專利名稱：鋁合金材料的接合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將鋁合金材料作為一方的被接合部件、將鋁合金材料和純鋁材料的某方作為另一方的被接合部件、接合兩被接合部件的方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于金屬制部件的接合方法，以往采用各種各樣方法。在非專利文獻(xiàn)I中，將金屬的接合方法粗分為材質(zhì)接合法，化學(xué)接合法，以及機(jī)械接合法。鋁合金材料的接合也使用上述某種方法。材質(zhì)接合法是通過金屬鍵牢固地接合被接合部件之間。通過合適地進(jìn)行，能提高接合部的可靠性。具體地說，分類為使其熔融接合的焊接法，擴(kuò)散接合法、摩擦接合法、壓接法等的固相接合法，釬焊等的液相-固相反應(yīng)接合法等。材質(zhì)接合法如上所述通過金屬鍵實(shí)現(xiàn)牢固接合。其中，作為液相-固相反應(yīng)接合法的釬焊在爐中加熱被接合部件整體進(jìn)行接合，因此，能同時(shí)多點(diǎn)接合。利用這種優(yōu)點(diǎn)的釬焊大多適用于汽車用熱交換器或散熱器等接合處多、在狹間隔接合的制品的接合?；瘜W(xué)接合法是使用所謂粘接劑的接合方法，與材質(zhì)接合法不同，不需要在高溫下接合，具有不產(chǎn)生被接合部件自身變形的優(yōu)點(diǎn)。但是，不能得到金屬鍵那樣的牢固的接合，因此，與材質(zhì)接合法相比，存在接合部的可靠性及熱傳導(dǎo)性差的缺點(diǎn)。機(jī)械接合法可以列舉鉚接或螺栓緊固等。與材質(zhì)接合法或化學(xué)接合法相比，能比較簡單地接合。又，能得到與材質(zhì)接合法同等以上的接合強(qiáng)度，根據(jù)方法不同，容易重新接合。但是，存在接合部形狀被限定，以及對(duì)于需要密閉性的接合來說不合適等缺點(diǎn)。在鋁合金材料的接合中，以往使用焊接法、錫焊法、釬焊法等材質(zhì)接合法。焊接法是通過電或火焰加熱接合部熔融，合金化而形成接合。接合部的間隙大場合，或需要接合強(qiáng)度場合，在接合時(shí)同時(shí)使得填充材料熔融填充間隙。這樣，接合部熔融，因此，確實(shí)得到接合。另一方面，接合部熔融接合，因此，接合部附近形狀發(fā)生大的變形，金屬組織也局部發(fā)生大變化，成為不同組織，有時(shí)局部產(chǎn)生脆弱化。又，需要僅僅局部加熱接合部，因此，也存在同時(shí)多點(diǎn)接合很困難等問題。在錫焊法或釬焊法中，使用熔點(diǎn)比被接合部件低的錫焊材料或釬焊材料，通過電或火焰加熱，僅僅使得上述錫焊材料或釬焊材料熔融，填充接合部間隙，形成接合。對(duì)點(diǎn)狀或線狀連接部的接合有利，錫焊材料或釬焊材料在接合凝固時(shí)形成稱為角焊縫(fillet)的形狀，在強(qiáng)度或熱傳導(dǎo)性等方面能得到非常高的可靠性。又，不使得母材熔融，能在短時(shí)間得到牢固的接合。尤其，N0K0L0K(美國焊劑名稱)釬焊法或真空釬焊法等爐中釬焊法的特征在于，使用釬焊材料以及對(duì)作為被接合部件的鋁合金材料包層(clad)的釬焊片材(brazing sheet,也稱為“硬釬焊片材”)。對(duì)釬焊片材進(jìn)行壓力加工，組裝具有中空結(jié)構(gòu)的疊層型熱交換器，通過在爐中加熱，能制造接合處多、具有復(fù)雜形狀的熱交換器。另一方面，在釬焊或錫焊中，液相流動(dòng)，因此，有時(shí)也發(fā)生細(xì)微流路等被焊料填埋。又，通過使用釬焊片材，具有能容易地向接合部均一供給焊料的優(yōu)點(diǎn)，另一方面，釬焊片材制造復(fù)雜，因此，要求降低成本及改善供應(yīng)性。再有，還存在接合面?zhèn)鹊那邢鞯燃庸ぷ杂啥仁艿綋p害等問題。擴(kuò)散接合法或摩擦接合法等固相接合法是原則上不伴隨被接合部件熔融的接合方法。擴(kuò)散接合法使得母材之間密接，基本上在母材的熔點(diǎn)以下加壓到不產(chǎn)生塑性變形的程度，利用接合面間產(chǎn)生的原子擴(kuò)散，形成接合。在該接合方法中，不伴隨被接合部件的變形，同時(shí)能多點(diǎn)接合或面接合。因此，能接合具有細(xì)微形狀的被接合部件。但是，為了利用擴(kuò)散現(xiàn)象，與焊接或釬焊等相比，接合需要長時(shí)間。通常，需要30分鐘左右以上的時(shí)間，在所定溫度下保持。又，接合需要加壓，因此，不能避免接合操作煩雜化以及成本增加。再有，當(dāng)鋁合金材料場合，在其表面存在穩(wěn)定牢固的氧化膜，由此阻害擴(kuò)散，因此，難以適用固相擴(kuò)散接合。使用在被接合部件中含有Mg 0.5 1.0質(zhì)量％左右的鋁合金材料場合，因Mg的還原作用，破壞氧化膜，能比較容易接合，但在其他鋁合金材料中，需要除去接合面的氧化膜的凈化處理，存在需要?dú)咫x子沖擊、輝光放電、賦與超聲波等特殊工序等問題。 在摩擦接合法中，適用于鋁合金材料的摩擦攪拌接合法能適用于全部鋁合金材料。不伴隨母材熔融，因此，具有接合引起的被接合部件變形少的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，接合部形狀限定為直線或平緩曲線，復(fù)雜形狀接合困難。又，使得接合工具直接接觸接合部，因此，細(xì)微形狀接合困難，且同時(shí)接合多點(diǎn)也很困難。又，在該接合方法中，不能避免在接合終端部殘留接合銷(pin)的痕跡。再有，在接合部中，攪拌被接合部件，因此，還存在因呈現(xiàn)與母材不同的組織而引起接合強(qiáng)度降低的問題。如上所述，通過材質(zhì)接合法接合鋁材料場合，一般采用不使得被接合部件熔融或僅僅接合部附近局部熔融的接合方法。這是因?yàn)槿舯唤雍喜考w熔融，則不能保持形狀，不能得到所希望形狀。