JP2015189177A - 金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される樹脂部材 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度およびその信頼性の低下を十分に防止する金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される樹脂部材を提供することを目的とする。
【解決手段】金属部材１１と、該金属部材１１と接合するための、頂面１２３を備えた接合台部分１２２および該接合台部分を支持する本体部１２１を有する樹脂部材１２とを、該樹脂部材１２における接合台部分１２２の頂面１２３全面が金属部材１１により覆われるように、重ね合わせ、押圧部材により熱および圧力を金属部材側から付与することにより樹脂部材を軟化させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、接合台部分１２２の頂面１２３の面積Ｓ１および押圧部材による押圧面積Ｓ２が以下の関係を満たす金属部材１１と樹脂部材１２との接合方法、およびその接合方法において使用される樹脂部材１２：０．６４≦Ｓ１／Ｓ２≦２０。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される樹脂部材に関する。

従来より、自動車、鉄道車両、航空機等の分野では軽量化が求められている。例えば、自動車の分野では、ハイテン材の利用により薄鋼板化が進められ、あるいはスチール材の代替材としてアルミ合金材が用いられ、さらには樹脂材の利用も進んでいる。このような分野において金属部材と樹脂部材との接合技術の開発は、単に軽量化に留まらず、接合部材の高強度化や高剛性化、生産性の向上を実現させる観点からも重要である。これまで、金属部材と樹脂部材との接合方法として、いわゆる摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ）方法が提案されている。摩擦撹拌接合方法とは、図１５に示すように、金属部材２１１と樹脂部材２１２とを重ね合わせ、回転ツール２１６を回転させつつ、金属部材２１１に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材２１２を溶融・軟化させて金属部材２１１と樹脂部材２１２とを接合する方法である。

このような摩擦撹拌接合方法においては、例えば、接合強度および簡易接合の観点から、回転ツールの形状や押込み量を特定範囲内に設定する技術（特許文献１）が開示されている。

特開２０１０−１５８８８５号公報

しかしながら、従来の摩擦撹拌接合方法においては、樹脂部材２１２本体の上に直接的に金属部材２１１を重ね合わせて接合を行うため、接合強度およびその信頼性の低下および意匠性の低下の原因となることがある。詳しくは、接合時においては、図１６に示すように、樹脂部材２１２における回転ツールの直下領域２６０と比較して、その外周領域２６１が十分に軟化・溶融し難いため、外周領域２６１における金属部材２１１の沈み込み量が直下領域２６０における金属部材２１１の沈み込み量よりも小さくなる。その結果、金属部材２１１が弾性変形し、当該金属部材２１１に残留応力が内在した状態で接合されるため、接合強度およびその信頼性の低下の原因になる。また金属部材２１１の周縁に突起部２２０が形成され、作業時において当該突起部２２０に引っ掛かるなどして、接合部位が破損し易くなるため、やはり接合強度およびその信頼性の低下の原因になる。さらに樹脂部材２１２における接合側表面とは反対側の表面２３０が意匠面である場合、当該意匠面と接合部位とが比較的近いため、その意匠性が低下することがある。

本発明は、接合強度およびその信頼性の低下を十分に防止する金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される樹脂部材を提供することを目的とする。

本発明はまた、接合強度およびその信頼性の低下および意匠性の低下を十分に防止する金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される樹脂部材を提供することを目的とする。

本発明は、金属部材と、該金属部材と接合するための、頂面を備えた接合台部分および該接合台部分を支持する本体部を有する樹脂部材とを、該樹脂部材における接合台部分の頂面全面が金属部材により覆われるように、重ね合わせ、押圧部材により熱および圧力を金属部材側から付与することにより樹脂部材を軟化させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
接合台部分の頂面の面積Ｓ１および押圧部材による押圧面積Ｓ２が以下の関係を満たすことを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法に関する：

本発明はまた、
上記接合方法において、熱圧式接合方法が摩擦撹拌接合方法であり、
該摩擦撹拌接合方法が以下のステップを含む接合方法に関する：
金属部材と樹脂部材とを重ね合わせる第１ステップ；および
押圧部材としての回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材を軟化・溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第２ステップ。

