(57)【要約】【課題】接合強度の向上を図った冷間圧接工法を提供する。【解決手段】冷間圧接工法によって接合されるべき二枚の被接合材４，５のうち上側の被接合材５に予め複数の小穴７を形成しておく。この複数の小穴７が形成された部位の板厚が減少するようにダイ２とポンチ３とで双方の被接合材４，５を加圧拘束して塑性変形させる。板厚減少に伴う塑性流動により下側の被接合部材４の素材肉を複数の小穴７に充満させる。それによって、冷間圧接工法本来の拡散接合に加えて、接合面積の増加とともに複数の小穴７でのかしめ効果が得られ、被接合材４，５同士の接合強度が向上する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属製の被接合材を重ね合わせた上で、その被接合材同士の重合部での板厚が減少するように当該被接合材同士の重合部を板厚方向に加圧拘束して塑性変形させることで、被接合材同士を接合するようにした冷間圧接工法であって、
少なくともいずれか一つの被接合材のうち相手側となる被接合材との接合面であって且つ板厚方向に加圧拘束される領域に予め凹部を形成しておき、
上記板厚方向での加圧拘束力による相手側の被接合材の塑性流動をもって当該相手側の被接合材を上記凹部に流入させることを特徴とする冷間圧接工法。
【請求項２】
少なくともいずれか一つの被接合材のうち相手側となる被接合材との接合面であって且つ板厚方向に加圧拘束される領域に予め複数の凹部を形成しておくことを特徴とする請求項１に記載の冷間圧接工法。
【請求項３】
上記凹部は相手側となる被接合材との接合面側から板厚方向の奥部に向かって断面積が大きくなる形状のものであることを特徴とする請求項２に記載の冷間圧接工法。
【請求項４】
上記凹部は被接合材を板厚方向に貫通する貫通穴タイプのものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の冷間圧接工法。
【請求項５】
予め凹部が形成されている被接合材は相手側となる被接合材よりも硬質のものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の冷間圧接工法。
【請求項６】
凸部を有するポンチとフラットなダイとで被接合材同士の重合部を板厚方向に加圧拘束するにあたり、
上記凹部が予め形成されている被接合材をポンチの凸部にて、上記凹部が予め形成されていない相手側の被接合材をダイにてそれぞれ加圧拘束することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の冷間圧接工法。
【請求項７】
予め凹部が形成されている被接合材と相手側となる被接合材とのそれぞれの接合面に予め表面処理を施してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の冷間圧接工法。
【請求項８】
上記表面処理がめっき処理であることを特徴とする請求項７に記載の冷間圧接工法。
【請求項９】
予め凹部が形成されている被接合材の板厚は相手側となる被接合材の板厚よりも大きいことを特徴とする請求項７または８に記載の冷間圧接工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属板同士の接合を目的とした冷間圧接工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷間圧接工法は、金属製被接合材の再結晶温度未満の温度において、重ね合わせた被接合材同士を板厚方向に加圧して塑性変形させることにより、それらの被接合材同士の接合界面の酸化物層や表面処理層（めっき層等）を分断して、それによって生じた新生面同士を金属接合（拡散接合）する工法である。
【０００３】
冷間圧接工法は、アルミニウムや銅などの比較的軟質の金属同士の接合に適している。例えば、自動車のラミネート型バッテリーの端子の接合においては、ダイ上に複数枚の端子材を重ね合わせて配置し、ポンチにて加圧拘束することによって端子材の接合界面の塑性変形を促して接合を行っている。
【０００４】
