JP2011116127A - 金属ワークとプラスチックワークとを接合する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不都合点を有することなく重ね接合を行うことができる、金属ワークとプラスチックワークとを接合する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】接合工具５を用いて金属ワーク１とプラスチックワーク３とを接合する方法であって、金属ワーク１とプラスチックワーク３とを位置決めするステップと、ピン７、スリーブ９、外側締め付けリング１１の先端を金属ワーク１の外側面に接触させるステップと、ピン７及びスリーブ９の先端と金属ワーク１の外側面との間に摩擦を発生させるために、ピン７及びスリーブ９を回転させるステップと、スリーブ９を金属ワーク１に貫入させる一方、ピン７を金属ワーク１の外側面から離すステップとを含み、スリーブ９を金属ワーク１の接触面に到達する前に停止させた後に、スリーブ９及びピン７の先端が同じ高さになるまで、スリーブ９を金属ワーク１から離す一方、ピン７を金属ワーク１の外側面の方へ動かす。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属ワークとプラスチックワークとを、接合工具によって結合する方法に関する。

自動車・航空技術の分野や医療用途においては、金属ワークとプラスチックワークとを組み合わせた装置が使用されることが多く、このような用途の数は、今後、大きく増加することが予想される。金属とプラスチックとの組み合わせは、例えば、剛性や腐食抵抗性などの、装置における所望の特性を維持しつつ、軽量化を図るために用いられることが多い。この点においては、装置の異なるコンポーネント同士、特に、金属コンポーネントとプラスチックコンポーネントとを、十分に確実で効率的に接合する方法が求められている。

従来から、異なる材質のワーク同士を結合するために、リベットまたはねじを用いることが知られている。しかしながら、このような機械的結合は、追加的要素を要するため、装置の重量を増加させることになる。特に、航空用途においては、各装置の重量が最小限であることが当分野における主な必要条件であるため、このような重量増加は不都合である。機械的結合の他の不都合点としては、結合箇所において、高レベルの応力が集中するということ、また、結合そのものが少なくとも１つのコンポーネントのひび割れの発生開始位置となりうるということがある。最後に、ねじやリベットといった追加的要素による結合は、外観を損ねることがあり、これは多くの場合、好ましくない。

２つの金属コンポーネントを結合する場合の方法として、超音波溶接、抵抗溶接、振動溶接、赤外線溶接、誘導溶接などの従来の溶接技術は、点状の結合のみが可能である状況においても、とても有用である。しかしながら、これらの技術は、金属と金属とを結合する場合と同様の方法で、金属とプラスチックとを結合する場合に適用することはできない。通常、金属の溶接温度は熱可塑性材料の溶接温度よりもはるかに高く、熱硬化性材料は溶けないため、全く溶接できない。従って、溶接線を熱可塑性材料の全体に位置させなければならない一方で、金属コンポーネントの構造は基本的に変わらない。

更に、不都合な点として、従来の溶接技術を適用する場合には、時間がかかる前処理である表面処理が必要となることが多いということがある。加えて、溶接は多くの場合、高いエネルギー入力に接続されるため、溶接点近傍の材料が著しく影響され、材料の特性が変化してしまうという問題が起こる。

異なる材料で構成されたワークを結合するための、他の採用可能な選択肢としては、特別な接着剤の使用がある。ここで、十分に安定した結合を提供するこのような接着剤は、少なくとも硬化時に有毒ガスを発生するため、接着によって形成される結合部の近傍にいる作業員に、そのガスが接触しないようにする追加的対策が必要となる。また、熱を加える必要があるため、熱によって材料が変質しないようにする追加的な対策も必要となる。

米国特許第７,４９７,９１７号明細書により、金属及びプラスチックそれぞれのワークを結合するための以下の技術が知られている。この技術では、金属ワークに対向するプラスチックワークの表面に、熱活性化可能な接着剤の層を設ける。次に、摩擦攪拌溶接工具を、プラスチックワークとは反対の金属ワークの表面に係合させる。摩擦攪拌溶接工具を回転駆動させることによって発生する摩擦熱により、接着剤が溶ける。工具の回転を停止し、金属ワークの表面から離すと、接着剤は硬化し、接合部が形成される。

