JP2021112746A - Stud joining method - Google Patents
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- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
被接合物とスタッドとを超音波振動を用いて接合するスタッド接合方法に関する。 The present invention relates to a stud joining method for joining an object to be joined and a stud using ultrasonic vibration.
一般の構造物においては、鋼板などの被溶接材の表面にスタッド（例えば、ピン、ボルト、ネジ）を取り付ける方法として、スタッド溶接による接合方法が知られている。スタッド溶接においては、スタッドの先端に設けた突起を被溶接部の表面に押し当てて、両者の間にアークを発生させた後、スタッドを被溶接材へ押し付ける。発生したアーク熱により両者の接合部を溶融させて溶接が行われる。図６の（ａ）および（ｂ）にスタッド溶接を行った後の様子を示す。（ａ）は、スタッド溶接をした後の状態を示し、（ｂ）は、拭き取り作業を行った後の状態を示す。スタッド２と被溶接材２１とが溶融した瞬間にスパッタ２２が発生する。図６の（ａ）に示すように、当該スパッタは、溶接時のガス放出によりスタッド２の周辺に飛散して、被溶接材２１の表面に付着する。そのため、図６の（ｂ）に示すように、スタッド溶接を行った後は、被溶接材２１の表面に付着したスパッタ２２を拭き取って除去する必要があった。しかし、スパッタの拭き残し２３が生じて、溶接部の外観を損なうことがあった。
In a general structure, a joining method by stud welding is known as a method of attaching studs (for example, pins, bolts, screws) to the surface of a material to be welded such as a steel plate. In stud welding, a protrusion provided at the tip of the stud is pressed against the surface of the welded portion to generate an arc between the two, and then the stud is pressed against the material to be welded. Welding is performed by melting the joint between the two by the generated arc heat. 6 (a) and 6 (b) show the state after stud welding. (A) shows the state after stud welding, and (b) shows the state after wiping work is performed.
上記の問題を解決するため、特許文献１、２のような方法が提案されている。特許文献１は、スパッタに相当するスラグを容易に除去するための方法が開示されている。スタッド溶接を行う前に、溶接部の外周にスラグ付着防止液を塗布して液付着部を形成する。溶接によって飛散したスラグは、液付着部に浮遊するので、溶接後に液付着部を除去することでスラグを取り除くことができる。
In order to solve the above problems, methods such as
特許文献２は、スパッタ飛散を一定範囲に留める方法が開示されている。母材表面にスタッド溶接するボルトの溶接面よりも広い面を持ちかつ周辺の母材表面よりもわずかに低い凹みを形成し、この凹みにボルト溶接する。発生したスパッタは、凹み内に留まるので、スタッド周辺へのスパッタ飛散を防止することができる。
しかし、特許文献１のスタッド溶接方法は、溶接を行う前に、被溶接材の表面にスラグ付着防止液を塗布する必要があり、溶接後にスラグ付着防止液を拭き取る必要がある。特許文献２のスタッド溶接方法は、溶接を行う前に、母材に凹みを設ける加工を施す必要がある。そのため、特許文献１、２の方法はいずれも、溶接に伴う作業工程が多くなることを避けられない。
However, in the stud welding method of Patent Document 1, it is necessary to apply a slag adhesion preventive liquid to the surface of the material to be welded before welding, and it is necessary to wipe off the slag adhesion preventive liquid after welding. In the stud welding method of
また、家電、自動車、建材等の分野において、耐食性を備えた素材として、亜鉛、亜鉛−アルミニウム合金、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金などのめっき層を有する亜鉛系めっき鋼板が広く使用されている。スタッド溶接は、アーク熱によってスタッド接合部を溶接するので、スタッド接合部の周囲のめっき層が溶融し、図６の（ｂ）に示すように、当該めっき層の剥離２４が生じた。そのため、溶接した後、当該めっき層の剥離部分を補修する必要があった。 Further, in the fields of home appliances, automobiles, building materials and the like, zinc-based plated steel sheets having a plating layer such as zinc, zinc-aluminum alloy and zinc-aluminum-magnesium alloy are widely used as materials having corrosion resistance. In the stud welding, since the stud joint is welded by the arc heat, the plating layer around the stud joint is melted, and as shown in FIG. 6 (b), the plating layer is peeled off 24. Therefore, after welding, it is necessary to repair the peeled portion of the plating layer.
さらに、亜鉛系めっき鋼板の耐食性や耐かじり性を向上させるために、亜鉛系めっき層の表面に無機系被膜または有機系被膜を設けた表面処理鋼板が使用されている。当該無機系被膜または有機系被膜が電気的に絶縁性である場合、その表面処理鋼板には溶接するのに十分な通電性を持っていない。そのため、スタッド溶接を適用したときは、あらかじめスタッドの先端に設けられた突起によって表面処理鋼板の被膜を破壊し、十分な通電性を確保する必要があった。あるいは、スタッドを接合する箇所の絶縁性被膜をあらかじめ除去する前処理を行う必要があった。 Further, in order to improve the corrosion resistance and galling resistance of the zinc-based plated steel sheet, a surface-treated steel sheet in which an inorganic film or an organic film is provided on the surface of the zinc-based plated layer is used. When the inorganic coating or the organic coating is electrically insulating, the surface-treated steel sheet does not have sufficient electrical conductivity for welding. Therefore, when stud welding is applied, it is necessary to break the coating film of the surface-treated steel sheet by the protrusions provided at the tip of the stud in advance to ensure sufficient electrical conductivity. Alternatively, it was necessary to perform a pretreatment for removing the insulating film at the portion where the studs are joined in advance.
