JP5553732B2 - Metal joint - Google Patents

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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した金属材の接合体に関する。   The present invention relates to a joined body of metal materials obtained by superposing a plurality of metal materials and joining them by ultrasonic waves.

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。   In recent years, the use of aluminum or aluminum alloy materials for automobile structures has been promoted from the viewpoint of reducing the weight of automobiles. For the formation of a structure, fusion welding such as spot welding of members and members, or continuous line joining by MIG welding, laser welding, or the like is generally employed.

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の方法として、摩擦撹拌線接合(FSW)が広く使用されている(特許文献1)。また、スポット的に接合する方法として、摩擦撹拌点接合が提案されている(特許文献2)。   On the other hand, the joining method by welding generates thermal strain due to welding heat, so friction stir wire joining (FSW) is widely used as a method for avoiding this thermal strain (Patent Document 1). Further, friction stir spot joining has been proposed as a spot joining method (Patent Document 2).

特許第2712838号公報Japanese Patent No. 2712838 特開2004−337891号公報JP 2004-337891 A

しかしながら、上述の特許文献1に記載の摩擦撹拌線接合は、ツールを回転させた状態で、ツールを溶接線に沿って移動させることにより、被接合材の塑性流動を起こして、撹拌接合している。このような接合方法は、熱歪の抑制には極めて効果が大きいが、接合開始部位と、接合終了部位とに、ツールが溶接線に出入りするための捨て板を配置する必要があるという問題点がある。更に、この従来技術においては、接合終了後に、捨て板を除去することが必要である。   However, the friction stir wire joining described in Patent Document 1 described above causes the plastic flow of the materials to be joined by moving the tool along the welding line while the tool is rotated, and stir welding. Yes. Such a joining method is extremely effective in suppressing thermal strain, but it is necessary to dispose a discard plate for the tool to enter and exit the weld line at the joining start site and the joining end site. There is. Further, in this prior art, it is necessary to remove the discarded plate after the joining is completed.

一方、特許文献2に記載の摩擦撹拌点接合においては、このような捨て板は不要である。しかし、特許文献2に記載の摩擦撹拌点接合は、回転停止状態でツールを被接合材に没入し、この没入後に、ツールを回転させて被接合材を摩擦撹拌する。このため、この従来技術においては、ツールを被接合材に深く押し込む必要があり、継手の強度が低くなり、特に薄肉材の接合が困難であるという問題点がある。   On the other hand, in the friction stir spot welding described in Patent Document 2, such a discarding plate is unnecessary. However, in the friction stir spot welding described in Patent Document 2, the tool is immersed in the material to be joined in a rotation stopped state, and after this immersion, the tool is rotated to friction stir the material to be joined. For this reason, in this prior art, it is necessary to push the tool deeply into the material to be joined, and there is a problem that the strength of the joint is lowered, and it is particularly difficult to join thin materials.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、被接合材の肉厚が薄くなっても接合が可能であり、しかもその接合体の接合強度が高い金属材の接合体を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and provides a joined body of a metal material that can be joined even if the thickness of the joined material is reduced and the joined body has a high joining strength. For the purpose.

本願第1発明に係る金属材の接合体は、
複数の金属又は合金からなる被接合材を重ねて相互に接合した金属材の接合体において、
重ねられた前記被接合材を相互に接合する接合部は、前記被接合材の重ね継手の表面及び裏面に夫々押圧部材で重ね継手を挟持する方向に押圧することによる第1凹部及び第2凹部が形成されており、
この第1及び第2凹部に整合する位置にて、前記各被接合材は塑性流動により撹拌され、接合界面が消失していることを特徴とする。
The joined body of metal material according to the first invention of the present application,
In the joined body of metal materials in which the materials to be joined made of a plurality of metals or alloys are stacked and joined to each other,
The joints for joining the joined materials to be joined together are a first recess and a second recess by pressing the lap joint with a pressing member on the front and back surfaces of the lap joint of the joined materials, respectively. Is formed,
Each of the materials to be joined is agitated by plastic flow at a position aligned with the first and second recesses, and the joining interface disappears.