そして、この種の冷間圧接工法の代表的なものとして、例えば特許文献１に記載されているように、凸部を有するダポンチとフラットな平面ダイとで被接合材同士を加圧拘束して接合するようにしたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１５２９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に代表されるような従来の冷間圧接工法では、被接合材を塑性変形させることで局部的な板厚の減少とともに不可避的に圧痕として印圧凹部が形成されることになるため、板厚減少のために接合強度の向上を図るにもおのずと限界がある。
【０００７】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、接合強度の向上を図った冷間圧接工法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る冷間圧接工法は、接合されるべき複数の被接合材について、少なくともいずれか一つの被接合材のうち相手側となる被接合材との接合面であって且つ板厚方向に加圧拘束される領域に予め凹部を形成しておき、板厚方向での加圧拘束力による相手側の被接合材の塑性流動をもって当該相手側の被接合材を上記凹部に流入させるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、一方の被接合材に予め形成してある凹部に対して相手側の被接合材の塑性流動をもって当該相手側の被接合材の素材肉が流入することになるので、冷間圧接工法の基本である拡散接合に加えて、いわゆるかしめ効果が期待できるようになり、被接合材同士の接合強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る冷間圧接工法の第１の形態を示すプレス型の断面説明図。
【図２】図１に示したポンチの凸部と被接合材側に形成される小穴との関係を示す要部斜視図。
【図３】図３に示したプレス型での冷間圧接の進捗状況を示す工程説明図。
【図４】図３の（Ｂ）のａ部拡大図。
【図５】本発明に係る冷間圧接工法の第２の形態を示し、図２に示した小穴の変形例を示す説明図。
【図６】図５の（Ａ）に示した小穴を用いて冷間圧接を行った場合の断面説明図。
【図７】本発明に係る冷間圧接工法の第３の形態を示す断面説明図。
【図８】本発明に係る冷間圧接工法の第４の形態を示す説明図。
【図９】本発明に係る冷間圧接工法の第５の形態を示す図で、冷間圧接の進捗状況を示す工程説明図。
【図１０】本発明に係る冷間圧接工法の第６の形態を示す図で、冷間圧接の進捗状況を示す工程説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１〜４は本発明に係る冷間圧接工法を実施するためのより具体的な第１の形態を示し、特に図１は冷間圧接工法のためのプレス型構造を示している。
【００１２】
このプレス型１は、下型として機能する平板状のダイ（いわゆるフラットダイ）２と、このダイ２の上側に対向配置されるとともに昇降可能な上型として機能するポンチ３と、の組み合わせからなり、ポンチ３の下面中央部には凸部３ａが形成されている。そして、ポンチ３の下面のうち凸部３ａ以外の領域はダイ２と平行なショルダー部３ｂとして機能するようになっている。なお、プレス型１を駆動するための図示を省略したプレス機としては、例えば油圧式、クランク式等の公知のものを使用する。
【００１３】
ここでは、二枚の金属板である被接合材４，５同士を冷間圧接工法にて接合するものとし、自動車用ラミネート型バッテリーの端子の接合を例にとるならば、下側の被接合材４をアルミニウム板とし、上側の被接合材５をアルミニウム板よりも硬質の銅板とする。また、上側の被接合材５の板厚は下側の被接合材４の板厚よりも大きいものとする。もちろん、双方の被接合材４，５同士がアルミニウム板同士あるいは銅板同士のように同種のものであっても良い。また、接合される被接合材４，５の枚数は必要に応じて三枚あるいはそれ以上であっても良い。
【００１４】
