(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム板（アルミニウム合金板を含む、以下同じ）と鋼板とを接合する方法であって、超音波圧接装置の音極と反射極との間に、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板を、アルミニウム板が反射極側に鋼板が音極側になるよう配置し、重ね合わせたアルミニウム板および鋼板の接触部を加圧した状態で、該接触部に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特徴とする超音波圧接方法。
【請求項２】
アルミニウム板と鋼板とを接合する方法であって、超音波圧接装置の音極と反射極との間に、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板を、アルミニウム板が反射極側に鋼板が音極側になるよう配置し、重ね合わせたアルミニウム板および鋼板の接触部を加圧した状態で、該接触部に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Ａ１変態点以下の温度に加熱し、前記接触部に形成されるナゲットの鋼板側に変態組織の無い接合部を形成して、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３】
反射極のアルミニウム板が配置される部位は、中央部が低く周縁部が高い凹状に形成され、中央部にはアルミニウム板が接触せず、アルミニウム板と接触する周縁部の加圧力を大きくしてアルミニウム板と鋼板とを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】
前記周縁部の表面および／または音極において鋼板と接触する部位の表面が凹凸状に形成されていることを特徴とする請求項３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、詳しくは、アルミニウム板と鋼板との超音波圧接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スポット溶接などの抵抗溶接は、鋼板の溶接においては広範囲に用いられているが、アルミニウム板においては、アルミニウムの物性上から種々の問題点があり、その適用においては、鋼板の場合に比べ、緻密な配慮が払われなければならない。
【０００３】
アルミニウム板と鋼板とを直接にスポット溶接すると、溶接界面に脆弱な合金相が形成され、信頼性の高い健全な継ぎ手部を得ることができない。そのため、アルミニウム板と鋼板とをスポット溶接する必要のある場合には、両金属からなるトランジションピースを介して溶接施工する手法が行われている。しかしながら、トランジションピースを使用する方法は、溶接作業上、工数がかかるとともに、溶接部材の構成、構造が制約されるなどの難点が多い。
【０００４】
アルミニウム材の接合方法として超音波圧接方法が推奨され、超音波スポット圧接をアルミニウム板と鋼板との接合に適用した例もあるが、この場合にも、接合界面に金属間化合物が認められ、引張せん断試験において、引張せん断強度は比較的高いが、ナゲット（溶着部）で剥離状に破断したことが報告されており、静的荷重、動的荷重を含む種々の荷重に対し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問題が残されている（軽金属溶接、Ｖｏｌ．１８（１９８０）、Ｎｏ．５、２３３〜２３５頁）。
【０００５】
アルミニウム板と鋼板との圧接について、発明者らは、上記の超音波圧接に再度着目し、圧接条件について多角的に実験、検討を加えた結果、超音波圧接装置によりアルミニウム板のみを溶融させ、鋼板を溶融させることなく加熱して接合した場合に強固な接合部が形成されることを知見した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、超音波を利用して、アルミニウム板と鋼板とを直接接合することにより、アルミニウム板と鋼板との間に健全且つ信頼性のある強固な継手を得ることができる超音波圧接方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１による超音波圧接方法は、アルミニウム板と鋼板とを接合する方法であって、超音波圧接装置の音極と反射極との間に、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板を、アルミニウム板が反射極側に鋼板が音極側になるよう配置し、重ね合わせたアルミニウム板および鋼板の接触部を加圧した状態で、該接触部に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特徴とする。
【０００８】
請求項２による超音波接合方法は、アルミニウム板と鋼板とを接合する方法であって、超音波圧接装置の音極と反射極との間に、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板を、アルミニウム板が反射極側に鋼板が音極側になるよう配置し、重ね合わせたアルミニウム板および鋼板の接触部を加圧した状態で、該接触部に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Ａ１変態点以下の温度に加熱し、アルミニウム板と鋼板とを接合することを特徴とする。
【０００９】
請求項２による超音波接合方法はまた、前記接触部に形成されるナゲットの鋼板側に変態組織の無い接合部を形成して、アルミニウム板と鋼板とを接合することを特徴とする。ことを特徴とする。
【００１０】