本願第2発明に係る金属材の接合体は、
複数の金属又は合金からなる被接合材を重ねて相互に接合した金属材の接合体において、
重ねられた前記被接合材を相互に接合する接合部は、前記被接合材の重ね継手がその厚さ方向の一方向に押し込まれて前記重ね継手にはその一方向に突出する突出部が形成されており、
この突出部の反対側の面に形成された第3凹部に整合する位置にて、前記各被接合材は塑性流動により撹拌され、接合界面が消失していることを特徴とする。
The joined body of metal material according to the second invention of the present application,
In the joined body of metal materials in which the materials to be joined made of a plurality of metals or alloys are stacked and joined to each other,
In the joining portion for joining the stacked materials to be joined to each other, the lap joint of the materials to be joined is pushed in one direction in the thickness direction, and a protruding portion protruding in the one direction is formed in the lap joint. Has been
Each of the materials to be joined is agitated by plastic flow at a position aligned with a third recess formed on the opposite surface of the protruding portion, and the joining interface disappears.

これらの金属材の接合体において、例えば、
先記被接合材は、アルミニウム又はアルミニウム合金の板材である。また、前記被接合材は、厚さが1mm以下の板材である。
In the joined body of these metal materials, for example,
The pre-joined material is a plate material of aluminum or aluminum alloy. Moreover, the said to-be-joined material is a board | plate material whose thickness is 1 mm or less.

本願第1及び第2発明によれば、複数の金属材を重ねあわせた金属材の接合体として、接合部が金属材料の塑性流動により接合界面が消失した状態で接合されているので、高強度の接合体を得ることができる。   According to the first and second inventions of the present application, as a joined body of metal materials obtained by superimposing a plurality of metal materials, the joint portion is joined in a state where the joint interface disappears due to plastic flow of the metal material, so that high strength The joined body can be obtained.

特に、本願第2発明の接合体は、重ね継手が厚さ方向の一方向に押し込まれて重ね継手の全体に第3凹部が形成されているので、更に接合体の接合強度を高めることができる。   In particular, in the joined body of the second invention of the present application, since the lap joint is pushed in one direction in the thickness direction and the third recess is formed in the entire lap joint, the joint strength of the joined body can be further increased. .

本発明の実施形態に係る接合体の製造方法に用いる超音波振動付与装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the ultrasonic vibration provision apparatus used for the manufacturing method of the conjugate | zygote which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a schematic diagram which shows the relationship between the stress distribution and displacement distribution in this invention. (a)乃至(c)は、本発明の実施形態の超音波振動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) thru | or (c) is a schematic diagram which shows the process of the mechanical clinch joining which provided the ultrasonic vibration of embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態(第1実施例)の接合部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the junction part of 1st Embodiment (1st Example) of this invention. 本発明の第2実施形態(第2実施例)の接合部の形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shape of the junction part of 2nd Embodiment (2nd Example) of this invention. 同じく、図5の一部を拡大して示す図である。Similarly, it is a figure which expands and shows a part of FIG. 超音波振動を付与せずに機械的クリンチ接合した場合の金属組織を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the metal structure at the time of carrying out mechanical clinch joining, without providing an ultrasonic vibration. (a)乃至(c)は、超音波振動を付与してクリンチ接合した場合の金属組織の流動状態を示す模式図である。(A) thru | or (c) is a schematic diagram which shows the flow state of the metal structure | tissue at the time of giving a ultrasonic vibration and clinching joining. ダイの内縁部の傾斜面を示す図である。It is a figure which shows the inclined surface of the inner edge part of die | dye.

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。先ず、本発明の第1実施形態の接合体の製造方法について説明する。図1は、この接合体の製造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がその軸方向を垂直に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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. First, the manufacturing method of the joined body of 1st Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a schematic diagram showing an ultrasonic vibration applying device used in the method of manufacturing the joined body, and a waveform diagram showing an ultrasonic vibration mode. FIGS. 3A, 3B, and 3C are diagrams showing a process of mechanical clinching of the materials to be joined. As shown in FIG. 3, a lap joint 1 of materials to be joined 1 a and 1 b such as A1050 aluminum alloy material is placed on a die 12, and a stripper 11 is further disposed on the lap joint 1. The die 12 is formed with a forming hole 14 into which the counter punch 4 is inserted at the center thereof, with the axial direction thereof being vertical, and the stripper 11 has a punch hole 13 into which the punch 2 is inserted at the center. It is formed with its axial direction vertical. The lap joint 1 is pushed into the molding hole 14 by the punch 2 to mold the shape of the lap joint 1 after joining.

この場合に、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9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させることができる。この傾斜は、ダイ12の縦断面において、図9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。   In this case, as shown in FIG. 9, the inner surface of the die 12 that defines the molding hole 14 provided in the die 12 can be inclined so that the upper portion thereof spreads upward. This inclination is, for example, 7 ° in the longitudinal section of the die 12 as shown in FIG. Thus, if the upper part of the inner surface defining the forming hole 14 of the die 12 is inclined, the punch 2 can be easily pulled out from the lap joint 1 after joining, which is preferable from the viewpoint of productivity.

