(57)【要約】【課題】異種材の超音波接合方法において、被接合材と工具とのずれを防止し、接合強度を向上できる接合方法を提供する。【解決手段】本発明は、複数の被接合材が積層された被接合体に対して、加圧状態下で超音波振動を付与することにより、前記被接合材を接合する超音波接合方法であって、前記超音波振動を発生する工具側には、複数の前記被接合材のうち相対的に低い降伏強度または０．２％耐力を有する材料からなる前記被接合材を配置して、前記超音波振動を付与する、超音波接合方法である。前記被接合材の少なくとも一方がステンレス鋼であると好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合材が積層された被接合体に対して、加圧状態下で超音波振動を付与することにより、前記被接合材を接合する超音波接合方法であって、
前記超音波振動を発生する工具側には、複数の前記被接合材のうち相対的に低い降伏強度または０．２％耐力を有する材料からなる前記被接合材を配置して、前記超音波振動を付与する、超音波接合方法。
【請求項２】
前記被接合材の少なくとも一方がステンレス鋼である、請求項１記載の超音波接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の被接合材を接合する超音波接合方法に関する。とくに異なる材料からなる被接合材を接合するのに適した超音波接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
異種材接合を可能とする接合方法として、レーザー溶接、かしめ接合が注目されている。しかし、これらの接合方法は、熱影響や意匠性の観点で課題が残されている。他方、新たな異種材接合を可能とする技術として、超音波を用いた接合技術が着目されている。
【０００３】
一般に、超音波接合は、接触面に圧力を加えて振動させることにより、界面に存在する吸着分子や酸化層などの不活性層を超音波による摩擦で除去し、更に金属新生面同士を直接接触させた状態で摩擦による昇温がなされるため、界面で成分が拡散し接合できる方法である。図６に示すように、２枚の被接合材を重ねて、超音波接合装置の工具で挟持される。下側に位置する下板４には、超音波接合装置の工具２（アンビル）で支持される。上側に位置する上板３に対して超音波振動する工具１（ホーン）を配置し、接合の際は、上
板３および下板４を加圧しながら、ホーン１から超音波振動が接合箇所へ伝達される。ホーン１が左右に振動すると、ホーン１の動きに伴って反力８が発生し、当該反力８により接合箇所で摩擦が起きる。この摩擦の発熱によって加熱域５が形成され、被接合材同士の接触界面で拡散やアンカー効果が発生することで接合される。このように所定時間で超音波振動が付与された後、上板３と下板４は、接合される。
【０００４】
超音波による加振力を被接合材の界面に安定的に作用させるため、超音波を加えたときに工具と被接合材とのずれが少ないことが望まれる。特許文献１は、硬質材と軟質材との超音波接合において、被接合材に接する工具と被接合材とのずれを防止するため、被接合材に対応した凸部を有する工具の使用が提案されている。しかし、特許文献１の方法を適用すると、超音波接合を繰り返すにつれて、工具先端の磨耗により被接合材との接触条件を変動するため、接合条件にばらつきが生じる可能性がある。また、多種多様な材料に応じた多種の工具を準備する必要があるので、製造コストを要するという課題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１２６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するために案出されたものであり、異種材の超音波接合方法において、被接合材と工具とのずれを防止し、接合強度を向上できる接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、超音波振動を付与する際、超音波振動する工具側に配置された被接合材料の機械的性質の程度により、超音波接合後の接合強度が異なることを見出し、本発明の完成に至った。具体的には、本発明は以下のものを提供する。
【０００８】
（１）本発明は、複数の被接合材が積層された被接合体に対して、加圧状態下で超音波振動を付与することにより、前記被接合材を接合する超音波接合方法であって、前記超音波振動を発生する工具側には、複数の前記被接合材のうち相対的に低い降伏強度または０．２％耐力を有する材料からなる前記被接合材を配置して、前記超音波振動を付与する、超音波接合方法である。
