JP2003266180A

JP2003266180A - 超音波接合用工具および超音波接合装置

Info

Publication number: JP2003266180A
Application number: JP2002070720A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Makuchi; 裕馬久地
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2003-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波接合において、ホーンやアンビルのよ
うな直接被接合材に接する工具と被接合材金属との凝着
を防止することができ、板厚の厚いアルミ材でも超音波
接合を連続して行うことができる超音波接合用工具と、
このような工具を用いた超音波接合装置を提供する。【解決手段】超音波接合に際して直接被接合材Ｐ１，
Ｐ２に接する工具、すなわちホーン５およびアンビル６
を構成する鋼製基材の表面、少なくとも被接合材Ｐ１，
Ｐ２と接する部分の表面に炭化物層をコーティングす
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、金属材同士、例え
ばアルミニウム及びその合金同士、あるいはアルミニウ
ム及びその合金（以下、アルミ材と略称する）と他種金
属（例えば鋼材など）との固相接合に好適な超音波接合
に用いられる超音波接合用工具に係わり、さらに詳しく
は、超音波接合に際して工具と被接合材との間の凝着を
防止することが可能な超音波接合用工具と、このような
工具を搭載した超音波接合装置に関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】超音波接合は、適度の
加圧下において、被接合材を工具により保持しながら、
超音波による振動エネルギを接合面に平行に与え、接合
境界面に溶融を生じさせることなく接合する技術であっ
て、大気中において比較的短時間で接合することがで
き、例えば比較的板厚の小さな銅やアルミ材の接合に適
用されている。

【０００３】図１はこのような超音波接合の原理および
その装置の概要を示す概念図であって、図示する超音波
接合装置１は、電気エネルギを振動（超音波）エネルギ
に変換するトランスデューサ２と、振動エネルギを被接
合材Ｐ１に伝達する振動伝達機構としてのウエッジ３、
リード４およびホーン（チップ）５、被接合材Ｐ２を固
定するアンビル６、さらに接合部Wに加圧力Ｐを加える
加圧機構からなり、トランスデューサ２によって変換さ
れた振動エネルギは、ウエッジ３、リード４およびホー
ン５を介して被接合材Ｐ１に伝えられ、アンビル６に保
持された被接合材Ｐ２との接合部Wに確実に伝達される
ようになっている。このような超音波接合においては、
ウエッジ３およびホーン５を介して振動エネルギが接合
面に平行な方向に与えられると、振動による表面の摩擦
によって表面層に塑性変形を生じ、汚れがとれ、酸化膜
が破れて清浄な面が現れたところで加圧接合されること
になり、局部的に熱が発生するものの、接合部が溶融す
ることはなく（固相接合）、接合部の変形が少なく、異
種材の接合にも適用することができるなどの特徴を有し
ている。

【０００４】しかしながら、このような超音波接合によ
って、例えばアルミ材のような低融点金属を接合しよう
とする場合、超音波エネルギをアルミ材（被接合材Ｐ
１、Ｐ２）に印加すると、ホーン５やアンビル６といっ
た直接被接合材に接する工具が被接合材であるアルミ材
に凝着してしまうことがあるという問題点がある。この
ような現象は、超音波の入力エネルギが高いほど顕著な
ものとなり、被接合材や、場合によっては工具の表面が
破損することがある。被接合材の板厚が増すと入力エネ
ルギも高くすることが必要となることから、アルミ材の
場合にはその板厚が０．５〜０．７ｍｍを超えると、凝
着が起り易くなることが確認されている。

【０００５】また、板厚が比較的薄く、入力エネルギが
さほど大きくない場合であっても、接合回数を重ねる
と、工具の表面に付着したアルミ材が積層されることに
よって、満足な接合ができなくなるという不具合が生じ
ることになり、したがって現状では、入力エネルギが小
さくて済む比較的薄い材料しか接合することができず、
この場合でも工具表面を定期的に研磨しなければならな
いという問題点があり、これらの問題点の解消が、超音
波接合、とくにアルミニウム合金やマグネシウム合金の
ような低融点金属の超音波接合における課題となってい
た。

【０００６】なお、特開平７−１２４７６１号公報に
は、このような工具と被接合材金属の凝着を防ぐための
方法として、油などの有機物を塗布する方法が提案され
ているが、このような有機物を塗布したり、除去したり
するための工程や装置が増すことになって生産性が低下
するばかりでなく、作業環境も劣化することになり、現
実的なものとは言えない。

