JP3000366B1 - 超音波鋳ぐるみ接合方法及び超音波鋳ぐるみ接合体 - Google Patents

超音波鋳ぐるみ接合方法及び超音波鋳ぐるみ接合体

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Abstract

【要約】 【課題】溶湯が所定の状態にある凝固過程で超音波を印
加することにより、接合性及び接合強度を改善するとと
もに、複雑で緻密な接合を実現可能とする。 【解決手段】被鋳ぐるみ部材(以下、第1被接合物とい
う。)を鋳型内に配置し、鋳造金属(以下、第2被接合
物という。)を注湯し、かつ、超音波振動を与えて接合
をおこなう際に、第2被接合物が半溶融状態にある凝固
過程で、連続的又は断続的に超音波を印加しながら一体
的な接合を有する接合体を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被鋳ぐるみ部材
(以下、第1被接合物という。)を鋳型内に配置し、鋳
造金属(以下、第2被接合物という。)を注湯して一体
的な接合を有する接合体を形成するために、超音波振動
を与えて接合をおこなう超音波鋳ぐるみ接合方法及び超
音波鋳ぐるみ接合体に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、第1被接合物としての金属部品
と、第2被接合物としての鋳物(鋳造金属)とを鋳ぐる
み接合する場合、第1被接合物と第2被接合物との間の
摩擦力もしくは熱膨張力により接合を行う接合方法が使
用されている。この方法では、接合部が機械的な接触で
あり、緻密な接合が形成していないので、接合部の強度
が弱く、ガス・液体漏れの原因になる。
【0003】また、第1被接合物と第2被接合物とを溶
接する接合方法が使用されている。この場合、熱的影響
区域が大きくなったり、形状が複雑な接合工程が難しく
なったりする等の点で問題がある。
【0004】一方、超音波の発熱・機械的作用を利用し
て、金属と金属どうしが摩擦を起こし、これらの吸着物
や酸化皮膜が破壊され、工具と試料との間で相対運動が
起こり、急激な塑性流動によって接合を行う接合方法が
使用されている。この方法では、圧力が必要、薄い局部
の接合等の特徴があり、接合面が大きく、形状が複雑な
接合に対して不適合である。
【0005】また、電極取り出し用リード、ICチップな
どの電子部品と樹脂、ガラスなどを素材とする実装配線
基板と接合する超音波はんだ接合方法が使用されてい
る。この方法では、接合する時第1、第2被接合物と平
行に振動する超音波振動を印加して接合を行っている。
【0006】このように、普通の(超音波を印加しな
い)金属の鋳ぐるみ鋳造については数多くの方法や提案
があり、超音波接合については、固体と固体の超音波接
着、電子部品の実装配線ための超音波はんだ接合などの
方法がなされているものの、超音波鋳ぐるみ接合方法の
提案は数少ない。本発明に関連する先行技術としては、
特開平2−258156号「鋳包み鋳造方法」(以下、
従来技術1。)、及び特開平3−213654号「吸気
マニホールド」(以下、従来技術2。)が抽出できる程
度である。
【0007】従来技術1では、実施例記載にあるように
第1被接合物が鉄鋼、第2被接合物が高クロム鋳鉄であ
り、金属(合金を含む)どうしの超音波鋳ぐるみ接合方
法に関するものであると推認される。ここで、「超音波
振動を付加しながら鋳造金属を注湯する」とある。
【0008】従来技術2では、実施例記載にあるように
アルミ−アルミ鋳ぐるみ法に関し、超音波溶融アルミは
んだめっき工程を施すことにより、つづく鋳ぐるみ接合
における接合性(拡散接合化)を増補するようにしてい
る。
【0009】本発明(又は技術水準)に関し、上記従来
技術のいずれも超音波を印加するタイミング〔鋳造金属
(溶湯)の凝固過程(冷却曲線)を含む。〕と接合強度
との相関(関係)について開示はなく示唆もされていな
い。〔本発明については後述。〕
【0010】
【発明が解決しようとする課題】近年、金属基複合材
料、セラミックもしくはセラミック基複合材料の部品
と、金属鋳物のような異種材の間の接合することが重要
な課題になっている。しかしながらこの分野では、超音
波を利用した具体的な接合方法の提案は見あたらない。
【0011】こうしたなかで、固体状態の金属もしくは
金属基複合材料、セラミックもしくはセラミック基複合
材料を溶けている金属鋳物にインサートして、超音波を
印加することによって効果的な接合をおこなう方法の開
発が期待されている。
【0012】本発明はこのような事情に鑑みなされたの
であって、熱的影響が小さく、接合強度が大きく、さら
に複雑で緻密な接合を実現可能な超音波鋳ぐるみ接合方
法及び超音波鋳ぐるみ接合体を提供するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】課題を解決するために本
発明は、第1被接合物を鋳型内に配置し、第2被接合物
