JP5741299B2 - 超音波溶接工具のローレット面再加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波溶接工具のローレット面再加工方法に関する。

超音波接合は、適度の加圧下において、被接合材をホーン及びアンビルからなる工具により保持しながら超音波による振動エネルギーを接合面に平行に与え、接合境界面に溶融を生じさせることなく接合する技術である。また、超音波接合は、大気中において比較的短時間で接合することができ、板厚の比較的厚みの薄い銅やアルミ材の接合に適している。

とこで、超音波溶接を繰り返し行っていると、ホーン及びアンビルの凹凸形状をなすローレット面がワークに凝着して次第に平坦面となり、該ワークに対する食い込み性能が低下し、最終的に超音波振動の印加性能が悪くなる。超音波振動の印加性能が悪くなると、超音波振動を利用した超音波接合に要する時間が長くなり、接合状態の品質が低下する。

そこで、ホーン及びアンビル等の超音波接合工具のローレット面が凝着した場合には、新しいホーン及びアンビルに交換している（例えば、特許文献１等に記載）。

特開２００７−３１９８７０号公報

超音波接合工具のローレット面が凝着する毎にホーン及びアンビルを新品の物に交換していたのでは、工具コストが掛かってしまう。かといって、凹凸形状のローレット面全体を一旦平面に研削し、再び凹凸形状をなすローレット面を加工すると、加工時間が掛かり、再生コストが高くなってしまう。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、凝着した超音波接合工具のローレット面を短時間で再生することができ、再生コストの低減を実現できる超音波接合工具のローレット面再加工方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波接合工具のローレット面再加工方法では、超音波接合を繰り返し行うことで凝着したローレット面を物理的除去によりローレット面から凝着物を取り除いた後、突起先端の平坦面を平面研削して突起部上面の摩擦係数を、突起部斜面及び溝部の摩擦係数より大きくする。

本発明に係る超音波接合工具のローレット面再加工方法によれば、アルカリ溶液等を使用した化学的手法ではローレット面の突起部斜面及び溝部に凝着した凝着物を取り除くことはできないが、物理的除去による手法を採用することで、強制的に凝着物を取り除くことが可能となる。そして、物理的除去後に、摩耗した突起先端の平坦面を平面研削して、突起部上面の摩擦係数を突起部斜面及び溝部の摩擦係数より大きくすれば、凝着し難い新品同様のローレット面を得ることができる。このように、本発明によれば、新品の超音波接合工具に交換する必要も無く、また、凝着したローレット面全体を一旦平らにしてから再度ローレット面を一から作り直す必要も無いため、短時間でローレット面を再生することができ、再生コストの低減を図ることができる。

図１は、超音波溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、図１の超音波溶接装置のホーン及びアンビルのローレット面を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその拡大斜視図、（Ｃ）は更にその拡大斜視図である。 図３は、ホーンへの凝着のメカニズムを説明するための図である。 図４は、研削工程で突起上面の稜線の丸みが無くなるまで研削することを示す図である。 図５は、実施例のローレット面を示し、（Ａ）は光学顕微鏡写真、（Ｂ）はレーザー顕微鏡による３Ｄ写真である。 図６は、比較例のローレット面を示し、（Ａ）は光学顕微鏡写真、（Ｂ）はレーザー顕微鏡による３Ｄ写真である。 図７は、ホーンの突起部高さの割合とワークの引張試験時の剥離荷重との関係を示す特性図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には超音波溶接装置の一例を示す。超音波溶接装置１は、超音波接合工具であるアンビル２とホーン３を有する。

アンビル２は、固定された基台４と一体化しており、被接合材であるワーク５（２枚の金属板５Ａ、５Ｂ）を下方より支持する。ホーン３は、高周波電源６に接続された超音波振動子７からの振動を受けて水平方向に往復運動し、その振動エネルギーをワーク５の接合面に平行に与える。また、ホーン３は、図示を省略した空気圧シリンダや油圧シリンダにより、ワーク５をアンビル２に所定の加圧力で押し付けるようになっている。

前記ホーン３又はアンビル２の何れか一方又はその両方には、図２に示すように、四角錐形状の突起先端を平坦面とした複数個の突起部８が縦横に配置されたローレット面９が形成されている。ローレット面９は、複数個の突起部８と、これら突起部８間の溝部１０とから形成され、これらにより凹凸面とされている。ローレット面９は、ホーン３とアンビル２の両方に形成されていることが最も望ましい。

