(57)【要約】    【課題】  安定して高い接合強度が得られるアルミニウム系材と鋼材との超音波接合用チップ及び接合方法を提供する。    【解決手段】  アルミニウム系材と鋼材の積層体に超音波振動を印加して接合を行うための超音波接合用チップとして、振動方向と直交する方向に湾曲した凸形状となる曲面を有するＲ型電極にしたチップを用いる。これにより、アルミニウム系材と鋼材との超音波接合において、安定した接合強度が得られる。よって、アルミニウム又はアルミニウム系材と鋼系材との異種金属同士の接合を、ろう材又は溶接フラックス等の特別な消耗品を使用せずに低コストで行うことができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わせた被接合材に超音波振動を印加して超音波接合を行うための超音波接合装置用チップにおいて、被接合材と接する面にローレット加工が施されていないことを特徴とする超音波接合用チップ。
【請求項２】
前記チップの先端部が超音波振動方向と直交する断面において湾曲した凸形状となる曲面を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波接合用チップ。
【請求項３】
前記チップの先端部の曲面の曲率半径が３０ｍｍ乃至１５０ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の超音波接合用チップ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のチップを使用することを特徴とする超音波接合方法。
【請求項５】
アルミニウム材又はアルミニウム合金材と鋼材を接合することを特徴とする請求項４に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、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系材という）と、鋼材との異種金属間の超音波接合用チップ及び接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム系材は軽量で美観に優れており、輸送機等の軽量化のための材料として使用されている。特に、アルミニウム系材を強度及び成形性に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、アルミニウム系材と鋼材とを接合する場合、鋼材同士の接合において従来から使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適用した場合、アルミニウム系材と鋼材は熱伝導性及び電気伝導性に大きな差があるため、接合界面に正常なナゲットが形成されない。また、接合界面に脆弱な金属間化合物が形成され、アルミニウム系材と鋼材との接合部分は界面剥離しやすくなり、十分な接合品質が得られない。
【０００４】
前記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ている。超音波接合では、接合界面に対して垂直方向の加圧による応力と、平行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発熱を生じさせる。これにより被溶接材の原子を拡散させて接合する。例えば、特許文献１（特開２０００−２０２６４３号公報）には、鋼材の被接合箇所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系材の被接合箇所を当接させて超音波振動を加え、前記亜鉛めっき膜を溶融させて接合するという方法が開示されている。特許文献１には、これにより、鋼材とアルミニウム系材との接合部に、その接合強度を損なうことなく十分な防錆処理を施すことができると記載されている。
【０００５】
また、特許文献２（特開平１０−７１４６５号公報）には、はんだ層を被接合箇所に形成したアルミニウム材と鋼材を超音波接合する技術が開示されている。
【０００６】
しかしながら、これらの技術には以下に示すような問題点がある。特許文献１においては、アルミニウム系材と鋼材を、亜鉛めっき膜を接着層として接合する。このため、鋼材表面に亜鉛めっきを施す工程が必要となる。特許文献２においても同様であり、はんだ層を形成する工程が余分に必要となる。
【０００７】
これに対して、非特許文献１（軽金属溶接Ｖｏｌ．３７（１９９９）Ｎｏ．１０）には、超音波振動を利用して金属を溶融させずに固相接合する技術が開示されている。ろう材又はフラックスを使用することのない異種金属間での接合の可能性が示唆されている。
【０００８】