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。   Although FIG. 1 shows an ultrasonic vibration applying device, the die 12 and the stripper 11 shown in FIG. 3 are not shown in FIG. 1 for simplicity of illustration. A counter punch 4 is disposed on the lower surface of the lower material to be bonded 1a, and a punch 2 is disposed on the upper surface of the upper material to be bonded 1b. The counter punch 4 is connected to the horn 5, and the punch 2 is connected to the horn 3. The upper horn 3 is connected to an ultrasonic transducer 6. These horns 3 and 5 expand the ultrasonic vibration applied by the ultrasonic vibrator 6 and transmit it to the punch 2 and the counter punch 4, respectively.

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。   Such a horn is fastened to a punch in a normal ultrasonic vibration device, and the horn and the punch are fixed to each other. However, in the present embodiment, the punch 2 and the counter punch 4 and the horns 3 and 5 are not fastened. This is because by applying ultrasonic vibration, not only the punch but also a fastening member such as a bolt that fastens the punch may be subjected to a large load, and the fastening member may be damaged in a short period of time after the start of joining. It is. This problem can be solved by leaving the punch 2 and the counter punch 4 free without being fastened to the horns 3 and 5, respectively. In this case, the punch 2 and the counter punch 4 may be detached from the horns 3 and 5, but the punch 2 and the counter punch 4 are attached to the horns 3 and 5 with appropriate jigs, respectively. 5, after the punch 2 and the counter punch 4 contact the lap joint 1, the jig is removed, and the punch 2, the counter punch 4 and the horns 3, 5 are replaced by the horns 3, 5. 2 and the counter punch 4 are supported, but the horns 3, 5 and the punch 2 and the counter punch 4 are not fastened, that is, the above-described free state may be set. In addition, after the mechanical clinching, when the punch 2 is restrained by the lap joint 1 to be joined, the punch 2 is fixed to the horn 3 by the jig and the horn 3 is pulled up, whereby the punch 2 Can be detached from the lap joint 1. Note that the horn 3 and the ultrasonic vibrator 6 are fixed to each other by screws or the like.

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、パンチ2との間で重ね継手1に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、所定の位置で移動が停止し、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。   A molding hole 14 is formed in the center portion of the die 12, and an operation portion (tip portion) of the counter punch 4 is inserted into the hole 14. A punch hole 13 is formed in the central portion of the stripper 11, and an operation portion (tip portion) of the punch 2 is inserted into the hole 13. The operation portion of the counter punch 4 and the operation portion of the punch 2 sandwich the lap joint 1 to apply ultrasonic vibration to the lap joint 1 and lower the punch 2 as shown in FIG. Clinch the lap joint 1. In the present embodiment, a counter punch 4 is installed. Therefore, as shown in FIGS. 3A to 3C, when the punch 2 descends and presses the lap joint 1 downward, the counter punch 4 exerts a clamping force on the lap joint 1 with the punch 2. While applying, it moves downward together with the punch 4 and the lap joint 1. Thus, although the joint part of the lap joint 1 moves in the axial direction by pushing the punch 2, the movement stops at a predetermined position, and the counter punch 4 is made of the same material as the die bottom part in the conventional mechanical clinch. It acts as an anvil that crushes the lap joint 1.

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。   The ultrasonic vibration generated from the ultrasonic vibrator 6 is magnified by the horn 3 and transmitted to the punch 2. The ultrasonic vibration is transmitted from the counter punch 4 to the horn 5 on the counter punch side, and the entire vibration system maintains a resonance state.

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を挟み込んでいる。   During the processing of the lap joint 1 by mechanical clinching, in order to maintain a steady resonance state, for example, transmission control is controlled by a PLL (phase synchronization circuit) type low amplitude frequency automatic tracking method. The die 12 and the stripper 11 sandwich the lap joint 1.

次に、上述の装置を使用して本発明の実施形態の接合体を製造する方法について説明する。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とが機械的に締結されていない状態で垂直方向に振動が伝達されるような接続状態にする。   Next, a method for producing a joined body according to an embodiment of the present invention using the above-described apparatus will be described. On the die 12, the lap joint 1 of the materials to be joined 1a, 1b such as A1050 aluminum alloy material is placed, and the stripper 11 is lowered onto the periphery of the lap joint 1. The lap joint 1 is sandwiched between the stripper 11 and the die 12. Then, the counter punch 4 and the punch 3 are inserted into the holes of the die 12 and the stripper 11, and the lap joint 1 is sandwiched between the counter punch 4 and the punch 2. At this time, the counter punch 4 and the punch 2 are fixed to the horns 5 and 3, respectively, by appropriate jigs when inserted into the holes. 3 and 5 and the punch 2 and the counter punch 4 are connected to each other so that vibration is transmitted in the vertical direction in a state where they are not mechanically fastened.

