JP2009039987A - 熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】これまでレーザーを用いて溶着接合が困難であった金属材料とＴＰＥ材料のレーザー溶着を可能とし、更には熱可塑性樹脂材料と金属材料をより低出力、かつ広範囲のレーザー条件で溶着接合する。
【解決手段】熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合において、接合する界面に熱可塑性樹脂材料と相溶性がある熱可塑性フィルムを介在させ、レーザー光を照射することにより金属材料を発熱させてフィルムを溶融させて溶着接合する熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合方法。
【選択図】図１

Description

本発明は金属材料と熱可塑性樹脂材料とのレーザー溶着接合法に関する。金属材料と熱可塑性樹脂材料との接合強度を高めるために、両材料の密着性の検討およびレーザー照射条件を最適化することにより優れた溶着接合特性を持つ金属材料と熱可塑性樹脂材料の接合法に関する。

従来の金属材料と樹脂材料の接合に使用される方法としては、リベット締結方法や接着剤を用いて接合する方法がある。リベット締結法は、金属材料と樹脂材料とを貫通するように、数ｍｍから数十ｍｍ程度の径を有するリベットを打ち込んで固定する物理的な締結方法である。 一方 接着剤は、金属材料と樹脂材料とを、接着剤を介して、物理的吸着力および化学的吸着力により固定する方法である。

しかしながら こられの方法はリベットや接着剤という第三の材料が必要であり、リベットの場合は接合部分が重く、かつ嵩高くなるため接合部品の大型化や重量化が避けられず、設計の自由度が低下するという欠点がある。また 接着剤の場合は作業工程が多く、かつ作業環境も悪く、環境汚染の問題もある。また 接着剤の効果が発揮されるまでかなり長い時間 接合面を固定して置く必要がある。そのためリベットや接着剤を用いる接合法は適用分野が極めて限定されてしまう。

一方 近年 レーザーを用いて接合する方法が開発され、レーザーを透過する樹脂とレーザーを吸収する樹脂の組み合わせで、樹脂材料同士の接合方法として実用化されている。しかし 金属材料と熱可塑性樹脂材料、特に柔らかく変形し易い熱可塑性エラストマー材料、及び熱可塑性エラストマーを含んだ熱可塑性樹脂材料とのレーザー照射による接合方法については種々の問題点があり、これまで溶着接合法は見出されていない。
更に熱可塑性樹脂材料と金属材料をレーザー照射によって接合するには一般的に１００Ｗ以上の高出力のレーザー照射が必要となり、溶着に適した条件を見出すことが難しかったこと、及びレーザーの設備費用が高額となり、また維持、管理が難しくなるという問題があった。

そこで 本発明はこれまでレーザーによる溶着接合が困難であった金属材料と柔らかく変形し易い熱可塑性エラストマー材料との接合方法を検討し、レーザー光を照射することで短時間で自由な曲面でも溶着接合が可能な金属材料と熱可塑性樹脂材料との接合方法を提供することを課題とするものである。
更には熱可塑性樹脂材料と金属材料を溶着接合させるレーザーの条件が、より低出力、かつ広範囲な条件範囲で提供することを課題とするものである。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、レーザー照射時の初期発熱によって熱可塑性樹脂材料が変形して金属材料との密着性が悪くなることを防止する方法を検討し、金属材料と熱可塑性樹脂材料との溶着接合が可能となり、上記の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は
（１）熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合において、接合する界面に熱可塑性樹脂材料と相溶性がある熱可塑性フィルムを介在させ、レーザー光を照射することにより金属材料を発熱させてフィルムを溶融し溶着接合することを特徴とする熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合方法。
（２）熱可塑性樹脂材料がポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマーおよびオレフィン系熱可塑性エラストマーであることを特徴とする（１）記載の熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合方法。
（３）熱可塑性樹脂材料がポリエステル系樹脂、またはポリアミド系樹脂であることを特徴とする（１）記載の熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合方法。

本発明によって、これまでレーザー光源を用いて金属材料と熱可塑性エラストマー材料との接合が出来なかったが、本発明の熱可塑性樹脂材料と相溶性がある熱可塑性樹脂からなるフィルムを介在させることにより、金属材料と熱可塑性エラストマー材料との溶着接合することが可能となった。
更に熱可塑性樹脂材料と金属材料を接合させるレーザー照射条件が、より低出力、かつ条件範囲が広げることができた。
また レーザー光源を使用することにより、局所的な接合やピンポイント的な接合および自由な曲線の接合等が迅速に、かつ安価に製造することが出来る。 したがって産業界に寄与すること大である。

