JP2005254324A - Ultrasonic welding method of aluminum material and steel material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金材(以下、総称してアルミニウム材という)と鋼材とを接合して高強度の接合体を得ることができるアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic joining method between an aluminum material and a steel material, which can obtain a high-strength joined body by joining aluminum or an aluminum alloy material (hereinafter collectively referred to as an aluminum material) and a steel material.
アルミニウム材は軽量で美観に優れており、例えば輸送機等の軽量化のための材料として使用される。なかでもアルミニウム材を強度及び成形性が優れた鋼材と組み合わせたハイブリッド構造のものが注目されている。 Aluminum material is lightweight and excellent in aesthetics, and is used as a material for weight reduction of, for example, a transport aircraft. Among them, a hybrid structure in which an aluminum material is combined with a steel material having excellent strength and formability has attracted attention.
しかし、アルミニウム材と鋼材のような異種金属を接合する場合、鋼材同士の接合において従来から採用されている各種の溶接技術をそのまま適用することは困難である。例えば、抵抗スポット溶接をアルミニウム材と鋼材との接合に適用した場合、アルミニウム材は導電性が良いので、加圧、通電後の両材の接合界面に脆弱な金属間化合物が形成されてしまう。このため、アルミニウム材と鋼材との接合部分は界面剥離し易く、十分な接合品質を得ることができないという問題点があった。 However, when joining dissimilar metals such as an aluminum material and a steel material, it is difficult to apply various welding techniques that have been conventionally employed in joining the steel materials. For example, when resistance spot welding is applied to the joining of an aluminum material and a steel material, since the aluminum material has good conductivity, a fragile intermetallic compound is formed at the joint interface between the two materials after pressurization and energization. For this reason, there is a problem in that the joint portion between the aluminum material and the steel material is easily peeled at the interface, and sufficient joining quality cannot be obtained.
そこで、抵抗スポット溶接に代わり、超音波接合によりこれらの異種金属を接合する方法が提案された。 Therefore, a method for joining these dissimilar metals by ultrasonic bonding instead of resistance spot welding has been proposed.
すなわち、異種材料である鉄部材とアルミニウム部材との接合部分について、接合強度を損なうことなく充分な防錆処理を施すことを目的として、鉄部材のアルミニウム材との接合面にフラックスを塗布した後、溶融亜鉛めっきを施し、この亜鉛めっき膜にアルミニウム材の接合面を当接させて超音波接合し、その後、両部材の接合部分にクロメート処理を施す鉄部材とアルミニウム部材との接合処理方法が提案されている(特許文献1、段落0010乃至0013、図1乃至図5)。また、めっき処理を行うことなく、めっきを行う接合法と同等の接合強度を得ることを目的として、アルミニウムとは異なる部材のアルミニウム材との接合面の酸化膜を酸洗浄した後、はんだ浴中で超音波を印加して接合表面にはんだ層を形成し、一方、アルミニウム材の異種材料との接合面に同様にしてはんだ層を形成し、両部材のはんだ層同士を突合せ、加圧しながら超音波接合するアルミニウムと異種材料との接合方法が提案されている(特許文献2、段落0012乃至0015、図1乃至図5)。 That is, after applying a flux to the joint surface between the iron member and the aluminum material, the joint portion between the iron member and the aluminum member, which are different materials, for the purpose of providing sufficient rust prevention treatment without impairing the joint strength. There is a method of joining an iron member and an aluminum member, which is hot dip galvanized, ultrasonically joined by contacting the joining surface of the aluminum material to the galvanized film, and then subjecting the joined portion of both members to chromate treatment. It has been proposed (Patent Document 1, paragraphs 0010 to 0013, FIGS. 1 to 5). Also, in order to obtain the same bonding strength as the plating method without plating, the oxide film on the joint surface with the aluminum material of a member different from aluminum is acid-washed and then in a solder bath. In the same way, an ultrasonic wave is applied to form a solder layer on the joining surface. On the other hand, a solder layer is similarly formed on the joining surface of the dissimilar material of the aluminum material. There has been proposed a joining method of aluminum and a different material to be sonic joined (Patent Document 2, paragraphs 0012 to 0015 and FIGS. 1 to 5).
