JP2006068812A - 超音波接合物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 精度良く気密接合が行える超音波接合による超音波接合物の製造方法を提供する。
【解決手段】 超音波接合時に、パイプ３のフランジ部３ａとパイプ接続部４のフランジ部４ａとの接合面における接合面積をＳ、該接合面で消費されるトータルのエネルギーをＥｔとした場合に、トータルのエネルギーＥｔを接合面積Ｓで割った値として定義されるエネルギー密度Ｅが、フランジ部３ａとフランジ部４ａとの接合面での面圧Ｐに対して、２６．６９ｅ^-0.3708P＜Ｅ＜２４０．９ｅ^-0.1445Pの関係を満たすように超音波接合を行う。好ましくは、エネルギー密度Ｅが、第１の部材と第２の部材との接合面での面圧をＰに対して、１３３．４５ｅ^-0.3708P＜Ｅ＜２４０．９ｅ^-0.1445Pの関係を満たすように超音波接合を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波振動を用いて被加工物を接合する超音波接合が為された超音波接合物の製造方法に関するものである。

従来、例えば、特許文献１〜３において、超音波接合方法が提案されている。このような超音波接合では、第１の部材を第２の部材に対して加圧させた状態で、高周波電圧によって振動子を振動させる。これにより、振動子もしくは振動子に接続された共振用のホーンからの振動によって第１の部材もしくは第２の部材を振動させ、その接触面に発生した摩擦熱によって両者を溶着させる。これにより、例えば第１の部材としてのパイプと第２の部材としてのパイプ接続部との気密接合が行えるようになっている。
特開２００３−８０３７８号公報 特開２００１−２４６４７９号公報 特開平１１−７７３３７号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３では、超音波接合方法が提案されているものの、気密接合を行うために必要とされる超音波接合の条件について、何も明確にされていない。このため、特許文献１〜３に示される超音波接合方法を単に実行したのみでは、十分な気密接合が行えない場合が発生し得る。

本発明は上記点に鑑みて、精度良く気密接合が行える超音波接合による超音波接合物の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するべく、請求項１に記載の発明では、超音波接合時に、第１の部材（３、３ａ）と第２の部材（４、４ａ）との接合面における接合面積をＳ、該接合面で消費されるトータルのエネルギーをＥｔとした場合に、トータルのエネルギーＥｔを接合面積Ｓで割った値として定義されるエネルギー密度Ｅが、第１の部材（３、３ａ）と第２の部材（４、４ａ）との接合面での面圧をＰ、第１の部材（３、３ａ）と第２の部材（４、４ａ）との接合箇所での板厚をｔとした場合に、これら面圧Ｐおよび板厚ｔに対して定義される前記エネルギー密度Ｅの関数Ｅ（Ｐ，ｔ）が、
Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）＝Ｊ×Ｐ^-n＜Ｅ（Ｐ，ｔ）＜Ｅｍａｘ（Ｐ，ｔ）＝Ｌ×Ｐ^-m
ただし、Ｊ＝０．２×１０⁵ｔ^2.86、ｎ＝３．５、Ｌ＝１０⁶ｔ^4.33、ｍ＝２．５となる関係を満たすように超音波接合を行うことを特徴としている。

このように、エネルギー密度Ｅが面圧Ｐおよび板厚ｔに対して、上記関係となるようにすることで、所望の接合レートが得られ、良好な気密接合が行われた超音波接合物を製造することが可能となる。

この場合、例えば、板厚ｔが０．３ｍｍである場合には、請求項３に示されるように、エネルギー密度Ｅが、第１の部材（３、３ａ）と第２の部材（４、４ａ）との接合面での面圧Ｐに対して、２６．６９ｅ^-0.3708P＜Ｅ＜２４０．９ｅ^-0.1445Pの関係を満たすように超音波接合を行うことで、請求項１に示される効果を得ることが可能となる。