但是，為了在實(shí)用速度下確實(shí)進(jìn)行接合，需要被熔融的部分，不能避免該部分變形。因此，設(shè)想接合后尺寸變化或強(qiáng)度變化，存在必須進(jìn)行部件設(shè)計(jì)、組裝的問題。另一方面，也提出將金屬部件全體設(shè)為半熔融狀態(tài)進(jìn)行的接合方法。在專利文獻(xiàn)I中，提出利用合金粉末的半熔融的接合方法。在該接合方法中，作為被接合部件的合金粉末其全體成為半熔融狀態(tài)，因此，其形狀變形顯著，不適合希望抑制形狀變形部件的接合。又，在專利文獻(xiàn)2中，提出將非金屬部件壓入半熔融的合金母材，接合非金屬部件和合金母材的方法。但是，在該接合方法中，將沖頭與所定模具壓接，接合非金屬部件和合金母材，因此，制品形狀受到限制。又，在專利文獻(xiàn)3中，提出制作導(dǎo)波管型的天線時(shí)，構(gòu)成導(dǎo)波管的隙縫板和基板使用Mg類的鋁合金，以該鋁合金的固液共存區(qū)域或固液共存區(qū)域附近的溫度加熱/加壓，進(jìn)行擴(kuò)散接合的方法。在該方法中，以使用楔子的夾具對(duì)接合面加壓，利用夾具和該鋁的熱膨脹差進(jìn)一步對(duì)接合部給予加壓，進(jìn)行擴(kuò)散接合。這時(shí)，顯示作為部件的隙縫板和基板的液相率最大為I. 7%那樣的接合條件。但是，液相率為I. 7%左右場合，生成的液相過少，恐怕不能形成具有充分強(qiáng)度的接合。又，在專利文獻(xiàn)3提出的方法中，進(jìn)一步提高溫度以使得液相比例變大場合，擔(dān)心壓力施加過大，產(chǎn)生大的變形。再有，在該方法中，只能接合平坦板狀物，且接合面的朝向限定為加壓方向。
在專利文獻(xiàn)4中，提出以下方法二個(gè)金屬合金的被接合部件哪個(gè)都處于固相率為30%以上、不足90%(液相率10%以上、不足70%)的范圍內(nèi)，在處于上述范圍內(nèi)的溫度下，將上述被接合部件插入鍛造模具內(nèi)，鍛造成形同時(shí)，形成接合。該方法是鍛造多塊合金板復(fù)合材化的方法，因此，不能在保持接合前后形狀的狀態(tài)下接合。又，不能接合在接合材料之間設(shè)有中空部的材料，或不平坦的材料。再有，還需要高溫、大型的鍛造裝置。專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I日本特開2005-30513號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開2003-88948號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3日本特開平10-313214號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4日本專利第4261705號(hào)非專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I焊接/接合技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，p.57，焊接/接合技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)編輯委員會(huì)(2007年)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是鑒于上述那樣的以往技術(shù)所存在的問題而提出來的，本發(fā)明的目的在于，提供具有良好的接合性、幾乎沒有接合時(shí)材料流動(dòng)引起的變形、可靠性高的新穎的接合方法。
為了解決上述課題，本發(fā)明人進(jìn)行研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)利用加熱作為被接合部件的鋁合金時(shí)生成的液相的新穎的接合方法，完成了本發(fā)明。即，本發(fā)明在權(quán)利要求I中，提出一種鋁合金材料的接合方法，將鋁合金材料作為一方的被接合部件，將鋁合金材料及純鋁材料中任一種作為另一方的被接合部件，接合上述一方的被接合部件和另一方的被接合部件，其特征在于上述一方的被接合部件和另一方的被接合部件的鋁合金材料由含有Mg:0. 5質(zhì)量％以下的鋁合金構(gòu)成，在上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)該鋁合金材料的全質(zhì)量之比為5%以上、35%以下的溫度，在氟化物系焊劑或氯化物系焊劑涂布在接合部件間的狀態(tài)下，在非氧化性氣氛中接合。在本發(fā)明中，上述“5%以上”包含5% (下文皆如此)，上述“35%以下”包含35% (下文皆如此)。本發(fā)明在權(quán)利要求2中，提出一種鋁合金材料的接合方法，將鋁合金材料作為一方的被接合部件，將鋁合金材料及純鋁材料中任一種作為另一方的被接合部件，接合上述一方的被接合部件和另一方的被接合部件，其特征在于上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料由含有Mg:0.2質(zhì)量％以上、2.0質(zhì)量％以下的鋁合金構(gòu)成，作為另一方的被接合部件的鋁合金材料由含有Mg: 2. O質(zhì)量％以下的鋁合金構(gòu)成，在上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)該鋁合金材料的全質(zhì)量之比為5%以上、35%以下的溫度，在真空中或非氧化性氣氛中接合。本發(fā)明的權(quán)利要求3系在權(quán)利要求I或2中，在上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料中，在該鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)鋁合金材料的全質(zhì)量之比為5%以上的時(shí)間為30秒以上、3600秒以內(nèi)。
