(57)【要約】【課題】超音波圧接後の接合部の表層部に大きな変形を生じることなく、凝着（スティッキング）がなく、連続接合により健全且つ信頼性のある強固な接合部を得ることを可能とし、とくにアルミニウム板と鋼板との接合に好適な超音波圧接方法を提供する。【解決手段】重ね合わせたアルミニウム板と鋼板とを接合母材として超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に配置し超音波圧接する方法であって、チップと接合母材および／またはアンビルと接合母材の間に炭素質のシートを介挿して超音波を与えることにより前記重ね合わせた金属板を接合する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わせたアルミニウム（アルミニウム合金を含む、以下同じ）板と鋼板を接合母材として超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に配置し超音波圧接する方法であって、チップと接合母材および／またはアンビルと接合母材の間に炭素質のシートを介挿して超音波を与えることにより前記重ね合わせたアルミニウム板と鋼板とを接合することを特徴とする超音波圧接方法。
【請求項２】
超音波を与えることによりアルミニウム板の溶融点以上で鋼板の溶融点未満の温度に加熱し、アルミニウム板と鋼板とを接合することをことを特徴とする請求項１記載の超音波圧接方法。
【請求項３】
重ね合わせたアルミニウム板と鋼板を超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に、アルミニウム板がアンビル側に鋼板がチップ側になるよう配置してアルミニウム板と鋼板とを超音波接合することを特徴とする請求項１または２記載の超音波圧接方法。
【請求項４】
前記炭素質のシートが、アルミニウム板の融点より高い融点をそなえ、チップまたはアンビルの加圧により容易に変形し得るものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波圧接方法。
【請求項５】
チップおよび／またはアンビルの、炭素質のシートとの接触面に閉空間の凹部を設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波圧接方法、とくに、アルミニウム板と鋼板との接合に好適な超音波圧接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波圧接法は、図１に概略を示すように、超音波圧接装置のチップ（音極）１とアンビル（反射極）２との間に、重ね合わせた接合母材Ｍ１  、Ｍ２  を配置し、接合母材Ｍ１  、Ｍ２  の接触面を加圧力Ｐで加圧した状態で、チップ１に超音波を与えて接触部Ｃを圧接し、接合母材Ｍ１  、Ｍ２  を接合するものである。
【０００３】
すなわち、超音波発振器３からの電気的エネルギーを、振動子４で機械的振動エネルギーに変換し、この振動エネルギーをチップ１に伝え、接合部材Ｍ１  、Ｍ２  の接触部Ｃに振動振幅ξを与える。これによって、接触面ですべりが生じ、塑性流動と摩擦熱により接触部Ｃの温度が上昇する。
【０００４】
一般に、超音波圧接の接合原理は、接合初期の段階で、接合母材界面への加圧による圧縮変形で接合界面の酸化皮膜や油膜（汚れ）を破壊し、且つ振動による接合母材同士の相対移動で破壊した酸化皮膜や油膜を周縁部へ追い出し、さらに振動エネルギーを界面に与えることによって、酸化皮膜などが完全に除去されて新生面が出現し、振動による接合界面の相対移動によって摩擦発熱を生じ、接合界面を活性化させて固相接合が完成する。
【０００５】
このため、とくにアルミニウム板と鋼板の接合など、異種金属の接合においては、加振する側に硬い材料を配置した方が接合界面に振動エネルギーを与え易く、摩擦発熱を効果的に生ぜしめ、金属結合が促進されるが、振動エネルギーを接合界面にだけに効果的に付与するためには、超音波圧接装置のチップ１とアンビル２との間に、重ね合わせた接合母材Ｍ１  、Ｍ２  を配置して振動エネルギーを与えるに際し、チップ１と接合部材Ｍ１  およびアンビル２と接合母材Ｍ２  とが、共に強固にグリップされ、固着されていることが重要であり、グリップが十分でない場合には、チップ１と接合母材Ｍ１  アンビル２と接合母材Ｍ２  との間に接合が生じるという問題もあり、超音波スポット圧接などによるアルミニウム板と鋼板との接合において、十分な強度を有する信頼性のある継ぎ手を形成するには多くの問題が残されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
