JP5395035B2

JP5395035B2 - 金属材の接合方法

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Publication number: JP5395035B2
Application number: JP2010253302A
Authority: JP
Inventors: 大介水島; 碩哉村上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: JP2012101260A

Description

本発明は、複数の金属材を重ね合わせて超音波により接合する金属材の接合方法に関する。

近年、自動車の軽量化等の点から、自動車の構造体等にアルミニウム又はアルミニウム合金材の使用が進められている。構造体の形成には、部材と部材をスポット溶接で点接合したり、ＭＩＧ溶接又はレーザ溶接等により連続的に線接合する等の溶融溶接が一般的に採用されている。

一方、溶接による接合方法は、溶接熱による熱歪が発生することから、この熱歪みを回避するために、機械的締結方法も検討されている。例えば、この機械的締結方法として、複数の金属板を重ね合わせてダイスとポンチで挟み込み、機械的にクリンチして締結する方法（特許文献１）が提案されている。

また、この機械的クリンチ方法において、パンチの径を細くし、突起部材がついた部材をパンチの周辺に配置して圧下することにより、更に結合力を高める機械的クリンチ方法（特許文献２）も提案されている。

図６は従来の機械的クリンチ接合方法を示す図である。図６（ａ）に示すように、上面の中央部にクリンチ形状の凹部を有するダイ１０２の上に、被接合材１ａ、１ｂの重ね継手１を載置し、中央にパンチ用孔を有するストリッパ１０１を重ね継手１上に重ねて、ストリッパ１０１とダイ１０２とで、重ね継手１を挟持する。次いで、図６（ｂ）に示すように、ストリッパ１０１の孔内にパンチ１０３の作動部分を挿入し、このパンチ１０３を下降させる。そうすると、図６（ｃ）に示すように、重ね継手１はダイ１０２の凹部内に押し込まれて変形し、パンチ１０３がダイ１０２の底部との間で重ね継手１を押しつぶし、重ね継手１におけるパンチ１０３の作動部分の先端の隅部の近傍に、インターロック形状を形成する。これにより、重ね継手１は機械的クリンチにより接合される。

これらの機械的クリンチによる接合方法は、熱歪の問題は生じないものの、自動車等の構造体に適用するためには、更に接合強度を高める必要があった。そこで、機械的クリンチを行うに際して、超音波振動を付加する接合方法が提案されている（特許文献３、非特許文献１）。

特開昭６２−７７１３０号公報特開２００９−９０３５４号公報特開２００３−２００２３０号公報

水島大介、浅野禎介、佐藤隆、村上碩哉、大竹尚登超音波援用による機械的クリンチングの高強度化塑性加工連合講演会講演論文集（２００９年１０月発行）第２６９、２７０頁

特許文献３及び非特許文献１の超音波振動を付加する方法は、機械的クリンチのみの場合に比較して、かしめ力の向上効果が得られるが、特許文献３に記載の方法においては、超音波を複数の方向から付与するため、複数の方向に振動を発生する超音波振動発生装置を配置することが必要となり、接合装置が複雑化する。

また、かしめ部の振動系が水平方向に付属するため、かしめ部の突形状のように入り組んだ場所においては超音波により加振できる部位と、できない部位が出てくる（幾何学的障害）ため、接合強度の大幅な向上が望めない。その点、非特許文献１の方法では、かしめの開始から終了まで軸方向にのみ加振しているため、超音波の発生装置は一方向のみから発信するものだけで良いため、装置の構造が単純で幾何学的障害が発生せず、高い接合強度を得ることができる。

しかし、この方法によっても、プレス成形等の加工油等が金属材に残存していると、金属材が接合しないという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、金属材を重ね合わせて超音波振動を付加しつつ、機械的クリンチする強度が高い接合方法において、特に金属材表面に加工油が残存していても、良好な接合を行うことができる金属材の接合方法を提供することを目的とする。