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。   Next, after sandwiching the lap joint 1 between the punch 2 and the counter punch 4 as described above, the punch 2 and the counter punch 4 are pressed against the lap joint 1 with a pressure of, for example, 75 MPa or more. Thereby, the working parts at the tips of the punch 2 and the counter punch 4 are caused to bite into the materials 1a and 1b of the lap joint 1 by, for example, a depth of 40 to 70% of the entire thickness of the lap joint 1. . In addition, in order to bite into the surface of the to-be-joined material 1a, 1b only 40 to 70% of the thickness of the whole lap joint 1, the required stress changes with kinds of to-be-joined material 1a, 1b. Therefore, depending on the type, at 75 MPa, the punch 2 and the counter punch 4 may not be able to bite into the lap joint 1 by 40 to 70% of the total thickness. Or, even if it is less than 75 MPa, the above bite-in condition may be satisfied. However, in the case of a general aluminum alloy, the above biting condition can be satisfied by applying a pressure of 75 MPa or more.

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。   In this way, when ultrasonic vibration is applied to the lap joint 1 in a state where the punch 2 and the counter punch 4 do not bite into the lap joint 1 as described later, the ultrasonic vibration from the punch 2 and the counter punch 4 is applied to the lap joint 1. Not effectively transmitted, resonance vibration is less likely to occur in the lap joint 1.

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。   The biting amount may be 40 to 70% of the total thickness of the lap joint 1 as described above, but more preferably, the biting amount is about 60%.

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らず、パンチ2とホーン3との接続部に負荷が大きくかかり、量産に適さないという理由もある。従って、共振状態を維持し、装置に負荷をかけないために、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。   Moreover, as mentioned above, it is preferable that the pressure with respect to the lap joint 1 of the punch 2 and the counter punch 4 is 75 MPa or more. This is because, in addition to the purpose of securing the amount of biting of the punch 2 and the counter punch 4 into the lap joint 1, if the load of the punch 2 and the counter punch 4 is too low, the lap joint made of the punch 2 and the material to be joined is used. 1 and the counter punch 4 are not integrated as a resonator, and a large load is applied to the connecting portion between the punch 2 and the horn 3, which is not suitable for mass production. Therefore, in order to maintain the resonance state and not apply a load to the apparatus, it is preferable to pressurize the lap joint 1 with a pressure of 75 MPa or more by the punch 2 and the counter punch 4 before applying the ultrasonic vibration. In addition, even if a large stress of 120 MPa or more is applied as the applied pressure, the above-described effect is not improved so much, so the applied pressure is preferably less than 120 MPa.

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、重ね継手1の周辺部分は、ダイ12及びストリッパ11に挟まれているので、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の軸方向への振動状態が得られる。   In this manner, the lap joint 1 is sandwiched between the punch 2 and the counter punch 4, and further, the lap joint 1 is loosely sandwiched between the die 12 and the stripper 11, and the ultrasonic vibrator 6 is used to sandwich the lap joint 1 between the punch 2 and the counter punch 4. Ultrasonic vibration is applied in the axial direction. At this time, the working portions at the tips of the punch 2 and the counter punch 4 are biting into the lap joint 1 and the peripheral portion of the lap joint 1 is sandwiched between the die 12 and the stripper 11. 12 and the inner portion of the portion sandwiched between the stripper 11 are vibrated in the vertical direction (in the axial direction of the punch 2), so that the axial direction of the punch 2 is independent of the shape of the materials to be joined 1a and 1b. A vibration state is obtained.

また、ダイ2とストリッパ4で重ね継手1を緩く挟みこむことにより、材料の反り及び曲がり等を矯正しつつ、重ね継手1の押し込まれつつある接合部に材料を供給することができる。   Further, by loosely sandwiching the lap joint 1 between the die 2 and the stripper 4, the material can be supplied to the joint portion of the lap joint 1 being pushed in while correcting the warp and the bending of the material.