アルミニウム板と鋼板との超音波圧接における上記の問題を解決するために、例えば、チップやアンビルと接合母材が互いに滑らないようにチップで接合母材を強く加圧したり、チップやアンビルの先端の加圧面に滑り止め防止用の凹凸を設けることが行われているが、このような手法においては、接合部の表層部の変形が大きくなって外観を損ねたり、接合部位の板厚が局部的に減少することにより接合強度が低下するという問題があり、また、加圧力を大きくすると、接合母材の一部がチップやアンビルに凝着したり、接合母材側にチップやアンビルの一部が凝着して欠損を生じ、チップやアンビルの耐久性が低下して連続打点性が低下するという難点もある。
【０００７】
凝着防止策（スティッキング対策）として、チップと接合母材との間に厚さ０．１ｍｍ程度の薄いスティール箔を挿入する方法（例えば、特許文献１参照）もあるが、スティール箔の供給が困難であるとともに、自動化し難く連続接合がし難いという問題があり、チップやアンビルに超硬合金やセラミックスなどを適用して凝着防止を図る手法も提案されているが、コスト高となるとともに、チップ先端部を焼嵌めや圧入により製作しなければならないという製作上の問題もある。窒化ボロン粉末などの離型剤の使用も、超音波振動で吹き飛んでしまうため十分な効果を得ることができない。また、チップあるいはアンビルの被溶接物との接触面に、ダイヤモンドライクカーボンをコーティングする方法（例えば、特許文献２参照）もあるが、チップあるいはアンビルとダイヤモンドライクカーボンとの熱膨張差により、ダイヤモンドライクカーボンが割れやすいとともに、コスト高となる難点があった。
【０００８】
【非特許文献１】
軽金属溶接、Ｖｏｌ．１８（１９８０）、Ｎｏ．５、２３３〜２３５頁
【特許文献１】
特開２００２−９６１８０号公報（従来の技術）
【特許文献２】
特開２００１−２０５４５２号公報（請求項２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、超音波圧接、とくにアルミニウム板と鋼板との超音波圧接における上記従来の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、超音波圧接後の接合部の表層部に大きな変形を生じることなく、凝着がなく、連続接合により健全且つ信頼性のある強固な接合部を得ることを可能とする超音波圧接方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の請求項１による超音波圧接方法は、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板を接合母材として超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に配置し超音波圧接する方法であって、チップと接合母材および／またはアンビルと接合母材の間に炭素質のシートを介挿して超音波を与えることにより前記重ね合わせたアルミニウム板と鋼板とを接合することを特徴とする。
【００１１】
請求項２による超音波圧接方法は、請求項１において、超音波を与えることによりアルミニウム板の溶融点以上で鋼板の溶融点未満の温度に加熱し、アルミニウム板と鋼板とを接合することをことを特徴とする。
【００１２】
請求項３による超音波圧接方法は、請求項１または２において、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板を超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に、アルミニウム板がアンビル側に鋼板がチップ側になるよう配置してアルミニウム板と鋼板とを超音波接合することを特徴とする。
【００１３】
請求項４による超音波圧接方法は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記炭素質のシートが、アルミニウム板の融点より高い融点をそなえ、チップまたはアンビルの加圧により容易に変形し得るものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項５による超音波圧接方法は、請求項１〜４のいずれかにおいて、チップおよび／またはアンビルの、炭素質のシートとの接触面に閉空間の凹部を設けることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、図１に示す超音波圧接装置のチップ１とアンビル２の間に、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板とを接合母材として配置し超音波圧接する方法であり、チップ１と接合母材Ｍ１  およびアンビル２と接合母材Ｍ２  の間、またはチップ１と接合母材Ｍ１  、アンビル２と接合母材Ｍ２  の間の一方、一方の場合には好ましくは、図２に示すように、チップ１と接合母材Ｍ１  （図２においては、Ｍ１  は鋼板）の間に炭素質のシートＳを介挿して超音波を与えることにより重ね合わせた接合母材Ｍ２  （アルミニウム板）と接合母材Ｍ１  （鋼板）とを接合する。