本發(fā)明的權(quán)利要求4系在權(quán)利要求3中，上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料由進(jìn)一步含有Si :0. 6 3. 5質(zhì)量％的鋁合金構(gòu)成，當(dāng)將Si元素的含有量設(shè)為X質(zhì)量％場合，接合時(shí)該鋁合金材料的溫度TC用下式規(guī)定660 — 39. 5X 彡 T 彡 660 — 15. 7X并且，T彡 577。本發(fā)明的權(quán)利要求5系在權(quán)利要求4中，上述鋁合金進(jìn)一步含有從Cu :0. 05 O. 5質(zhì)量 ％、Fe:0. 05 I. O 質(zhì)量 ％、Ζη:0· 2 I. O 質(zhì)量 ％、Μη:0. I I. 8 質(zhì)量 ％、以及 Ti : O. 0 1
O. 3質(zhì)量％選擇的至少一種。本發(fā)明的權(quán)利要求6系在權(quán)利要求3中，上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料由進(jìn)一步含有Cu:0. 7 15. O質(zhì)量％的鋁合金構(gòu)成，當(dāng)將Cu元素的含有量設(shè)為Y質(zhì)量％場合，接合時(shí)該鋁合金材料的溫度TC用下式規(guī)定660 — 15. 6Y 彡 T 彡 660 — 6. 9Y并且，T彡 548。本發(fā)明的權(quán)利要求7系在權(quán)利要求6中，上述鋁合金進(jìn)一步含有從Si :0. 05 O. 8質(zhì)量 ％、Fe:0. 05 I. O 質(zhì)量 ％、Ζη:0· 2 I. O 質(zhì)量 ％、Μη:0. I I. 8 質(zhì)量 ％、以及 Ti : O. 01
O. 3質(zhì)量％選擇的至少一種。本發(fā)明的權(quán)利要求8系在權(quán)利要求I 7任一項(xiàng)中，當(dāng)將在生成液相的被接合部件產(chǎn)生的最大應(yīng)力設(shè)為P kPa,在該鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)作為該被接合部件的鋁合金材料的全質(zhì)量之比設(shè)為V%時(shí)，在滿足P彡460 — 12V的條件下接合。本發(fā)明的權(quán)利要求9系在權(quán)利要求I 8任一項(xiàng)中，從兩被接合部件接合前的接合表面的凹凸求得的算術(shù)平均波度Wal及Wa2之和為Wal + Wa2彡10 μ m。本發(fā)明的權(quán)利要求10系在權(quán)利要求I 9任一項(xiàng)中，在上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料中，固相線溫度和液相線溫度之差為10°C以上。下面，說明本發(fā)明的效果本發(fā)明涉及的鋁合金材料的接合方法利用在接合的鋁合金內(nèi)部生成的微量的液相進(jìn)行接合。在本發(fā)明中，通過可靠性高的金屬鍵(金屬結(jié)合)，相同組成的鋁合金材料之間的接合當(dāng)然不用說，還能使得鋁合金材料和純鋁材料、鋁合金材料和與其不同組成的鋁合金材料的接合成為可能。又，本發(fā)明的被接合部件自身不會(huì)因熔融發(fā)生大的流動(dòng)，不使用錫焊材料或釬焊材料、熔化材料等，因此，因接合引起的尺寸變化小，幾乎不產(chǎn)生形狀變化。尤其，即使在具有微細(xì)流路的部件接合中，不會(huì)因液相流入或變形引起流路堵塞，能實(shí)行良好的接合。再有，在接合部附近不產(chǎn)生局部組織變化，難以發(fā)生強(qiáng)度脆化。又，可以不使用包層預(yù)加焊料、焊膏、釬焊料的釬焊片材等，進(jìn)行具有與釬焊法同等可靠性的同時(shí)多點(diǎn)接合。由此，能不損害接合性能地降低材料成本。將本發(fā)明與同樣的接合變形少、能同時(shí)多點(diǎn)接合的擴(kuò)散接合相比，不需要加壓，能縮短接合所需要的時(shí)間，即使不含有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工序。如上所述，本發(fā)明提供以往沒有的新穎接合方法。將本發(fā)明涉及的接合方法命名為“滲出接合” (bleed bonding)。


圖I是表示作為二元系共晶合金的Al-Si合金的狀態(tài)圖。圖2是表示本發(fā)明涉及的鋁合金材料的接合方法的液相生成機(jī)理的說明圖。圖3是表示本發(fā)明涉及的鋁合金材料的接合方法的液相生成機(jī)理的說明圖。圖4是表示倒T字型接合試驗(yàn)片和其接合部的觀察面位置的正面圖。圖5是表示在圖4觀察到的接合部的顯微鏡照片。圖6是表示用于評(píng)價(jià)接合率的倒T字型接合試驗(yàn)片的立體圖。圖7是說明用于評(píng)價(jià)變形率的下垂試驗(yàn)的立體圖(a)和側(cè)面圖(b)。 圖中符號(hào)意義如下c — Si 濃度cl — Si 濃度c2 — Si 濃度T —溫度Tl —超過Te的溫度T2 —比Tl更高的溫度T3 —超過Ts2的溫度Te—固相線溫度Ts2—固相線溫度