このようにスタッド溶接は、溶接後の作業に手間と時間が掛かっていた。そこで、溶接に代わって、作業効率の良いスタッド接合方法が求められていた。 In this way, stud welding takes time and effort after welding. Therefore, instead of welding, a stud joining method with high work efficiency has been required.
本発明は、作業効率が向上したスタッド接合方法を提供することを目的とする。さらに、めっき層を備えた被接合物に適用した場合には、スタッド周辺のめっき層の剥離が抑制されるスタッド接合方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a stud joining method with improved work efficiency. Further, it is an object of the present invention to provide a stud joining method in which peeling of the plating layer around the stud is suppressed when applied to an object to be joined provided with a plating layer.
本発明者らは、溶接による接合方法に代えて、超音波振動を用いることにより、溶接方法に付随するスパッタ飛散やめっき層剥離などの課題が解消され、実用的な接合強度を有するスタッド接合部が得られることを見出して、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は、以下の実施形態を含むものである。 By using ultrasonic vibration instead of the welding method, the present inventors have solved problems such as spatter scattering and plating layer peeling associated with the welding method, and have a stud joint having practical bonding strength. We have found that this can be obtained, and have completed the present invention. Specifically, the present invention includes the following embodiments.
（１）被接合物とスタッドとを接合するスタッド接合方法であって、前記被接合物の表面に前記スタッドを接触させて加圧するとともに、前記被接合物と前記スタッドとの接合界面に超音波振動を印加して、前記被接合物と前記スタッドとを接合すること、前記超音波振動を停止した後、前記加圧を保持することを含む、スタッド接合方法。 (1) A stud joining method for joining an object to be joined and a stud, in which the stud is brought into contact with the surface of the object to be joined to pressurize, and ultrasonic waves are applied to the joining interface between the object to be joined and the stud. A stud joining method comprising applying vibration to join the object to be joined and the stud, stopping the ultrasonic vibration, and then holding the pressurization.
（２）超音波振動手段により前記スタッドを振動させて、接合界面に前記超音波振動を印加する、（１）に記載のスタッド接合方法。 (2) The stud joining method according to (1), wherein the stud is vibrated by ultrasonic vibration means and the ultrasonic vibration is applied to the joining interface.
（３）前記被接合物は、その表面に無機系被膜または有機系被膜を有する、（１）または（２）に記載のスタッド接合方法。 (3) The stud joining method according to (1) or (2), wherein the object to be joined has an inorganic coating or an organic coating on its surface.
（４）前記被接合物は、Ｚｎ系めっき層を有する鋼板である、（１）〜（３）のいずれかに記載のスタッド接合方法。 (4) The stud joining method according to any one of (1) to (3), wherein the object to be joined is a steel plate having a Zn-based plating layer.
本発明によれば、溶接方法の場合に生じたスパッタ飛散が起きない。また、めっき層を有する被接合物については、溶接方法の場合に生じためっき層の剥離が起きない。そのため、スパッタ除去やめっき層補修といった接合後の作業を行う必要がないので、接合作業を効率的に行うことができる。また、絶縁性被膜を有する被接合物を使用したときは、溶接方法で行われる被膜除去の前処理を必要としないので、接合作業を効率的に行うことができる。 According to the present invention, spatter scattering that occurs in the case of the welding method does not occur. Further, for the object to be joined having the plating layer, the peeling of the plating layer that occurs in the case of the welding method does not occur. Therefore, it is not necessary to perform post-bonding work such as spatter removal and plating layer repair, so that the joining work can be performed efficiently. Further, when the object to be joined having an insulating coating is used, the pretreatment for removing the coating performed by the welding method is not required, so that the joining operation can be performed efficiently.
以下、本発明に係る実施形態について説明する。本発明は、以下の説明に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described. The present invention is not limited to the following description.
（スタッド接合方法）
本発明に係るスタッド接合方法は、前記被接合物の表面に前記スタッドを接触させて加圧するとともに、前記被接合物と前記スタッドとの接合界面に超音波振動を印加して、前記被接合物と前記スタッドとを接合することを特徴とする。
(Stud joining method)
In the stud joining method according to the present invention, the stud is brought into contact with the surface of the object to be joined and pressurized, and ultrasonic vibration is applied to the bonding interface between the object to be joined and the stud to apply ultrasonic vibration to the object to be joined. It is characterized by joining the stud and the stud.
超音波接合の原理は、次のとおりである。２つの被接合材を重ねて、両者の接触界面に圧力を加えて超音波振動させることにより、接触界面において互いに擦り合い、酸化皮膜や付着物が除去されて清浄な面が露出する。さらに摩擦による発熱によって加熱域が形成される。その結果、接触界面において物質拡散やアンカー効果が生じて、２つの被接合物が接合される。 The principle of ultrasonic bonding is as follows. By stacking two materials to be bonded and applying pressure to the contact interface between them to ultrasonically vibrate, they rub against each other at the contact interface, and oxide films and deposits are removed to expose a clean surface. Furthermore, a heating region is formed by heat generated by friction. As a result, material diffusion and anchoring effects occur at the contact interface, and the two objects to be joined are joined.