本発明に係る金属材の接合方法は、
成形用孔が形成されたダイの上に、金属材からなる複数の被接合材を重ね合わせた重ね継手を載置し、
前記成形用孔内に挿入したカウンタパンチとその上方のパンチとで前記重ね継手を挟み込み、
前記パンチ及び前記カウンタパンチを前記重ね継手に、前記重ね継手の全体の厚さの４０乃至７０％の深さで夫々食い込ませ、
前記パンチ及びカウンタパンチにその軸方向に超音波振動を付与して、前記重ね継手の接合部において振動応力が最大となるような振動を与えて、前記重ね継手を共振させると共に、前記パンチ及び前記カウンタパンチを同時に下降させて前記重ね継手を前記成形用孔内に押し込むことを特徴とする。

この金属材の接合方法において、
前記パンチ及び前記カウンタパンチを前記重ね継手に、前記重ね継手の全体の厚さの４０乃至７０％の深さで夫々食い込ませる工程は、振動系を共振状態とするため、前記パンチ及びカウンタパンチを前記重ね継手に対し７５ＭＰａ以上の圧力で加圧することが好ましい。

更に、前記金属材は例えばアルミニウム又はアルミニウム合金である。更にまた、前記カウンタパンチ及び前記パンチは、夫々ホーンに締結されない状態で連結されており、前記パンチ用のホーンは、超音波振動子に接続されていて、この超音波振動子の振動を、前記ホーン（パンチ側）を通して、前記パンチ，重ね継手、カウンタパンチ、及びホーン（カウンタパンチ側）に超音波振動を付与する。そして、双方のホーンの振動がパンチ及びカウンタパンチを振動させることで、パンチ、重ね継手、及びカウンタパンチで構成された共振体が共振する。

本発明によれば、超音波を付加した機械的クリンチ接合方法において、超音波振動をパンチの軸方向のみに付与し、金属材の重ね合わせ部において応力が最大になるような応力分布を付与しているため、接合表面に加工油が残存していても、接合強度（剥離強度）を著しく高くすることができ、継手の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る接合方法に用いる超音波振動付与装置を示す模式図である。本発明における応力分布と変位分布との関係を示す模式図である。（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施形態の超音波を付与した機械的クリンチ接合の過程を示す模式図である。（ａ）及び（ｂ）は、夫々本発明の比較例及び実施例の接合部の剥離状態を示す模式図である。ダイの内縁部の斜面の角度を示す図である。従来の機械的クリンチ接合の過程を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る金属材の接合方法に使用する超音波振動付与装置を示す模式図と、超音波振動態様を示す波形図である。また、図３(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は、被接合材の機械的クリンチの過程を示す図である。図３に示すように、Ａ１０５０アルミニウム合金材等の被接合材１ａ、１ｂの重ね継手１がダイ１２の上に載置され、更に、この重ね継手１の上にストリッパ１１が配置される。ダイ１２はその中心部にカウンタパンチ４が挿入される成形用孔１４がその軸方向にパンチ側に孔が広がるようにテーパを有して形成されており、ストリッパ１１にはその中心部にパンチ２が挿入されるパンチ用孔１３がその軸方向を垂直にして形成されている。成形用孔１４は、パンチ２により、その内部に重ね継手１が押し込まれて、接合後の重ね継手１の形状を成形する。

図１は超音波振動付与装置を示すが、この図１には、図示の簡単のために、図３に示すダイ１２及びストリッパ１１は図示されていない。下方の被接合材１ａの下面にはカウンタパンチ４が配設され、上方の被接合材１ｂの上面にはパンチ２が配設されている。そして、カウンタパンチ４はホーン５上に接続されており、パンチ２はその上にホーン３が接続されている。そして、上方のホーン３は超音波振動子６が接続されている。これらのホーン３，５は、超音波振動子６により付与される超音波振動を拡大して夫々パンチ２及びカウンタパンチ４に伝達するものである。

