JP4650309B2 - 超音波接合方法および超音波接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属製の管状部材を金属製の相手側部材に対して加圧しながら振動させることにより、両者を接合する超音波接合方法および超音波接合装置に関する。

従来、金属製の２つの部材同士を接合する方法として、例えば下記特許文献１に開示された超音波接合方法が知られている。この超音波接合方法では、例えば一端側にフランジ部を有する配管（直管）を第１部材として、また、例えば熱交換器のヘッダタンク壁面を第２部材としている。

そして、熱交換器をアンビルで固定した状態で、ホーンによって配管（フランジ部）を所定の加圧力で熱交換器（ヘッダタンク壁面）側に加圧しながら振動させている。これにより摩擦を発生させて両部材の酸化皮膜を破壊し、両部材の接触面に発生した摩擦熱、ならびに、新生面となった両部材の清浄な接触面間隔が極めて接近することによる原子間力の作用によって、フランジ部をヘッダタンク壁面に加圧接合させている。

なお、ホーンは、フランジ部の外側面（反熱交換器側面）に当接して配管の外周面を覆うように円筒状に形成されており、配管（直管）の反フランジ部側からセットされるようになっている（特許文献１中の図５）。
特開２００１−２４６４７９号公報

しかしながら、上記従来技術の接合方法では、配管が曲管であったり、配管の反フランジ部側に張出し部等があったりすると、上記のようなホーンを反フランジ部側からセットできなくなるので、ホーンとしては例えば半円状の凹部を有して配管の外周面側（側面側）から挿入可能となるものとして、複数回に分けて超音波接合を行う必要が生ずる。

超音波接合を複数回に分けて行うと、例えば一回目の接合による加圧部の変形によって、未接合部側に担ぎが生じて一回目の接合に悪影響を与えてしまう。また、二回目の接合時における振動によって一回目の接合箇所がダメージを受ける等の問題が生ずる。

この問題点に対して、本出願人は、特願２００５−９９３２９号において、管状部材のフランジ部の周方向に複数に分割形成するとともに隙間部を設けて配置するホーンを採用し、分割形成したホーンにそれぞれ振動子を接続し、同位相同振幅で振動させて超音波接合を行なう方法および装置を提案している。

本発明者らは、上記超音波接合技術において接合部気密性の向上等に関し鋭意検討を継続し、分割形成したホーン間の隙間部を詰めホーン同士を接触させることができれば、気密を要する接合部の品質をさらに向上することが可能であることを見出した。また、分割形成したホーン同士を接触させ同時に振動させれば、同位相同振幅で振動させる制御が容易であることを見出した。さらに、分割形成したホーン同士を接触させ同時に振動させれば、分割形成したホーンにそれぞれ振動子を設ける必要がなく、接合装置を簡素化することも容易であることを見出した。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、接合部品質の更なる向上が可能な超音波接合方法および超音波接合装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、分割したホーンの振動制御が容易な超音波接合方法および超音波接合装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、接合装置を簡素化することが可能な超音波接合方法および超音波接合装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明の超音波接合方法では、
振動子（７）に接続された第１ホーン（２１）と、第１ホーン（２１）以外の第２ホーン（２２）とに、管状部材（１１０）の一端側に形成されたフランジ部（１１１）の周方向に分割して形成したホーン（２）を、フランジ部（１１１）の接合相手側部材（１２０）反対側に配置する配置工程と、
第１ホーン（２１）および第２ホーン（２２）をフランジ部（１１１）に加圧しつつ振動させて、フランジ部（１１１）を、相手側部材（１２０）の穴部の外周面（１２１）に加圧しながら振動させることにより接合する接合工程とを備える超音波接合方法であって、
配置工程では、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とを荷重を加えて突き合わせ、
接合工程では、第１ホーン（２１）の振動により、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とを突き合わせた部位（２ａ）を介して、第２ホーン（２２）を共振させることを特徴としている。