本発明に係るスタッド接合方法は、被接合物の表面にスタッドを接触させて、被接合物およびスタッドの両者を超音波接合装置の工具で挟持する。本発明の実施形態を図１に示す。図１に示すように、被接合物１を超音波接合装置の工具３（ホーン）で支持し、スタッド２を工具４（アンビル）で支持する。被接合物１およびスタッド２を加圧しながら、ホーン３により超音波振動が水平の振動方向７で被接合物１へ印加されると、ホーン３の動きに伴って、被接合物１とスタッド２との接合界面に反力が発生し、当該反力により接合界面で摩擦が起きる。この摩擦の発熱によって加熱域が形成され、被接合物とスタットとが接合される。
In the stud bonding method according to the present invention, the stud is brought into contact with the surface of the object to be bonded, and both the object to be bonded and the stud are sandwiched by a tool of an ultrasonic bonding device. An embodiment of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the object 1 to be bonded is supported by the tool 3 (horn) of the ultrasonic bonding device, and the
本発明に係るスタッド接合方法は、超音波接合装置の工具の配置を上記の実施形態と逆にして、スタッドをホーンで支持し、被接合物をアンビルで支持して、スタッドを振動させることにより被接合物との接合界面に超音波振動を印加してもよい。スタッドの支持手段としては、例えば、図３の（ａ）、（ｂ）に示すように、ホーン３の保持部８の挿入口３０にスタッドボルト３０を挿入し、スタッドボルト３０を機械的に固定することによりホーン３で支持することができる。被接合物１のアンビルによる支持方法は、図示を省略した。
In the stud bonding method according to the present invention, the tool arrangement of the ultrasonic bonding device is reversed from that of the above embodiment, the stud is supported by a horn, the object to be bonded is supported by an anvil, and the stud is vibrated. Ultrasonic vibration may be applied to the bonding interface with the object to be bonded. As a means for supporting the stud, for example, as shown in FIGS. 3A and 3B, the
（超音波振動手段）
図１に示すように被接合物を振動させる場合、超音波振動を付与する工具であるホーンは、ホーンの振動を被接合物へ確実に伝えるため、図２に示すように、ホーン３が被接合物１と接触する接触面５には、角錐状または円錐状の突起６を多数設けることが好ましい。当該突起６が被接合物１の表面に食い込んで被接合物１を把持し、被接合物１を所定方向へ振動させることができる。
(Ultrasonic vibration means)
When the object to be joined is vibrated as shown in FIG. 1, the horn, which is a tool for applying ultrasonic vibration, reliably transmits the vibration of the horn to the object to be joined, so that the
図３の（ａ）、（ｂ）に示すようにスタッドを振動させる場合は、スタッドとの接触面積を確保するため、ホーンの保持部によりスタッドを機械的な支持手段で挟持することが好ましい。図３の（ａ）、（ｂ）は、スタッドとしてスタッドボルト３０を使用した例である。ホーン３の保持部８には、スタッドボルト３０を挿入する挿入口９が設けられている。図３の（ａ）の保持部８は、当該挿入口９の内面が雌ねじ状の構造を有しており、当該挿入口９に挿入されたスタッドボルト３０の雄ねじ部と噛み合って、スタッドボルト３０をホーン３に固定させる。図３の（ｂ）は、当該挿入口９の内面が筒状であって、当該挿入口９の両端から突出したスタッドボルト３０の雄ねじ部に対して両側からナット３１を締め込んで、スタッドボルト３０をホーン３に固定させる。このような支持手段は、図２に示すホーン接触面５の突起６の摩耗をともなわないので、ホーンの消耗が軽減される。
When the stud is vibrated as shown in FIGS. 3A and 3B, it is preferable that the stud is sandwiched by the holding portion of the horn by the mechanical support means in order to secure the contact area with the stud. (A) and (b) of FIG. 3 are examples in which a
本実施形態では、超音波接合の条件として、周波数を２０ｋＨｚ、振幅を４８μｍ、振動開始時の加圧力を５００Ｎで行うことができる。 In this embodiment, as conditions for ultrasonic bonding, the frequency can be 20 kHz, the amplitude can be 48 μm, and the pressing force at the start of vibration can be 500 N.
（振動停止後のホーン保持時間）
本発明に係るスタッド接合方法は、超音波振動を停止した後、加圧を保持することを含むことが好ましい。超音波振動を停止すると、摩擦熱の発生も停止するので、接合部が冷却される。本実施形態では、振動を停止した後、超音波振動を発生する工具（ホーン）の押圧による加圧状態を０．３秒以上で保持することが好ましく、０．５秒以上、１．０秒以上で保持することがより好ましい。振動停止後の加圧の保持時間が過小であると、十分な接合強度を備えた接合部が得られない。これは、振動停止後の冷却時間が接合部のめっき層の凝固に影響することによると推測される。他方、長時間で保持すると、接合強度へほとんど影響しなくなるから、作業性を考慮し、保持時間は、５．０秒以下であればよい。
(Horn holding time after vibration stops)
The stud joining method according to the present invention preferably includes holding the pressurization after stopping the ultrasonic vibration. When the ultrasonic vibration is stopped, the generation of frictional heat is also stopped, so that the joint is cooled. In the present embodiment, after stopping the vibration, it is preferable to hold the pressurized state by pressing the tool (horn) that generates ultrasonic vibration for 0.3 seconds or more, and 0.5 seconds or more and 1.0 second. It is more preferable to hold the above. If the holding time of pressurization after the vibration is stopped is too short, a joint portion having sufficient joint strength cannot be obtained. It is presumed that this is because the cooling time after the vibration is stopped affects the solidification of the plating layer at the joint. On the other hand, if it is held for a long time, it has almost no effect on the joint strength. Therefore, in consideration of workability, the holding time may be 5.0 seconds or less.
