JP2010046707A - 超音波複合振動装置用溶接チップ、接合方法、及び超音波複合振動接合による接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】接合面積を増大させ、接合強度の向上を実現する超音波複合振動装置用溶接チップを提供する。
【解決手段】複数の被接合材を超音波複合振動によって接合する溶接チップであって、被接合材を加圧する面４０５に凹部４１０を有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波複合振動装置用溶接チップ、接合方法、及び超音波複合振動接合による被接合体に関する。

超音波複合振動接合は、溶接チップにより溶接面に静圧力を印加し、溶接面（被接合界面）に平行な超音波複合振動を印加して、被接合材料面を相対的に振動する事で、静圧力と超音波複合振動により原子間接合が行われる。振動軌跡が二次元の超音波複合振動接合によれば、従来の一次元の振動軌跡を用いる超音波振動接合と比較して、振動振幅が同一でもより接合面積が大きな接合部が得られるため接合強度が大きくなるという有利な特徴を有する。また、従来の直線振動軌跡と比較して、楕円・円形振動軌跡を用いた場合には溶接面への二次元振動応力の印加により溶接面積が数倍以上になり、溶接強度の大きな方向性の無い溶接が可能である。

超音波複合接合装置のホーンに取り付けられる溶接チップは、その先端が外部からの加圧により被接合体に沈み込んで被接合体同士を密着させ、超音波複合振動により加振することにより、被接合体を接合させる。超音波複合振動装置を使って接合を行う場合、一般的に、溶接チップの先端形状は凸状の球面であり、表面に滑り止めとして、格子状の溝を形成する。
特開平８−２９４６７３号公報 辻野 次郎丸、森 栄司著「超音波溶接に関する研究（４）」溶接学会誌題４８巻（１９７９）第８号、p.650〜655

しかし、溶接チップの先端形状が凸状の球面であると、加圧装置によって印加される圧力が溶接チップの先端の中央に集中するため、被接合体に印加される面圧が均一とはならないため、接合面積が小さくなり、接合強度が低下するという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、溶接チップの構造を、被接合材を加圧する面に凹部を有する構造とすることにより、被接合体に印加される面圧を均一とし、接合面積を増大させることで、接合強度の向上、通電抵抗の低下を実現するものである。

上記目的を達成するために、本発明に係る溶接チップは、複数の被接合材を超音波複合振動によって接合する溶接チップであって、被接合材を加圧する面に凹部を有することを特徴とする。

また、本発明に係る接合方法は、複数の被接合体材を加圧する面に凹部を有する溶接チップを外部から加圧することにより、重ねて配置した複数の被接合材のうちの一の被接合材の上から溶接チップを一定の深さに沈み込ませる加圧段階と、溶接チップに外部から超音波複合振動を加えて複数の被接合材を互いに接合する接合段階と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る接合体は、複数の被接合材が超音波複合振動により接合された接合体であって、複数の被接合材を加圧する面に凹部を有する溶接チップを外部から加圧することにより、重ねて配置した複数の被接合材のうちの一の被接合材の上に溶接チップを一定の深さに沈み込ませ、溶接チップに外部から超音波複合振動を加えて複数の被接合材を互いに接合することにより、一の被接合材に凹部に対応した圧痕形状を有することを特徴とする。

本発明に係る接合チップによれば、溶接チップの構造を、被接合材を加圧する面に凹部を有する構造とすることにより、被接合体に印加される面圧を均一とし、接合面積を増大させることで、接合強度の向上を実現することができる。

また、本発明に係る接合方法によれば、被接合体材を加圧する面に凹部を有する溶接チップを用いて被接合体材を接合することにより、被接合体に印加される面圧を均一とし、接合面積を増大させ、接合強度を向上させた接合を実現することができる。

また、本発明に係る接合体によれば、被接合体材を加圧する面に凹部を有する溶接チップを用いて被接合体材を接合することにより、被接合体に印加される面圧を均一とし、接合面積を増大させ、接合強度を向上させた接合体を実現することができる。

〔第１実施形態〕
以下、図１〜図３を用いて本発明に係る第１実施形態について詳細に説明する。なお、図面においては、被接合材の厚さや、装置の部品の形状などを強調しているが、これは発明の理解を容易にするためである。