これによると、接合工程では、分割形成された第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とが荷重を加えて突き合わせられており、ホーン（２）は一体的に振動するので、フランジ部（１１１）を全周に渡って相手側部材（１２０）に安定して接合することができる。したがって、分割形成したホーン間に隙間部を設ける場合より接合部品質を向上することが可能である。

また、接合工程では、振動子（７）による第１ホーン（２１）の振動を、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とを突き合わせた部位（２ａ）を介して第２ホーン（２２）に伝達し、第２ホーン（２２）を共振させることができる。したがって、第２ホーン（２２）の振動制御を第１ホーン（２１）と別に行なう必要がないので、振動制御が容易である。

さらに、第２ホーン（２２）には、振動子を設ける必要がないので、装置を簡素化することが可能である。

また、請求項２に記載の発明の超音波接合方法では、配置工程では、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）との突き合わせ部位（２ａ）が管状部材（１１０）を挟んで対向する位置に形成されるホーン（２）を配置することを特徴としている。

これによると、分割形成した第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とを荷重を加えて突き合わせたときに、フランジ部（１１１）の略全面をホーン（２）で覆うことが可能である。したがって、接合部品質を一層向上することが可能である。

また、請求項３に記載の発明の超音波接合方法では、配置工程における第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）との突き合わせ部位（２ａ）は、接合工程において振動される第１ホーン（２１）の略最大振幅領域にあることを特徴としている。

これによると、振動子（７）による第１ホーン（２１）の振動を、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とを突き合わせた部位（２ａ）を介して第２ホーン（２２）に伝達し易く、第２ホーン（２２）を共振させることが容易である。

また、請求項４に記載の発明の超音波接合方法では、配置工程では、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とを荷重を加えて突き合わせたときに、フランジ部（１１１）側に複数の突起部（２１ａ、２２ａ）が略均一なピッチ（ａ）で配列するように形成されたホーン（２）を配置することを特徴としている。

これによると、接合工程において、ホーン（２）の略均一なピッチ（ａ）で配列された複数の突起部（２１ａ、２２ａ）でフランジ部（１１１）を加圧し、ホーン（２）の振動をフランジ部（１１１）の略全域に略均一に伝達することが可能である。したがって、接合部品質をより一層向上することが可能である。

また、請求項５に記載の発明の超音波接合装置では、
管状部材（１１０）の一端側に形成されたフランジ部（１１１）を、相手側部材（１２０）の穴部の外周面（１２１）に加圧しながら振動させることにより接合するホーン（２）を有する超音波接合装置であって、
ホーン（２）は、
振動子（７）に接続された第１ホーン（２１）と第１ホーン（２１）以外の第２ホーン（２２）とにフランジ部（１１１）の周方向に分割して形成されるとともに、
第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とを荷重を加えて突き合わせたときには、第１ホーン（２１）の振動により、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とを突き合わせた部位（２ａ）を介して、第２ホーン（２２）が共振されることを特徴としている。

これによると、請求項１に記載の超音波接合方法を行なうことができる。

また、請求項６に記載の発明の超音波接合装置では、ホーン（２）は、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）との突き合わせ部位（２ａ）が管状部材（１１０）を挟んで対向する位置にあることを特徴としている。

これによると、請求項２に記載の超音波接合方法を行なうことができる。

また、請求項７に記載の発明の超音波接合装置では、ホーン（２）は、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）との突き合わせ部位（２ａ）が、振動される第１ホーン（２１）の略最大振幅領域にあることを特徴としている。

これによると、請求項３に記載の超音波接合方法を行なうことができる。

また、請求項８に記載の発明の超音波接合装置では、ホーン（２）は、第１ホーン（２１）と第２ホーン（２２）とを荷重を加えて突き合わせたときに、フランジ部（１１１）側に複数の突起部（２１ａ、２２ａ）が略均一なピッチ（ａ）で配列するように形成されていることを特徴としている。