（投入エネルギー）
本実施形態の超音波接合における投入エネルギーは、超音波振動装置が使用した電力（Ｗ）と超音波振動を印加した時間（ｓ）との積により算出される。投入エネルギーは、振幅、加圧力、被接合物の種類や厚みなどの条件に応じて、適宜選択できる。投入エネルギーが過少であると、十分な摩擦熱が得られないので、接合強度が不足する。投入エネルギーが過大であると、一時接合されても印加された振動によって再び離れる。そのため、適した範囲で加振することが好ましく、３００〜５７５Ｊの範囲を挙げることができる。
(Input energy)
The input energy in the ultrasonic bonding of the present embodiment is calculated by the product of the power (W) used by the ultrasonic vibration device and the time (s) in which the ultrasonic vibration is applied. The input energy can be appropriately selected according to conditions such as amplitude, pressing force, type and thickness of the object to be joined. If the input energy is too small, sufficient frictional heat cannot be obtained, resulting in insufficient bonding strength. If the input energy is excessive, even if it is temporarily joined, it will be separated again by the applied vibration. Therefore, it is preferable to vibrate in a suitable range, and the range of 300 to 575J can be mentioned.
（接合強度）
本実施形態に係るスタッド接合方法により得られた接合部の接合強度は、本明細書では、引張試験で得られた最大荷重（単位：ｋＮ）の数値で示した。
(Joint strength)
In this specification, the joint strength of the joint portion obtained by the stud joining method according to the present embodiment is indicated by a numerical value of the maximum load (unit: kN) obtained in the tensile test.
（被接合物）
被接合物の形態は、特に限定されない。板材、形材、管材などに適用できる。板材であることが好ましい。板厚が０．４〜２．３ｍｍの鋼板に適用してもよい。
(Subject)
The form of the object to be joined is not particularly limited. It can be applied to plate materials, profile materials, pipe materials, etc. It is preferably a plate material. It may be applied to a steel plate having a plate thickness of 0.4 to 2.3 mm.
被接合物の素材は、特に限定されない。鋼材であることが好ましい。炭素鋼の冷延鋼板や熱延鋼板、ステンレス鋼板（オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、フェライト・マルテンサイト二相系を含む）、あるいは、それらをプレス加工により成形して組み立てられた構造物や、溶接により組み立てられた形鋼等の構造部材や構造物であってもよい。鉄系材料から組み立てられた鋳造物または鍛造物、切削加工および粉末冶金などにより成形された金属素形材でもよい。 The material of the object to be joined is not particularly limited. It is preferably a steel material. Cold-rolled carbon steel, hot-rolled steel sheet, stainless steel sheet (including austenite-based, martensite-based, ferrite-based, ferrite-martensite two-phase system), or structures assembled by molding them by press processing. Alternatively, it may be a structural member or structure such as shaped steel assembled by welding. It may be a metal shape material formed by casting or forging assembled from an iron-based material, cutting, powder metallurgy, or the like.
被接合物の鋼板にめっきが施されている場合は、少なくともＺｎ（亜鉛）を含有するめっき鋼板に適用することが好ましい。例えば、亜鉛めっき鋼板、Ｚｎ−Ａｌ合金めっき鋼板、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき鋼板、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき鋼板、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板などを使用することができる。 When the steel sheet to be joined is plated, it is preferably applied to a plated steel sheet containing at least Zn (zinc). For example, galvanized steel sheets, Zn-Al alloy plated steel sheets, Zn-Al-Mg alloy plated steel sheets, Zn-Al-Mg-Si alloy plated steel sheets, Al-Zn alloy plated steel sheets, and the like can be used.
（無機系被膜または有機系被膜）
被接合物は、その表面に無機系被膜または有機系被膜を有することが好ましい。次のような皮膜を用いることができる。
(Inorganic coating or organic coating)
The object to be bonded preferably has an inorganic coating or an organic coating on its surface. The following films can be used.
無機系皮膜は、バルブメタルの酸化物、バルブメタルの酸素酸塩、バルブメタルの水酸化物、バルブメタルのリン酸塩およびバルブメタルのフッ化物からなる群から選択される１種または２種以上の化合物（以下、「バルブメタル化合物」ともいう。）を含むものが好ましい。バルブメタルとは、その酸化物が高い絶縁抵抗を示す金属をいう。バルブメタルとしては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、ＳｉおよびＡｌからなる群から選択される１種または２種以上の金属が挙げられる。バルブメタル化合物としては、公知のものを用いてよい。 The inorganic film is one or more selected from the group consisting of valve metal oxides, valve metal oxidates, valve metal hydroxides, valve metal phosphates and valve metal fluorides. (Hereinafter, also referred to as "valve metal compound") is preferable. The valve metal is a metal whose oxide exhibits high insulation resistance. Examples of the valve metal include one or more metals selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Si and Al. As the valve metal compound, a known one may be used.
無機系皮膜は、バルブメタルの可溶性フッ化物を含んでいてもよい。可溶性または難溶性の金属リン酸塩または複合リン酸塩を含んでいてもよい。可溶性の金属リン酸塩または複合リン酸塩に含まれる金属の例には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｍｎが含まれる。難溶性の金属リン酸塩または複合リン酸塩に含まれる金属の例には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｚｎが含まれる。 The inorganic film may contain soluble fluoride of valve metal. It may contain soluble or sparingly soluble metal phosphates or complex phosphates. Examples of metals contained in soluble metal phosphates or composite phosphates include alkali metals, alkaline earth metals, and Mn. Examples of metals contained in sparingly soluble metal phosphates or composite phosphates include Al, Ti, Zr, Hf, Zn.
