アルミ材への鋼材ボルトの超音波接合に関する研究
機械情報システム課 羽柴利直*1、中村陽文
企画管理部 石黒智明
1. 緒言

鋼材ボルトの頭部の根本を直接加圧し、固定する構造と近年、軽量化や耐食性の向上のため、自動車や建材などした。中間材の上面はホーンのローレット加工面によりの製品には、アルミ部材が広く用いられている。アルミ部固定するため平面とし、中間材を伝搬する加振振動の減材の連結部においては、強度を必要とするため鋼材ボル衰を抑制するために鋼材ボルトの軸径よりも大幅に太いトが多用されているが、アルミとの融点差が大きく溶接外径 10mm の円柱構造とした。鋼材ボルトと接する下面が困難であることから、アルミ部材に直接鋼材ボルトを側は、接合界面で生じる摩擦熱の拡散を抑制するため、テ接合して他部材とのボルト締結に利用している事例はほーパ加工により細くした。鋼材ボルトの軸部が通る穴をとんど見られない。

直径 4mm のキリ穴とした中間材（以下、キリ穴中間材と超音波接合は固相接合であることから、このような融示す。）に加え、鋼材ボルトと中間材をより強固に固定す点差の大きい異種材料の接合に適用可能であるが、加振るために M4 のねじ穴加工を行い、鋼材ボルトの軸部を材を鋼材ボルトとしてアルミ部材に超音波接合する場合、固定できる中間材（以下、ねじ穴中間材と示す。）の 2 種

通常の方法では、鋼材ボルトの軸部を伝搬させることに類の中間材を試作した。

よる加振振動の減衰により、接合界面で清浄面を露出させるための摩擦振動を得ることが困難である。また、ホーンと加振材が同種金属の鉄鋼材料となるため、加振材がホーンに固着しやすく、ホーンが極めて短寿命になるという問題もある 1)。
Fig. 2 Shape of insert material

本研究では、鋼材ボルトを加振材、アルミ合金板材を固定材として、ホーンと加振材の間に固着防止用中間材を適用し、これに加振振動を伝搬させることにより、これらの超音波接合を試みた。

接合試験には超音波工業株式会社製の接合機
USW0620G3X（出力 600W、加振周波数 19kHz）を用い、ホーンのローレット加工面（14mm×14mm）を中間材に2. 実験方法

押し当て、加圧、加振して接合を行った。接合条件は、加実験に用いた試験片を図 1 に示す。本研究では、加振材を市販の M4 六角穴付き皿ボルト（SUS304 相当品）、固定材を板厚 2mm の ADC12 板材とした。接合位置は固圧力を 100～600N、加振時間を 1～4s とした。
3. 実験結果および考察定材の端から 10mm の位置として、その反対側の端から試作した中間材を用いて接合試験を行った結果を表 110mm の位置をクランプゴムにて固定して接合を行った。に示す。接合試験の結果、キリ穴中間材を適用した場合には接合可能となる接合条件を見出すことができなかったが、ねじ穴中間材を適用した場合には、加圧力 600N、加振時間 4s の条件において接合可となった。鋼材ボルト、ホーンの中間材への固着は、いずれの接合条件においてFig. 1 Shape of test pieceも生じなかった。
ここで、特定の接合条件において接合可となった原因試作した中間材を図 2 に示す。加振材およびホーンのが各部の振動状態にあると考え、それぞれの接合条件に材質である鉄との固溶が小さい金属であれば拡散等によおけるホーンの加振に要した振動エネルギーを測定し、る固相での接合が生じにくく、これらへの固着が抑制で平均出力を算出した。その結果を図 3 に示す。平均出力きると考え銅に着目し、強度や剛性を確保するため、中間（W）は、ホーンの加振に要した振動エネルギー（J）を材の材質として黄銅（C3604）を選定した。

加振時間（s）で割ることにより求められる値である。図

中間材に鋼材ボルトの軸部が通る穴を設け、中間材が3 より、いずれの中間材においても、加振時間の長短にかかわらず加圧力が 400N までは加圧力の増大に伴い平均*1 現88

ものづくり研究開発センター

Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.34 (2020)

出力が増大することが明らかになった。これは、加圧力のえられる。中間材の形状を改善し、鋼材ボルトとの滑りや増大に伴い、鋼材ボルトとアルミ板材の接合界面においガタつきを抑制するとともに、中間材における振動の減て摩擦力が増大し、ホーンの一定振幅加振に必要なエネ衰を抑制することにより、幅広い接合条件で接合可能とルギーが大きくなったためと考えられる。

なり、接合条件の最適化により実際の製品に適用できる

加圧力が 600N の条件においては、ねじ穴中間材を適用接合強度が得られるものと考えられる。

した場合には加圧力 400N の条件と平均出力がほぼ同じ値となったが、キリ穴中間材を適用した場合には平均出力が大幅に低下した。キリ穴中間材では、中間材による鋼材ボルトの固定は鋼材ボルトの頭部と中間材の穴の形状効果のみによって得られており、この部分で滑りが生じる可能性がある。このため、加圧力が 600N の条件において、接合界面の摩擦力に対してこの固定力が下回り、滑りが生じたことが平均出力の低下の原因と推測される。一方、ねじ穴中間材では、鋼材ボルトと中間材がねじ締結により強固に固定されているため、この部分での滑りが生じることなく加振振動が伝搬されたと考えられる。

Fig. 3 Influence of welding force to average output
4. 結言
試作した中間材を用いて鋼材ボルトのアルミ板材への超音波接合を試みた結果、接合可能となる接合条件が確認された。今後、各部の振動の計測、解析や接合界面の観察、分析を行い、その結果に基づき中間材等の形状をさらに工夫することにより、実際の生産現場への超音波接合
Table 1 Result of joining test
また、ねじ穴中間材を適用した接合で高加圧力、長時間加振の条件においてのみ接合可となったことから、加振振動が中間材を伝搬する過程で大きく減衰していると考の適用が可能となる接合技術が確立できると考えられる。
参考文献
1)羽柴ほか、若い研究者を育てる会「研究論文集」,28,
37-44（平成 26 年度）

キーワード：超音波接合、アルミ材、鋼材ボルト、中間材、加振振動

Study on Ultrasonic Welding of Steel Bolts
Mechanics and Digital Engineering Section ; Toshinao HASHIBA*1, Takafumi NAKAMURA
Monozukuri Research and Development Center ;Tomoaki ISHIKURO
The aim of this study is to develop practical techniques of joining steel bolts to aluminum materials by ultrasonic welding.
Some shapes of insert materials were manufactured in order to avoid fixation of horn and steel bolt, and ultrasonic welding wascarried out with using them. As a result of the experiment, it was possible to join under particular joining condition, and thedifference in average output considered to be related to sliding between insert material and steel bolt was confirmed.

富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.34 (2020)89