これによると、請求項４に記載の超音波接合方法を行なうことができる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は２つのパイプ１１０、１２０を接合して接合パイプ１００を形成するための超音波接合装置１を示す断面図、図２は図１のＡ−Ａ部を示す断面図、図３（ａ）は、図２のＢ方向から見た矢視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ方向から見た矢視図である。

図１に示すように、第１パイプ１１０は、金属製のパイプであって、本発明における管状部材に対応するものであり、一端側の全周に円形の第１フランジ部１１１が形成されている。図４に全体形状を示すように、第１パイプ１１０の他端側（反フランジ部側）は曲げ部を有し、曲管として形成されている。

また、第２パイプ１２０は、上記第１パイプ１１０と同様に、金属製のパイプであって、本発明における相手側部材に対応するものであり、一端側の全周に円形の第２フランジ部１２１が形成されている。なお、第２フランジ部１２１は、本発明における穴部の外周面に対応する。なお、本実施形態では、図４に示すように、第２パイプ１２０の他端側（反フランジ部側）も曲げ部を有し、曲管として形成されている。

超音波接合装置１は、上記の第１パイプ１１０を第２パイプ１２０側に加圧すると共に、更に第１フランジ部１１１の面が広がる方向に振動を付加するホーン２と、第２パイプ１２０を固定するアンビル３とを有している。そして、ホーン２は、図２に示すように、第１フランジ部１１１の円周方向に複数（ここでは２つ）に分割されており、この分割された側に半円形の凹部を有する第１ホーン２１と第２ホーン２２とから形成されるようにしている。

図５（ａ）に超音波接合装置１の要部概略構成を示すように、第１ホーン２１は加振手段である振動子（加振機）７に接続しており、第２ホーン２２は、第２ホーン２２を第１ホーン２１に突き合わせる突合せ荷重付勢部６に接続している。

突合せ荷重付勢部６は、第２ホーン２２を第１ホーン２１に対して進退させるものであり、第２ホーン２２を第１ホーン２１に突合せて、突き合わせ部位２ａで第１ホーン２１と第２ホーン２２とを荷重を加えて突き合わせることができるようになっている。

図２から明らかなように、突き合わせ部位２ａは、第１パイプ１１０を挟んで対向する位置に形成されるようになっている。すなわち、ホーン２を第１ホーン２１と第２ホーン２２とに分割する分割ラインは、第１パイプ１１０を挟んで対向する位置に一直線状となるように形成されている。

第１ホーン２１および第２ホーン２２は、共通のブラケット４に取り付けられており、ブラケット４に接続した接合荷重付勢部５により、図５（ａ）では図示を省略したアンビル３方向（図示下方向）に移動して、接合部を加圧できるようになっている。

なお、第１ホーン２１はブラケット４側の第１保持部４１により保持（支持）されており、第２ホーン２２はブラケット４（実質的には突合せ荷重付勢部６が接続する部分）側の第２保持部４２により保持（支持）されている。

図５（ａ）に示すように、第１ホーン２１と第２ホーン２２とを荷重を加えて突き合わせ部位２ａで突き合わせた状態で振動子７により加振して第１ホーン２１を縦振動（接合面に沿った方向に振動）させると、図５（ｂ）に示すように、第１ホーン２１は１／２波長音波で振動（共振）する。また、第２ホーン２２には、突き合わせ部位２ａにおいて振動が伝達され、第２ホーン２２は１／２波長音波で共振する。

すなわち、第１ホーン２１および第２ホーン２２からなるホーン２の振動系では、１波長音波で振動（共振）する。ここで、第１ホーン２１は振動子７により直接振動される加振ホーンであり、第２ホーン２２は第１ホーン２１により共振させられる共振ホーンであると言える。

