JP6793388B2 - 接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、上下に重ね合わされた金属同士又は金属とセラミックス等の無機物との異種同士からなる複数個の接合対象部材とを互いに接合する、接合方法に関する。
特許文献１で開示された金属製の複数個の接合対象部材同士を超音波振動で接合する方法は、上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材が共振器の接合ツール部とアンビルととによる垂直の荷重と超音波振動による横方向の振動とを受けながら複数個の金属部材同士を互いに接合するようになっている。
しかしながら、上記特許文献１で開示された接合方法で、図１２に示した上下に重ね合わされた金属製の複数個の接合対象部材１０１，１０２同士を接合したところ、次のような不都合があった。金属製の複数個の接合対象部材１０１，１０２のうちの一方の接合対象部材１０１と他方の接合対象部材１０２とが共振器１０３の接合ツール部１０４とアンビル１０５とで矢印１０６で示した垂直の荷重と矢印１０７で示した超音波振動による横方向の振動とを受けながら接合したところ、インゴット状又は拡散状又は合金状に接合できなかった。
特開２００９−１１３０８３号公報
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、上下に重ね合わされた金属同士又は金属とセラミックス等の無機物との異種同士からなる複数個の接合対象部材とを互いに接合する、接合方法の提供を目的とする。
本発明は、上下に重ね合わされた金属同士又は金属とセラミックス等の無機物との異種同士からなる複数個の接合対象部材とを互いに接合する接合方法であって、前記複数個の接合対象部材のうちの他方の接合対象部材には斜面を有する内側空間部が上方又は下方に開口して設けられており、前記複数個の接合対象部材のうちの一方の接合対象部材が前記他方の接合対象部材の前記開口から前記内側空間部に収容されて前記斜面に支持された状態において、前記一方の接合対象部材の外周部と前記他方の接合対象部材の斜面とが垂直の荷重と音波振動又は超音波振動による縦方向の振動との協働で互いに接合されることを特徴とする。
本発明は、前記一方の接合対象部材の外周部と前記他方の接合対象部材の斜面とが垂直の荷重と音波振動又は超音波振動による縦方向の振動との協働で、インゴット状又は拡散状又は合金状に接合されるという効果がある。
発明を実施するための形態に係る接合方法において上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材を縦方向に切断して示した模式図。 発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる複数個の接合対象部材を縦方向に切断して示した断面図。 発明を実施するための形態に係る接合方法で接合された複数個の接合対象部材を縦方向に切断して示した断面図。 発明を実施するための形態に係る接合方法で接合された図３と異なる形の複数個の接合対象部材を縦方向に切断して示した断面図。 発明を実施するための形態に係る接合方法で接合された図３及び４と異なる形の複数個の接合対象部材を縦方向に切断して示した断面図。 発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる他方の接合対象部材を示した平面図。 発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる図６と異なる形の他方の接合対象部材を示した平面図。 発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる図６及び７と異なる形の他方の接合対象部材を示した平面図。 発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる図６乃至８と異なる形の他方の接合対象部材を示した平面図。 発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる図６乃至９と異なる形の他方の接合対象部材を示した縦断面図。 発明を実施するための形態に係る接合方法において図１と異なる上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材を縦方向に切断して示した模式図。 従来の接合方法において上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材を縦方向に切断して示した模式図。
図１を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法について説明する。図１に示した接合方法としては、上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２のうちの一方の接合対象部材１として板状の蓋を例示し、他方の接合対象部材２として筒状の容器を例示した。接合対象部材１及び２としては、鉄、金属の表面に金属メッキが施された金属、アルミニウム、金、銀、銅、錫、ニッケル、ステンレス等の同種金属同士、異種金属同士、金属とセラミックス等の無機物との異種同士であっても適用可能である。