更に、超音波振動を利用して金属を溶融させることなく固相接合する技術が開示されており、異種金属間での接合の可能性が期待されている(非特許文献1、第19頁乃至24頁)。なお、これら以外にも、例えば濡れ性を良好にするために、超音波振動を利用してハンダ接合する技術が提案されている。 Furthermore, a technique for solid-phase bonding without melting metal using ultrasonic vibration is disclosed, and the possibility of bonding between different metals is expected (Non-Patent Document 1, pages 19 to 24). In addition to these, for example, in order to improve wettability, a technique of soldering using ultrasonic vibration has been proposed.
しかしながら、上記従来技術は、超音波接合に関して最適な接合条件を開示するものではなく、良好に接合することができないか、又は接合できても十分な接合強度が得られないという問題点があった。 However, the above prior art does not disclose the optimum bonding conditions for ultrasonic bonding, and there is a problem that sufficient bonding strength cannot be obtained even if bonding cannot be performed satisfactorily. .
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、接合界面にAl−Fe系の金属間化合物が生成せず、安定して高い接合強度の接合体が得られるアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an aluminum material and a steel material in which an Al—Fe-based intermetallic compound is not generated at a bonding interface and a bonded body having high bonding strength can be stably obtained. An object is to provide an ultrasonic bonding method.
本願発明に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法は、アルミニウム材と鋼材とを超音波接合装置を使用して接合する超音波接合方法において、前記アルミニウム材として、鋼材との接合面における表面粗さ規格(JIS B 0601)の算術平均高さRaが0.79乃至1.59μmのものを使用することを特徴とする。 The ultrasonic bonding method between an aluminum material and a steel material according to the present invention is an ultrasonic bonding method in which an aluminum material and a steel material are bonded using an ultrasonic bonding apparatus. The arithmetic mean height Ra of the roughness standard (JIS B 0601) is 0.79 to 1.59 μm.
この超音波接合方法において、アルミニウム材を超音波接合装置のホーンに直結されたチップ側に配置し、鋼材を前記チップに対向するアンビル側に配置して超音波接合することが好ましい。 In this ultrasonic bonding method, it is preferable that the aluminum material is disposed on the chip side directly connected to the horn of the ultrasonic bonding apparatus, and the steel material is disposed on the anvil side facing the chip to perform ultrasonic bonding.
本願発明に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法によれば、溶接フラクッス等の特別な消耗品を使用することなく、しかも接合界面にAl−Fe系の金属間化合物を生成させることなく、異種材料であるアルミニウム材と鋼材とを強力に接合して接合強度の高い接合体を得ることができる。またこの超音波接合方法において、アルミニウム材を超音波接合装置のホーンに直結されたチップ側に配置して接合することにより、接合に要するエネルギーを節約することができる。 According to the ultrasonic joining method of an aluminum material and a steel material according to the present invention, without using a special consumable such as a welding flux, and without generating an Al-Fe-based intermetallic compound at the joining interface, A bonded body with high bonding strength can be obtained by strongly bonding an aluminum material and a steel material, which are different materials. Further, in this ultrasonic bonding method, the energy required for bonding can be saved by arranging and bonding the aluminum material on the chip side directly connected to the horn of the ultrasonic bonding apparatus.
以下、本発明の実施の形態に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法について図面を参照して具体的に説明する。図1は、本発明に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法を示す模式図である。本発明方法に使用される超音波接合装置は、水平姿勢に固定され設置されたアンビル6と、図示省略されたホーンに直結され水平方向に超音波振動(S)するチップ5とを有している。この超音波接合装置は被接合材である二種類の部材をチップ5とアンビル6との間に挟んで加圧し、これに超音波を与えて図1のS方向に振動させる。
Hereinafter, the ultrasonic joining method of the aluminum material and steel material which concerns on embodiment of this invention is demonstrated concretely with reference to drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an ultrasonic bonding method between an aluminum material and a steel material according to the present invention. The ultrasonic bonding apparatus used in the method of the present invention has an anvil 6 fixed and installed in a horizontal posture, and a
このような構成の装置において、アルミニウム材3と鋼材1をその接合面で接合して接合体4とし、この接合体4をチップ5とアンビル6との間に配置する。このとき、アルミニウム材3として、鋼材1との接合面における表面粗さ規格(JIS B 0601)の算術平均高さRaが0.79乃至1.59μmのものを使用する。
In the apparatus having such a configuration, the
表面粗さ規格(JIS B 0601)における算術平均高さRaとは、図2に示したように、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の方向にX軸、縦倍率の方向にY軸を、下記数式1で表した時に、下記数式2によって求められる値をいう。 As shown in FIG. 2, the arithmetic average height Ra in the surface roughness standard (JIS B 0601) is extracted from the roughness curve by a reference length in the direction of the average line, and X in the direction of the extracted portion. When the Y axis is expressed by the following formula 1 in the direction of the axis and the vertical magnification, it is a value obtained by the following formula 2.
