JP7188121B2

JP7188121B2 - 接合装置

Info

Publication number: JP7188121B2
Application number: JP2019008798A
Authority: JP
Inventors: 進之助西島; 豊藥師神; 直樹武田; 教昌三浦
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2039-01-22
Also published as: JP2020116600A

Description

本発明は、複数の金属板の接合方法、接合装置及び接合構造に関する。

世界各国の燃費規制は年々厳しくなっており、自動車メーカー各社は、二酸化炭素排出量の規制に伴う燃費向上の要請に対し、組織的な対策の実施を迫られている。
燃費効率の改善には、エンジンや駆動系の改良の他に車体の軽量化が挙げられ、その軽量化の手段として構成部材に非鉄金属が採用されている。具体的には、高強度が要求される自動車のフレーム等には、高張力鋼板等の鉄系金属が用いられ、低強度でもよい天井や足回り等には、アルミニウム合金等の非鉄系金属が用いられる。そのため、これら異種金属板同士の接合が必要となる。

重ね合わせた複数の金属板を接合する方法としては、特許文献１に記載のＳＰＲ（Ｓｅｌｆ－ＰｉｅｒｃｉｎｇＲｉｖｅｔ）や、特許文献２に記載のメカニカルクリンチ接合等、機械的な接合方法が挙げられる。ＳＰＲによる接合は、副資材としてリベットを金属板に打ち込んで接合させるため接合強度が高く、高強度が要求される部位に用いられる。メカニカルクリンチ接合は、金属板を塑性変形させて接合させるため副資材は必要ないが接合強度が低く、貼り合わせ等の部位に用いられる。

特開２００２－１７４２１９号公報特許第５２１３０２８号公報

前述したように、メカニカルクリンチ接合は副資材を必要とせず、コスト面でＳＰＲより有利であるため利用の拡大が望まれるが、接合強度がＳＰＲよりも低い。そのため、かしめ接合の利用の拡大には接合強度の向上が必要である。

従って、本発明は、かしめ接合よりも高い接合強度で、かつ、副資材を用いないで複数の金属板を接合する方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の金属板を重ねて凹部を有するダイに配置し、前記凹部における前記複数の金属板をパンチで加圧して塑性変形を与えることにより側壁部及び底部を有する筒状の接合部を形成してメカニカルクリンチ接合する機械的接合工程と、前記機械的接合工程で形成された前記接合部の前記底部に超音波を付与することにより、該底部を冶金的接合する超音波接合工程と、を含む金属板の接合方法に関する。

また、本発明は、凹部を有するダイと、前記凹部に対向して配置されるパンチと、前記パンチを加工方向に進退させるシリンダと、前記パンチに超音波を付与する超音波発振機構と、前記シリンダの動作を制御する制御機構と、を備え、重ねられた複数の金属板を接合するための接合装置であって、前記ダイに配置された前記複数の金属板を、前記パンチで加圧して塑性変形を与えることにより側壁部及び底部を有する筒状の接合部を形成して、メカニカルクリンチ接合し、前記接合部の前記底部に前記パンチにより超音波を付与することにより、該底部を冶金的に接合し、前記制御機構は、前記シリンダの動作を制御することにより、前記パンチの加圧力を塑性変形時と超音波付与時とで異なる値に調節可能である接合装置に関する。

前記接合装置における前記パンチの加圧面は、平坦であることが好ましい。

また、本発明は、重ねられた複数の金属板の接合部を構成する接合構造であって、前記接合部は、側壁部及び底部を有する筒形状を備え、前記側壁部は、メカニカルクリンチ接合により機械的に接合されており、前記底部は、冶金的に接合されている接合構造に関する。

前記複数の金属板は、異なる種類の金属で構成されることが好ましい。

前記複数の金属板の素材は、鉄系金属及び非鉄系金属で構成されることが好ましい。

本発明の接合方法によれば、複数の金属板をメカニカルクリンチ接合によって機械的に接合し、更に、超音波を付与することによって冶金的に接合することで、副資材を用いずにかしめ接合よりも接合強度を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る接合方法の説明図である。第１実施形態の接合方法で接合された接合部の接合構造を説明するための模式図である。本発明の第２実施形態に係る接合方法の説明図である。本発明の実施例１における機械的接合条件の説明図である。本発明の実施例１における超音波接合条件の説明図である。実施例１における超音波接合前後の比較図である。接合強度（せん断強度）の測定方法を示す図である。超音波投入エネルギー量と接合強度との関係を示すグラフである。異種金属板を超音波接合した接合部の断面写真である。

