JP2005177812A

JP2005177812A - 超音波圧接用チップおよび該チップを用いる超音波圧接方法

Info

Publication number: JP2005177812A
Application number: JP2003422924A
Authority: JP
Inventors: Takamasa Suzuki; 孝政鈴木; Koji Tanaka; 晃二田中; Keizo Nanba; 圭三難波
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】超音波圧接後の接合部に割れや凝着（スティッキング）がなく、また接合部の表層部に大きな変形を生じることなく、連続接合により健全且つ信頼性のある強固な接合部を得ることを可能とする超音波圧接用チップおよび当該チップを用いる超音波圧接方法を提供する。
【解決手段】重ね合わせたアルミニウム板と鋼板とを接合母材として超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に配置し、チップとアンビルで接合母材を加圧し、チップに超音波を与えて超音波圧接するための円筒形状のチップであって、チップの先端部が、肩部から連続的に形状が変化する凸面状に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波圧接用チップ、とくに、アルミニウム板と鋼板との接合に好適に使用される超音波圧接用チップ、および当該チップを用いる超音波圧接方法に関する。

超音波圧接法は、図１に概略を示すように、超音波圧接装置のチップ（音極）１とアンビル（反射極）２との間に、重ね合わせた接合母材Ｍ₁、Ｍ₂を配置し、接合母材Ｍ₁、Ｍ₂の接触面を加圧力Ｐで加圧した状態で、チップ１に超音波を与えて接触部Ｃを圧接し、接合母材Ｍ₁、Ｍ₂を接合するものである。

すなわち、超音波発振器３からの電気的エネルギーを、振動子４で機械的振動エネルギーに変換し、この振動エネルギーをチップ１に伝え、接合部材Ｍ₁、Ｍ₂の接触部Ｃに振動振幅ξを与える。これによって、接触面ですべりが生じ、塑性流動と摩擦熱により接触部Ｃの温度が上昇する。

一般に、超音波圧接の接合原理は、接合初期の段階で、接合母材界面への加圧による圧縮変形で接合界面の酸化皮膜や油膜（汚れ）を破壊し、且つ振動による接合母材同士の相対移動で破壊した酸化皮膜や油膜を周縁部へ追い出し、さらに振動エネルギーを界面に与えることによって、酸化皮膜などが完全に除去されて新生面が出現し、振動による接合界面の相対移動によって摩擦発熱を生じ、接合界面を活性化させて固相接合が完成する。

このため、とくにアルミニウム板と鋼板の接合など、異種金属の接合においては、加振する側に硬い材料を配置した方が接合界面に振動エネルギーを与え易く、摩擦発熱を効果的に生ぜしめ、金属結合が促進されるが、振動エネルギーを接合界面にだけに効果的に付与するためには、超音波圧接装置のチップ１とアンビル２との間に、重ね合わせた接合母材Ｍ₁、Ｍ₂を配置して振動エネルギーを与えるに際し、チップ１と接合部材Ｍ₁が強固にグリップされ、固着されていることが重要であり、グリップが十分でない場合には、チップ１と接合母材Ｍ₁の間に接合が生じるという問題もあり、超音波スポット圧接などによるアルミニウム板と鋼板との接合において、十分な強度を有する信頼性のある継ぎ手を形成するには多くの問題が残されている（例えば、非特許文献１参照）。

アルミニウム板と鋼板との超音波圧接における上記の問題を解決するために、例えば、チップやアンビルと接合母材が互いに滑らないようにチップで接合母材を強く加圧したり、チップやアンビルの先端の加圧面に滑り止め防止用の凹凸を設けることが行われている（特願２００２−９６８４号）が、このような手法においては、接合部の表層部の変形が大きくなって外観を損ねたり、接合部位の板厚が局部的に減少することにより接合強度が低下するという問題がある。

また、加圧力を大きくすると、チップの先端部が接合母材に押し込まれる際、押し込まれる部位のチップの先端部でチップ側に配置される接合母材に割れが生じ易いという問題点があり、さらに、前記外接円近傍において、接合母材とチップとが凝着（スティッキング）し易くなり、その結果として接合部における接合母材の割れが助長されるとともに、チップの耐久性が低下して連続打点性が低下するという難点もある。