本発明はまた、上記接合方法において使用される樹脂部材に関する。

本発明の接合方法によれば、樹脂部材における特定寸法の接合台部分を介して樹脂部材と金属部材との接合を行うため、接合強度およびその信頼性の低下を十分に防止することができる。本発明の接合方法によれば、意匠性の低下も十分に防止することができる。

本発明にかかる金属部材と樹脂部材との接合方法に好適な摩擦撹拌接合装置の一部の一例を示す模式図である。 （Ａ）は図１に示される樹脂部材の端部の概略上面見取り図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）に示す樹脂部材と金属部材との重ね合わせ状態を説明するための概略断面図である。 （Ａ）は本発明の接合方法に使用される樹脂部材の一例の端部の概略上面見取り図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）に示す樹脂部材と金属部材との重ね合わせ状態を説明するための概略断面図である。 （Ａ）は本発明の接合方法に使用される樹脂部材の一例の端部の概略上面見取り図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）に示す樹脂部材と金属部材との重ね合わせ状態を説明するための概略断面図である。 （Ａ）は本発明の接合方法に使用される樹脂部材の一例の端部の概略上面見取り図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）に示す樹脂部材と金属部材との重ね合わせ状態を説明するための概略断面図である。 （Ａ）は本発明の接合方法に使用される樹脂部材の一例の端部の概略上面見取り図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）に示す樹脂部材と金属部材との重ね合わせ状態を説明するための概略断面図である。 （Ａ）は本発明の接合方法に使用される樹脂部材の一例の端部の概略上面見取り図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）に示す樹脂部材と金属部材との重ね合わせ状態を説明するための概略断面図である。 （Ａ）は本発明の接合方法に使用される樹脂部材の一例の端部の概略上面見取り図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）に示す樹脂部材と金属部材との重ね合わせ状態を説明するための概略断面図である。 本発明の接合方法に使用される回転ツールの一例の先端部の拡大図である。 本発明の第１実施態様に係る接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。 本発明の第１実施態様に係る接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。 （Ａ）は本発明の第１実施態様に係る接合方法で得られた接合体の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。 （Ａ）は本発明の第２実施態様に係る接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図であり、（Ｂ）は本発明の第２実施態様に係る接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。 本発明の接合方法の応用例を示す概略斜視図である。 従来技術における金属部材と樹脂部材との接合方法を説明するための該略見取り図である。 従来技術における金属部材と樹脂部材との接合状態を説明するための概略断面図である。

本発明の接合方法は、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、熱および圧力を、金属部材側から付与することにより、好ましくは金属部材側から局所的に付与することにより、樹脂部材を軟化させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法である。本発明の接合方法において採用される接合方式は、加圧しながら加熱を行う方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、摩擦撹拌接合方法、誘導加熱接合方法、超音波加熱接合方法等であってもよい。中でも、好ましくは摩擦撹拌接合方法が採用される。

摩擦撹拌接合方法とは、後で詳述するように、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせて拘束した状態で、押圧部材として回転ツールを回転させつつ金属部材に対して押圧することにより発生する摩擦熱を利用して接合する方法である。
誘導加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせて拘束した状態で、押圧部材により金属部材側から加圧しながら、電磁誘導作用により金属部材に誘導電流を生じさせ、該電流により生じる熱を利用して接合する方法である。
超音波加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせて拘束した状態で、押圧部材により金属部材側から加圧しながら、金属部材に超音波振動を起こさせ、該振動により生じる金属部材/樹脂部材間の摩擦熱を利用して接合する方法である。

以下、摩擦撹拌接合方法を採用した本発明の接合方法について、図１〜図１４を用いて説明するが、後述する樹脂部材を用い、かつ該樹脂部材における接合台部分の頂面全面が金属部材により覆われるように重ね合わせて接合を行う限り、上記した他の接合方法を用いても本発明の効果が得られることは明らかである。これらの図において、共通する符号は同じ部材、部位、寸法または領域を示すものとする。

