鋁構(gòu)件的接合方法以及通過該接合方法接合而成的鋁結(jié)構(gòu)體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供不需要熔化材料、硬釬料的簡易的鋁構(gòu)件的接合方法、以及在接頭部分不存在應力集中并具有足夠強度的鋁結(jié)構(gòu)體。將第1及第2鋁構(gòu)件中的至少一方在該鋁構(gòu)件內(nèi)所生成的液相的質(zhì)量相對于它們?nèi)抠|(zhì)量的比成為5％以上且35％以下的溫度接合，并且使第1及第2鋁構(gòu)件的接合部的接合寬度比所述第2鋁構(gòu)件的主體部分的沿著與所述第1及第2鋁構(gòu)件的接合面平行的面的截面的最小寬度大。
【專利說明】鋁構(gòu)件的接合方法以及通過該接合方法接合而成的鋁結(jié)構(gòu)體
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將鋁構(gòu)件彼此接合的方法、以及通過該接合方法接合而成的鋁結(jié)構(gòu)體。
【背景技術(shù)】
[0002]對于金屬制構(gòu)件的接合方法，一直以來采用了各種方法。在非專利文獻I中，金屬的接合方法大致被分為材質(zhì)接合法、化學接合法和機械接合法。鋁構(gòu)件的接合也采用它們當中的任一種方法，具體地說一直使用焊接法、軟釬焊法、硬釬焊法等材質(zhì)接合法。
[0003]焊接法是通過電或者火焰將接合部加熱并熔融、合金化而實現(xiàn)接合的方法。在接合部的間隙大的情況、需要接合強度的情況下，接合時使填充材料同時熔融而填充間隙。這樣，由于接合部熔融而實現(xiàn)可靠的接合。另一方面，由于將接合部熔融并接合，因此有如下的情況:接合部附近的形狀產(chǎn)生大的變形，金屬組織也局部發(fā)生大的變化，變成不同組織，而產(chǎn)生局部脆弱化。另外，由于需要僅將接合部局部加熱，因此還存在難以同時將多點接合等問題。并且存在因未接合部殘留而產(chǎn)生殘留應力、由于加入填充材料而造成的重量增加等問題。
[0004]此外，在硬釬焊法中，存在由于硬釬料的熔融引起的流動而發(fā)生形狀變化等問題。即使在除了被接合構(gòu)件之外還使用硬釬料的情況下、或者在被接合材料上包覆硬釬料并一體化的情況下，也需要某一定程度的硬釬料，因此即使在例如存在狹窄流路的情況等中，也存在會將該間隙填埋等問題。此外，在另外準備硬釬料的情況下，還存在組裝變得麻煩，包覆材料(clad material)的情況下材料費變高這樣的問題。
[0005]與此相對，專利文獻I中所示的滲出接合(bleed bonding),是具有良好的接合性且?guī)缀醪淮嬖谟山雍蠒r材料的流動引起的變形、可靠性高的新的接合方法。其具有這樣的特征:由于被接合構(gòu)件本身不會因熔融而產(chǎn)生大的流動，不使用軟釬料、硬釬料、熔化材料等，因此由于接合而引起的尺寸變化小，幾乎不發(fā)生形狀變化。特別是，即使在具有微細的流路的構(gòu)件的接合中，也不會由于液相的流入、變形而造成流路堵塞，能夠進行良好的接合。此外，由于不像擴散接合那樣需要接合面彼此的強烈加壓，因此并不限于平坦的板狀，也能夠?qū)?gòu)件彼此的端部對接的接合。由于能夠以材料本身進行接合，因此不像使用硬釬料的硬釬焊那樣組裝繁瑣，也不會像硬釬料的包覆材料那樣材料費變高。
[0006]如上所述，滲出接合是解決現(xiàn)有接合方法的問題的接合方法，是在鋁材料的接合中具有很多優(yōu)點的方法。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:國際公開TO2011/152556
[0010]非專利文獻
[0011] 非專利文獻1:溶接.接合技術(shù)〒一夕寸^、P.57、溶接.接合技術(shù)〒-夕寸'y夂編集委員會(焊接/接合技術(shù)數(shù)據(jù)手冊、57頁、焊接/接合技術(shù)數(shù)據(jù)手冊編輯委員會)(2007 年)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]發(fā)明要解決的課題
[0013]鋁材料由于比強度高而作為結(jié)構(gòu)體需求高，如果有輕型且高強度的結(jié)構(gòu)體，則能夠在產(chǎn)業(yè)上得到大的效果。然而，在將上述的滲出接合使用于結(jié)構(gòu)體那樣的接頭形狀的情況下，在將構(gòu)件彼此的端部對接的部分容易產(chǎn)生應力集中。
[0014]其理由認為如下。在通常的硬釬焊的情況下，液相釬料填埋接合部而形成使接合部附近的形狀變粗的角焊縫(fillet)，在焊接的情況下，由于將接合部熔融的同時添加填充材料而形成使接合部附近的形狀變粗的焊道(bead)。在這些接合方法中，應力通過緩解構(gòu)件間的截面積的急劇變化的角焊縫、焊道而被分散。與此相對，在滲出接合中，由于在接合部不形成緩解構(gòu)件間的截面積變化的角焊縫、焊道，因此無法緩解截面積的急劇變化，而應力會集中于接合部。因此需要在發(fā)揮滲出接合的優(yōu)點的同時、消除接合部的應力集中而能夠提高接頭強度的適于滲出接合的接合方法。
[0015]本發(fā)明是鑒于這樣的技術(shù)背景而完成的。其目的在于提供一種鋁構(gòu)件的接合方法，該鋁構(gòu)件的接合方法在使用滲出接合而成的鋁結(jié)構(gòu)體中，在接頭部分不存在應力集中并具有足夠的強度，且不會發(fā)生焊接、硬釬焊中那樣的組織變化、形狀變化等兼具滲出接合的優(yōu)點。