突起部８は、四角錐形状の突起先端を研削することで平坦面とした突起部上面８ａと、この突起部上面８ａの各辺から底部へ裾拡がりに傾斜する突起部斜面８ｂとで構成されている。溝部１０は、縦横に所定間隔で配置された突起部８間の空間部となっている。

本実施の形態では、突起部上面８ａの摩擦係数を、突起部斜面８ｂ及び突起部間の溝部１０の摩擦係数より大としている。突起部斜面８ｂ及び溝部１０には、ダイヤモンドライクカーボン膜１１が形成されている。但し、突起部上面８ａには、ダイヤモンドライクカーボン膜１１は形成されていない。

ダイヤモンドライクカーボン膜１１は、摩擦係数が低く且つ硬度が高いという特性を有している。ダイヤモンドライクカーボン膜１１は、例えばＰＶＤ装置を用いたスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、アークイオンプレーティング法、フィルタードバキュームアークイオンプレーティング法、イオン化蒸着法などの各ＰＶＤ法、またはＰＣＶＤ法、ＣＶＤ法の何れかの方法で成膜される。

アンビル２及びホーン３には、高耐摩耗性及び高耐熱性に優れた粉末高速度工具鋼（硬さＨＲＣ６０以上）の材料が使用される。これらアンビル２及びホーン３のローレット面９に形成された突起部８の突起部上面８ａは、四角錐形状とされた突起部の先端を砥石による平面研削加工で削り落とされることで形成される。この突起部上面８ａの摩擦係数を突起部斜面８ｂ及び溝部１０の摩擦係数よりも大とするには、平面研削時の砥石の粗さを示す番手を選ぶことで面粗度を落として加工する。こうすることで、突起部上面８ａの摩擦係数を、突起部斜面８ｂ及び溝部１０の摩擦係数よりも大とすることができる。

超音波溶接装置１による溶接方法は、次の通りです。先ず、アンビル２にワーク５を載せる。ワーク５は、溶接すべき２枚の金属板５Ａ、５Ｂであり、例えばアルミニウムや銅などの薄板とされる。アンビル２に２枚の金属板５Ａ、５Ｂを重ねた状態で、上からワーク５に当接するようにホーン３を下げて、これらアンビル２とホーン３でワーク５に所定の加圧を加える。加圧力は、ワーク５を超音波接合するために必要な圧力であればよい。

そして、超音波振動子７に高周波電源６から高周波を加えてホーン３を、ワーク５の２枚の金属板５Ａ、５Ｂの接合面と平行（図１矢印Ｘ方向）に往復運動させる。このホーン３からの往復運動による振動を受けた２枚の金属板５Ａ、５Ｂは、局所的に擦れ合って原子拡散により接合される。

超音波溶接を繰り返し行うと、特に往復運動してワーク５と擦れるホーン３がワーク５（金属板５Ｂ）に凝着を起こす。凝着のメカニズムは、本願出願人が解析したところ、図３（Ａ）の第１ステージ、図３（Ｂ）の第２ステージ、図３（Ｃ）の第３ステージと進行することで発生するものと考えられる。図３は、突起部及び溝部を含めたローレット面全体にダイヤモンドライクカーボン膜が形成されていないものである。

第１ステージでは、図３（Ａ）に示すように、例えば金属板５Ｂを構成するアルミからなる凝着物１２が突起部斜面８ｂに凝着し始める。第１ステージは、超音波溶接開始から１万打点の初期状態である。第２ステージでは、図３（Ｂ）に示すように、突起部斜面８ｂから取れた凝着物１２が次第に溝部１０に堆積し始める。第２ステージは、１万打点から６万打点の中期状態である。第３ステージでは、図３（Ｃ）に示すように、突起部上面８ａが摩耗し、凝着物１２が溝部１０に一気になだれ込み、当該溝部１０を埋め尽くす。第３ステージは、６万打点以降の末期状態である。

凝着を防止するには、突起部斜面８ｂの摩擦係数を下げることが効果的である。摩擦係数を下げるには、突起部斜面８ｂに凝着を防止する効果のあるダイヤモンドライクカーボン膜１１を形成するようにする。ダイヤモンドライクカーボン膜１１は、硬さ３０ＧＰａ以上、膜厚０．２μｍ以上であることが望ましい。硬さ３０ＧＰａ以上と硬質化することで摩擦係数が低下し、被加工物（ワーク）の耐凝着性が低下する。また、膜厚０．２μｍ以上に膜厚化することで、耐摩耗性が向上する。