さらに、請求項２に示されるように、エネルギー密度Ｅの関数Ｅ（Ｐ，ｔ）が、
Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）＝Ｋ×Ｐ^-n＜Ｅ（Ｐ，ｔ）＜Ｅｍａｘ（Ｐ，ｔ）＝Ｌ×Ｐ^-m
ただし、Ｋ＝１０⁵ｔ^2.86となる関係を満たすように前記超音波接合を行うようにすれば、高い接合レートとなり、より良好な気密接合が行われた超音波接合物を製造することが可能となる。

例えば、板厚ｔが０．３ｍｍである場合には、請求項４に示されるように、１３３．４５ｅ^-0.3708P＜Ｅ＜２４０．９ｅ^-0.1445Pの関係を満たすような超音波接合を行うようにすれば良い。

このような超音波接合は、請求項５に示されるように、第１の部材（３、３ａ）がパイプ（３）、第２の部材（４、４ａ）がパイプ接続部（４）とされる超音波接合物に適用され、パイプ（３）におけるフランジ部（３ａ）とパイプ接続部（４）におけるフランジ部（４ａ）との超音波接合を行うことができる。

また、このような超音波接合物となる第１の部材（３、３ａ）および第２の部材（４、４ａ）として、請求項６に示されるようなアルミもしくはアルミ合金で構成されたものを用いることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した超音波接合による超音波接合物の製造方法について、図１に示す超音波接合装置の模式図を参照して説明する。

図１に示される超音波接合装置１は、例えば、アルミニウム製のヒータコア２における配管を構成するパイプ３と、そのパイプ３をヒータコア２に接続するためのパイプ接続部４との間の接合を行うために用いられる。ここでいうパイプ３が本発明でいう第１の部材、パイプ接続部４が第２の部材に相当するものである。

この図に示すように、超音波接合装置１は、電源１ａ、アンプ１ｂ、振動子１ｃ、ホーン１ｄおよびアンビル１ｅを有した構成となっている。

電源１ａからアンプ１ｂに対して電力供給が行われるようになっており、アンプ１ｂは、電源１ａからの電力供給を受けて、高周波電圧を振動子１ｃに印加するようになっている。そして、アンプ１ｂから印加される高周波電圧により、振動子１ｃが所定周波数、例えば２０ｋＨｚで振動し、その振動がホーン１ｄが振動子１ｃの振動する所定周波数において共振するようになっている。

アンビル１ｅは、ホーン１ｄと共に、接合するための部位、つまり本実施形態の場合にはパイプ３とパイプ接続部４におけるそれぞれのフランジ部３ａ、４ａを挟み込むためのものであり、このアンビル１ｅとホーン１ｄとの間に接合するための部位が挟み込まれることで超音波振動時の固定が為されるようになっている。

なお、ホーン１ｄおよびアンビル１ｅは、共に、例えば、半円弧状に切り欠いたような先端部を有しており、その先端部における切り欠き内にパイプ３およびパイプ接続部４が収容されることで、円形状の各フランジ部３ａ、４ａのおよそ半分がホーン１ｄおよびアンビル１ｅに覆われるようになっている。このため、例えば、図１において、パイプ３のフランジ部３ａおよびパイプ接続部４のフランジ部４ａの右半分を最初に超音波接合したのち、次いで、左半分を超音波接合することで、パイプ３およびパイプ接続部４の全周を接合することが可能となる。

このような構成の超音波接合装置１を用いて、超音波接合を行う。まず、図２に示される超音波接合を行う部位の断面拡大図のように、第１の部材としてのパイプ３のフランジ部３ａと第２の部材としてのパイプ接続部４のフランジ部４ａとを互いの接合面が接するように配置すると共に、ホーン１ｄとアンビル１ｅとによって各フランジ部３ａ、４ａを挟み込み、固定する。

そして、電源１ａからの電力供給に基づいて、アンプ１ｂから高周波電圧を振動子１ｃに印加し、振動子１ｃを振動させると共に、ホーン１ｄを振動子１ｄの振動と共振させることで、各フランジ部４ａを接合面と垂直方向に加圧し、接合面と平行な方向に所定の振幅で超音波振動させる。