まず図１は、本発明の接合方法を実施するのに適した摩擦撹拌接合装置の一部の一例を模式的に示す図である。図１に示される摩擦撹拌接合装置１は、金属部材１１と樹脂部材１２とを摩擦撹拌接合する装置として構成されており、円柱状の回転ツール１６を具備している。回転ツール１６は、図示したように、金属部材１１が上、樹脂部材１２が下になるように重ね合わされたワーク１０に対し、図外の駆動源により、矢印Ａ１のように該回転ツール１６の中心軸線Ｘ（図９参照）回りに回転しつつ、押圧領域Ｐ（押圧予定領域）において、矢印Ａ２のように下方に向けて金属部材１１を押圧する。この回転ツール１６の押圧により摩擦熱が発生し、この摩擦熱が樹脂部材１２の接合台部分１２２に伝導して当該接合台部分１２２が軟化・溶融し、その結果、金属部材１１と樹脂部材１２とが接合台部分１２２を介して接合される。

回転ツール１６の下方には、回転ツール１６と同径又は回転ツール１６よりも大径の円柱状の受け具１７が回転ツール１６と同軸に配置されている。受け具１７は、上記ワーク１０に対し、図外の駆動源により、矢印Ａ３のように上方に移動される。受け具１７は、遅くとも回転ツール１６がワーク１０の押圧を開始するまでに、上端面がワーク１０の下面（より詳しくは樹脂部材１２の下面）に当接する。そして、受け具１７は、回転ツール１６との間にワーク１０を挟んで、回転ツール１６による押圧期間中、つまり摩擦撹拌接合中、上記押圧力に抗してワーク１０を下方から支持する。なお、受け具１７は必ずしも矢印Ａ３方向へ移動させる必要はなく、受け具１７にワーク１０を載せた後に回転ツール１６を矢印Ａ２の方向に移動させる方法を採用することもできる。

摩擦撹拌接合装置１は、多関節ロボット等からなる図外の駆動制御装置に装着されている。そして、回転ツール１６及び受け具１７の座標位置、回転ツール１６の回転数（ｒｐｍ）、加圧力（Ｎ）、加圧時間（秒）等が上記駆動制御装置により適宜制御される。なお、図１には図示を省略したが、摩擦撹拌接合装置１は、予めワーク１０を固定し、また回転ツール１６を押圧したときの金属部材１１の浮き上がりを防止するためのスペーサやクランプ等の治具を備えている。

（１）樹脂部材
本発明において樹脂部材１２は、金属部材１１と接合するための接合台部分１２２および該接合台部分１２２を接合側表面１２０で支持する本体部１２１からなっている。接合台部分１２２は、詳しくは、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように頂面１２３を備えており、図２（Ｃ）に示すように当該頂面１２３にて金属部材１１と重ね合わせて接合を行うことにより、軟化・溶融して金属部材１１と結合される肉厚の壇状部分である。図２（Ａ）は図１に示される樹脂部材１２の端部の概略上面見取り図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）に示す樹脂部材と金属部材との重ね合わせ状態を説明するための概略断面図である。

本発明において、接合台部分１２２の頂面１２３の面積Ｓ１および回転ツール（押圧部材）１６による押圧面積Ｓ２は以下の関係を満たす：

好ましくは２≦Ｓ１／Ｓ２≦１６；
より好ましくは３≦Ｓ１／Ｓ２≦９。
最も好ましくは４≦Ｓ１／Ｓ２≦９。

Ｓ１／Ｓ２が小さ過ぎると、十分な接合面積が得られず、十分な接合強度が得られない。Ｓ１／Ｓ２が大きすぎると、接合台部分における回転ツールの直下領域とその外周領域との間で金属部材の沈み込み量に差が生じ、金属部材に弾性変形が起こるため、接合強度およびその信頼性が低下する。

接合台部分１２２の頂面１２３の面積Ｓ１とは、金属部材１１と当接するための平面形状を有する頂面１２３の面積である。面積Ｓ１は面積Ｓ２と共に上記関係を満たす限り特に限定されず、通常は２８〜３０００ｍｍ^２であり、好ましくは５０〜１６００ｍｍ^２、より好ましくは５０〜１０００ｍｍ^２である。
回転ツール（押圧部材）１６による押圧面積Ｓ２とは、回転ツール（押圧部材）１６による押圧により熱と圧を直接的に付与される金属部材１１上の領域の面積であり、具体的には図１において斜線で示される押圧領域Ｐの面積である。面積Ｓ２は面積Ｓ１と共に上記関係を満たす限り特に限定されず、通常は２８〜７１０ｍｍ^２であり、好ましくは５０〜２０５ｍｍ^２である。

