JP4524639B2

JP4524639B2 - 超音波接合方法、および超音波接合装置

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Publication number: JP4524639B2
Application number: JP2005099329A
Authority: JP
Inventors: 有礼清水; 祐一青木; 正勝上野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006272444A

Description

本発明は、金属製の第１部材を金属製の第２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、および超音波接合装置に関するものである。

従来、金属製の２つの部材同士を接合する方法として、例えば特許文献１に示されるような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ることで摩擦を起させ、酸化皮膜を破壊し、両者の接触面に発生した摩擦熱、ならびに、両者の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。尚、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）。

ここでは、フランジ部にヘッダタンク壁面側に向けて突出する突起部を設けることで、突起部の接触面圧を高く維持して、振動エネルギーを突起部に集中させることで、超音波接合により熱履歴の影響を最小限に抑えつつ、超音波接合の歩留まりを高めながら充分な接合強度、接合部の気密性を得るようにしている。
特開２００１−２４６４７９号公報

しかしながら、上記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。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、対象部材の形状によって接合部に一体的なホーンを配置できない場合でも、良好な接合部を実現できる超音波接合方法、および超音波接合装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、気密性が良好な接合部を実現できる超音波接合方法、および超音波接合装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、複数回に分ける事無く一度の加圧振動で接合可能とする超音波接合方法、および超音波接合装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、管状部材（１１０）の一端側に形成されたフランジ部（１１１）を、ホーン（１１、１２）によって、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超音波接合方法であって、ホーン（１１、１２）をフランジ部（１１１）の周方向に複数に分割しておくと共に、複数のホーン（１１、１２）のフランジ部（１１１）側に、所定ピッチ（ａ）で配列される複数の突起部（１１ａ、１２ａ）を形成して、複数のホーン（１１、１２）を所定の隙間部（１３）を設けてフランジ部（１１１）にセットした時に、隙間部（１３）における突起部（１１ａ、１２ａ）のピッチ（ｂ）が所定ピッチ（ａ）以下となるようにしておき、複数のホーン（１１、１２）を加圧振動させて接合を行うことを特徴としている。

これにより、管状部材（１１０）が曲管であったり、また、管状部材（１１０）の反フランジ部側に張出し部等が有るような場合であっても、分割されたホーン（１１、１２）を用いるので、相手側部材（１２０）への超音波接合が可能となる。ここで、複数のホーン（１１、１２）間の隙間部（１３）においては、各ホーン（１１、１２）の突起部（１１ａ、１２ａ）が所定ピッチ（ａ）で、あるいはそれより密になるように配列されるので、フランジ部（１１１）の全体に複数のホーン（１１、１２）による加圧振動を均等に付加でき、一回の超音波接合を行うのみで管状部材（１１０）と相手側部材（１２０）との接合を完了できる。

請求項２に記載の発明では、複数のホーン（１１、１２）を同時に加圧振動させて接合を行うことを特徴としている。

これにより、複数のホーン（１１、１２）をあたかも一体物のごとく作動させることができるので、一回の超音波接合を行うのみで管状部材（１１０）と相手側部材（１２０）との接合を完了できる。

上記複数のホーン（１１、１２）の同時加圧振動は、請求項３に記載の発明のように、同位相、同振幅の加圧振動とするのが良い。

請求項４に記載の発明では、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（１１、１２）を有する超音波接合装置であって、ホーン（１１、１２）は、フランジ部（１１１）の周方向に複数に分割されると共に、複数のホーン（１１、１２）のフランジ部（１１１）側には、所定ピッチ（ａ）で配列される複数の突起部（１１ａ、１２ａ）が形成されて、複数のホーン（１１、１２）を所定の隙間部（１３）を設けてフランジ部（１１１）にセットした時に、隙間部（１３）における突起部（１１ａ、１２ａ）のピッチ（ｂ）が所定ピッチ（ａ）以下となるように設定されたことを特徴としている。

これにより、請求項１に記載の超音波接合方法を可能とする装置とすることができる。

請求項５に記載の発明では、複数のホーン（１１、１２）は、同時に加圧振動されることを特徴としている。

これにより、請求項２に記載の超音波接合方法を可能とする装置とすることができる。

上記複数のホーン（１１、１２）の同時加圧振動は、請求項６に記載の発明のように、同位相、同振幅の加圧振動とするのが良い。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、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ものである。

（第１実施形態）
本発明に係る第１実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。尚、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１０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。尚、図１中では省略しているが、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。尚、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。

超音波接合装置１０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１０Ａと、第２パイプ１２０を固定するアンビル１０Ｂとを有している。そして、ホーン１０Ａ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１１と第２ホーン１２とから形成されるようにしている。尚、第１ホーン１１および第２ホーン１２は、図示しない２つの駆動部にそれぞれ接続されており、両者１１、１２間が開閉可能となると共に、後述するように、第１パイプ１１０に対する加圧作動、および振動作動が同位相、同振幅で行われるようになっている。

各ホーン１１、１２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１１ａ、１２ａが形成されている。そして、両ホーン１１、１２間が閉じられて後述する隙間部１３（δ）が形成された時に、この隙間部１３（δ）における突起部１１ａ、１２ａのピッチｂが、所定ピッチａ以下（ａ≧ｂ）となるように設定されている。隙間部１３（領域Ｙ）における突起部１１ａ、１２ａの先端角度については、一般部（領域Ｘ）における突起部１１ａ、１２ａの先端角度と同等に設定するのが望ましい。