他方の接合対象部材２は、内側空間部３を有する筒状になっている。内側空間部３は、上方が開放され、外周側と底側が塞がれた態様である。内側空間部３は、上空間部４と中空間部５と下空間部６とから構成される。上空間部４と中空間部５と下空間部６とが、他方の接合対象部材２の上から下に同軸状に連続した構成になっている。上空間部４は、他方の接合対象部材２の上面より内部に窪み、一方の接合対象部材１を横方向に移動しないように水平状に収容することが可能な寸胴な形状になっている。中空間部５は、上空間部４の下部から下空間部６の上部に行くに従って徐々に内側に傾斜する斜面７で囲まれたすり鉢の形状になっている。下空間部６は、中空間部５の下部から下方に窪む寸胴な形状になっている。即ち、他方の接合対象部材２には、斜面７を有する内側空間部３が上方に開口して設けられている。
一方の接合対象部材１が、他方の接合対象部材２に設けられた内側空間部３の開口か内側空間部３に収容されることで、上空間部４に水平状に収容された場合、一方の接合対象部材１の外周面と上空間部４を囲む上壁部８との間には一方の接合対象部材１を上空間部４に収容する際における空気の抜けるための隙間９が形成される。この隙間９が形成されることで、一方の接合対象部材１が上空間部４に水平状に容易に収容され、収容された一方の接合対象部材１が上空間部４で横方向に移動せず、収容された一方の接合対象部材１の外周部１０が中空間部５の上側における斜面７に支持され、一方の接合対象部材１の上面が他方の接合対象部材２の上面よりも上に突出した状態になる。
図１に示した接合方法で一方の接合対象部材１と他方の接合対象部材２とを接合する場合には、先ず、共振器１１の接合ツール部１２とアンビル１３との間には、上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２を収容するための空間が確保される。その状態において、上記のように上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２における他方の接合対象部材２の底面がアンビル１３の上面に接触して載せられるか、又は、他方の接合対象部材２の底面がアンビル１３の上面に載せられた後に一方の接合対象部材１が他方の接合対象部材２の上空間部４に収容される。このように上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２がアンビル１３の上面に接触して載せられた場合には、接合ツール部１２は一方の接合対象部材１から上方に離れている。
次に、共振器１１が図示されていない加圧機構により垂直に下降し、上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２が共振器１１の接合ツール部１２とアンビル１３とから矢印１４で示す垂直の荷重を受ける一方、接合対象部材１及び２が接合ツール部１２とアンビル１３とから矢印１４で示す垂直の荷重を受ける一方、接合ツール部１２が共振器１１に連結された図示のされていない音波振動子又は超音波振動に共振して矢印１５で示す縦方向の振動を受けることで、一方の接合対象部材１が上記荷重と振動とを受けながら垂直に下方に移動して他方の接合対象部材２の斜面７に沿って擦れ、インゴット状又は拡散状又は合金状に接合される。前記縦方向の振動は、前記複数個の接合対象部材１及び２が共振器１１の接合ツール部１２とアンビル１３とから荷重を受ける垂直の方向に平行な方向に振動する縦振動である。
図１に示した接合方法によれば、前記のように上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２うちの一方の接合対象部材１の外周部１０と他方の接合対象部材２の斜面７とに垂直の荷重と音波振動又は超音波振動による縦方向の振動とを受けることで、インゴット状又は拡散状又は合金状に接合される。同種金属間ではインゴット状に接合され、異種金属間又は金属とセラミックスとの異種材料間では拡散状又は合金状に接合される。接合は、大気中の常温で、数秒程度の短時間で可能である。
図１に示した接合方法に用いた音波又は超音波振動として、１０ｋＨｚから５０ｋＨｚの範囲中の或る１つの周波数に固定された縦方向の振動で実験したところ、同種金属間、異種金属間、金属とセラミックスとの異種材料間での可能であること、接合時間は数秒の短時間であること、一方の接合対象部材１の外周部１０と他方の接合対象部材２の斜面７との境界面にボイドが発生していないこと、音波振動で複数個の接合対象部材１及び２の大気中での常温接合が数秒で可能になること等を確認できた。尚、超音波振動を利用した場合は、音波振動よりも接合時間が長くなるものの、同種金属間、異種金属間、金属とセラミックスとの異種材料間での接合が可能であることも確認できた。
図１に示した接合方法において、一方の接合対象部材１が下側で、他方の接合対象部材２が上側になるように、上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２の上下を入れ替え、一方の接合対象部材１の上面がアンビル１３の上面に接触して載せられ、共振器１１が図示されていない加圧機構により矢印１４で示すように垂直に下降する共振器１１の接合ツール部１２が他方の接合対象部材２の底面に当接して他方の接合対象部材２を下方に押し付けるようにしても良い。このように、一方の接合対象部材１が下側で、他方の接合対象部材２が上側になるように、上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２の上下を入れ替えて接合する場合には、他方の接合対象部材２には、斜面７を有する内側空間部３が下方に開口して設けられており、一方の接合対象部材１が他方の接合対象部材２の前記開口から前記内側空間部３に収容されると解釈できる。又、接合ツール部１２の接合対象部材１の側の表面は、平面又はエネルギーの伝達効率を上げるために凹凸にしても良い。アンビル１３の接合対象部材２の側の表面は平面又はグリップのために凹凸にしても良い。又、接合ツール部１２と接合対象部材１との間、アンビル１３と接合対象部材２との間の一方又は両方に樹脂パッドを挟んでも良い。