[0016]用于解決課題的方法
[0017]本發(fā)明提供一種鋁構(gòu)件的接合方法，其特征在于，該鋁構(gòu)件的接合方法是將第I鋁構(gòu)件與第2鋁構(gòu)件接合的方法，是將所述第I及第2鋁構(gòu)件的至少一方在該鋁構(gòu)件內(nèi)所生成的液相的質(zhì)量相對于它們?nèi)抠|(zhì)量的比成為5%以上且35%以下的溫度與另一方的鋁構(gòu)件接合的接合方法，使所述第I及第2鋁構(gòu)件的接合部的接合寬度比所述第2鋁合金構(gòu)件的、沿著與所述第I及第2鋁構(gòu)件的接合面平行的面的截面的最小寬度大。
[0018]在上述本發(fā)明中，可以使所述第I及第2鋁構(gòu)件的接合面各自由單一平面構(gòu)成。
[0019]在上述本發(fā)明中，也可以使所述第I及第2鋁構(gòu)件的接合面各自由在兩個構(gòu)件間互補的多個平面或者互補的曲面構(gòu)成。
[0020]在所述第I及第2鋁構(gòu)件的接合面各自由在兩個構(gòu)件間互補的多個平面構(gòu)成的情況下，該各接合面可以由在兩個構(gòu)件間互補的兩個平面或者三個平面構(gòu)成，與該接合面正交的接合部的截面可以為大致L字形或者大致U字形。
[0021]在所述第I及第2鋁構(gòu)件的接合面各自由在兩個構(gòu)件間互補的多個平面構(gòu)成的情況下，該各接合面也可以由在兩個構(gòu)件間互補的連續(xù)的多個平面構(gòu)成，與該接合面正交的接合部的截面也可以為鋸齒狀、階梯狀或凹凸狀。
[0022]所述第I及第2鋁構(gòu)件的接合面各自也可以由在兩個構(gòu)件間互補的曲面構(gòu)成，與該接合面正交的接合部的截面也可以為波狀。
[0023]在上述本發(fā)明中，使所述第I及第2鋁構(gòu)件由Mg被限制為0.5質(zhì)量％以下的鋁材料構(gòu)成，使所述接合在非氧化性氣氛中、在接合部涂布有氟化物系或氯化物系焊劑的狀態(tài)下進行。[0024]在上述本發(fā)明中，使所述第I鋁構(gòu)件由含有0.2質(zhì)量％以上且2.0質(zhì)量％以下Mg的鋁材料構(gòu)成，使所述第2鋁構(gòu)件由Mg被限制為2.0質(zhì)量％以下的鋁材料構(gòu)成，使所述接合在真空中、非氧化性氣氛中或大氣中進行。
[0025]本發(fā)明還提供一種鋁結(jié)構(gòu)體，其通過上述的各接合方法將所述第I及第2鋁構(gòu)件接合而成。
[0026]發(fā)明效果
[0027]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供不需要熔化材料、硬釬料的簡易的鋁構(gòu)件的接合方法，進而能夠提供在接頭部分不存在應力集中并具有足夠強度的鋁結(jié)構(gòu)體。
[0028]對接合方法進行詳述，其具有以下的滲出接合本來的特征。S卩，由于被接合構(gòu)件本身不會因熔融而產(chǎn)生大的流動，不使用軟釬料、硬釬料、熔化材料等，因此由于接合而引起的尺寸變化小，幾乎不發(fā)生形狀變化。特別是，即使在具有微細的流路的構(gòu)件的接合中，也不會由于液相的流入、變形而造成流路堵塞，能夠進行良好的接合。
[0029]進而，由于在接合部附近不會引起局部組織變化，因此不易產(chǎn)生強度脆化。此外，在不使用包覆預加釬料、焊膏、硬釬料的硬釬焊片等的情況下能夠進行具有與硬釬焊法同等可靠性的同時多點接合。由此,能夠不損害接合性能地實現(xiàn)材料的成本降低。
[0030]與本發(fā)明同樣地因接合而引起的變形少且能夠同時多點接合的擴散接合相比，不需要加壓、能夠縮短接合所需時間，即使是與不含Mg的鋁合金材料的接合，也不需要用于接合面的清潔化處理的特殊的工序。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是示出本發(fā)明中的接合方式的實施例的截面圖。
[0032]圖2是示出本發(fā)明中的接合方式的其他實施例的截面圖。
[0033]圖3是示出本發(fā)明中的接合方式的其他實施例的截面圖。
[0034]圖4是示出第I鋁構(gòu)件與第2鋁構(gòu)件的沿著長度方向的中心線彼此形成的角度(θ )的示意圖。
[0035]圖5是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的實施例的截面圖。
[0036]圖6是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0037]圖7是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0038]圖8是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0039]圖9是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0040]圖10是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0041]圖11是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0042]圖12是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0043]圖13是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0044]圖14是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0045]圖15是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0046]圖16是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0047]圖17是示出本發(fā)明中的將接合方式的接合面變更了的其他實施例的截面圖。