請求項３による超音波接合方法は、請求項１または２において、反射極のアルミニウム板が配置される部位は、中央部が低く周縁部が高い凹状に形成され、中央部にはアルミニウム板が接触せず、アルミニウム板と接触する周縁部の加圧力を大きくして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４による超音波接合方法は、請求項３において、前記周縁部の表面および／または音極において鋼板と接触する部位の表面が凹凸状に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明においては、図１に概略を示すように、超音波圧接装置の音極１と反射極（アンビル）２との間に、重ね合わせたアルミニウム板と鋼板（母材）Ｍを配置し、母材Ｍの接触面を加圧力Ｐで加圧した状態で、音極１に超音波振動を与えて接触部Ｃを圧接する。
【００１３】
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５に伝え、被溶接材Ｍ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。
【００１４】
本発明においては、この場合、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し、アルミニウム板と鋼板とを接合することを特徴とする。
【００１５】
鋼板のＡ１変態点とは、オーステナイト（γ固溶体）がフェライト（α固溶体）とセメンタイト（Ｆｅ3 Ｃ）からなる層状組織のパーライトに共析変態する温度である。接触部をＡ１変態点より高い温度に加熱した場合にも、接合部は比較的高い引張剪断強さを有するが、破断はアルミニウム板と鋼板との接合界面で生じるため、動的な応力やねじれ荷重に対しては信頼性の面で問題がある。
【００１６】
アルミニウム板と鋼板との接触部を、アルミニウムの溶融点以上、鋼板のＡ１変態点以下の特定温度範囲に加熱して圧接した場合には、接合された継手は引張特性に優れたものとなり、接合界面に金属間化合物を生じることなく、アルミニウム母材側で破断が生じる健全な接合部が形成される。
【００１７】
本発明の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、音極１側（超音波入力側）に鋼板Ｓが配設され、アンビル２側（反射極側）にアルミニウム板Ａが配設されるよう母材Ｍをセットし、接合時の接触部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。
【００１８】
この場合、図２に示すように、アンビル（反射極）２のアルミニウム板Ａと接触する部位６を、中央部７が低く周縁部８が高い凹状に形成し、周縁部８の加圧力を大きくしてアルミニウム板Ａと鋼板Ｓとを接合することにより、さらに強固な結合を達成することができる。音極１の鋼板Ｓと接触する部位の形状は任意の形状で良い。
【００１９】
アンビル（反射極）２の形状を上記のような凹状とすることにより信頼性の高い継ぎ手が得られる理由は、超音波圧接工程の最終段階でなされると考えられる圧接時にナゲットの外周部の圧力が高くなり、圧接時の圧力がナゲットの外周部に集中して強固な圧接が行われるとともに、僅かに形成される金属間化合物や防錆鋼板の亜鉛メッキに含まれるＺｎなどが、接合に大きく寄与するナゲットの外周部から排除されることなどによるものと考えられる。
【００２０】
また、凹状のアンビル（反射極）を使用した場合には、超音波圧接工程中、アンビルとアルミニウム板Ａとの固着の問題が避けられ、アルミニウム板Ａの溶融部がアルミニウム板Ａを貫通するように形成された場合であっても、アルミニウム板Ａがアンビルと強く固着するのを防止することが可能とある。
【００２１】
なお、凹状のアンビル（反射極）がアルミニウム板Ａと接触する周縁部８の表面、および／または音極１において鋼板Ｓと接触する部位の表面は、スリップによるエネルギ損失を防ぐために、クロスハッチ模様など、凹凸状に形成するのが好ましい。
【００２２】
【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。
【００２３】
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）、鋼板として防錆鋼板（厚さ：０．７ｍｍ）を使用し、これらの板材を、図１に示すような超音波圧接装置に、音極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。
【００２４】
得られた継手（試験材）の接合部について、ナゲット（溶着部）の形成状態を観察し、継手について引張剪断試験、十字引張試験を行い、それぞれの引張強さを求め、破断部を観察した。その結果を表２に示す。
【００２５】
表２にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜３においては、ナゲットには、アルミニウム板側のみに溶融凝固した組織（形状：円錐台状＝截頭円錐状）が認められ、鋼板側には溶融凝固した組織、変態組織はみられなかった。引張剪断強さは１２０ＭＰａを越え、また十字引張強さも６０ＭＰａを越える優れた強度特性をそなえ、破断はいずれもアルミニウム板側で生じていた。
【００２６】
【表１】
0004064111.tif 000002
【００２７】
【表２】
0004064111.tif 000003
【００２８】
比較例１
実施例１と同一のアルミニウム板および鋼板を使用し、これらの板材を、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。
【００２９】