以下に本発明を具体的に説明する
本発明における金属材料とは、鉄の合金である各種鋼材、銅の合金、チタンとその合金およびアルミニウムやマグネシュウム等を中心とした軽金属合金等を挙げることが出来るが、これらに限定されるものではない。 特に好ましい金属材料はステンレス合金およびアルミニュウム合金である。

本発明における熱可塑性エラストマー（以下 ＴＰＥと記す）とはゴムのように加硫をする必要のない弾性体材料で一般にハード成分（硬く剛直な成分）とソフト成分（軟らかくフレキシブルな成分）から構成された材料である。ＴＰＥには多くの種類があり、本発明で使用されるＴＰＥとしては オレフィン系ＴＰＥ、スチレン系ＴＰＥ、ポリエステル系ＴＰＥおよびウレタン系ＴＰＥ 等を挙げることが出来る。

オレフィン系ＴＰＥは動的加硫タイプ、ブレンドタイプおよび重合タイプ等があるがいずれのオレフィン系ＴＰＥも使用することが出来る。またオレフィン系ＴＰＥの構成成分としては、ハード成分としてポリプロピレン系樹脂やポリエチレン系樹脂、ソフト成分としてエチレン/プロピレン共重合体、エチレン/プロピレン/ジェン共重合体（EPDM）、ブチルゴム（IIR）および柔軟性のあるエチレン共重合体 等から構成される。
スチレン系ＴＰＥとしては、例えば具体的にスチレン/ブタジエン/スチレンのブロック共重合体（SBS）、スチレン/イソプレン/スチレンブロック共重合体（SIS）およびスチレン/エチレン・ブチレン/スチレンブロック共重合体（SEBS）、スチレン/エチレン・プロピレン・アミレン/スチレンブロック共重合体（ビニルＳＥＰＳ）、スチレン/ブタジエン共重合体の水素添加物であるスチレン/ブタジエン共重合体（HSBR）等を挙げることが出来る
ポリエステル系ＴＰＥとしては、ハード成分としてポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリナフタレンテレフタレート等を用い、ソフト成分としてポリテトラメチレングリコールやε-カプロラクトン等から構成されるＴＰＥを挙げることが出来る。
ポリウレタン系ＴＰＥはポリエステルタイプ、ポリエーテルタイプ等 多くの種類があるが、いずれのタイプのポリウレタン系ＴＰＥも使用することが出来る
ポリアミド系ＴＰＥとしては、ハード成分としてナイロン１２、ナオロン１１、およびナイロン６等を用い、ソフト成分としてポリテトラメチレングリコール等のポリエーテルおよびε-カプロラクトン等のポリエステルから構成されている。

これらのＴＰＥの中で 特に好ましいものは耐熱性や熱安定性の優れたオレフィン系ＴＰＥ、ポリエステル系ＴＰＥおよびポリアミド系ＴＰＥである。
本発明におけるＴＰＥの硬度はショワーＡの５０度からショワーＤの７５度である。ショワーＡの５０度以下ではＴＰＥの耐熱性や熱安定性が劣り、好ましくない。 一方ショワーＤの７５度以上のＴＰＥは硬くなり、本来のＴＰＥとしての柔軟性に欠けて、好ましくない。

