JP2007253164A - 超音波接合方法、超音波接合装置および超音波接合された接合管 - Google Patents

超音波接合方法、超音波接合装置および超音波接合された接合管 Download PDF

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Abstract

【課題】分割形成したホーンを用いても、接合部品質の更なる向上が可能な超音波接合方法、超音波接合装置および超音波接合された接合管を提供すること。
【解決手段】(b)に示す配置工程では、第1ホーン21と第2ホーン22とを圧接し、(c)に示す接合工程では、第1ホーン21の振動により、第1ホーン21と第2ホーン22とを圧接した部位2aを介して、第2ホーン22を共振させている。したがって、分割形成した第1、第2ホーン21、22からなるホーン2は一体的に振動するので、第1フランジ部111を全周に渡って第2フランジ部121に安定して接合することができ、分割形成したホーン間に隙間部を設ける場合より接合部品質を向上することができる。
【選択図】図6

Description

本発明は、金属製の管状部材を金属製の相手側部材に対して加圧しながら振動させることにより、両者を接合する超音波接合方法、超音波接合装置および超音波接合された接合管に関する。
従来、金属製の2つの部材同士を接合する方法として、例えば下記特許文献1に開示された超音波接合方法が知られている。この超音波接合方法では、例えば一端側にフランジ部を有する配管(直管)を第1部材として、また、例えば熱交換器のヘッダタンク壁面を第2部材としている。
そして、熱交換器をアンビルで固定した状態で、ホーンによって配管(フランジ部)を所定の加圧力で熱交換器(ヘッダタンク壁面)側に加圧しながら振動させている。これにより摩擦を発生させて両部材の酸化皮膜を破壊し、両部材の接触面に発生した摩擦熱、ならびに、新生面となった両部材の清浄な接触面間隔が極めて接近することによる原子間力の作用によって、フランジ部をヘッダタンク壁面に加圧接合させている。
なお、ホーンは、フランジ部の外側面(反熱交換器側面)に当接して配管の外周面を覆うように円筒状に形成されており、配管(直管)の反フランジ部側からセットされるようになっている(特許文献1中の図5)。
特開2001−246479号公報
しかしながら、上記従来技術の接合方法では、配管が曲管であったり、配管の反フランジ部側に張出し部等があったりすると、上記のようなホーンを反フランジ部側からセットできなくなるので、ホーンとしては例えば半円状の凹部を有して配管の外周面側(側面側)から挿入可能となるものとして、複数回に分けて超音波接合を行う必要が生ずる。
超音波接合を複数回に分けて行うと、例えば一回目の接合による加圧部の変形によって、未接合部側に担ぎが生じて一回目の接合に悪影響を与えてしまう。また、二回目の接合時における振動によって一回目の接合箇所がダメージを受ける等の問題が生ずる。
この問題点に対して、本出願人は、特願2005−99329号において、管状部材のフランジ部の周方向に複数に分割形成するとともに隙間部を設けて配置するホーンを採用し、分割形成したホーンにそれぞれ振動子を接続し、同位相同振幅で振動させて超音波接合を行なう方法および装置を提案している。
本発明者らは、上記超音波接合技術において接合部気密性の向上等に関し鋭意検討を継続し、分割形成したホーン間の隙間部を詰めホーン同士を接触させることができれば、気密を要する接合部の品質をさらに向上することが可能であることを見出した。また、分割形成したホーン同士を接触させ同時に振動させれば、同位相同振幅で振動させる制御が容易であることを見出した。さらに、分割形成したホーン同士を接触させ同時に振動させれば、分割形成したホーンにそれぞれ振動子を設ける必要がなく、接合装置を簡素化することも容易であることを見出した。
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、接合部品質の更なる向上が可能な超音波接合方法、超音波接合装置および超音波接合された接合管を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、分割したホーンの振動制御が容易な超音波接合方法、超音波接合装置および超音波接合された接合管を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、接合装置を簡素化することが可能な超音波接合方法、超音波接合装置および超音波接合された接合管を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明の超音波接合方法では、
