(57)【要約】【課題】  容易でかつ、熱影響が少なく、異種材の微細な部品の接合を可能とする接合方法を提供する。【解決手段】  頭部３を持つリベット状の軸状部材１と、軸部２の径よりやや大きい径の穴６，７を開けた板状部材４，５を、穴６，７に軸部２を勘合した状態でレーザー加工機の加工ステージ１０に固定する。軸端面８の外周部分に超短パルスレーザー１１を複数回照射し、発生した高圧プラズマによる衝撃波で照射部を軸方向に押圧するとともに、外径側に材料流動を生じさせて張り出し部１２を形成し、部材４，５を頭部３と張り出し部１２で挟み込むことで塑性接合する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
頭部を持つリベット状、あるいはそれに類する形状をもつかしめ材の軸部を、一つ、または重ねた複数の板状の被かしめ材に開けられたかしめ材の軸よりやや大きい直径の穴に勘合させた状態で、被かしめ材から突き出たかしめ材の軸端面の外周付近に、空気中または液中にて、超短パルスのレーザーを軸端側から複数パルス照射し、生じた衝撃波で照射部近傍の材料を軸方向に押圧するとともに軸の外径方向に張り出させることで、被かしめ材の抜け止めとするとともに、その張り出した材料が軸方向に押圧されることで被かしめ材を挟み込んで接合することを特徴とする塑性接合法。
【請求項２】
頭部を持つリベット状、あるいはそれに類する形状をもつかしめ材の軸部を、一つ、または重ねた複数の板状の被かしめ材に開けられたかしめ材の軸よりやや大きい直径の穴に勘合させた状態で、被かしめ材の表面と同一面、あるいは被かしめ材の穴の中にあるかしめ材軸端面の外周付近に、空気中または液中にて、超短パルスのレーザーを軸端側から複数パルス照射し、生じた衝撃波で照射部近傍の材料を軸方向に押圧するとともに軸の外径方向に張り出させることで、被かしめ材の穴内径にかしめ材を密着充填させることによる摩擦力をもって、あるいは張り出したかしめ材の一部を被かしめ材穴内径に食込ませることで、被かしめ材を接合することを特徴とする塑性接合法。
【請求項３】
頭部を持つリベット状、あるいはそれに類する形状をもつかしめ材の軸部を、一つ、または重ねた複数の板状の被かしめ材に開けられたかしめ材の軸よりやや大きい直径の穴に勘合させ、かしめ材端面が被かしめ材の表面と同一面、あるいは被かしめ材から突き出た状態で、被かしめ材の穴の外周付近に、空気中または液中にて、超短パルスのレーザーを軸端側から複数パルス照射し、生じた衝撃波で照射部近傍の材料を軸方向に押圧するとともに穴の内径方向に張り出させることで、かしめ材の軸外径に被かしめ材を密着充填させることによる摩擦力をもって、あるいは張り出した被かしめ材の一部をかしめ材軸外径に食込ませることで、被かしめ材を接合することを特徴とする塑性接合法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短パルスレーザーを照射したときに生じる衝撃波を利用し、微小な塑性材料の部品を変形させることで複数の部品を塑性接合あるいは脱落防止する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の部品の軽量化や高機能化の要求により、複数の異なる種類の材料を接合する技術が必要とされてきている。一般的な接合法としては溶接が挙げられるが、溶接は、溶接部が熱影響層によって変質することが問題となり、材料の組み合わせによっては接合できないといった欠点もある。もうひとつの一般的な接合法としては、リベットなどのかしめ接合に代表される塑性接合法が挙げられる。塑性接合法は、かしめ材と被かしめ材を勘合し、ハンマや金型などでかしめ材の一部を加圧して塑性変形させることで被かしめ材を挟み込んで締結する接合法である。熱を使わないことから熱影響による材質の低下などがなく、機械的接合で材料の組み合わせを選ばないため、異種材料の接合に有効な加工法である。そのため、塑性接合法は、信頼性が高く、生産性に優れた容易な接合方法として多用され、さらに用途に応じて様々な塑性接合法が考案されている。