図５（ａ）に示す第１、第２保持部４１、４２が形成されている位置は、図５（ｂ）に示すように、第１、第２ホーン２１、２２が振動するときの振動振幅最小部位（所謂ノード点、振動の節）であり、両ホーン２１、２２の振動を阻害しないようになっている。

また、図５（ａ）に示す突き合わせ部位２ａの位置は、図５（ｂ）に示すように、第１、第２ホーン２１、２２が振動するときの振動振幅最大部位（振動の腹、略最大振幅領域に相当）であり、第１ホーン２１の振動を第２ホーン２２に伝達し易くなっている。

各ホーン２１、２２のフランジ部１１１側には、図３に示すように、四角錘状を成して所定ピッチａで配列される複数の突起部２１ａ、２２ａが形成されている。そして、両ホーン１１、１２間が閉じられて相互に荷重を加えて突き合わせられた時に、両ホーン２１、２２端部の突起部２１ａ、２２ａ間も所定ピッチａとなるように設定されている。なお、本例では、所定ピッチａを０．８〜１．２ｍｍ、突起部２１ａ、２２ａ高さを０．３５〜０．５ｍｍとして設定している。

次に、上記超音波接合装置１を用いた接合方法について説明する。図６は、第１、第２パイプ１１０、１２０を接合する工程を示す工程別要部正面図である。

まず、図６（ａ）に示すように、両ホーン２１、２２間を開いた状態にして、第２フランジ部１２１が上側を向くようにして第２パイプ１２０をアンビル３にセットする。アンビル３も第２フランジ部１２１の周方向に第１アンビル３１と第２アンビル３２とに分割形成されており、曲管である第２パイプ１２０を装着可能となっている。更に、第２フランジ部１２１の上側面に第１フランジ部１１１を乗せるようにして第１パイプ１１０をセットする。

次に、図６（ｂ）に示すように、第１パイプ１１０を挟むようにして両ホーン２１、２２間を閉じ、突き合わせ部位２ａで相互に荷重を加えて突き合わせる。この時、両ホーン２１、２２と第１パイプ１１０の外周面とが後述する振動によって接触しないように、両ホーン２１、２２の凹部が形成されている。

その後に、図６（ｃ）に示すように、第１ホーン２１および第２ホーン２２を第１フランジ部１１１に加圧接触させて、突起部１１ａ、１２ａ（図３参照）先端を第１フランジ部１１１の表面に食い込ませて、振動子７（図５参照）により第１ホーン２１を振動させる。第１ホーン２１の振動は突き合わせ部位２ａを介して第２ホーン２２に伝達され、第２ホーン２２も共振する。

図６（ｂ）、（ｃ）において、第１ホーン２１と第２ホーン２２とは、本例では、５０００〜１００００Ｎの荷重が印加されて突き合わせられている。突き合わせ部位２ａへの印加荷重を５０００〜１００００Ｎとすることにより、装置の大型化を抑制しつつ、第１ホーン２１の振動を、突き合わせ部位２ａを介して第２ホーン２２に確実に伝達して、第２ホーン２２を良好に共振することができる。

図６（ｃ）に示すように、第１ホーン２１および第２ホーン２２を一体的に振動させると、第１フランジ部１１１は両ホーン２１、２２と共に振動し、摩擦によって両フランジ部１１１、１２１接合側面の酸化皮膜等が除去されて清浄な新生面同士が加圧接触され、両フランジ部１１１、１２１同士が接合される。

第１ホーン２１と第２ホーン２２との突き合わせ部位２ａは、図５（ｂ）に示すように、第１、第２ホーン２１、２２が振動するときの略最大振幅領域にある。したがって、第１ホーン２１から第２ホーン２２へ確実に振動を伝達できるだけでなく、突き合わせ部位２ａおよびその近傍において第１フランジ部１１１を確実に振動させ、第１フランジ部１１１と第２フランジ部１２１とを確実に接合することができる。