振動子(7)に接続された第1ホーン(21)と、第1ホーン(21)以外の第2ホーン(22)とに、管状部材(110)の一端側に形成されたフランジ部(111)の周方向に分割して形成したホーン(2)を、フランジ部(111)の接合相手側部材(120)反対側に配置する配置工程と、
第1ホーン(21)および第2ホーン(22)をフランジ部(111)に加圧しつつ振動させて、フランジ部(111)を、相手側部材(120)の穴部の外周面(121)に加圧しながら振動させることにより接合する接合工程とを備える超音波接合方法であって、
配置工程では、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とを圧接し、
接合工程では、第1ホーン(21)の振動により、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とを圧接した部位(2a)を介して、第2ホーン(22)を共振させることを特徴としている。
これによると、接合工程では、分割形成された第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とが圧接しており、ホーン(2)は一体的に振動するので、フランジ部(111)を全周に渡って相手側部材(120)に安定して接合することができる。したがって、分割形成したホーン間に隙間部を設ける場合より接合部品質を向上することが可能である。
また、接合工程では、振動子(7)による第1ホーン(21)の振動を、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とを圧接した部位(2a)を介して第2ホーン(22)に伝達し、第2ホーン(22)を共振させることができる。したがって、第2ホーン(22)の振動制御を第1ホーン(21)と別に行なう必要がないので、振動制御が容易である。
さらに、第2ホーン(22)には、振動子を設ける必要がないので、装置を簡素化することが可能である。
また、請求項2に記載の発明の超音波接合方法では、配置工程では、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)との圧接部位(2a)が管状部材(110)を挟んで対向する位置に形成されるホーン(2)を配置することを特徴としている。
これによると、分割形成した第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とを圧接したときに、フランジ部(111)の略全面をホーン(2)で覆うことが可能である。したがって、接合部品質を一層向上することが可能である。
また、請求項3に記載の発明の超音波接合方法では、配置工程における第1ホーン(21)と第2ホーン(22)との圧接部位(2a)は、接合工程において振動される第1ホーン(21)の略最大振幅領域にあることを特徴としている。
これによると、振動子(7)による第1ホーン(21)の振動を、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とを圧接した部位(2a)を介して第2ホーン(22)に伝達し易く、第2ホーン(22)を共振させることが容易である。
また、請求項4に記載の発明の超音波接合方法では、配置工程では、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とを圧接したときに、フランジ部(111)側に複数の突起部(21a、22a)が略均一なピッチ(a)で配列するように形成されたホーン(2)を配置することを特徴としている。
これによると、接合工程において、ホーン(2)の略均一なピッチ(a)で配列された複数の突起部(21a、22a)でフランジ部(111)を加圧し、ホーン(2)の振動をフランジ部(111)の略全域に略均一に伝達することが可能である。したがって、接合部品質をより一層向上することが可能である。
また、請求項5に記載の発明の超音波接合装置では、
管状部材(110)の一端側に形成されたフランジ部(111)を、相手側部材(120)の穴部の外周面(121)に加圧しながら振動させることにより接合するホーン(2)を有する超音波接合装置であって、
ホーン(2)は、
振動子(7)に接続された第1ホーン(21)と第1ホーン(21)以外の第2ホーン(22)とにフランジ部(111)の周方向に分割して形成されるとともに、
第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とを圧接したときには、第1ホーン(21)の振動により、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とを圧接した部位(2a)を介して、第2ホーン(22)が共振されることを特徴としている。