接合台部分１２２は、図２（Ａ）および（Ｂ）において、円板形状を有しているが、接合時において金属部材１１と当接する頂面１２３を有する限り特に限定されるものではない。接合台部分１２２が有し得る形状の具体例として、例えば、図３（Ａ）および（Ｂ）に示すような円錐台形状、図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように円板形状の側面に切り欠き部１２４を有した切り欠き部付き円板形状、図５（Ａ）および（Ｂ）に示す四角柱形状などのような多角柱形状、図６（Ａ）および（Ｂ）に示す四角錐台形状などのような多角錐台形状、図７（Ａ）および（Ｂ）に示すように四角柱形状などの多角柱形状の側面に切り欠き部１２４を有した切り欠き部付き多角柱形状、これらの形状を多段に積層してなる多段式形状（例えば、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように寸法の異なる円板形状を多段（図中、２段）に積層してなる多段式円板形状）が挙げられる。特に接合台部分１２２が多段式形状を有する場合において、接合台部分１２２の頂面１２３の面積Ｓ１とは、例えば図８に示すように、最上段において金属部材１１と当接するための平面形状を有する頂面１２３の面積である。

接合台部分１２２は、接合強度の観点から、円板形状、円錐台形状、切り欠き部付き円板形状、多段式形状（特に多段式円板形状）を有することが好ましく、より好ましくは切り欠き部付き円板形状である。
接合台部分１２２は、接合台部分の高さ方向における接合後の寸法精度の観点から、多段式形状、特に多段式円板形状を有することが好ましい。

接合台部分１２２の厚みＨは、接合強度およびその信頼性の向上が達成される限り特に限定されるものではなく、通常は金属部材１１の厚みＴ（ｍｍ）に対してＴ／５以上であり、好ましくはＴ／５〜５Ｔである。
接合台部分１２２が多段式形状を有する場合、上記厚みＨはこれらの合計厚みを意味する。各段の厚みは、最上段の厚み（例えば、図８中のｈ１）がＴ／５以上、好ましくはＴ／５〜２Ｔであれば、特に限定されない。

接合台部分１２２を有する部分の樹脂部材１２の全体厚み、すなわち樹脂部材１２における本体部１２１の厚みｔと接合台部分１２２の厚みＨとの合計厚みは、樹脂部材１２における接合側表面１２０とは反対側の表面１２５の意匠性低下を防止する観点から、２ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは３ｍｍ以上である。樹脂部材１２の本体部１２１の厚みｔは特に限定されない。

頂面の幅、具体的には接合台部分１２２が円板形状、多角柱形状を有する場合の幅Ｗ１および、接合台部分１２２が錐台形状、多段式形状を有する場合の幅Ｗ２は、頂面１２３の面積Ｓ１と押圧面積Ｓ２とが上記関係を満たす限り特に限定されず、通常は、それぞれ独立して、回転ツール１６（押圧部材）の直径（幅）Ｄ１（ｍｍ）に対して、０．８×Ｄ１〜４．５×Ｄ１であり、好ましくはＤ１〜３×Ｄ１の範囲内である。

好ましい実施態様においては、接合台部分１２２は、金属部材１１と樹脂部材１２とが重ね合わせ時において空隙部形成状態になるように、本体部１２１上に備わっていることが好ましい。空隙部形成状態とは、図２（Ｃ）に示すように、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせた時、金属部材１１と樹脂部材１２の本体部１２１との間における接合台部分１２２の全外周部１２６において、空隙部１２７（破線による斜線領域部分）が形成される状態である。図２（Ｃ）において、空隙部１２７は接合台部分１２２の両端部に形成されているだけであるが、空隙部１２７は接合台部分１２２の全外周にわたって形成されている。