【０００９】
（２）本発明は、前記被接合材の少なくとも一方がステンレス鋼である、上記（１）記載の超音波接合方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、異種材で接合された製品の接合強度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例における超音波接合試験の試験材を示す図である。
【図２】実施例における超音波接合された接合強度を示す図である。
【図３】接合強度と接合時間との関係を示す図である。
【図４】接合後の試験体表面の外観を示す図である。
【図５】試験体表面における工具圧痕の断面を示す図である。
【図６】超音波接合の原理を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
【００１３】
本実施形態は、複数の被接合材を超音波振動により接合する超音波接合方法に関して、超音波振動を発生する工具側において、複数の前記被接合材のうち相対的に低い降伏強度を有する材料からなる前記被接合材を配置し、超音波振動を付与させる超音波接合方法である。
【００１４】
（被接合材）
複数の被接合材を重ねて超音波接合装置に装着した場合、超音波振動を発生する工具（以下、「ホーン」と称することもある。）の側には、相対的に降伏強度の低い材料からなる被接合材を配置することが好ましい。このような配置関係のもとで、重ねた被接合体に超音波振動を付与すると、ホーンと被接合材との食い込みによって、ホーンと被接合材との間で滑りが抑制されて、超音波による加振力を被接合材界面へ効果的に伝えることができる。
【００１５】
被接合材については、鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、銅及び銅合金など、種々の金属材料を使用できる。少なくとも一方の被接合材がステンレス鋼であると好ましい。フェライト系、オーステナイト系、マルテンサイト系などのステンレス鋼を使用することが可能であり、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼が好ましい。
【００１６】
（超音波振動）
複数の被接合材が積層された被接合体に対して、加圧状態下で超音波振動を付与することによって被接合体同士が接合される。超音波接合には、周波数が２０ｋＨｚ、振幅が０〜６０μｍ、振動開始時の加圧力が４４〜６００Ｎの条件を使用できる。
【実施例】
【００１７】
（超音波接合試験）
表１に示す成分を有する市販のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４−１／２Ｈ、ＳＵＳ４３０）およびアルミニウム合金（Ａｌ７０７５）を供試材とした。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
供試材の機械的性質（０．２％耐力、引張強さ、伸び）は、表２に示すとおりである。表２に示した圧痕深さは、１枚の試験材に加圧力４００Ｎで工具（ホーン）を接触させた際に形成される圧痕の深さを意味する。当該接触した領域における任意の３箇所で圧痕の深さを測定し、その平均値を示した。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
０．４ｍｍ厚の冷延板から、長さ７５ｍｍ、幅２０ｍｍの試験材を切り出した。表面仕上げは、焼鈍酸洗後、♯４００番のバフ研磨を施した。研磨後の試験材の表面粗さを測定すると、Ｒａ（算術平均粗さ）が約０．０５μｍであった。
【００２２】
超音波接合装置（日本エマソン製）を用いて超音波接合試験を行った。２枚の試験材である上板３、下板４を、図１に示すように、長さ２０ｍｍの部分で重なるように積層させた。図示された接合部１２において、上板側に当該装置のホーン１を接触させるとともに、下板側を当該装置のアンビル２によって支持した。その後、周波数２０ｋＨｚの超音波振動を発生させて、超音波による加振力を試験材の上板３と下板４との界面５付近へ付与することにより、上板３と下板４とを接合した。超音波振動の条件を以下の範囲で変えて超音波接合試験を行った。
【００２３】
・振幅：  ０〜６０（μｍ）
・接合時間：  ０．１〜０．５（ｓ）
・振動開始加圧力：  ６９〜５００（Ｎ）
・振動終了後の加圧ホールドは、無し
【００２４】
