JPH08252679A - 異種金属の超音波溶接方法 - Google Patents
異種金属の超音波溶接方法Info
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Abstract
って接合させること。 【構成】 超音波工具4と作業台5との間には、接合す
べき複数の異種金属材すなわち接合部材6が配されてい
る。接合部材6は、表面に塑性流動しやすい低硬度被覆
層(銅被覆層)6a’が形成された高硬度材料(高硬度
鋼材)6aと、作業台5に載置された低硬度材料(アル
ミニウム材)6bと、高硬度材料6aと超音波工具4と
の間に配された他の低硬度材料(例えば、銅材)6cと
からなる。ここで、低硬度被覆層6a’の厚さは、5〜
10μm程度に設定されている。また、他の低硬度材料
6cの厚さは、少なくともスリップ防止用ローレット4
aの深さ以上に設定され、また、その硬度は、塑性流動
しやすく、転写しにくい純銅相当の硬度(HV 50〜1
10)に設定されている。
Description
度鋼材とアルミニウム材とを超音波溶接する異種金属の
超音波溶接方法に関する。
する場合、接合すべき材料の硬度差が大きすぎ、また一
方の材料の硬度が高すぎて塑性流動しにくいと十分な接
合強度が得られない。このため、特開昭60−2060
54号公報に記載されるように、高硬度材料の表面に予
め低硬度被覆層を蒸着等により形成し、この低硬度被覆
層が形成された高硬度材料を用いて超音波溶接を行うこ
とが提案されている。
を目的とした構造物を得る目的で、図7に示すように高
強度部材(例えば、高硬度鋼材)6aと軽量部材(例え
ば、アルミニウム材)6bとを接合させるにあたり、上
記のような従来技術を適用し、高硬度鋼材6aの表面に
低硬度被覆層(例えば、銅被覆層)6a’を形成して超
音波溶接を行おうとすると、超音波工具4のスリップ防
止用ローレット4aが上記銅被覆層6a’を突き破り、
高硬度鋼材6aに直接接触して滑り、超音波振動が高硬
度鋼材6aに十分に伝達されず、このため、十分な接合
強度が得られないことが判明した。なお、図7中の符号
5は作業台を表している。
の製造のみに限定されるものではないが、上記のような
不具合を解消し、高硬度材料と低硬度材料とを十分な強
度をもって接合させることができる異種金属の超音波溶
接方法を提供することを目的としてなされたものであ
る。
料と低硬度材料とを超音波溶接する異種金属の超音波溶
接方法において、前記高硬度材料と超音波工具との間
に、他の低硬度材料を挿入し、該他の低硬度材料、前記
高硬度材料及び前記低硬度材料からなる接合部材を同時
に超音波溶接することを特徴とする異種金属の超音波溶
接方法を採用する。
低硬度被覆層が形成されていることを特徴とする請求項
1に記載の異種金属の超音波溶接方法を採用する。
始してから所定時間が経過した時点で、前記接合部材の
沈み込み量を計測開始し、該沈み込み量が所定値に達し
た時点で、前記振動を停止することを特徴とする請求項
1又は2に記載の異種金属の超音波溶接方法を採用す
る。
始してから第1の所定時間が経過した時点で、前記振動
を停止し、該振動停止時点から第2の所定時間が経過し
た時点で、再び振動を開始するとともに前記接合部材の
沈み込み量を計測開始し、該沈み込み量が所定値に達し
た時点で、前記振動を停止することを特徴とする請求項
1又は2に記載の異種金属の超音波溶接方法を採用す
る。
接方法によると、高硬度材料と超音波工具との間に他の
低硬度材料を挿入したことにより、超音波工具が高硬度
材料に直接接触する不具合を解消することができ、十分
な接合強度を得ることが可能となる。
によると、低硬度被覆層は塑性流動しやすいため、低硬
度被覆層と他の低硬度材料との接合、及び、低硬度被覆
層と低硬度材料との接合が良好に行われ、十分な接合強
度を得ることが可能になる。
によると、他の低硬度材料を設けたことに伴って超音波
工具のローレットが他の低硬度材料に喰い込む現象が生
ずるが、この喰い込みに要する時間に応じて、上記所定
時間、すなわち、超音波工具が振動を開始してから接合