上型としてのポンチ３が上昇している状態で、ダイ２の上に互いに重ね合わせた二枚の被接合材４，５を位置決め載置する一方、それら被接合材４，５同士の重合部に向けてポンチ３を下降させ、それら被接合材４，５同士の重合部をダイ２とポンチ３とで板厚方向に加圧拘束するものとする。
【００１５】
すなわち、上側の被接合材５側からポンチ３を押し込むことで双方の被接合材４，５を塑性変形させるとともに、それに伴う双方の被接合材４，５の局部的な板厚減少をもって当該被接合材４，５の素材肉を積極的に塑性流動させるものとする。そして、それらの被接合材４，５同士の接合界面における酸化物層のほかめっき層等の表面処理層を分断して、それによって生じた新生面同士を拡散接合することで被接合材４，５同士の冷間圧接が完了する。なお、上側の被接合材５にはポンチ３側の凸部３ａの形状が転写されるかたちで不可避的に圧痕として印圧凹部６が形成される。
【００１６】
このようなプレス型１による冷間圧接工法において、上側の被接合材５のうち下側の被接合材４との重合部分であって且つポンチ３による加圧拘束力を直接受ける部分に図２に示すように予め凹部として複数の小穴７を形成しておくことに本発明の特徴がある。
【００１７】
例えば図２に示すように、ポンチ３における凸部３ａの加圧面が小判形あるいは長円形のものである場合には、上側の被接合材５であって且つポンチ３の凸部３ａで加圧される部位、すなわち上側の被接合材５のうちポンチ３における凸部３ａの先端投影形状の範囲内に、規則性をもってあるいは不規則に凹部として単純穴形状の複数の小穴７を予め貫通形成しておくものとする。この小穴７は必ずしも複数である必要も貫通穴タイプである必要もない。複数の小穴７が非貫通タイプのものである場合には、各小穴７の深さは接合前の母材板厚の５０％以上とすることが望ましい。ただし、後述するように接合強度の向上の上では複数の小穴７を貫通穴タイプのものとして形成してあることがより望ましい。なお、上側の被接合材５または上下双方の被接合材４，５にめっき処理等の表面処理が施されている場合には、複数の小穴７の穴あけ加工は表面処理を施した後に行うものとする。
【００１８】
図３は図１に示したプレス型１による冷間圧接工法の段階的な進捗状況を示していて、同図（Ａ）に示すように、予め複数の小穴７を形成した上側の被接合材５と下側に被接材４とを重ね合わせてダイ２上に位置決め載置し、次いでポンチ３を下降させる。
【００１９】
同図（Ｂ）に示すように、ポンチ３が下降すると、このポンチ３とダイ２とで双方の被接合材４，５を板厚方向に加圧拘束しつつ、ポンチ３の凸部３ａが上側の被接合材５に食い込むようになる。この上側の被接合材５に対するポンチ３の食い込みに伴い、双方の被接合材４，５の板厚が減少する方向に塑性変形するとともに、加圧拘束方向（板厚方向）と直交する方向にも圧延または延伸され、塑性流動した下側の被接合材４の素材肉が上側の被接合材５の複数の小穴７に流入して、それぞれの小穴７の空間を埋めるようになる。
【００２０】
同図（Ｃ）に示すように、ポンチ３が下降限位置まで下降すると、双方の被接合材４，５の総板厚が所定寸法まで大幅に減少し、上側の被接合材５に予め形成されていた複数の小穴７の空間は下側の被接合材４の素材肉で充満し、それぞれの小穴７についてみれば、いわゆるかしめ加工が施された状態と同じ状態をもって冷間圧接工法による接合が完了する。同図（Ｄ）には冷間圧接による接合が完了した被接合材４，５の単独の状態を示す。なお、先に述べたように上側の被接合材５にはポンチ３側の凸部３ａの形状が転写されるかたちで不可避的に圧痕として印圧凹部６が形成される。
【００２１】
ここで、図４は図３の（Ｂ）のａ部を拡大した図を示していて、双方の被接合材４，５の板厚が減少する方向の塑性流動に伴い、下側の被接合材４の素材肉が塑性流動しながら上側の被接合材５のそれぞれの小穴７に流入することは先に述べたとおりである。このそれぞれの小穴７への素材肉の流入によって、両者が摺動することになる界面Ｆであるところのそれぞれの小穴７の内周面もに新生面が積極的に形成され、結果として被接合材４，５同士の接合面積の拡大化と接合強度の向上に寄与することになる。
