(57)【要約】【課題】超音波を用いたメカニカルクリンチングによる材料の接合において、接合特性が改良された被接合材の接合方法を提供する。【解決手段】複数の被接合材を、成形用孔を有するダイの上に重ねて配置し、超音波を印加しながらダイまたはダイの成形用孔内に挿入されたカウンターパンチを背当てとして、被接合材をパンチによりダイの成形用孔内に押し込んで被接合材を接合する際に、ダイ側の被接合材の外側面および/またはパンチ側の被接合材の外側面に、被接合材の流出を防止するための流動制御板を配置することを特徴とする被接合材の接合方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合材を、成形用孔を有するダイの上に重ねて配置し、超音波を印加しながらダイまたはダイの成形用孔内に挿入されたカウンターパンチを背当てとして、被接合材をパンチによりダイの成形用孔内に押し込んで被接合材を接合する際に、ダイ側の被接合材の外側面および/またはパンチ側の被接合材の外側面に、被接合材の流出を防止するための流動制御板を配置することを特徴とする被接合材の接合方法。
【請求項２】
被接合材が金属、セラミックスまたはプラスチックスである請求項１に記載の被接合材の接合方法。
【請求項３】
金属がアルミニウム、マグネシウム、鉄、銅、チタンまたは亜鉛である請求項２に記載の被接合材の接合方法。
【請求項４】
複数の被接合材が同種または異種の材料であって、各接触面の上下いずれかまたは両方の材料が塑性流動する請求項１〜３のいずれか１項に記載の被接合材の接合方法。
【請求項５】
被接合材の位置において振動応力が最大となるように、パンチの軸方向に超音波を印加しながら、被接合材をパンチによりダイの成形用孔内に押し込んで被接合材を接合する請求項１〜４のいずれか１項に記載の被接合材の接合方法。
【請求項６】
流動制御板が、それと隣り合う被接合材よりも大きい変形抵抗を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の被接合材の接合方法。
【請求項７】
流動制御板が、銅板、鋼板、Ti板またはＣｕ／鋼／Ｃｕクラッド板である請求項１〜６のいずれか１項に記載の被接合材の接合方法。
【請求項８】
流動制御板の厚さが被接合材の板厚の１〜３００％である請求項１〜７のいずれか１項に記載の被接合材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接合材の接合方法に関し、さらに詳しくは超音波を用いたメカニカルクリチングによる、被接合金属材等の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年自動車などの軽量化要求の高まりから、アルミニウム合金の適用範囲が拡大し、スポット溶接に代わるアルミニウム合金に適した接合方法開発が求められている。この要求に対して、本発明者らは、先に超音波メカニカルクリンチングという方法を提案した（非特許文献１）。これは軸方向に超音波振動する工具を用いて被接合材同士を摩擦しながらダイ内で押しつぶし，上板と下板のかみ合い形状を成形する方法である。この方法は，かみ合いによる機械的接合力と，接合界面の凝着による化学的接合力の両方から接合力を得るため，メカニカルクリンチングの生産性，コスト，リサイクル性に優れるという利点に加え、化学的接合の特徴である高信頼・高強度の両立が期待できる接合方法である。
【０００３】
しかしながら、アルミニウム合金等の同種材料に加えて、特にアルミニウム材と鉄鋼材、等の異種材料の接合において、さらに接合特性の優れた接合方法の開発が望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】塑加連講論（２００９）３５９−３６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、超音波を用いたメカニカルクリンチングによる材料の接合において、さらに接合強度等の接合特性の優れた被接合材の接合方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の問題を解決するために、以下の被接合材の接合方法を提供するものである。
（１）複数の被接合材を、成形用孔を有するダイの上に重ねて配置し、超音波を印加しながらダイまたはダイの成形用孔内に挿入されたカウンターパンチを背当てとして、被接合材をパンチによりダイの成形用孔内に押し込んで被接合材を接合する際に、ダイ側の被接合材の外側面および/またはパンチ側の被接合材の外側面に、被接合材の流出を防止するための流動制御板を配置することを特徴とする被接合材の接合方法。