図２を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる複数個の接合対象部材１及び２について説明する。一方の接合対象部材１の外周面と他方の接合対象部材２の上壁部８との間の隙間９は、次の数値に限定されるものではないが、例えば、０．０３乃至０．０５ｍｍとすれば、一方の接合対象部材１が上空間部４に水平状に容易に収容され、収容された一方の接合対象部材１が上空間部４で横方向に移動せず、収容された一方の接合対象部材１の外周部１０が中空間部５の上側における斜面７に支持される。
上空間部４の上下寸法Ｈ１は、一方の接合対象部材１の上下寸法Ｔによりも小さく、次の数値に限定されるものではないが、例えば、１乃至２ｍｍとすれば、他方の接合対象部材２に対する一方の接合対象部材１の位置決めが図れる。中空間部５の上下寸法Ｈ２は、一方の接合対象部材１の上下寸法Ｔよりも大きい（Ｈ２＞Ｔ）。
中空間部５を囲む斜面７と下空間部６を囲む垂直な内周面との成す角度θは、次の数値に限定されるものではないが、例えば、２乃至３度とすれば、前述したインゴット状の接合或いは拡散状や合金状の接合が完成する。尚、本発明の接合方法によれば、一方の接合対象部材１における外周部１０が他方の接合対象部材２の斜面７に圧力を掛けながら滑ることが重要であることから、上記角度θは１０°以下であれば適用可能であり、不要な突起であるバリが中空間部５に出ない。これに対し、熱可塑性合成樹脂で構成した複数個の接合対象部材１及び２を本発明の接合方法で接合する場合には上記角度θを３０乃至６０°を設けるのが一般的であり、溶けた熱可塑性合成樹脂が不要な突起であるバリとして中空間部５に出る。
図２において、図示はしないが、一方の接合対象部材１の外周上部に外側横方向に突出するフランジ部を設けも良い。
図３を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法で接合された複数個の接合対象部材１及び２からなる構造物について説明する。一方の接合対象部材１の外周面と他方の接合対象部材２の上壁部８との間に上方に開放された隙間９が形成されている。
複数個の接合対象部材１及び２が同種金属で構成された場合には、隙間９よりも下部における一方の接合対象部材１と他方の接合対象部材２との仮想線１６で囲まれた部分の境界面はインゴット状になっている。複数個の接合対象部材１及び２が異種金属で構成された場合、又は、金属とセラミックスとの異種材料で構成された場合には、仮想線１６で囲まれた部分の境界面は拡散状又は合金状になっている。よって、仮想線１６で囲まれた部分の境界面は、気密性が保たれ、複数個の接合対象部材１及び２の溶解温度以下のヒートサイクル試験に耐えることが確認できた。
一方の接合対象部材１よりも下部における中空間部５と下空間部６とが一方の接合対象部材１と他方の接合対象部材２とで囲まれた密封された空間部１７を有する構造物１８として組み立てられる。この組み立てられた構造物ついて、歪、残留応力、ヒートサイクルを検証したところ、経時的な変化が無いことが確認できた。又、組み立てられた構造物１８について、仮想線１６で囲まれた部分の境界面にボイドの無いことが確認できた。密封された空間部１７に液体や気体を充填したり、密封された空間部１７を真空にしたりしても良い。
図４を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法で接合された複数個の接合対象部材１及び２からなる図３と異なる形の構造物１８について説明する。図４に示した構造物１８は、図３に示した構造物１８における隙間９を除去するように、一方の接合対象部材１の上部と他方の接合対象部材２の上部とを削った構造である。
図５を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法で接合された複数個の接合対象部材１及び２からなる図３及び４と異なる形の構造物１８について説明する。図５に示した構造物１８は、図３に示した構造物１８における一方の接合対象部材１の上部の中央部に凹部１９を設け、一方の接合対象部材１の外周部１０に垂直の荷重と縦方向の振動とによるエネルギーを集中するようにした構造である。
図６を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる他方の接合対象部材２について説明する。図６に示した接合対象部材２における上空間部４と中空間部５と下空間部６とは上部から見て円形になっている。つまり、接合対象部材２は円筒状になっている。上壁部８は、上空間部４を一周する形状になっている。
図７を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる図６と異なる形の他方の接合対象部材２について説明する。図７に示した接合対象部材２における上空間部４と中空間部５と下空間部６とは上部から見て円形になっている。つまり、接合対象部材２は円筒状になっている。上壁部８は、上空間部４を一周する方向で複数個に分かれて設けられている。上壁部８の個数は、２個に限定されるものではなく、３個以上でも良い。
図８を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる図６及び７と異なる形の他方の接合対象部材２について説明する。図８に示した接合対象部材２における上空間部４と中空間部５と下空間部６とは上部から見て方形になっている。つまり、接合対象部材２は角筒状になっている。接合対象部材２の角筒状は、方形に限定されるものではなく、上部から見て、非対称形、異形、三角形、五角形以上の形状でも良い。上壁部８は、上空間部４を一周する形状になっている。