試験体１１の上板３と下板４は、超音波接合装置のホーン２とアンビル３とにより接合界面５で接合された。図１に示すように、ホーン２と接触する接触部１２は、上板３と下板４とが重なる部分のほぼ中央に位置し、長手方向に沿って、長さが約５ｍｍ、幅が約１０ｍｍの大きさに相当した。
【００２５】
（接合強度の測定）
接合強度は、ＪＩＳ  Ｚ３１３６に準拠して、剪断引張強度（ＭＰａ）を測定することにより求めた。材料試験機（島津製作所製）を用いて引張速度５ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行い、剪断引張強度を測定した。３個の引張試験片について剪断引張強度を測定し、そのうち最大値を採用した。接合面積は、ホーンの接触部である５ｍｍ×１０ｍｍ＝５０ｍｍ２とした。接合強度に関する測定結果を図２に示す。
【００２６】
（試験体表面および接合界面の観察）
超音波接合した後、試験体の上板および下板のそれぞれが超音波接合装置と接触した表面状態を拡大鏡により観察した。また、試験体を切断し、接合界面付近の状態を顕微鏡で観察した。
【００２７】
（測定結果と評価）
図２は、表１に示す試験材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４からなる上板と下板とを組み合わせた試験体の剪断引張強度（以下、「接合強度」ということもある。）を示したものである。
【００２８】
＜同じ種類の試験材を用いた場合＞
まず、同じ種類の試験材を組み合わせた試験体の接合強度を測定し、接合強度と超音波振幅との関係を調べた。被接合材として、試験材Ｎｏ．１（ＳＵＳ３０４）、試験材Ｎｏ．２（ＳＵＳ４３０）を選択し、上板及び下板をいずれも同じ試験材からなる試験体を用いて、接合時間が０．３秒、振動開始の加圧力が２８０Ｎにより、超音波接合を行った。その振幅は、２８μｍ、３５μｍ、４２μｍ、４９μｍ、５６μｍとした。ＳＵＳ３０４の測定結果は、図２の参考例１（−□−）で示し、ＳＵＳ４３０の測定結果は、図２の参考例２（−○−）の曲線で示した。
【００２９】
図２に示すように、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０の各試験材はいずれも、振幅の増加にともない、その接合強度が増大する傾向を示した。ＳＵＳ４３０の試験材の場合、振幅５６μｍであるときの接合強度が約３０ＭＰａであった。他方、ＳＵＳ３０４の接合強度は、４２μｍを超えると低下し、ピーク値を有するような変化を示した。当該ピーク値の振幅４２μｍであるときのＳＵＳ４３０の接合強度は、ＳＵＳ３０４よりも少し低い値を示した。
【００３０】
次に、接合強度に及ぼす接合時間の影響を調べた。ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０の同種材からなる試験体を用いて、接合時間を変えて得られた接合強度を測定した。振幅を５６μｍ、振動開始の加圧力を２８０Ｎで行い、接合時間は、０．１秒、０．３秒、０．５秒とした。図３に測定結果を示す。図３によると、ＳＵＳ３０４の試験材は、接合時間の増加にともない、接合強度が増大し、０．５秒の接合時間で約１０ＭＰａの接合強度を示した。それに対し、ＳＵＳ４３０の試験材は、接合時間の増加にともない接合強度の増大を示した一方で、約０．３秒を超えると、接合強度が低下する傾向を示した。ＳＵＳ４３０については、一度接合した部分が過大な振動時間により破壊されたものと推測される。
【００３１】
＜異なる種類の試験材を用いた場合＞
次に、異なる種類の試験材を組み合わせた場合の接合強度を測定した。試験体は、表３に示すように、４種類の組み合わせで作製した。いずれも上板の試験材は、異なる材質である一方、下板については、本発明例１、比較例２、比較例３は、いずれもＳＵＳ４３０の試験材を用いた。接合時間及び振動開始加圧力は、上記の同種の試験材による場合と同じ条件で行い、また、振幅については、ＳＵＳ３０４による試験体の接合強度が上記ピーク値を示した４２μｍで行った。測定結果を図２に示す。
【００３２】
比較例１は、上板をＳＵＳ４３０、下板をＳＵＳ３０４とした試験材の組み合わせである。図２に示すように、比較例１は、上述したＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０の同種材からなる試験体（参考例１、参考例２）と同じ程度の接合強度が得られた。それに対し、比較例１の組み合わせと逆の関係になるように、上板をＳＵＳ３０４、下板をＳＵＳ４３０の各試験材で組み合わせた本発明例１は、比較例１の試験体および参考例１、２の同種材からなる試験体よりも高い接合強度を示した。