算術平均高さRaを0.79乃至1.59μmとすることにより、アルミニウム材3が局所的に塑性変形することによってその表面酸化膜が破壊され、より活性の高い金属面同士の接触が可能となる。このため、超音波接合初期の新生金属面同士の拡散が促進され、接合強度が高くなる。
By setting the arithmetic average height Ra to 0.79 to 1.59 μm, the surface of the
算術平均高さRaが0.79μmよりも小さいと局部的な塑性変形が起こりにくく、アルミニウム材3の表面酸化膜が破壊されないので、接合初期の新生金属面同士の拡散を促進させることができず十分な接合強度が得られない。一方、算術平均高さRaが1.59μmを超えると摩擦抵抗が大きくなるので、接合に際して必要以上の大きな振動エネルギーが必要となる。
When the arithmetic average height Ra is less than 0.79 μm, local plastic deformation is unlikely to occur, and the surface oxide film of the
このときアルミニウム材3を、超音波接合装置のホーン(図示省略)に直結されたチップ5側に配置することが好ましい。これによって、アルミニウム材3は鋼材1に比べて計量であるために、振動の際に抵抗となる慣性力が少なくて済み、接合エネルギーが少なくなる。
At this time, it is preferable to arrange the
チップ5とアンビル6との間に配置された積層体4に対し、チップ5を介してアルミニウム材3と鋼材1との接合面に垂直の加圧力Pを印加し、前記チップ5を水平方向に超音波振動(S)させ、チップ5と共にアルミニウム材3を高い振動加速度で超音波振動させる。超音波振動するアルミニウム材3とアンビル6に固定された鋼材1との間の摩擦力により熱が発生し、接合界面において原子移動が促進され、鋼材1のFe原子のアルミニウム材3への拡散が生じる。これによって、接合界面においてアルミニウム材3と鋼材1とが固相接合する。
A vertical pressure P is applied to the bonding surface between the
本実施形態に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法によれば、アルミニウム材3の鋼材1との接合面における表面粗さ規格(JIS B 0601)の算術平均高さRaを0.79乃至1.59μmとすることにより、溶接フラックス等の消耗品を使用することなく、異種材料であるアルミニウム材3と鋼材1とを接合して高強度の接合体を得ることができる。また、接合時のアルミニウム材3を超音波接合装置におけるチップ5側に配置することにより、材料間の原子拡散が促進され必要最小限のエネルギーによって、接合強度の高い接合体をことができる。
According to the ultrasonic joining method of the aluminum material and the steel material according to the present embodiment, the arithmetic average height Ra of the surface roughness standard (JIS B 0601) at the joining surface of the
超音波接合は固相接合の一種であり、接合界面に対して垂直の方向の加圧による応力と接合界面に平行な方向の高い振動加速度による繰返し応力とを与えて接合界面に摩擦熱を発生させ、被溶接材の原子の移動を促し、拡散させて接合する方法である。従って、超音波振動を効率よく部材間に与えるために、上側部材であるアルミニウム材3とチップ5及び下側部材である鋼材1とアンビル6を夫々堅く固定することが好ましい。チップ5は、例えば20〜40kHsで周波数振動する。周波数は対象となるワークの材質、硬度、板圧、接合面積、要求硬度などによって適宜選択される。
Ultrasonic bonding is a type of solid phase bonding that generates frictional heat at the bonding interface by applying stress in the direction perpendicular to the bonding interface and repeated stress due to high vibration acceleration in a direction parallel to the bonding interface. And accelerating the movement of the atoms of the material to be welded and diffusing and joining. Therefore, in order to efficiently apply ultrasonic vibration between the members, it is preferable to firmly fix the
本実施形態で使用する超音波接合装置は、特に限定されるものではなく、同様の作用効果を奏する種々の形態のものを使用することができる。 The ultrasonic bonding apparatus used in the present embodiment is not particularly limited, and various forms having the same operational effects can be used.