具體實(shí)施例方式下面，詳細(xì)說明本發(fā)明。A.被接合部件的組合在本發(fā)明涉及的鋁合金材料的滲出接合中，將鋁合金材料作為一方的被接合部件，將鋁合金材料及純鋁材料任一種作為另一方的被接合部件，使得一方的被接合部件和另一方的被接合部件接合。使得鋁合金材料之間接合場合，既可以是合金組成相同者之間，也可以是合金組成不同者之間。B.液相的生成在本發(fā)明涉及的鋁合金材料的滲出接合中，作為一方的被接合部件，使用鋁合金材料，在該鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)該鋁合金材料的全質(zhì)量之比(以下，記為“液相率”)為5%以上、35%以下，需要在成為上述液相率的溫度下接合。若液相率超過35%,則生成的液相量過多，鋁合金材料不能維持形狀，發(fā)生大的變形。另一方面，液相率不足5%，接合困難。較好的是，液相率為5 30%，更好的是，液相率為10 20%。測(cè)定加熱中的實(shí)際液相率非常困難。于是，在本發(fā)明中規(guī)定的液相率設(shè)為通過平衡計(jì)算求得。具體地說，通過Thermo-Calc等熱力學(xué)平衡計(jì)算軟件，根據(jù)合金組成以及加熱時(shí)的最高到達(dá)溫度進(jìn)行計(jì)算。說明液相的生成機(jī)理。圖I是模式地表示代表性的作為二元系共晶合金的Al-Si合金的狀態(tài)圖。若加熱Si濃度為Cl的鋁合金材料，則在超過共晶溫度(固相線溫度)Te附近的溫度Tl開始生成液相。在共晶溫度Te以下，如圖2(a)所示，在晶界區(qū)分的基體(matrix)中，分布結(jié)晶析出物。若在此開始液相生成，則如圖2(b)所示，結(jié)晶析出物分布的偏析多的晶界熔融成為液相。接著，如圖2(c)所示，分散在鋁合金的基體中的作為主添加元素成份的Si的結(jié)晶析出物粒子及金屬互化物的周邊熔融成球狀，成為液相。進(jìn)而，如圖2(d)所示，在基體中生成的該球狀液相因界面能，隨著時(shí)間經(jīng)過或溫度上升，在基體中再固溶，因固相內(nèi)擴(kuò)散，朝晶界或表面移動(dòng)。接著，如圖I所示，若溫度上升到T2,則從狀態(tài)圖可知，液相量增加。如圖I所示，當(dāng)一方的鋁合金材料的Si濃度為比最大固溶限度濃度小的c2場合，在超過固相線溫度Ts2附近，開始生成液相。但是，與Cl場合不同，將要熔融前的組織如圖3(a)所示，有時(shí)在基體中不存在結(jié)晶析出物。這種場合，如圖3(b)所示，先在晶粒邊界熔融成為液相后，如圖3(c)所示，在基體中，從局部溶質(zhì)元素濃度高的場所發(fā)生液相。如圖3(d)所示，在基體中生成的該球狀液相與Cl場合相同，因界面能，隨著時(shí)間經(jīng)過或溫度上升，在基體中再固溶，因固相內(nèi)擴(kuò)散，朝晶界或表面移動(dòng)。若溫度上升到T3，則從狀態(tài)圖可知，液相量增加。這樣，本發(fā)明涉及的滲出接合是利用因鋁合金材料內(nèi)部的部分熔融所生成的液相，既能實(shí)現(xiàn)接合，又能維持形狀。C.接合中的金屬組織的變動(dòng)
說明生成液相后到接合的金屬組織的變動(dòng)。如圖4所示，接合使用生成液相的鋁合金材料A以及與其接合的鋁合金材料B的倒T字型接合試驗(yàn)片，用顯微鏡觀察圖示觀察面。如上所述，在接合中，在鋁合金材料A的表面生成的極少的液相填埋與因焊劑等作用氧化膜受到破壞的對(duì)方的鋁合金材料B之間的間隙。接著，位于兩合金材料的接合界面附近的液相向鋁合金材料B內(nèi)移動(dòng)，與此相伴隨，與接合界面相接的鋁合金材料A的固相α相的晶粒向鋁合金材料B內(nèi)成長。另一方面，鋁合金材料B的晶粒也向鋁合金材料A側(cè)成長。當(dāng)鋁合金材料B為不生成液相的合金場合，如圖5(a)所示，在接合界面附近的鋁合金材料B中，成為鋁合金材料A的組織進(jìn)入那樣的組織，進(jìn)行接合。因此，在接合界面，不產(chǎn)生鋁合金材料A和鋁合金材料B以外的金屬組織。又，當(dāng)鋁合金材料B為也生成液相的合金場合，如圖5(b)所示，兩合金材料成為完全一體化的組織，不能判別接合界面。另一方面，作為鋁合金材料Α，使用包層釬料的釬焊片材，作為鋁合金材料B，使用不生成液相的合金場合，如圖5(c)所示，在接合部形成角焊縫，可見共晶組織。這樣，在圖5(c)中，成為與在圖5(a)、圖5(b)中形成的接合組織不同的組織。在釬焊法中，液相釬料填埋接合部，形成角焊縫，因此，接合部形成與周圍不同的共晶組織。又，即使在焊接法中，接合部局部熔融，因此，成為與其他部位不同的金屬組織。與此相反，在本發(fā)明涉及的滲出接合中，接合部的金屬組織僅僅由兩被接合部件構(gòu)成，或兩被接合部件一體化構(gòu)成，在這一點(diǎn)上與釬焊或焊接所形成的接合組織不同。由于這種接合變動(dòng)，在接合工序后，接合部位附近的形狀變化幾乎不發(fā)生。即，焊接法的焊道或在釬焊法中的角焊縫那樣的接合后的形狀變化，在本發(fā)明涉及的接合方法中幾乎不發(fā)生。盡管那樣，與焊接法或釬焊法相同，能通過金屬鍵接合。例如，使用釬焊片材(釬料包層率單面5%)組裝沖杯型(drawn cup)的疊層型熱交換器場合，釬焊加熱后熔融的釬料集中在接合部，因此，疊層的熱交換器的高度減少5 10%。因此，在制品設(shè)計(jì)中，需要考慮該減少部分。在本發(fā)明的滲出方法中，接合后的尺寸變化非常小，因此，能進(jìn)行聞精度的制品設(shè)計(jì)。D.氧化膜的破壞在鋁合金材料的表層形成氧化膜，由此阻害接合。因此，在接合中需要破壞氧化膜。在本發(fā)明涉及的滲出方法中，為了破壞氧化膜，采用以下的D-I或D-2所示的某一種方法。D-1.由焊劑破壞氧化膜在該方法中，為了破壞氧化膜，至少在接合部涂布焊劑。焊劑使用在鋁合金的釬焊中使用的KAlF4或CsAlF4等氟化物系焊劑或KCl或NaCl等氯化物系焊劑。上述焊劑在滲出接合中，在液相熔融前或達(dá)到接合溫度前熔融，與氧化膜反應(yīng)，破壞氧化膜。再有，在該方法中，為了抑制形成氧化膜，在氮?dú)饣驓鍤獾确茄趸詺夥罩薪雍稀Ｓ绕?