[0048]圖18是示出作為二元系共晶合金的Al-Si合金的狀態(tài)圖的示意圖。[0049]圖19是示出本發(fā)明涉及的鋁構(gòu)件的接合方法中液相的生成機制的說明圖。
[0050]圖20是示出本發(fā)明涉及的鋁構(gòu)件的接合方法中液相的生成機制的說明圖。
[0051]圖21是示出倒T字型接合試驗片及其接合部的觀察面位置的主視圖。
[0052]圖22是示出在圖21中觀察的接合部的顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0053]以下，對本發(fā)明的鋁構(gòu)件的接合方法、以及使用該接合方法來接合而成的鋁結(jié)構(gòu)體進行說明。在此，該接合方法是按照上述的專利文獻I的記載，應用滲出接合法將鋁構(gòu)件彼此接合的方法。首先，對作為被接合構(gòu)件的第I及第2鋁構(gòu)件的接合方式進行說明。
[0054]A.接合方式
[0055]如圖1所示，可以舉出如下的接合方式:在第I鋁構(gòu)件為長的材料的情況下對其長邊部、或者在第I鋁構(gòu)件為平板材料的情況下對其平面部，以具有規(guī)定角度的方式接合相同的作為長的材料的第2鋁構(gòu)件的端部的接合方式。由于第2鋁構(gòu)件以“豎立”的方式接合在第I鋁構(gòu)件上，因此以下將這樣的接合記為“立接”。第I及第2鋁構(gòu)件各自的接合面為單一平面，與這些接合面抵接的部分成為接合部。首先，對接合面為單一平面的立接的接合方式進行說明。
[0056]如果適用滲出接合，則在接合部不存在硬釬焊的角焊縫、焊接的焊道那樣截面積從第2鋁構(gòu)件到第I鋁構(gòu)件逐漸變大那樣的部分。如果不存在截面積漸變的部分，則在例如與第2鋁構(gòu)件的接合部分離的位置受到懸臂梁那樣的載荷的情況下，應力集中于截面積急劇變化的接合部，當達到應力超過接合強度那樣的負荷條件時，接合部會變形或者破壞。
[0057]這是因為，在恒定的負荷條件下在接合部產(chǎn)生的力矩恒定，如果接合中心與最外部的距離小則在接合部的最外部產(chǎn)生的應力變大，如果該距離大則最大應力變小。換言之，這是因為，如果接合部的寬度小則最大應力大，如果接合部的寬度大則變小。并且，在滲出接合中，由于該接合部的寬度小，因此最大應力變大。
[0058]因此，在本發(fā)明中，在通過滲出接合將兩個鋁構(gòu)件彼此立接的情況下，使第2鋁構(gòu)件的與第I鋁構(gòu)件相接一側(cè)的端部增大，使其接合面比第2鋁構(gòu)件的主體部分大。具體地說，使第2鋁構(gòu)件與第I鋁構(gòu)件的接合部的接合寬度比第2鋁構(gòu)件的主體部分的沿著與第I及第2鋁構(gòu)件的接合面平行的面的截面的最小寬度大。由此，接合部的最外部的應力集中消失，而能夠抑制在接合部的變形、破壞的產(chǎn)生。
[0059]作為這樣的利用立接的接合方式的例子，可以舉出如圖1所示，端部成型為L字形的第2鋁構(gòu)件與第I鋁構(gòu)件的接合方式。L字形狀的尺寸只要適當?shù)貨Q定即可。
[0060]作為其他接合方式的例子，可以舉出如圖2所示，第2鋁構(gòu)件的端部擴大成漏斗狀、該漏斗狀的端面中與第I鋁構(gòu)件接合的接合方式。漏斗狀的端部形狀、尺寸只要適當?shù)貨Q定即可。
[0061]此外，作為其他接合方式的例子，可以舉出如圖3所示，圖2中的第2鋁構(gòu)件的與接合于第I鋁構(gòu)件的端部相反側(cè)的未接合的端部擴大的接合方式。該未接合的端部的形狀為任一種，并不損害本發(fā)明的效果。
[0062]在這些圖1?3中所示的利用立接的接合方式的例子中，第2鋁構(gòu)件與第I鋁構(gòu)件的形成角度、即沿著兩個構(gòu)件的長度方向的中心線彼此形成的角度為直角(90° )，但并不限于該角度。如圖4所示，中心線彼此(L1、L2)形成的角度(Θ)可以在0° < Θ <180°的范圍內(nèi)進行設定，并能夠發(fā)揮其效果。在一般的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的情況下，在30° < Θ <150°的范圍內(nèi)接合的情況較多。
[0063]對于第I及第2鋁構(gòu)件，以作為實心構(gòu)件的情況為前提進行說明，但也可以是第I及第2鋁構(gòu)件中的任一方、或者雙方為中空構(gòu)件。
[0064]接下來，作為本發(fā)明的接合方式，對作為并不限于上述的立接那樣的接合方式的一般接合方式的、對接合面進行各種變更的例子進行說明。一般而言，所謂的接合，存在2個被接合構(gòu)件，它們的接合面由單一平面構(gòu)成的情況較多。然而，在滲出接合中，液層量比通常的硬釬焊少，也不會像焊接那樣使用填充材料。因此，在作為被接合構(gòu)件選擇其本身的強度高的構(gòu)件的情況下，接合部的接合強度相對變?nèi)?。在這樣的情況下，如果施加載荷則接合部也會變形或者破壞。