部材の沈み込み量を計測開始するまでの期間、を決定す
ることにより、接合界面に直接関与する沈み込み量のみ
を計測でき、十分な接合強度を得ることが可能となる。
によると、他の低硬度材料を設けたことに伴って超音波
工具のローレットが他の低硬度材料に喰い込む現象が生
ずるが、この喰い込みに要する時間に応じて、第1の所
定時間、すなわち、超音波工具が振動を開始してから振
動を停止するまで期間、を決定することにより、その
後、接合界面に直接関与する沈み込み量のみを計測で
き、十分な接合強度を得ることが可能となる。また、第
1の所定時間が経過した時点から第2の所定時間が経過
する時点までの間、振動を停止するようにしたため、振
動により発熱した接合部材が冷却されるようになり、こ
のため接合部材の常温時の状態から本溶接を行う通常の
溶接に近似した溶接を実現可能になる。
明する。
溶接方法を実施するための装置の概念図を示している。
んだコントローラ2によって制御され、超音波振動を発
生する超音波振動子3が保持されている。超音波振動子
3の先端には、下方への一定の圧力Pを受けながら超音
波振動子3によって横振動する超音波工具(ホーン)4
が一体化されている。そして、超音波工具4と作業台5
との間には、接合すべき複数の異種金属材すなわち接合
部材6が配されている。また、保持部材1には、溶接の
進行に伴い下降してゆく超音波振動子3の上下方向位置
の移動量、換言すると、接合部材6の接合部における沈
み込み量を計測し、コントローラ2に検出信号を入力す
る変位量センサ(例えば、リニアゲージ)7が配設され
ている。
塑性流動しやすい低硬度被覆層(例えば、銅被覆層)6
a’が形成された高硬度材料(例えば、高硬度鋼材)6
aと、作業台5に載置された低硬度材料(例えば、アル
ミニウム材)6bと、高硬度材料6aと超音波工具4と
の間に配された他の低硬度材料(例えば、銅材)6cと
からなる。ここで、低硬度被覆層6a’の厚さは、5〜
10μm程度に設定されている。また、他の低硬度材料
6cの厚さは、少なくともスリップ防止用ローレット4
aの深さ以上に設定され、また、その硬度は、塑性流動
しやすく、転写しにくい純銅相当の硬度(HV 50〜1
10)に設定されている。
を図3に基づいて説明する。
材料6c、低硬度被覆層6a’が形成された高硬度材料
6a及び他の低硬度材料6cを載置し、超音波工具4を
他の低硬度材料6cに当接させる。そして、超音波工具
4に下方への一定の圧力Pを加えながら超音波振動子3
に電源を供給開始し、電源の出力を図3に示すように増
大させてゆく。電源の供給を受けると超音波振動子3は
横振動を開始し、同時にその先端の超音波工具4も横振
動を開始する。この超音波工具4の横振動により、超音
波工具4のローレット4aは徐々に他の低硬度材料6c
に喰い込んでゆき、超音波工具4は他の低硬度材料6c
をグリップするようになる(図4参照)。このとき、グ
リップによるローレット4aの喰い込みは、その形状、
加圧力によって異なり、バランスのとれた所で止まる。
この高さは、好ましくはローレット4aの高さの半分よ
り深く、最大、ローレット4aの高さまでがよい。この
グリップにより、その後、他の低硬度材料6cは、超音
波工具4と一体となって横振動する。
したように他の低硬度材料6cの厚さがローレット4a
の深さ以上に設定されていることから、ローレット4a
が他の低硬度材料6c及び低硬度被覆層6a’を突き破
って高硬度材料6aに直接接触する不具合は生じない。
従って、グリップ後は、超音波工具4の横振動は、上記
のように超音波工具4と一体化された他の低硬度材料6
cの横振動となって低硬度被覆層6a’に伝達され、他
の低硬度材料6cと低硬度被覆層6a’とが接合され、
さらに、低硬度被覆層6a’と低硬度材料6bとが接合
されてゆく。
込み量が所定値(制御変位)Lに達したとき、電源の供
給を停止し、超音波工具4の横振動を停止させる。
ローラ2は、電源供給開始から所定時間T0 (例えば、
0.2〜0.3秒程度)経過した時点t0 から、変位量
センサ7からの検出信号に基づいて、溶接の進行に伴い