【００１６】
アルミニウム合金板としては、例えば、５０００系アルミニウム合金板、６０００系アルミニウム合金板などが適用され、鋼板としては、例えば、亜鉛めっき防錆鋼板、軟鋼板などが適用される。炭素質のシートとしては、例えば、厚さが０．１〜１．５ｍｍの黒鉛シート、Ｃ／Ｃコンポジットなどが使用される。炭素質のシートの厚さが０．１ｍｍ未満では超音波接合の際に破れ易く、１．５ｍｍを越えると接合部の表面層の変形防止、凝着防止、連続接合性付与に対する効果が飽和する。炭素質のシートのさらに好ましい厚さは０．２〜１．０ｍｍの範囲である。
【００１７】
炭素質のシートを配置して加圧することにより、炭素質のシートは、チップまたはアンビルの加圧により容易に変形してチップ、アンビルと強固にグリップされて一体化し、この状態で超音波による振動エネルギーを与えることによって、一体化したチップ、アンビルと炭素質のシートが、接合母材面を加圧しながら接合母材面上を滑り、その結果として摩擦熱が発生する。この摩擦熱が熱伝導により接合界面に伝達され、界面は加圧状態で間接的に加熱されることにより圧接される。
【００１８】
また、炭素質のシートは、固形潤滑性に優れているため、シートと接合母材との摩擦抵抗が減少し、超音波を与えると、一体化したチップまたはアンビルとシートがシートと接している接合母材の表層部を加圧しながら表層部上を滑るから、接合母材に板厚減少を伴うような著しい変形を生じることなく、接合母材の表層部において摩擦熱が効果的に発生する。
【００１９】
この摩擦熱が熱伝導により接合界面に伝達され、接合界面は加圧状態で間接的に加熱されるから、接合部位に変形を伴うことなしに健全で且つ強固な接合が達成される。さらに、チップまたはアンビルと接合母材との間に炭素質のシートがあるため、このシートが離型剤としての効果を永続的に発揮するから、チップやアンビルと接合母材との凝着（スティッキング）が効果的に防止され、連続打点性が改善される。
【００２０】
炭素質のシートとチップ、アンビルとを強固にグリップして一体化するために、チップ、アンビルの炭素質のシートとの接触面に、図２に示すように、閉空間の凹部５を設けるのが好ましい。凹部としては、溝、ディンプル、凹凸状のクロスハッチ模様などの幾何学的模様を適用することができる。チップ、アンビルの潤滑性シートとの接触面に閉空間の凹部を設けることにより、加圧時に潤滑性シートの一部は、図３に示すように、チップやアンビルに設けられた凹部に入り込み、チップ、アンビルと一体化し易くなる。
【００２１】
本発明は、鋼板とアルミニウム板との接合に好適に用いることができ、この場合には、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板を超音波圧接装置のチップとアンビルとの間に、アルミニウム板がアンビル側に鋼板がチップ側になるよう配置するのが好ましく、接合に際しては、超音波の周波数、出力、押込量、圧接時間などの圧接条件を調整することにより、接触部Ｃ（図２〜３）をアルミニウム板の溶融点以上で鋼板の溶融点未満の温度、さらに好ましくは、アルミニウム板の溶融点以上で鋼板のＡ１変態点以下の温度に加熱する。
【００２２】
好ましい実施態様としては、超音波の周波数を１０〜３０ｋＨｚに設定し、図３に示すように、チップ１側（超音波入力側）に鋼板が配設され、アンビル２側（反射極側）にアルミニウム板が配設されるよう接合母材をセットし、チップ１下方の炭素質のシートＳと接合母材Ｍ１  （鋼板）の接触部６を摩擦熱で発熱させ、接触部Ｃの温度をアルミニウムの溶融点以上、鋼板のＡ１変態点以下にして、スポット溶接のように加圧力Ｐで圧接すると、ナゲットの形成により接合部が得られる。
【００２３】
加圧力Ｐは、例えば、チップ１の先端部の直径が４〜１０ｍｍの場合には、０．０５〜２．５ＭＰａとするのが好ましい。０．０５ＭＰａ未満では、チップと炭素質のシートとの間に滑りが生じ易く、グリップ力が小さくなり、２．５ＭＰａを越えると、加圧力が大き過ぎて炭素質のシートが破れ易くなる。さらに好ましい加圧力は０．１〜１．２ＭＰａの範囲である。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。なお、これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