[0065]因此，在本發(fā)明的其他實施方式中，將第I鋁構(gòu)件的接合面設為多個平面，并且第2鋁構(gòu)件的接合面也設為相同的多個平面。此外，使第I鋁構(gòu)件的多個接合面與對應于它們的第2鋁構(gòu)件的多個接合面分別互補。另外，代替它們，將第I及第2鋁構(gòu)件的接合面分別設為曲面，使各自的曲面互補。
[0066]作為這樣的接合方式的例子，可以舉出如圖5所示，與多個平面正交的接合部截面呈垂直的階梯形狀的接合方式。階梯形狀的尺寸只要適當?shù)貨Q定即可，角部也可以為曲線(R)。此外，可以舉出如圖6所示，接合部截面呈鈍角的階梯形狀的接合方式。與圖5的例子同樣地，階梯形狀的尺寸只要適當?shù)貨Q定即可，角部也可以為曲線(R)。進而，可以舉出如圖7所示，接合部截面呈〈字形的接合方式。< 字的直線間的角度只要適當?shù)貨Q定即可。另外，可以舉出如圖8所示，接合部截面呈曲線狀的接合方式。曲線的具體形狀、尺寸只要適當?shù)貨Q定即可。
[0067]當設為這樣的接合方式時，即使在作為鋁構(gòu)件選擇其本身的強度高的構(gòu)件且接合面的接合強度相對弱的情況下，也能夠增大接合面積。其結(jié)果是，作為接合結(jié)構(gòu)全體的接合強度變大，即使施加載荷，在接合部也不易破壞。
[0068]說明對接合面進行各種變更的其他例子。該例子中，第I鋁構(gòu)件的兩個接合平面與對應于它們的第2鋁構(gòu)件的兩個接合平面分別互補，因此接合部的截面呈直角或者鈍角的大致L字形。
[0069]例如，如圖9所示，第2鋁構(gòu)件具有由2個平面構(gòu)成的大致直角狀的角部，第I鋁構(gòu)件具有與它們的2個平面互補的底面和側(cè)面。并且，第I鋁構(gòu)件以豎立的方式立接在第2鋁構(gòu)件的角部而接合，接合部的截面呈L字形。第I鋁構(gòu)件的未接合的端部可以成型為例如L字形、U字形，另外也可以不成型為特定的形狀。
[0070]代替圖9的第2鋁構(gòu)件，也可以使用如圖10所示，設于長邊部的凸部的一側(cè)的具有由2個平面構(gòu)成的大致直角狀的角部的第2鋁構(gòu)件。第I鋁構(gòu)件具有與第2鋁構(gòu)件的上述2個平面互補的底面和側(cè)面。該例子中，第I鋁構(gòu)件以豎立的方式立接在第2鋁構(gòu)件的角部而接合，接合部的截面呈L字形。與圖9中所示的例子同樣地，第I鋁構(gòu)件的未接合的端部可以成型為例如L字形、U字形，或者也可以不成型為特定的形狀。
[0071]作為接合部為大致L字形的其他例子，如圖11所示，第I鋁構(gòu)件的端部呈階梯狀而形成有由2個平面構(gòu)成的大致直角狀的角部，第2鋁構(gòu)件為平板狀，具有與第I鋁構(gòu)件的上述2個平面互補的底面和側(cè)面。并且，通過使第2鋁構(gòu)件的端部以對接的方式接合在第I鋁構(gòu)件的角部，從而接合部的截面呈L字形。第2鋁構(gòu)件的未接合的端部可以成型為例如L字形、U字形，或者也可以不成型為特定的形狀。
[0072]在上述圖9?11中所示的例子中，L字形的尺寸只要適當?shù)貨Q定即可。此外，除了這些例示的例子以外，只要接合部的截面呈L字形就起到同樣的效果。
[0073]說明對接合面進行各種變更的另一個例子。該例子中，第I鋁構(gòu)件的三個接合平面與對應于它們的第2鋁構(gòu)件的三個接合平面分別互補，因此接合部的截面呈形成直角或者鈍角的大致U字形。
[0074]例如，如圖12所示，第2鋁構(gòu)件在長邊部具有形成直角或者鈍角的U字形的凹部，第I鋁構(gòu)件具有與上述凹部的平面互補的、例如成型為L字面的端部。并且，通過將第I鋁構(gòu)件的形成為L字形的端部插入第2鋁構(gòu)件的凹部來接合，從而接合部的截面呈U字形。第I鋁構(gòu)件的未接合的端部可以成型為例如L字形、U字形，另外也可以不成型為特定的形狀。
[0075]此外，作為接合部的截面呈U字形的其他例子，如圖13所示，第2鋁構(gòu)件在長邊部具有并列配置的2個凸部(13-1、13-2)，在這些凸部間形成有凹部。第I鋁構(gòu)件具有具備與上述凹部的平面互補的底面和兩側(cè)面的端部。并且，通過將第I鋁構(gòu)件的上述端部插入第2鋁構(gòu)件的凹部來接合，從而接合部的截面成為U字形。與圖12的例子同樣地，第I鋁構(gòu)件的未接合的端部可以成型為例如L字形、U字形，另外也可以不成型為特定的形狀。
[0076]在上述圖12、13中所示的例子中，U字形的尺寸只要適當?shù)貨Q定即可。此外，除了這些例示的例子以外，只要接合部的截面呈L字形則起到同樣的效果。
[0077]說明對接合面進行各種變更的另一個例子。該例子中，第I鋁構(gòu)件的連續(xù)的多個接合平面與對應于它們的第2鋁構(gòu)件的連續(xù)的多個接合平面分別互補，因此與接合平面正交的接合部的截面呈鋸齒狀、階梯狀或者凹凸(矩形槽與朝上方的矩形突起的連續(xù)體)狀，或者第I及第2鋁構(gòu)件的接合曲面分別互補，與接合曲面正交的接合部的截面呈波狀。
[0078]例如，如圖14所示，第I鋁構(gòu)件與第2鋁構(gòu)件的接合面各自由多個階梯狀的平面構(gòu)成，并且，在這些構(gòu)件間對應的平面彼此互補。因此，通過接合而接合部的截面呈階梯狀。