尚、ここでは、所定ピッチａを０．８〜１．２ｍｍ、突起部１１ａ、１２ａ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１０を用いた接合方法について説明する。まず、両ホーン１１、１２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１０Ｂにセットする。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。そして、第１パイプ１１０を挟むようにして両ホーン１１、１２間を閉じる。この時、両ホーン１１、１２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１１、１２間に隙間部１３（図２中の寸法δ）が形成されるようにしている。尚、隙間部１３の寸法δは、両ホーン１１、１２の振動振幅（例えば４０μｍ）より大きくなる寸法としている。

その後に、両ホーン１１、１２を第１フランジ部１１１に加圧接触させて（図１中の白矢印）、突起部１１ａ、１２ａ先端を第１フランジ部１１１の表面に食い込ませて、両ホーン１１、１２に対して同位相、同振幅で第１フランジ部１１１の面の広がる方向（図２中の白矢印方向）に振動を付加する。すると、第１フランジ部１１１は両ホーン１１、１２と共に振動し、摩擦熱によって両フランジ部１１１、１２１同士が接合されて、接合パイプ（本発明における接合パイプに対応）１００が完成される。尚、完成された第１フランジ部１１１の表面全体には、両ホーン１１、１２の突起部１１ａ、１２ａの食い込んだ跡が、ほぼ均一に残ることになる。

以上のように本発明においては、ホーン１０Ａを周方向に複数に分割し（ホーン１１、１２）、各ホーン１１、１２の第１フランジ部１１１側には、所定ピッチａで配列される複数の突起部１１ａ、１２ａを形成し、両ホーン１１、１２間に隙間部１３を設けて第１フランジ部１１１にセットした時に、隙間部１３における突起部１１ａ、１２ａのピッチｂが所定ピッチａ以下となるように設定し、且つ、両ホーン１１、１２を同位相、同振幅で加圧振動するようにしている。

よって、第１パイプ１１０が曲管として形成されているような場合であっても、分割されたホーン１１、１２を用いるので、第２パイプ１２０への超音波接合が可能となる。ここで、両ホーン１１、１２はあたかも一体物のごとく作動し、また、隙間部１３（図３（ｂ）中のＹ領域）においては、図３（ｂ）中のＸ領域に対して各ホーン１１、１２の突起部１１ａ、１２ａが所定ピッチａで、あるいはそれより密になるように配列されるので、第１フランジ部１１１の全体に両ホーン１１、１２による加圧振動を均等に付加でき、一回の超音波接合を行うのみで第１パイプ１１０と第２パイプ１２０との接合を完了できると共に、良好な接合ができる。両パイプ１１０、１２０の接合部は気密性に優れる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、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４に示すように、端部側断面１２１Ａ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１２０Ａとしたり、図５に示すように、穴部の外周面１２１Ｂに第１フランジ部１１１が接合されるブロック状の部材１２０Ｂ等としても良い。

また、両ホーン１１、１２間の隙間部１３（δ）が加圧振動時の振幅より大きく、また、両ホーン１１、１２の突起部１１ａ、１２ａのピッチｂが、所定ピッチａ以下（ａ≧ｂ）となる設定であれば、突起部１１ａ、１２ａの形状は四角錘状に限らず、他の円錐状等種々の形状での対応が可能である。

また、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、第１パイプ１１０の反フランジ部側に接続部（ナットやフランジ部）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。

２つのパイプを接合して接合パイプを形成するための超音波接合装置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。その他の実施形態１における接合パイプを示す断面図である。その他の実施形態２における接合パイプを示す断面図である。

符号の説明

１０超音波接合装置
１１第１ホーン（ホーン）
１１ａ突起部
１２第２ホーン（ホーン）
１２ａ突起部
１３隙間部
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（相手側部材）
１２１第２フランジ部（穴部の外周面）

Claims

管状部材（１１０）の一端側に形成されたフランジ部（１１１）を、ホーン（１１、１２）によって、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超音波接合方法であって、
前記ホーン（１１、１２）を前記フランジ部（１１１）の周方向に複数に分割しておくと共に、
複数の前記ホーン（１１、１２）の前記フランジ部（１１１）側に、所定ピッチ（ａ）で配列される複数の突起部（１１ａ、１２ａ）を形成して、複数の前記ホーン（１１、１２）を所定の隙間部（１３）を設けて前記フランジ部（１１１）にセットした時に、前記隙間部（１３）における前記突起部（１１ａ、１２ａ）のピッチ（ｂ）が前記所定ピッチ（ａ）以下となるようにしておき、
複数の前記ホーン（１１、１２）を加圧振動させて接合を行うことを特徴とする超音波接合方法。
複数の前記ホーン（１１、１２）を同時に加圧振動させて接合を行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。
複数の前記ホーン（１１、１２）の同時加圧振動は、同位相、同振幅の加圧振動であることを特徴とする請求項２に記載の超音波接合方法。
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（１１、１２）を有する超音波接合装置であって、
前記ホーン（１１、１２）は、前記フランジ部（１１１）の周方向に複数に分割されると共に、
複数の前記ホーン（１１、１２）の前記フランジ部（１１１）側には、所定ピッチ（ａ）で配列される複数の突起部（１１ａ、１２ａ）が形成されて、複数の前記ホーン（１１、１２）を所定の隙間部（１３）を設けて前記フランジ部（１１１）にセットした時に、前記隙間部（１３）における前記突起部（１１ａ、１２ａ）のピッチ（ｂ）が前記所定ピッチ（ａ）以下となるように設定されたことを特徴とする超音波接合装置。
複数の前記ホーン（１１、１２）は、同時に加圧振動されることを特徴とする請求項４に記載の超音波接合装置。
複数の前記ホーン（１１、１２）の同時加圧振動は、同位相、同振幅の加圧振動で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。