アルミ材へのリベット形状部品の超音波接合に関する研究
製品・機能評価課 羽柴利直*1

デジタルものづくり課 石黒智明

1. 緒言
既報 1) 2) で平リベットと ADC12、A6063、および丸リベットと ADC12 との超音波接合について得られた結果を示した。そして、加圧力を 100N とした場合、ローレットがリベットに食い込まず、加振材にホーンの振動が
図 1 接合後のリベット伝搬しないために接合強さが上がらないことを示した。
ローレットが食い込み難い理由として、リベットの硬度が高かったことが原因と考えられる。そこで、本研究では、焼鈍軟化した丸リベットを用い、未処理材と比較することにより、ローレットの食い込みやすさと接合強さの改善の可能性を検証した。

図 2 未処理材のバリの SEM 写真
2. 実験方法および結果

加圧力

実験には、加振材として A1070 製リベット(シャフト:4003000.1200

端部のビッカース硬さ(HV0.01)を測定したところ、O 材

600N500O材

0.2

加圧力500N 600N

変位 mm間処理して作製した(以下、O 材と示す)。リベットの先0.2

変位 mm

太さ φ5×45mm)を用い、焼鈍材は、これを 345°C で 1 時

未処理材

400
300
2000.1100

1000

では約 33 であったが、未処理材では約 60 であった。

000.20.400.2

固定材には、A6063 の押し出し板材(HV5:約 71、25×0.4

加振時間 , s

加振時間 , s

図 3 接合時のホーンの変位70×2mm)を用いた。接合条件は、加振時間 0.4s、加圧力で引張試験を行い破断荷重を求め、剥離後の接合面積で加圧力600N

未処理材
500N

400N
300N
200N
100N

100

超音波出力 , W

び超音波出力を測定した。接合材は引張速度 1mm/min

200超音波出力 , W

100～600N とした。そして、接合時のホーンの変位およO材

200

加圧力600N
500N
400N
300N
200N

100100N除して接合強さを求めた。なお、接合試験に用いた超音波接合機およびホーン形状は既報と同様である。
未処理材を接合した場合は、接合面にバリの生成が認

0000.2

加振時間 , s0.400.2

加振時間 , s0.4

図 4 超音波出力の変化

められ、引張試験後の殆どの場合において、バリはリベット側に付着していた。O 材ではバリの生成は認められホーンの変位は、O 材の方が未処理材より大きく、加なかった。図 1 に加圧力 300N で接合試験を行ったリベ

圧力が大きいほど O 材では変位は大きくなるが、未処理ット頭部の写真を示す。リベットに生成したバリを見や材では飽和する傾向にある。また、O 材の 200N 以上、すくするために、頭部を黒色に塗ったリベットを用いて未処理材の 300N 以上では、加振開始直後は直線的に増接合試験を行ったものである。図より分かるように、バ加し、その後緩やかに増加する。そして、直線増加以降リはホーンの加振方向に発生している。の変位は、未処理材がO 材より増加量が大きい。
これは、

図 2 に未処理材のリベットに生成したバリの SEM 写リベット材からのバリ発生が原因と予想される。加圧力真を示す。バリには縞状の模様が見られ、また、元素分がこれらより小さい場合には、変位は連続的に増加して析の結果、Mg がほとんど認められなかったことから、いく。この原因は、前報でも示したが、ホーンのローレリベットが加振振動により加振方向に周期的に削られてットの加振材への食い込みが小さく、ホーンの振動が加発生したものと考えられる。

振材に十分伝わっていないために、加振材と固定材の界図 3 に接合時のホーンの変位を、図 4 に超音波出力の変化をまとめた。なお、図の曲線は、n=6 の平均であり、変位は、プラス側が沈み込む方向に対応している。
*1 現面で摩擦が生じず、リベット頭部の変形のみにより変位が増加しているためと考えている。
超音波出力は、変位が大きいものほど大きくなってい

機械電子研究所
富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.37 (2023)

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る。すなわち、変位が飽和する傾向を示した未処理材で10100020