このとき、振動子１ｃの振動をアンプ１ｂに向けてフィードバックすることで、超音波振動による振幅が３０〜４０μｍとなるようにする。

このような超音波振動を用いた超音波接合を行うに際し、本発明者らは、超音波振動を伝えるときの面圧、エネルギー密度が気密接合の精度と密接な関係を有していることを見出した。

具体的には、本発明者らは、上記のようにパイプ３のフランジ部３ａとパイプ接続部４のフランジ部４ａとを超音波接合する場合において、各フランジ部３ａ、４ａを加圧するときの面圧Ｐと超音波振動に用いられるエネルギー密度Ｅとを様々に変化させ、パイプ３とパイプ接続部４との接合状態を調べる実験を行った。

そして、この実験に基づいて、超音波振動を行った場合のパイプ３とパイプ接続部４との接合面における面圧Ｐに対するエネルギー密度Ｅの関係について、接合箇所となる各フランジ部３ａ、４ａの板厚ｔを色々と変えて調べた。図３〜図５は、その実験結果を示したものであり、図３は、各フランジ部３ａ、４ａの板厚ｔが０．３ｍｍの場合、図４は、各フランジ部３ａ、４ａの板厚ｔが１．０ｍｍの場合、図５は、各フランジ部３ａ、４ａの板厚ｔが１．５ｍｍの場合をそれぞれ示している。なお、ここでいうエネルギー密度Ｅとは、第１の部材となるパイプ３と第２の部材なるパイプ接続部４との接合面で消費されるトータルのエネルギーＥｔを接合面積Ｓで割ったもの（Ｅｔ＝Ｐ／Ｓ）で表されるものである。

この図中の接合レート（Welding rate）とは、振幅の大きさに対する接合長さ、つまり超音波接合された部分の振幅方向の長さの割合を示したものであり、図３〜図５において黒塗りで示したものは接合レートが７０％未満、白塗りで示した部分は接合レートが７０％以上であったことを示している。なお、図３中では、黒塗りの三角（黒三角）と丸（黒丸）の２種類で示してあるが、黒三角は接合レートが３０％以下、黒丸は接合レートが３０〜７０％であったことを示している。また、図３〜図５において、白塗りの丸（白丸）と四角（白四角）の２種類で示されているが、白丸と白四角は共に接合レートが７０％であったことを示しているが、白四角は、接合レートが７０％以上であったものの、面圧Ｐもしくはエネルギー密度Ｅが大きすぎて、パイプ３のフランジ部３ａもしくはパイプ接続部４のフランジ部４ａがつぶれる等の接合欠陥が発生した場合を示したものとなっている。なお、接合レートが３０％〜７０％の場合は、各フランジ部３ａ、４ａを機械的に接合することが可能な範囲であるが、気密性に関しては十分得られない可能性が存在する範囲、接合レートが７０％以上の場合は、各フランジ部３ａ、４ａを機械的に接合することが可能であり、かつ、機密性に関しても確実に十分得られる範囲を示している。

これら図から、面圧Ｐが小さい場合には、エネルギー密度Ｅを十分に大きくしなければ十分な接合レートが得られないことが判る。逆に、面圧Ｐが大きければ、エネルギー密度Ｅが小さくても十分な接合レートが得られるものの、エネルギー密度Ｅが大きくなり過ぎると接合欠陥が発生する。

そして、この図３から、接合レートが３０％以上となる場合の境界を数式で表すと、Ｅ＝２６．６９ｅ^-0.3708Pとなり、７０％以上となる場合の境界を数式で表すと、Ｅ＝１３３．４５ｅ^-0.3708Pとなる。また、接合欠陥が発生する場合の境界を数式で示すと、Ｅ＝２４０．９ｅ^-0.1445Pとなる。

したがって、例えば、接合レートが３０％以上となるようにするためには、エネルギー密度Ｅが２６．６９ｅ^-0.3708P＜Ｅの関係を満たす必要があり、さらに７０％以上となるようにするためには、１３３．４５ｅ^-0.3708P＜Ｅの関係を満たす必要がある。また、接合欠陥が無いようにするためには、エネルギー密度ＥがＥ＜２４０．９ｅ^-0.1445Pの関係を満たす必要がある。