有機系皮膜を構成する有機樹脂は、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、オレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、これらの樹脂の組み合わせ、これらの樹脂の共重合体または変性物などを使用することができる。有機系皮膜の中にバルブメタル化合物を分散させて含有させることもできる。特に、柔軟性に優れる点でウレタン系樹脂による皮膜が好ましい。 The organic resins constituting the organic film are urethane-based resin, epoxy-based resin, olefin-based resin, styrene-based resin, polyester-based resin, acrylic-based resin, fluorine-based resin, a combination of these resins, and the common weight of these resins. Combined or modified products can be used. It is also possible to disperse and contain the valve metal compound in the organic film. In particular, a urethane-based resin film is preferable because of its excellent flexibility.
（スタッド）
スタッドは、ピン、ボルト、ネジなどの形態を有するものを使用することができる。スタッドの素材としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、軟鋼などを使用してもよい。
(stud)
As the stud, those having a form such as a pin, a bolt, and a screw can be used. As the material of the stud, aluminum, aluminum alloy, iron, mild steel or the like may be used.
本発明に係るスタッド接合方法は、スタッド溶接のように接合時にスパッタが発生しないので、接合した後にスパッタを除去する作業を省略することができる。 In the stud joining method according to the present invention, unlike stud welding, spatter does not occur at the time of joining, so that the work of removing spatter after joining can be omitted.
また、被接合物がめっき層を有する場合、スタッドの接合部は、めっき層と接合している。さらに、スタッド接合部の周辺におけるめっき層の剥離を抑制することができる。そのため、スタットボルト周辺のめっき後補修も必要でない。 When the object to be joined has a plating layer, the joint portion of the stud is joined to the plating layer. Further, peeling of the plating layer around the stud joint can be suppressed. Therefore, post-plating repair around the statvolt is not necessary.
本発明に係るスタッド接合方法は、超音波振動によって引き起こされる摩擦が接合面の被膜を除去し、表面状態を浄化する作用がある。そして、浄化された接合面が摩擦熱によって加熱され、接合界面領域で原子拡散や組織改変が生じて接合部が形成される。そのため、被接合物が絶縁性被膜を有する場合は、絶縁性被膜を除去する前処理を必要としない。また、スタッド先端に突起を設ける必要もないので、接合工程の簡略化やスタッドのコスト削減が可能となる。 In the stud joining method according to the present invention, the friction caused by ultrasonic vibration has the effect of removing the coating film on the joint surface and purifying the surface condition. Then, the purified joint surface is heated by frictional heat, and atomic diffusion and structural modification occur in the joint interface region to form a joint portion. Therefore, when the object to be joined has an insulating film, no pretreatment for removing the insulating film is required. Further, since it is not necessary to provide a protrusion at the tip of the stud, the joining process can be simplified and the cost of the stud can be reduced.
以下、本発明の実施例について説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described. The present invention is not limited to the following examples.
＜実施例１＞
被接合物として、日鉄日新製鋼株式会社製の溶融亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき鋼板（ＺＡＭ（登録商標））の表面にクロムフリーの絶縁性の無機系被膜を形成した表面処理鋼板を用いた。当該めっき鋼板は、板厚が０．６ｍｍであり、基材の鋼組成が質量％でＣ：０．１９４％、Ｓｉ：０．００５％、Ｍｎ：０．６８０％、Ｐ：０．０１４％、Ｓ：０．００７％、残部：Ｆｅであった。機械的性質は、降伏応力（ＹＳ）が３１５ＭＰａ、引張強さ（ＴＳ）が４５１ＭＰａ、伸び（ＥＬ）が３８％、ビッカース硬さが１４４ＨＶであった。めっき層の組成は、６質量％Ａｌおよび３質量％Ｍｇを含有するＺｎ合金であり、めっき付着量が片面９０ｇ／ｍ２であった。
<Example 1>
A surface-treated steel sheet with a chrome-free insulating inorganic coating formed on the surface of a hot-dip galvanized zinc-aluminum-magnesium alloy plated steel sheet (ZAM (registered trademark)) manufactured by Nippon Steel Nissin Steel Co., Ltd. is used as the object to be joined. board. The plated steel sheet has a plate thickness of 0.6 mm, and the steel composition of the base material is mass%, C: 0.194%, Si: 0.005%, Mn: 0.680%, P: 0.014%. , S: 0.007%, balance: Fe. The mechanical properties were a yield stress (YS) of 315 MPa, a tensile strength (TS) of 451 MPa, an elongation (EL) of 38%, and a Vickers hardness of 144 HV. The composition of the plating layer was a Zn alloy containing 6% by mass Al and 3% by mass Mg, and the amount of plating adhesion was 90 g / m 2 on one side.
被接合物の表面処理鋼板から、長さ６０ｍｍ、幅３５ｍｍのサンプル（以下、「試験材」という。）を切り出した。 A sample having a length of 60 mm and a width of 35 mm (hereinafter referred to as "test material") was cut out from the surface-treated steel plate of the object to be joined.
スタッドは、Ａ１０５０のアルミニウム製のスタッドボルトを用いた。スタッドボルトの寸法は、Ｍ６×長さ２０ｍｍであった。 As the stud, A1050 aluminum stud bolt was used. The dimensions of the stud bolt were M6 x 20 mm in length.
