JP7318904B2

JP7318904B2 - 金属接合方法

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Publication number: JP7318904B2
Application number: JP2019026976A
Authority: JP
Inventors: 茂佐藤
Original assignee: Ultex Corp
Current assignee: Ultex Corp
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2039-02-18
Also published as: JP2020131229A

Description

本発明は、複数個の金属部材を接合する金属接合方法に関する。

特許文献１で開示された接合方法は、複数個の金属部材の間に金属ナノペーストを挟んでなる接合対象部材が上下方向で加圧された状態において共振器が共振器の一端部に取り付けられた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て上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより前記複数個の金属部材を前記金属ナノペーストで接合する方法である。

しかしながら、特許文献１で開示された接合方法では、金、銀、銅、アルミニウム等の硬度の柔らかい金属部材どうしを音波振動又は超音波振動で接合する場合は共振器やアンビルの摩耗が少ないが、鉄、ステンレス、ニッケル等の硬度の硬い金属部材どうしを音波振動又は超音波振動で接合する接合する場合は、接合対象部材と共振器とが焼き付き、又、接合対象部材とアンビルとが焼き付き、接合作業が滞るという欠点がある。

特開２０１６－１９６０４３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、音波振動又は超音波振動で接合することにより、接合対象部材と共振器とが焼き付くことがなく、又は、接合対象部材とアンビルとが焼き付くことがなく、接合作業が捗る、金属接合方法の提供を目的とする。

本発明は、第１金属部材の表面に設けられた突起部と第２金属部材とを重ね合わせてなる接合対象部材が重ね合わせ方向に加圧されかつ音波振動又は超音波振動で上記加圧される方向に直交する横方向への振動で前記突起部を溶かし或いは拡散させかつ前記第１金属部材と前記第２金属部材とを互いに接合することを特徴とする。

本発明は、第１金属部材の突起部と第２金属部材とを重ね合わせてなる接合対象部材が重ね合わせ方向に加圧されかつ音波振動又は超音波振動で上記加圧される方向に直交する横方向に振動することよって、加圧と振動とによるエネルギーが第１金属部材と第２金属部材とに集中し、突起部と第２金属部材との互いに接触した界面部分が合金になって接合され、突起部が溶けて潰れながら或いは変形して潰れながら水平方向に拡がるに伴い、第１金属部材と第２金属部材の互いに接触した界面部分が溶けて拡散して合金になって短時間に小さなエネルギーで接合し、接合対象部材と共振器とが焼き付くことがなく、又、接合対象部材とアンビルとが焼き付くことがなく、接合作業が捗る。

発明を実施するための形態１に係る金属接合方法を示した模式図。発明を実施するための形態２に係る金属接合方法を示した模式図。図１及び２の金属接合方法による接合後の接合対象部材の内部の状態を示した模式図。図１及び２の金属接合方法に用いる第１金金属部材の突起部の配置を示した平面図。図４とは異なる突起部の配置を示した平面図。発明を実施するための形態に係る金属接合方法に用いられる金属接合装置を示した正面図。発明を実施するための形態に係る金属接合方法に用いられる図６と異なる金属接合装置を示した正面図。

図１に示した発明を実施するための形態１に係る金属接合方法に用いられる接合対象部材１は、第１金属部材２の表面に複数の突起部３を備え、複数の突起部３の表面に第２金属部材４が重ねられている。

図１では、接合方法に用いられる装置の概要として、アンビル１１と共振器１２と接合作業部１３と振動子１４と加圧機構１５と加圧出力部１６を例示した。そして、アンビル１１が下側に水平に配置され、共振器１２が加圧機構１５の加圧出力部１６に水平に装着され、アンビル１１の上に向けられた表面と接合作業部１３の下に向けられた表面とが互いに平行になっている。

図１の金属接合方法が実行される場合は、突起部３と第２金属部材４とが互いに接触した状態、第１金属部材２とアンビル１１とが互いに接触した状態、第２金属部材４と接合作業部１３とが互いに接触した状態になっているが、図１では、部材どうし構成を明確にすることから、突起部３と第２金属部材４とが互いに離れた状態、第１金属部材２とアンビル１１とが互いに離れた状態、第２金属部材４と接合作業部１３とが互いに離れた状態を例示した。