これによると、請求項1に記載の超音波接合方法を行なうことができる。
また、請求項6に記載の発明の超音波接合装置では、ホーン(2)は、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)との圧接部位(2a)が管状部材(110)を挟んで対向する位置にあることを特徴としている。
これによると、請求項2に記載の超音波接合方法を行なうことができる。
また、請求項7に記載の発明の超音波接合装置では、ホーン(2)は、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)との圧接部位(2a)が、振動される第1ホーン(21)の略最大振幅領域にあることを特徴としている。
これによると、請求項3に記載の超音波接合方法を行なうことができる。
また、請求項8に記載の発明の超音波接合装置では、ホーン(2)は、第1ホーン(21)と第2ホーン(22)とを圧接したときに、フランジ部(111)側に複数の突起部(21a、22a)が略均一なピッチ(a)で配列するように形成されていることを特徴としている。
これによると、請求項4に記載の超音波接合方法を行なうことができる。
また、請求項9に記載の発明の超音波接合された接合管では、
管状部材(110)の一端側に形成されたフランジ部(111)が、振動子(7)に接続された第1ホーン(21)と第1ホーン(21)に圧接される第2ホーン(22)とにフランジ部(111)の周方向に分割して形成されたホーン(2)の加圧振動によって、相手側部材(120)の穴部の外周面(121)に超音波接合されて成る接合管であって、
管状部材(110)は、曲管として形成されたもの、あるいは反フランジ部側に径外方向に張出す張出し部(112)を有するものであり、
フランジ部(111)には、ホーン(2)に略均一なピッチ(a)で設けられた複数の突起部(11a、12a)の圧痕が形成されていることを特徴としている。
これによると、管状部材(110)が曲管である場合、もしくは、管状部材(110A)の反フランジ部側に径外方向に張出す張出し部(112)を有するような場合であっても、接合部品質を確実に向上した結合管(100)とすることができる。
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図1は2つのパイプ110、120を接合して接合パイプ100を形成するための超音波接合装置1を示す断面図、図2は図1のA−A部を示す断面図、図3(a)は、図2のB方向から見た矢視図、図3(b)は図3(a)のC方向から見た矢視図である。
図1に示すように、第1パイプ110は、金属製のパイプであって、本発明における管状部材に対応するものであり、一端側の全周に円形の第1フランジ部111が形成されている。図4に全体形状を示すように、第1パイプ110の他端側(反フランジ部側)は曲げ部を有し、曲管として形成されている。
また、第2パイプ120は、上記第1パイプ110と同様に、金属製のパイプであって、本発明における相手側部材に対応するものであり、一端側の全周に円形の第2フランジ部121が形成されている。なお、第2フランジ部121は、本発明における穴部の外周面に対応する。なお、本実施形態では、図4に示すように、第2パイプ120の他端側(反フランジ部側)も曲げ部を有し、曲管として形成されている。
超音波接合装置1は、上記の第1パイプ110を第2パイプ120側に加圧すると共に、更に第1フランジ部111の面が広がる方向に振動を付加するホーン2と、第2パイプ120を固定するアンビル3とを有している。そして、ホーン2は、図2に示すように、第1フランジ部111の円周方向に複数(ここでは2つ)に分割されており、この分割された側に半円形の凹部を有する第1ホーン21と第2ホーン22とから形成されるようにしている。
図5(a)に超音波接合装置1の要部概略構成を示すように、第1ホーン21は加振手段である振動子(加振機)7に接続しており、第2ホーン22は、第2ホーン22を第1ホーン21に突き合わせる突合せ荷重付勢部6に接続している。
突合せ荷重付勢部6は、第2ホーン22を第1ホーン21に対して進退させるものであり、第2ホーン22を第1ホーン21に突合せて、圧接部位2aで第1ホーン21と第2ホーン22とを圧接できるようになっている。
図2から明らかなように、圧接部位2aは、第1パイプ110を挟んで対向する位置に形成されるようになっている。すなわち、ホーン2を第1ホーン21と第2ホーン22とに分割する分割ラインは、第1パイプ110を挟んで対向する位置に一直線状となるように形成されている。
第1ホーン21および第2ホーン22は、共通のブラケット4に取り付けられており、ブラケット4に接続した接合荷重付勢部5により、図5(a)では図示を省略したアンビル3方向(図示下方向)に移動して、接合部を加圧できるようになっている。