【００２５】
実施例１
アルミニウム板として５０８３合金板（調質：Ｏ材、厚さ：１ｍｍ）、６Ｎ０１合金板（調質：Ｔ４材、厚さ：１．０ｍｍ）、鋼板として防錆鋼板（厚さ：０．７ｍｍ）、軟鋼板（厚さ：０．７ｍｍ）を使用し、これらの接合母材を組み合わせ、チップ１側においては、図２に示すように、黒鉛シート（厚さ：０．２ｍｍ）を介して接合母材が配設されるようセットし、表１に示す圧接条件で接合部を形成した。なお、超音波圧接装置としては、ソノボンド（ｓｏｎｏｂｏｎｄ）社製ＭＨ−２０２５（出力２．５ｋＷ、周波数２０ｋＨｚ）を使用した。
【００２６】
得られた継手（試験材）について、接合部におけるチップ側の接合母材表面の変形量を測定し、凝着（スティッキング）の有無を観察し、変形量が０．２ｍｍ以下で凝着が無いもの（○）は連続打点性良好（○）で、総合評価も良好（○）とした。結果を表２に示す。
【００２７】
表２にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜６は、いずれもチップ側の接合母材表面の変形量が０．２ｍｍ以下で凝着が無く、連続打点性にも優れているものと認められた。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【表２】
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【００３０】
比較例１
アルミニウム板として６Ｎ０１合金板（調質：Ｔ４材、厚さ：１．０ｍｍ）、鋼板として防錆鋼板（厚さ：０．７ｍｍ）を使用し、これらの板材を組み合わせて、チップ側に鋼板、アンビル側にアルミニウム板が配設されるよう、実施例１と同一の超音波圧接装置にセットし、表３に示す圧接条件で接合部を形成した。なお、チップ側においては、実施例１の黒鉛シートに代えて、表４に示すものを介挿した。
【００３１】
得られた継手（試験材）について、接合部におけるチップ側の接合母材表面の変形量を測定し、凝着（スティッキング）の有無を観察し、変形量が０．２ｍｍ以下で凝着が無いもの（○）は連続打点性良好（○）で、総合評価も良好（○）、変形量は少ないが凝着が時々発生するもの（△）は連続打点性やや良好（△）で、総合評価もやや良好（△）、凝着が常時発生するもの（×）は連続打点性不良（×）で、総合評価も不良（×）とした。結果を表４に示す。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
【表４】
2004268069.tif 000006
【００３４】
表４に示すように、チップ側に窒化ボロン粉末を介挿させた試験材Ｎｏ．５はチップ側の接合母材（鋼板）の変形量が大きく、時々凝着が発生した。ベークライトシートを介挿させた試験材Ｎｏ．６、フッ素樹脂シートを介挿させた試験材Ｎｏ．７、塩化ビニールシートを介挿させた試験材Ｎｏ．８はいずれもチップ側の接合母材（鋼板）の変形量が大きく、凝着が発生した。鉄箔を介挿させた試験材Ｎｏ．９、ステンレス鋼箔を介挿させた試験材Ｎｏ．１０、アルミニウム箔を介挿させた試験材Ｎｏ．１１は、いずれも時々凝着が発生し、総合評価において劣っている。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波圧接後の接合部の表層部に大きな変形を生じることなく、凝着（スティッキング）がなく、連続接合により健全且つ信頼性のある強固な接合部を得ることを可能とし、とくにアルミニウム板と鋼板との接合に好適な超音波圧接方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波圧接方法を実施するための装置の概略図である。
【図２】本発明の超音波圧接方法における接合母材の配置の実施例を示す一部概略側面図である。
【図３】炭素質のシートとの接触面に閉空間の凹部を設けたチップを用いた本発明の超音波接合方法の実施例を示す一部概略側面図である。
【符号の説明】
１  チップ（音極）
２  アンビル（反射極）
３  超音波発振器
４  振動子
５  凹部
６  チップ下方の炭素質のシートと接合母材との接触部
Ｍ１  接合母材
Ｍ２  接合母材
Ｓ  炭素質のシート
Ｃ  接合母材Ｍ１  と接合母材Ｍ２  との接触部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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