図１に示した発明を実施するための形態１に係る金属接合方法は、次のように行われる。大気中の常温において、第１金属部材２の突起部３と第２金属部材４とが互いに重ねられ、第１金属部材２がアンビル１１の上に載せられ、加圧機構１５の加圧出力部１６が下降するに伴い、接合作業部１３が第２金属部材４に接触し、接合対象部材１がアンビル１１と接合作業部１３とで上下方向より加圧され、接合作業部１３が共振器１２の一端部に結合された振動子１４から共振器１２を経由して伝達された音波振動又は超音波振動に共振しかつ矢印１７で示した横方向に振動することよって、加圧と振動とによるエネルギーが第１金属部材２と第２金属部材４とに集中し、突起部３と第２金属部材４との互いに接触した界面部分が合金になって接合され、突起部３が溶けて潰れながら或いは変形して潰れながら水平方向に拡がるに伴い、第１金属部材２と第２金属部材４の互いに接触した界面部分が溶けて拡散して合金になって接合され、接合対象部材１とアンビル１１とが焼き付くことがなく、接合対象部材１と接合作業部１３とが焼き付くことがなく、第１金属部材２の第２金属部材４の側の表面と第２金属部材４の第１金属部材２の側の表面とが互いに全体的に短時間に小さなエネルギーで接合される。

そして、第１金属部材２及び第２金属部材４が互いに接合された後、加圧機構１５による加圧が停止し、その停止状態が０．１から数秒程度保持される。その後、アンビル１と接合作業部１３とによる接合対象部材１に対する加圧が解除され、金属接合構造体となった接合対象部材１とがアンビル１と接合作業部１３との間から取り出され接合対象部材１に対する１回の接合作業が終了する。

図２に示した発明を実施するための形態２に係る金属接合方法は、共振器１２が下に配置され、接合作業部１３が上に向けられ、アンビル１１が加圧機構１５の加圧出力部１６に取り付けられ、第２金属部材４が第１金属部材２及び突起部３よりも上に配置されてアンビル１１の上に搭載され、第１金属部材２及び突起部３が第２金属部材４よりも上に配置され、突起部３の下に向けられた表面と第２金属部材４の上に向けられた表面とが互いに重ねられたことが、図１と異なる。アンビル１１の下に向けられた表面と接合作業部１３の上に向けられた表面とが互いに平行になっているのは、図１と同じである。

図２に示した発明を実施するための形態１に係る金属接合方法は、次のように行われる。大気中の常温において、第１金属部材２の突起部３と第２金属部材４とが互いに重ねられ、第２金属部材４が接合作業部１３の上に載せられ、加圧機構１５の加圧出力部１６が下降するに伴い、アンビル１１が第１金属部材２に接触し、接合対象部材１がアンビル１１と接合作業部１３とで上下方向より加圧され、接合作業部１３が共振器１２の一端部に結合された振動子１４から共振器１２を経由して伝達された音波振動又は超音波振動に共振しかつ矢印１７で示した横方向に振動することよって、加圧と振動とによるエネルギーが第１金属部材２と第２金属部材４とに集中し、突起部３と第２金属部材４との互いに接触した界面部分が合金になって接合され、突起部３が溶けて潰れながら或いは変形して潰れながら水平方向に拡がるに伴い、第１金属部材２と第２金属部材４の互いに接触した界面部分が溶けて拡散して合金になって接合され、接合対象部材１とアンビル１１とが焼き付くことがなく、接合対象部材１と接合作業部１３とが焼き付くことがなく、第１金属部材２の第２金属部材４の側の表面と第２金属部材４の第１金属部材２の側の表面とが互いに全体的に短時間に小さなエネルギーで接合される。

図１及び２に示した金属接合方法に用いられる各突起部３は第１金属部材２の表面から矩形状に突出した態様を例示したが、各突起部３の第１金属部材２の表面から突出した形状は半円形、楕円形、三角形でもよいが、第１金属部材２の表面における突起部３以外の部分を切削又は研磨等の機械加工で除去して突起部３を第１金属部材２の表面に設ける場合は突起部３の第１金属部材２から突出した形状が矩形状であれば、機械加工の工具を第１金属部材２の表面における突起部３以外の部分を縦横に直線移動すればよく、半円形、楕円形、三角形よりも加工が容易になる。