同様に、図４、図５に関しても、接合レートが３０％以上となる場合、７０％以上になる場合、および、接合欠陥が発生する場合の境界を数式で表し、これらから求められる接合レートが３０％以上となる場合、７０％以上になる場合、および、接合欠陥が発生する場合それぞれを面圧Ｐ、板厚ｔとで示される関数で表すと、次式になることが確認された。

すなわち、接合レートが３０％以上となるようにするためにはエネルギー密度Ｅ＞Ｊ×Ｐ^-nであること、７０％以上になるようにするためにはエネルギー密度Ｅ＞Ｋ×Ｐ^-nであること、結合欠陥が発生しないようにするためにはエネルギー密度Ｅ＜Ｌ×Ｐ^-mであることが必要となる。なお、Ｊ、Ｋ、Ｌは膜厚ｔをパラメータとして表される係数、ｎ、ｍは定数であり、図３〜図５から求めた接合レートが３０％以上となる場合、７０％以上になる場合、および、接合欠陥が発生する場合の境界の数式で示される数値をプロットし、そのプロットした点に対して任意の線を引くことによって求められる。

図６、図７は、接合レートが７０％以上になる場合と接合欠陥が発生する場合それぞれの場合の板厚ｔとの関係を示したものである。これらの図が、図３〜図５から求めた接合レートが７０％以上になる場合、および、接合欠陥が発生する場合の境界の数式で示される数値をプロットした結果を示したものである。

これらの図において、任意の線を引くことにより、板厚ｔをパラメータとして変化するＫ、Ｌや板厚ｔによってあまり変動しないｎ、ｍが求められる。実際に、これらの図を用いてＫ、Ｌ、ｎ、ｍについて求めたところ、Ｋ＝１０⁵ｔ^2.86、Ｌ＝１０⁶ｔ^4.33、ｎ＝３．５、ｍ＝２．５という結果が得られた。

なお、ここではＪに関しては記載していないが、Ｊに関しても、Ｋ、Ｌと同様の手法によって求めることができ、実際に求めた結果、Ｊ＝０．２×１０⁵ｔ^2.86という結果が得られた。

以上説明したような結果から、本実施形態では、各フランジ部３ａ、４ａの板厚ｔに対応して、各フランジ部３ａ、４ａの接合が的確に行えるようにエネルギー密度Ｅを設定している。

具体的には、面圧Ｐと板厚ｔとの関係で示されるエネルギー密度Ｅの関数をＥ（Ｐ，ｔ）として定義すると、例えば、確実に接合が行われるようにするためには、接合レートが３０％以上必要になることから、その場合のエネルギー密度Ｅの最小値Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）は、Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）＝Ｊ×Ｐ^-nとなる。また、確実な気密結合が行えるようにするためには、接合レートが７０％以上である必要があることから、その場合のエネルギー密度Ｅの最小値Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）は、Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）＝Ｋ×Ｐ^-nとなる。そして、確実に結合欠陥が発生しないようにするためには、エネルギー密度Ｅ＜Ｌ×Ｐ^-mまでで抑える必要があり、その場合がエネルギー密度の最大値Ｅｍａｘ（Ｐ，ｔ）となる。

この関係を満たすように、超音波接合におけるエネルギー密度ＥがＥｍｉｎ（Ｐ，ｔ）＝Ｊ×Ｐ^-n＜Ｅ（Ｐ，ｔ）＜Ｅｍａｘ（Ｐ，ｔ）＝Ｌ×Ｐ^-mとしており、より確実な気密結合が行えるように、好ましくは、Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）＝Ｋ×Ｐ^-n＜Ｅ（Ｐ，ｔ）＜Ｅｍａｘ（Ｐ，ｔ）＝Ｌ×Ｐ^-mとしている。