以下、本発明の金属板の接合方法、接合装置及び接合構造の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。

＜第１実施形態＞
図１及び図２を参照して、本発明の第１実施形態に係る接合方法について詳細に説明する。図１は、第１実施形態に係る接合方法の各工程を説明するための図である。第１実施形態の接合方法は、機械的接合工程と、超音波接合工程と、を備える。

機械的接合工程においては、図１（ａ）に示すように、金属板１０１及び金属板１０２を、凹部を有するダイ２０の上に重ねた状態で配置して押え板３０で押さえ、パンチ１０で加圧する。このようにして、金属板１０１及び金属板１０２を塑性変形させてインターロックを形成してメカニカルクリンチ接合を行い、金属板同士を機械的に接合する。
複数の金属板（１０１、１０２）としては、同種金属でも異種金属でもよいが、自動車の製造で本発明の接合方法が用いられる場合には、一例として鉄系金属である高張力鋼板及び非鉄系金属であるアルミニウム系の金属板等の異種金属が用いられる。
尚、ここで、メカニカルクリンチ接合とは、図１（ａ）に示すように、パンチ１０により加圧されて筒形状に変形した接合部１１０における側壁部１１１に形成される接合形態をいい、上側に配置された金属板１０１の側壁部１１１が、底部１１２側において径方向外側に膨らむような形状となることで、金属板１０１と金属板１０２とが係合（インターロック）した接合形態をいう。

図２に、接合部１１０の接合構造を示す。接合部１１０は、側壁部１１１及び底部１１２を有する筒形状に形成される。側壁部１１１において前述のインターロックが形成される。底部１１２は、接合部が形成される際に金属板１０１及び金属板１０２の元の板厚よりも薄肉となるので、後の超音波接合工程において超音波振動が接合界面に伝達しやすくなる。よって、超音波接合には適さない厚みを有する金属板同士の接合であっても、本発明の接合方法を適用すれば、超音波接合が可能となる。

超音波接合工程においては、図１（ｂ）に示すように、金属板１０１及び金属板１０２に形成された接合部１１０の底部１１２を受け冶具であるアンビル５０Ａに配置し、ホーン４０Ａを介して接合部１１０の底部１１２に超音波を付与する（図２参照）。超音波振動により金属板１０１及び金属板１０２の接合界面の酸化被膜や汚れが取り除かれて冶金的に接合する。ホーン４０Ａの加圧面及びアンビル５０Ａの受け面は、超音波付与時に底部１１２（被加工材料）を保持するため、突起が全面に形成される。尚、ホーン４０Ａは、図示しない超音波発振機構により超音波振動可能である。

このように、本実施形態の接合方法によれば、接合部１１０の接合構造は、側壁部１１１においてメカニカルクリンチ接合による機械的接合と、底部１１２において超音波付与による冶金的接合とを備えるので、機械的接合及び超音波接合のいずれか一方のみによる接合部と比べて、高い接合強度を備える。
尚、本実施形態では、複数の金属板として２枚の金属板を用いる例を示したが３枚以上の金属板を接合するように構成してもよい。

以上説明した第１実施形態の接合方法及び接合構造によれば、以下のような効果を奏する。

（１）本発明の接合方法を、複数の金属板１０１、１０２を重ねて凹部を有するダイ２０に配置し、凹部における複数の金属板１０１、１０２をパンチ１０で加圧して塑性変形を与えることにより側壁部１１１及び底部１１２を有する接合部１１０を形成してメカニカルクリンチ接合する機械的接合工程と、機械的接合工程において形成された接合部１１０の底部１１２に超音波を付与することにより、該底部１１２を冶金的接合する超音波接合工程と、を含むものとした。これにより、接合部１１０は、側壁部１１１において機械的に接合されているだけでなく、底部１１２において冶金的に接合されているので接合強度を向上させることができる。また、超音波接合には適さない厚みを有する金属板同士の接合であっても、機械的接合工程において接合部１１０における底部１１２の厚みが薄くなるので、本発明の接合方法を適用すれば、超音波接合が可能となる。