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好ましい。これは、図1に示すように、パンチ2及びカウンタパンチ4と、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。   In applying the ultrasonic vibration, it is preferable to resonate so that the stress distribution is maximized at the position where the members 1a and 1b are in contact with each other, that is, at the portion to be bonded. As shown in FIG. 1, the positions of the punch 2 and the counter punch 4 and the boundary between the horn 3 and the punch 2 and the boundary between the horn 5 and the counter punch 4 are antinodes of the vibration shown in FIG. Is applied to the horn 3 from the ultrasonic transducer 6. If the positions of the boundary between the horn 3 and the punch 2 and the boundary between the horn 5 and the counter punch 4 are antinodes of vibration, the displacement is maximum at the position, and the center position between the antinodes, that is, the covered position. The positions of the joining members 1a and 1b are nodes, and the displacement distribution is 0 and the stress distribution is maximum at the positions of the nodes. As described above, when the ultrasonic vibration generated from the ultrasonic vibrator 6 is such that the position of the boundary between the horn 3 and the punch 2 and the position of the boundary between the horn 5 and the counter punch 4 become antinodes, Ultrasonic vibration that maximizes the stress distribution is obtained at the position of the surface between the workpiece 2 and the counter punch 4 where the members to be joined 1a and 1b contact.

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共振波として、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。   The ultrasonic vibration oscillated from the ultrasonic vibrator 6 is magnified by the horn 3 and transmitted to the punch 2, transmitted from the punch 2 to the counter punch 4, and further transmitted from the counter punch 4 to the horn 5. The ultrasonic vibration expanded by the horns 3 and 4 is transmitted to the punch 2 and the counter punch 4 and applied to the joint as a resonance wave that maximizes the stress distribution at the joint of the members 1a and 1b. The At this time, the displacement distribution has an opposite phase to the stress distribution. In such a vibration mode, when the lap joint 1 of the materials to be joined 1a and 1b made of aluminum or an aluminum alloy is vibrated, clockwise and counterclockwise vortices alternately in the thickness direction of the metal plate of the lap joint 1 And the metal material is agitated. Thereby, even if oil remains on the surfaces of the materials to be joined 1a and 1b, a joined body having a strong joining strength can be obtained.

このようにして得られた接合体は、その接合部の断面が、図4に示すような金属組織を有する。図4は、この金属組織写真をトレースしたものである。この組織写真の倍率は50倍である。   The joined body thus obtained has a metal structure as shown in FIG. FIG. 4 is a trace of this metallographic photograph. The magnification of this tissue photograph is 50 times.

図4は、重ね継手の接合部の厚さ方向の断面を示す金属組織写真(のトレース図)であるが、パンチ2及びカウンタパンチ4により挟持方向の圧力を印加された部分は平坦であり、この平坦な部分の周囲は、パンチ2及びカウンタパンチ4が重ね継手1の表面及び裏面に食い込むことにより、盛り上がり、このパンチ2及びカウンタパンチ4が食い込んだ部分の周囲に盛り上がり部22、23が形成されるため、パンチ2及びカウンタパンチ4が挟持した部分に、重ね継手表面側の第1の凹部20と、重ね継手裏面側の第2の凹部21とが形成される。そして、この第1及び第2の凹部20,21において、被接合材1a、1bの接合部は、接合界面が消失し、一体的な金属組織になっている。これは、重ね継手1の表面及び裏面に夫々パンチ2及びカウンタパンチ4が押圧されて、パンチ2及びカウンタパンチ4が食い込み、この状態で、重ね継手1が超音波振動を印加されたことにより、被接合材1a,1bの挟持圧力を受けた部分で金属組織の塑性流動が生じ、これにより、接合界面が消失して、組織が一体化されたものである。これにより、接合力が高い接合部が得られる。   FIG. 4 is a metallographic photograph showing a cross-section in the thickness direction of the joint portion of the lap joint (its trace view), but the portion to which the pressure in the clamping direction is applied by the punch 2 and the counter punch 4 is flat, The periphery of the flat portion rises when the punch 2 and the counter punch 4 bite into the front and back surfaces of the lap joint 1, and the raised portions 22 and 23 are formed around the portion where the punch 2 and the counter punch 4 bite. Therefore, the first concave portion 20 on the lap joint surface side and the second concave portion 21 on the lap joint rear surface side are formed in the portion sandwiched by the punch 2 and the counter punch 4. And in these 1st and 2nd recessed parts 20 and 21, the joining interface of the to-be-joined materials 1a and 1b lose | disappears, and it has an integral metal structure. This is because the punch 2 and the counter punch 4 are pressed on the front surface and the back surface of the lap joint 1, respectively, and the punch 2 and the counter punch 4 bite, and in this state, the lap joint 1 is applied with ultrasonic vibration. The plastic flow of the metal structure occurs in the portion that receives the sandwiching pressure of the materials to be joined 1a and 1b, whereby the joining interface disappears and the structure is integrated. Thereby, a junction part with high joining force is obtained.

