特許 6957054 リベット接合方法及び接合処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6957054

(24)【登録日】2021年10月8日

(45)【発行日】2021年11月2日

(54)【発明の名称】リベット接合方法及び接合処理装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/10 20060101AFI20211021BHJP

   B21J 15/02 20060101ALI20211021BHJP

   B21J 15/16 20060101ALI20211021BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/10

   B21J15/02 E

   B21J15/16 Q

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2020-84936(P2020-84936)

(22)【出願日】2020年5月14日

【審査請求日】2021年8月31日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】594114019

【氏名又は名称】株式会社アルテクス

(74)【代理人】

【識別番号】100136180

【弁理士】

【氏名又は名称】羽立 章二

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 茂

【審査官】 正木 裕也

(56)【参考文献】

【文献】 特公昭４６−１７５６０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特表２０１７−５１１４４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／１０

Ｂ２１Ｊ １５／０２

Ｂ２１Ｊ １５／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材に形成された孔にリベットを差し込んで接合するリベット接合方法であって、
前記母材は、複数の部材を含み、
前記孔は、前記部材の少なくとも一つを貫通するものであり、
前記リベットは、金属であって頭部と胴部を備え、
振動処理部が、少なくとも前記胴部が前記孔に差し込まれた状態で、前記リベットに音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記リベットと前記孔の内面とを接合する接合ステップを含み、
前記接合ステップにおいて、前記リベットと前記孔との間で生じる原子の拡散を利用して接合する、リベット接合方法。

【請求項2】

前記母材に形成された孔は、前記母材を貫通しない孔であり、
前記接合ステップにおいて、加圧部が前記母材を加圧して、前記振動処理部が前記頭部に音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記リベットと前記孔を接合する、請求項１記載のリベット接合方法。

【請求項3】

前記母材に形成された孔は、前記母材を貫通する貫通孔であり、
前記接合ステップにおいて、前記貫通孔に差し込まれた前記リベットの前記胴部の先端及び前記頭部の一方を加圧部が加圧して他方を前記振動処理部が音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記リベットと前記孔を接合する、請求項１記載のリベット接合方法。

【請求項4】

前記複数の部材の一部又は全部は金属であり、
前記接合ステップにおいて、音波振動及び／又は超音波振動が及ぶ前記孔の少なくとも一部の周りの部材の間が接合される、請求項１から３のいずれかに記載のリベット接合方法。

【請求項5】

前記母材には複数の孔が形成されており、
前記接合ステップにおいて、前記振動処理部は、前記複数の孔に差し込まれた複数のリベットに対して音波振動及び／又は超音波振動を与えて接合する、請求項１から４のいずれかに記載のリベット接合方法。

【請求項6】

前記複数の部材の一部又は全部は金属であり、
前記接合ステップにおいて、少なくとも前記複数の孔及び前記孔の間の部材が接合される、請求項５記載のリベット接合方法。

【請求項7】

母材に形成された孔に差し込まれたリベットに対して接合処理を行う接合処理装置であって、
前記母材は、複数の部材を含み、
前記孔は、前記部材の少なくとも一つを貫通するものであり、
前記リベットは、金属であって頭部と胴部を備え、
前記リベットは、金属であって胴部と頭部を備え、
少なくとも前記胴部が前記孔に差し込まれた状態で、前記リベットに音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記リベットと前記孔の内面とを接合する振動処理部を備え、
前記振動処理部は、前記リベットと前記孔との間で生じる原子の拡散を利用して接合する、接合処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リベット接合方法及び接合処理装置に関し、特に、母材に形成された孔にリベットを差し込んで結合するリベット接合方法等に関する。

【背景技術】

【0002】

出願人は、特許文献１に記載されているように、複数個の接合対象部材を接合することを提案した。また、特許文献２及び３に記載されているように、音波振動や超音波振動を利用して接合するための様々な装置を提案してきた。

【0003】

また、一般のかしめ工法では、リベットを貫通穴に通して表裏両側から圧縮することで複層のプレート等を挟み固定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８−００８２８８号公報

【特許文献2】特願２０１９−２１３３３４

【特許文献3】特願２０１９−２２９１９０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来のかしめ工法では、貫通孔を利用しないものは実現することができず、また、貫通孔を利用しても例えばアルミなどで十分な強度の固定を実現することは困難であった。