接合面積 , mm

25加圧力●:100N○:200N▲:300N△:400N■:500N□:600Nにピークを認めるが、これは、前述の変位量の変化から、ホーンのローレットがリベット頭部に大きく食い込むこ

接合面積 , mmは、出力も飽和する傾向を示した。また、O 材では初期

2未処理材

O材

加圧力
●:100N○:200N▲:300N△:400N■:500N□:600N

5とにより、接合界面での摩擦抵抗に加えてリベット頭部の変形抵抗が加わり、加振抵抗が急激に増大したためと

4060

接合エネルギー , J0080204060

接合エネルギー . J80

図 5 接合エネルギーと接合面積推測される。
これらの結果から、リベットの焼鈍軟化により、ホーO材破断荷重 , Nものと推測される。
図 5 に接合エネルギーと A6063 板上の剥離痕の面積の加圧力●:100N○:200N▲:300N△:400N■:500N□:600N

600

未処理材

破断荷重 , N

600

ンのローレットのリベットへの食い込みが改善している

加圧力●:100N○:200N▲:300N△:400N■:500N□:600N

400200400200関係を示した。接合エネルギーは、接合時に投入した全00電気量であり、ホーンのみを加振した場合に要したエネ

210005210

接合面積 , mm

図 6 加圧力と接合強さルギーを減じた値で表示してある。また、接合面積は、
A6063 のダイスマークが残存している部分を除外して求5接合面積 , mm

3. 結言めた。図より、接合面積は接合エネルギーと比例関係が焼鈍軟化したリベットを用いて超音波接合を試み、未あること、O 材と未処理材では接合エネルギーが同じ場処理材との比較を行った結果、O 材化によりホーンの変合の接合面積はほぼ等しいことが分かる。また、この図

位が大きくなったことから、ローレットの食い込みやすより、同じ加圧力でも接合エネルギーに大きな幅のあるさが改善したと考えられる。しかし、O 材化によりリベことが分かる。

ットの強さが低下したために、接合強さに向上は見られ

図 6 に、引張試験の破断荷重と接合面積の関係をまとなかった。一方、未処理材では、変位は小さかったが、めた。
接合面積に対する破断荷重のばらつきは大きいが、接合強さから十分に接合していると考えられる。これら

面積が大きいほど荷重が大きくなる傾向を示している。のことから、ホーンのローレットの加振材への食い込み

また、おおまかには、加圧力が大きいほど破断荷重、量を大きくして、接合面積、接合力を向上させるために接合面積が大きくなる傾向を示している。このことは、は、加圧力を大きくすることが有効であると考えられる。

前述のホーンの変位量の変化から、加圧力が大きいほどまた、接合エネルギーと接合面積の間には良好な相関

ホーンのローレットのリベットへの食い込み量が増大し、があることが明らかになった。

ホーンと加振材の間の滑りが抑制され、加振振動が加振材に効率良く伝搬したことを示していると考えられる。

参考文献

この図から接合強さを求めると、未処理材は 90MPa程度、O 材は 30MPa 程度の値を示した。図中の破線がそれぞれの強さに該当しており、これらの値は未処理材、O 材の母材強さに匹敵している。

1)羽柴ほか,富山県産業技術研究開発センター研究報
告, No.35(2021)pp.13-142)羽柴ほか,富山県産業技術研究開発センター研究報
告, No.36(2022)pp.31-32

キーワード：超音波接合、丸リベット、接合強さ、変位、超音波出力

Study on Ultrasonic Welding of Aluminum Rivets
Product and Function Evaluation Section ; Toshinao HASHIBA*1
Digital Manufacturing Section ; Tomoaki ISHIKURO
The aim of this study is to develop practical techniques of joining rivets to aluminum materials by ultrasonic welding. Annealed
rivets were manufactured in order to improve fixation by welding horn, and ultrasonic welding was carried out with using those rivets.
As a result of the experiment, the increase of the magnitude in displacement of welding horn while welding considered to be related
to biting depth into rivet was confirmed.

36Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.37 (2023)