(57)【要約】【課題】  接合界面にＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物が生成せず、安定して高い接合強度の接合体を得ることができるアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法を提供する。【解決手段】  アルミニウム材と鋼材とを超音波接合装置を使用して接合する超音波接合方法において、前記アルミニウム材として、鋼材との接合面における表面粗さ規格（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）の算術平均高さＲａが０．７９乃至１．５９μｍのものを使用し、アルミニウム材１を超音波接合装置のホーンに直結されたチップ５側に配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材と鋼材とを超音波接合装置を使用して接合する超音波接合方法において、前記アルミニウム材として、鋼材との接合面における表面粗さ規格（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）の算術平均高さＲａが０．７９乃至１．５９μｍのものを使用することを特徴とするアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法。
【請求項２】
前記アルミニウム材を前記超音波接合装置のホーンに直結されたチップ側に配置し、前記鋼材を前記チップに対向するアンビル側に配置して超音波接合することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金材（以下、総称してアルミニウム材という）と鋼材とを接合して高強度の接合体を得ることができるアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム材は軽量で美観に優れており、例えば輸送機等の軽量化のための材料として使用される。なかでもアルミニウム材を強度及び成形性が優れた鋼材と組み合わせたハイブリッド構造のものが注目されている。
【０００３】
しかし、アルミニウム材と鋼材のような異種金属を接合する場合、鋼材同士の接合において従来から採用されている各種の溶接技術をそのまま適用することは困難である。例えば、抵抗スポット溶接をアルミニウム材と鋼材との接合に適用した場合、アルミニウム材は導電性が良いので、加圧、通電後の両材の接合界面に脆弱な金属間化合物が形成されてしまう。このため、アルミニウム材と鋼材との接合部分は界面剥離し易く、十分な接合品質を得ることができないという問題点があった。
【０００４】
そこで、抵抗スポット溶接に代わり、超音波接合によりこれらの異種金属を接合する方法が提案された。
【０００５】
すなわち、異種材料である鉄部材とアルミニウム部材との接合部分について、接合強度を損なうことなく充分な防錆処理を施すことを目的として、鉄部材のアルミニウム材との接合面にフラックスを塗布した後、溶融亜鉛めっきを施し、この亜鉛めっき膜にアルミニウム材の接合面を当接させて超音波接合し、その後、両部材の接合部分にクロメート処理を施す鉄部材とアルミニウム部材との接合処理方法が提案されている（特許文献１、段落００１０乃至００１３、図１乃至図５）。また、めっき処理を行うことなく、めっきを行う接合法と同等の接合強度を得ることを目的として、アルミニウムとは異なる部材のアルミニウム材との接合面の酸化膜を酸洗浄した後、はんだ浴中で超音波を印加して接合表面にはんだ層を形成し、一方、アルミニウム材の異種材料との接合面に同様にしてはんだ層を形成し、両部材のはんだ層同士を突合せ、加圧しながら超音波接合するアルミニウムと異種材料との接合方法が提案されている（特許文献２、段落００１２乃至００１５、図１乃至図５）。
【０００６】
更に、超音波振動を利用して金属を溶融させることなく固相接合する技術が開示されており、異種金属間での接合の可能性が期待されている（非特許文献１、第１９頁乃至２４頁）。なお、これら以外にも、例えば濡れ性を良好にするために、超音波振動を利用してハンダ接合する技術が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２０２６４３号公報
【特許文献２】特開平１０−０７１４６５号公報
【非特許文献１】軽金属溶接Ｖｏｌ．３７（１９９９）Ｎｏ．１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術は、超音波接合に関して最適な接合条件を開示するものではなく、良好に接合することができないか、又は接合できても十分な接合強度が得られないという問題点があった。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、接合界面にＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物が生成せず、安定して高い接合強度の接合体が得られるアルミニウム材と鋼材との超音波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】
【００１０】
本願発明に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法は、アルミニウム材と鋼材とを超音波接合装置を使用して接合する超音波接合方法において、前記アルミニウム材として、鋼材との接合面における表面粗さ規格（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）の算術平均高さＲａが０．７９乃至１．５９μｍのものを使用することを特徴とする。
【００１１】
この超音波接合方法において、アルミニウム材を超音波接合装置のホーンに直結されたチップ側に配置し、鋼材を前記チップに対向するアンビル側に配置して超音波接合することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法によれば、溶接フラクッス等の特別な消耗品を使用することなく、しかも接合界面にＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物を生成させることなく、異種材料であるアルミニウム材と鋼材とを強力に接合して接合強度の高い接合体を得ることができる。またこの超音波接合方法において、アルミニウム材を超音波接合装置のホーンに直結されたチップ側に配置して接合することにより、接合に要するエネルギーを節約することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法について図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法を示す模式図である。本発明方法に使用される超音波接合装置は、水平姿勢に固定され設置されたアンビル６と、図示省略されたホーンに直結され水平方向に超音波振動（Ｓ）するチップ５とを有している。この超音波接合装置は被接合材である二種類の部材をチップ５とアンビル６との間に挟んで加圧し、これに超音波を与えて図１のＳ方向に振動させる。
【００１４】