接合台部分１２２は、具体的には、本体部１２１の端面ぎりぎりに形成されていなければよく、例えば、本体部１２１上における接合台部分１２２と本体部１２１の端面との距離（例えば、図２〜図８の（Ａ）および（Ｂ）において、端面１２１ａとの距離Ｌ１、端面１２１ｂとの距離Ｌ２、および端面１２１ｃとの距離Ｌ３）は、通常、１ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上、より好ましくは５ｍｍ以上である。なお、図２〜図８の（Ａ）において本体部１２１の上方が省略されているが、当該省略されている部分の端面は接合台部分１２２から上記規定範囲のいずれの下限値よりもずっと離れている。

上記のように、金属部材１１と樹脂部材１２の本体部１２１との間において接合台部分１２２の全外周にわたって空隙部１２７が存在すると、接合時において軟化・溶融した接合台部分１２２の樹脂が金属部材１１と樹脂部材１２の本体部１２１との間から流出するのを十分に防止することができる。このため、金属部材１１と樹脂部材１２の本体部１２１との間での突起部の形成が防止され、結果として接合強度およびその信頼性をより一層向上させることができる。接合台部分１２２と金属部材１１との間で突起部が生成したとしても、有効に隠れるために、接合強度およびその信頼性をより一層向上させることができる。なお、空隙部１２７は、図３（Ｃ）および図６（Ｃ）に示すような斜面１２８上の空隙、図４（Ｃ）および図７（Ｃ）に示すような切り欠き部１２４の空隙および図８（Ｃ）に示すような最上段部の横の空隙を包含するものとする。

空隙部１２７の体積は、接合時において回転ツール１６による金属部材１１の押圧により減小するものであるが、接合時において接合台部分１２２の溶融樹脂が金属部材１１と本体部１２１との間から流出しない程度の体積が確保されることが好ましい。

樹脂部材１２において本体部１２１と接合台部分１２２とは一体的に成形されていることが好ましい。すなわち、樹脂部材１２を、例えば、射出成形法、プレス成形法、押出成形法、引抜成形法、オートクレーブ成形法等のあらゆる公知の溶融成形方法により製造するに際し、使用される金型の成形面を転写させることにより、本体部１２１と接合台部分１２２とを一体的に成形することが好ましい。接合台部分１２２が図４（Ａ）〜（Ｃ）および図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すような切り欠き部付き形状を有する場合には、分割金型を使用すればよい。

本発明は、本体部１２１と接合台部分１２２とを個別に成形し、接着剤結合法等のあらゆる結合方法により、これらを結合させることを妨げるものではないが、強固な結合および製造の容易さの観点から、上記したように、溶融成形方法において金型成形面の転写により、本体部１２１と接合台部分１２２とを一体的に成形することが好ましい。

樹脂部材１２、すなわち本体部１２１および接合台部分１２２は、ポリマーおよびその他所望の添加剤からなっている。ポリマーとしては、熱可塑性ポリマーが使用されてもよいし、または熱硬化性ポリマーが使用されてもよい。

樹脂部材１２を構成する熱可塑性ポリマーとしては、熱可塑性を有するあらゆるポリマーが使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている熱可塑性ポリマーが好ましく使用される。そのような熱可塑性ポリマーの具体例として、例えば、以下のポリマーおよびそれらの混合物が挙げられる：
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂；
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ））などのポリエステル系樹脂；
ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）などのポリアクリレート系樹脂；
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）などのポリエーテル系樹脂；
ポリアセタール（ＰＯＭ）；
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）；
ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＭＸＤ６などのポリアミド系樹脂（ＰＡ）；
ポリカーボネート系樹脂（ＰＣ）；
ポリウレタン系樹脂；
フッ素系ポリマー樹脂；および
液晶ポリマー（ＬＣＰ）。

熱可塑性ポリマーの分子量は、接合時に軟化・溶融可能な限り特に限定されるものではなく、通常はメルトフローレート（ＭＦＲ）が２〜２００、好ましくは２〜５５の熱可塑性ポリマーが使用される。