（２）被接合材が金属、セラミックスまたはプラスチックスである上記（１）に記載の被接合材の接合方法。
（３）金属がアルミニウム、マグネシウム、鉄、銅、チタンまたは亜鉛である上記（２）に記載の被接合材の接合方法。
（４）複数の被接合材が同種または異種の材料である上記（１）〜（３）のいずれかに記載の被接合材の接合方法。
（５）被接合材の位置において振動応力が最大となるように、パンチの軸方向に超音波を印加しながら、被接合材をパンチによりダイの成形用孔内に押し込んで被接合材を接合する上記（１）〜（４）のいずれかに記載の被接合材の接合方法。
（６）流動制御板が、それと隣り合う被接合材よりも大きい塑性流動を有する上記（１）〜（５）のいずれかに記載の被接合材の接合方法。
（７）流動制御板が、銅板、鋼板、Ti板またはＣｕ／鋼／Ｃｕクラッド板である上記（１）〜（６）のいずれかに記載の被接合材の接合方法。
（８）流動制御板の厚さが、被接合材の板厚の１〜３００％である上記（１）〜（７）のいずれかに記載の被接合材の接合方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、超音波を用いたメカニカルクリンチングによる材料の接合において、接合特性が改良された被接合材の接合方法を提供提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】は本発明の被接合材の接合方法に用いられる接合工具の部分模式図を示す。
【図２】（a）流動制御板を用いない、従来の被接合材の接合方法示す模式図、（ｂ）および（ｃ）は流動制御板を用いる、本発明の被接合材の接合方法の使用態様を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の被接合材の接合方法においては、複数の被接合材を、成形用孔を有するダイの上に重ねて配置し、超音波を印加しながらダイまたはダイの成形用孔内に挿入されたカウンターパンチを背当てとして、被接合材をパンチによりダイの成形用孔内に押し込んで被接合材を接合する際に、ダイ側の被接合材の外側面および/またはパンチ側の被接合材の外側面に、被接合材の流出を防止するための流動制御板を配置する。
【００１０】
被接合材は、接合面に対して上下面の一方か両方が塑性流動を生じる材料であり、金属、セラミックスまたはプラスチックスが挙げられる。被接合材の形態は、好適には板状のものが用いられるが、特に制限されない。
【００１１】
金属としては、アルミニウム、マグネシウム、鉄、銅、チタンまたは亜鉛が挙げられ、通常、アルミニウム合金、マグネシウム合金、軟鋼、ステンレス鋼等の鉄鋼、銅合金、チタン合金、亜鉛合金等が用いられる。たとえば、亜鉛、銅等を鉄鋼表面にメッキしたものであってもよい。
【００１２】
セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア等の酸化物系、窒化ケイ素等の窒化物系、炭化ケイ素等の炭化物系、が好適である。
【００１３】
プラスチックスとしては、たとえばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリアミドイミド等が挙げられる。
【００１４】
複数の被接合材は、同種または異種の材料であり得、同種としてはアルミニウム合金同士、異種としてはアルミニウム合金とマグネシウム合金、軟鋼、ステンレス鋼等の鉄鋼、銅合金、チタン合金または亜鉛合金との組み合わせ等が挙げられる。さらに、金属とセラミックスまたはプラスチックスとの組み合わせ、セラミックスとプラスチックスの組み合わせも挙げられる。
【００１５】
本発明方法において、ダイ側の被接合材の外側面および/またはパンチ側の被接合材の外側面に、接合時に被接合材の流出を防止するため、流動制御板が配置される。流動制御板は、それと隣り合う被接合材と同等以上の、好ましくは大きい、変形抵抗を有するものを用いる。流動制御板としてはたとえば銅板、鋼板、Ti板またはＣｕ／鋼／Ｃｕクラッド板等が好適に用いられる。流動制御板の厚さは、通常被接合材の板厚の１〜３００％から選択される。たとえば銅板を流動制御板として厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板同士を接合するのとき、０．５ｍｍ程度であり、鋼板を流動制御板として厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板同士を接合するとき、０．１ｍｍ程度が好適である。