本発明におけるポリエステル系樹脂材とは、エステル結合（−ＣＯＯ−）を主鎖に持つ重合体である。もちろん本発明の目的を損わない範囲で強化材や充填材、他の成分を含有せしめることが出来る。
具体的には、ポリエステルとは多塩基酸（一般にジカルボン酸）と多価アルコールとの重縮合により得られる重合体の総称である。より具体的なポリエステルの構成成分としては、以下に示す多価カルボン酸、もしくはそのアルキルエステル、酸無水物を使用できる。多価カルボン酸としては、例えば、テレフタル酸、イソフタル酸、オルソフタル酸、１，５−ナフタレンジカルボン酸、２，６−ナフタレンジカルボンル酸、４，４’−ジフェニルジカルボン酸、２，２’−ジフェニルジカルボン酸、４，４’−ジフェニルエーテルジカルボン酸、５−スルホン酸ナトリウムイソフタル酸、５−ヒドロキシイソフタル酸等の芳香族ジカルボン酸、フマル酸、マレイン酸、コハク酸、イタコン酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、１，１２−ドデカン二酸、１，４−シクロヘキサンジカルボン酸、１，３−シクロヘキサンジカルボン酸、１，２−シクロヘキサンジカルボン酸、４−メチル−１，２−シクロヘキサンジカルボン酸、ダイマー酸等の脂肪族や脂環族ジカルボン酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、ビフェニルテトラカルボン酸、エチレングリコールビス（アンヒドロトリメリテート）、グリセロールトリス（アンヒドロトリメリテート）等の芳香族多価カルボン酸等があげられる。ポリエステルのポリオール成分としては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−プロパンジオール、２−メチル−１，３−プロパンジオール、１，２−ブタンジオ−ル、１，３−ブタンジオ−ル、１、４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオ−ル、１，６−ヘキサンジオ−ル、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコ−ル、ジプロピレングリコ−ル、２，２，４−トリメチル−１，５−ペンタンジオ−ル、ネオペンチルヒドロキシピバリン酸エステル、ビスフェノ−ルＡのエチレンオキサイド付加物およびプロピレンオキサイド付加物、水素化ビスフェノ−ルＡのエチレンオキサイド付加物およびプロピレンオキサイド付加物、１，９−ノナンジオール、２−メチルオクタンジオール、１，１０−デカンジオール、２−ブチル−２−エチル−１，３−プロパンジオール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、トリシクロデカンジメタノール、ダイマージオール、ポリカーボネートグリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジメチロールブタン酸、ジメチロールプロピオン酸、ポリカーボネートジオール、ポリエーテルグリコール等が上げられる。ポリエーテルグリコールとしては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコールなどのポリアルキレングリコール、およびそれらの共重合体、さらにはこれらアルキレングリコールにネオペンチルグリコールやビスフェノールＡなどのジオール、ジフェノールなどを共重合したものもあてはまる。ポリエーテルグリコールの数平均分子量としては４００〜１００００のものが望ましい。好ましい下限は６００、より好ましくは８００である。さらには、ε−カプロラクトン、δ−バレロラクトン、β−メチル−δ−バレロラクトン、β−プロピオラクトン、γ−ブチロラクトンなどのラクトン類、乳酸、グリコール酸、２−ヒドロキシイソブタン酸、３−ヒドロキシブタン酸、４−ヒドロキシブタン酸、６−ヒドロキシカプロン酸などのヒドロキシカルボン酸およびその環状二量体などが上げられる。なかでも、ポリアリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレートなどの結晶性ポリエステル、これらにシクロヘキサンジメタノール、ネオペンチルグリコール、イソフタル酸などを共重合し、結晶性を低下もしくは非晶化した樹脂が好ましい。

本発明のポリアミド系樹脂とは分子中にアミド結合（−CONH−）を有するものであり、ε―カプロラクタム、６−アミノカプロン酸、ω―エナントラクタム、７−アミノヘプタン酸、１１−アミノウンデカン酸、９−アミノノナン酸、α―ピロリドン、α―ピペリジン、ラウリルラクタム などから得られる重合体または共重合体もしくはこれらのブレンド物。 ヘキサメチレンジアミン、ナノメチレンジアミン、ウンデカメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、メタキシリレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミンなどのジアミンとテレフタール酸、イソフタール酸、アジピン酸、セバシン酸などのジカルボン酸を重縮合して得られる重合体または共重合体もしくはこれらのブレンド物。 ハード成分にナイロン１１、ナイロン１２、およびナイロン６等を用い、ソフト成分にはポリエーテルや脂肪族ポリエステル等からなるブロック共重合体であるポリアミドエラストマー 等を例示することが出来るが、これらに限定されるものではない。
本発明において特に好ましいポリアミド重合体はポリアミド重合体の分子中における鎖状分子１００原子当たりのアミド基数が４ 以上を含有するポリアミド樹脂である。 即ちアミド基の濃度の高いポリアミド樹脂材料が好ましい。 具体的にはナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６６、ナイロン４６、ナイロン６１０、６Tナイロン、６Iナイロン、MXD―６ナイロン、６T／６Iナイロン、６T／６ナイロン、およびポリアミドエラストマー 等の重合体またはこれらを成分とする共重合体 もしくはブレンド物等を例示することが出来るが、これらに限定されるものではない。
ポリアミド重合体の相対粘度は９８％硫酸法で測定して１．８〜３．６であり、好ましくは２．１〜３．４である。相対粘度が１．８未満では強度やタフネスが充分でなく、３．６以上では流動性が不足して良好な成形品が得られなくなる。