，使用氟化物系焊劑場合，較好的是，在將氧濃度抑制在250ppm以下、露點(diǎn)抑制 在_25°C以下的非氧化性氣體氣氛中接合。又，使用氟化物系焊劑場合，在一方及另一方的被接合部件的鋁合金材料中，若在鋁合金中，Mg含有量超過O. 5質(zhì)量％，則焊劑與Mg反應(yīng)，損害焊劑的氧化膜破壞作用。因此，如本發(fā)明權(quán)項(xiàng)I規(guī)定那樣，兩被接合部件為鋁合金材料場合，上述被接合部件任一個(gè)都設(shè)為由含有O. 5質(zhì)量％以下的Mg的鋁合金構(gòu)成。若滿足Mg含有量為O. 5質(zhì)量％以下的條件，則對(duì)于鋁合金含有的其他元素種類或含有量沒有限制。D-2.由Mg的吸氣作用破壞氧化膜在鋁合金材料中添加所定量Mg場合，即使不在接合部涂布焊劑，也能破壞氧化膜進(jìn)行接合。這種場合，與真空無焊劑釬焊相同，當(dāng)鋁合金熔融，液相在表層出現(xiàn)時(shí)，因從鋁合金中蒸發(fā)的Mg的吸氣作用破壞氧化膜。因Mg的吸氣作用破壞氧化膜場合，為了抑制形成氧化膜，在真空中或上述非氧化性氣氛中接合。但是，在面接合或閉塞空間接合場合，有時(shí)即使干燥大氣也能接合。在非氧化性氣氛中或干燥大氣中接合場合，較好的是，將露點(diǎn)抑制在_25°C以下。為了由Mg的吸氣作用破壞氧化膜，如本發(fā)明權(quán)項(xiàng)2規(guī)定那樣，作為一方的被接合部件的鋁合金材料設(shè)為由含有O. 2質(zhì)量％以上、2. O質(zhì)量％以下的Mg的鋁合金構(gòu)成。在不足0.2質(zhì)量％場合，不能得到充分的吸氣作用，不能實(shí)現(xiàn)良好的接合。另一方面，若超過0.2質(zhì)量％，則在表面，Mg與氣氛中的氧反應(yīng)，生成多量的氧化物MgO,阻害接合。之所以僅僅對(duì)于一方的被接合部件將Mg含有量設(shè)為O. 2質(zhì)量％以上、2. O質(zhì)量％以下，是因?yàn)槿舻玫揭环降谋唤雍喜考腗g的吸氣作用就足夠。在作為另一方的被接合部件的鋁合金材料中，雖然鋁合金中的Mg含有量沒有限定為0.2質(zhì)量％以上，但是，若MgO生成多量則阻害接合，因此，Mg含有量設(shè)為0.2質(zhì)量％以下。又，在一方的被接合部件中，若滿足Mg含有量為O. 2質(zhì)量％以上、2. O質(zhì)量％以下的條件，則對(duì)于鋁合金含有的其他元素種類或含有量沒有限制。E.對(duì)于形成液相必要的時(shí)間下限在本發(fā)明的接合中，在接合部破壞氧化膜后，在兩被接合部件之間充填液相接合。該液相在作為一方的被接合部件的鋁合金材料中生成。為了使得液相在接合部充分得到充填，較好的是，液相率5%以上的時(shí)間為30秒以上。更好的是，若液相率5%以上的時(shí)間為60秒以上，則能進(jìn)一步進(jìn)行充分的充填，確實(shí)接合。在本接合中，液相只在接合部的極靠近處移動(dòng)，因此，該充填必要的時(shí)間不依存于接合部的大小。即使在作為另一方的被接合部件的鋁合金材料中，也可以生成液相，在此，較好的是，液相率5%以上的時(shí)間也為30秒以上，更好的是，為60秒以上。F.對(duì)于維持形狀必要的接合時(shí)間的上限在本發(fā)明中，較好的是，生成液相的作為一方的被接合部件的鋁合金材料中的液相率5%以上的時(shí)間為3600秒以內(nèi)。若超過3600秒，則即使液相率為35%以下，也擔(dān)心被接合部件發(fā)生大的變形。更好的是，若液相率5%以上的時(shí)間設(shè)為1800秒以內(nèi)，則能確實(shí)抑制形狀變化。即使在另一方的被接合部件的鋁合金材料中也生成液相場合，在此，較好的是，固相線溫度以上的時(shí)間為3600秒以內(nèi)，更好的是，為1800秒以內(nèi)。G.鋁合金材料的添加元素的含有量生成液相的鋁合金材料的主添加元素的含有量在例如二元系中可以從平衡狀態(tài)圖進(jìn)行以下設(shè)定。若將接合溫度設(shè)為T(°c)，將主添加元素相對(duì)鋁的添加量設(shè)為x(質(zhì) 量％)，將共晶溫度設(shè)為Te Ce)，將主添加元素相對(duì)鋁的固溶限度設(shè)為a(質(zhì)量％)，將共晶點(diǎn)的主添加元素的含有量設(shè)為b (質(zhì)量％)，則通過在滿足下式(I)的范圍內(nèi)實(shí)施接合，能得到更良好的液相率[ (O. 05/a) + (O. 95/b) ] X (Te — 660) XT + 660 < X <[ (O. 35/a) + (0. 65/b) ] X (Te — 660) XT + 660(I)若X 為{[ (0. 05/a) + (0. 95/b) ] X (Te — 660) XT + 660}以下，則產(chǎn)生所生成液相量不充分場合，這種場合，接合困難。另一方面，若X為{[(0.35/a) + (O. 65/b)]X (Te - 660) XT + 660}以上，則產(chǎn)生所生成液相量過多場合，這種場合，接合后引起大的形狀變化。因此，希望添加元素的添加量X滿足式(I)。H.尤其適合本發(fā)明的合金如上所述，在本發(fā)明涉及的接合中，為破壞氧化膜使用焊劑場合，作為一方及另一方的被接合部件的鋁合金材料，使用Mg含有量限制為0.5質(zhì)量％以下的鋁合金。又，為破壞氧化膜，不使用焊劑，而利用Mg的吸氣作用場合，作為一方的被接合部件的鋁合金材料，使用Mg含有量限制為O. 2質(zhì)量％以上、2. O質(zhì)量％以下的鋁合金，作為另一方的被接合部件的鋁合金材料，使用Mg含有量限制為2. O質(zhì)量％以下的鋁合金。作為一方的被接合部件的鋁合金材料，可以使用將Si元素作為必要成份含有的Al-Si合金或Al-Si-Mg合金。在這樣的鋁合金中，Si的含有量X(質(zhì)量％)為O. 6 3. 5質(zhì)量％很合適。不足O. 6質(zhì)量％場合，液相率成為5% 35%的溫度范圍狹，有時(shí)成為穩(wěn)定接合困難。另一方面，若X超過3.5質(zhì)量％，則在固相線溫度=共晶溫度產(chǎn)生的液相量接近35%，從固相線溫度到液相率為35%的溫度范圍變狹，有時(shí)成為穩(wěn)定接合困難。更好的是，Si含有量為I. 2 3. O質(zhì)量％。又，上述Al-Si合金或Al-Si-Mg合金可以進(jìn)一步含有從Cu: O. 05 O. 5質(zhì)量％、Fe: O. 05 I. O 質(zhì)量 ％、Ζη:0· 2 I. O 質(zhì)量 ％、Μη:0· I I. 8 質(zhì)量 ％、以及 Ti:0. 01 O. 3 質(zhì)