【０００３】
近年考案された塑性接合法としてショットピーニングによる接合法がある（例えば、非特許文献１参照）。ショットピーニングはショットと呼ばれる鋼球などの投射体を被加工物に投射し、被加工物内部に圧縮残留応力分布を生じさせる表面処理方法であり、部品の寿命向上方法として多用されている。この接合法はショットの衝突による残留応力分布よりも、材料表層の塑性変形を積極的に利用して、被加工材に開けられた穴に異種材料を埋め込み接合する方法である。塑性変形による機械的な接合で、材料の組み合わせを選ばないため、異種材の接合が試みられている。しかし、ショットピーニングではある程度の分布を持ってショットが衝突するため、接合部以外の部品表面も加工されてショットピーニング独特の梨地状に荒らされてしまう。さらに複数のショットが大きな運動量を持って衝突することから、小さな被加工物はショットの衝突で跳ね飛ばされてしまうため、微小な部品への適用は容易ではない。
【０００４】
一方、近年超短パルスレーザーを利用した加工が盛んに研究されており、その実用例のひとつにレーザーピーニングがある。（例えば非特許文献２参照）物質表面に超短パルスレーザーを集光照射すると、瞬間的に高圧のプラズマが発生する。特に水中の被加工物に照射した場合は水の慣性によって数GPaの圧力が発生するといわれている。このプラズマによって引き起こされる衝撃波により被加工物表面は塑性変形し、ショットピーニングと同様の残留応力分布を得ることが出来る。ピーニングしたい場所に集光点を移動させてから、あるいは集光点を走査しながら加工できるため、所望の場所に局所的な加工が可能で、余分な表面荒れは発生しない。また、ショットの衝突と違い、反力が小さいため、小さな被加工物でも比較的容易に加工が出来る。
【０００５】
しかし、これまでレーザーピーニングは応力分布を得ることが主目的とされ、レーザーピーニングの際に生じる表面層の塑性変形を積極的に利用する加工法は、試みられていなかった。かしめ材と被かしめ材を勘合した上で、かしめ材の一部を狙って超短パルスレーザーを照射し、レーザーピーニングの要領で塑性変形を発生させれば、抜け止め部を形成して被かしめ材を挟み込み，かしめ接合することが出来る。この方法ではレーザーピーニング同様に余分な表面荒れが発生せず、微細な部品を接合することが出来る。
【非特許文献１】「塑性と加工（日本塑性加工学会誌）」第４７巻第５４２号、                      ２００６年、ｐ．２２１−２２５
【非特許文献２】「レーザー研究（レーザー学会誌）」第３３巻第７号、２００５年、                      ｐ．４４４−４５１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微小な部品の接合には、レーザーによるスポット溶接などが用いられるが、溶接部の熱影響による変質が避けられず、材料の組み合わせによっては溶接ができない。そこで熱影響が無く、材質の組み合わせも選ばない塑性接合が有力な手段となりえるが、微小部品には微小なかしめ材を用いる必要があり、ハンマや金型でかしめ接合すると工具との位置あわせが困難で、加工力や加工停止位置の制御も難しいため、塑性接合することは容易ではなかった。本発明が解決しようとする課題は、容易でかつ、熱影響が少なく、異種材の微細な部品の接合を可能とする接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために成された本発明に係る接合方法は、頭部を持つリベット状、あるいはそれに類する形状をもつかしめ材の軸部を、一つ、または重ねた複数の板状の被かしめ材に開けられたかしめ材の軸よりやや大きい直径の穴に勘合させた状態で、被かしめ材から突き出たかしめ材の軸端面の外周付近に、超短パルスのレーザーを軸端側から複数パルス照射し、生じた衝撃波で照射部近傍の材料を軸方向に押圧するとともに軸の外径方向に張り出させることで、被かしめ材の抜け止めとするとともに、その張り出した材料で被かしめ材を挟み込んで塑性接合することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明に係る接合方法は、必ずしもかしめ材の軸端面が被かしめ材から突き出ている必要は無く、軸端面が被かしめ材の表面と同一面内にあっても、表面より奥側に引っ込んだようになっていてもよい。