を注湯し、かつ、超音波振動を与えて一体的な接合をお
こなう超音波鋳ぐるみ接合方法であって、前記第2被接
合物が半溶融状態にある凝固過程で、連続的又は断続的
に超音波を印加しながら鋳ぐるみ接合をおこなうことを
特徴とするものである。
【0014】ここで、第1被接合物は、金属(合金を含
む)、金属基複合材料、セラミック又はセラミック基複
合材料から選択された固体材料である。
【0015】また、上記方法を逸脱しない範囲で得られ
る超音波鋳ぐるみ接合体であって、異種材間で接合可能
とし、かつ、接合強度を改善したものである。なお、こ
の接合体は、接合プロセスにおいてキャビテーション効
果を有し、第1被接合物は表面酸化膜の除去を含み洗浄
処理されている。
【0016】
【本発明の実施の形態】本発明の実施の形態は、上記構
成の接合方法において、第1被接合物を金型内に設置
し、溶融金属(第2被接合物)を金型に注ぎ、溶融(液
体)状態から半溶融(固液共存)状態まで冷却する凝固
過程で、連続的又は断続的に超音波を印加して、第1被
接合物と第2被接合物との接合をおこなうものである。
ここで、接合プロセスにおいて、キャビテーション効果
により第1被接合物の表面酸化膜の除去(洗浄処理)を
包含する。また、キャビテーション効果は、接合に係る
化学反応の進行にも寄与することが確認できている。
【0017】この場合、請求項3記載の発明から把握さ
れるように、第1被接合物に対して超音波を印加し、か
つ、第1被接合物表面に対する超音波振動方向の角度を
0〜90°範囲とすることができる。
【0018】なお、第1被接合物、金型の形状及び寸法
はとくに限定されないが、第1被接合物及び金型の予熱
が必要である。
【0019】また、接合自体は、超音波振動方向と接合
面との角度を上記の如く限定しなくても可能であるが、
接合強度に及ぼす角度の影響が認められる点で、上記限
定を好適範囲とする。
【0020】また、超音波の周波数、出力及び印加方法
はとくに限定されないが、接合強度に及ぼす超音波の出
力、印加方法の影響がある。〔後述〕
【0021】
【実施例】本発明の一実施例を添付図面に基いて以下詳
細に説明する。
【0022】図1は本発明方法を模式的に示す説明図で
ある。
【0023】図2、図3及び図4は、それぞれ装置構成
とともに本発明方法の一実施例を示す説明図である。
【0024】各図から看取されるように、それぞれの装
置は床面に立設された金型(7)を備えており、この金
型(7)に固体物(5,8,9)〔第1被接合物〕がイ
ンサートされている。超音波振動は振動体(3)から押
え板(4)により、もしくは直接に固体物(5,8,
9)に印加する。いずれも、自動車用エンジンの部品で
ある吸気マニホールドを考慮している。
【0025】上記構成により、図2に示すように、別の
ところで予熱した6030Alパイプ[400℃] (5)を内蔵し
ているヒータで加熱した金型(7)に設置する。
【0026】そして、別のところで溶かされたAC4Cアル
ミニウム合金[780℃](6)〔以下、AC4C;第2被接合
物〕を金型(7)に注いで、超音波振動(例えば18kH
z;500W)を押え板(4)により金属パイプ(5)に印
加する。AC4C溶湯(6)が完全に凝固した後、振動体
(3)をはずして、接合を終了する。
【0027】図3及び図4に示したとおり、接合面が振
動方向に垂直する丸棒(8)、接合面が振動方向に対し
て鋭角になるような丸棒(8)を用いて接合を実施し
た。
【0028】本発明方法により得られる接合体の接合強
度に関し、実験的事実に基づき以下説明する。
【0029】本発明の超音波鋳ぐるみ接合方法により60
61AlパイプとAC4Cの接合体試験片を作製した。
【0030】作製条件(製造条件)に関し、図5(a)
は接合面付近のAC4C側の冷却曲線と超音波を印加するタ
イミングを示し、図5(b)はそれぞれ製造した接合体
試験片の剪断強度を示す。
【0031】図5(b)から看取されるように、溶融状
態から半溶融状態まで冷却する凝固過程で、連続的又は
断続的に超音波を印加することにより、接合に係る剪断
強度を増補することができる。すなわち、液体状態での
超音波鋳ぐるみ接合の場合に比して少なくとも2倍以上
の剪断強度が得られる。
【0032】また、鋼パイプとAC4Cの接合体試験片を作
製した。
【0033】この場合の超音波出力と試験片の剪断強度
との関係を図6に示す。この場合、500Wの超音波出力
により、少なくとも50〜100MPaの剪断強度を得ることが
できる。
【0034】さらに、丸棒〔第1被接合物〕に対する超
音波鋳ぐるみ接合では、接合面が超音波振動方向に鋭角
になる場合も接合可能である。〔図3,4参照〕
【0035】なお、本発明は上述の実施例に限定される
ことなく、本発明の保護範囲を逸脱しない限り、適合な
変更を行うことができる。その他の態様で実施可能な場
合としては、例えば、固体物(5)〔第1被接合物〕を