【００１６】
本発明の実施態様例について、以下に図面とともに説明する。図１は、本発明の被接合材の接合方法に用いられる接合工具の部分模式図である。１はパンチ、２はダイ、３はカウンターパンチ、４はストリッパー、５は上側の非接合材（上板）、６は下側の非接合材（下板）、７はダイ側の流動制御板を示す。図１はパンチ１やストリッパー４の先端が平面形状のフラットツールを示すが、パンチ１やカウンターパンチ４の先端が球面形状となっているラウンドツールであってもよい。工具の材質は「プリハードン鋼NAK55」である。図中ではダイ２とカウンターパンチ３は同一面上に配置されているが、カウンターパンチ３をダイ２の面より若干凹ませ、または突き出させたものであってもよい。図１に示されるように、ダイ側の流動制御板７、下側の非接合材（下板）６、上側の非接合材（上板）５がダイ２の上に配置され、その上にストリッパー４が配置される。ダイ２の中心には、ストリッパー４が挿入されるための成形用孔が軸方向に形成されており、ストリッパー４の中心にはパンチ１が挿入される孔が軸方向に形成されている。超音波を印加しながら、下側の非接合材（下板）６、上側の非接合材（上板）５は、流動制御板７とともに、ダイの成形用孔内に挿入されたカウンターパンチ３を背当てとして、パンチ１によりダイ２の中心の成形用孔に押し込まれ、接合される。超音波の印加に際しては、超音波振動付与装置が用いられる（図示しない）。パンチ１の上には、超音波振動子が接続されたホーンが接続され、一方、カウンターパンチ３はもう１つのホーンに接続されている。上記の超音波振動子により印加される超音波振動は、パンチ１側のホーンで増幅され、パンチ１に伝達されるとともに、カウンターパンチ３からカウンターパンチ３側のホーンに伝達され、振動系全体が共振状態を維持する。上記の接合においては、被接合材の位置において振動応力が最大となるように、パンチの軸方向に超音波を印加しながら、被接合材をパンチによりダイの成形用孔内に押し込んで被接合材を接合するのが好適である。パンチによりダイの成形用孔内に押し込む際には、被接合材の種類等にもよるが、共振状態の良好な維持のために、通常１０MPa以上、アルミニウム合金の場合には好ましくは７０MPa以上、程度の圧力が採用される。このような加圧により、通常非接合材の合計厚さの３０〜７０％程度の深さでパンチ１およびカウンターパンチ３の先端が食い込むことになる。
【００１７】
図２は、本発明の被接合材の接合方法における流動制御板の使用態様を示す模式図であり、（a）は流動制御板を用いない（従来法）；（ｂ）はカウンターパンチ３側のみに流動制御板を用いる；（ｃ）はカウンターパンチ３側およびパンチ１側の両方に流動制御板を用いる、態様を示す。したがって、パンチ１側のみに流動制御板を用いる態様については図示されていない。
【００１８】
以上の態様においては、超音波を印加しながらダイの成形用孔内に挿入されたカウンターパンチを背当てとして、被接合材をパンチによりダイの成形用孔内に押し込む場合について説明したが、ダイの成形用孔が貫通されておらず底部が形成されて場合には、ダイの成形用孔の底部を背当てとする態様を採用することもできる。
【実施例】
【００１９】
実施例１
（被接合材、試験片形状）
被接合材としてにアルミニウム合金板（A1050-H24  板厚0.5 mm)と鋼板（冷間圧延鋼板SPCC 板厚0.5 mm）を選択した。試験片形状は短辺25 mm，長辺75 mmの矩形とし、十字に組み合わせてその中心部を接合し、十字引張試験に供した。また，同形状の試験片を長手方向に25 mm重ね合わせ，その中心部を接合し引張剪断試験に供した。流動制御板は，幅約12 mm、長さ10〜15 mmの矩形に切り出して用いた。試験片は接合試験の直前に動粘度56 mm2/Sのパラフィン系プレス工作油 (日本工作油  G-3244) を十分に塗油し，工具と被接合材が凝着を起こすことを防止するとともに，適用対象として想定されるプレス成形部品の表面状態を再現した。
【００２０】
（接合装置）