このようにして、接合パイプ（本発明における接合管に対応）１００が完成される。なお、完成された第１フランジ部１１１の表面全体には、両ホーン２１、２２の突起部１２ａ、２２ａの食い込んだ跡（圧痕）が、ほぼ均一なピッチ（ピッチａに対応）で残ることになる。

ここで、図６（ｂ）に示す工程が本実施形態における配置工程であり、図６（ｃ）に示す工程が本実施形態における接合工程である。

上述の構成および接合方法によれば、配置工程では、第１ホーン２１と第２ホーン２２とを荷重を加えて突き合わせ、接合工程では、第１ホーン２１の振動により、第１ホーン２１と第２ホーン２２とを突き合わせた部位２ａを介して、第２ホーン２２を共振させている。

したがって、分割形成した第１、第２ホーン２１、２２からなるホーン２は一体的に振動するので、第１フランジ部１１１を全周に渡って第２フランジ部１２１に安定して接合することができる。このようにして、分割形成したホーン間に隙間部を設ける場合より接合部品質を向上することができる。

また、接合工程では、振動子７による第１ホーン２１の振動を、第１ホーン２１と第２ホーン２２とを突き合わせた部位２ａを介して第２ホーン２２に伝達し、第２ホーン２２を共振させることができる。したがって、第２ホーン２２の振動制御を第１ホーン２１の振動制御と別に行なう必要がないので、振動制御が容易である。さらに、第２ホーン２２には、振動子を設ける必要がないので、装置を簡素化することができる。

また、第１ホーン２１と第２ホーン２２との突き合わせ部位２ａが第１パイプ１１０を挟んで対向する位置に形成されている。すなわち、ホーン２の分割ラインを第１パイプ１１０を挟んで対向する位置に形成している。したがって、分割形成した第１ホーン２１と第２ホーン２２とを荷重を加えて突き合わせたときに、フランジ部１１１の略全面をホーン２で覆うことができる。このようにして、接合部品質を一層向上することができる。

また、第１ホーン２１と第２ホーン２２とを荷重を加えて突き合わせたときに、フランジ部１１１側に複数の突起部２１ａ、２２ａが均一なピッチａで配列するように形成されている。したがって、分割したホーン２を採用しても、第１フランジ部１１１の略全域を略均一に加圧振動させ、安定した接合部品質を得ることができる。

（他の実施形態）
上記一実施形態では、第１パイプ１１０を曲管として形成されるものとして説明したが、これに限らず、例えば図７に示すように、第１パイプ１１０Ａの反フランジ部側に接続部となるフランジ部１１２や、図示しないナット等の径方向に張出す張出し部を有するものとしても良い。

また、上記一実施形態では、ホーン２を第１ホーン２１と第２ホーン２２とに分割形成し、分割ラインが一直線状となる構成としていたが、分割の形態はこれに限定されるものではない。例えば図８に示すように、ホーン２０を、第１パイプ１１０を受け入れ可能なＵ字状凹部を有する第１ホーン２１０と、前記Ｕ字状凹部の開口側を塞ぐ第２ホーン２２０とに分割するものであってもよい。

また、ホーンの分割は２分割に限定されるものではなく、３分割以上であってもよい。すなわち、第２ホーンを複数のホーンとしてもかまわない。

また、上記一実施形態では、接合相手側部材として、第１パイプ１１０と同様の第２パイプ１２０としたが、これに限らず、図９に示すように、端部側断面１２１Ｂが第２フランジ部１２１に相当する面積を有する厚肉の管部材１２０Ｂとしたり、図１０に示すように、穴部の外周面１２１Ｃに第１フランジ部１１１が接合されるブロック状の部材１２０Ｃ等としても良い。