複数の突起部３は、第１金属部材２の表面における突起部３以外の部分を切削又は研磨等の機械加工で除去するか、又は、第１金属部材２の表面における突起部３以外の部分をプレスの機械加工で窪ますことにより、第１金属部材２と一体に設けられている。よって、第１金属部材２と突起部３とは、例えば、第１金属部材２がニッケルの場合は突起部３もニッケルであり、第１金属部材２が鉄の場合は突起部３も鉄であるというように、同じ素材で第１金属部材２と一体に設けられている。

又、例えば、第１金属部材２及び突起部３が鉄であって、金属メッキがニッケルというように、第１金属部材２及び突起部３が第１金属部材２及び突起部３とは別の素材からなる金属メッキで被覆されていてもよい。又、例えば、第２金属部材４が鉄であって、金属メッキがニッケルというように、第２金属部材４が第２金属部材４とは別の素材からなる金属メッキで被覆されていてもよい。又、第１金属部材２及び突起部３がニッケルであって、第２金属部材４が鉄であってニッケルの金属メッキで被覆された態様でもよい。又、第１金属部材２と突起部３並びに第２金属部材４のうちの一方が金属メッキを施され、第１金属部材２及び突起部３及び第２金属部材４のうちの他方が金属メッキの施されていない態様でもよい。

前記加圧と振動とによるエネルギーが第１金属部材２と第２金属部材４とに集中することから、接合作業が捗り、接合された接合対象部材１に歪みや残留応力が無く品質が良くなるうえ、第１金属部材２と突起部３及び第２金属部材４が１乃至２秒で発熱し、溶解温度が１０００℃以上の高熱の材質でも接合可能となり、これまでは金、銀、銅、アルミ等の非鉄金属に限られていた接合の範囲が鉄系まで広がる。よって、第１金属部材２及び第２金属部材４の両方が金、銀、銅、アルミニウム等の硬度の柔らかい金属部材である場合、第１金属部材２及び第２金属部材４の両方が鉄、ステンレス、ニッケル等の硬度の硬い金属部材である場合、第１金属部材２及び第２金属部材４の一方が金、銀、銅、アルミニウム等の硬度の柔らかい金属部材で第１金属部材２及び第２金属部材４の他方が鉄、ステンレス、ニッケル等の硬度の硬い金属部材である場合が適用可能である。

図１及び２に示した金属接合方法において、接合に作用するエネルギーが発生する層（レイヤ）は、アンビル１１と接合作業部１３とによる加圧力と接合作業部１３による振幅との相関関係で決まる。よって、図１及び２に示した金属接合方法では、接合に作用するエネルギーが突起部３と第２金属部材４との界面部分、第１金属部材２と第２金属部材４との界面部分の界面部分のそれぞれに集中するように、アンビル１１と接合作業部１３とによる加圧力と接合作業部１３による振幅とを制御することにより、突起部３と第２金属部材４との界面部分、第１金属部材２と第２金属部材４との界面部分のそれぞれが加圧と振動とによるエネルギーを受けて接合される。

図３に示した発明を実施するための形態１及び２に係る金属接合方法の結果として得られた金属接合構造体となった接合対象部材１を切断して観察したところ、突起部３と第２金属部材４とからなる合金部分１８が第１金属部材２と第２金属部材４とからなる合金部分１９に一体になった態様を確認できた。

図４に示した発明を実施するための形態１及び２に係る金属接合方法に用いられた第１金属部材２では、４個の突起部３が第１金属部材２の平面形状として四角形となった表面の各４隅に配置された場合を例示した。このように４個の突起部３が第１金属部材２に配置された場合、４個の突起部３の上に図１に示した第２金属部材４を載せた場合、各突起部３が第２金属部材４を安定に支持することができる。各突起部３は平面形状として、四角形を例示したが、円形、楕円形、三角形でもよいが、第１金属部材２の表面における突起部３以外の部分を切削又は研磨等の機械加工で除去して突起部３を第１金属部材２の表面に設ける場合は突起部３が平面形状として四角形であれば、機械加工の工具を第１金属部材２の表面における突起部３以外の部分を縦方向２１と横方向２２とに直線移動すればよく、円形や楕円形並びに三角形よりも加工が容易になる。