接合装置は図１に示す態様のものを用いた。接合工具を超音波振動する超音波振動子には、日本特殊陶業D4427PC (共振周波数27 kHz, 最大入力700 W)を用い，ホーンは振幅拡大率約5倍のステップ型ホーンとし，ホーン端面は最大p-p 25.2 mmの振幅で振動した。超音波発振器は、PLL定振幅自動追尾制御方式のNONK製超音波発振器を用いた。PLL定振幅自動追尾制御方式は，駆動しようとする超音波振動系が共振状態を維持して振動している場合には，印加電圧に対する出力電流の位相が一致するが，この位相を維持する様に発信周波数を自動調整する方式である。また，PZT型電歪素子の振幅と電流量が一致するという特性から，定電流制御とすることで振幅を一定に制御している。このため，駆動する振動系の形状や材質が変化し，共振周波数や振動抵抗が変化した場合には，発信周波数と出力電圧を自動的に調整し，振幅を一定に保とうとする。十字引張試験は，5 mm / minの速度で行った．引張せん断試験はクランプ間隔75 mm，5 mm / minの速度で行った。
【００２１】
（接合試験手順）
試験片の配置は，上板 (パンチ側材料) に鋼板，下板 (カウンターパンチ側材料) にアルミニウム板を配置し，アルミニウム板とカウンターパンチの間に流動制御板を配置した。
【００２２】
接合プロセスについては，まず超音波を印加せずに一定のパンチ押し込み量までパンチを押し込んだ。パンチ押し込み量はストロークエンドブロックの間に挟むシムの厚さで調整し，ストロークエンドブロック同士が当たった段階から一定量荷重を増加させ，その後プレス荷重を維持することで一定のパンチストロークを保った。次に，次にパンチ荷重を維持した状態で超音波印加を開始し，振幅5 mmから9 mmに到達まで0.2 mm/s程度の速度で徐々に上げ，9 mmに到達した状態で一定時間保持した。
【００２３】
十字引張強度は時間に対して指数関数的な関係を有しており，ある一定時間以上超音波を印加した場合にはプラグ破断に至り，それ以降は時間に対して極端な強度の増加は得られない。振幅14.5 μｍ，13.9 μｍについて，６０秒間の印加で、十字引張強度はともに２１０ 〜２３０N程度と，超音波を印加しないメカニカルクリンチによる場合と比較して約３８％程度高かった。また，剥離試験においては、200 N程度以上の十字引張強度を示した試験片がプラグ破断に至った（プラグの直径はおおむね3.0 mmであった）。スポット溶接においてプラグ破断，もしくは母材破断と呼ばれるこの破壊形態は良好な継ぎ手特性を象徴しており，本接合法によりアルミニウム板と鋼板の異材接合が良好であったことを示す。
【００２４】
プラグ破断に至る良好な継手について，接合界面状態を分析した。十字引張試験後の鋼板側試験片にアルミニウム材のプラグが残るが，まずそのプラグ周辺部付近の接合界面と，同じ位置のプラグ表面付近をSEMにより観察した。観察対象は超音波振幅13.9 mm，印加時間60秒の条件で接合した試験片である。反射電子像では材質の違いがコントラストとして現れ，この場合にはアルミニウム材が軟鋼材に比べて暗く表示された。まず，接合界面には中間的なコントラストの領域が存在していた。鉄とアルミニウムの接合界面には多くの場合脆弱な金属間化合物層が形成されるが，今回観察された中間的なコントラストの部分については，鉄とアルミニウムの濃度が傾斜を有していることから、金属間化合物ではなく相互拡散による濃度傾斜層であると推測される。
【００２５】
（引張せん断試験）
SK材0.1 mmまたは銅−ステンレスクラッド材0.35 mmを流動制御板として用いた場合の試験片（継手）について，引張せん断試験を行った。その結果、SK材を用いた場合には420 Nに達した。アルミニウム板と鋼板のスポット溶接強度についてJIS等では規定してないが，多くの異材接合に対して弱い側の材料同士の継手強度以上の強度が得られるかどうかが，継手強度判断の一つの基準となる．スポット溶接の強度基準を示したJIS-Z3140では，アルミニウム板同士のスポット溶接について，板厚0.5 mmの場合には、母材引張強度100 MPaのとき、A級の継手に対して平均値480 N，最小値300 Nの引張せん断強度を基準として定めている。A1050−O材の母材引張強度は60 MPa前後であり，この場合JIS−Z3140で定める強度基準を換算すると平均値288 N，最小値180 Nである．この基準から考えると，本発明の接合方法において、せん断強度においても良好な継手強度が得られたといえる。
実施例２
（アルミニウム合金同士の接合）