この一方、ホーン３の振動をワーク５に滑りを起こすことなく伝達する必要がある。そのためには、突起部上面８ａにダイヤモンドライクカーボン膜を形成したのでは、摩擦係数が低くなりホーン３がワーク５に対して滑り易くなる。接合工程では、ワーク５の表面にホーン３のローレット面９が食い込む程度の摩擦係数であることが望ましく、摩擦係数が大きければ振動に対して摩擦力が大きくなり、ホーン３の振動をワーク５に滑りを起こすことなく伝えることができ、接合強度を上げることが可能となる。したがって、突起部上面８ａにはダイヤモンドライクカーボン膜を形成せず、その突起部上面８ａの摩擦係数を突起部斜面８ｂ及び溝部１０の摩擦係数より大きくすることが望ましい。

このように構成されたホーン３及びアンビル２は、前記した超音波溶接装置に装着されて超音波接合を繰り返し行うと、凝着が生じてローレット面９の溝部１０に凝着物１２が堆積してワーク５に対する食い付きが悪くなり、ワーク５の接合強度不良を引き起こす。そこで、蒸着物１２が堆積したホーン３及びアンビル２のローレット面９を元の新品状態に戻す再加工を行う。以下に、ローレット面再加工方法の手順を説明する。

先ず、ローレット面９を物理的除去により、該ローレット面９から凝着物１２を取り除く凝着物除去工程を行う。凝着物除去工程では、物理的除去としてブラシラップ、エアロラップ、ショットブラストを採用する。例えば、ＮａＯＨやＫＯＨ等のアルカリ溶液に凝着したホーン３及びアンビル２を浸漬した化学的除去では、ワーク５として銅とアルミニウムを交合に超音波溶接した場合、凝着物１２は銅、アルミニウムが複合された酸化物となっているため、アルカリ溶液では溶解することができない。

これに対して、ブラシラップ、エアロラップ、ショットブラスト等の物理的除去であれば、突起斜面８ｂ及び溝部１０に堆積した凝着物１２を取り除くことができる。ブラシラップは、ローレット面９をブラシでラップすることで凝着物１２を掻き取るようにして取り除くことができる。エアロラップは、ローレット面９に湿度と弾力を持ったメディアが滑走する摩擦力で凝着物１２を取り除くことができる。ショットブラストは、ローレット面９に粒体を衝突させて凝着物１２を取り除くことができる。

次に、突起先端の平坦面を平面研削して、ローレット面９を構成する突起部上面８ａ、突起部斜面８ｂ、突起部間の溝部１０のうち、前記突起部上面８ａの摩擦係数を、突起部斜面８ｂ及び突起間の溝部１０の摩擦係数より大とする研削工程を行う。超音波接合を何万回と繰り返すと、ワーク５との摩擦等により突起部上面８ａと突起部斜面８ｂの稜線部分に丸みが生じ、ワーク５に対してホーン３及びアンビル２が滑り易くなる。また、前記工程で物理的除去をすると、やはり前記稜線部分が丸くなってしまう。

そこで、図４に示すように、平面研削盤を使用して砥石にて突起先端の平坦面を平面研削する。研削加工は、突起部上面８ａと突起部斜面８ｂの稜線部分に生じた丸みが無くなるまで加工する。例えば、前記突起部上面８ａから前記丸みが無くなるＨ１の位置まで研削する。突起部上面８ａの加工量は、突起部８の初期高さＨから７割までの範囲とすることが好ましい。初期高さＨから７割までの高さまで研削を繰り返すことで、工具コストを下げることができる。なお、研削を繰り返して突起部８の高さが初期高さＨから７割に達した場合は、ローレット面９を一旦完全に削り取って平面とした後、再度ローレット面を形成する。

突起先端の平坦面を平面研削すると、摩耗した面が砥石によって削り取られ、ホーン３及びアンビル２の素材が露出して新たな突起部上面８ａが再生される。突起部斜面８ｂ及び溝部１０には、ダイヤモンドライクカーボン膜１１がそのまま残る。そのため、研削加工によって削り取られた新たな突起部上面８ａの摩擦係数は、自ずと突起部斜面８ｂ及び溝部１０の摩擦係数より大となる。