本明細書中、ＭＦＲはメルトフローレートであって、ＪＩＳ Ｋ７２１０に基づいて２３０℃で測定された値（ｇ／１０分間）を用いている。

熱硬化性ポリマーとしては、自動車の分野で使用されている熱硬化性ポリマーが好ましく使用される。そのような熱硬化性ポリマーの具体例として、例えば、以下のポリマーおよびそれらの混合物が挙げられる：
エポキシ樹脂（ＥＰ）；
フェノール樹脂（ＰＦ）；
不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）；
メラミン樹脂（ＭＦ）；
ポリウレタン（ＰＵＲ）。

樹脂部材１２に含まれる添加剤としては、タルク等のフィラー、炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維が挙げられる。

以上、樹脂部材１２の本体部１２１は全体形状として略平板形状を有するものについて説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも接合台部分１２２の直下の部分が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。

（２）金属部材
金属部材１１は、図１等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、樹脂部材１２との重ね合わせ時において少なくとも樹脂部材１２の接合台部分１２２近傍の部分が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。

金属部材１１の厚みＴは特に制限されるものではなく、通常、０．６〜３．０ｍｍ程度である。

金属部材１１の幅および長さ等の寸法は、樹脂部材１２への重ね合わせ時において、樹脂部材１２における接合台部分１２２の頂面１２３全面が当該金属部材１１により覆われ得るような寸法であればよい。好ましくは金属部材１１の幅および長さ等の寸法は、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせた時、金属部材１１と樹脂部材１２の本体部１２１との間における接合台部分１２２の全外周部１２６において、所定の空隙部１２７が形成されるような寸法である。

金属部材１１を構成する金属としては、融点が、樹脂部材１２を構成する熱可塑性ポリマーよりも高いあらゆる金属が使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている以下の金属および合金が好ましく使用される：
アルミニウムおよび５０００系、６０００系などのアルミニウム合金；
スチール；軟鋼板、高張力鋼板など
マグネシウムおよびその合金；
チタンおよびその合金。

本発明において金属部材１１はいわゆる板金部材であることが好ましい。板金部材は弾性率が比較的高いために、残留応力が内在した状態で接合され、接合強度およびその信頼性が低下し易いところ、本発明においては、このような板金部材を使用した場合であっても、接合強度およびその信頼性の低下を有効に防止できるためである。

（３）回転ツール
図９は、回転ツール１６の先端部の拡大図である。図９において、右半分は回転ツール１６の外観を示し、左半分は断面を示している。図９に示すように、円柱状の回転ツール１６は、先端部（図９では下端部）にピン部１６ａ及びショルダ部１６ｂを有している。ショルダ部１６ｂは、回転ツール１６の円形の先端面を含む回転ツール１６の先端の部分である。ピン部１６ａは、回転ツール１６の中心軸線Ｘ上において、回転ツール１６の円形の先端面から外方（図９では下方）に突設された、ショルダ部１６ｂよりも小径の円柱状の部分である。ピン部１６ａは、回転している回転ツール１６をワーク１０に最初に接触させて押圧するときに回転ツール１６を位置決めするためのものである。

回転ツール１６の素材及び各部の寸法は、主として、回転ツール１６が押圧する金属部材１１の金属の種類に応じて設定される。例えば、金属部材１１がアルミニウム合金よりなる場合、回転ツール１６は工具鋼（例えばＳＫＤ６１等）で作製され、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１は１０ｍｍ、ピン部１６ａの直径Ｄ２は２ｍｍ、ピン部１６ａの突出長さｈは０．５ｍｍに設定される。また、例えば、金属部材１１がスチールよりなる場合、回転ツール１６は窒化珪素やＰＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素焼結体）等で作製され、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１は１０ｍｍ、ピン部１６ａの直径Ｄ２は３ｍｍ、ピン部１６ａの突出長さｈは０．５ｍｍに設定される。もっとも、これらは例示に過ぎず、これらに限定されないことはいうまでもない。例えば、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１は通常、５〜１００ｍｍ、特に５〜２０ｍｍである。

（４．１）本発明に係る接合方法の第１実施態様（摩擦撹拌接合方法）
本発明に係る接合方法は少なくとも以下のステップを含むものである：
金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせる第１ステップ；および
押圧部材としての回転ツール１６を回転させつつ、金属部材１１に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材１２を軟化・溶融させた後、固化させて金属部材１１と樹脂部材１２とを接合する第２ステップ。
なお、第１ステップにおいて得られる金属部材１１と樹脂部材１２とが重ね合わされたものを「ワーク」１０と呼ぶ。