このようなホーンは、通常の超音波振動装置では、パンチに締結されており、ホーンとパンチとは相互に固定されている。しかし、本実施形態においては、パンチ２及びカウンタパンチ４と、夫々ホーン３及び５とは、締結されていない。これは、超音波振動の付与により、パンチのみならず、パンチを締結するボルト等の締結部材にも大きな荷重がかかる場合があり、接合開始後、短期間で締結部材が破損することがあるからである。パンチ２及びカウンタパンチ４を夫々ホーン３及び５に締結せずに、フリーの状態にしておくことにより、この問題を解決することができる。なお、この場合に、ホーン３，５からパンチ２及びカウンタパンチ４が離脱してしまう虞があるが、パンチ２及びカウンタパンチ４を適宜の治具で夫々ホーン３，５に取り付けてホーン３，５に固定しておき、パンチ２及びカウンタパンチ４が重ね継手１に当接した後、前記治具を外して、パンチ２及びカウンタパンチ４とホーン３，５とを、ホーン３，５がパンチ２及びカウンタパンチ４を支持するがホーン３，５とパンチ２及びカウンタパンチ４とを締結しない状態、即ち、上記フリーの状態にすれば良い。なお、機械的クリンチングの後、接合対象の重ね継手１にパンチ２が拘束されてしまった場合は、前記治具によりパンチ２をホーン３に固定して、このホーン３を引き上げることにより、パンチ２を重ね継手１から離脱させることができる。なお、ホーン３と超音波振動子６とはネジ等により相互に固定されている。

ダイ１２の中心部分に、成形用孔１４が形成されており、この孔１４内にカウンタパンチ４の作動部分（先端部分）が挿入されている。また、ストリッパ１１の中心部分に、パンチ用孔１３が形成されており、この孔１３内にパンチ２の作動部分（先端部分）が挿入されている。このカウンタパンチ４の作動部分とパンチ２の作動部分とにより、重ね継手１を挟み、重ね継手１に超音波振動を付与すると共に、図３（ｃ）に示すように、パンチ２を下降させて重ね継手１をクリンチする。本実施形態においては、カウンタパンチ４が上下方向に可動に設置されている。従って、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、パンチ２が下降して、重ね継手１を下方に押圧すると、カウンタパンチ４は、その反力により重ね継手１に上方への応力を印加し、パンチ２との間で重ね継手１に一定の挟持力を印加しつつ、パンチ４及び重ね継手１と共に下方に移動する。このように、パンチ２の押込によって、重ね継手１の接合部分が軸方向に移動するが、クリンチに必要な押し込み量に達したときに、パンチ２及びカウンタパンチ４の移動が停止し、カウンタパンチ４は、従来の機械的クリンチにおけるダイ底部と同様に材料の重ね継手１を押しつぶすアンビルの作用をする。

超音波振動子６から発生した超音波振動は、ホーン３によって拡大されて、パンチ２に伝達される。また、この超音波振動は、カウンタパンチ４からカウンタパンチ側のホーン５に伝達され、振動系全体が共振状態を維持する。

そして、機械的クリンチによる重ね継手１の加工中は、定常的に共振状態を維持するために、例えば、発信制御をＰＬＬ（位相同期回路）方式低振幅周波数自動追尾方式で制御する。

ダイ１２とストリッパ１１とは重ね継手１を挟み込んで、材料の跳ね上がりを阻止している。

次に、上述の装置を使用して本発明の実施形態の金属材の接合方法を実施する態様及び動作について説明する。ダイ１２上に、Ａ１０５０アルミニウム合金材等の被接合材１ａ、１ｂの重ね継手１を載置し、ストリッパ１１を重ね継手１の周辺部上に下降させる。このストリッパ１１及びダイ１２により重ね継手１を、重ね継手１を挟み込む。そして、ダイ１２及びストリッパ１１の各孔内に、カウンタパンチ４及びパンチ３を挿入し、重ね継手１をカウンタパンチ４及びパンチ２で挟持する。このとき、カウンタパンチ４及びパンチ２は、孔内への挿入時には、適宜の治具により夫々ホーン５及び３に固定されており、重ね継手１に当接した後、治具を外して、ホーン３及び５とパンチ２及びカウンタパンチ４とを水平方向には相互に拘束されていない状態で垂直方向には振動が伝達されるような接続状態にする。