【0006】

よって、本発明は、音波振動及び／又は超音波振動を利用してリベット接合を実現することに適したリベット接合方法等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願発明の第１の観点は、母材に形成された孔にリベットを差し込んで接合するリベット接合方法であって、前記母材は、複数の部材を含み、前記孔は、前記部材の少なくとも一つを貫通するものであり、前記リベットは、金属であって頭部と胴部を備え、振動処理部が、少なくとも前記胴部が前記孔に差し込まれた状態で、前記リベットに音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記リベットと前記孔の内面とを接合する接合ステップを含む。

【0008】

本願発明の第２の観点は、第１の観点のリベット接合方法であって、前記母材に形成された孔は、前記母材を貫通しない孔であり、前記接合ステップにおいて、加圧部が前記母材を加圧して、前記振動処理部が前記頭部に音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記リベットと前記孔を接合する。

【0009】

本願発明の第３の観点は、第１の観点のリベット接合方法であって、前記母材に形成された孔は、前記母材を貫通する貫通孔であり、前記接合ステップにおいて、前記貫通孔に差し込まれた前記リベットの前記胴部の先端及び前記頭部の一方を加圧部が加圧して他方を前記振動処理部が音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記リベットと前記孔を接合する。

【0010】

本願発明の第４の観点は、第１から第３のいずれかの観点のリベット接合方法であって、前記接合ステップにおいて、前記リベットと前記孔との間で生じる原子の拡散を利用して接合する。

【0011】

本願発明の第５の観点は、第４の観点のリベット接合方法であって、前記複数の部材の一部又は全部は金属であり、前記接合ステップにおいて、音波振動及び／又は超音波振動が及ぶ前記孔の少なくとも一部の周りの部材の間が接合される。

【0012】

本願発明の第６の観点は、第１から第５のいずれかの観点のリベット接合方法であって、前記母材には複数の孔が形成されており、前記接合ステップにおいて、前記振動処理部は、前記複数の孔に差し込まれた複数のリベットに対して音波振動及び／又は超音波振動を与えて接合する。

【0013】

本願発明の第７の観点は、第６の観点のリベット接合方法であって、前記複数の部材の一部又は全部は金属であり、前記接合ステップにおいて、少なくとも前記複数の孔及び前記孔の間の部材が接合される。

【0014】

本願発明の第８の観点は、母材に形成された孔に差し込まれたリベットに対して接合処理を行う接合処理装置であって、前記母材は、複数の部材を含み、前記孔は、前記部材の少なくとも一つを貫通するものであり、前記リベットは、金属であって頭部と胴部を備え、前記リベットは、金属であって胴部と頭部を備え、少なくとも前記胴部が前記孔に差し込まれた状態で、前記リベットに音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記リベットと前記孔の内面とを接合する振動処理部を備える。

【0015】

なお、本願発明を、音波振動及び／又は超音波振動を利用して接合処理を行う金属接合装置を制御するためのコンピュータを制御して本願発明の各観点を実現するためのプログラム、及び、そのプログラムを記録するためのコンピュータ読み取り可能な記録媒体として捉えてもよい。

【発明の効果】

【0016】

本願発明の各観点によれば、音波振動（２０ｋＨｚ未満の振動）及び／又は超音波振動（２０ｋＨｚ以上の振動）を利用してリベットと母材を接合することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本願発明の実施の形態に係る接合処理装置の（ａ）構成の一例を示すブロック図と、（ｂ）接合処理装置による接合処理の一例を示すフロー図である。

【図2】図１（ａ）の接合処理装置１の実際の機械の一例を説明するための図である。

【図3】三次元金属構造体の完全封止接合の実験結果を示す第１図である。

【図4】三次元金属構造体の完全封止接合の実験結果を示す第２図である。

【図5】本願発明による接合処理の一例を示す第１図である。

【図6】本願発明による接合処理の一例を示す第２図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

【実施例】

【0019】

図１は、本願発明の実施の形態に係る接合処理装置の（ａ）構成の一例を示すブロック図と、（ｂ）接合処理装置による接合処理の一例を示すフロー図である。

【0020】

図１（ａ）を参照して、接合処理装置１は、制御部３と、振動処理部５（本願請求項の「振動処理部」の一例）と、加圧部７（本願請求項の「加圧部」の一例）を備える。振動処理部５は、電気信号発振部９と、振動子部１１と、右側駆動部１３と、左側駆動部１５と、ホーン１７を備える。