なお、第1ホーン21はブラケット4側の第1保持部41により保持(支持)されており、第2ホーン22はブラケット4(実質的には突合せ荷重付勢部6が接続する部分)側の第2保持部42により保持(支持)されている。
図5(a)に示すように、第1ホーン21と第2ホーン22とを圧接部位2aで圧接した状態で振動子7により加振して第1ホーン21を縦振動(接合面に沿った方向に振動)させると、図5(b)に示すように、第1ホーン21は1/2波長音波で振動(共振)する。また、第2ホーン22には、圧接部位2aにおいて振動が伝達され、第2ホーン22は1/2波長音波で共振する。
すなわち、第1ホーン21および第2ホーン22からなるホーン2の振動系では、1波長音波で振動(共振)する。ここで、第1ホーン21は振動子7により直接振動される加振ホーンであり、第2ホーン22は第1ホーン21により共振させられる共振ホーンであると言える。
図5(a)に示す第1、第2保持部41、42が形成されている位置は、図5(b)に示すように、第1、第2ホーン21、22が振動するときの振動振幅最小部位(所謂ノード点、振動の節)であり、両ホーン21、22の振動を阻害しないようになっている。
また、図5(a)に示す圧接部位2aの位置は、図5(b)に示すように、第1、第2ホーン21、22が振動するときの振動振幅最大部位(振動の腹、略最大振幅領域に相当)であり、第1ホーン21の振動を第2ホーン22に伝達し易くなっている。
各ホーン21、22のフランジ部111側には、図3に示すように、四角錘状を成して所定ピッチaで配列される複数の突起部21a、22aが形成されている。そして、両ホーン11、12間が閉じられて相互に圧接された時に、両ホーン21、22端部の突起部21a、22a間も所定ピッチaとなるように設定されている。なお、本例では、所定ピッチaを0.8〜1.2mm、突起部21a、22a高さを0.35〜0.5mmとして設定している。
次に、上記超音波接合装置1を用いた接合方法について説明する。図6は、第1、第2パイプ110、120を接合する工程を示す工程別要部正面図である。
まず、図6(a)に示すように、両ホーン21、22間を開いた状態にして、第2フランジ部121が上側を向くようにして第2パイプ120をアンビル3にセットする。アンビル3も第2フランジ部121の周方向に第1アンビル31と第2アンビル32とに分割形成されており、曲管である第2パイプ120を装着可能となっている。更に、第2フランジ部121の上側面に第1フランジ部111を乗せるようにして第1パイプ110をセットする。
次に、図6(b)に示すように、第1パイプ110を挟むようにして両ホーン21、22間を閉じ、圧接部位2aで相互に圧接する。この時、両ホーン21、22と第1パイプ110の外周面とが後述する振動によって接触しないように、両ホーン21、22の凹部が形成されている。
その後に、図6(c)に示すように、第1ホーン21および第2ホーン22を第1フランジ部111に加圧接触させて、突起部11a、12a(図3参照)先端を第1フランジ部111の表面に食い込ませて、振動子7(図5参照)により第1ホーン21を振動させる。第1ホーン21の振動は圧接部位2aを介して第2ホーン22に伝達され、第2ホーン22も共振する。
図6(b)、(c)において、第1ホーン21と第2ホーン22とは、本例では、5000〜10000Nの荷重が印加されて圧接している。圧接部位2aへの印加荷重を5000〜10000Nとすることにより、装置の大型化を抑制しつつ、第1ホーン21の振動を、圧接部位2aを介して第2ホーン22に確実に伝達して、第2ホーン22を良好に共振することができる。
図6(c)に示すように、第1ホーン21および第2ホーン22を一体的に振動させると、第1フランジ部111は両ホーン21、22と共に振動し、摩擦によって両フランジ部111、121接合側面の酸化皮膜等が除去されて清浄な新生面同士が圧接され、両フランジ部111、121同士が接合される。
第1ホーン21と第2ホーン22との圧接部位2aは、図5(b)に示すように、第1、第2ホーン21、22が振動するときの略最大振幅領域にある。したがって、第1ホーン21から第2ホーン22へ確実に振動を伝達できるだけでなく、圧接部位2aおよびその近傍において第1フランジ部111を確実に振動させ、第1フランジ部111と第2フランジ部121とを確実に接合することができる。
このようにして、接合パイプ(本発明における接合管に対応)100が完成される。なお、完成された第1フランジ部111の表面全体には、両ホーン21、22の突起部12a、22aの食い込んだ跡(圧痕)が、ほぼ均一なピッチ(ピッチaに対応)で残ることになる。