次に、上述のごとくパンチ２とカウンタパンチ４との間で重ね継手１を挟持した後、パンチ２とカウンタパンチ４を重ね継手１に対し、例えば、７５ＭＰａ以上の圧力で加圧する。これにより、パンチ２及びカウンタパンチ４の先端の作動部分を、重ね継手１の被接合材１ａ、１ｂに、例えば、重ね継手１の全体の厚さの４０乃至７０％の深さだけ、食い込ませる。なお、被接合材１ａ、１ｂの表面に重ね継手１全体の厚さの４０乃至７０％だけ食い込ませるためには、被接合材１ａ、１ｂの品種により、その必要な応力が異なる。よって、品種によっては、７５ＭＰａではパンチ２及びカウンタパンチ４を重ね継手１に全体厚さの４０乃至７０％だけ食い込ませることができない場合もある。又は、７５ＭＰａ未満でも上記食い込み条件を満たす場合もある。しかし、一般的なアルミニウム合金の場合には、７５ＭＰａ以上の圧力を印加すれば、上記食い込み条件を満足させることができる。

このように、重ね継手１に、パンチ２とカウンタパンチ４とを食い込ませない状態で、後述するように超音波振動を付与すると、パンチ２及びカウンタパンチ４からの超音波振動が重ね継手１に有効に伝わらず、重ね継手１に共振振動が生じにくくなる。

なお、食い込み量は、前述のごとく、重ね継手１の全体の厚さの４０乃至７０％の深さで良いが、更に好ましくは、６０％程度の食い込み量が良い。

また、前述のごとく、パンチ２とカウンタパンチ４の重ね継手１に対する圧力は７５ＭＰａ以上であることが好ましい。この理由は、前述のパンチ２及びカウンタパンチ４の重ね継手１に対する食い込み量確保の目的の他に、パンチ２とカウンタパンチ４の荷重が低すぎると、パンチ２と、被接合材からなる重ね継手１と、カウンタパンチ４とが共振体として一体になりにくいからである。従って、共振状態を維持するために、超音波振動を付与する前に、パンチ２及びカウンタパンチ４により７５ＭＰａ以上の圧力で重ね継手１を加圧しておくことが好ましい。なお、この加圧力として、１２０ＭＰａ以上の大きな応力を印加しても、上述の効果があまり向上しないため、加圧力は１２０ＭＰａ未満とすることが好ましい。

このように、パンチ２及びカウンタパンチ４により重ね継手１を挟持し、更に、ダイ１２及びストリッパ１１で重ね継手１を緩く挟み込んだ状態で、超音波振動子６により、パンチ２及びカウンタパンチ４にその軸方向に超音波振動を付与する。このとき、パンチ２及びカウンタパンチ４の先端の作動部分は、重ね継手１に食い込んでおり、この重ね継手１におけるダイ１２及びストリッパ１１に挟まれた部分の内側部分にのみ垂直方向に（パンチ２の軸方向に）加振するため、被接合材１ａ、１ｂの形状によらずに、パンチ２の軸方向へ共振する振動状態が得られる。

この超音波振動の付与においては、被接合部材１ａ、１ｂが接触する位置、即ち、被接合部において、応力分布が最大となるように共振させることが必要である。これは、図１に示すように、ホーン３とパンチ２との境界及びホーン５とカウンタパンチ４との境界の位置が、図２に示す振動の腹となるような振動を、超音波振動子６からホーン３に付与する。このようなホーン３とパンチ２との境界及びホーン５とカウンタパンチ４との境界の位置が振動の腹であると、その位置で変位が最大となり、この腹間の中央の位置、即ち、被接合部材１ａ、１ｂの位置が節となって、この節の位置では、変位分布が０であり、応力分布が最大となる。このように、超音波振動子６から発振された超音波振動が、ホーン３とパンチ２との境界及びホーン５とカウンタパンチ４との境界の位置が腹となるようなものであると、パンチ２とカウンタパンチ４との間の被接合部材１ａ、１ｂが接触する面の位置で、応力分布が最大となる超音波振動が得られる。