下降してゆく超音波振動子3の上下方向位置の移動量、
換言すると、接合部材6の接合部における沈み込み量を
計測開始し、沈み込み量が所定値(制御変位)Lに達し
た時点t1 で、電源の供給を停止し、超音波工具4の横
振動を停止させる。
時間T0 経過後に沈み込み量の計測を開始するようにし
た理由について説明する。
波工具4と高硬度材料6aとの間に配するようにしてい
る。このため、従来からの一般的な超音波溶接方法のよ
うに、電源供給開始から直ちに沈み込み量の計測を開始
すると、ローレット4aの他の低硬度材料6cへの喰い
込み量その他接合界面に直接関与しない沈み込み量Le
(図3)が、接合界面に直接関与する沈み込み量の所定
値(制御変位)Lに含まれてしまうことになり、正確な
制御変位Lを得られず、接合強度が不足してしまう。
他の低硬度材料6cへの喰い込みは、電源供給開始から
初期の段階で終了し、その後に、接合部材6の接合が開
始することが実験的に判明した。
所定時間T0 が経過するまでは、ローレット4aの喰い
込みその他接合部材6の反り、変形等を見込んで沈み込
み量を計測しないようにし、所定時間T0 が経過した時
点t0 で、沈み込み量を計測開始するようにしたのであ
る。
込み量のみの計測が可能となり、正確な制御変位Lを得
て、十分な接合強度を得ることが可能となる。
波溶接方法における制御方法を示している。
第1の所定時間T1 が経過した時点t2 で電源供給を停
止し、この電源供給停止時点t2 から更に第2の所定時
間T 2 が経過した時点t3 で電源供給を再開するととも
に沈み込み量を計測開始し、沈み込み量が所定値(制御
変位)Lに達した時点t4 で電源供給を停止するよう構
成されている。ここで、第1の所定時間T1 の期間は、
ローレット4aの喰い込みその他による接合界面に直接
関与しない沈み込み量Le を排除するための予備発振期
間に対応し、また、第2の所定時間T2 の期間は、振動
により発熱した接合部材6を冷却させ常温時の状態に出
来る限り近づけるための休止期間に対応し、また、時点
t3 から時点t4 までの第3の期間T3 は、接合部材6
の接合を行う本溶接期間に対応している。
り、上述した実施例と同様、接合界面に直接関与する沈
み込み量のみの計測が可能になることは勿論のこと、さ
らに、休止期間を設け休止期間経過後に本溶接を行うよ
うにしたことにより、振動により発熱した接合部材6が
冷却されるようになり、このため接合部材6の常温時の
状態から本溶接を行う通常の溶接に近似した溶接を実現
可能になる。
と他の低硬度材料6cとを入れ替えて作業台5に載置し
上記のような溶接を行う場合にも、同様の効果を得るこ
とが期待できる。
施するための装置の概念図
おける制御方法を示す図
Claims (4)
- 【請求項1】 高硬度材料と低硬度材料とを超音波溶接
する異種金属の超音波溶接方法において、 前記高硬度材料と超音波工具との間に、他の低硬度材料
を挿入し、該他の低硬度材料、前記高硬度材料及び前記
低硬度材料からなる接合部材を同時に超音波溶接するこ
とを特徴とする異種金属の超音波溶接方法。 - 【請求項2】 前記高硬度材料は、表面に低硬度被覆層
が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の異
種金属の超音波溶接方法。 - 【請求項3】 前記超音波工具が振動を開始してから所
定時間が経過した時点で、前記接合部材の沈み込み量を
計測開始し、該沈み込み量が所定値に達した時点で、前
記振動を停止することを特徴とする請求項1又は2に記
載の異種金属の超音波溶接方法。 - 【請求項4】 前記超音波工具が振動を開始してから第
1の所定時間が経過した時点で、前記振動を停止し、該
振動停止時点から第2の所定時間が経過した時点で、再
び振動を開始するとともに前記接合部材の沈み込み量を
計測開始し、該沈み込み量が所定値に達した時点で、前
記振動を停止することを特徴とする請求項1又は2に記
載の異種金属の超音波溶接方法。
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