[0079]進而，如圖15所示，第I鋁構(gòu)件與第2鋁構(gòu)件的接合面各自由多個鋸齒狀的平面構(gòu)成，并且，在這些構(gòu)件間對應的平面彼此互補。因此，通過接合而接合部的截面呈鋸齒狀。
[0080]進而，如圖16所示，第I鋁構(gòu)件與第2鋁構(gòu)件的接合面各自由多個凹凸狀的平面構(gòu)成，并且，在這些構(gòu)件間對應的凹與凸互補。因此，通過接合而接合部的截面呈凹凸狀。
[0081]進而，如圖17所示，第I鋁構(gòu)件與第2鋁構(gòu)件的接合面各自由波狀的曲面構(gòu)成，并且，對應的波狀曲面彼此互補。因此，通過接合而接合部的截面呈波狀。
[0082]這些階梯形狀的尺寸、鋸齒形狀的尺寸、凹凸形狀的尺寸、波狀的尺寸只要適當?shù)貨Q定即可。
[0083]此外，在上述圖4?17中所示的例子中，也使第I鋁構(gòu)件與第2鋁構(gòu)件的接合部的接合寬度比與第I及第2鋁構(gòu)件的接合面平行的第2鋁構(gòu)件的主體截面的最小寬度大。
[0084]以上，對第I及第2鋁構(gòu)件的接合方式進行詳述，但在任一種接合方式中，都選擇鋁構(gòu)件本身的強度高的接合方式，從而即使在接合部的接合強度相對弱的情況下，也能夠增大接合面積。其結(jié)果是，作為接合的結(jié)構(gòu)體全體的接合強度變大，能夠得到即使施加載荷，在接合部也不易破壞這樣的顯著效果。[0085]接下來，對本發(fā)明中適用的滲出接合進行詳細說明。
[0086]B.被接合構(gòu)件的組合
[0087]在本發(fā)明涉及的鋁構(gòu)件的接合方法中，將作為一方的被接合構(gòu)件的第I鋁構(gòu)件與作為另一方的被接合構(gòu)件的第2鋁構(gòu)件接合。在此所說的鋁構(gòu)件是指鋁合金材料或者純鋁材料，鋁構(gòu)件彼此的接合可以是合金組成相同材料彼此的接合，也可以是合金組成不同材料彼此的接合。
[0088]C.液相的生成
[0089]在本發(fā)明中適用的鋁構(gòu)件的滲出接合中，如上述的專利文獻I中所記載，需要將第I及第2鋁構(gòu)件的至少一方，即第I及第2鋁構(gòu)件中的任一方、或者雙方在該鋁構(gòu)件內(nèi)生成的液相的質(zhì)量相對于鋁構(gòu)件的全部質(zhì)量的比(以下，記為“液相率”)成為5%以上且35%以下的溫度接合。如果液相率超過35%，則所生成的液相的量過多，鋁構(gòu)件會無法維持形狀而產(chǎn)生大的變形。另一方面，在液相率小于5%時,接合變得困難。優(yōu)選的液相率為5?30%，更優(yōu)選的液相率為10?20%。
[0090]測定加熱中的實際液相率是非常困難的。于是，本發(fā)明中規(guī)定的液相率通過平衡計算來求出。具體地說，通過Thermo-Calc等熱力學平衡計算軟件,根據(jù)合金組成和加熱時的最高達到溫度來計算。
[0091]對液相的生成機制進行說明。在圖18中示意性地示出作為代表性二元系共晶合金的Al-Si合金的狀態(tài)圖。如果對Si濃度為Cl的鋁構(gòu)件進行加熱，則在超過共晶溫度(固相線溫度)Te的附近的溫度Tl開始液相的生成。在共晶溫度Te以下時，如圖19(a)所示，在由晶界區(qū)分的基體中分布有晶體析出物。如果在此開始液相的生成，則如圖19(b)所示，晶體析出物分布的偏析多的晶界熔融而變成液相。接著，如圖19(c)所示，分散在鋁合金的基體中的作為主添加元素成分的Si的晶體析出物粒子、金屬間化合物的周邊以球狀熔融而變成液相。進而如圖19(d)所示，生成在基體中的該球狀的液相利用界面能，隨著時間的經(jīng)過、溫度上升，再固溶于基體中，并通過固相內(nèi)擴散而向晶界、表面移動。接著，如圖17所示，如果溫度上升為T2，則從狀態(tài)圖可知液相量增加。如圖18所示，在一方的鋁構(gòu)件的Si濃度比最大固溶限濃度小的c2的情況下，在超過固相線溫度Ts2的附近開始液相的生成。但是，與Cl的情況不同，即將熔融之前的組織如圖20(a)所示，有在基體中不存在晶體析出物的情況。在這種情況下，如圖20(b)所示在晶界先熔融而變成液相后，如圖20(c)所示在基體中從溶質(zhì)元素濃度高的位置開始局部性地產(chǎn)生液相。如圖20(d)所示，生成在基體中的該球狀的液相與Cl的情況同樣地，利用界面能，隨著時間的經(jīng)過、溫度上升，再固溶于基體中，并通過固相內(nèi)擴散而向晶界、表面移動。如果溫度上升至T3，則從狀態(tài)圖可知液相量增加。這樣，本發(fā)明適用的滲出接合利用通過鋁構(gòu)件內(nèi)部的局部性熔融而生成的液相，能夠?qū)崿F(xiàn)兼顧接合與形狀維持。
[0092]D.接合時的金屬組織的行為
[0093]說明產(chǎn)生液相后到接合為止的金屬組織的行為。如圖21所示，接合使用了生成液相的鋁構(gòu)件A以及與其接合的鋁構(gòu)件B的倒T字型接合試驗片，用顯微鏡觀察圖中所示的觀察面。如上所述，在接合中，在鋁構(gòu)件A的表面上生成的極少的液相填埋與因焊劑等的作用而氧化皮膜被破壞的對象的鋁構(gòu)件B的間隙。接下來，位于兩個構(gòu)件的接合界面附近的液相向鋁構(gòu)件B內(nèi)移動，與此相伴，與接合界面相接的鋁構(gòu)件A的固相α相的晶粒朝向鋁構(gòu)件B內(nèi)生長。另一方面，鋁構(gòu)件B的晶粒也向鋁構(gòu)件A側(cè)生長。