【0021】

制御部３は、制御信号を利用して、接合処理装置１の動作を制御する。

【0022】

振動処理部５は、音波振動（２０ｋＨｚ未満の振動）及び／又は超音波振動（２０ｋＨｚ以上の振動）を利用して、リベット１９と母材２１を接合する。母材２１は、複数の部材を含む。図１では、第１部材２３と第２部材２５を含むとする。リベット１９は、金属であり、例えば銅、アルミ、鉄（スチール）などである。第１部材２３及び第２部材２５は、金属（例えばアルミ、鉄（スチール）など）でもよく、無機物（例えばセラミックスなど）でもよい。例えば、第１部材２３が金属で、第２部材２５が無機物でもよい。

【0023】

第１部材２３と第２部材２５は、板状のものであり、母材２１の表面にあいた一つ又は複数の孔が形成されている。孔は、少なくとも第１部材２３を貫通する。孔は、第２部材２５にはなくてもよく（図５（ａ）など参照）、第２部材２５の表面から途中まで形成されたもの（図５（ｃ）など参照）でもよく、第２部材２５を貫通するもの（母材２１の貫通孔。図６（ａ）など参照）でもよい。孔の内面は、例えば母材２１の表面ではない部分である。

【0024】

リベット１９は、胴部と、頭部を備える。胴部において、頭部とは反対側の端を先端という。先端は、少なくとも母材２１の表面の孔の形状よりも小さい。ただし、孔の深い位置では、先端は、孔の形状よりも小さくてもよい（例えば図５（ｄ）など参照）。頭部は、少なくとも一部は孔に差し込まれていない状態で、振動が与えられる。

【0025】

振動処理部５において、電気信号発振部９は、音波振動及び／又は超音波振動に対応する電気信号を発振する。振動子部１１は、電気信号を、機械振動に変換する。右側駆動部１３及び左側駆動部１５は、ホーン１７を両側から支持して回転させる。右側駆動部１３は、振動子部１１による機械振動をホーン１７に伝える。ホーン１７は、リベット１９及び母材２１の上に位置して共振する。これにより、振動処理部５は、音波振動及び／又は超音波振動を利用して接合処理を実現することができる。

【0026】

加圧部７は、リベット１９及び母材２１の下に位置して、上下動することができる。また、加圧部７は、必要に応じて、ホーン１７の回転に合わせて、母材２１などを送ることができる。加圧部７が上昇すると、ホーン１７と加圧部７が、リベット１９及び母材２１を挟んだ状態となる。加圧部７は、ホーン１７と加圧部７がリベット１９及び母材２１を挟んだ状態で、加圧することができる。加圧部７は、下降すると、リベット１９及び母材２１から離れる。

【0027】

図１（ｂ）は、接合処理装置１による接合処理の一例を示すフロー図である。母材２１の孔には、リベット１９が差し込まれている（ステップＳＴ１）。制御部３は、加圧部７を上昇させる（ステップＳＴ２）。制御部３は、ホーン１７と加圧部７との間での加圧を開始させる（ステップＳＴ３）。

【0028】

制御部３は、振動処理部５に対して音波振動及び／又は超音波振動を利用した接合処理を行わせる（ステップＳＴ４）。制御部３は、ホーン１７と加圧部７との間での加圧を停止させる（ステップＳＴ５）。制御部３は、加圧部７を下降させる（ステップＳＴ６）。

【0029】

図２は、図１（ａ）の接合処理装置１の実際の機械の一例を説明するための図である。図２（ａ）は、実際の機械の全体を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）においてアクチュエータの部分を示す。

【0030】

図２（ｃ）は、音波ロータリーシステムの概要を示す図である。横振動（水平方向）又は縦振動（ラジアル方向）のモードで振動するホーンがパーツに音波エネルギーを伝えることで、金属を利用した接合処理を実現することができる。