更に、米国特許第７,４９７,９１７号明細書には、金属ワークとプラスチックワークとを結合させるための以下の技術も記載されている。まず、金属ワークに孔を開け、そして金属ワークをプラスチックワークに接触させる。次に、リング状の摩擦攪拌溶接工具を、孔を囲むように金属ワークの表面に係合させる。回転する摩擦攪拌溶接工具によって生じた熱により、プラスチックワークは溶け、可塑化した材料が孔に流れ込み、結合相手同士の機械的噛み合わせによる、確実な接合部が形成される。

米国特許第７,４９７,９１７号明細書

上記の文献に記載された方法は、以下の不都合点を有する。上記のうち１つめの実施形態では、ワークの一方に接着剤を塗布することを要するため、追加的工程が必要となる。このため、この方法は時間がかかり、柔軟性に欠ける。更に、接着剤のみで形成された接合部が十分な安定性を有するのかが、疑問である。２つめの実施形態では、第１の工程で、金属ワークに孔を開けることを要し、これは時間のかかる追加的工程である。更に、プラスチック材料が、孔、そして金属ワークの目に見える側へと流れ込む。このため、接合部の位置が容易に識別可能であるという、好ましくない効果を生む場合がある。最後に、金属ワークに孔を開けなければいけないため、接合部領域におけるワークの強度が低下する。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、上記の不都合点を有することなく重ね接合を行うことができる、金属ワークとプラスチックワークとを接合する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明に係る金属ワークとプラスチックワークとを接合する方法は、
軸方向に移動可能なピンと、前記ピンを囲み、前記ピンに対して回転駆動され、且つ、前記ピンの軸方向に移動可能なスリーブと、前記スリーブを囲む外側締め付けリングとを備える接合工具を用いて、金属ワークとプラスチックワークとを結合する方法であって、
前記金属ワークと前記プラスチックワークを、各ワークの接触面が互いに当接するように位置決めするステップと、
前記ピン、前記スリーブ、及び、前記外側締め付けリングのそれぞれの先端が、前記金属ワークの前記接触面とは反対側の外側面に接触するように、前記接合工具を前記金属ワークの上に位置決めするステップと、
前記ピン及び前記スリーブの各先端と前記金属ワークの外側面との間に摩擦を発生させるために、前記ピン及び前記スリーブを回転させるステップと、
前記ピン及び前記スリーブを、回転させながら前記ピンの軸方向に移動させ、前記スリーブと前記ピンの一方を、前記金属ワークに貫入させ、前記スリーブ及び前記ピンの他方を、前記金属ワークの外側面から離すステップとを含み、
前記金属ワーク内への軸方向移動を、前記スリーブ及び前記ピンの一方が前記金属ワークの接触面に到達する前に停止させ、
軸方向移動を停止した後に、前記スリーブ及び前記ピンのそれぞれの先端が同じ高さになるまで、前記スリーブ及び前記ピンの一方を、前記金属ワークから離し、前記スリーブ及び前記ピンの他方を、前記金属ワークの外側面の方へ動かす
ことを特徴とする。

好ましくは非消耗である接合工具を位置決めし、ピン、スリーブ、及び、外側締め付けリングのそれぞれの先端を、金属ワークとプラスチックワークとからなる積層体の外側面に接触させるときに、これらワークは、互いに相対的な位置に固定され、重ね接合が形成されるように配置される。スリーブ及びピンを回転させることにより摩擦熱が生じ、金属ワークが可塑化する。ピン及びスリーブを互いに反対の軸方向に移動させることにより、可塑化した金属が、ピンまたはスリーブによって占められていたボリュームに押し込まれる。

スリーブまたはピンによる金属ワーク内への軸方向移動は、接触面に到達する前に停止されるので、金属ワークの外側面から接触面に向かって延びるボリュームが完全に可塑化される一方で、プラスチックワークの構造は影響を受けず、損傷を受けない。具体的には、プラスチックワーク内の繊維などの補強材料は破壊されない。しかしながら、ボリューム全体が可塑化されるため、かなり大量の熱がプラスチックワークに送られ、プラスチックワークは、実質変形することなく溶ける。