ここで、図6(b)に示す工程が本実施形態における配置工程であり、図6(c)に示す工程が本実施形態における接合工程である。
上述の構成および接合方法によれば、配置工程では、第1ホーン21と第2ホーン22とを圧接し、接合工程では、第1ホーン21の振動により、第1ホーン21と第2ホーン22とを圧接した部位2aを介して、第2ホーン22を共振させている。
したがって、分割形成した第1、第2ホーン21、22からなるホーン2は一体的に振動するので、第1フランジ部111を全周に渡って第2フランジ部121に安定して接合することができる。このようにして、分割形成したホーン間に隙間部を設ける場合より接合部品質を向上することができる。
また、接合工程では、振動子7による第1ホーン21の振動を、第1ホーン21と第2ホーン22とを圧接した部位2aを介して第2ホーン22に伝達し、第2ホーン22を共振させることができる。したがって、第2ホーン22の振動制御を第1ホーン21の振動制御と別に行なう必要がないので、振動制御が容易である。さらに、第2ホーン22には、振動子を設ける必要がないので、装置を簡素化することができる。
また、第1ホーン21と第2ホーン22との圧接部位2aが第1パイプ110を挟んで対向する位置に形成されている。すなわち、ホーン2の分割ラインを第1パイプ110を挟んで対向する位置に形成している。したがって、分割形成した第1ホーン21と第2ホーン22とを圧接したときに、フランジ部111の略全面をホーン2で覆うことができる。このようにして、接合部品質を一層向上することができる。
また、第1ホーン21と第2ホーン22とを圧接したときに、フランジ部111側に複数の突起部21a、22aが均一なピッチaで配列するように形成されている。したがって、分割したホーン2を採用しても、第1フランジ部111の略全域を略均一に加圧振動させ、安定した接合部品質を得ることができる。
(他の実施形態)
上記一実施形態では、第1パイプ110を曲管として形成されるものとして説明したが、これに限らず、例えば図7に示すように、第1パイプ110Aの反フランジ部側に接続部となるフランジ部112や、図示しないナット等の径方向に張出す張出し部を有するものとしても良い。
また、上記一実施形態では、ホーン2を第1ホーン21と第2ホーン22とに分割形成し、分割ラインが一直線状となる構成としていたが、分割の形態はこれに限定されるものではない。例えば図8に示すように、ホーン20を、第1パイプ110を受け入れ可能なU字状凹部を有する第1ホーン210と、前記U字状凹部の開口側を塞ぐ第2ホーン220とに分割するものであってもよい。
また、ホーンの分割は2分割に限定されるものではなく、3分割以上であってもよい。すなわち、第2ホーンを複数のホーンとしてもかまわない。
また、上記一実施形態では、接合相手側部材として、第1パイプ110と同様の第2パイプ120としたが、これに限らず、図9に示すように、端部側断面121Bが第2フランジ部121に相当する面積を有する厚肉の管部材120Bとしたり、図10に示すように、穴部の外周面121Cに第1フランジ部111が接合されるブロック状の部材120C等としても良い。
本発明を適用した一実施形態における超音波接合装置1の要部を示す断面図である。 図1のA−A部を示す断面図である。 (a)は、図2のB方向から見た矢視図、(b)は(a)のC方向から見た矢視図である。 超音波接合された接合パイプ100の構造を示す斜視図である。 (a)は、超音波接合装置1の要部概略構成を示す正面図(一部断面図)であり、(b)は、ホーン2の振動振幅を示すグラフである。 (a)、(b)、(c)は、超音波接合装置1の工程別要部正面図である。 他の実施形態における接合管の一例を示す斜視図である。 他の実施形態におけるホーンの分割形態を示す平面図である。 他の実施形態における接合管の一例を示す断面図である。 他の実施形態における接合管の一例を示す断面図である。
符号の説明
1 超音波接合装置
2 ホーン
2a 圧接部位
7 振動子(加振手段)
21 第1ホーン
21a 突起部
22 第2ホーン
22a 突起部
100 接合パイプ(接合管)
110 第1パイプ(管状部材)
111 第1フランジ部(フランジ部)
120 第2パイプ(接合相手側部材)
121 第2フランジ部(穴部の外周面)

Claims (9)

  1. 振動子(7)に接続された第1ホーン(21)と、前記第1ホーン(21)以外の第2ホーン(22)とに、管状部材(110)の一端側に形成されたフランジ部(111)の周方向に分割して形成したホーン(2)を、前記フランジ部(111)の接合相手側部材(120)反対側に配置する配置工程と、