得られた継手（試験材）の接合部について、ナゲット（溶着部）の形成状態を観察し、継手について引張剪断試験、十字引張試験を行い、それぞれの引張強さを求め、破断部を観察した。その結果を表４および表５に示す。なお、試験材Ｎｏ．５〜６については、音極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セットし、試験材Ｎｏ．７については、音極側にアルミニウム板が配設され、アンビル側に鋼板が配設されるようセットした。
【００３０】
【表３】
┌─┬────────────┐
│試│        圧接条件        │
│験├───┬────┬───┤
│材│出  力│圧接時間│押込量│
│  │  J   │  sec   │ mm   │
├─┼───┼────┼───┤
│ 5│ 6100 │  3.2   │ 0.37 │
│ 6│ 3000 │  2.2   │ 0.35 │
│ 7│ 3400 │  1.5   │ 0.45 │
└─┴───┴────┴───┘
【００３１】
【表４】
┌─┬────────────────────────────┐
│試│                    ナゲット形成状態                    │
│験├────────────┬───────────────┤
│材│        Al板側          │          鋼板側              │
├─┼────────────┼───────────────┤
│ 5│溶融凝固組織（円錐台状) │溶融凝固組織（円錐台状）      │
│ 6│溶融凝固組織無し        │溶融凝固組織無し、変態組織無し│
│ 7│溶融凝固組織無し        │溶融凝固組織無し、変態組織無し│
└─┴────────────┴───────────────┘
【００３２】
【表５】
┌─┬──────────────┬──────────────┐
│試│        引張剪断試験        │      十字引張試験          │
│験├───┬──────────┼───┬──────────┤
│材│強  さ│      破断部        │強  さ│      破断部        │
│  │ MPa  │                    │ MPa  │                    │
├─┼───┼──────────┼───┼──────────┤
│ 5│ 110  │Al板と鋼板の接合界面│  21  │Al板と鋼板の接合界面│
│ 6│  54  │Al板と鋼板の接合界面│  16  │Al板と鋼板の接合界面│
│ 7│  49  │Al板と鋼板の接合界面│  10  │Al板と鋼板の接合界面│
└─┴───┴──────────┴───┴──────────┘
【００３４】
表４〜５に示すように、試験材Ｎｏ．５は、圧接条件における出力が大きいため、接触部の鋼板が溶融し、接合部の強度は不十分なものとなった。試験材Ｎｏ．６は、圧接条件における押し込み量が大きく接触部のアルミニウム板が溶融せず、また、試験材Ｎｏ．７は、母材を、チップ側にアルミニウム板が配設され、アンビル側に鋼板が配設されるようセットしたため、接触部のアルミニウム板が溶融せず、いずれも接合部の強度はきわめて劣るものとなった。
【００３５】
実施例２
アルミニウム板として５０８３合金板（調質：Ｏ材、厚さ：１ｍｍ）、鋼板として防錆鋼板（厚さ：０．７ｍｍ）を使用し、これらの板材を、図１に示すような超音波圧接装置に、音極１側（超音波入力側）に鋼板が配設され、アンビル２（反射極）側にアルミニウム板が配設されるようにし、アンビル２のアルミニウム板と接触する部位を図２に示すような凹状（凹部７の直径４ｍｍ、接触する部位の直径６ｍｍ）に形成し、周縁部８の表面にクロスハッチ模様を形成したもの（実施例２Ａ）と、アンビル２のアルミニウム板と接触する部位を凹状とせず（接触する部位の直径６ｍｍ）、接触部位の表面にクロスハッチ模様を形成したもの（実施例２Ｂ）を用いて、出力３３００Ｊ、圧接時間２．０秒、押込量０．１５ｍｍの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。
【００３６】
得られた継手（試験材）の接合部について、剥離試験を行ったところ、それぞれ５個の試験材において、アンビルを凹状に形成した実施例２Ａでは、剥離試験で両母材（鋼板およびアルミニウム板）が大きく変形して栓抜け破断した試験材が３個、剥離試験で両母材が変形して接合界面が剥離した試験材が２個であったのに対して、アンビルを凹状に形成しない実施例２Ｂでは、剥離試験で両母材が大きく変形して栓抜け破断した試験材が２個、剥離試験で両母材が変形して接合界面が剥離した試験材が２個、剥離試験で母材の変形量が少なく、接合界面で剥離した試験材が１個であり、アンビルのアルミニウム板と接触する部位を凹形状としたアンビル（反射極）を使用した場合には、超音波圧接における接合強度が改善されることが認められた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、アルミニウム板と鋼板との間に、静的な荷重、動的な荷重を含む種々の荷重に対して十分に信頼性のある強固な継ぎ手を得ることができる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を実施するために使用するアンビル側面および接触部位の平面を示す図である。
【符号の説明】
１  音極
２  アンビル（反射極）
３  超音波発振器
４  振動子
５  チップ
６  接触する部位
７  中央部（凹部）
８  周縁部
Ｍ  母材
Ｓ  鋼板
Ａ  アルミニウム板
Ｃ  接触部
【図１】
0004064111.tif 000004
【図２】
0004064111.tif 000005