【０００７】

【発明の目的】本発明は、従来の超音波接合における上
記課題に着目してなされたものであって、ホーンやアン
ビルのような直接被接合材に接する工具と被接合材金属
との凝着を防止することができ、板厚の厚いアルミ材の
ような低融点金属であっても、超音波接合を連続して行
うことができる超音波接合用工具と、このような工具を
用いた超音波接合装置を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる超音波接
合用工具は、金属材同士の超音波接合に用いる工具であ
って、少なくとも被接合材に接する部分の表面に炭化物
層をコーティングした鋼材からなる構成としたことを特
徴としており、超音波接合用工具におけるこのような構
成を前述した従来の課題を解決するための手段としてい
る。なお、本発明において工具とは、被接合材に直接当
接して当該被接合材を拘束し、被接合材の間に超音波に
よる振動エネルギを与えるための工具であって、具体的
には、図１におけるホーン（チップ）５及びアンビル６
を意味する。

【０００９】本発明に係わる超音波接合用工具の好適形
態としては、表面の炭化物層が基材としての鋼材と冶金
的に結合している構成、さらには被接合材の少なくとも
一方がアルミニウム合金又はマグネシウム合金である構
成としたことを特徴としている。

【００１０】そして、本発明に係わる超音波接合装置
は、上記超音波接合用工具を備えている構成としたこと
を特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明に係わる超音波接合用工具
は、超音波接合に際して被接合材に直接当接して、被接
合材を拘束するホーン（チップ）やアンビルといった工
具の鋼製基材表面の全体、あるいは少なくとも被接合材
と接触する部分に炭化物層をコーティングしたものであ
り、これによって工具表面への被接合材金属の凝着が防
止される。炭化物は、一般に硬質で耐摩耗性に優れ、変
形し難いことから耐久性がある。また、酸化物や窒化物
に較べて熱伝導性に優れることから、接触部の局部的な
温度上昇を抑えることができ、凝着防止に効果的に作用
する。

【００１２】工具基材としては、強度、加工性、コスト
などの点から、鋼材を用いる。被接合材金属との凝着を
防止する観点からは、鋼材のほか、セラミックスなどの
非金属材料を用いることも考えられるが、被接合材の拘
束機能を付与するためには、工具表面には微細な加工を
施す必要があり、加工工数からして工具をセラミックス
単体で形成するのは現実的ではない。また、セラミック
スは、一般に靭性に乏しく、先端部などが欠けることに
よって工具寿命が得られない可能性がある。工具の基材
を鋼製とすることにより、表面に被接合材拘束用の微細
形状の形成が容易なものとなり、炭化物層を薄くコーテ
ィングすれば、基材に予め形成しておいた微細形状をそ
のまま活かすことができる。

【００１３】炭化物の種類としては、特に制限はなく、
例えばＴｉＣ、ＶＣ、ＮｂＣなどを処理法に応じて選択
することができる。また、炭化物コーティング層は、凝
着防止の機能からすれば、厚く形成する必要はなく、数
μｍの厚さとすれば十分である。

【００１４】この炭化物コーティング層は、メカニカル
に結合しているだけでは、基材との密着性が低く、当該
工具と被接合材が接触する際の衝撃や、接合中の応力に
よって剥離してしまうことがないとは言えず、耐久性の
観点から基材としての鋼材に冶金的に結合していること
が望ましい。炭化物層のコーティング方法としては、上
記したように必要以上に厚くコーティングすることはな
いので、ＰＶＤ，ＣＶＤ，塩浴処理などを適用すること
ができ、コーティング処理時の熱、あるいはコーティン
グ後の熱処理によって基材との間に拡散を生じさせ、冶
金的に結合させることが望ましい。このようにすること
によって密着性に優れたコーティング層が得られ、工具
としての耐久性が向上することになる。

【００１５】本発明に係わる超音波接合用工具は、被接
合材の少なくとも一方がアルミニウム合金又はマグネシ
ウム合金の場合に、適用効果がより顕著なものとなる。
すなわち、アルミ材やマグネシウム合金材などの比較的
低融点の金属の場合には、工具との凝着が発生し易いこ
とから、このような炭化物層をコーティングした工具の
使用が効果的なものとなる。