超音波振動子６から発振された超音波振動は、ホーン３により拡大されてパンチ２に伝達され、パンチ２からカウンタパンチ４に伝達され、更にカウンタパンチ４からホーン５に伝達される。そして、ホーン３，４により拡大された超音波振動は、パンチ２及びカウンタパンチ４に伝達され、被接合部材１ａ、１ｂの接合部で応力分布が最大となる定在波として、接合部に印加される。この際、変位分布は応力分布と逆位相となっている。このような振動モードで、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる被接合材１ａ、１ｂの重ね継手１を振動させると、重ね継手１の金属板の厚さ方向に時計回り及び半時計回りの渦が交互に生じ、金属材料が撹拌される。これによって、被接合材１ａ、１ｂの表面に油分が残っていても、接合強度が強力な接合体が得られる。

上述のごとく、図３（ａ）に示すように、重ね継手１に超音波振動を付与した状態で、図３（ｂ）に示すように、パンチ２を下降させて、パンチ２とカウンタパンチ４とを協働させて重ね継手１の接合部を下方に押し込み、図３（ｃ）に示すように、所定の位置でパンチ２及びカウンタパンチ４の下降が停止する。このとき、重ね継手１の被接合材１ａと被接合材１ｂとは、パンチ２の作動部分の先端で押しつぶされ、押し込まれた部分の底部において横方向に広がった部分が形成され、相互に係止され、これにより、この押し込まれた部分で、重ね継手１が機械的クリンチにより接合される。

本実施形態においては、被接合材１ａ，１ｂの表面に油分が付着していても、被接合材１ａ、１ｂの接合面が節となる波形の超音波振動を受け、この接合面で最大応力を受けるので、この接合部で重ね継手１の厚さ方向に時計回り及び反時計回りの渦が生じ、材料が撹拌され、被接合材１ａ、１ｂの界面が消失する。このため、接合強度が優れた接合部が得られる。

「ダイの成形用孔の内面の傾斜」
ダイ１２に設けられた成形用孔１４を規定するダイ１２の内面は、図５に示すように、その上部が上方に向かって広がるように傾斜している。この傾斜は、ダイ１２の縦断面において、図５に示すように例えば、７°である。このように、ダイ１２の成形用孔１４を規定する内面の上部を傾斜させておくと、接合後に、パンチ２を重ね継手１から引き抜きやすくなり、生産性の観点から好ましい。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。２枚のアルミニウム合金板（Ａ１０５０アルミニウム合金、厚さ：０．５ｍｍ、幅：２５ｍｍ、長さ：７５ｍｍ）を脱脂した後に、動粘度が５６ｍｍ^２・ｓ^−１の圧延油を十字に組み合わせて中心部を接合した。接合については、図１に示す超音波振動付与装置を使用し、超音波振動子６には日本特殊陶業製Ｄ４４２７ＰＣ（共振周波数２７ｋＨＺ、最大入力７００Ｗ）を使用した。

ホーンの端面は９μｍの振幅で振動した。パンチ２と被接合材１ａ、１ｂとカウンタパンチ４とは、共に１つの共振体として振動し、被接合材１ａ、１ｂの重ね合わせ面で最大応力振動が得られるように、振動系を構成する各部材の質量及び形状を有限要素法によるコンピュータシミュレーションで、パンチ２等の形状を設計し、寸法を決定した。