Ａ１０５０の引張強さが８０ＭＰａであり、Ｍ６スタッドボルトの谷部の直径がΦ４．９ｍｍである。よって、本実施例で使用したスタッドボルトの母材が破断するときの引張荷重は、（４．９÷２）２×π×８０の式により、約１．５ｋＮと算出される。 The tensile strength of A1050 is 80 MPa, and the diameter of the valley portion of the M6 stud bolt is Φ4.9 mm. Therefore, the tensile load when the base material of the stud bolt used in this embodiment breaks is calculated to be about 1.5 kN by the formula (4.9 / 2) 2 × π × 80.
（超音波接合試験） (Ultrasonic bonding test)
日本エマソン社製の超音波接合装置を用いて超音波接合試験を行った。図１に示すように、表面処理鋼板の試験材（被接合物１）を超音波接合装置のホーン３に接触させるとともに、スタッドボルト（スタッド２）をアンビル４によって支持した。ホーンの接触面５は、図２に示すように、ホーン３により被接合物１を所定方向へ振動させるため、四角錐状の突起６を５ｍｍ×１０ｍｍの大きさの領域に備えていた。当該突起６を断面視すると、ほぼ９０°の角度の先端を有する直角２等辺三角形が並んでおり、先端同士の間隔が０．８ｍｍの形状を呈していた。ホーン３の接触面５の当該突起６が被接合物１の表面に食い込んで被接合物１を把持した。
An ultrasonic bonding test was performed using an ultrasonic bonding device manufactured by Emerson Japan, Ltd. As shown in FIG. 1, the test material (bonded object 1) of the surface-treated steel plate was brought into contact with the
その後、ホーンの加圧力が５００Ｎに達すると、周波数２０ｋＨｚの超音波振動を付与して被接合物１を水平方向に振動させた。被接合物１とスタッドボルトは、接合界面において互いに擦り合って、接合された試験体（以下、「接合試験体」という。）が得られた。超音波振動を印加した時間は、０．５〜０．８ｓとした。 After that, when the pressing force of the horn reached 500 N, ultrasonic vibration having a frequency of 20 kHz was applied to vibrate the object 1 to be joined in the horizontal direction. The object to be joined 1 and the stud bolt were rubbed against each other at the joining interface to obtain a joined test piece (hereinafter referred to as "joining test piece"). The time during which the ultrasonic vibration was applied was 0.5 to 0.8 s.
超音波振動を停止した後は、試験材に対する加圧を一定時間で保持した（この時間を「保持時間」という。）。本実施例では、保持時間を、０ｓ、０．５ｓ、１．０ｓ、５．０ｓで行った。また、投入エネルギーを３００Ｊ〜６００Ｊの範囲で変化させて、３００Ｊ、４００Ｊ、５２０Ｊ、５７５Ｊ、５８０Ｊ、６００Ｊで行った。 After the ultrasonic vibration was stopped, the pressurization of the test material was held for a certain period of time (this time is referred to as "holding time"). In this example, the holding time was set to 0s, 0.5s, 1.0s, and 5.0s. Further, the input energy was changed in the range of 300J to 600J, and the energy input was changed to 300J, 400J, 520J, 575J, 580J, and 600J.
（接合強度）
接合試験体は、図４に示す引張試験装置１０を用いて、垂直方向の引張試験が行われた。引張速度を５ｍｍ／ｍｉｎで行い、接合試験体が破断する最大荷重（ｋＮ）を求めた。
(Joint strength)
The joint test piece was subjected to a vertical tensile test using the
接合試験体１８におけるスタッドボルト２０は、接合界面と反対側の一端を上側把持具１２により把持した。当該上側把持具１２は、その中央に雌ねじが切られた凹部を有しており、接合試験体１８のスタッドボルト２０を当該凹部にねじ込んで上側把持具１２に取り付けた。当該上側把持具１２は、上側引張治具１１と結合されていた。他方、試験材１９は、接合界面側の表面に下側把持具１４の係止部１５を配置した。当該下側把持具１４は、試験材１９の接合界面と反対側の表面に対向して支持部１７を備えており、当該係止部１５と当該支持部１７とを連結部１６で連結し、当該支持部１７は、下側引張治具１３と結合されていた。当該上側引張治具１１および当該下側引張治具１３を引っ張って試験が行われた。
The
本実施例は、上記のせん断引張試験で得られた最大荷重の測定値を用いて、接合試験体の接合強度（ｋＮ）を評価した。 In this example, the joint strength (kN) of the joint test piece was evaluated using the measured value of the maximum load obtained in the above shear tensile test.
（接合部の外観観察）
スタッドボルトの接合部の周囲において、スパッタの有無と、めっき層の剥離の有無を目視で調べた。
(Observation of the appearance of the joint)
Around the joint of the stud bolts, the presence or absence of spatter and the presence or absence of peeling of the plating layer were visually inspected.
振動停止後の保持時間と投入エネルギーによる影響を調べた結果を表１に示す。また、表１における接合試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の各数値をプロットして曲線で結んだグラフを図５に示す。 Table 1 shows the results of investigating the effects of the holding time and input energy after the vibration was stopped. In addition, the bonding test piece No. in Table 1 1-No. FIG. 5 shows a graph in which each numerical value of 4 is plotted and connected by a curve.
