2014 Fiscal Year Research-status Report
金属の固相接合法による微細部品精密接合技術の開発と応用に関する研究
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25420064
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| Research Institution | Nippon Institute of Technology |
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Principal Investigator |
神 雅彦 日本工業大学, 工学部, 教授 (80265371)
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2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 金属 / 固相接合 / 超音波 / ステンレス線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
精密金属部品の固相接合の工学的実現性の検討課題として，機械構造の要素となる３つの基本継手形態のうち，T継手および重ね合わせ継手に関して，接合方式や装置構造を明らかにした．実験装置は，超音波振動数はf=20kHz，振幅a=8μm(0-p)，荷重はP=5.5kNまでの接合条件を可能にするものに改良した．超音波付加条件の検討では，主として，線材と板材との重ね合わせ継手に関して，超音波周波数，振動波形，付与時間，あるいは振幅などの条件と接合状態との関係を基本的に明らかにした．超音波周波数と振動波形に関する調査にあたっては超音波テスタを，振幅に関する調査では，静電容量型変位計を,および接合強度の検証にあたっては小型引張試験機を，それぞれ活用した．
精密接合を成立させるテクスチャ形状と超音波付加条件の検討では，テクスチャ形状と塑性変形形態との関係は，FEM（有限要素法）による変形解析により実施した．FEM解析とテクスチャの形成による接合実験を実施し，テクスチャ形状と加工精度や接合強度との相関関係を基本的に明らかにした．その結果，材料を効果的に流動させるためのテクスチャ形状，大きさ，配置などを理解することができた．
固相接合メカニズムの解明に関しては，前年度の研究で明らかにした接合部および付近の金属の結晶組織の違いを，より物性的に深くとらえるための手法を検討した．その結果，ステンレス線と板との接合においては，線が丸断面形状を保ったまま，板に埋め込まれるといった特異な現象を発見した．これに関しては，次年度の研究において，接合メカニズムを理解していきたい．
研究体制は，基本的に前年度を継続するが，研究遂行の妥当性に関するアドバイザーとして，強力超音波技術に関する世界的権威である神奈川大学名誉教授の辻野次郎丸氏の意見を得て，研究の方向性を適宜修正した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
精密金属部品の固相接合の工学的実現性に関する研究課題では，研究対象としていたT継手および重ね合わせ継手に加え，ステンレス線と板との接合の研究をも実施し，接合現象を理解することができた．これは，機械構造体の一形態として，メッシュと板との接合を視野に入れた研究で，工業的に期待されているためである．接合装置構造に関しては，超音波振動数はf=20kHz，振幅a=8μm(0-p)と前年度までと同様であるが，荷重に関してはP=5.5kNまで増強し，より広範囲の接合実験の実施を可能とした．これは，実験を実施するにあたり，荷重の効果が大きいことを考慮したためである．超音波接合の接合状態を理解するにあたり，新たに小型引張試験機を導入し，接合状況の評価をより詳細に行えるようにした．
精密接合を成立させるテクスチャ形状と超音波付加条件に関する検討では，テクスチャ形状と塑性変形形態との関係，特に強固に接合するための条件をより深く理解することができた．すなわち，接合を強固にするためには，材料を効果的に流動させるためのテクスチャ形状が重要であること，および，最適な大きさ，配置などを理解することができた．この知見の発見は，この技術をより効果的にすることに大いに役立つものと期待できる．
固相接合メカニズムの解明に関しては，前年度の研究で明らかにした接合部および付近の金属の結晶組織の違いを，より物性的に深くとらえることができた．特に，ステンレス線と板との接合においては，線が丸断面形状を保ったまま，板に埋め込まれるといった特異な現象を発見した．今後の現象解明に大きく役立った．これに関しては，次年度の研究課題の一つに取り上げる．
研究体制には，強力超音波技術に関する世界的権威である神奈川大学名誉教授の辻野次郎丸氏の意見を十分に得ることができ，議論を通じて問題点が整理され，研究の方向性をより良く保つことができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
精密金属部品の固相接合の工学的実現性に関する検討では，最終的な総括，および今後の応用課題の検討を目指して研究を進める．これまでに研究した４つの基本的継手形態（突合せ継手，T継手，重ね合わせ継手，線と板の接合継手）の固相接合に関する検討を継続し，最終的に工学的実現性を総括する．応用事例に関して実用的有用性を検証する．具体的には，再生治療用チタン箔の重ね合わせ接合への応用などに関して検討する．同チタン箔は，厚さ数十μmで，微細メッシュが形成されており，歯肉を再生させる治療器具となる．その箔を固定するための支持部を接合する．接合に対しては，箔を破ることなく強固に接合する高い技術が要求される．その実現の可能性を検討する．
精密接合を成立させるテクスチャ形状と超音波付加条件の検討では，総括と今後の課題の把握を目指して研究を進める．FEM解析結果により理解した最適テクスチャを工業的に実現可能な加工の手法を開発する．具体的には，切削加工，放電加工，エッチングによる方法を検討する．さらに，今後の課題に関してまとめる．
固相接合メカニズムの解明に関する課題でも，総括と今後の課題の把握を目指した研究を進める．固相接合メカニズムについて，TEM（透過型電子顕微鏡）の利用，あるいは界面生成物の分析などの手法により検証する．すなわち，強固な接合が実現できていることを冶金的に証明する．
研究体制は，基本的にこれまでを継続するが，チタン箔接合に関する応用研究に際して，超音波接合技術を継承した柳下技研などの実用化企業の協力を得る．研究の総括として，３年間の研究を総括する．すなわち，本研究により，従来のレーザー接合では成しえない微細精密接合ができることを工学的に検証し，再生医療用チタン箔の精密接合などの成果により実用的有用性を明らかにする．一方では，金属の固相接合メカニズムを冶金的に解明する．
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| Causes of Carryover |
当初の研究計画に比べて，FEM解析に関する知見が多く出てきたため，同解析に要する時間を増やした．そのため，実験規模をやや縮小させ，必要な機材や材料の購入が少なくなったため，予算額に対して執行額が減少した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度の研究において，FEM解析により多くの有益な知見が得られたため，次年度の実験計画において実験項目を増やす必要が生じている．それによって，予算は当初の計画通りとなり，かつ研究成果は当初の予定以上になると見込んでいる．
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Research Products
(3 results)
