明らかである。

本発明の接合方法を示す説明的断面図。 本発明の接合方法により接合されたアルミニウム系部材の接合強度の試験方法を示す平面図及び側面図。

符号の説明

１ａ，１ｂ…被接合部材、 ２，３…被覆層。

Claims (3)

1. アルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するアルミニウム系部材の接合方法において、
   一方の被接合部材の接合面に亜鉛からなる第１の被覆層を設けると共に、他方の被接合部材の接合面に錫からなる第２の被覆層を設け、両被接合部材を両被覆層を介して重ね合せ、被覆層を形成する金属同士の固相線温度または各被覆層を形成する金属とアルミニウムとの固相線温度のうち、最も高い固相線温度以上の温度に加熱することを特徴とするアルミニウム系部材の接合方法。
2. 前記両被接合部材を両被覆層を介して重ね合せ、亜鉛とアルミニウムとの固相線温度以上の温度に加熱することを特徴とする請求項１記載のアルミニウム系部材の接合方法。
3. 前記被覆層は、前記被接合部材の接合面に亜鉛部材または錫部材を重ね合せ、該被接合部材と共に塑性加工することにより、該被接合部材の接合面に接合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウム系部材の接合方法。

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