例えば、各フランジ部３ａ、４ａの板厚が０．３ｍｍの場合には、エネルギー密度Ｅが、２６．６９ｅ^-0.3708P＜Ｅの関係を満たすような超音波接合を行っている。このようにすれば、良好な気密接合が行われた超音波接合物を製造することが可能となる。さらに、エネルギー密度Ｅが、１３３．４５ｅ^-0.3708P＜Ｅ＜２４０．９ｅ^-0.1445Pの関係を満たすような超音波接合を行うようにすれば、より高い接合レートとすることができるため、より良好な気密接合が行われた超音波接合物を製造することが可能となる。

なお、特許文献２において、面圧Ｐを高くすれば、良好に気密接合が行えることが記載されているが、単に面圧Ｐを高くしたのみでは、良好な気密接合が行えるとは限らず、良好な気密接合を行うためには、あくまでエネルギー密度Ｅと面圧Ｐとの関係が上記関係である必要がある。

また、ここでは、具体的なエネルギー密度Ｅの数値範囲として、各フランジ部３ａ、４ａの板厚ｔが０．３ｍｍの場合についてのみ示したが、１．０ｍｍや１．５ｍｍの場合には、上述したエネルギー密度Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）やＥｍａｘ（Ｐ，ｔ）における板厚ｔに対して、ｔ＝１．０もしくはｔ＝１．５を代入することで、ＫやＬを求めれば、板厚ｔが０．３ｍｍの場合と同様に、エネルギー密度の数値範囲を求めることが可能である。

（他の実施形態）
上記実施形態では、エネルギー密度Ｅが上記範囲を満たすように、例えば、板厚ｔが０．３ｍｍの場合に関しては、エネルギー密度Ｅが、２６．６９ｅ^-0.3708P＜Ｅの関係を満たすように、好ましくは、１３３．４５ｅ^-0.3708P＜Ｅ＜２４０．９ｅ^-0.1445Pの関係を満たすようにして超音波接合を行っている。

しかしながら、気密接合を行うために必要とされる接合長さが超音波接合を行う対象物によって異なると考えられることから、図３〜図５に示したエネルギー密度Ｅと面圧Ｐとの関係から接合レートがどの程度の割合になるかを求め、必要となる接合レートを満たすように、エネルギー密度Ｅと面圧Ｐを設定すれば、その対象物に応じた気密接合を良好に行うことが可能となる。

また、上記実施形態では、第１の部材としてパイプ３、第２の部材としてパイプ接続部４を例に挙げて説明したが、これらは単なる一例であり、他の部材であっても構わない。もちろん、第１の部材および第２の部材がアルミニウム製である必要はなく、他の金属であっても良い。

本発明の第１実施形態における超音波接合装置の模式図である。 図１に示す超音波接合装置における接合部分の拡大断面図である。 板厚ｔが０．３ｍｍの場合において、超音波振動を行った場合のパイプとパイプ接続部との接合面における面圧Ｐに対するエネルギー密度Ｅの関係を調べた結果を示す図である。 板厚ｔが１．０ｍｍの場合において、超音波振動を行った場合のパイプとパイプ接続部との接合面における面圧Ｐに対するエネルギー密度Ｅの関係を調べた結果を示す図である。 板厚ｔが１．５ｍｍの場合において、超音波振動を行った場合のパイプとパイプ接続部との接合面における面圧Ｐに対するエネルギー密度Ｅの関係を調べた結果を示す図である。 接合レートが７０％以上になる場合と接合欠陥が発生する場合それぞれの場合の板厚ｔとの関係を示した相関図である。 接合レートが７０％以上になる場合と接合欠陥が発生する場合それぞれの場合の板厚ｔとの関係を示した相関図である。

符号の説明

１…超音波振動装置、１ａ…電源、１ｂ…アンプ、１ｃ…振動子、１ｄ…ホーン、
１ｅ…アンビル、２…ヒータコア、３…パイプ、３ａ…フランジ部、
４…パイプ接続部、４ａ…フランジ部。

Claims (6)