接合試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は、本発明例に相当する。いずれも接合部の周囲には、スパッタが認められず、めっき層の剥離が認められなかった。なお、接合試験体の試験材は、めっき層の上に絶縁性の無機系皮膜を有する表面処理鋼板である。試験材の絶縁性皮膜は、超音波振動が接合界面に付与されたことにより、接合界面から排除されていた。 Joining test piece No. 1-No. 4 corresponds to the example of the present invention. In each case, no sputtering was observed around the joint, and no peeling of the plating layer was observed. The test material of the bonding test piece is a surface-treated steel sheet having an insulating inorganic film on the plating layer. The insulating film of the test material was excluded from the bonding interface by applying ultrasonic vibration to the bonding interface.
接合試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の接合強度は、表１および図５に示すように、投入エネルギーの増大にともない、接合強度が上昇した。保持時間の増大にともない、接合強度が上昇した。 Joining test piece No. 1-No. As shown in Table 1 and FIG. 5, the bonding strength of No. 4 increased as the input energy increased. As the holding time increased, the bonding strength increased.
投入エネルギーを５７５Ｊで超音波接合を行った接合試験体Ｎｏ．４は、保持時間が１．０ｓ、５．０ｓであるときに１．２８ｋＮ、１．３１ｋＮの接合強度が得られた。それに対し、本実施例で用いたスタッドボルトは、上述したように、その母材が破断されるときの引張強度が約１．５ｋＮであると推定された。接合試験体Ｎｏ．４の当該接合強度は、スタッドボルトの母材強度に比して、それぞれ８５％、８７％に相当する。このように、本発明に係るスタッド接合方法は、接合強度の点で実用性を有することを確認できた。 Bonding Specimen No. that was ultrasonically bonded at an input energy of 575J. In No. 4, bond strengths of 1.28 kN and 1.31 kN were obtained when the holding times were 1.0 s and 5.0 s. On the other hand, the stud bolt used in this example was estimated to have a tensile strength of about 1.5 kN when the base metal was broken, as described above. Joining test piece No. The joint strength of No. 4 corresponds to 85% and 87%, respectively, as compared with the strength of the base metal of the stud bolt. As described above, it was confirmed that the stud joining method according to the present invention has practicality in terms of joining strength.
さらに、接合後の接合部周囲には、スパッタが残存しておらず、めっき層の剥離が生じていなかったことから、接合後に被接合物の表面を補修する必要が無いことを確認することができた。 Furthermore, since no spatter remained around the joint after joining and the plating layer did not peel off, it can be confirmed that it is not necessary to repair the surface of the object to be joined after joining. did it.
また、絶縁性被膜を備えためっき鋼板であっても、良好な接合を行うことができたことから、従来のスタッド溶接のように溶接前に絶縁性被膜を除去する必要が無いことを確認することができた。 In addition, even if the plated steel sheet has an insulating film, good bonding can be performed. Therefore, it is confirmed that it is not necessary to remove the insulating film before welding unlike the conventional stud welding. I was able to.
＜実施例２＞
接合試験体のスタッドボルトの接合界面において、めっき層が残存する厚さは、スタッドボルトの中心位置が最も少ないと考えられる。そこで、スタッドボルト中心位置で、測長顕微鏡により残存するめっき層の厚さ（μｍ）を測定した。この結果を表２に示す。参考例は、接合前の表面処理鋼板のめっき厚さを示す。接合試験体の残存するめっき層の厚さを参考例のめっき厚さで除して残存率（％）を算出した。
<Example 2>
At the joining interface of the stud bolt of the joining test piece, the thickness of the remaining plating layer is considered to be the smallest at the center position of the stud bolt. Therefore, the thickness (μm) of the remaining plating layer was measured with a length measuring microscope at the center position of the stud bolt. The results are shown in Table 2. The reference example shows the plating thickness of the surface-treated steel sheet before joining. The residual ratio (%) was calculated by dividing the thickness of the remaining plating layer of the bonded test piece by the plating thickness of the reference example.
接合試験体Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１４は、本発明例に相当する。表２に示すように、投入エネルギーの増加にともない、接合後は、接合界面のめっき層の厚みが低減した。しかし、めっき層が２０％以上で残存していたので、接合界面において必要な耐食性を維持できると考えられる。 Joining test piece No. 11-No. 14 corresponds to the example of the present invention. As shown in Table 2, the thickness of the plating layer at the bonding interface decreased after bonding as the input energy increased. However, since the plating layer remained at 20% or more, it is considered that the required corrosion resistance can be maintained at the bonding interface.
＜実施例３＞
表面処理鋼板のめっき層を溶融亜鉛めっき（ＧＩ）へ変更し、実施例１の接合試験体Ｎｏ．４と同様の接合条件を適用して、保持時間を５ｓで接合試験体Ｎｏ．３１を作製した。実施例１と同様の手順で、接合試験体Ｎｏ．３１の接合強度を測定した。
<Example 3>
The plating layer of the surface-treated steel sheet was changed to hot-dip galvanizing (GI), and the bonding test piece No. 1 of Example 1 was changed. Applying the same joining conditions as in No. 4, the holding time was 5 s and the joining test piece No. 31 was prepared. In the same procedure as in Example 1, the joining test piece No. The joint strength of 31 was measured.
接合試験体Ｎｏ．３１は、１．２４ｋＮの接合強度を示した。この数値は、接合試験体Ｎｏ．４の接合強度（１．３１ｋＮ）とほぼ同じレベルにあり、Ａｌスタッドボルトの母材強度の推定値（１．５ｋＮ）と比べて約８３％の高い接合強度であった。 Joining test piece No. 31 showed a bonding strength of 1.24 kN. This numerical value is the joint test piece No. It was at almost the same level as the joint strength of No. 4 (1.31 kN), and was about 83% higher than the estimated value (1.5 kN) of the base metal strength of the Al stud bolt.