金属パイプ、丸棒、形状が複雑である部品、金属基複合
材料、セラミックもしくはセラミック基複合材料とする
ことができる。
【0036】
【発明の効果】本発明は以上の構成よりなるものであ
り、これによれば固体材料(又は部品)と金属を鋳ぐる
む際に接合性及び接合強度を改善することができる。
【0037】しかも、第1被接合物としては固体材料で
あればよく、部品形状、及び第2被接合物(鋳造金属)
に対して異種材料であることを問わないので産業上極め
て有益である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法を模式的に示す説明図である。
【図2】本発明の一実施例である金属パイプとAl合金(A
C4C)の超音波鋳ぐるみ接合方法を示す説明図である。
【図3】本発明の他の実施例である金属丸棒(平面)と
Al合金(AC4C)の超音波鋳ぐるみ接合方法を示す説明図で
ある。
【図4】本発明の他の実施例である金属丸棒(斜面)と
Al合金(AC4C)の超音波鋳ぐるみ接合方法を示す説明図で
ある。
【図5】本発明方法により得られる接合体の接合強度に
関する実験的事実を示す図であって、(a)は接合面付
近のAC4C側の冷却曲線(溶湯温度)及び超音波を印加す
るタイミングを示すグラフであり、(b)はそれぞれ製
造した接合体試験片の剪断強度を示すグラフである。
【図6】同じく他の実験的事実における接合体試験片の
剪断強度と超音波出力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 超音波発振器 2 超音波振動子 3 振動体 4 押え板 5 金属パイプ〔固体物;第1被接合物〕 6 金属溶湯〔第2被接合物〕 7 金型 8 金属丸棒(平面)〔固体物;第1被接合物〕 9 金属丸棒(斜面)〔固体物;第1被接合物〕 X 超音波鋳ぐるみ接合体(鋼パイプ/AC4C)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 府山 伸行 広島県広島市南区丹那町17−14 県公舎 2−302 (56)参考文献 特開 平9−143593(JP,A) 特開 平6−134566(JP,A) 特開 平4−262851(JP,A) 特開 平2−258156(JP,A) 特開 平1−180773(JP,A) 特開 昭54−13420(JP,A) 特開 昭51−83035(JP,A) 特開 昭50−89215(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22D 19/04 B22D 19/00 B22D 19/16

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被鋳ぐるみ部材(以下、第1被接合物と
    いう。)を鋳型内に配置し、鋳造金属(以下、第2被接
    合物という。)を注湯して一体的な接合を有する接合体
    を形成するために、超音波振動を与えて接合をおこなう
    超音波鋳ぐるみ接合方法において、前記第2被接合物が
    半溶融状態にある凝固過程で、連続的又は断続的に超音
    波を印加しながら鋳ぐるみ接合をおこなうことを特徴と
    する超音波鋳ぐるみ接合方法。
  2. 【請求項2】 前記第1被接合物が金属(合金を含
    む)、金属基複合材料、セラミック又はセラミック基複
    合材料から選択された固体材料である請求項1記載の超
    音波鋳ぐるみ接合方法。
  3. 【請求項3】 第1被接合物に対して超音波を印加し、
    かつ、第1被接合物表面に対する超音波振動方向の角度
    を0〜90°範囲とすることを特徴とする請求項1又は2
    記載の超音波鋳ぐるみ接合方法。
  4. 【請求項4】 前記超音波が、第1被接合物、第2被接
    合物、又は金型を経由して印加されるものである請求項
    1記載の超音波鋳ぐるみ接合方法。
  5. 【請求項5】 被鋳ぐるみ部材(以下、第1被接合物と
    いう。)を鋳型内に配置し、鋳造金属(以下、第2被接
    合物という。)を注湯するとともに、超音波振動を与え
    ながら一体的に接合してなる超音波鋳ぐるみ接合体にお
    いて、前記第2被接合物が半溶融状態にある凝固過程
    で、連続的又は断続的に超音波を印加することにより得
    られる接合体であって、以下の性質を有する超音波鋳ぐ
    るみ接合体。 (1)第1被接合物が金属(合金を含む)、金属基複合
    材料、セラミック又はセラミック基複合材料から選択さ
    れた固体材料である。 (2)接合プロセスにおいてキャビテーション効果を有
    し、第1被接合物が表面酸化膜の除去を含み洗浄処理さ
    れている。 (3)液体状態での超音波鋳ぐるみ接合の場合に比して
    少なくとも2倍以上の剪断強度を有する。
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