つまり本発明の別の形態としての接合方法は、頭部を持つリベット状、あるいはそれに類する形状をもつかしめ材の軸部を、一つ、または重ねた複数の板状の被かしめ材に開けられたかしめ材の軸よりやや大きい直径の穴に勘合させた状態で、被かしめ材の表面と同一面、あるいは被かしめ材の穴の中にあるかしめ材軸端面の外周付近に、超短パルスのレーザーを軸端側から複数パルス照射し、生じた衝撃波で照射部近傍の材料を軸方向に押圧するとともに軸の外径方向に張り出させることで、被かしめ材の穴内径にかしめ材を密着充填させることによる摩擦力をもって、あるいは張り出したかしめ材の一部を被かしめ材穴内径に食込ませることで塑性接合することを特徴とするものである。
【０００９】
なお、本発明に係る接合方法は、かしめ材の軸端が被かしめ材の表面より突き出ている、あるいは両者が同一面にある場合には、レーザーの照射位置をかしめ材端面に限定する必要は無い。被かしめ材の穴入口外周部にレーザーを照射して、被かしめ材を穴の内側に張り出させてかしめ材と密着させても、摩擦や材料の食い込みによる接合効果が得られる。さらに、被かしめ材とかしめ材の両方に照射して塑性変形させることで両者を密着させてもよい。
【００１０】
また、かしめ材の軸端が被かしめ材の表面から突き出た状態で、軸端面外周部にレーザーの照射を行い、軸外径に張り出した材料が被かしめ材を挟み込まない程度の変形をしたところで照射を停止すれば、外径に張り出した材料は被かしめ材の抜け止めとして機能させることが出来、一方被かしめ材は軸に固定されず、軸を中心に自由に回転できるようになり、回転部材として使用することが出来る。
【００１１】
また、これらのレーザー照射は、空気中で実施しても、水などの液中で実施してもよく、レーザー照射によって生じる衝撃波が材料を塑性変形させるのに十分大きければ空気中、不十分であればより大きい衝撃波の得られる液中にて実施すればよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の接合法は、金型を要しないかしめ接合であるため、微細な部品の加工に不可欠な精密な金型や金型とかしめ材の精密な位置合わせ作業などが不要である。超短パルスレーザーは照射部分の熱影響が小さいことが特徴として挙げられ、溶接の際に発生するような熱による変質層は極めて小さくできる。また、接合強度は、パルスレーザーの強度、照射回数などの調整および照射する場所の選択で容易に調整することが出来るため、締めすぎによる部品の破損も抑制できる。カメラなどでレーザーの照射位置を定めてから局所的に照射して変形させることが出来るため、加工部以外の場所まで加工してしまうことや、加工部以外の表面を荒れさせてしまうこともない。レーザーを走査させることも出来るので複雑な断面形状の勘合部であっても適用できる。さらに、加工される領域の大きさが照射スポットと同レベルであるため、レーザーのスポット径を小さくすることで微細な領域を加工することが可能であり、レーザー照射時の衝撃も小さいので加工中に部品を跳ね飛ばしてしまうこともないため、微細な部品の加工に適している。また塑性接合であるため異なる材料の部品を接合することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施例を用いて本発明の最良の形態を以下に説明する。
【実施例】
【００１４】
（実施例１）