アルミニウム合金として、アルミニウム合金板（A1050-H24  板厚0.5 mm)を用いて実施例１と同様に同種材料の接合を行なった。（a）流動制御板を用いない場合、（ｂ）カウンターパンチ側にSK材０．１ｍｍ厚さの流動制御板を用いた場合、（ｃ）カウンターパンチ側にSK材０．１ｍｍ厚さ、パンチ側にSK材０．３ｍｍ厚さ、の流動制御板を用いた場合、（ｄ）カウンターパンチ側、パンチ側の両方に銅／ステンレス鋼／銅クラッド板０．３５ｍｍ厚さ、の流動制御板を用いた場合、について検討した。
【００２６】
得られた継ぎ手の外観観察では、（a）流動制御板を用いない場合、両面ともに大きなバリが発生した。これはパンチの押し込みにより押しつぶされ，行き場を失った材料がダイとカウンターパンチ，またはストリッパーとパンチの間に流出したためであると考えられる。（ｂ）カウンターパンチ側のみに流動制御板を用いた場合には，カウンターパンチ側にはバリは発生せず，実施例１の鋼板とアルミニウム板の継手に似た外観となったが，パンチ側にはバリが発生した。（ｃ）さらにパンチ側にも流動制御板を用いた場合、底部板厚が0.7 mmよりも厚い場合には接合中にあて板が破断せず，継手からあて板を除去することができた。カウンターパンチ側には大きな変化は見られなかった。（ｄ）両面に銅板の流動制御板を用いた場合には、アルミニウム板と流動制御板が強固に凝着していたために流動制御板の剥離が困難であった。継手には目立った突起はなかった。
実施例３
接合法のフレキシビリティーについて，材質の組み合わせに対するフレキシビリティーと板厚の組み合わせに対するフレキシビリティーが重要である。実施例１の 0.5 mm同士の板厚のみ検討を行ってきたアルミニウム板と鋼板の組合せについて，板厚1.0 mmの物も加えて接合試験を行い，その十字引張強度を比較することで本接合法の板厚に対するフレキシビリティーを検討した。工具はフラットツールを使用した。アルミニウム板または鋼板のどちらかの板厚が1.0 mmの場合には底部板厚を1.2 mmとし，両側の板厚が1.0 mmの場合には、パンチ荷重（すなわちパンチ押し込み量）を比較的小さくして、底部板厚を1.7 mmとした。
【００２７】
その結果、十字引張試験後には、プラグ破断により破壊し，アルミニウム板側の厚さに対応した十字引張強度を示した。この結果から，本接合法によれば板厚の変化した場合にも，同じ工具の組み合わせで良好な継手強度が得られることが分った。
【００２８】
（非撹拌側材料に対するフレキシビリティー）
銅−ステンレスクラッド板（C1020-O），チタン板（TP304C），ステンレス板（SUS304），溶融亜鉛メッキ鋼板（SGCC），高張力鋼板（980 MPa級），超高張力鋼板（1180 MPa）級とアルミニウム板（A1050）の組み合わせに対して本接合法により接合を行い，非撹拌側材料のフレキシビリティーを検討した。試験片は全て納入状態のまま工作油を両面に塗油した。板厚は，銅−ステンレスクラッド板の場合には0.35 mm，それ以外の材料に対しは全て0.5 mmとした。高張力鋼板，超高張力鋼板に関しては目的とする板厚の材料を用意することができなかったために，1.4 mmの材料から，試験片の中央部を短手方向に幅15 mmに渡り機械加工によって0.5 mm厚となるように切削した。この場合，切削側がパンチ側となるように配置したためパンチ近傍は板押さえにより加圧されていないことになる。底部板厚は全て0.84 mmとした。超音波印加条件は， 60秒間共振状態が維持できる最大の振幅を選択し，約60後まで共振状態を維持した。流動制御板には全てSK材0.1 mmを用い，接合後は流動制御板の剥離を試みた。ステンレス，チタン，高張力鋼板など，比較的高い超音波振幅を印加できたものについては，多くの場合に流動制御板が凝着を起こしカウンターパンチ肩に沿って破断したために継手から除去することが困難であった。十字引張試験結果からは、上記の材料は、良好な接合性を有することが確認された（最も高い超高張力鋼板の場合には，約25％高い値を示した。）。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明方法によれば、音波を用いたメカニカルクリンチングによる材料の接合において、接合特性が改良された被接合材の接合方法を提供し得る。
【符号の説明】
【００３０】
１    パンチ
２    ダイ
３    カウンターパンチ
４    ストリッパー
５    上側の非接合材（上板）
６    下側の非接合材（下板）、
７、８    流動制御板
【図１】
2013139048.tif 000003
【図２】
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