【００３３】
そこで、試験体の表面を観察した。図４は、振幅５６μ、接合時間０．３秒、振動開始加圧力２８０Ｎの条件下で接合された試験体の上板および下板の表面外観の一例を示したものである。図４の（ａ）は、ＳＵＳ３０４の上板および下板を接合した試験体の例であり、図４の（ｂ）がＳＵＳ４３０の上板および下板を接合した試験体の例である。図４の（ａ）、（ｂ）に示されるように、上板の表面にはホーンの圧痕が残存し、下板の表面にはアンビルの圧痕が残存していた。ホーン側に配置された上板の表面の圧痕によると、ＳＵＳ４３０の圧痕は、ＳＵＳ３０４の圧痕に比べて広がっており、ホーンの滑りが発生していた。
【００３４】
次に、上板における工具圧痕付近の断面を観察した。図５は、振幅５６μｍ、接合時間０．３秒、振動開始加圧４００Ｎの条件下で接合された試験体の一例であり、図５の（ａ）は、ＳＵＳ３０４の上板および下板を接合した試験体の例であり、図５の（ｂ）がＳＵＳ４３０の上板および下板を接合した試験体の例である。図５の（ａ）、（ｂ）に示されるように、ＳＵＳ３０４の試験材は、圧痕の凹凸程度が大きく、ＳＵＳ４３０に比べてホーンの食い込み量が大きいことが分かった。上述したように、ＳＵＳ４３０は、ＳＵＳ３０４に比べて高い０．２％耐力（降伏強度）を有しているため、ホーンの食い込みが浅く、ホーンと試験材との間で滑りが生じて十分な振動を伝えることができなかったと推測される。
【００３５】
以上の試験結果によると、超音波接合を行うに際して、振幅、接合時間、振動開始加圧力等の条件が同じ場合、降伏強度が小さい被接合材は、降伏強度の大きい被接合材に比べてホーンの食い込む程度が大きく、ホーンと被接合材との間のグリップ力が強い。そのため、被接合材へ加振力を効率良く伝えることが可能となり、良好な接合強度が得られると考えられる。
【００３６】
超音波接合する際、超音波振動する工具（ホーン）が上板に接触して加振力が付与される。ホーンと上板との間に滑りが生じると、十分な加振力が接合界面に付与されない可能性がある。表２に示した機械的性質によると、ＳＵＳ３０４は、その０．２％耐力（降伏強度）がＳＵＳ４３０よりも小さい。そのため、本発明例１は、ＳＵＳ３０４の試験材からなる上板が、ＳＵＳ４３０の試験材に比べて、ホーンが適度に食い込むことにより、ホーンと試験材との滑りが抑制されて十分な加振力が付与され、高い接合強度が得られたものと推測される。
【００３７】
他方、ＳＵＳ４３０の試験材は、ＳＵＳ３０４よりも０．２％耐力（降伏強度）が高い材料である。そのため、比較例１は、上板に対するホーンの食い込みが浅くなって、ホーンと試験材との間で滑りが発生し、接合界面に十分な加振力が付与されず、本発明例１よりも低い接合強度を示したと推測される。
【００３８】
上記の結果によると、異種材料の被接合材を用いて超音波接合を行うときは、相対的に低い降伏強度または０．２％耐力を有する材料の被接合材を、超音波を発生させる工具側に配置することが、接合強度の向上に効果的であることが判明した。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
次に、表３に示すように、比較例２、３において、本発明例１と同様に、下板は、ＳＵＳ４３０の試験材を適用する一方で、上板は、ＳＵＳ４３０よりも高い０．２％耐力（降伏強度）を有する異種材料を適用して超音波接合試験を行った。比較例２は、上板が試験材Ｎｏ．３（ＳＵＳ３０４−１／２Ｈ）、比較例３は、上板が試験材Ｎｏ．４（Ａｌ７０７５）である。図２に示すように、比較例２、３の各接合強度は、いずれも本発明例１および比較例１よりも低い数値を示した。
【００４１】
上記の結果によると、相対的に低い降伏強度または０．２％耐力を有する材料の被接合材を、超音波振動する工具側に配置することは、接合強度の向上に効果的であることを確認できた。さらに、表３に示すように、上板の試験材と下板の試験材との０．２％耐力比
（降伏強度比）が大きくなるにつれて、接合強度を低下させる傾向を示すことが分かった。
【符号の説明】
【００４２】
１    工具（ホーン）
２    工具（アンビル）
３    上板
４    下板
５    加熱域
６    加圧
７    超音波振動
８    反力
１１    試験体
１２    接触部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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