【００２２】
図３の（Ｄ）から明らかなように、双方の被接合材４，５同士は冷間圧接工法本来の拡散接合に加えて、複数の小穴７を形成しない場合に比べて貫通タイプの各小穴７における内周面の面積の総和だけ接合面積が増加しているとともに、相対的に硬質の被接合材５側のそれぞれの小穴７に対する相手側の軟質の被接合材４の素材肉の流入によってかしめ効果が期待できるようになる。そのため、複数の小穴７を形成しない場合に比べて被接合材４，５同士の接合強度が向上することになる。
【００２３】
本発明者が実験を行った結果では、深さが０．７ｍｍ程度の非貫通タイプの小穴７を数個形成した場合には、小穴７を形成しない場合に比べて剥離方向での接合強度が６５％程度向上することが判明した。また、上記小穴７を貫通タイプのものとするとさらに接合強度が向上することが判明した。
【００２４】
図５には本発明の第２の形態として上側の被接合材５に凹部として形成される小穴のいくつかの変形例を示した。
【００２５】
図５の（Ａ）は貫通穴タイプの小穴７ａとして、上側の被接合材５の下面から上面側に向かって断面積が漸次大きくなるテーパ穴形状としたものである。同図（Ｂ）は同じく貫通穴タイプの小穴７ｂとして、上側の被接合材５の下面から上面側に向かって断面積が段階的に大きくなる段付き穴形状としたものである。また、同図（Ｃ）は同じく貫通穴タイプの小穴７ｃとして、上側の被接合材５の下面から上面側に向かって断面積が漸次大きくなる滑らかな円弧面形状の穴形状としたものである。さらに、同図（Ｄ）は非貫通タイプの小穴７ｄとして、上側の被接合材５の下面から上面側に向かって断面積が漸次大きくなる断面四分の三円形状の小穴を上側の被接合材５の平面方向（板厚方向と直交する方向）に沿って形成したものである。
【００２６】
これらの図５の（Ａ）〜（Ｄ）の変形例に共通するのは、上側の被接合材５に予め形成される小穴７ａ〜７ｄは、相手側となる下側の被接合材４との接合面側から板厚方向の奥部に向かって小穴７ａ〜７ｄ自体の断面積が大きくなる形状となっていることである。
【００２７】
例えば図５の（Ａ）のテーパ状の小穴７ａを例にとると、図６に示すように下側の被接合材４の塑性流動に伴いその下側の被接合材４の素材肉が小穴７ａに流入して充満すると、その小穴７ａに流入した素材肉が、先に述べたかしめ効果に加えて、接合後の被接合材４，５同士の剥離方向での抜け止めのためのアンカー効果を発揮することになる。これらのことは図５の（Ｂ）〜（Ｄ）の変形例についても同様である。そのため、冷間圧接による接合後の被接合材４，５同士の接合強度が一段と向上することになる。
【００２８】
ここで、図７は本発明に係る冷間圧接工法の第３の形態を示している。
【００２９】
同図に示すように、必要に応じて上側の被接合材５だけでなく下側の被接合材４にも凹部としての複数の小穴１７を形成して良い。この場合には、上下の小穴７，１７同士が互いにオーバーラップしないように考慮するものとする。
【００３０】
また、図８は本発明に係る冷間圧接工法の第４の形態を示している。
【００３１】
同図に示すように、ダイ２として、ポンチ３側の凸部３ａと正対する凸部２ａを有するものを採用することもできる。
【００３２】
さらに、図１では、ポンチ３が下降限位置まで下降しても凸部３ａ以外のショルダー部３ｂが上側の被接合材５に接触しない状態としているが、特に冷間圧接に伴う双方の被接合材４，５の反りが問題となるような場合には、ポンチ３が下降限位置まで下降した段階てショルダー部３ｂも上側の被接合材５に圧接させて、このショルダー部３ｂによってもまた双方の被接合材４，５を加圧拘束するようにしても良い。
【００３３】
図９は本発明に係る冷間圧接工法の第５の形態として、上記のようにポンチ３のショルダー部３ｂによってもまた双方の被接合材４，５を加圧拘束する場合のプレス型１の挙動を示している。ただし、上側の被接合材５に予め形成される複数の小穴７については図３で詳述したので、図９では図示省略している。
【００３４】