本発明においては、本発明の目的を損わない範囲で熱可塑性樹脂材料に強化材や充填剤を配合しても構わない。 具体的には、ガラス繊維、扁平ガラス繊維、カーボン繊維、セラミックス繊維、針状ワラスト、ウイスカーなどの繊維状無機強化材、シリカ、アルミナ、タルク、カオリン、石英、ガラスフレーク、マイカ、グラファイト等の粉末状の充填剤等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。これらの強化材や充填剤は単独または二種類以上の組み合わせで配合することが出来る。また、これらの強化材や充填剤は表面処理剤としてエポキシシランやアミノシラン等で処理されたものを使用しても良い。

一方 本発明の目的を損わない範囲で熱可塑性樹脂材料に他のポリマー類を配合しても良い。例えばポリスチレン系樹脂やポリオレフィン系樹脂を挙げることが出来る。これらのポリマーではエステル結合、またはアミド結合を主鎖に持つ熱可塑性樹脂と相容性を向上させるために、エポキシ化合物やオキサドリン化合物および無水マレイン酸等で変性することも出来る。 具体的には変性ポリスチレン系樹脂や変性ポリオレフィン系樹脂を例示することが出来る。

本発明における熱可塑性樹脂からなるフィルムとしては熱可塑性樹脂材料と相溶性がある熱可塑性樹脂から加工されたフィルムが好ましい。ＴＰＥの場合、ハード成分とソフト成分から構成されているが、これらの構成成分の中でハード成分と同種の熱可塑性樹脂から加工されたフィルムが特に好ましい。 具体的には オレフィン系ＴＰＥではポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂およびその共重合体の樹脂であり、ポリエステル系ＴＰＥではポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリナフタレンテレフタレート等の樹脂およびその共重合体の樹脂である。ポリアミド系ＴＰＥではナイロン１２、ナイロン１１、ナイロン６等の樹脂およびその共重合体の樹脂である。特にポリアミド樹脂では多くの同種の樹脂があり、例えばナイロン６６、ナイロンＭＸＤ６、ナイロン６１０等であり、分子中に酸アミド結合（−ＣＯＮＨ−）を有する結晶性ポリアミド樹脂は全て使用することが出来る。
相溶性がある樹脂を選定する方法としては、熱可塑性樹脂材料のペレットと、熱可塑性フィルムの原料ペレットの重量比を０．５〜２．０で混合したのちに射出成形や、プレス成形で成形してもはく離を起こさないような材料の組み合わせなどが挙げられる。このときの射出成形機やプレス機の温度は熱可塑性樹脂、及び熱可塑性フィルムの原料ペレットの融点以上に設定される。成形品の形状については特に限定されないが、厚みが１〜２ｍｍ程度の薄い成形品では確認がしやすい。

本発明における熱可塑性樹脂からなるフィルムの厚みは特に限定されるものではないが、１０μｍから５００μｍである。特に好ましくは３０μｍから２００μｍである。フィルムの厚みが１０μｍ以下ではレーザー照射した時、金属材料からの熱伝導による急速発熱量が大きくなり好ましくない。一方フィルムが５００μｍ以上では熱可塑性樹脂材料への熱伝導が悪くなり好ましくない。

本発明の熱可塑性樹脂材料には、本発明の目的を損なわない範囲で、必要に応じて他のポリマーや他のＴＰＥを配合することが出来る。また結晶核剤、滑剤、離型剤、可塑剤、光または熱安定剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、帯電防止剤、難燃剤、顔料、染料などを添加できる。