このような構成の装置において、アルミニウム材３と鋼材１をその接合面で接合して接合体４とし、この接合体４をチップ５とアンビル６との間に配置する。このとき、アルミニウム材３として、鋼材１との接合面における表面粗さ規格（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）の算術平均高さＲａが０．７９乃至１．５９μｍのものを使用する。
【００１５】
表面粗さ規格（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）における算術平均高さＲａとは、図２に示したように、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の方向にＸ軸、縦倍率の方向にＹ軸を、下記数式１で表した時に、下記数式２によって求められる値をいう。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
【数２】
2005254324.tif 000004
【００１８】
算術平均高さＲａを０．７９乃至１．５９μｍとすることにより、アルミニウム材３が局所的に塑性変形することによってその表面酸化膜が破壊され、より活性の高い金属面同士の接触が可能となる。このため、超音波接合初期の新生金属面同士の拡散が促進され、接合強度が高くなる。
【００１９】
算術平均高さＲａが０．７９μｍよりも小さいと局部的な塑性変形が起こりにくく、アルミニウム材３の表面酸化膜が破壊されないので、接合初期の新生金属面同士の拡散を促進させることができず十分な接合強度が得られない。一方、算術平均高さＲａが１．５９μｍを超えると摩擦抵抗が大きくなるので、接合に際して必要以上の大きな振動エネルギーが必要となる。
【００２０】
このときアルミニウム材３を、超音波接合装置のホーン（図示省略）に直結されたチップ５側に配置することが好ましい。これによって、アルミニウム材３は鋼材１に比べて計量であるために、振動の際に抵抗となる慣性力が少なくて済み、接合エネルギーが少なくなる。
【００２１】
チップ５とアンビル６との間に配置された積層体４に対し、チップ５を介してアルミニウム材３と鋼材１との接合面に垂直の加圧力Ｐを印加し、前記チップ５を水平方向に超音波振動（Ｓ）させ、チップ５と共にアルミニウム材３を高い振動加速度で超音波振動させる。超音波振動するアルミニウム材３とアンビル６に固定された鋼材１との間の摩擦力により熱が発生し、接合界面において原子移動が促進され、鋼材１のＦｅ原子のアルミニウム材３への拡散が生じる。これによって、接合界面においてアルミニウム材３と鋼材１とが固相接合する。
【００２２】
本実施形態に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法によれば、アルミニウム材３の鋼材１との接合面における表面粗さ規格（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）の算術平均高さＲａを０．７９乃至１．５９μｍとすることにより、溶接フラックス等の消耗品を使用することなく、異種材料であるアルミニウム材３と鋼材１とを接合して高強度の接合体を得ることができる。また、接合時のアルミニウム材３を超音波接合装置におけるチップ５側に配置することにより、材料間の原子拡散が促進され必要最小限のエネルギーによって、接合強度の高い接合体をことができる。
【００２３】
超音波接合は固相接合の一種であり、接合界面に対して垂直の方向の加圧による応力と接合界面に平行な方向の高い振動加速度による繰返し応力とを与えて接合界面に摩擦熱を発生させ、被溶接材の原子の移動を促し、拡散させて接合する方法である。従って、超音波振動を効率よく部材間に与えるために、上側部材であるアルミニウム材３とチップ５及び下側部材である鋼材１とアンビル６を夫々堅く固定することが好ましい。チップ５は、例えば２０〜４０ｋＨｓで周波数振動する。周波数は対象となるワークの材質、硬度、板圧、接合面積、要求硬度などによって適宜選択される。
【００２４】
本実施形態で使用する超音波接合装置は、特に限定されるものではなく、同様の作用効果を奏する種々の形態のものを使用することができる。
【実施例】
【００２５】
以下、特許請求の範囲を満たす実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。図１に示した超音波接合装置を使用し、鋼材との接合面を研磨して夫々下記表１に示した算術平均高さ（Ｒａ）に調整したＡＡ６０２２合金（Ａｌ−１．２質量％Ｓｉ−０．６質量％Ｍｇ−０．５質量％Ｃｕ−０．１質量％Ｆｅ−０．０５質量％Ｍｎ）の板厚１ｍｍの板材をアルミニウム材として使用し、鋼材として板厚０．８ｍｍのＳＰＣＥ鋼板を使用し、チップ側に夫々表１に示した接合材を配置し、加圧力を５００Ｎ、振動周波数を２０ｋＨｓ、振幅を２０μｍ、接合時間を０．２３ｓｅｃとして夫々アルミニウム材と鋼材とを超音波接合した。
【００２６】
必要振動エネルギー（Ｊ）等の接合条件及び得られた接合体のＵ字継手引張試験における接合強度（Ｎ）をまとめて表１に示した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
ここで、Ｕ字継手引張試験とは、スポット溶接継手の引張試験方法（ＪＩＳ  Ｚ  ３１３７）のＵ字引張試験に準拠するもので、超音波接合後各々の材料端部をＵの字に曲げて引張試験装置のチャック部に挟み込んで引張り試験する方法をいい、その接合強度とは、１点当たりの引張荷重のことをいう。
【００２９】
表１において、実施例１乃至３は、表面粗さ規格（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）における算術平均高さＲａが本発明の範囲内にあるので、接合強度が３５０Ｎ以上の高強度の接合体が得られた。これに対し、比較例１乃至４は、算術平均高さＲａが本発明の範囲内にないので、十分な接合強度の接合体を得ることができなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
アルミニウム材の鋼材との接合面における表面粗さ規格の算術平均高さＲａを所定範囲に規定することにより、溶接フラックス等の消耗品を使用することなく、アルミニウム材と鋼材とを高強度に接合することができる本発明の超音波接合方法は異種材料接合分野で特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るアルミニウム材と鋼材との超音波接合方法を示す模式図である。
【図２】ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１の表面粗さにおける算術平均高さＲａを示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１：鋼材
３：アルミニウム材
４：積層体
５：チップ
６：アンビル
７：加圧力
８：超音波振動
【図１】
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【図２】
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