凝着の起点となる突起部斜面８ｂのダイヤモンドライクカーボン膜１１が摩耗して基材が露出した場合は、物理的除去による凝着物除去工程後、ローレット面９全体にダイヤモンドライクカーボン膜１１を形成し、その後、突起先端の平坦面を平面研削する。

以上の工程を順次行うことで、ホーン３及びアンビル２のローレット面９が再生される。前記再加工方法は、突起部斜面８ｂのダイヤモンドライクカーボン膜１１が摩耗していない場合に適用される。超音波溶接の繰り返しにより突起部斜面８ｂのダイヤモンドライクカーボン膜１１が剥がれて基材が露出した場合には、物理的除去によりローレット面９から凝着物１２を取り除く凝着物除去工程後、ローレット面９全体にダイヤモンドライクカーボン膜１１を形成する工程を追加し、その後、前記研削工程を行うようにする。この場合、研削工程では、平坦面のダイヤモンドライクカーボン膜１１を含めて基材が露出するまで研削してダイヤモンドライクカーボン膜１１を取り除いた突起部上面８ａとする。

以下に、次のような実験をした。連続打点試験を行い、３万打点接合後にローレット面の溝部への凝着量が増加して接合強度ＮＧとなった超音波接合工具に対して、ブラシラップにより凝着物を除去し、その後、突起部上面のみ約１０μｍ平面研削した。突起部斜面及び溝部には、アークイオンプレーティング法によってダイヤモンドライクカーボン膜があり、突起部上面は平面研削されてダイヤモンドライクカーボン膜はない。

比較例には、同じく３万打点接合後にローレット面の溝部への凝着量が増加して接合強度ＮＧとなった超音波接合工具に対して、ブラシアップにより凝着物を除去しただけとする。ブラシラップすると、突起部上面と突起部斜面の稜線部に丸みが生じ、突起先端がだれた状態になる。

図５には、実施例のローレット面を示し、（Ａ）は光学顕微鏡写真、（Ｂ）はレーザー顕微鏡による３Ｄ写真を示す。図６には、比較例のローレット面を示し、（Ａ）は光学顕微鏡写真、（Ｂ）はレーザー顕微鏡による３Ｄ写真を示す。

そして、実施例の超音波接合工具と比較例の超音波接合工具を超音波溶接装置に取り付けてワークを超音波溶接した。ワークには、厚み０．４ｍｍと厚み１．０ｍｍの銅板２枚を使用した。次に、超音波溶接後、溶接したワークに対して引張試験を行い、剥離荷重（剥離強度）を測定した。テストピースは、実施例及び比較例共に５つとした。評価は、剥離荷重（剥離強度）の平均値と標準偏差で評価した。その結果を表１に示す。

表１の結果から判るように、実施例では、比較例に比べて剥離荷重（剥離強度）の平均値が高く、また、ばらつきを示す標準偏差も低いことがわかる。比較例では、突起部上面と突起部斜面の稜線部が丸まっているため、ワークに対する摩擦力が低く、ワークに滑りを起こし、接合強度が実施例に比べて低く、またそのバラツキも大きくなると推定される。

なお、ワークにアルミニウムを使用した場合には、実施例及び比較例において共に接合強度に対する影響は出なかった。これは、アルミニウムは銅に比べて強度（降伏応力、引張応力）が低いため、ワークの表面にホーンの突起部上面がより食い込み易く滑りを起こし難くなることで、接合強度に対する影響が出ないと推定される。

実施例２では、ホーンの突起部高さの割合とワークの引張試験時の引張荷重（剥離荷重）との関係を調べた。その結果を図７に示す。ホーンの突起部高さの割合が１のとき、新品の状態を示している。

図７の結果から判るように、突起部の高さの割合が小さくなると、接合強度が低くなることがわかった。この結果から判断すると、突起部の初期高さから７割までの範囲であれば、基準となる接合強度を確保することができる。実施例の超音波接合工具のローレット面を再加工しながら超音波接合可能な回数は、６万回以上であった。これ対して、比較例の超音波接合工具のローレット面を再加工しながら超音波接合可能な回数は、３万回以下と実施例の半分以下の結果となった。