[0094]在鋁構(gòu)件B為不生成液相的合金的情況下，如圖22(a)所示，成為在接合界面附近的鋁構(gòu)件B中進入鋁構(gòu)件A的組織那樣的組織而接合。因此，在接合界面上不產(chǎn)生除了鋁構(gòu)件A與鋁構(gòu)件B以外的金屬組織。此外，在鋁構(gòu)件B也為生成液相的合金的情況下，如圖22 (b)所示，形成兩個構(gòu)件完全一體化的組織，而無法辨別接合界面。
[0095]另一方面，在使用包覆硬釬料的硬釬焊片作為鋁構(gòu)件A、使用不生成液相的構(gòu)件作為鋁構(gòu)件B的情況下，如圖22(c)所示，在接合部形成角焊縫，可見共晶組織。這樣，在圖22(c)中，形成與圖22(a)、(b)中所形成的接合組織不同的組織。在硬釬焊法中，由于液相釬料填埋接合部而形成角焊縫，因此接合部形成與周圍不同的共晶組織。此外，在焊接法中，由于接合部局部熔融，因此形成與其他部位不同的金屬組織。與此相對，在本發(fā)明中適用的滲出接合中，接合部的金屬組織僅由兩個被接合構(gòu)件的材料構(gòu)成、或者由兩個被接合構(gòu)件一體化而成的材料構(gòu)成，在這一點上與通過硬釬焊、焊接而產(chǎn)生的接合組織不同。
[0096]由于這樣的接合行為，而在接合工序后幾乎不發(fā)生接合部位附近的形狀變化。即，在本發(fā)明涉及的接合方法中幾乎不發(fā)生焊接法的焊道、硬釬焊法中的角焊縫那樣的接合后的形狀變化。盡管如此，也能夠與焊接法、硬釬焊法同樣地利用金屬結(jié)合進行接合。例如，在使用硬釬焊片(硬釬料包覆率為單面5% )組裝沖壓杯式(drawn cup type)層疊型熱交換器的情況下，由于在硬釬焊加熱后熔融的硬釬料集中于接合部，因此層疊的熱交換器的高度減少5?10%。因此，在產(chǎn)品設計中需要考慮該減少部分。在本發(fā)明中適用的滲出接合中，由于接合后的尺寸變化極小，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的產(chǎn)品設計。
[0097]E.氧化皮膜的破壞
[0098]在鋁構(gòu)件的表層上形成有氧化皮膜，由此接合受到阻礙。因此，在接合中需要破壞氧化皮膜。在本發(fā)明中適用的滲出接合中，為了破壞氧化皮膜，采用以下的D-1或者D-2中所示的任一種方法。
[0099]E-1.利用焊劑的氧化皮膜的破壞
[0100]在該方法中，為了破壞氧化皮膜，至少對接合部涂布焊劑。焊劑使用鋁材料的硬釬焊中所使用的KA1F4、CsAlF4等氟化物系焊劑或者KC1、NaCl等氯化物系焊劑。這些焊劑在滲出接合中液相熔融之前或者達到接合溫度之前熔融，并與氧化皮膜反應而破壞氧化皮膜。
[0101]進而在該方法中，為了抑制氧化皮膜的形成，在氮氣、氬氣等非氧化性氣氛中進行接合。特別是在使用氟化物系焊劑的情況下，優(yōu)選在將氧濃度抑制為250ppm以下、將露點抑制為_25°C以下的非氧化性氣氛中進行接合。
[0102]此外，在使用氟化物系焊劑的情況下，如果在第I及第2鋁構(gòu)件中含有超過0.5質(zhì)量％的Mg，則焊劑與Mg反應而焊劑的氧化皮膜破壞作用受損。因此，如權(quán)利要求1、3中規(guī)定的那樣，使第I及第2鋁構(gòu)件中的任一種均由Mg含量被限制為0.5質(zhì)量％ (以下，簡記為以下的鋁材料構(gòu)成。在此，所謂的Mg為0.5質(zhì)量％以下，包括不含Mg的情況、或者以不可避免的雜質(zhì)水平含有極微量的情況。另外，如果滿足Mg含量為0.5質(zhì)量％以下的條件，則對第I及第2鋁構(gòu)件中所含的其他元素的種類、含量沒有限制。
[0103]E-2.利用Mg的吸氣(getter)作用的氧化皮膜的破壞
[0104]在鋁構(gòu)件中添加了規(guī)定量Mg的情況下，即使對接合部不涂布焊劑，也能夠破壞氧化皮膜而實現(xiàn)接合。在這種情況下，與真空無焊劑硬釬焊同樣地，鋁構(gòu)件熔融而液相出現(xiàn)在表層時，通過從鋁構(gòu)件中蒸發(fā)的Mg的吸氣作用而氧化皮膜被破壞。
[0105]在通過Mg的吸氣作用而破壞氧化皮膜的情況下，為了抑制氧化皮膜的形成，在真空中或者上述的非氧化性氣氛中進行接合。在面接合、閉塞空間中的接合的情況下，有時能夠在干燥的大氣中接合。在非氧化性氣氛中、干燥大氣中的接合的情況下，優(yōu)選將露點抑制為-25°C以下。
[0106]為了通過Mg的吸氣作用而破壞氧化皮膜,使第I及第2鋁構(gòu)件中的一方由Mg含量為0.2%以上且2.0 %以下的鋁材料構(gòu)成。在Mg含量小于0.2質(zhì)量％時，無法得到充分的吸氣作用，而不能實現(xiàn)良好的接合。另一方面，如果超過2.0質(zhì)量％，則在表面上Mg與氣氛中的氧反應 ，大量生成氧化物MgO，而接合受到阻礙。此外，僅對一方的鋁構(gòu)件將Mg含量設為0.2%以上且2.0%以下的原因是，只要能夠得到利用一方的鋁構(gòu)件的Mg的吸氣作用則足夠。在另一方的鋁構(gòu)件中，Mg含量并不限定為0.2%以上，但是如果大量生成MgO則接合受到阻礙，因此Mg含量限制為2.0%以下。在此，所謂的Mg為2.0%以下，還包括不含Mg的情況、或者以不可避免的雜質(zhì)水平含有極微量的情況。此外，在一方的鋁構(gòu)件中，如果滿足Mg含量為0.2 %以上且2.0%以下的條件，則對其他元素的種類、含量沒有限制，在另一方的鋁構(gòu)件中，如果滿足Mg含量為2.0 %以下的條件，則對其他元素的種類、含量沒有限制。