【0031】

図２（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれ、横振動及び縦振動を説明するための図である。ホーンの振動モードは、ホーンの形状により変化する。振動モードは、例えば、横振動モードと縦振動モードがある。横振動モードは、一波長を基本としたホーンのセンターの振動振幅最大点を中心として、振動が平行する水平方向の横振動として伝達される。縦振動モードは、半波長を基本としたホーンのセンターの応力最大点を中心として、振幅がラジアル方向の縦振動へ分岐される。

【0032】

続いて、出願人が行った実験を参照しつつ具体的に説明する。実験に使用したアルミの材質は、純アルミがA1050、ジュラルミンがA2017、超々ジュラルミンがA7075である。

【0033】

図３及び図４は、出願人独自の技術である三次元金属構造体の完全封止（シール）接合（特許文献１参照）の実験結果を示す。図３及び図４は、それぞれ、振動方向が加圧方向と平行（縦振動）及び垂直（横振動）である。水中封止テストをクリアしている。

【0034】

図３を参照して、縦振動の場合について説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は、接合前の状態を示し、図３（ｃ）及び（ｄ）は接合後の状態を示す。この例では、丸形ケースを接合処理している。蓋（Ｌｉｄ）はｏｄ＝５４、ｔ＝６ｍｍであり、本体（Ｂｏｄｙ）はｏｄ＝５４、ｉｄ＝４８、ｈ＝５０ｍｍ、ｔ＝３ｍｍである。

【0035】

図３（ｅ）、（ｆ）及び（ｇ）は、直径150mmのアルミどうしの三次元金属構造体の封止接合例である。図３（ｆ）及び（ｇ）は、それぞれ、接合部の破壊がない場合とある場合を示す。いずれの実験結果でも、接合時に溶解した跡が認められず、拡散接合でインゴット化している。拡散接合は、接合面に生じる原子の拡散を利用して接合するものであり、例えば、母材を溶融させることなく加熱・加圧保持し、接合面を横切って接合界面の原子を拡散させ、金属学的に完全な接合部を得る。

【0036】

図４を参照して、横振動の場合について説明する。図４（ａ）及び（ｂ）は、接合前の状態を示し、図４（ｃ）及び（ｄ）は接合後の状態を示す。この例では、角形ケースを接合処理している。蓋（Ｌｉｄ）はＡ６０６３Ｓ−Ｔ５□５０、ｔ＝１２ｍｍであり、本体（Ｂｏｄｙ）はＡＤＣ１２□５０ ｈ＝２０ｍｍである。

【0037】

図４（ｅ）は、断面の顕微鏡観察である。顕微鏡観察で、接合界面が確認困難であり、拡散接合でインゴット化させている。

【0038】

図５及び図６は、本願発明による接合処理の一例を示す。

【0039】

図５（ａ）は、横振動による接合処理の一例を示す。母材は、２つの板状部材が上下に重ねられたものであり、上側の板状部材に貫通孔が形成され、下側の板状部材には孔はない。下の板状部材に対して下側から加圧し、孔に挿入されたリベットの頭部に対して横振動を与えることにより、接合処理を行う。図５（ｂ）は、接合した断面の顕微鏡観察である。この例では、２つの板状部材はＨＴＳＳであり、リベットは鉄（スチール）である。図３及び図４と同様に、拡散接合によりインゴット化されている。

【0040】

図５（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、縦振動による接合処理の一例を示す。この場合、孔の形状は、例えば、表面ではリベットの先端よりも大きく、深くなるにつれて小さくなり、最も深い個所ではリベットの先端よりも小さくする。この場合、リベットの先端が差し込まれた状態で、リベットの先端は、孔の内側の側面に接した状態になる。母材は、２つの板状部材が上下に重ねられたものである。

【0041】

図５（ｃ）では、孔を、上側の板状部材を貫通して、下側の板状部材の表面から途中まで形成する。このように形成することにより、接合後に、母材表面でのリベットによる盛り上がりを小さくすることができる。

【0042】

図５（ｄ）では、孔を、上側の板状部材の貫通孔として、下側の板状部材には形成しない。図５（ｄ）にあるように、縦振動でも図５（ａ）と同様の接合処理を実現することができる。