本発明においてレーザー溶着に用いられるレーザー光としては特に限定されるものではないが、一般的に、ルビー、ガラス、ＹＡＧ等の固体レーザー、 ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等の半導体レーザー、 ヘリウムーネオン、アルゴン、炭酸ガス、エキシマ等の気体レーザー等を挙げることが出来る。 より好ましいレーザーは半導体レーザー（ＬＤレイザーダイオード、波長８０８〜９４０ｎｍ）やＹＡＧレーザー（イットリウム・アルミニュウム・ガーネット結晶、波長１０６４ｎｍ）であるが、これらに限定されるものではない。 レーザーの波長が４００ｎｍより短いと樹脂が著しく劣化する可能性があり、好ましくない。

本発明では、レーザー光の出力は５０〜２０００Ｗという高出力を用い、急速加熱を行って金属材料表面の温度を瞬間的に、かつ局所的には５００〜１５００℃にする。
金属材料と熱可塑性樹脂材料の溶着接合の場合では、金属材料と接触している熱可塑性樹脂材料は金属材料からの熱伝導により急速に加熱され、金属材料と接触している表面のみ溶融が起こり、その中心部では局所的に、かつ瞬間的に極めて高温となる。 熱可塑性樹脂材料の局所的、かつ瞬間的な加熱により、熱可塑性樹脂材料は接合部に接した表層部分が溶融、一部分解し、金属との間に化学結合が生じる。この化学結合によって熱可塑性樹脂材料と金属材料の接合が可能となる。

一方 ＴＰＥは一般の熱可塑性樹脂材料と比較して結晶性や弾性率が低いため、金属材料と接触している表面からの熱伝導でＴＰＥ材料全体の弾性率が更に一段と低下して、熱膨張や自重で変形を起こし、金属材料との密着性が低下してしまう。そのため金属材料とＴＰＥのレーザー光による溶着接合が困難であったと推察される。

本発明においてはＴＰＥと相溶する熱可塑性樹脂のフィルムを金属材料とＴＰＥの間に介在させることにより、金属材料からの急速発熱および局所的な溶融・分解をこのフィルムを介して発生させることにより、金属材料とフィルムおよびＴＰＥ材料の密着性が著しく改善され、金属材料とＴＰＥとの溶着接合が可能となった。
また このフィルムは溶融すると相溶性が良いＴＰＥと積層一体化し、金属材料とＴＰＥ材料の強固な溶着接合界面が形成される。

本発明において熱可塑性樹脂材料と金属材料との間にフィルムが介在するので、レーザー照射によって発生した金属材料の熱エネルギーはフィルム、及び熱可塑性樹脂材料のフィルムに接した面の表層部分の溶融に使われることになるが、主にはフィルムの溶融に使用される。
フィルムの熱容量は一般の成形品より低いため、より少ないエネルギーで溶融させることができる。よって熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合に必要なレーザーの出力を低くすることが可能となり、かつレーザー照射の条件範囲も幅広いものにすることができる。

本発明では、レーザー光の照射を熱可塑性樹脂材料側からだけではなく、金属材料側から照射することもできるが、熱可塑性樹脂のレーザー光の透過性の影響を受けない点から金属材料側から照射することが好ましい。つまり、熱可塑性樹脂材料のレーザー透過性が良い場合は、レーザー光の照射を熱可塑性樹脂材料側及び金属材料側から照射することもができる。しかし、熱可塑性樹脂材料のレーザー透過性が低い場合には、金属材料を発熱させる以前に熱可塑性樹脂材料がレーザー光のエネルギを吸収して発熱し、溶着接合する前に熱可塑性樹脂材料が劣化、時には発火を起こす。また熱可塑性樹脂材料のレーザー透過性は一般に厚みに依存する。従って熱可塑性樹脂材料に厚みがあれば、金属材料の発熱以前に熱可塑性樹脂材料が発熱して劣化や発火をしてしまう。したがって、金属材料側から照射することが好ましい。
金属側からレーザー光を照射すれば熱可塑性樹脂材料のレーザー透過性や、厚みは全く問題ではない。金属材料側からレーザー光を照射する場合、金属材料を局所的、瞬間的に発熱させる必要があるので金属材料の厚みが重要となる。本発明で、金属材料側からレーザー光を照射する場合の金属材料の厚みは６ｍｍ以下であり、好ましくは３ｍｍ以下である。