以下、特許請求の範囲を満たす実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。図1に示した超音波接合装置を使用し、鋼材との接合面を研磨して夫々下記表1に示した算術平均高さ(Ra)に調整したAA6022合金(Al−1.2質量%Si−0.6質量%Mg−0.5質量%Cu−0.1質量%Fe−0.05質量%Mn)の板厚1mmの板材をアルミニウム材として使用し、鋼材として板厚0.8mmのSPCE鋼板を使用し、チップ側に夫々表1に示した接合材を配置し、加圧力を500N、振動周波数を20kHs、振幅を20μm、接合時間を0.23secとして夫々アルミニウム材と鋼材とを超音波接合した。 Hereinafter, the effect of the embodiment satisfying the scope of claims will be specifically described in comparison with a comparative example that is out of the scope of the present invention. The AA6022 alloy (Al-1.2 mass% Si) adjusted to the arithmetic average height (Ra) shown in Table 1 below by polishing the joining surface with the steel material using the ultrasonic bonding apparatus shown in FIG. -0.6 mass% Mg-0.5 mass% Cu-0.1 mass% Fe-0.05 mass% Mn) is used as the aluminum material, and the steel material is 0.8 mm thick. Using SPCE steel plates, the bonding materials shown in Table 1 are arranged on the chip side, the pressing force is 500 N, the vibration frequency is 20 kHz, the amplitude is 20 μm, the bonding time is 0.23 sec. Sonicated.
必要振動エネルギー(J)等の接合条件及び得られた接合体のU字継手引張試験における接合強度(N)をまとめて表1に示した。 Table 1 shows the joining conditions such as required vibration energy (J) and joining strength (N) in the U-joint tensile test of the obtained joined body.
ここで、U字継手引張試験とは、スポット溶接継手の引張試験方法(JIS Z 3137)のU字引張試験に準拠するもので、超音波接合後各々の材料端部をUの字に曲げて引張試験装置のチャック部に挟み込んで引張り試験する方法をいい、その接合強度とは、1点当たりの引張荷重のことをいう。 Here, the U-shaped joint tensile test conforms to the U-shaped tensile test of the spot welded joint tensile test method (JIS Z 3137), and each material end is bent into a U-shape after ultrasonic bonding. It refers to a method in which a tensile test is performed by sandwiching the chuck portion of a tensile test device, and the bonding strength refers to a tensile load per point.
表1において、実施例1乃至3は、表面粗さ規格(JIS B 0601)における算術平均高さRaが本発明の範囲内にあるので、接合強度が350N以上の高強度の接合体が得られた。これに対し、比較例1乃至4は、算術平均高さRaが本発明の範囲内にないので、十分な接合強度の接合体を得ることができなかった。 In Table 1, in Examples 1 to 3, since the arithmetic average height Ra in the surface roughness standard (JIS B 0601) is within the range of the present invention, a high strength bonded body having a bonding strength of 350 N or more is obtained. It was. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4, since the arithmetic average height Ra is not within the range of the present invention, it was not possible to obtain a bonded body having sufficient bonding strength.
アルミニウム材の鋼材との接合面における表面粗さ規格の算術平均高さRaを所定範囲に規定することにより、溶接フラックス等の消耗品を使用することなく、アルミニウム材と鋼材とを高強度に接合することができる本発明の超音波接合方法は異種材料接合分野で特に有用である。 By specifying the arithmetic average height Ra of the surface roughness standard at the joint surface of the aluminum material with the steel material within a predetermined range, the aluminum material and the steel material can be joined with high strength without using consumables such as welding flux. The ultrasonic bonding method of the present invention that can be performed is particularly useful in the field of bonding different types of materials.
1:鋼材
3:アルミニウム材
4:積層体
5:チップ
6:アンビル
7:加圧力
8:超音波振動
1: Steel material 3: Aluminum material 4: Laminate 5: Tip 6: Anvil 7: Pressure 8: Ultrasonic vibration
Claims (2)
The said aluminum material is arrange | positioned at the chip | tip side directly connected to the horn of the said ultrasonic bonding apparatus, The said steel material is arrange | positioned at the anvil side facing the said chip | tip, and ultrasonic bonding is carried out. Ultrasonic bonding method between aluminum and steel.
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Cited By (3)
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2004
- 2004-03-15 JP JP2004073532A patent/JP2005254324A/en active Pending
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