図５に示した発明を実施するための形態に係る１及び２に金属接合方法に用いられる第１金属部材２としては、３個の突起部３が第１金属部材２の平板状の四角形となった表面に配置された場合を例示した。このように３個の突起部３が第１金属部材２に配置された場合、３個の突起部３の上に図１に示したように第２金属部材４を載せた場合、第２金属部材４の上に図２に示したように突起部３を載せた場合、図４の４個を設けた場合よりも不安定になるものの、各突起部３が第２金属部材４を安定に支持することができる。

突起部３の個数は図４に示した４個に限定されるものでもなく、図５に示した３個に限定されるものでもなく、１個又は２個又は５個以上でもよく、即ち、単数又は複数でも適用可能である。但し、突起部３が１個又は２個の場合は、突起部３の上に重ねられた第２金属部材４の表面が突起部３の表面と全面的に接触するように、第２金属部材４を横にずれなれないように支持すれば、第１金属部材２と第２金属部材４との接合位置が確保できる。

図１及び２で示した金属接合方法を１０ｋＨｚから５０ｋＨｚの範囲中の或る１つの周波数に固定された音波振動で実験し、接合された接合対象部材１を調べたところ、接合対象部材１に、熱による反りや歪みが無いこと、残留応力及びウィスカも無いこと、ボイドも無いこと、第１金属部材２及び第２金属部材４としてのアルミニウム、銅、金、銀、鉄、ステンレス、ニッケル等の接合が可能であること、接合時間は数秒の短時間であること、接合対象部材１への荷重も低くでき、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。それは、音波振動による音エネルギーが、突起部３と第２金属部材４との界面部分、第１金属部材３と第２金属部材４との界面部分のそれぞれの狭い薄い領域で瞬間的に、原子が励起し熱を発生させながら何かの反応が促進されているからと考えられる。又、競合各社の仕上りは熱が全体に発生して焼けているが、上記音波振動による音エネルギーを利用した接合では焼けが発生せず、奇麗な仕上がりであった。又、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、第１金属部材２及び第２金属部材４としてのアルミニウム、銅、金、銀、鉄、ステンレス、ニッケル等の接合の接合が可能であること、接合対象部材１への荷重も低くでき、その結果、残留応力の発生も防げることも確認できた。

図１及び２においては、第１金属部材２をアンビル１１の側に配置し、第２金属部材４を接合作業部１３の側に配置したが、第１金属部材２を接合作業部１３の側に配置し、第２金属部材４をアンビル１１の側に配置してもよい。又、第１金属部材２及び第２金属部材４のうちで硬度の硬い金属部材を接合作業部１３の側に配置して硬度の硬い金属部材からエネルギーを伝えても、或いは、第１金属部材２及び第２金属部材４のうちで硬度の柔らかい金属部材を接合作業部１３の側に配置して硬度の柔らかい金属部材からエネルギーを伝えてもよい。

次に、図６及び７を参照し、図１及び２に示した金属接合方法に用いられる金属接合装置４１について説明する。

図６に示した発明を実施するための形態の金属接合装置４１の装置本体４２には、作業空間部４３が設けられる。装置本体４２の作業空間部４３よりも下部には、支持具４４が設けられる。支持具４４は前後及び下方に貫通する支持空間部４５の左右両側に支持部４６を備える。支持具４４には共振器１２が設置される。共振器１２は、接合作業部１３と被支持部４７とを備える。共振器１２は、横方向の一端から他端までの長さが振動子１４から伝達された音波振動又は超音波振動の共振周波数の少なくとも１波長を有する直線的な棒状になっている。共振器１２の横方向の両端部及び中央部には、最大振動振幅点が位置する。共振器１２の長さ方向の中央部おける最大振動振幅点の位置する外面部には、接合作業部１３が設けられる。

接合作業部１３は、共振器１２の外側面より突出して設けられた場合又は共振器１２の外側面と同一面に設けられた場合又は共振器１２の外側面より窪んで設けられた場合のいずれでも適用可能である。共振器１２の接合作業部１３より横方向の両側に存在する最小振動振幅点に位置する外面部には、被支持部４７が設けられる。

共振器１２の一端部には、振動子１４が取り付けられる。共振器１２と振動子１４との間には、図示のされていないブースターを設けることも適用可能である。支持具４４には共振器１２の長さ方向が矢印１７で示した左右方向に向けられ、共振器１２の被支持部４７以外の部分が支持具４４に接触しないように支持空間部４５に配置され、被支持部４７が支持部４６に支持されることにより、共振器１２が支持具４４に設置される。