これらの課題を解決する一つの手段として、チップおよび／またはアンビルの、接合母材との接触面の少なくとも一方がダイヤモンドライクカーボンで形成されるか、またはチップおよび／またはアンビルがセラミックスで形成された方法が提案されている（特許文献１）が、この方法でもスティッキング防止には充分ではなかった。
軽金属溶接、Ｖｏｌ．１８（１９８０）、Ｎｏ．５、２３３〜２３５頁特開２００１−２０５４５２号公報（請求項）

本発明は、超音波圧接、とくにアルミニウム板と鋼板との超音波圧接における上記従来の問題点を解消するために、チップ形状と接合部の割れやスティッキングの発生などとの関連について試験、検討を重ねた結果としてなされたものであり、その目的は、超音波圧接後の接合部に割れや凝着がなく、また接合部の表層部に大きな変形を生じることなく、連続接合により健全且つ信頼性のある強固な接合部を得ることを可能とする超音波圧接用チップおよび当該チップを用いる超音波圧接方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１による超音波圧接用チップは、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板とを接合母材として超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に配置し、チップとアンビルで接合母材を加圧し、チップに超音波を与えて超音波圧接するための円筒形状のチップであって、チップの先端部が、肩部から連続的に形状が変化する凸面状に形成されていることを特徴とする。

請求項２による超音波圧接用チップは、請求項１において、前記凸面状に形成されたチップの先端部の接合母材加圧面が平坦面に形成されていることを特徴とする。

請求項３による超音波圧接用チップは、請求項１または２において、前記円筒形状のチップの直径をＲ、肩部から接合母材加圧面にかけての凸面の半径をｒ、平坦面の直径をＲ´とするとき、Ｒ＝３〜２５ｍｍ、ｒ＝１〜１５０ｍｍ、Ｒ´＝０〜１２ｍｍで、Ｒ≦２ｒ＋Ｒ´の関係にあることを特徴とする。

請求項４による超音波圧接用チップは、請求項１〜３のいずれかにおいて、構成材料がセラミックス材料または鉄系材料からなることを特徴とする。

請求項５による超音波圧接用チップは、請求項４において、前記セラミックス材料が窒化珪素であることを特徴とする。

請求項６による超音波圧接用チップは、請求項４において、前記鉄系材料からなる超音波圧接用チップであり、接合母材加圧面にセラミックスが被覆されていることを特徴とする。

本発明による超音波圧接方法は、請求項１〜６のいずれかに記載の超音波圧接用チップとアンビルとの間に重ね合わせたアルミニウム板と鋼板とを接合母材を配置して、該接合母材を超音波圧接することを特徴とする。

本発明によれば、超音波圧接後の接合部に割れや凝着（スティッキング）がなく、また接合部の表層部に大きな変形を生じることなく、連続接合により健全且つ信頼性のある強固な接合部を得ることを可能とする超音波圧接用チップおよび当該チップを用いる超音波圧接方法が提供される。

本発明は、図１に示す超音波圧接装置のチップ１とアンビル２の間に、重ね合わせた金属板Ｍ₁、Ｍ₂を接合母材として配置し、チップ１とアンビル２で接合母材を加圧し、チップ１に超音波を与えて超音波圧接するための円筒形状のチップであって、図２〜４に示すように、チップ１の先端部５が、肩部６から連続的に形状が変化する凸面状に形成されていることを特徴とする。図２〜３はドーム状の先端部を有するもの、図４は球頭状の先端部を有するものを示す。

チップ１の先端部５を、肩部６から連続的に形状が変化する凸面状に形成することにより、超音波圧接において、チップ１の先端部５がチップ１側に配置される接合母材Ｍ₁に押し込まれる際、押し込まれる部位のチップ１の先端部５における応力集中が緩和して接合母材Ｍ₁の割れを防止することができる。また、外接円近傍における接合母材とチップとの凝着（スティッキング）の発生問題も十分に抑制されることができる。

本発明による超音波圧接用チップにおいて、前記凸面状に形成されたチップ１の先端部５の接合母材加圧面７は、図２に示すように平坦面に形成されることもでき、図３〜４に示すように円弧の一部として形成されることもできる。平坦面を形成した場合には、チップと接合母材のグリップがより十分なものとなり、チップと接合母材が接合するという不具合をより効果的に防止することができる。平坦面には閉空間の凹部を設けてもよく、該凹部を設けることによりなお一層のグリップ効果が得られる。