1. 金属製の第１の部材（３、３ａ）を金属製の第２の部材（４、４ａ）に対して加圧しながら超音波振動させることにより超音波接合が為される超音波接合物の製造方法であって、
   前記超音波接合時に、前記第１の部材（３、３ａ）と前記第２の部材（４、４ａ）との接合面における接合面積をＳ、該接合面で消費されるトータルのエネルギーをＥｔとした場合に、前記トータルのエネルギーＥｔを前記接合面積Ｓで割った値として定義されるエネルギー密度Ｅが、前記第１の部材（３、３ａ）と前記第２の部材（４、４ａ）との接合面での面圧をＰ、前記第１の部材（３、３ａ）と前記第２の部材（４、４ａ）との接合箇所での板厚をｔとした場合に、これら面圧Ｐおよび板厚ｔに対して定義される前記エネルギー密度Ｅの関数Ｅ（Ｐ，ｔ）が、
   Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）＝Ｊ×Ｐ^-n＜Ｅ（Ｐ，ｔ）＜Ｅｍａｘ（Ｐ，ｔ）＝Ｌ×Ｐ^-m
   ただし、Ｊ＝０．２×１０⁵ｔ^2.86、ｎ＝３．５、Ｌ＝１０⁶ｔ^4.33、ｍ＝２．５となる関係を満たすように前記超音波接合を行い、前記超音波接合物を製造することを特徴とする超音波接合物の製造方法。
2. 前記エネルギー密度Ｅの関数Ｅ（Ｐ，ｔ）が、
   Ｅｍｉｎ（Ｐ，ｔ）＝Ｋ×Ｐ^-n＜Ｅ（Ｐ，ｔ）＜Ｅｍａｘ（Ｐ，ｔ）＝Ｌ×Ｐ^-m
   ただし、Ｋ＝１０⁵ｔ^2.86となる関係を満たすように前記超音波接合を行い、前記超音波接合物を製造することを特徴とする請求項１に記載の超音波接合物の製造方法。
3. 金属製の第１の部材（３、３ａ）を金属製の第２の部材（４、４ａ）に対して加圧しながら超音波振動させることにより超音波接合が為される超音波接合物の製造方法であって、
   前記超音波接合時に、前記第１の部材（３、３ａ）と前記第２の部材（４、４ａ）との接合面における接合面積をＳ、該接合面で消費されるトータルのエネルギーをＥｔとした場合に、前記トータルのエネルギーＥｔを前記接合面積Ｓで割った値として定義されるエネルギー密度Ｅが、前記第１の部材（３、３ａ）と前記第２の部材（４、４ａ）との接合箇所での板厚ｔが０．３ｍｍである場合において、前記第１の部材（３、３ａ）と前記第２の部材（４、４ａ）との接合面での面圧をＰとした場合に、この面圧Ｐに対して、
   ２６．６９ｅ^-0.3708P＜Ｅ＜２４０．９ｅ^-0.1445P
   の関係を満たすように前記超音波接合を行い、前記超音波接合物を製造することを特徴とする超音波接合物の製造方法。
4. 前記エネルギー密度Ｅが、前記第１の部材（３、３ａ）と前記第２の部材（４、４ａ）との接合面での面圧Ｐに対して、
   １３３．４５ｅ^-0.3708P＜Ｅ＜２４０．９ｅ^-0.1445P
   の関係を満たすように前記超音波接合を行い、前記超音波接合物を製造することを特徴とする請求項３に記載の超音波接合物の製造方法。
5. 前記第１の部材（３、３ａ）はパイプ（３）であり、前記第２の部材（４、４ａ）はパイプ接続部（４）であり、
   前記超音波接合時に、前記パイプ（３）におけるフランジ部（３ａ）と前記パイプ接続部（４）におけるフランジ部（４ａ）との前記超音波接合を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の超音波接合物の製造方法。
6. 前記第１の部材（３、３ａ）および前記第２の部材（４、４ａ）として、アルミもしくはアルミ合金で構成されたものを用いることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の超音波接合物の製造方法。
   

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