ピンまたはスリーブが軸方向移動することにより、可塑化した材料は、当該ピンまたはスリーブによって空けられた隙間に、間欠的に押し込まれる。ピンとスリーブが初期位置に戻されると、可塑化した金属は、金属ワークに押し戻され、これにより、金属ワークとプラスチックワークとの界面に、プラスチックワークに向かって突出する「こぶ」が形成される。即ち、工具の中心に対して位置する、もしくは、環状を有する突起が形成される。

回転を停止すると、ワークの材料は硬化し、ワークの界面に接着が起きる。このように、本発明に係る方法によれば、こぶによる確実な接合と接着接合との組み合わせである接合部が形成される。しかしながら、この方法では、接着接合の際に通常起こる、上記の弊害は起きない。従って、この方法は、そのプラスの特徴により、リベットを用いた接合や従来の接着接合に代わる候補として優れている。

軸方向に移動するステップでは、スリーブは金属ワークに貫入し、ピンは金属ワークの外側面から離されることが好ましい。これにより、スリーブが離されピンが金属ワークに貫入した場合には、プラスチック材料により深く突出する円形のこぶが形成される。

好ましくは、スリーブまたはピンが金属ワークに貫入する貫入深さは、金属ワークにおける外側面と接触面との間の距離の２５％未満、より好ましくは、２０％未満である。これにより、金属材料の全体、即ち、外側面と接触面との間の領域全体が可塑化される一方で、プラスチックワークの構造は損傷を受けない。

結合の信頼性を向上するため、接合工具を外側面上に位置決めする前に、金属ワーク及びプラスチックワークのそれぞれの接触面に対して、クリーニングステップを行うことが好ましい。具体的には、このようなクリーニングステップは、ワークの接触面を研磨することを含む。

金属ワークの接触面をテクスチャード加工することにより、接合部の安定性を更に高めることができる。これにより、ワーク同士の係合をより確かなものとすることができる。また、金属ワークの接触面に、突起を設けることにより、大きな効果を得ることができる。

更に、スリーブ及びピンの軸方向の移動が停止されてから、所定時間が経過した後に、接合工具を金属ワークの外側面から離すことが好ましい。この期間においては、ワークにおける可塑化された材料が、外側締め付けリングによってその位置に保持されながら、硬化する。

金属ワークがアルミニウムまたはマグネシウムからなり、プラスチックワークがポリフェニレンサルファイドからなる場合には、特に、良好な結果が得られた。

本発明に係る方法によれば、プラスチックワークの構造の損傷を防止することができるため、この方法は、繊維強化材料からなるプラスチックワークに適用可能である。ここで、繊維は変形しないため、接合プロセスによってプラスチックワークの剛性が影響を受けることはない。

（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る方法の第１実施例におけるステップを示した図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明に係る方法の第２実施例におけるステップを示した図である。 金属ワークの拡大断面図を示した図である。

以下、本発明に係る方法について、図面を用いて詳細に説明する。

図１（ａ）に示すように、本発明に係る方法の実施例の第１ステップにおいて、金属ワーク１及びプラスチックワーク３のそれぞれの接触面を、互いに当接させて位置決めし、積層体を形成する。ここで、接合方法の本実施例の概略図には示されていないが、ワーク１，３の接触面を互いの上に位置決めする前に、これらの接触面を研磨してきれいにしておいてもよい。

本実施例において、金属ワーク１はアルミニウムまたはマグネシウムからなり、プラスチックワーク３はポリフェニレンサルファイドからなる。更に、プラスチックワーク３は補強のために繊維を備える。加えて、金属ワーク１の接触面はテクスチャード加工されていてもよい。具体的には、金属ワーク１に、後述のように形成される接合部の安定性を高めるための複数の突起４を設けてもよい（図３参照）。