本発明によって、これまでレーザーを用いて溶着接合が困難であった金属材料とＴＰＥ材料のレーザー溶着が可能となった。
更に熱可塑性樹脂材料と金属材料をより低出力、かつ広範囲のレーザー条件で溶着接合することが可能となった。
金属材料と熱可塑性樹脂材料のレーザーによる溶着接合法は、局所的な接合やピンポイント的な接合および自由な曲線の接合等が迅速に、かつ安価に製造することが出来る。 したがって自動車や電子・電気部品等の幅広い分野で使用が可能となる。

以下に実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。
本発明の実施例、比較例に使用した材料は以下のようである。
ＴＰＥは以下のような材料を使用した。 ポリエステル系熱可塑性エラストマーとしてペルプレンＰ−９０Ｂ（東洋紡(株)製、ショアーＤ硬度＝５２、ハード成分はＰＢＴ）を使用した。 カーボンによって黒色に着色された材料なのでレーザー透過率は０であった。
また ポリアミド系熱可塑性エラストマーとしてペバックス５５３３（東レ(株)製、ショアーＤ硬度＝５５、ハード成分はナイロン１２）を使用した。 カーボンによって黒色に着色された材料なのでレーザー透過率は０であった。
各ＴＰＥと相容する熱可塑性樹脂のフィルムとして、ペルプレンＰ−９０ＢではＰＥＴフィルム（東洋紡(株)）およびペバックス５５３３ではナイロン６フィルム（東洋紡(株)）を使用した。各フィルムの厚みは５０μｍである。
ポリエステル系樹脂材料はＥＭＣ７３０（東洋紡(株)、ガラス繊維３０重量％強化ＰＢＴ樹脂）を使用した。レーザー透過率は２ｍｍの厚みで ０．４であった。
ポリアミド系樹脂材料はＴ−７１４Ｈ（東洋紡(株)、非晶性ポリアミド樹脂）を使用した。レーザー透過率は２ｍｍの厚みで０．９であった。

熱可塑性樹脂材料は射出成形機を使用して３０×７０×２ｍｍｔの平板を成形した。
金属材料としてはＳＵＳ―３０４のステンレスとアルミニウム合金（Ａｌ）を使用した。これら金属材料の寸法は３０×７０×１ｍｍｔである。
レーザーのタイプはＹＡＧ固体レーザー（イットリウム・アルミニュウム・ガーネット結晶）、及び半導体レーザーを使用した。
また溶着接合が確認できたサンプルについては引張試験を行い、溶着強度を測定した。引張試験速度は５ｍｍ／分である。

レーザー溶着接合性は、引張試験後の外観状態により以下の判定基準で判定した。
・ :母材破壊又は樹脂の塑性変形あり
△ :金属と樹脂の界面で剥離
× :接合せず、測定不能
また溶着接合が確認できたサンプルについては引張試験を行い、溶着強度を測定した。引張試験速度は５ｍｍ／分である。

実施例１はポリエステル系熱可塑性エラストマーとＰＥＴフィルムとステンレスのレーザー照射による溶着接合の結果である。レーザーの照射方向は金属材料側からである。
溶着接合部は良好で、接合部の引張り強さの試験を行うと８３０Ｎに達した所でポリエステル系熱可塑性エラストマー部分での塑性変形が起きた。しかし溶着接合部の破壊は起こらなかった。 一方 比較例１ではＰＥＴフィルムを介在させない場合である。比較例１ではレーザー照射しても溶着接合することが出来なかった。 比較例２ではレーザーの出力を更に上げたが溶着接合はできなかった。
比較例３ではＰＥＴフィルムの替わりにＰ−９０Ｂとは相溶性がないＰＡフィルムを介在させたが溶着接合はできなかった。
実施例２ではポリアミド系熱可塑性エラストマーとＮＹ６フィルムとステンレスのレーザー照射による溶着接合の結果である。 ＮＹ６フィルムを介在させた実施例２ではレーザー照射による溶着接合が可能であった。接合部の引張り強さの試験を行うと９００Ｎに達した所でポリアミド系熱可塑性樹脂材料での塑性変形が起こった。 一方 比較例４ではＮＹ６フィルムを介在させない場合であるが、比較例１と同様にレーザー照射しても溶着接合することが出来なかった。
比較例１、２、３、４ではいずれもレーザー照射による溶着接合が出来なかった。この原因としては、レーザー照射時に金属材料とＴＰＥ材料の密着性が低下するのではないかと推定される。
比較例５ではレーザーの照射方向を樹脂材料側からとしたが、Ｐ−９０Ｂがカーボンによる着色材料のためレーザー透過率が０であり、樹脂材料が激しく発熱して発火を起こした。