本発明による超音波圧接用チップは、図２〜３に示すように、円筒形状のチップの直径をＲ、肩部から接合母材加圧面にかけての凸面の半径をｒ、平坦面の直径をＲ´とするとき、Ｒ＝３〜２５ｍｍ、ｒ＝１〜１５０ｍｍ、Ｒ´＝０〜１２ｍｍで、Ｒ≦２ｒ＋Ｒ´の関係にあることが望ましい。Ｒが３ｍｍ未満では、チップの径が小さ過ぎて圧接面積が小さくなり、十分な接合強度が得難い。Ｒが２５ｍｍを越えると、チップの径が大き過ぎて装置が大がかりなものとなり実用的でない。

ｒが１ｍｍ未満では、円弧部分が小さ過ぎて接合母材に押し込まれるチップ部位の先端部における応力集中の緩和が不十分となり、接合母材の割れやスティッキングが防止し難い。ｒが１５０ｍｍを越えると、円弧状凸面がより平坦に近くなるため、ｒが１ｍｍ未満の場合と同様に、接合母材に押し込まれるチップ部位の先端部における応力集中の緩和が不十分となり、接合母材の割れやスティッキングが防止し難くなる。Ｒ´が１２ｍｍを越えると、平坦面の面積が大き過ぎて、チップと接合母材との間にスティッキングが生じ易くなる。

本発明のチップを用いる超音波圧接方法においては、重ね合わせた金属板として、例えば、亜鉛めっき防錆鋼板、軟鋼板などの鋼板同士の組み合わせ、５０００系アルミニウム合金板、６０００系アルミニウム合金板などのアルミニウム板同士の組み合わせ、鋼板とアルミニウム板との組み合わせが適用される。

本発明のチップ、とくに鋼板とアルミニウム板との接合に用いられる超音波接合用チップにおいては、セラミックス材料または鉄系材料により構成するのが好ましい。セラミックス材料としては窒化珪素がとくに好ましく、鉄系材料からなる超音波圧接用チップの場合には、接合母材加圧面にセラミックスを被覆することが望ましく、このようなチップ構成によって、前記凝着（スティッキング）はさらに効果的に抑制され、その結果として接合母材Ｍ₁の割れの発生も解消される。

チップ１と接合部材Ｍ₁とを強固にグリップして振動エネルギーを接合界面に効果的に付与するため、チップ１の接合母材Ｍ₁との接触面（加圧面）に凹凸部を設けるのが好ましい。凹凸部としては、溝、ディンプル、凹凸状のクロスハッチ模様などの幾何学的模様を適用することができる。チップの接合母材Ｍ₁との接触面に凹凸部を設けることにより、加圧時にチップの先端部が接合母材に押し込まれる際、接合母材の一部がチップに設けられた凹部に入り込み、チップと一体化し易くなる。

本発明のチップは、鋼板とアルミニウム板との超音波圧接に好適に用いることができ、この場合には、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板を超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に、アルミニウム板がアンビル側に鋼板がチップ側になるよう配置するのが好ましく、接合に際しては、超音波の周波数、出力、押込量、圧接時間などの圧接条件を調整することにより、接触部Ｃ（図１）をアルミニウム板の溶融点以上で鋼板の溶融点未満の温度、さらに好ましくは、アルミニウム板の溶融点以上で鋼板のＡ１変態点以下の温度に加熱しアルミニウム板の溶融点以上で鋼板の溶融点未満の温度に加熱するのが好ましい。

好ましい実施態様としては、超音波の周波数を１０〜３０ｋＨｚに設定し、図２に示すように、チップ１側（超音波入力側）に鋼板が配設され、アンビル２側（反射極側）にアルミニウム板が配設されるよう接合母材をセットし、接合時の接触部Ｓの温度をアルミニウムの溶融点以上、鋼板のＡ１変態点以下にして、スポット溶接のように加圧力Ｐ（０．０５〜２．５ＭＰａ）で圧接すると、ナゲットの形成により接合部が得られる。加圧力Ｐが０．０５ＭＰａ未満では、グリップ力が小さ過ぎてチップと接合母材の間で滑り易くなり、加圧力Ｐが２．５ＭＰａを越えると、加圧力が大き過ぎてスティッキングが生じ易くなる。より好ましい加圧力は０．１〜１．２ＭＰａである。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。なお、これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
実施例１
アルミニウム板として６Ｎ０１合金板（調質：Ｔ４調質材、厚さ：１．０ｍｍ）、５０８３合金板（調質：Ｏ材、厚さ：１．０ｍｍ）、鋼板として防錆鋼板（厚さ：０．７ｍｍ）を使用し、これらの接合母材を組み合わせ、表１に示すチップを用い、表１に示す圧接条件で接合部を形成した。なお、超音波圧接装置としては、ソノボンド（ｓｏｎｏｂｏｎｄ）社製ＭＨ−２０２５（出力２．５ｋＷ、周波数２０ｋＨｚ）を使用した。