    前記第1ホーン(21)および前記第2ホーン(22)を前記フランジ部(111)に加圧しつつ振動させて、前記フランジ部(111)を、前記相手側部材(120)の穴部の外周面(121)に加圧しながら振動させることにより接合する接合工程とを備える超音波接合方法であって、
    前記配置工程では、前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)とを圧接し、
    前記接合工程では、前記第1ホーン(21)の振動により、前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)とを圧接した部位(2a)を介して、前記第2ホーン(22)を共振させることを特徴とする超音波接合方法。
  2. 前記配置工程では、前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)との圧接部位(2a)が前記管状部材(110)を挟んで対向する位置に形成される前記ホーン(2)を配置することを特徴とする請求項1に記載の超音波接合方法。
  3. 前記配置工程における前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)との圧接部位(2a)は、前記接合工程において振動される前記第1ホーン(21)の略最大振幅領域にあることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超音波接合方法。
  4. 前記配置工程では、前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)とを圧接したときに、前記フランジ部(111)側に複数の突起部(21a、22a)が略均一なピッチ(a)で配列するように形成された前記ホーン(2)を配置することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の超音波接合方法。
  5. 管状部材(110)の一端側に形成されたフランジ部(111)を、相手側部材(120)の穴部の外周面(121)に加圧しながら振動させることにより接合するホーン(2)を有する超音波接合装置であって、
    前記ホーン(2)は、
    振動子(7)に接続された第1ホーン(21)と、前記第1ホーン(21)以外の第2ホーン(22)とに、前記フランジ部(111)の周方向に分割して形成されるとともに、
    前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)とを圧接したときには、前記第1ホーン(21)の振動により、前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)とを圧接した部位(2a)を介して、前記第2ホーン(22)が共振されることを特徴とする超音波接合装置。
  6. 前記ホーン(2)は、前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)との圧接部位(2a)が前記管状部材(110)を挟んで対向する位置にあることを特徴とする請求項5に記載の超音波接合装置。
  7. 前記ホーン(2)は、前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)との圧接部位(2a)が、振動される前記第1ホーン(21)の略最大振幅領域にあることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の超音波接合装置。
  8. 前記ホーン(2)は、前記第1ホーン(21)と前記第2ホーン(22)とを圧接したときに、前記フランジ部(111)側に複数の突起部(21a、22a)が略均一なピッチ(a)で配列するように形成されていることを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか1つに記載の超音波接合装置。
  9. 管状部材(110)の一端側に形成されたフランジ部(111)が、振動子(7)に接続された第1ホーン(21)と前記第1ホーン(21)に圧接される第2ホーン(22)とに前記フランジ部(111)の周方向に分割して形成されたホーン(2)の加圧振動によって、相手側部材(120)の穴部の外周面(121)に超音波接合されて成る接合管であって、
    前記管状部材(110)は、曲管として形成されたもの、あるいは反フランジ部側に径外方向に張出す張出し部(112)を有するものであり、
    前記フランジ部(111)には、前記ホーン(2)に略均一なピッチ(a)で設けられた複数の突起部(11a、12a)の圧痕が形成されていることを特徴とする接合管。
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