[0107]F.接合條件
[0108]液相率為5%以上且35%以下的時間優(yōu)選為30秒以上且3600秒以下，更優(yōu)選為60秒以上且1800秒以下。在小于30秒時，有時液相在接合部中沒有充分填充，如果超過3600秒，則有時無法可靠地抑制被接合構(gòu)件的形狀變化。
[0109]此外，優(yōu)選將生成液相的鋁構(gòu)件的固相線溫度與液相線溫度之差設為10°C以上。在小于10°C時，固體與液體共存的溫度范圍變窄，有時難以控制所產(chǎn)生的液相量。
[0110]進而，在生成液相的鋁合金材料中，優(yōu)選將在接合溫度加熱后的基體的晶體粒徑設為50 μ m以上。這是因為，在小于50 μ m時，因自重而容易產(chǎn)生晶界滑移，如果接合時間變長則會發(fā)生促進變形的情況。此外，晶體粒徑的測定通過按照JIS H:501的切斷法來測定。
[0111]G.適于本發(fā)明的鋁構(gòu)件的材質(zhì)
[0112]作為生成規(guī)定的液相率的鋁構(gòu)件，優(yōu)選使用由如下的鋁合金構(gòu)成的鋁合金材料:Mg含量被限制為0.5%以下或者0.2%以上且2.0%以下，含有S1:0.6~3.5%作為必需元素，進一步含有選自 Cu:0.05 ~0.5%、Fe:0.05 ~L 0%、Zn:0.2 ~L 0%、Mn:0.1 ~
1.8%以及T1:0.01~150.3%中的I種或2種以上作為選擇性添加元素，剩余部分由Al和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
[0113]在將由這樣的Al-Si合金或者Al-S1-Mg合金構(gòu)成的鋁合金材料作為生成液相的鋁構(gòu)件的情況下，當Si含量設為X(% )時，優(yōu)選將接合溫度T控制成660-39.5X≤T≤660-15.7X、且T≥577。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)更良好的接合。
[0114]作為生成規(guī)定的液相率的其他鋁構(gòu)件，還優(yōu)選使用由如下的鋁合金構(gòu)成的鋁合金材料:Mg含量被限制為0.5%以下或者0.2%以上且2.0%以下，含有Cu:0.7~15.0%作為必需元素，進一步含有選自Si:0.05~0.8%, Fe:0.05~1.0%, Zn:0.2~1.0%、Mn:0.1~1.8%以及T1:0.01~0.3%中的I種或2種以上作為選擇性添加元素，剩余部分由Al和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
[0115]在將由這樣的Al-Cu合金或者Al-Cu-Mg合金構(gòu)成的鋁合金材料作為生成液相的鋁構(gòu)件的情況下，當Cu含量設為Y(% )時，優(yōu)選將接合溫度T控制成660-15.6y≤T≤660-6.9Υ、且T≥548。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)更良好的接合。
[0116]H.接合時對鋁構(gòu)件施加的應力
[0117]在本發(fā)明的接合中，只要在接合部相接有第I及第2鋁構(gòu)件，則并不一定需要對接合面施加壓力。然而，在實際的產(chǎn)品制造過程中，為了將鋁構(gòu)件彼此固定或者縮小空隙，用夾具等對兩個鋁構(gòu)件施加應力的情況較多。此外，也因自重而在鋁構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生應力。此時，在各鋁構(gòu)件內(nèi)的各部位產(chǎn)生的應力根據(jù)形狀和載荷求出。例如，使用結(jié)構(gòu)計算程序等來計算。在本發(fā)明中，當將在接合時產(chǎn)生液相的鋁構(gòu)件的各部位所產(chǎn)生的應力之中最大者(最大應力)設為P(kPa)、將作為該鋁構(gòu)件的鋁合金中的液相率設為V時，優(yōu)選以滿足P ( 460-12V的方式進行接合。該式的右邊所示的值為極限應力，如果超過該極限應力的應力施加到產(chǎn)生液相的鋁構(gòu)件，則即使液相率為35%以內(nèi)，也有可能對鋁構(gòu)件產(chǎn)生大的變形。
[0118]另外，在由兩個鋁構(gòu)件產(chǎn)生液相的情況下，分別對兩個鋁構(gòu)件，使用各自的應力P、液相率V，計算出P ≤ 460-12V,以兩個鋁構(gòu)件都同時滿足上述式的方式進行接合。
[0119]1.鋁構(gòu)件的接合表面的起伏
[0120]在本發(fā)明的接合中，由于鋁構(gòu)件的液相生成量為微量，因此需要兩個鋁構(gòu)件在接合部以相接的方式配置。然而，由于材料的翹曲、起伏，而有時在兩個鋁構(gòu)件之間產(chǎn)生微小間隙。特別是，凹凸的波長為25~2500 μ m的起伏，作為間隙是無法忽略的大小，此外也難以通過夾具的推壓等來矯正。
[0121]在本發(fā)明中，在根據(jù)接合前的兩個鋁構(gòu)件的接合面表面的凹凸求出的算術(shù)平均波度(arithmetic mean waviness) Wal 與 Wa2 之和滿足 Wal+Wa2 < 10 ( μ m)的情況下，能夠得到更充分的接合。此外，算術(shù)平均波度Wal、Wa2是在JISB0633中規(guī)定的，根據(jù)以僅檢測25~2500 μ m的波長的方式設定截止值的、用激光顯微鏡、共焦顯微鏡測定的波度曲線求出。