得られた継手（試験材）について、接合部におけるチップ側の接合母材の割れ発生の有無、凝着（スティッキング）の有無を観察し、評価として、割れも凝着も無いもの（◎）、割れまたは凝着のいずれかが少し有るもの（○）を良好とし、割れまたは凝着のいずれかが有るもの（△）、割れも凝着も少し有るもの（△）、割れも凝着も有るもの（×）を不良とした。結果を表２に示す。

表２にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜８は、割れ発生、凝着発生において改善され、評価において、いずれも良好な結果が得られた。

比較例１
アルミニウム板として６Ｎ０１合金板（調質：Ｔ４調質材、厚さ：１．０ｍｍ）、鋼板として防錆鋼板（厚さ：０．７ｍｍ）を使用し、これらの板材を組み合わせ、表４に示すチップを用いて、チップ側に鋼板、アンビル側にアルミニウム板が配設されるよう、実施例１と同一の超音波圧接装置にセットし、表３に示す圧接条件で接合部を形成した。なお、表４に示すチップの形状において、図５は球頭状の先端部に不連続な平坦面を有するもの、図６は円錐台状の先端部を有するもの、図７は円錐状の先端部を有するもの、図８は平面状の先端部を有するものを示す。

得られた継手（試験材）について、実施例と同様、接合部におけるチップ側の接合母材の割れ発生の有無、凝着（スティッキング）の有無を観察し、実施例１と同一の評価を行った。結果を表４に示す。

表４に示すように、チップとして、チップ形状がチップの先端部が肩部から連続的に形状が変化する凸面状に形成されたものではなく、フォーム連続部を有するチップを用いて接合した試験材にはいずれも割れまたは凝着が認められた。

本発明の超音波圧接方法を実施するための装置の概略図である。本発明の超音波圧接用チップの実施例を示す略図である。本発明の超音波圧接用チップの他の実施例を示す略図である。本発明の超音波圧接用チップのさらに他の実施例を示す略図である。従来の超音波圧接用チップの例を示す略図である。従来の超音波圧接用チップの他の例を示す略図である。従来の超音波圧接用チップのさらに他の例を示す略図である。従来の超音波圧接用チップのさらに他の例を示す略図である。

符号の説明

１チップ（音極）
２アンビル（反射極）
３超音波発振器
４振動子
５先端部
６肩部
７接合母材加圧面
Ｍ₁接合母材
Ｍ₂接合母材
Ｃ接触部

Claims

重ね合わせたアルミニウム板（アルミニウム合金板を含む、以下同じ）と鋼板とを接合母材として超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に配置し、チップとアンビルで接合母材を加圧し、チップに超音波を与えて超音波圧接するための円筒形状のチップであって、チップの先端部が、肩部から連続的に形状が変化する凸面状に形成されていることを特徴とする超音波圧接用チップ。
前記凸面状に形成されたチップの先端部の接合母材加圧面が平坦面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波圧接用チップ。
前記円筒形状のチップの直径をＲ、肩部から接合母材加圧面にかけての凸面の半径をｒ、平坦面の直径をＲ´とするとき、Ｒ＝３〜２５ｍｍ、ｒ＝１〜１５０ｍｍ、Ｒ´＝０〜１２ｍｍで、Ｒ≦２ｒ＋Ｒ´の関係にあることを特徴とする請求項１または２記載の超音波圧接用チップ。
構成材料がセラミックス材料または鉄系材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波圧接用チップ。
前記セラミックス材料が窒化珪素であることを特徴とする請求項４記載の超音波圧接用チップ。
前記鉄系材料からなる超音波圧接用チップであり、接合母材加圧面にセラミックスが被覆されていることを特徴とする請求項４記載の超音波圧接用チップ。
請求項１〜６のいずれかに記載の超音波圧接用チップとアンビルとの間に重ね合わせたアルミニウム板と鋼板とを接合母材として配置して、該接合母材を超音波圧接することを特徴とする超音波圧接方法。