本実施の形態の超音波接合工具のローレット面再加工方法によれば、アルカリ溶液等を使用した化学的手法ではローレット面９の突起部斜面８ｂ及び溝部１０に凝着した凝着物１２を取り除くことはできないが、物理的除去による手法を採用することで、強制的に凝着物１２を取り除くことが可能となる。そして、物理的除去後に、摩耗した突起先端の平坦面を平面研削して、突起部上面８ａの摩擦係数を突起部斜面８ｂ及び溝部１０の摩擦係数より大きくすれば、凝着し難い新品同様のローレット面９を得ることができる。

このように、本発明によれば、ローレット面９が摩耗しても新品の超音波接合工具に交換する必要も無く、また、凝着したローレット面全体を一旦平らにしてから再度ローレット面９を一から作り直す必要も無いため、短時間でローレット面９を再生することができ、再生コストの低減を図ることができる。それにより、本実施の形態で再生した超音波接合工具を使用することで、ワーク５の接合部の位置ずれが防止され、該ワーク５の接合強度を高めることができる。

また、本実施の形態の超音波接合工具のローレット面再加工方法によれば、研削工程において、突起部上面８ａと突起部斜面８ｂの稜線部分に生じた丸みが無くなるまで研削することで、ワーク５に対する超音波接合工具の食い込み性能が向上し、超音波振動のワーク５への印加性能を高めることができる。

また、本実施の形態の超音波接合工具のローレット面再加工方法によれば、摩耗により突起部斜面８ｂのダイヤモンドライクカーボン膜１１が剥がれて基材が露出している場合、凝着物除去工程後に、ローレット面９全体にダイヤモンドライクカーボン膜１１を形成し、その後、研削工程で平坦面のダイヤモンドライクカーボン膜１１を含めて研削してダイヤモンドライクカーボン膜１１を取り除くことで、新品のローレット面９を蘇らせることができる。

また、本実施の形態の超音波接合工具のローレット面再加工方法によれば、凝着物除去工程では、物理的除去としてブラシラップ、エアロラップ、ショットブラストを採用することで、科学的手法では取り除くことのできない突起部斜面８ｂ及び溝部１０に堆積した凝着物１２を取り除くことができる。

尚、本実施の形態の突起部の先端は、四角錐形状としているが、本発明はこれに限定することなく、多角錐形状であれば全て含むものとする。

本発明は、超音波溶接装置に取り付けられる超音波接合工具のローレット面を再加工する方法に用いることができる。

１…超音波溶接装置
２…アンビル（超音波接合工具）
３…ホーン（超音波接合工具）
５…ワーク（被接合材）
８…突起部
８ａ…突起部上面
８ｂ…突起部斜面
９…ローレット面
１０…溝部
１１…ダイヤモンドライクカーボン膜

Claims (4)

1. 突起先端を平坦面とした複数個の突起部を縦横に配置したローレット面を有する超音波接合工具において、
   超音波溶接装置に装着されて超音波接合を繰り返し行うことで凝着した前記ローレット面を物理的除去により、ローレット面から凝着物を取り除く凝着物除去工程と、
   前記突起先端の平坦面を平面研削して、前記ローレット面を構成する突起部上面、突起部斜面、突起部間の溝部のうち、前記突起部上面の摩擦係数を、前記突起部斜面及び前記突起部間の溝部の摩擦係数より大とする研削工程とを備えた
   ことを特徴とする超音波接合工具のローレット面再加工方法。
2. 請求項１記載の超音波接合工具のローレット面再加工方法であって、
   前記研削工程では、前記突起部上面と前記突起部斜面の稜線部分に生じた丸みが無くなるまで研削する
   ことを特徴とする超音波接合工具のローレット面再加工方法。
3. 請求項１または請求項２記載の超音波接合工具のローレット面再加工方法であって、
   前記凝着物除去工程後に、前記ローレット面全体にダイヤモンドライクカーボン膜を形成し、その後、前記研削工程で前記平坦面のダイヤモンドライクカーボン膜を含めて研削してダイヤモンドライクカーボン膜を取り除く
   ことを特徴とする超音波接合工具のローレット面再加工方法。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の超音波接合工具のローレット面再加工方法であって、
   前記凝着物除去工程では、物理的除去としてブラシラップ、エアロラップ、ショットブラストを採用する
   ことを特徴とする超音波接合工具のローレット面再加工方法。