次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、上述のごとくして、重ね継手1に超音波振動を印加した後、超音波振動を印加した状態で、図3に示すように、固定されたダイ12及びストリッパ11に対して、パンチ2及びカウンタパンチ4を下方に下げて、パンチ2により重ね継手1を押し込むものである。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, as described above, the ultrasonic vibration is applied to the lap joint 1 and then the ultrasonic vibration is applied to the fixed die 12 and the stripper 11 as shown in FIG. The punch 2 and the counter punch 4 are lowered and the lap joint 1 is pushed by the punch 2.

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むと、所定の位置で、図3(c)に示すように、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。   As described above, as shown in FIG. 3A, with the ultrasonic vibration applied to the lap joint 1, the punch 2 is lowered as shown in FIG. When the joint portion of the lap joint 1 is pushed downward, the lowering of the punch 2 and the counter punch 4 is stopped at a predetermined position as shown in FIG. At this time, the material to be bonded 1a and the material to be bonded 1b of the lap joint 1 are crushed at the tip of the working portion of the punch 2, and a portion extending in the lateral direction is formed at the bottom of the pressed portion. The lap joint 1 is joined by mechanical clinching at the pushed-in portion.

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、材料が撹拌されるので、被接合材1a、1bの表面の油分は気化して消失するか、又は消失しなくても、被締結材が撹拌により互いに締結される。このため、接合強度が優れた接合部が得られる。   In the present embodiment, even if oil is attached to the surfaces of the materials to be bonded 1a and 1b, the bonded surfaces of the materials to be bonded 1a and 1b are subjected to ultrasonic vibration having a waveform that becomes a node, and the maximum stress is applied to the bonding surfaces. As a result, a clockwise and counterclockwise vortex is generated in the thickness direction of the lap joint 1 at this joint, and the material is agitated, so that the oil on the surfaces of the materials to be joined 1a and 1b is vaporized and disappears. Even if it does not disappear, the fastened materials are fastened to each other by stirring. For this reason, the junction part excellent in joining strength is obtained.

図5はこの機械的クリンチを施した接合体の断面を示す模式図であり、図6はその一部拡大図である。図5に示すように、パンチ2により重ね継手1を押し込むことにより、重ね継手1はその全体として重ね継手の裏面方向に突出し、重ね継手全体で第3の凹部24が形成される。この第3の凹部24の底部の接合部は、金属組織の塑性流動が生じて、接合界面が消失しており、更に、第3の凹部の隅部は、上方の被接合材1bの隅部が、下方の被接合材1aの隅部に横方向に入り込む結果、この部分で相互に係止される。このため、超音波振動による金属組織の塑性流動と、機械的クリンチとによる効果により、被接合材は更に一層強固に接合される。   FIG. 5 is a schematic view showing a cross section of the joined body subjected to the mechanical clinch, and FIG. 6 is a partially enlarged view thereof. As shown in FIG. 5, when the lap joint 1 is pushed in by the punch 2, the lap joint 1 protrudes as a whole in the direction of the back surface of the lap joint, and a third recess 24 is formed in the entire lap joint. In the joint portion at the bottom of the third recess 24, plastic flow of the metal structure occurs, and the joining interface disappears. Further, the corner portion of the third recess portion is a corner portion of the upper material to be joined 1b. However, as a result of entering into the corner of the lower material to be joined 1a in the lateral direction, the parts are locked to each other. For this reason, the materials to be joined are more firmly joined by the effect of the plastic flow of the metal structure due to the ultrasonic vibration and the mechanical clinch.

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。第1実施例として、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1.2mm・s−1の圧延油を塗布し、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。 Hereinafter, the effect of the Example of this invention is demonstrated compared with the comparative example which remove | deviates from the scope of the present invention. As a first example, after degreasing two aluminum alloy plates (A1050 aluminum alloy, thickness: 0.5 mm, width: 25 mm, length: 75 mm), the kinematic viscosity is 1.2 mm 2 · s −1 Rolling oil was applied and combined in a cross to join the center. For the joining, the ultrasonic vibration applying device shown in FIG. 1 was used, and D4427PC (resonance frequency 27 kHz, maximum input 700 W) manufactured by Nippon Specialty Ceramics was used for the ultrasonic vibrator 6.