（２）重ねられた複数の金属板１０１、１０２の接合部１１０を構成する接合構造を、接合部１１０は、側壁部１１１及び底部１１２を有する筒形状を備え、側壁部１１１は、メカニカルクリンチ接合により機械的に接合されており、底部１１２は、冶金的に接合されているものとした。これにより、本発明の接合部１１０の接合構造は、機械的接合だけでなく冶金的接合も備えるので接合強度を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
次に図３を参照して第２実施形態について説明する。
図３は、第２実施形態に係る接合方法の各工程を説明するための図である。

図３（ａ）に示すように、接合装置１は、パンチ１０、ダイ２０、押え板３０、パンチ１０を加工方法に進退させるシリンダ６０及び超音波発振機構としての超音波発振器７０を備える。パンチ１０は、超音波発振器７０と接続されて超音波振動可能に構成されている。
第２実施形態では、まず、金属板１０１及び金属板１０２を、凹部を有するダイ２０の上に重ねた状態で配置して押え板３０で押さえる。

機械的接合工程においては、図３（ｂ）に示すように、シリンダ６０を前進させてパンチ１０で金属板１０１及び金属板１０２を加圧して塑性変形させてインターロックを形成してメカニカルクリンチ接合を行い、金属板同士を機械的に接合する。これにより、図２に示した接合部１１０と同様に接合構造を得る。

図３（ｃ）に示すように、第２実施形態では、超音波を金属板に付与するためのホーン４０Ｂとしてパンチ１０を用い、超音波付与時の受け冶具であるアンビル５０Ｂとしてダイ２０を用いる。超音波接合工程においては、図３（ｂ）に示すように、金属板１０１及び金属板１０２に形成された接合部１１０の底部１１２をアンビル５０Ｂとしてのダイ２０に配置し、ホーン４０Ｂとしてのパンチ１０を介して接合部１１０の底部１１２に超音波を付与して（図２参照）、冶金的に接合する。このように、パンチ１０を超音波振動可能な構成とすることにより、機械的接合工程に続いて連続的に超音波接合工程を行うことができ、生産性を向上させることができる。
尚、超音波を付与する際には、不図示の制御機構によりパンチ１０の接合部１１０に対する加圧力を小さくするようにシリンダ６０を制御する。これは、機械的接合工程におけるパンチ１０の加圧力のまま超音波接合を行うと、パンチ１０及びダイ２０による金属板１０１及び金属板１０２の保持力が強すぎて超音波振動が金属板の界面に伝わらないためである。超音波付与時にパンチ１０の加圧力を小さくすることで、適切な加圧力で超音波接合が可能となる。

以上説明した第２実施形態の接合方法、接合装置及び接合構造によれば、上述の効果（１）及び（２）に加えて、以下のような効果を奏する。

（３）本発明の重ねられた複数の金属板１０１、１０２を接合するための接合装置を、凹部を有するダイ２０と、凹部に対向して配置されるパンチ１０と、パンチ１０を加工方向に進退させるシリンダ６０と、パンチ１０に超音波を付与する超音波発振器７０と、シリンダ６０の進退を制御する制御機構と、を備えるものとし、ダイ２０に配置された複数の金属板１０１、１０２を、パンチ１０で加圧して塑性変形を与えることにより側壁部及び底部を有する筒状の接合部を形成して、メカニカルクリンチ接合し、接合部１１０の底部１１２にパンチ１０（４０Ｂ）により超音波を付与することにより、底部１１２を冶金的に接合し、制御機構は、シリンダ６０の動作を制御することにより、パンチ１０（４０Ｂ）の加圧力を塑性変形時と超音波付与時とで異なる値に調節可能であるものとした。これにより、機械的接合工程から連続的に超音波接合工程を行うことができるので、生産性を向上させることができる。

（４）パンチ１０（４０Ｂ）の加圧面は、平坦であるものとした。これにより、超音波振動を付与するためのホーン４０Ｂとして用いられるパンチ１０が摩耗したとしても、突起が設けられた一般的なホーンの加圧面に比べて、メンテナンスが容易である。

以下に、図４～図９を参照して、本発明の接合方法で２枚の金属板を接合した実施例、従来の接合方法で接合した比較例及び参考例について説明する。

（実施例１）
本発明の第１実施形態で説明した接合方法で２枚の同種の金属板を接合したものを実施例１とし、また、機械的接合工程のみを行い２枚の同種の金属板をかしめ接合したものを比較例２とした。金属板１０１及び金属板１０２として表１に示す供試材を用いた。表１は、供試材の寸法と機械的性質を示し、表２は供試材の化学成分（質量％）を示す。