装置本体４２の作業空間部４３よりも上部には、加圧機構１５が設けられる。加圧機構１５の加圧出力部１６は、装置本体４２の上部から作業空間部４３に配置される。加圧出力部１６の作業空間部４３に配置された下部は、加圧機構１５の駆動によって、作業空間部４３の内部を直線的に昇降する。加圧出力部１６の作業空間部４３に配置された下部には、アンビル１１が設けられる。

図６に示した金属接合装置４１は、小型で軽い共振器３６を上下方向に移動する構造になっているので、接合対象部材１を超音波振動で接合する装置に適している。

図７に示した発明を実施するための形態の金属接合装置４１は、装置本体４２の作業空間部４３よりも下部に支持具４４が設けられる。支持具４４は前後及び下方に貫通する支持空間部４５の左右両側に支持部４６を備える。支持具４４には共振器１２が設置される。共振器１２は、接合作業部１３と被支持部４７とを備える。支持具４４には共振器１２の長さ方向が矢印１７で示した左右方向に向けられ、共振器１２の被支持部４７以外の部分が支持具４４に接触しないように支持空間部４５に配置され、被支持部４７が支持部４６に支持されることにより、共振器１２が支持具４４に設置される。つまり、装置本体４２の作業空間部４３よりも下部には、支持具４４、支持空間部４５、支持部４６、共振器１２、接合作業部１３、被支持部４７、振動子１３が設けられている。又、装置本体４２の作業空間部４３よりも上部には加圧機構１５が設けられ、加圧機構１５の加圧出力部１６における作業空間部４３に配置された下部にはアンビル１１が設けられる。

接合対象部材１を音波振動で接合する場合には、接合対象部材１を超音波振動で接合する場合よりも、共振器１２が大型で重くなるが、図７に示した金属接合装置４１は、大型で重い共振器１２を上下方向に移動しない構造になっており、接合対象部材１を超音波振動で接合する場合よりも接合作業部１３の上面の面積を広く形成することができ、接合作業部１３の上面の面積を広く形成することにより、接合対象部材１を音波振動で接合する装置として好適である。

尚、図示はしないが、図５に示した支持具４４、支持空間部４５、支持部４６、共振器１２、接合作業部１３、被支持部４７、振動子１４を、図６に示したアンビル１１に代え図６の装置本体４２の作業空間部４３よりも下部に設けて、下側の共振器１２と上側の共振器３７との一方をアンビル１１として使用し、下側の共振器１２と上側の共振器３７との他方を共振器として使用して良い。

１接合対象部材
２第１金属部材
３突起部
４第２金属部材
１１アンビル
１２共振器
１３接合作業部
１４振動子
１５加圧機構
１６加圧出力部
１７振動方向を示した矢印
１８突起部３と第２金属部材４とからなる合金部分
１９第１金属部材２と第２金属部材４とからなる合金部分
４１接合装置
４２装置本体
４３作業空間部
４４支持具
４５支持空間部
４６支持部
４７被支持部

Claims

アンビルと共振器とこの共振器の一端部に結合された振動子と加圧機構とを備えた装置を用いて板状の第１金属部材と板状の第２金属部材とを重ね合わせた状態に接合する接合方法であって、前記第１金属部材における第２金属部材の側に位置する平面状の一表面に突起部が第２金属部材の側に突出する平面形状として四角形で側面形状として矩形状を呈する棒状に設けられ、この突起部の平面状の先端面が前記第２金属部材における平面状の一表面に接触して重ね合わせられ、前記第１金属部材の前記一表面の反対側に位置する平面状の表面が前記アンビルに接触して重ね合わせられ、前記第２金属部材の前記一表面の反対側に位置する平面状の表面が前記共振器の接合作業部に接触して重ね合わせられ、前記突起部と前記第１金属部材と前記第２金属部材とが前記加圧機構の動作により前記アンビルと前記接合作業部とで重ね合わせ方向に加圧され、前記接合作業部が前記振動子から前記共振器を経由して伝達された音波振動又は超音波振動に共振して前記加圧される方向に直交する方向に振動することにより前記突起部と前記第２金属部材との互いに接触した界面部分が接合すると共に前記突起部が溶けて潰れながら拡がるに伴い前記第１金属部材と前記第２金属部材との互いに接触した界面部分が接合することを特徴とする接合方法。