図９を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる図６乃至８と異なる形の他方の接合対象部材２について説明する。図８に示した接合対象部材２における上空間部４と中空間部５と下空間部６とは上部から見て方形になっている。つまり、接合対象部材２は角筒状になっている。接合対象部材２の角筒状は、方形に限定されるものではなく、上部から見て、三角形、五角形以上の形状でも良い。上壁部８は、上空間部４を一周する方向で複数個に分かれて設けられている。上壁部８の個数は、２個に限定されるものではなく、３個以上でも良い。又、上壁部８は、上空間部４の隅部を上方より見てＬ字形に囲む形状でも良い。
図１０を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる図６乃至９と異なる形の他方の接合対象部材２について説明する。図１０に示した他方の接合対象部材２には、スリット２０が他方の接合対象部材２の上面と外周面及び内側空間部３とに開口した態様に設けられ、上空間部４と中空間部５と下空間部６とからなる内側空間部３を囲む周壁部が一周する方向でスリット２０により複数個に分かれた態様になっている。スリット２０は、単数に限定されるものではなく、内側空間部３を囲む周壁部が一周する方向で複数個設けられていてもよい。
図１１を用いて、発明を実施するための形態に係る接合方法に用いられる図１と異なる上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２について説明する。図１１に示した他方の接合対象部材２では、図１に示した上空間部４が削除され、中空間部５が他方の接合対象部材２の上面から下空間部６の上部に行くに従って徐々に内側に傾斜する斜面７で囲まれたすり鉢の形状になっている。中空間部５と下空間部６とが他方の接合対象部材２における内側空間部３を構成している。下空間部６は、中空間部５の斜面７が下方に延長された態様でも良い。図１１に示した一方の接合対象部材１が中空間部５に上方より水平状に収容された場合に一方の接合対象部材１の外周部の下側が中空間部５の斜面７の上下方向の中間位置に接触して支持され、一方の接合対象部材１の上面が他方の接合対象部材２の上面よりも上に突出した状態になっている。
そして、共振器１１が図示されていない加圧機構により矢印１４で示すように垂直に下降し、上下に重ね合わされた複数個の接合対象部材１及び２が共振器１１の接合ツール部１２とアンビル１３とから垂直の荷重を受ける一方、共振器１１が共振器１１に連結された図示のされていない音波振動子又は超音波振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し、共振器１１の接合ツール部１２が矢印で示すように縦方向の振動を受けることにより、一方の接合対象部材１が上記荷重と振動とを受けながら垂直に下方に移動して他方の接合対象部材２の斜面７に沿って擦れ、インゴット状又は拡散状又は合金状に接合される。
１ 接合対象部材
２ 接合対象部材
３ 内側空間部
４ 上空間部
５ 中空間部
６ 下空間部
７ 斜面
８ 上壁部
９ 隙間
１０ 外周部
１１ 共振器
１２ 接合ツール部
１３ アンビル
１４ 垂直に下降する方向を示す矢印
１５ 縦方向の振動を示す矢印
１６ 接合対象部材１及び２の境界面を囲む仮想線
１７ 空間部
１８ 構造物
１９ 凹部
２０ スリット

Claims (3)

  1. 上下に重ね合わされた金属同士又は金属と無機物との異種同士からなる複数個の接合対象部材を互いに接合する接合方法であって、前記複数個の接合対象部材のうちの他方の接合対象部材には斜面を有する内側空間部が上方に開口して設けられており、前記複数個の接合対象部材のうちの一方の接合対象部材の横方向の下面から下方に接合用の斜面を有する接合用の凸部が設けられることなく前記横方向の下面と前記一方の接合対象部材の縦方向の外周面との交差する角部として構成された外周部が前記他方の接合対象部材の前記開口から前記内側空間部に収容されて前記斜面に支持された状態において、前記一方の接合対象部材の角部として構成された外周部と前記他方の接合対象部材の斜面とが垂直の荷重と音波振動又は超音波振動による縦方向の振動との協働で互いに接合されることを特徴とする接合方法。
  2. 上下に重ね合わされた金属同士又は金属と無機物との異種同士からなる複数個の接合対象部材を互いに接合する接合方法であって、前記複数個の接合対象部材のうちの他方の接合対象部材には斜面を有する内側空間部が下方に開口して設けられており、前記複数個の接合対象部材のうちの一方の接合対象部材の横方向の上面から上方に接合用の斜面を有する接合用の凸部が設けられることなく前記横方向の上面と前記一方の接合対象部材の縦方向の外周面との交差する角部として構成された外周部が前記他方の接合対象部材の前記開口から前記内側空間部に収容されて前記斜面に支持された状態において、前記他方の接合対象部材の角部として構成された外周部と前記一方の接合対象部材の斜面とが垂直の荷重と音波振動又は超音波振動による縦方向の振動との協働で互いに接合されることを特徴とする接合方法。
  3. 前記斜面の垂線との成す角度が１０°以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
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