図９の（Ａ）の状態からポンチ３を下降させると、同図（Ｂ），（Ｃ）に示すように、被接合材４，５に対する凸部３ａの押し込み量が増加するのに伴って、言い換えるならばポンチ３が下降限位置に近付くにしたがって、符号Ｑで示すようにショルダー部３ｂに対する上側の被接合材５の接触面積が増加する。そして、同図（Ｄ）に示すようにポンチ３が下降限位置に達すると、ショルダー部３ｂのほぼ全面が上側の被接合材５に圧接して、当該ショルダー部３ｂは所定量だけ上下の被接合材４，５を板厚方向に加圧拘束することになる。
【００３５】
したがって、冷間圧接が進行する図９の（Ｂ），（Ｃ）の初期および中期段階では上下の被接合材４，５のうちポンチ３の凸部３ａによって加圧拘束される部分以外の部位に反りが発生するものの、同図（Ｄ）に示すようにポンチ３が下降限位置に達するとそれまでに発生していた被接合材４，５の反りが矯正されることになる。なお、先にも述べたように、上側の被接合材５にはポンチ３の圧痕として印圧凹部６が不可避的に発生することになるが、図９の（Ｄ）に示すようにポンチ３の凸部３ａの突出量や双方の被接合材４，５の板厚等によっては、上側の被接合材５に形成される印圧凹部６とポンチ３の凸部３ａとの間に空隙Ｇが形成されることもある。
【００３６】
図１０は本発明に係る冷間圧接工法の第６の形態を示している。
【００３７】
被接合材５に凹部として予め複数の小穴７を形成しておくことを前提とした冷間圧接工法において、その冷間圧接工法に供される上下の被接合材４，５に予めめっき処理等の表面処理が施されていても良いことは先に述べた。表面処理にはめっき処理以外に溶射皮膜処理やＰＶＤ皮膜処理等のように多くの方法があるが、要は硬質で母材よりも脆性の大きな表面皮膜が形成されていれば良く、ここでは、上下の被接合材４，５に予め表面処理としてニッケルめっき処理が施されている場合について検討する。
【００３８】
図１０の（Ａ）に示すように、接合されるべき上下の被接合材４，５のそれぞれの接合面にめっき層４ａ，５ａが予め形成されている場合、図１に示したダイ２とポンチ３とによる加圧拘束の初期段階で、図１０の（Ｂ）に示すように母材よりも硬い双方のめっき層４ａ，５ａ同士が固着することになる。なお、上側の被接合材５に予め形成される複数の小穴７については図３で詳述したので、図１０では図示省略している。また、冷間圧接による接合後の板厚減少を可及的に小さくするためには、下側の被接合材４よりも上側の被接合材５の板厚を大きくすることが望ましく、また、めっき層の膜厚は例えば１０μｍ以下で十分である。
【００３９】
さらなる加圧拘束の進行に伴って、同図（Ｃ）に示すように、双方の被接合材４，５の板厚減少とともに加圧拘束方向と直交する方向に圧延または延伸されることになるので、延性に乏しい双方のめっき層４ａ，５ａ同士は固着したままで圧延または延伸方向で微細片に分断される。そして、微視的には分断されためっき層４ａ，５ａ同士に間にが空隙Ｒが形成されることになる。
【００４０】
このめっき層４ａ，５ａの分断は図１０の（Ｃ）の空隙Ｒ相当位置において双方の被接合材４，５同士の接合面に新生面が形成されたことにほかならないから、さらなる加圧拘束の進行に基づく圧延または延伸と塑性流動によって、先の空隙Ｒが双方の被接合材４，５の素材肉によって埋められて双方の被接合材４，５の新生面同士が拡散接合されることになる。
【００４１】
したがって、この第６の形態によれば、双方の被接合材４，５の総板厚の減少が比較的小さい段階でも、上記のようなめっき層４ａ，ａ５の分断によって新生面が形成されることになるので、結果として冷間圧接によって接合された部位の板厚減少が少なくて済み、接合強度が一段と向上することになる。
【符号の説明】
【００４２】
２…ダイ
３…ポンチ
３ａ…凸部
４…下側の被接合材
５…上側の被接合材
６…印圧凹部
７…小穴（凹部）
７ａ〜７ｄ…小穴（凹部）
４ａ，５ａ…ニッケルめっき層（表面処理層）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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