図１は、従来の超音波接合装置を示す断面図である。また図４は、従来の超音波接合装置で使用するチップの形状を示した図である。図１に示すように、この超音波接合装置においては、アルミニウム系材２と鋼材１とを重ねて、この積層体３をアンビル５に固定する。そして、チップ４によって、積層体３の接合界面に、垂直方向の加圧力Ｐと水平方向の超音波振動（Ｓ）を印加する。図４に示すように、従来のチップ４ｃの表面６には、材料をしっかり保持して振動がアルミニウム系材２と鋼材１との界面に伝えられるように、ローレット加工と呼ばれる滑り止め加工が施されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２０２６４３号公報
【００１０】
【特許文献２】特開平１０−７１４６５号公報
【００１１】
【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】
【００１２】
しかしながら、前述の従来技術には問題点がある。非特許文献１に異種間金属の接合に超音波接合を適用した具体例の記載はない。また、一般に超音波接合における最適な接合条件及び工具形状は知られていない。従来の工具形状及び接合条件では、十分な接合強度が確保することは困難である。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、安定して高い接合強度が得られるアルミニウム系材と鋼材との超音波接合に用いるチップ及びそれを用いた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】
【００１４】
本発明に係るアルミニウム系材と鋼材との超音波接合用チップは、重ね合わせた被接合材に超音波を印加して超音波接合を行うための超音波接合装置用チップにおいて、被接合材と接する面にローレット加工が施されていないことを特徴とする。
【００１５】
この場合に、チップの先端が振動方向と直交する断面において湾曲した凸型となる曲面を有することが望ましい。
【００１６】
本発明に係る超音波接合方法は、上記超音波接合用チップを使用して、例えば、アルミニウム材又はアルミニウム合金材と鋼材とを接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、アルミニウム系材と鋼材との超音波接合において、安定した接合強度が得られる。よって、アルミニウム又はアルミニウム系材と鋼系材との異種金属同士の接合を、ろう材又は溶接フラックス等の特別な消耗品を使用せずに低コストで行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本実施形態に係る超音波接合装置を示す断面図である。また、図２及び図３は本発明に係る超音波接合装置に使用するチップの形状を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る超音波接合装置においては、アルミニウム系材２と鋼材１とを重ねた積層体３が、水平姿勢に固定して設置されたアンビル５に固定される。更に、水平方向に超音波振動（Ｓ）するホーン（図示せず）に直結したチップ４と前記アンビル５で積層体３を挟むように構成される。図２に示すように、本発明で使用するチップ４ａには、滑り止め用のローレット加工が施されていない。更に、図３に示すように、本発明で使用するチップ４ｂの先端の形状は、超音波接合時の超音波振動方向に直交する断面において所定の曲率半径で湾曲する凸形状にするのが望ましい。
【００１９】
次に、前述の如く構成された本実施形態に係るアルミニウム系材と鋼材との超音波接合用チップの動作及び接合方法について説明する。図１に示すように、アルミニウム系材２と鋼材１とを重ね、この積層体３を水平姿勢に固定されたアンビル５に固定する。そしてチップ４で挟み、チップ４を介して積層体３に接合面に垂直の加圧力Ｐを印加することによって、アルミニウム系材２はチップ４で保持される。この状態でチップ４を水平方向に超音波振動（Ｓ）させて、チップ４とともにアルミニウム系材２を高い振動加速度で超音波振動させる。これにより、超音波振動するアルミニウム系材２と固定された鋼材１との間に摩擦力により発熱が生じる。このとき接合界面にて原子の移動が促進され、Ｆｅ原子のアルミニウム系材２への拡散が生じる。これにより、鋼材１とアルミニウム系材２との接合界面にて、アルミニウム系材２と鋼材１とが固相接合される。
【００２０】
接合の初期においては、固相拡散を開始させるため、材料間の表面酸化膜などを機械的に除去して新生金属面同士を対向させる必要がある。このため、チップはアルミニウム系材２をしっかり保持し、超音波振動を効率よくアルミニウム系材に伝達する必要がある。
【００２１】
また拡散接合がある程度進行した後には、接合部の固相拡散を継続させつつ、アルミニウム系材２と鋼材１の接合界面において摺動が生じないようにしなければならない。そのために、チップ４とアルミニウム系材２との界面で摺動による摩擦過熱が発生するようにする必要がある。