【００１６】また、超音波接合では、同種金属同士の接
合のみならず、固相接合という特徴を活かして、異種金
属との接合も可能である。例えば、軽量化のために採用
したアルミニウムやマグネシウム部材と周囲の鋼部材と
の接合にも適用することができる。例えば、自動車にお
ける車体構造用部材においては、板厚が０．７ｍｍ以上
のことが多く、このような比較的厚板のアルミ材やマグ
ネシウム材同士、あるいはこれらアルミ材やマグネシウ
ム合金材と鋼との異種接合も、本発明に係わる炭化物コ
ーティング工具を用いることによって可能になる。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいてさらに具
体的に説明する。

【００１８】（実施例１）図１に示すような超音波接合
装置を使用し、高速度鋼からなる工具基材の表面に、Ｖ
Ｃ（炭化バナジウム）を５μｍの厚さにコーティングし
てなるホーン５及びアンビル６の工具を装着し、０．２
ｍｍ厚さの１０００系アルミ材（工業用純アルミニウ
ム）同士を連続して超音波接合したところ、５０回を過
ぎても、アルミ材と上記工具との凝着は全く発生せず、
５０回以上の連続接合が可能であることが確認された。

【００１９】（比較例１）上記実施例と比較するため
に、高速度鋼からなり、炭化物コーティングのない従来
のホーン５およびアンビル６を使用して、上記同様の被
接合材を同様の条件によって超音波接合を繰返したとこ
ろ、３０回目前後から工具表面にアルミ材が凝着し始
め、５０回を越すと、工具とアルミ材とが完全に凝着
し、接合の続行ができなくなった。

【００２０】（実施例２）図１に示す超音波接合装置に
おいて、高速度鋼からなる工具基材の表面に、ＴｉＣ
（炭化チタン）を７μｍの厚さにコーティングしたホー
ン５及びアンビル６を装着し、１．０ｍｍ厚さの５００
０系アルミ材（Ａｌ−Ｍｇ系合金）同士を連続して超音
波接合したところ、２０回接合を繰り返してもアルミ材
と工具との凝着は全く発生せず、工具の表面が清浄な状
態に維持されていることが確認され、問題なく接合を続
行することができた。

【００２１】（比較例２）これに対し、炭化物コーティ
ングのない従来の高速度鋼製ホーン５およびアンビル６
を使用した場合には、最初から凝着を起こし、数回で接
合を続けることができなくなった。

【００２２】（実施例３）実施例１と同様のホーン５及
びアンビル６を装着した超音波接合装置を使用し、厚さ
１．４ｍｍの５０００系アルミ材と厚さ０．８ｍｍの冷
間圧延鋼板との超音波接合を連続的に行ったところ、２
０回の接合を繰り返してもアルミ材と工具との凝着は全
く発生せず、問題なく接合できることが確認された。

【００２３】（比較例３）これに対し、炭化物コーティ
ングのない従来の高速度鋼製ホーン５およびアンビル６
を使用した場合には、１回目から激しく凝着し、全く接
合することができなかった。

【００２４】上記の実施例及び比較例から明らかなよう
に、本発明に係わる超音波接合用工具は、従来のものに
較べて耐凝着性に優れ、特に厚板のアルミ材の接合に好
適なことが確認された。

【００２５】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明に係わ
る超音波接合用工具は、鋼製基材の表面、少なくとも被
接合材と接する部分に炭化物層をコーティングしてなる
ものであるから、また、本発明に係わる超音波接合装置
は、このような超音波接合用工具を備えたものであるか
ら、当該工具と被接合材との凝着を効果的に防止するこ
とができ、とくに、アルミ材やマグネシウム合金材など
の比較的低融点の金属、とりわけ厚板の同種接合、ある
いは例えば鋼材などとの異種接合を連続的に行うことが
できるという極めて優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超音波接合の原理とその装置構成の概要を示す
説明図である。

【符号の説明】

１超音波接合装置５ホーン（工具）６アンビル（工具）Ｐ１，Ｐ２被接合材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属材同士の超音波接合に用いる工具で
あって、少なくとも被接合材に接する部分の表面に炭化
物層をコーティングした鋼材からなることを特徴とする
超音波接合用工具。
【請求項２】表面の炭化物層が基材としての鋼材と冶
金的に結合していることを特徴とする請求項１記載の超
音波接合用工具。
【請求項３】被接合材の少なくとも一方がアルミニウ
ム合金又はマグネシウム合金であることを特徴とする請
求項１又は２記載の超音波接合用工具。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１つの項に記載
の超音波接合用工具を備えていることを特徴とする超音
波接合装置。