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が得られるように、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。   The end face of the horn vibrated with an amplitude of 9 μm. The punch 2, the materials to be bonded 1a and 1b, and the counter punch 4 all vibrate as a single resonator, and a computer simulation by a finite element method is performed so that the maximum stress can be obtained on the overlapping surface of the materials to be bonded 1a and 1b. Then, the shape of the punch 2 or the like was designed and the dimensions were determined.

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。   The punch 2, counter punch 4, stripper 11, and die 12 were all made of SKD11 steel having a Rockwell hardness HRC of 58-61.

次に、接合部の底部板厚が0.20mmとなる位置までパンチを押し込んだ後、超音波振動を付与して、被接合材を接合した。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、接合部で振動応力が最大となるように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。   Next, after pressing the punch to a position where the bottom plate thickness of the joint portion was 0.20 mm, ultrasonic vibration was applied to join the materials to be joined. Thereafter, the obtained cruciform joint was subjected to a tensile peel strength test to measure the peel strength. The results of this peel strength test are shown in Table 1 below. In Table 1, Examples 1 to 7 are bonded by applying ultrasonic vibration so that the vibration stress is maximized at the bonded portion, and satisfy the requirements of claim 1 of the present invention. On the other hand, Comparative Examples 1 to 7 were joined without applying ultrasonic vibration, and Comparative Example 8 was applied with ultrasonic vibration so that the phase of vibration was 180 ° different from Examples 1 to 7. . Moreover, the thickness of a bottom part is the thickness of the part pressed by the punch 2 in a lap joint.

Figure 0005553732
Figure 0005553732

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。   As shown in Table 1, each of Examples 1 to 7 of the present invention had a high peel strength of 8.2 MPa or more and an excellent bonding strength. On the other hand, in the case of Comparative Examples 1 to 7 in which the lap joint was pushed by punching without applying ultrasonic vibration, the bonding strength was low. Further, in Comparative Example 8 to which ultrasonic vibration was applied, since the vibration phase was different from that of the present invention, the bonding strength remained at a low value.

続いて、接合体を切断して試料を作成し、この試料を樹脂に埋め込んだ後、断面を研磨してケラー氏液で断面をエッチングして金属組織を観察した。この金属組織の写真を図4に示した。前述のごとく、パンチの押込部(第1及び第2の凹部)の外側においては、2枚のアルミニウム合金板の界面が続いているが、パンチの押込部においては、2枚のアルミニウム合金板界面が消失しており、この接合部において、金属組織が一体化していることが観察された。   Subsequently, the joined body was cut to prepare a sample. After embedding the sample in a resin, the cross section was polished, and the cross section was etched with Keller's solution to observe the metal structure. A photograph of this metal structure is shown in FIG. As described above, the interface between the two aluminum alloy plates continues on the outside of the punch indented portion (first and second recesses), but the interface between the two aluminum alloy plates in the indented portion of the punch. It was observed that the metal structure was integrated at this joint.

次に、本発明の第2実施例について説明する。第1実施例と同一の品種のアルミニム合金板を使用し、同一の条件で、超音波を付与しつつ、パンチ2及びカウンタパンチ4を下方に移動させて、機械的クリンチ接合(かしめ接合)を行った。この結果、図4及び図6に示すように、接合部では界面が消失して被接合材1a、1bが一体化されていることが観察された。一方,超音波振動を付与していない場合は、機械的クリンチ接合を行っても、接合部の界面の消失は生じなかった。この結果、図4及び図6に示すように接合部の界面の消失が生じた場合には、その接合部は、超音波振動を付与せずに界面が消失していない場合の接合体の1.6倍の剥離荷重(十字引張)を有していた。図6の底部の板厚は0.28mmである。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. Using an aluminum alloy plate of the same type as in the first embodiment and applying ultrasonic waves under the same conditions, the punch 2 and the counter punch 4 are moved downward to perform mechanical clinch joining (caulking joining). went. As a result, as shown in FIG. 4 and FIG. 6, it was observed that the interface disappeared and the materials to be joined 1 a and 1 b were integrated at the joint. On the other hand, in the case where ultrasonic vibration was not applied, even if mechanical clinch joining was performed, the disappearance of the interface at the joint did not occur. As a result, when the interface of the bonded portion disappears as shown in FIGS. 4 and 6, the bonded portion is one of the bonded bodies when the interface is not lost without applying ultrasonic vibration. It had a peel load (cross tension) of 6 times. The plate thickness at the bottom of FIG. 6 is 0.28 mm.