ワーク１，３を位置決めしたあと、接合工具５が金属ワーク１の外側面上へ下げられる。この好適な実施例においては、この工具として、非消耗工具が使用される。即ち、工具自体の材料はワークの結合部の一部とはならず、工具は基本的に影響を受けない。接合工具５はピン７を備える。ピン７は、その軸方向に移動可能で、回転駆動される。更に、このピン７を囲み、回転駆動され、ピン７の軸方向に移動可能なスリーブ９が設けられる。このように、ピン７とスリーブ９とは、ピン７の縦軸によって定義される共通の軸に沿って、互いに反対方向に移動可能である。最後に、外側締め付けリング１１が、スリーブ９を囲むように工具５に固定装着され、スリーブ９は、外側締め付けリング１１の内側で回転して、外側締め付けリング１１に対して軸方向に移動する。

図１及び図２に示すように、スリーブ９の径方向外側及び内側の面、及び、ピン７の径方向外側の面には、テクスチャード加工、即ち、ねじ山が設けられていてもよい。

初期位置では、ピン７、スリーブ９、及び、外側締め付けリング１１のそれぞれの先端は、工具５を下げた時に、これらの要素が金属ワーク１の外側面に同時に接触するように、共通の面に位置している。ここで、金属ワーク１の外側面は、ワーク１，３の接触面とは反対に位置する面のことである。

次に、図示しない駆動機構によって、ピン７とスリーブ９とを回転させ、ピン７及びスリーブ９の先端と、金属ワーク１の外側面との間に、摩擦を生じさせる。これにより、ピン７とスリーブ９と接触する領域の金属ワーク１が可塑化する。

そして、図１（ｂ）に示すように、ピン７とスリーブ９とを、回転駆動させがら、ピン７の軸方向で、且つ、互いに反対方向に移動させる。具体的には、スリーブ９は金属ワーク１に貫入し、ピン７は金属ワーク１の外側面から離れる。

この反対方向の移動によって、ピン７の先端と金属ワーク１の外側面との間に隙間ができ、プラスチックワーク３に向かって移動するスリーブ９により、可塑化した金属がこの隙間に押し込まれる。

このスリーブ９とピン７との軸方向移動は、スリーブ９の先端が、金属ワーク１とプラスチックワーク３とが接触する接触面に到達する前に、停止される。具体的には、スリーブ９が金属ワーク１に貫入する貫入深さは、金属ワーク１の外側面と接触面との間の距離の２０％未満である。この位置は、スリーブ９の内側及び金属ワーク１の外側面と接触面との間の金属のボリューム１３が、可塑化して完全に加熱されるのに、十分である。従って、プラスチックワーク３に大量の熱が送られ、接触面に隣接する領域のプラスチック材料が溶ける。しかしながら、スリーブ９はプラスチックワーク３を貫通するどころか貫入さえしないので、プラスチックワーク３の構造は影響を受けない。

ピン７とスリーブ９との軸方向移動を停止した後、ピン７とスリーブ９との各先端が同じ高さ、即ち、金属ワーク１の外側面の高さになるまで、スリーブ９は金属ワーク１から離れ、ピン７は該外側面に向かって移動する（図１（ｃ）参照）。

このように、ピン７とスリーブ９とを同時に動かすことにより、可塑化した金属が、元々位置していた金属ワーク１の領域に押し戻される。しかしながら、ピン７をその前方へ移動させることにより生じた圧力によって、プラスチック材料内に突出する、金属のこぶ１５が形成される。これは、ピン７が下方に移動して、可塑化した金属を変形させる際に、その領域内のプラスチック材料がまだ融解状態にあるためである。

ピン７とスリーブ９とが同じ高さになると回転を停止し、ワーク１，３の材料を硬化させ、ワーク１，３をそれらの界面において接着させる。このプロセスを補助するために、接合工具５を金属ワーク１の外側面に接触させ続け、所定の期間圧力を維持するようにしてもよい（図１（ｄ）参照）。

図２において、本発明に係る方法の第２実施例を示す。第２実施例は、第１ステップにおいて、ピン７が金属ワーク１に貫入し、同時にスリーブ９が金属ワーク１から離れる点で、第１の実施例とは異なる。スリーブ９が初期位置に戻る際に、可塑化した金属が、外側締め付けリング１１とピン７との間の工具５の内部の隙間から押し戻され、そこにリング状のこぶ１５´ができる。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る方法によれば、こぶ１５，１５´による確実な接合と接着接合との組み合わせである接合部が形成される。この方法では、接着接合の際に通常起こる弊害は起きない。従って、この方法は、そのプラスの特徴により、リベットを用いた接合や従来の接着接合に代わる候補として優れている。