＜実施例４＞
実施例１の溶融亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき鋼板の表面に無機系皮膜を形成しない当該めっき鋼板を用いて、実施例１の接合試験体Ｎｏ．４と同様の接合条件を適用して、保持時間１．０ｓおよび５．０ｓで接合試験体Ｎｏ．４１を作製した。実施例１と同様の手順で、接合試験体Ｎｏ．４１の接合強度を測定した。その結果を表３に示す。
<Example 4>
Using the plated steel sheet that does not form an inorganic film on the surface of the hot-dip zinc-aluminum-magnesium alloy plated steel sheet of Example 1, the bonding test piece No. 1 of Example 1 was used. Applying the same joining conditions as in No. 4, the joining test piece No. 4 was used at holding times of 1.0 s and 5.0 s. 41 was produced. In the same procedure as in Example 1, the joining test piece No. The joint strength of 41 was measured. The results are shown in Table 3.
接合試験体Ｎｏ．４１は、保持時間１．０ｓで１．３０ｋＮの接合強度を示し、保持時間５．０ｓで１．２９ｋＮの接合強度を示した。これらの数値は、接合試験体Ｎｏ．４の接合強度（１．２８ｋＮ、１．３１ｋＮ）とほぼ同じレベルにあった。絶縁性被膜を有しないめっき鋼板において高い接合強度が得られることを確認できた。 Joining test piece No. 41 showed a bonding strength of 1.30 kN at a holding time of 1.0 s and a bonding strength of 1.29 kN at a holding time of 5.0 s. These numerical values are the joint test piece No. It was almost the same level as the joint strength of 4 (1.28 kN, 1.31 kN). It was confirmed that high bonding strength can be obtained in a plated steel sheet that does not have an insulating film.
＜実施例５＞
めっき層を有しない被接合物により超音波接合試験を行った。試験材は、ＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）を用いた。スタッドは、軟鋼製のスタッドボルト（Ｍ６×長さ２０ｍｍ）を用いた。それ以外は、実施例１と同じ接合条件を適用して、保持時間１．０ｓで接合試験体Ｎｏ．５１〜Ｎｏ．５４を作製した。実施例１と同様の手順で、接合試験体Ｎｏ．５１〜Ｎｏ．５４の接合強度を測定した。その結果を表４に示す。
<Example 5>
An ultrasonic bonding test was performed on an object to be bonded without a plating layer. SPCC (cold rolled steel sheet) was used as the test material. As the stud, a mild steel stud bolt (
めっき層を有しない鋼板に対して軟鋼製スタッドボルトを使用した場合、表４に示すように、接合試験体Ｎｏ．５１〜Ｎｏ．５４は、投入エネルギーの増大にともない、接合強度が上昇した。接合試験体Ｎｏ．５３およびＮｏ．５４は、１．５３ｋＮおよび１．６７ｋＮの接合強度を示した。これらの数値は、軟鋼製スタッドボルトの母材強度の推定値（４ｋＮ）よりも低いけれども、実施例１のＡｌスタッドボルトによる接合強度を上回っており、実用的な接合製品が得られることを示した。 When mild steel stud bolts are used for steel sheets that do not have a plating layer, as shown in Table 4, the joint test piece No. 51-No. In No. 54, the bonding strength increased as the input energy increased. Joining test piece No. 53 and No. 54 showed a bonding strength of 1.53 kN and 1.67 kN. Although these values are lower than the estimated strength of the base metal of the mild steel stud bolt (4 kN), they exceed the joint strength of the Al stud bolt of Example 1, indicating that a practical joint product can be obtained. rice field.
以上によれば、本発明に係るスタッド接合方法は、絶縁性被膜を有するめっき鋼板、絶縁性被膜を有しないめっき鋼板、被膜を有しない鋼板のいずれにおいても良好な接合性が得られ、さらに、接合後の補修作業を簡略あるいは省略することができるという有用な作用効果を有している。 Based on the above, the stud joining method according to the present invention can obtain good bondability in any of a plated steel sheet having an insulating film, a plated steel sheet having no insulating film, and a steel sheet having no film. It has a useful effect that the repair work after joining can be simplified or omitted.
１ 被接合物
２ スタッド
３ ホーン
４ アンビル
５ ホーン接触面
６ 突起
７ 振動方向
８ ホーンの保持部
９ 挿入口
１０ 引張試験装置
１１ 上側引張治具
１２ 上側把持具
１３ 下側引張治具
１４ 下側把持具
１５ 係止部
１６ 連結部
１７ 支持部
１８ 接合試験体
１９ 試験材
２０ スタッドボルト
２１ 被溶接材
２２ スパッタ
２３ スパッタの拭き残し
２４ めっき層の剥離
３０ スタッドボルト
３１ ナット
1
Claims (4)
前記被接合物の表面に前記スタッドを接触させて加圧するとともに、前記被接合物と前記スタッドとの接合界面に超音波振動を印加して、前記被接合物と前記スタッドとを接合すること、
前記超音波振動を停止した後、前記加圧を保持することを含む、スタッド接合方法。 It is a stud joining method that joins the object to be joined and the stud.
The stud is brought into contact with the surface of the object to be joined and pressurized, and ultrasonic vibration is applied to the interface between the object to be joined and the stud to join the object to be joined and the stud.
A stud joining method comprising holding the pressurization after stopping the ultrasonic vibration.
The stud joining method according to any one of claims 1 to 3, wherein the object to be joined is a steel sheet having a Zn-based plating layer.
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