図１は、本発明の第１実施形態に係る溶接チップを実装した超音波複合振動装置１００を模式的に示した図である。超音波複合振動装置１００は、複数の被接合材料１２０、たとえば、２枚の異種金属板を超音波複合振動により接合するための装置である。被接合材料としては、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）が考えられるがこれに限定されない。本第１実施形態は、主に、扁平形単電池の電極タブの接合に利用できる。

図１に示すように、超音波複合振動装置１００は、溶接チップ１１０、複合振動変換用超音波ホーン（以下、「ホーン」と称する。）１３０、加圧装置１４０、アンビル１５０、超音波発振器１６０、超音波振動子１７０を有する。

ホーン１３０の先端には、溶接チップ１１０を設置し、２つの被接合材１２０を溶接チップ１１０とアンビル１５０および加圧装置１４０によって狭持し、加圧する。超音波発振器１６０により発振した電気信号は、超音波振動子１７０に印加され、超音波振動子１７０は超音波振動し、ホーン１３０を励振する。

ホーン１３０は、超音波振動子１７０により発生した超音波振動を、溶接チップ１１０を介して被接合材１２０へ伝達する機能を有する。

アンビル１５０は、加圧装置１４０によって加圧される被接合材の受け台としての機能を有する。

加圧装置１４０は、ホーン１３０を被接合材１２０側に向けて加圧するための加重を発生する機能を有する。加圧装置１４０は、制御装置（図示せず。）に接続されており、加重値が適宜調整される。

図２は、本発明の第１実施形態に係る溶接チップ２００を被接合材２１０Ａに沈み込ませた状態を示す図である。ホーンおよびアンビルは、図２に示すように、重ねて配置した２つの被接合材２１０Ａ、２１０Ｂからなる被接合材２１０の一の被接合材２１０Ａの上から、加圧により、溶接チップ２００を一定の深さ沈み込ませる。この状態で、ホーンを超音波振動させる。これにより、２つの被接合材のうちの一の被接合材２１０Ａが加振され、他の被接合材２１０Ａとの被接合界面を摩擦することで被接合材同士を固相接合する。溶接チップ２００を被接合材２１０Ａに沈み込ませる深さは、溶接チップ２００が被接合材２１０Ａを加圧する面、すなわち、溶接チップ２００の先端に設けられた凹部、の深さよりも大きくする。したがって、溶接チップ２００が有する凹部は、その底面が常に被接合材２１０Ａと接触し、被接合材２１０を加圧した状態で一の被接合材２１０Ａを加振し、２つの被接合材２１０を接合する。これにより、該凹部の底面は該被接合材と全面にわたって接触し、均一の圧力により被接合材を加圧することとなるため、接合面積が増加する。接合面積が増加することにより、接合強度が向上し、被接合材２１０Ａ、２１０Ｂ間の通電抵抗を低下させることができる。

図３は本発明の第１実施形態に係る溶接チップの先端の平面図であり、図４は該溶接チップの先端の断面図である。図３、図４に示すように、本発明の第１実施形態による溶接チップ３００、４００は、溶接チップが被接合材を加圧する面４０５である、該チップの先端の中央部に均一の深さを有する凹部３１０、４１０を有する。

比較例として、従来の溶接チップの先端の形状は球面であり、表面に滑り止めとして格子状の溝を設けている。しかし、溶接チップの先端形状が凸状の球面であると、加圧装置によって印加される圧力が溶接チップの先端の中央に集中するため、被接合体に印加される面圧が均一とはならない。したがって、被接合体に印加される面圧が均一とならないことに起因し、接合面積が小さくなり、接合強度が低下するという問題がある。また、接合面積が小さいため、通電抵抗が増加するという問題がある。さらに、接合対象である被接合体の形状によっては、溶接チップがホーンの中心軸から棒状に大きく突き出した形状とする必要がある場合がある。この場合、溶接チップが長い形状を有することに起因する曲げ振動により、面圧の不均一さが顕著となり、接合面積をさらに低下させるという問題がある。