本発明に係る加工工程の一例を図１に示す。頭部３を持つリベット状の軸状部材１をかしめ材として用い、部材１の軸部２の径よりやや大きい径の穴６，７を開けた板状部材４，５を被かしめ材として用いた。（図１（ａ））部材１は線材や細線から鍛造などで製造でき、穴６，７は切削、せん断加工、放電加工、レーザー穴あけなど様々な方法で加工できる。板状部材４，５を、穴６，７をあわせた状態で重ね、軸部２を穴６，７に勘合する。部材４，５は互いに異なる材質でもよく、部材１とも異なる材質であっても良い。この状態で各部材を固定するようクランプ力９をかけてレーザー加工機の加工ステージ１０に固定する。（図１（ｂ））部材の固定方法は固定用のジグを用いたり、テープ等を用いた簡易な固定でも良い。部材５の上面から突き出た軸端面８の外周部分に超短パルスレーザー１１を複数回照射した。レーザーの種類としては超短パルスであればYAGレーザーなどでも良いが、衝撃波を効率的に発生できるという点と熱影響が極めて小さいという点でフェムト秒チタンサファイアレーザーをもちいた。レーザーを照射された部分は衝撃波で軸方向に押圧されるとともに、外径側に材料流動を生じて張り出し部１２が形成され（図１（ｃ））、部材４，５の抜け止めとして機能する。さらに張り出し部１２がその後の照射でさらに軸方向に押圧されることで、部材５の上面に密着し、部材４，５を頭部３と張り出し部１２で挟み込むことで接合がなされる。
【００１５】
集光点を撮影できるカメラなどをもちいて照射位置の狙いを定めることで、照射する場所を選択することが出来るため、軸端面８の外周部のある位置に選択的にレーザーを照射することが出来る。照射する場所および照射場所の数は、接合強度に応じて調整すればよく、最低限の強度でよければ、図２のように外周部３箇所程度を照射、加工すればよい。より高い接合強度が必要であれば照射場所を増やす、あるいはレーザーをかしめ材外周に沿って円を描くように複数回走査させ、図３のように外周全体を照射、変形させればよい。
【００１６】
（実施例２）
上記実施例１で図１の勘合した状態で、図４のように部材５の穴７の外周部にレーザー１３を照射し（図４（ａ））、穴７の入口を内径側に張り出させ、張り出し部１４を形成することで、穴内径の材料を軸部２に密着あるいは食い込ませ（図４（ｂ））、塑性接合させることも出来る。部材１の軸端の変形を避けたい場合や、部材１の変形抵抗が大きく塑性変形が困難な場合に適用できる。
【００１７】
（実施例３）
上記実施例１は、軸端面８が部材５の上面から突き出た場合であるが、軸端面８は図５のように板面と同じ位置、または図６のように穴の中にあってもよい。図５の状態で軸端面８にレーザーを照射して軸を張り出させると図７のように張り出し部１７を穴７の内径に密着あるいは食い込ませることで接合できる。図６の場合も同様に、図８のように張り出し部１８を穴７の内径に密着あるいは食い込ませることで接合できる。実施例１のように部材４，５を挟み込まないので接合強度としては弱くなるが、設計上軸端面８の突き出しが許されない場合に適用できる。
【００１８】
（実施例４）
また、かしめ材としては、リベット状でなくても図９（ａ）のように板面から円柱形状の軸２０が出た形状の部材１９を用いても良い。このような部材１９は板材から軸を押し出し加工することで得られる。また実施例２のような方法で線材と板材を接合して製作しても良い。部材２１には軸部２０の軸径よりやや大きい径の穴２２を開けておき、この穴２２を軸部２０に勘合し、軸端面２３が部材２１の上面より突き出るようにする。この状態で、軸端面２３の外周部にレーザー２４を照射し、軸外径に張り出し部２５を形成する。張り出し部２５がまだ部材２１を締め付けない状態で加工を停止すれば（図９（ｂ））、張り出し部２５は部材２１の抜け止めとして機能し、部材２１は軸２０を中心として自由に回転することが出来る。部材２１をカムや歯車とすれば、軸を中心に回転して駆動力を伝達する機構を構成することが出来る。
【００１９】
（実施例５）
軸状でない部品をかしめ材、被かしめ材としても本発明の応用は可能である。図１０（ａ）のように、矩形の板の角部に切り欠き部２８を設けて突起状に加工した板材２６と辺の中央に切り欠き２９を設けた板材２７を図１０（ｂ）のように勘合し、突き合わせた状態で勘合部近傍の照射部３０に超短パルスレーザーを照射する。板表面に塑性変形が生じ、板面方向に延展されることで、板材２６の張り出し部３１と板材２７の張り出し部３２が形成され、張り出し部３１と３２が互いに圧着されるため、板材２６が板材２７に挟み込まれた状態になって固定され、二つの板材を突き合わせ接合することが可能である。