量％選擇的至少一種。即，使用由以下鋁合金構(gòu)成的鋁合金材料很合適Mg含有量限制為O. 5質(zhì)量％以下或O. 2質(zhì)量％以上、2. O質(zhì)量％以下，作為必要元素含有Si:O. 6 3. 5質(zhì)量％，作為選擇的添加元素，進(jìn)一步含有從Cu:O. 05 O. 5質(zhì)量％、Fe:O. 05 I. O質(zhì)量％、Zn:O. 2 I. O質(zhì)量％、Μη:0. I I. 8質(zhì)量％、以及Ti :0. Ol 0.3質(zhì)量％選擇的至少一種，剩余部分由Al和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。將由這樣的Al-Si合金或Al-Si-Mg合金構(gòu)成的鋁合金材料作為一方的被接合部件與另一方接合部件接合場合，較好的是，控制使得接合時(shí)的一方的被接合部件的溫度T成為660 — 39. 5X彡T彡660 — 15. 7X,且T彡577。由此，實(shí)現(xiàn)更良好的接合。作為一方的被接合部件的鋁合金材料，可以使用將Cu元素作為必要成份含有的Al-Cu合金或Al-Cu-Mg合金。在這樣的鋁合金中，Cu的含有量Y (質(zhì)量％)為O. 7 15. O質(zhì)量％很合適。不足O. 7質(zhì)量％場合，液相率成為5% 35%的溫度范圍狹，有時(shí)成為穩(wěn)定接合困難。另一方面，若Y超過15. O質(zhì)量％，則在固相線溫度=共晶溫度產(chǎn)生的液相量接近35%，從固相線溫度到液相率為35%的溫度范圍變狹，有時(shí)成為穩(wěn)定接合困難。更好的是，Cu含有量為I. 5 12. O質(zhì)量％。
又，上述Al-Cu合金或Al-Cu-Mg合金可以進(jìn)一步含有從Si :0. 05 O. 8質(zhì)量％、Fe: O. 05 I. O 質(zhì)量 ％、Ζη:0· 2 I. O 質(zhì)量 ％、Μη:0· I I. 8 質(zhì)量 ％、以及 Ti:0. 01 O. 3 質(zhì)
量％選擇的至少一種。BP,使用由以下鋁合金構(gòu)成的鋁合金材料很合適Mg含有量限制為0.5質(zhì)量％以下或0.2質(zhì)量％以上、2.0質(zhì)量％以下，作為必要元素含有Cu:0. 7 15.0質(zhì)量％，作為選擇的添加元素，進(jìn)一步含有從Si: O. 05 O. 8質(zhì)量％、Fe:0. 05 I. O質(zhì)量％、Ζη:0· 2 I. O質(zhì)量％、Μη:0. I I. 8質(zhì)量％、以及Ti :0. 01 0.3質(zhì)量％選擇的至少一種，剩余部分由Al和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。將由這樣的Al-Cu合金或Al-Cu-Mg合金構(gòu)成的鋁合金材料作為一方的被接合部件與另一方接合部件接合場合，較好的是，控制使得接合時(shí)的一方的被接合部件的溫度T成為660 — 15. 6Y彡T彡660 - 6. 9Y,且T彡548。由此，實(shí)現(xiàn)更良好的接合。I.接合時(shí)施加在兩被接合部件的應(yīng)力在本發(fā)明的接合中，若兩被接合部件在接合部相接，則不一定必須在接合面施加壓力。但是，在實(shí)際制品的制造過程中，為了固定被接合部件之間或縮小間隙，大多用夾具等對(duì)兩被接合部件施加應(yīng)力。又，即使自重也在被接合部件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。這時(shí)，在各被接合部件內(nèi)的各部位產(chǎn)生的應(yīng)力可以根據(jù)形狀及負(fù)載求得。例如，使用結(jié)構(gòu)計(jì)算程序等計(jì)算。在本發(fā)明中，接合時(shí)，當(dāng)在生成液相的被接合部件的各部位產(chǎn)生的應(yīng)力之中，將最大值(最大應(yīng)力)設(shè)為P(kPa)，將在作為該被接合部件的鋁合金中的液相率設(shè)為V時(shí)，較好的是，滿足以下條件下接合P < 460 — 12V。該式右邊所示值為極限應(yīng)力，若將超過其的應(yīng)力施加到生成液相的被接合部件上，則即使液相率在35%以內(nèi)，被接合部件恐怕也會(huì)發(fā)生大的變形。從兩被接合部件產(chǎn)生液相場合，對(duì)兩被接合部件，分別使用各自的應(yīng)力P、液相率V,計(jì)算P < 460 — 12V,使得兩被接合部件都同時(shí)滿足上式，進(jìn)行接合。J.被接合部件的接合表面的彎曲在本發(fā)明的接合中，由于在一方的被接合部件的液相生成量為微量，因此，需要配置使得在接合部兩被接合部件相接。但是，因材料翹曲或彎曲，有時(shí)在兩被接合部件之間產(chǎn)生微小間隙。尤其，凹凸波長為25 2500 μ m的波形，作為間隙，不是能忽視的大小，且通過夾具推壓等矯正也很困難。