【００２２】
本実施形態においては、接合プロセス中でのアルミニウム系材２の保持と開放を前述の如く行うための最適なチップ形状を使用している。図２に示すように、プロセス途中からのクランプ開放を考えると、チップ４表面は滑り止めのためのローレット加工されていないことが必要である。また、ローレット加工をなくしたために低下したアルミニウム系材２の保持性を高めるため、チップの先端を凸形状となる曲面にすることが好ましい。これにより、チップ４からアルミニウム系材２に加わる単位面積当たりの荷重を大きくできる。このとき、先端形状を円錐型にしてしまうと、形状的に摩擦抵抗が小さくなりすぎるため、超音波振動を効率よく被接合材に伝達することができなくなる。そこで、チップ４の形状は超音波振動時の超音波振動方向に直交する方向にのみ凸とする図３に示すようなＲ型にすることが望ましい。このような形状にすることにより、振動方向のチップ４とアルミニウム系材２の摩擦抵抗を大きくしてアルミニウム系材２を保持し、かつある程度拡散接合が進むとローレット加工がないのでアルミニウム系材２の保持から開放される。
【００２３】
なお、チップ４の先端の曲率半径は３０乃至１５０ｍｍであることが好ましい。曲率半径が３０ｍｍ未満であると、界面における両材料の接触面積が狭く限定されすぎるため、接合破断荷重不足となる。また、加圧力が過大となり過ぎ、アルミニウム系材料が減肉してしまい、接合破断荷重不足となる。更に、拡散接合がある程度進行した後でも保持が開放されず、接合界面に摺動を生じて接合破断荷重がかえって低下してしまう。また、１５０ｍｍを超えると、接触面積が過大となって加圧力が過小となる。これにより、摩擦抵抗が過小となり、超音波振動が効率よく被接合材料に伝達されないため、接合破断荷重が低下してしまう。
【００２４】
なお、鋼材１を保持するアンビル５は常に鋼材１を保持する必要があり、ローレット加工がある方が望ましい。
【００２５】
本実施形態のように、超音波接合のチップ４の先端形状を適切なものとすることで、接合が安定して行える。
【００２６】
なお、本実施形態においては、鋼材１の上にアルミニウム系材２を重ねる例を示したが、本発明はこれに限定されず、アルミニウム系材２上に鋼材１を重ねても良い。また、超音波接合方法自体は従来周知の方法で良く、特に限定しない。
【実施例】
【００２７】
次に、本発明の効果を示すために行った試験の結果について説明する。アルミニウム系材として、ＡＡ６０２２合金（ＡＡ：米国規格、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の板材を使用し、鋼材として板厚０．８ｍｍのＳＰＣＥ鋼板（ＪＩＳ  Ｇ  ３１４１に記載）を使用した。図１に示すように、アルミニウム合金材（アルミニウム系材２）をチップ側、鋼板（鋼材１）をアンビル側に配し、加圧力５００Ｎ、振動周波数２０ｋＨｚ、振幅２０μｍ、接合時間０．２３秒で接合を行った。接合が可能であったものについて、Ｕ字継手引張試験を行い、破断荷重を求めた。その結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
2005254323.tif 000003
【００２９】
実施例１乃至７は被接合材と接する面にローレット加工が施されていないので、２３０Ｎ以上と高い接合強度が得られたが、比較例８及び９はローレット加工が施されているので、接合強度が２００Ｎ以下と低かった。また、実施例３乃至６は先端形状に曲率半径が３０乃至１５０ｍｍの適切な曲面を持たせたので、平坦な実施例１よりも更に接合強度が高くなった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波接合装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るチップ形状を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係るチップ形状を示す模式図である。
【図４】従来のチップ形状を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１；アルミニウム系材
２；鋼材
３；積層体
４、４ａ、４ｂ、４ｃ；チップ
５；アンビル
６；表面
Ｐ；加圧力
Ｓ；超音波振動
【図１】
2005254323.tif 000004
【図２】
2005254323.tif 000005
【図３】
2005254323.tif 000006
【図４】
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