一方、図３、図４に示すように、本発明の第１実施形態による溶接チップ３００、４００は、先端の中央部に、均一の深さを有する凹部３１０、４１０を有する。該凹部は、方向性を無くすため、円形の形状を有することが望ましいが、これに限定されない。溶接チップ３００、４００は、加圧により該凹部の底面の深さよりも大きい沈み込み深さまで被接合材に沈み込ませた状態で該被接合材を加振し、接合する。すなわち、該凹部３１０、４１０の底面は被接合材と全面にわたって接触し、均一の圧力により被接合材を加圧することとなる。したがって、加圧装置によって印加される圧力が溶接チップの先端の中央に集中することがなく、圧力が分散することにより、接合面積が大きくなり、接合強度が向上する。また、接合面積が増大することにより、接合部の通電抵抗を低下させ、電気的性能を向上させることができる。溶接チップ３００、４００が被接合材と当接し加圧する面４０５の外形形状３３０は円形である。しかし、これに限定されず、該外形形状３３０は楕円であってもよい。

本第１実施形態による溶接チップ３００、４００は、さらに、前記凹部３２０、４２０と中心を共通にする２つの同心円の溝からなる滑り止め３２０、４２０を有する。溶接チップ３００、４００に凹部３１０、４１０が形成されていることにより、溶接チップの被接合材と当接し加圧する面４０５に凹部３１０、４１０および滑り止め３２０、４２０の領域を除いてリング状の突起４３０ａが形成されている。また、同心円上の滑り止め３２０、４２０が形成されていることにより、リング状の突起４３０ｂが複数形成されている。このように、溝による滑り止めを設けることにより、前記凹部３２０、４２０を設けることにより得られる圧力分散による接合面積の増大という効果を安定的に得られる。また、溶接チップの凹部と中心を共通にする同心円の溝からなる滑り止め３２０、４２０を有することにより、接合部を均一に塑性流動させることができるため、接合面積が増加する。滑り止めは、方向性を無くし、滑り止め効果を向上させるため、本第１実施形態のように中心を共通にする２つの同心円の溝とすることが望ましいが、これに限定されない。溶接チップ３００、４００が被接合材と当接し加圧する面４０５には、同心円の溝からなる滑り止め３２０、４２０に加えて、該同心円の半径方向に延びる溝からなる滑り止めを形成してもよい。

図５は、本第１実施形態による溶接チップを設置した超音波複合振動装置により接合した接合体の一部５００を示す図である。接合体の一部５００は、圧痕形状５１０を有する。圧痕形状５１０は、溶接チップを接合体に沈み込ませることにより被接合材５２０のうち一の被接合材５２０Ａの表面に対し凹んだ形状を有する。また、圧痕形状５１０は、接合チップの凹部に対応した形状を有する。すなわち、該凹部の深さに相当する高さで、該凹部と同一の円の凸部５３０を有する形状を有する。このような圧痕形状５１０を有する接合体は、被接合材を加圧する面に凹部を有する溶接チップを用いて被接合体材を接合することにより、被接合体に印加される面圧を均一となるため、接合面積が増大し、接合強度が向上したものとなる。

以下に、本発明の第１実施形態の効果を示す。
・接合面積が増加することにより、接合強度が向上する。
・接合面積が増加し、通電抵抗が低下するため、発熱による電気的ロスがなくなる。
・接合部を均一に加圧できるため、接合強度の分布が均一となり、入力方向の制約が少ない。
・溶接チップの凹部と中心を共通にする同心円の溝からなる滑り止めを有することにより、接合部を均一に塑性流動させることができるため、接合面積が増加する。
・溶接チップの凹部と中心を共通にする同心円の溝からなる滑り止めを有することにより、溶接チップの凹部を設けることにより得られる上記効果が安定的に得られる。

〔第２実施形態〕
図６は本発明の第２実施形態による溶接チップの先端６００の断面図である。第１実施形態と異なるのは、溝からなる滑り止めを有していない点である。第１実施形態と共通する説明は省略する。

図６に示すように、第２実施形態による溶接チップ６００は、第１実施形態と同様に、溶接チップが被接合材を加圧する面６０５である該チップの先端の中央部に、均一の深さを有する凹部６１０を有する。該凹部は、方向性を無くすため、円形の形状を有することが望ましいが、これに限定されるものではない。