本発明を適用した一実施形態における超音波接合装置１の要部を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ部を示す断面図である。 （ａ）は、図２のＢ方向から見た矢視図、（ｂ）は（ａ）のＣ方向から見た矢視図である。 超音波接合された接合パイプ１００の構造を示す斜視図である。 （ａ）は、超音波接合装置１の要部概略構成を示す正面図（一部断面図）であり、（ｂ）は、ホーン２の振動振幅を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、超音波接合装置１の工程別要部正面図である。 他の実施形態における接合管の一例を示す斜視図である。 他の実施形態におけるホーンの分割形態を示す平面図である。 他の実施形態における接合管の一例を示す断面図である。 他の実施形態における接合管の一例を示す断面図である。

１ 超音波接合装置
２ ホーン
２ａ 突き合わせ部位
７ 振動子（加振手段）
２１ 第１ホーン
２１ａ 突起部
２２ 第２ホーン
２２ａ 突起部
１００ 接合パイプ（接合管）
１１０ 第１パイプ（管状部材）
１１１ 第１フランジ部（フランジ部）
１２０ 第２パイプ（接合相手側部材）
１２１ 第２フランジ部（穴部の外周面）

Claims (8)

1. 振動子（７）に接続された第１ホーン（２１）と、前記第１ホーン（２１）以外の第２ホーン（２２）とに、管状部材（１１０）の一端側に形成されたフランジ部（１１１）の周方向に分割して形成したホーン（２）を、前記フランジ部（１１１）の接合相手側部材（１２０）反対側に配置する配置工程と、
   前記第１ホーン（２１）および前記第２ホーン（２２）を前記フランジ部（１１１）に加圧しつつ振動させて、前記フランジ部（１１１）を、前記相手側部材（１２０）の穴部の外周面（１２１）に加圧しながら振動させることにより接合する接合工程とを備える超音波接合方法であって、
   前記配置工程では、前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）とを荷重を加えて突き合わせ、
   前記接合工程では、前記第１ホーン（２１）の振動により、前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）とを突き合わせた部位（２ａ）を介して、前記第２ホーン（２２）を共振させることを特徴とする超音波接合方法。
2. 前記配置工程では、前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）との突き合わせ部位（２ａ）が前記管状部材（１１０）を挟んで対向する位置に形成される前記ホーン（２）を配置することを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。
3. 前記配置工程における前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）との突き合わせ部位（２ａ）は、前記接合工程において振動される前記第１ホーン（２１）の略最大振幅領域にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波接合方法。
4. 前記配置工程では、前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）とを荷重を加えて突き合わせたときに、前記フランジ部（１１１）側に複数の突起部（２１ａ、２２ａ）が略均一なピッチ（ａ）で配列するように形成された前記ホーン（２）を配置することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波接合方法。
5. 管状部材（１１０）の一端側に形成されたフランジ部（１１１）を、相手側部材（１２０）の穴部の外周面（１２１）に加圧しながら振動させることにより接合するホーン（２）を有する超音波接合装置であって、
   前記ホーン（２）は、
   振動子（７）に接続された第１ホーン（２１）と、前記第１ホーン（２１）以外の第２ホーン（２２）とに、前記フランジ部（１１１）の周方向に分割して形成されるとともに、
   前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）とを荷重を加えて突き合わせたときには、前記第１ホーン（２１）の振動により、前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）とを突き合わせた部位（２ａ）を介して、前記第２ホーン（２２）が共振されることを特徴とする超音波接合装置。
6. 前記ホーン（２）は、前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）との突き合わせ部位（２ａ）が前記管状部材（１１０）を挟んで対向する位置にあることを特徴とする請求項５に記載の超音波接合装置。
7. 前記ホーン（２）は、前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）との突き合わせ部位（２ａ）が、振動される前記第１ホーン（２１）の略最大振幅領域にあることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の超音波接合装置。
8. 前記ホーン（２）は、前記第１ホーン（２１）と前記第２ホーン（２２）とを荷重を加えて突き合わせたときに、前記フランジ部（１１１）側に複数の突起部（２１ａ、２２ａ）が略均一なピッチ（ａ）で配列するように形成されていることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１つに記載の超音波接合装置。

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