在本發(fā)明中，當(dāng)從接合前的兩被接合部件的接合面的表面凹凸求得的算術(shù)平均波度Wal和Wa2之和滿足Wal + Wa2 ^ 10 ( μ m)場合，能得到更充分的接合。算術(shù)平均波度Wal、Wa2是標(biāo)準(zhǔn)JISB0633所規(guī)定，設(shè)定在波長為25 2500 μ m之間成為凹凸的截止值(cut off),從用激光顯微鏡或共焦顯微鏡測(cè)定的波形曲線求取。K.固相線溫度和液相線溫度之差在本發(fā)明涉及的滲出接合中，較好的是，將生成液相的鋁合金材料的固相線溫度和液相線溫度之差設(shè)為10°C以上。若超過固相線溫度，則開始生成液相，但是，若固相線溫度和液相線溫度之差小，則固體和液體共存的溫度范圍變狹，控制生成的液相量成為困難。因此，較好的是，將該差設(shè)為10°C以上。例如，作為具有滿足該條件的組成的二元系的合金，可以列舉Al-Si系合金、Al-Cu系合金、Al-Mg系合金、Al-Zn系合金、Al-Ni系合金等。為了滿足該條件，上述那樣的共晶型合金具有大的固液共存區(qū)域很有利。但是，即使其他無限固溶體、包晶型、偏晶型等的合金，只要固相線溫度和液相線溫度之差為10°c以上，就能良好地接合。又，上述二元系合金可以含有主添加元素以外的添加元素，實(shí)質(zhì)上也包含三元系或四元系合金，進(jìn)而五元系或五元以上的多元系的合金。例如，可以列舉·Al-Si-Mg 系合金、Al-Si-Cu 系合金、Al-Si-Zn 系合金、Al-Si-Zn 系合金、Al-Si-Cu-Mg 系合
W. -rf* ο固相線溫度和液相線溫度之差越大，越容易控制為合適的液相量。因此，對(duì)于固相線溫度和液相線溫度之差，不特別設(shè)置上限。又，較好的是，生成液相的鋁合金的液相率為5%的溫度和液相率為35%的溫度之差為10°C以上，更好的是，上述溫度之差為20°C以上。L.接合后的結(jié)晶粒徑在生成液相的鋁合金材料中，較好的是，將以接合溫度加熱后的基體的結(jié)晶粒徑設(shè)為50μπι以上。通常，鋁合金在高溫、低應(yīng)力下晶粒自身的塑性變形優(yōu)先，在晶界因偏離的晶界滑移而變形。尤其，在本發(fā)明的接合時(shí)那樣的固液共存區(qū)域中，晶界優(yōu)先熔融，若結(jié)晶粒徑小，則單位體積中晶界變多，易因晶界滑移發(fā)生變形。若在固液共存區(qū)域的結(jié)晶粒徑過小，則易因自重發(fā)生晶界滑移，恐怕加熱中形狀變化變大。直接測(cè)定接合中處于固液共存區(qū)域的結(jié)晶粒徑很困難。于是，調(diào)查接合中處于固液共存區(qū)域的結(jié)晶粒徑和接合加熱后的結(jié)晶粒徑的關(guān)系。直接測(cè)定接合中處于固液共存區(qū)域的結(jié)晶粒徑很困難，因此，在通常的釬焊爐的冷卻工序(加熱后以30°C /分冷卻到40°C )中，測(cè)定冷卻時(shí)的結(jié)晶粒徑，將其作為接合中處于固液共存區(qū)域的結(jié)晶粒徑。接著，測(cè)定在接合加熱溫度下保持后水冷時(shí)的結(jié)晶粒徑，作為接合加熱后的結(jié)晶粒徑。比較兩者，為大致相同的結(jié)晶粒徑。因此，判明接合加熱后的結(jié)晶粒徑與接合中處于固液共存區(qū)域的結(jié)晶粒徑同等。于是，在本發(fā)明中，由加熱后的結(jié)晶粒徑評(píng)價(jià)接合中處于固液共存區(qū)域的結(jié)晶粒徑。在本發(fā)明的接合方法中，若加熱后的結(jié)晶粒徑不足50 μ m，則恐怕變形會(huì)變大。因此，較好的是，加熱后的結(jié)晶粒徑下限設(shè)為50μπι。這是由于在不足50 μ m場合，易因自重發(fā)生晶界滑移，若接合時(shí)間變長，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生促進(jìn)變形場合。結(jié)晶粒徑測(cè)定根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS H:501的切斷法進(jìn)行測(cè)定。M.接合方法在本發(fā)明的接合方法中，通常，在爐中加熱被接合部件。對(duì)于爐的形狀不作特別限定，例如，可以使用一室結(jié)構(gòu)的間歇爐、汽車用熱交換器制造等用的連續(xù)爐等。爐中氣氛不作限定，較好的是，如上所述，在非氧化性氣氛中進(jìn)行。在鋁合金材料表層形成氧化膜，由此，接合受到阻害。因此，在接合中需要破壞氧化膜。在本發(fā)明涉及的接合方法中，為了破壞氧化膜，較好的是，在接合部涂布焊劑。又，為了抑制形成氧化膜，較好的是，氮?dú)獾确茄趸詺怏w氣氛中接合。特別好的是，在接合部涂布焊劑，且在非氧化性氣體氣氛中接合。在鋁合金材料中添加Mg場合，即使不在接合部涂布焊劑，也能通過使用真空爐或非氧化性氣氛爐，通過Mg的吸氣作用除去表面的氧化膜。[實(shí)施例]下面，根據(jù)實(shí)施例及比較例詳細(xì)說明本發(fā)明。實(shí)施例I (實(shí)施例I 26及比較例27 33) 表I表示用于接合的Al-Si合金(合金號(hào)I 5)以及Al-Cu合金(合金號(hào)6，7)的組成。上述合金(合金號(hào)I 7)是權(quán)項(xiàng)I規(guī)定的Mg含有量為O. 5質(zhì)量％以下者。在表I中，也表示權(quán)項(xiàng)4、6規(guī)定的表示溫度范圍的一方的不等式中的上下限數(shù)值，以及在580 635°C各溫度下的平衡液相率。平衡液相率是由Thermo-Calc得到的計(jì)算值。調(diào)制表I所示合金鑄塊后，通過熱軋及冷軋，得到厚度Imm的軋制板。將該軋制板置于矯平機(jī)后，在380°C退火二小時(shí)，作為軋制板試料。使用這樣制作的軋制板試料，評(píng)價(jià)接合率及變形率。
權(quán)利要求