また、図７に示すように、第２実施形態による溶接チップ７００は、第１実施形態と異なり、溶接チップの先端の中央部に、なだらかな凹面形状を有する凹部７１０を有してもよい。このようななだらかな凹面形状を有する凹部７１０を有する溶接チップ７００は、図６に示す溶接チップ６００と同様の効果を有する。

一方、溶接チップ７００に対し、第１実施形態に係る溶接チップと同様の溝からなる滑り止めを有してもよい。このような滑り止めを有することにより、溶接チップ７００は、第１実施形態に係る溶接チップと同様の効果を有する。

本発明の実施形態による溶接チップを設置した超音波複合振動装置の模式図である。 本発明の実施形態による溶接チップ２００を被接合材２１０Ａに沈み込ませた状態を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る溶接チップの先端の平面図である。 本発明の第１実施形態に係る溶接チップの先端の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る溶接チップを設置した超音波複合振動装置により接合したことによる圧痕形状を有する被接合体の一部を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る溶接チップの先端の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る溶接チップの先端の断面図である。

符号の説明

１００ 超音波複合振動装置、
１１０、２００、３００、４００、５００、６００ 溶接チップ、
１２０、２１０、５２０ 被接合材、
１３０ ホーン、
１４０ 加圧装置、
１５０ アンビル、
１６０ 超音波発振器、
１７０ 超音波振動子、
３２０、４２０、 滑り止め、
４０５、６０５、７０５ 溶接チップが被接合材を加圧する面、
４１０、６１０、７１０ 凹部、
５００ 圧痕形状を有する被接合体の一部、
５１０ 圧痕形状。

Claims (17)

1. 複数の被接合材を超音波複合振動によって接合する溶接チップであって、前記被接合材を加圧する面に凹部を有することを特徴とする溶接チップ。
2. 前記凹部は均一の深さを有することを特徴とする請求項１に記載の溶接チップ。
3. 前記凹部は円形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接チップ。
4. 前記溶接チップが、加圧により前記被接合材に沈み込む深さは、前記溶接チップの凹部の深さよりも大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の溶接チップ。
5. さらに、前記凹部の周辺に、溝からなる滑り止めを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の溶接チップ。
6. 前記溝は、単一の円状もしくは複数の同心円状であり、前記凹部と中心を共通にしていることを特徴とする請求項５に記載の溶接チップ。
7. 複数の被接合体材を加圧する面に凹部を有する溶接チップを外部から加圧することにより、重ねて配置した前記複数の被接合材のうちの一の被接合材に前記溶接チップを沈み込ませる加圧段階と、
   前記溶接チップに外部から超音波複合振動を加えて前記複数の被接合材を互いに接合する接合段階と、
   を有することを特徴とする接合方法。
8. 前記凹部は均一の深さを有することを特徴とする請求項７に記載の接合方法。
9. 前記凹部は円形状であることを特徴とする請求項７または８に記載の接合方法。
10. 前記溶接チップを前記被接合材に沈み込ませる深さは前記溶接チップの凹部の深さよりも大きいことを特徴とする請求項８または９に記載の接合方法。
11. さらに、前記溶接チップは、前記凹部の周辺に、溝からなる滑り止めを有することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の接合方法。
12. 前記溝は、単一の円状もしくは複数の同心円状であり、前記凹部と中心を共通にしていることを特徴とする請求項１１に記載の接合方法。
13. 複数の被接合材が超音波複合振動により接合された接合体であって、
    前記複数の被接合材を加圧する面に凹部を有する溶接チップを外部から加圧することにより、重ねて配置した前記複数の被接合材のうちの一の被接合材の上に前記溶接チップを一定の深さに沈み込ませ、前記溶接チップに外部から超音波複合振動を加えて前記複数の被接合材を互いに接合することにより、前記一の被接合材に前記凹部に対応した圧痕形状を有することを特徴とする接合体。
14. 前記凹部は均一の深さを有することを特徴とする請求項１３に記載の接合体。
15. 前記凹部は円形状であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の接合体。
16. 前記溶接チップは、前記凹部の周辺に、溝からなる滑り止めを有することにより、前記溝に対応した圧痕形状をさらに有することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれかに記載の接合体。
17. 前記溝は、単一の円状もしくは複数の同心円状であり、前記凹部と中心を共通にしていることを特徴とする請求項１６に記載の被接合材の接合体。

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