【００２０】
（実施例６）
本発明ではレーザー照射によるプラズマの発生と共に照射部表面の一部が除去加工されてしまう。よってプラズマの圧力による以外にも除去加工によっても照射部表面に窪みが発生する。この窪みを利用して外径への張出しを形成してかしめ接合を行うことも可能である。図１１（ａ）のように端面８の外周からやや内側にレーザー１１を照射すると、図１１（ｂ）のように除去加工によって端面に窪み３３が発生する。窪み３３内にレーザーを照射すると窪みの中でプラズマによる衝撃波が発生し、材料を軸方向に押圧すると共に窪み内から半径方向外側に材料を押し出す圧力が発生する。この半径方向の圧力による変形で、かしめ材外径には凸部３４が形成され、これをもって抜け止めまたはかしめ接合を実現できる。実施例１から５は、いずれもこのようなかしめ材の変形のさせ方でも接合が可能である。また窪み３３内にさらに圧力を生じさせ続ければ、凸部３４を図１１（ｃ）のように外径側に倒してより大きな抜け止め部３５を形成することもできる。図１１よりもさらに軸径の小さいかしめ材であれば、かしめ材の中心部にレーザーを照射することで外径全周にこのような張り出し部を形成してかしめ接合することが出来る。さらに図１１（ｃ）のように、レーザーを外側に走査させて圧力発生部を外径側に移動させることで、強制的に凸部３４を外径側に倒していくことが可能となり、大きな抜け止め部３５を形成でき、より強力なかしめ接合を実現できる。
【００２１】
（実施例７）
本発明で用いるレーザービームは成形されたビームであってもよい。図１２のように回折格子３６によって多点に分岐されたレーザー３８をレンズ３７でかしめ材表面に集光した場合は、かしめ材の軸に対して対称となる位置に同時に照射すれば、かしめ材にかかる力も軸対称となって、かしめ材の曲がりや倒れを抑制することが出来る。図１３のようにアキシコンレンズ３９を用いてリング状に成形されたビーム４１を用いた場合は、リング状のビームをかしめ材の端面外周に合わせてレンズ４０で集光照射すれば、かしめ材の全周を同時加工できるため、曲がりを抑制できる上に、加工時間も短縮できる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は微細な加工に適した接合法なので、マイクロマシンの製造などへの応用が可能である。また、超短パルスレーザーは衝撃波を発生させる以外にも、穴あけや切断加工が可能であり、ひとつのレーザー加工機を、それらの除去加工とともにかしめ接合も行える複合加工機として使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１での工程の概略図
【図２】本発明の実施例１で、かしめ材端面を３点のみ加工した場合の接合後のかしめ材および被かしめ材の外観図
【図３】本発明の実施例１で、かしめ材端面を全周加工した場合の接合後のかしめ材および被かしめ材の外観図
【図４】本発明実施例２の工程の概略図
【図５】本発明実施例３の軸端面が被かしめ材上面と同じ位置にある場合のかしめ前の概略図
【図６】本発明実施例３の軸端面が被かしめ材上面より奥側にある場合のかしめ前の概略図
【図７】本発明実施例３の軸端面が被かしめ材上面と同じ位置にある場合のかしめ後の概略図
【図８】本発明実施例３の軸端面が被かしめ材上面より奥側にある場合のかしめ後の概略図
【図９】本発明実施例４の抜け止め形成の工程概略図
【図１０】本発明実施例５の付き合わせた板材の接合方法の工程概略図
【図１１】本発明実施例６での工程の概略図
【図１２】本発明実施例７の回折格子による多点同時加工の概略図
【図１３】本発明実施例７のアキシコンレンズによる外周同時加工の概略図
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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