【0043】

図５（ｅ）では、複数の孔を形成する。各孔は、上側の板状部材の貫通孔として、下側の板状部材には形成しない。複数の孔に差し込まれた複数のリベットに対して、図５（ｄ）と同様にして縦振動を与えて接合処理を行う。例えばプラスチック溶着では、溶かして溶着するため、溶解個所を起点として発生する溶解バリが溶けて接着剤のように広がることを利用する。本願発明では、エネルギーを集中させたところ以外でも音波が伝達する広い範囲で拡散接合できる。本願発明では、拡散接合は、リベット母材との間に加えて、部材間でも生じさせることができる。そのため、それぞれ孔に差し込まれたリベットにおいて接合処理を実現できるとともに、複数の孔の間での部材の間でも接合処理を実現して、封止接合を実現することができる。

【0044】

図６は、母材の貫通孔による接合処理の一例を示す。この例では、母材は、２つの板状部材が上下に重ねられたものであり、貫通孔が形成されている。

【0045】

図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、接合前及び接合後の一例を示す図である。この例では、上側の板状部材５１、下側の板状部材５３及びリベット５５は金属である。リベット５５は、孔の下側から差し込まれている。リベット５５の頭部に対して下側から加圧し、リベット５５の胴部の先端に対して上側から音波振動及び／又は超音波振動を与える。図６（ｂ）にあるように拡散接合が生じ、リベット５５と板状部材５１とは接合箇所が観察できなくなり、板状部材５１と板状部材５３との間でも音波振動及び／又は超音波振動が伝わる範囲（例えば孔の周りなど）で拡散接合が生じる。

【0046】

図６（ｃ）〜（ｆ）は、実際の処理の一例を示す。対象５７及び対象５９は、それぞれ、接合前及び接合後の状態を示す。図６（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、表側及び裏側から見たものである。Ａはアルミ５０５２（ｔ＝３ｍｍ）であり、Ｂはアルミ１０５０（ｔ＝１ｍｍ）であり、Ｃはアルミリベット１０００系である。

【0047】

図６（ｅ）は、断面を顕微鏡観察したものである。拡散接合によりインゴット化されている。図６（ｆ）は折り曲げ実験を示す。このように、アルミのリベットインゴット接合の多点同時接合を実現することができる。ここで、接合で緩まないアルミかしめ固定を実現できる。さらに、音のみのエネルギーで介在物は不要である。大気中常温接合で、インゴット接合である。接合時間は、約３〜５秒である。音波ツールやアンビルの発熱は、ほぼ認められなかった。

【0048】

一般のかしめ工法では、リベットを貫通穴に通して表裏両側から圧縮することで複層のプレート等を挟み固定する。このような接合では、図５のように貫通孔を利用しないものは実現することができない。また、貫通孔を利用しても、図６のような固定を行うことは困難であった。

【0049】

本願発明によれば、例えば、次のような事項を実現することができる。接合部が圧縮ではなくてインゴット・合金化で全体が一体化できる。接合後の経時変化がなく、かしめより接合強度を出すことができる。縦振動でも横振動でも接合が可能である。例えば、横振動では、セラミックス等の脆い素材の固定にも対応することができる。複数箇所の同時接合が可能である。例えば複数リベット間のピッチを狭めて固定することにより、リニア状・三次元３Ｄ構造体のハーメチック封止接合が可能である。リベットの突起（凹凸）がない平面接合が可能である。剛性があるプレート上の接合は受け治具が不要である。基本型の組み合わせで様々な設計が可能である。

【0050】

なお、音波振動及び／又は超音波振動は、例えば特許文献２や特許文献３などに記載された装置により与えることができる。

【符号の説明】

【0051】

１ 接合処理装置、３ 制御部、５ 振動処理部、７ 加圧部、９ 電気信号発振部、１１ 振動子部、１３ 右側駆動部、１５ 左側駆動部、１７ ホーン、１９ リベット、２１ 母材、２３ 第１部材、２５ 第２部材

【要約】

【課題】 音波振動及び／又は超音波振動を利用してリベット接合を実現することに適したリベット接合方法等を提供する。
【解決手段】 母材２１に形成された孔にリベット１９を差し込んで接合する。母材２１は、第１部材２３及び第２部材２５を含み、孔は、部材の少なくとも一つを貫通するものであり、リベット１９は、金属であって頭部と胴部を備え、振動処理部５が、少なくとも胴部が孔に差し込まれた状態で、リベット１９に音波振動及び／又は超音波振動を与えてリベット１９と孔の内面とを接合する。
【選択図】 図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】