なお、パンチ２、カウンタパンチ４、ストリッパ１１、ダイ１２は、全てロックウエル硬度ＨＲＣが５８〜６１のＳＫＤ１１鋼材を使用した。

次に、接合部の底部板厚が０．１７ｍｍとなる位置までパンチを押し込んで、被接合材を機械的クリンチにより接合した。その後、得られた十字継手を引張り剥離強度試験して、剥離強度を測定した。この剥離強度試験の結果を下記表１に示す。表１において、実施例１乃至７は、超音波振動を印加して接合したものであり、本発明の請求項１の要件を満たすものである。一方、比較例１乃至７は、超音波振動を付与しないで接合したものであり、比較例８は実施例１乃至７と振動の位相が１８０°異なるようにして超音波振動を付与したものである。また、底部の厚さとは、重ね継手におけるパンチ２により押圧された部分の厚さである。

この表１に示すように、本発明の実施例１乃至７は、いずれも、剥離強度が８．２ＭＰａ以上と高く、優れた接合強度を有していた。これに対し、超音波振動を付与せずに、重ね継手をパンチにより押し込んだ比較例１乃至７の場合は、接合強度が低かった。また、超音波振動を付与した比較例８も振動の位相が本発明と異なるため、接合強度は低い値に留まった。

次に、実施例と比較例の接合後の断面形状について説明する。実施例１は被接合材中央部で応力分布が最大になっており、比較例８は実施例と逆の位相（被接合部中央部において応力分布が０）となっている。

図４（ａ）に示すように、超音波振動を加えなかった比較例１乃至７は、被接合材１ａが被接合材１ｂより抜けてしまう事態が生じ、剥離強度が低下した。これは、上側の被接合材１ｂと下側の被接合材１ａとの間が全く接合していなかったために、抜けが生じたためである。超音波を付加した比較例８は抜けは生じなかったが、同じ底肉厚の比較例１に比較して剥離強度が１．１倍程度であり、構造材に適用できる程度の剥離強度は得られなかった。

これに対して、本発明の実施例１は、図４（ｂ）に示すように、被接合材１ｂと被接合材１ａとの間で接合が生じていたため、両被接合材１ａ、１ｂが接合した状態で破断が生じ、所謂ボタン破断が生じていた。このとき、この実施例１は、同じ底肉厚の比較例１に比較して、１．５倍の高い接合強度が得られた。

１：重ね継手
１ａ、１ｂ：被接合材
２：パンチ
３、５：ホーン
４：カウンタパンチ
６：超音波振動子
１１：ストリッパ
１２：ダイ
１４：成形用孔

Claims

成形用孔が形成されたダイの上に、金属材からなる複数の被接合材を重ね合わせた重ね継手を載置し、
前記成形用孔内に挿入したカウンタパンチとその上方のパンチとで前記重ね継手を挟み込み、
前記パンチ及び前記カウンタパンチを前記重ね継手に、前記重ね継手の全体の厚さの４０乃至７０％の深さで夫々食い込ませ、
前記パンチ及びカウンタパンチにその軸方向に超音波振動を付与して、前記重ね継手の接合部において振動応力が最大となるような振動を与えて、前記重ね継手を共振させると共に、前記パンチ及び前記カウンタパンチを同時に下降させて前記重ね継手を前記成形用孔内に押し込むことを特徴とする金属材の接合方法。
前記パンチ及び前記カウンタパンチを前記重ね継手に、前記重ね継手の全体の厚さの４０乃至７０％の深さで夫々食い込ませる工程は、前記パンチ及びカウンタパンチを前記重ね継手に対し７５ＭＰａ以上の圧力で加圧することを特徴とする請求項１に記載の金属材の接合方法。
前記金属材がアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属材の接合方法。
前記カウンタパンチ及び前記パンチは、夫々ホーンに締結されない状態で連結されており、前記パンチ用のホーンは、超音波振動子に接続されていて、この超音波振動子の振動により前記パンチに超音波振動を付与して、前記ホーンにより前記重ね継手を共振させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属材の接合方法。