実施例３はポリアミド系樹脂材料であるＴ−７１４Ｈ、ＰＡフィルム、ステンレスのレーザー照射による溶着接合の結果である。 レーザーの照射方向は樹脂材料側からである。
溶着接合部は良好で接合部の引張り強さの試験を行うと３４００Ｎに達した所でＴ−７１４Ｈが母材破壊した。 このときのレーザー出力は６０Ｗである。
また実施例４ではレーザー出力を１５０Ｗまであげたが、実施例３と同様、良好な溶着接合を確認できた。 接合部の引張強さは３２００Ｎで、Ｔ−７１４Ｈが母材破壊した。
一方、比較例６ではＰＡフィルムがない状態でＴ−７１４Ｈとステンレスを重ねあわせ、実施例３と同じレーザー照射条件で行なった。 わずかに溶着した跡が見られたが、引張強さの試験を行うと６００Ｎに達したところで溶着面の界面ではく離した。
比較例７では比較例６からレーザー出力を１００Ｗまで上げたが、接合部の引張強さは
１２００Ｎで、溶着接合面で界面はく離した。
比較例８で、レーザー出力を１５０Ｗまで上げてようやく実施例３と同じ溶着強度を得られた。熱可塑性樹脂材料と金属材料との間にフィルムを置くことで、より低出力で溶着できることを確認した。
実施例５はポリアミド系樹脂材料であるＴ−７１４Ｈ、ＰＡフィルム、ステンレスのレーザー照射による溶着接合の結果であり、レーザーの照射方向は金属材料側からである。
溶着接合部は良好で接合部の引張り強さの試験を行うと３３００Ｎに達した所でＴ−７１４Ｈが母材破壊した。

実施例６はポリエステル系樹脂材料であるＥＭＣ７３０、ＰＥＴフィルム、アルミ合金のレーザー照射による溶着接合の結果である。 レーザーの照射方向は金属材料側からである。
溶着接合部は良好で接合部の引張り強さの試験を行うと３５００Ｎまで達した。
一方、比較例９では実施例５からＰＥＴフィルムを除いた条件でレーザー溶着を試みたが接合部の引張強さの試験を行うと８００Ｎまでにしか達しなかった。

本発明によって、これまでレーザーを用いて溶着接合が困難であった金属材料とＴＰＥ材料のレーザー溶着が可能となった。
更に熱可塑性樹脂材料と金属材料をより低出力、かつ広範囲のレーザー条件で溶着接合することが可能となった。
金属材料と熱可塑性樹脂材料のレーザーによる溶着接合法は、局所的な接合やピンポイント的な接合および自由な曲線の接合等が迅速に、かつ安価に製造することが出来る。 したがって自動車や電子・電気部品等の幅広い分野で使用が可能となり産業界に寄与すること大である。

レーザー溶着接合性を評価しりための試験片 （ａ）平面図、 （ｂ）側面図

符号の説明

・ 熱可塑性樹脂材料
・ 金属材料
・ 熱可塑性樹脂材料と同種類の熱可塑性樹脂からなるフィルム
・ レーザー光の照射方向
・ レーザー光照射により溶着した部分
・ ＴＰＥ材料と金属材料の固定冶具
ｗ 試料の幅（３０ｍｍ）
ｄ 試料の厚み（２ｍｍ）

Claims (3)

1. 熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合において、接合する界面に熱可塑性樹脂材料と相溶性がある熱可塑性フィルムを介在させ、レーザー光を照射することにより金属材料を発熱させてフィルムを溶融し溶着接合することを特徴とする熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合方法。
2. 熱可塑性樹脂材料がポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマーおよびオレフィン系熱可塑性エラストマーであることを特徴とする請求項１記載の熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合方法。
3. 熱可塑性樹脂材料がポリエステル系樹脂、またはポリアミド系樹脂であることを特徴とする請求項１記載の熱可塑性樹脂材料と金属材料との接合方法。
   
   

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