[0122]J.接合方法
[0123]在本發(fā)明的接合方法中，通常在爐中加熱鋁構(gòu)件。對爐的形狀沒有特別限制，可以使用例如I室結(jié)構(gòu)的分批爐、汽車用熱交換的制造等中使用的連續(xù)爐等。此外，對爐中的氣氛沒有限制，但如上所述優(yōu)選在非氧化性氣氛中進行。
[0124]在鋁材料的表層上形成有氧化皮膜，由此接合受到阻礙。因此，在接合中需要破壞氧化皮膜。在本發(fā)明涉及的接合方法中，為了破壞氧化皮膜，優(yōu)選對接合部涂布焊劑。此外，為了抑制氧化皮膜的形成，優(yōu)選在氮氣等非氧化性氣體的氣氛中進行接合。特別優(yōu)選對接合部涂布焊劑、且在非氧化性氣體的氣氛中進行接合。另外，在鋁合金材料中添加有Mg的情況下，即使對接合部不涂布焊劑，也能夠通過使用真空、非氧化性氣氛或者大氣氣氛的爐，利用Mg的吸氣作用，除去表面的氧化被膜。
[0125]產(chǎn)業(yè)可利用性
[0126]根據(jù)本發(fā)明，可提供不需要熔化材料、硬釬料的簡易的鋁構(gòu)件的接合方法。此外，可提供在接頭部分不存在應力集中并具有充分強度的鋁結(jié)構(gòu)體。[0127]符號說明
[0128]c:Si 濃度
[0129]cl:Si 濃度
[0130]c2:Si 濃度
[0131]L1:沿著第I鋁構(gòu)件的長度方向的中心線
[0132]L2:沿著第2鋁構(gòu)件的長度方向的中心線
[0133]T:溫度
[0134]Tl:超過Te的溫度
[0135]T2:比Tl更高的溫度
[0136]T3:超過Ts2的溫度
[0137]Te:固相線溫度
[0138]Ts2:固相線溫度
【權(quán)利要求】
1.一種鋁構(gòu)件的接合方法，其特征在于，該鋁構(gòu)件的接合方法是將第I鋁構(gòu)件的平面部與第2鋁構(gòu)件的端部接合的方法，是將所述第I及第2鋁構(gòu)件的至少一方在該鋁構(gòu)件內(nèi)所生成的液相的質(zhì)量相對于它們?nèi)抠|(zhì)量的比成為5%以上且35%以下的溫度接合的接合方法， 使所述第I及第2鋁構(gòu)件的接合部的接合寬度比所述第2鋁構(gòu)件的主體部分的沿著與所述第I及第2鋁構(gòu)件的接合面平行的面的截面的最小寬度大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁構(gòu)件的接合方法，其特征在于，所述第I及第2鋁構(gòu)件的所述接合面各自由單一平面構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁構(gòu)件的接合方法，其特征在于，所述第I及第2鋁構(gòu)件的所述接合面各自由在兩個構(gòu)件間互補的多個平面或者互補的曲面構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋁構(gòu)件的接合方法，所述第I及第2鋁構(gòu)件的所述接合面各自由在兩個構(gòu)件間互補的兩個平面構(gòu)成，與該接合面正交的接合部的截面為大致L字形。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋁構(gòu)件的接合方法，所述第I及第2鋁構(gòu)件的所述接合面各自由在兩個構(gòu)件間互補的三個平面構(gòu)成，與該接合面正交的接合部的截面為大致U字形。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋁構(gòu)件的接合方法，所述第I及第2鋁構(gòu)件的所述接合面各自由在兩個構(gòu)件間互補的多個平面構(gòu)成，與該接合面正交的接合部的截面為鋸齒狀、階梯狀或凹凸狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋁構(gòu)件的接合方法，所述第I及第2鋁構(gòu)件的所述接合面各自由在兩個構(gòu)件間互補的曲面構(gòu)成，與該接合面正交的接合部的截面為波狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1?7中任一項所述的鋁構(gòu)件的接合方法，其特征在于， 所述第I及第2鋁構(gòu)件由Mg被限制為0.5質(zhì)量％以下的鋁材料構(gòu)成， 所述接合在非氧化性氣氛中、在接合部涂布有氟化物系或氯化物系焊劑的狀態(tài)下進行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1?7中任一項所述的鋁構(gòu)件的接合方法，其特征在于， 所述第I鋁構(gòu)件由含有0.2質(zhì)量％以上且2.0質(zhì)量％以下Mg的鋁材料構(gòu)成，所述第2鋁構(gòu)件由Mg含量被限制為2.0質(zhì)量％以下的鋁材料構(gòu)成， 所述接合在真空中、非氧化性氣氛中或大氣中進行。
10.一種鋁結(jié)構(gòu)體，其通過權(quán)利要求1?9中任一項所述的鋁構(gòu)件的接合方法將所述第I及第2鋁構(gòu)件接合而成。
【文檔編號】C22C21/02GK103958111SQ201280058299
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月27日
【發(fā)明者】細川俊之, 枝義彌, 諸井努 申請人:株式會社Uacj