図7は板厚が0.15mmのA1050アルミニウム合金の板材を7枚重ね合わせ、第2実施例と同一の条件で、かしめ接合を行った場合の金属組織を示す模式図である。図7においては、超音波振動を付与していないため、接合界面の塑性流動は生じていない。一方、図8(a)〜(c)は、同様の7枚のアルミニウム合金板を重ねあわせて、本発明により超音波振動を付与しつつ、かしめ接合した場合の金属組織を示す模式図である。観察箇所は、図7の2点鎖線にて示す部分である。図8においては、超音波エネルギを、超音波振動子の入力で最大700W以内の3水準で、3段階に変更したものであり、超音波エネルギが図8(a)から図8(c)にかけて高くなっている。図8(a)は中心の材料が優先的に流動し、渦を巻くように流動方向が変化している。図8(c)は材料が攪拌されている。   FIG. 7 is a schematic view showing a metal structure when seven sheets of A1050 aluminum alloy having a thickness of 0.15 mm are overlapped and caulked and joined under the same conditions as in the second embodiment. In FIG. 7, since no ultrasonic vibration is applied, plastic flow at the joining interface does not occur. On the other hand, FIGS. 8A to 8C are schematic views showing a metal structure when seven similar aluminum alloy plates are overlapped and caulked and joined while applying ultrasonic vibration according to the present invention. . The observation location is a portion indicated by a two-dot chain line in FIG. In FIG. 8, the ultrasonic energy is changed into three levels at three levels within 700 W at the maximum by the input of the ultrasonic transducer, and the ultrasonic energy is changed from FIG. 8 (a) to FIG. 8 (c). It is high. In FIG. 8A, the flow direction changes so that the central material flows preferentially and winds. In FIG. 8C, the material is being stirred.

図8(a)〜(c)に示すように、超音波エネルギの印加量がこの順に高くなるにつれて、板厚方向の上下に時計回りと反時計回りの渦の塑性流動が促進され、材料が撹拌されるため、接合界面が消失し、良好な接合体が得られた。   As shown in FIGS. 8A to 8C, as the applied amount of ultrasonic energy increases in this order, the plastic flow of vortices clockwise and counterclockwise in the plate thickness direction is promoted, and the material Since it was stirred, the bonding interface disappeared and a good bonded body was obtained.

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
1: Lap joint 1a, 1b: Material to be joined 2: Punch 3, 5: Horn 4: Counter punch 6: Ultrasonic vibrator 11: Stripper 12: Die 14: Hole for molding

Claims (4)

複数の金属又は合金からなる被接合材を重ねて相互に接合した金属材の接合体において、
重ねられた前記被接合材を相互に接合する接合部は、前記被接合材の重ね継手の表面及び裏面に夫々押圧部材で重ね継手を挟持する方向に押圧することによる第1凹部及び第2凹部が形成されており、
この第1及び第2凹部に整合する位置にて、前記各被接合材は塑性流動により撹拌され、接合界面が消失していることを特徴とする金属材の接合体。
In the joined body of metal materials in which the materials to be joined made of a plurality of metals or alloys are stacked and joined to each other,
The joints for joining the joined materials to be joined together are a first recess and a second recess by pressing the lap joint with a pressing member on the front and back surfaces of the lap joint of the joined materials, respectively. Is formed,
The metal-material joined body, wherein each of the materials to be joined is agitated by plastic flow at a position aligned with the first and second recesses, and a joining interface disappears.
複数の金属又は合金からなる被接合材を重ねて相互に接合した金属材の接合体において、
重ねられた前記被接合材を相互に接合する接合部は、前記被接合材の重ね継手がその厚さ方向の一方向に押し込まれて前記重ね継手にはその一方向に突出する突出部が形成されており、
この突出部の反対側の面に形成された第3凹部に整合する位置にて、前記各被接合材は塑性流動により撹拌され、接合界面が消失していることを特徴とする金属材の接合体。
In the joined body of metal materials in which the materials to be joined made of a plurality of metals or alloys are stacked and joined to each other,
In the joining portion for joining the stacked materials to be joined to each other, the lap joint of the materials to be joined is pushed in one direction in the thickness direction, and a protruding portion protruding in the one direction is formed in the lap joint. Has been
Joining of metal materials characterized in that each of the materials to be joined is agitated by plastic flow at a position aligned with a third recess formed on the surface on the opposite side of the protruding portion, and the joining interface disappears. body.
前記被接合材は、アルミニウム又はアルミニウム合金の板材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体。 The metal material joined body according to claim 1, wherein the material to be joined is a plate material of aluminum or an aluminum alloy. 前記被接合材は、厚さが1mm以下の板材であ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体。 4. The joined body of metal materials according to claim 1, wherein the material to be joined is a plate material having a thickness of 1 mm or less. 5.
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