図４に示すように、直径４．５ｍｍの円柱形状を有し、加圧面側の角部の曲率半径が０．２ｍｍのパンチ１０と、凹部の底部までの深さＪｍが１．３ｍｍ及び凹部の底部の直径が７．０ｍｍのダイ２０を用いて、機械的接合工程を行った。ダイ２０の凹部における底部と側壁部との間には、底部よりも一段下がった段差が形成されている。パンチ１０の加圧荷重は４５ｋＮで、接合部１１０の底部１１２の残存板厚ＳＴが１．１ｍｍになるまで、パンチ１０を押し込んだ。このようにして、機械的接合工程によってかしめ接合のみを行ったものを比較例１とした。

続いて図５（ａ）に示すように、直径３．２ｍｍの円柱形状を有し、図５（ｂ）に示す加圧面を有するホーン４０Ａと、図５（ｃ）に示す加圧面を有するアンビル５０Ｂとを有し、不図示の超音波発振機構を備える超音波接合装置（日本エマソン株式会社製）を用いて、機械的接合により形成された接合部１１０の底部１１２に対して表３に示す条件で超音波振動を付与して冶金的に接合し、実施例１とした。

図６（ａ）に、比較例１における接合部の断面写真を示し、図６（ｂ）に実施例１における接合部の断面写真を示した。比較例１は、接合界面がはっきりと見て取れるのに対し、実施例１では、接合界面があいまいとなっているのが分かる。このように、実施例１では、接合界面が冶金的に接合されていることが分かった。

実施例１において、超音波の投入エネルギー量を変えて超音波接合を行い、それらのせん断方向についての接合強度（せん断強度）を図７に示す引張試験により測定した。引張試験は、株式会社島津製作所のオートグラフを用いて、引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎで行った。その結果を図８のグラフに示す。図８のグラフには、比較のため比較例１について測定したせん断強度を点線で表示した。
図８に示すように、かしめ接合のみ行った比較例１の接合強度が３ｋＮ程度であるのに対して、超音波接合も行った実施例１では接合強度が４ｋＮ程度となり、３割程度、接合強度が向上していることが分かった。

（参考例）
次に参考例として、異種金属間において超音波接合が可能か否かを確認する実験を行った。異種金属として表４に示す供試材を用いた。表４は供試材の板厚と機械的特性を示し、表５は供試材の化学成分を示す。

日本エマソン株式会社製の超音波接合装置用いて、超音波の投入エネルギーを変えて、異種金属板について超音波接合を行い参考例とした。超音波接合装置のホーンは、図５（ａ）で示した加圧面の形状と同様の形状を有し、５ｍｍ×１０ｍｍの加圧面を有する。また、超音波接合装置のアンビルは、図５（ｂ）で示した受け面の形状と同様の受け面を有し、１２ｍｍ×１２ｍｍの受け面を有する。

参考例の超音波接合部における断面写真を図９に示す。
図９の高倍率の断面写真によれば、Ａｌ合金板とめっき鋼板の接合界面は、冶金的に接合していることが確認された。

以上、本発明の金属板の接合方法、接合装置及び接合構造の各実施形態及び実施例について説明したが、本発明は、上述した各実施形態及び実施例に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

１０パンチ
２０ダイ
３０押え板
４０Ａ、４０Ｂホーン
５０Ａ、５０Ｂアンビル
６０シリンダ
７０超音波発振器
１０１、１０２金属板
１１０接合部
１１１側壁部
１１２底部

Claims

凹部を有するダイと、
前記凹部に対向して配置されるパンチと、
前記パンチを加工方向に進退させるシリンダと、
前記パンチに超音波を付与する超音波発振機構と、
前記シリンダの動作を制御する制御機構と、を備え、重ねられた複数の金属板を接合する接合装置であって、
前記ダイに配置された前記複数の金属板を、前記パンチで加圧して塑性変形を与えることにより側壁部及び底部を有する筒状の接合部を形成して、メカニカルクリンチ接合し、
前記接合部の前記底部に前記パンチにより超音波を付与することにより、該底部を冶金的に接合し、
前記制御機構は、前記シリンダの動作を制御することにより、前記パンチの加圧力を塑性変形時と超音波付与時とで異なる値に調節可能である接合装置。
前記パンチの加圧面は、平坦である請求項１に記載の接合装置。