1.一種鋁合金材料的接合方法，將鋁合金材料作為一方的被接合部件，將鋁合金材料及純鋁材料中任一種作為另一方的被接合部件，接合上述一方的被接合部件和另一方的被接合部件，其特征在于 上述一方的被接合部件和另一方的被接合部件的鋁合金材料由含有Mg:0. 5質(zhì)量％以下的鋁合金構(gòu)成，在上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)該鋁合金材料的全質(zhì)量之比為5%以上、35%以下的溫度，在氟化物系焊劑或氯化物系焊劑涂布在接合部件間的狀態(tài)下，在非氧化性氣氛中接合。
2.—種鋁合金材料的接合方法，將鋁合金材料作為一方的被接合部件，將鋁合金材料及純鋁材料中任一種作為另一方的被接合部件，接合上述一方的被接合部件和另一方的被接合部件，其特征在于 上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料由含有Mg:0. 2質(zhì)量％以上、2. O質(zhì)量％以下的鋁合金構(gòu)成，作為另一方的被接合部件的鋁合金材料由含有Mg: 2.0質(zhì)量％以下的鋁合金構(gòu)成，在上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)該鋁合金材料的全質(zhì)量之比為5%以上、35%以下的溫度，在真空中或非氧化性氣氛中接合。
3.如權(quán)利要求I或2所述的鋁合金材料的接合方法，其特征在于 在上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料中，在該鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)鋁合金材料的全質(zhì)量之比為5%以上的時(shí)間為30秒以上、3600秒以內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的鋁合金材料的接合方法，其特征在于 上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料由進(jìn)一步含有Si :0. 6 3. 5質(zhì)量％的鋁合金構(gòu)成，當(dāng)將Si元素的含有量設(shè)為X質(zhì)量％場合，接合時(shí)該鋁合金材料的溫度TC用下式規(guī)定660 — 39. 5X 彡 T 彡 660 — 15. 7X 并且，T彡577。
5.如權(quán)利要求4所述的鋁合金材料的接合方法，其特征在于 上述鋁合金進(jìn)一步含有從Cu:O. 05 O. 5質(zhì)量％、Fe:0. 05 I. O質(zhì)量％、Ζη:0. 2 I. O質(zhì)量％、Mn:O. I I. 8質(zhì)量％、以及Ti :0.01 O. 3質(zhì)量％選擇的至少一種。
6.如權(quán)利要求3所述的鋁合金材料的接合方法，其特征在于 上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料由進(jìn)一步含有Cu :0. 7 15. O質(zhì)量％的鋁合金構(gòu)成，當(dāng)將Cu元素的含有量設(shè)為Y質(zhì)量％場合，接合時(shí)該鋁合金材料的溫度TC用下式規(guī)定660 — 15. 6Y 彡 T 彡 660 — 6. 9Y 并且，T > 548。
7.如權(quán)利要求6所述的鋁合金材料的接合方法，其特征在于 上述鋁合金進(jìn)一步含有從Si : O. 05 O. 8質(zhì)量％、Fe: O. 05 I. O質(zhì)量％、Zn: O. 2 I. O質(zhì)量％、Mn:O. I I. 8質(zhì)量％、以及Ti :0.01 O. 3質(zhì)量％選擇的至少一種。
8.如權(quán)利要求I 7任一項(xiàng)所述的鋁合金材料的接合方法，其特征在于 當(dāng)將在生成液相的被接合部件產(chǎn)生的最大應(yīng)力設(shè)為P kPa,在該鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)作為該被接合部件的鋁合金材料的全質(zhì)量之比設(shè)為V%時(shí)，在滿足P <460 —12V的條件下接合。
9.如權(quán)利要求I 8任一項(xiàng)所述的招合金材料的接合方法,其特征在于 從兩被接合部件接合前的接合表面的凹凸求得的算術(shù)平均波度Wal及Wa2之和為Wal + Wa2 彡 10 μ m。
10.如權(quán)利要求I 9任一項(xiàng)所述的鋁合金材料的接合方法，其特征在于 在上述作為一方的被接合部件的鋁合金材料中，固相線溫度和液相線溫度之差為10°C以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋁合金材料的接合方法，將鋁合金材料作為一方的被接合部件,將鋁合金材料及純鋁材料中任一種作為另一方的被接合部件,接合上述兩被接合部件,其特征在于:一方的被接合部件和另一方的被接合部件的鋁合金材料的Mg含有量都限制為0.5質(zhì)量%以下,在作為一方的被接合部件的鋁合金材料內(nèi)生成的液相質(zhì)量相對(duì)該鋁合金材料的全質(zhì)量之比為5%以上、35%以下的溫度,在氟化物系焊劑或氯化物系焊劑涂布在接合部件間的狀態(tài)下,在非氧化性氣氛中接合。
文檔編號(hào)B23K20/16GK102917833SQ20118002644
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2011年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者村瀨崇, 藤田和子, 新倉昭男 申請(qǐng)人:古河Sky株式會(huì)社