１ 金属ワーク
３ プラスチックワーク
４ 突起
５ 接合工具
７ ピン
９ スリーブ
１１ 外側締め付けリング
１３，１３´ ボリューム
１５，１５´ こぶ

Claims (13)

1. 軸方向に移動可能なピン（７）と、前記ピン（７）を囲み、前記ピン（７）に対して回転駆動され、且つ、前記ピン（７）の軸方向に移動可能なスリーブ（９）と、前記スリーブ（９）を囲む外側締め付けリング（１１）とを備える接合工具（５）を用いて、金属ワーク（１）とプラスチックワーク（３）とを接合する方法であって、
   前記金属ワーク（１）と前記プラスチックワーク（３）とを、各ワーク（１，３）の接触面が互いに当接するように位置決めするステップと、
   前記ピン（７）、前記スリーブ（９）、及び、前記外側締め付けリング（１１）のそれぞれの先端が、前記金属ワーク（１）の接触面とは反対側の外側面に接触するように、前記接合工具（５）を前記金属ワーク（１）の上に位置決めするステップと、
   前記ピン（７）及び前記スリーブ（９）の各先端と前記金属ワーク（１）の外側面との間に摩擦を発生させるために、前記ピン（７）及び前記スリーブ（９）を回転させるステップと、
   前記ピン（７）及び前記スリーブ（９）を、回転させながら前記ピン（７）の軸方向に移動させ、前記スリーブ（９）及び前記ピン（７）の一方を、前記金属ワーク（１）に貫入させ、前記スリーブ（９）及び前記ピン（７）の他方を、前記金属ワーク（１）の外側面から離すステップとを含み、
   前記金属ワーク（１）内への軸方向移動を、前記スリーブ（９）及び前記ピン（７）の一方が前記金属ワーク（１）の接触面に到達する前に停止させ、
   軸方向移動を停止した後に、前記スリーブ（９）及び前記ピン（７）のそれぞれの先端が同じ高さになるまで、前記スリーブ（９）及び前記ピン（７）の一方を、前記金属ワーク（１）から離し、前記スリーブ（９）及び前記ピン（７）の他方を、前記金属ワーク（１）の外側面の方へ動かす
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記金属ワーク（１）の接触面に、前記プラスチックワーク（３）内に延びる突起（１５）が形成される
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、
   軸方向移動するステップでは、
   前記スリーブ（９）は、前記金属ワーク（１）に貫入し、
   前記ピン（７）は、前記金属ワーク（１）の前記外側面から離される
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の方法において、
   前記スリーブ（９）及び前記ピン（７）の一方が前記金属ワーク（１）に貫入する貫入深さは、前記金属ワーク（１）における外側面と接触面との間の距離の２５％未満、好ましくは、２０％未満となる
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の方法において、
   前記接合工具（５）を前記金属ワーク（１）の外側面上に位置決めする前に、前記金属ワーク（１）及び前記プラスチックワーク（３）のそれぞれの接触面に対して、クリーニングステップを行う
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   前記クリーニングステップは、前記ワーク（１，３）のそれぞれの接触面を研磨する
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の方法において、
   前記金属ワーク（１）の接触面をテクスチャード加工する
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、
   前記金属ワーク（１）の接触面に、突起（４）を設ける
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の方法において、
   前記スリーブ（９）及び前記ピン（７）の軸方向移動を停止してから、所定時間が経過した後に、前記接合工具（５）を前記金属ワーク（１）の外側面から離す
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の方法において、
    前記金属ワーク（１）はアルミニウムからなる
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１乃至９のいずれかに記載の方法において、
    前記金属ワーク（１）はマグネシウムからなる
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法において、
    前記プラスチックワーク（３）はポリフェニレンサルファイドからなる
    ことを特徴とする方法。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法において、
    前記プラスチックワーク（３）は繊維強化材料からなる
    ことを特徴とする方法。

Images