第１ステップ：
第１ステップにおいては、金属部材１１と樹脂部材１２とを、当該樹脂部材１２における接合台部分１２２の頂面１２３全面が金属部材１１により覆われるように、重ね合わせる（図１、図２（Ｃ）、図３（Ｃ）、図４（Ｃ）、図５（Ｃ）、図６（Ｃ）および図７（Ｃ参照）。頂面１２３全面が金属部材１１により覆われるとは、金属部材１１による頂面１２３の被覆により、頂面１２３のどこも露出していないことを意味する。接合台部分１２２の頂面１２３の一部が金属部材１１により覆われていない場合、接合台部分の露出頂面と、当該露出頂面を形成する金属部材端部との間において突起部が形成され、接合強度およびその信頼性が低下する。

好ましい実施態様においては、接合台部分１２２は、上記したように、金属部材１１と樹脂部材１２とが重ね合わせ時において特定の空隙部形成状態になるように、本体部１２１上に備わっている。このため、好ましい第１ステップでは、金属部材１１と樹脂部材１２の本体部１２１との間における接合台部分１２２の全外周部１２６において、空隙部１２７（破線による斜線領域部分）が形成されるように、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせる。

第２ステップ：
第２ステップにおいては、回転ツール１６を金属部材１１に押し込んで、金属部材１１と樹脂部材１２との接合境界面１３０に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行う。このとき、回転ツール１６により金属部材１１を介して接合部材１２の接合台部分１２２に熱および圧力を付与するようにする。すなわち、金属部材１１上における回転ツール１６の押圧領域Ｐ（図１参照）の直下に対応する樹脂部材１２表面上の領域Ｐ’が接合台部分１２２の頂面１２３に位置するように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む。接合強度およびその信頼性のさらなる向上の観点から、好ましくは、当該領域Ｐ’が、図２〜図７に示すように、接合台部分１２２の頂面１２３における中央に位置するように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む。

本発明においては、第２ステップにおいて、押込み撹拌工程の前に、回転ツール１６の先端部のみを金属部材１１の表面部に接触させた状態で上記回転ツール１６を回転させる予熱工程Ｃ１を行うことが好ましいが、必ずしも行わなければならないというわけではない。
押込み撹拌工程の後には、回転ツール１６を接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール１６の回転動作を継続させる撹拌維持工程Ｃ３を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。

以下、各工程について詳しく説明する。

（予熱工程Ｃ１）
予熱工程Ｃ１は、回転ツール１６と受け具１７とを相互に近接させることにより、図１０に示すように、回転ツール１６の先端部のみを金属部材１１の表面部（図例では上面部）に接触させた状態で回転ツール１６を回転させる工程である。予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６を、第１の加圧力（例えば、９００Ｎ）で、第１の加圧時間（例えば、１．００秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。図１０は、図１におけるＺ−Ｚ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、本発明の接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。

具体的には、予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６の押圧により金属部材１１の表面部（図例では上面部）で摩擦熱が発生する。摩擦熱は金属部材１１の内部に伝わり、金属部材１１の上記押圧領域Ｐの範囲及び上記押圧領域Ｐの近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程Ｃ２で、回転ツール１６を金属部材１１に押込み易くなる。

予熱工程Ｃ１では、摩擦熱は、金属部材１１と樹脂部材１２の接合台部分１２２との接合境界面１３０を介して、接合台部分１２２にも伝わる。摩擦熱は接合台部分１２２の内部に伝わり、接合台部分１２２における上記押圧領域Ｐ直下の領域６０の範囲及び当該領域６０の近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程Ｃ２で、接合台部分１２２が軟化・溶融し易くなる。

予熱工程Ｃ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、上記のような回転ツール１６の押込み易さの観点及び接合台部分１２２の軟化・溶融し易さの観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や金属部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１を使用する場合、予熱工程Ｃ１における第１の加圧力は、７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値、第１の加圧時間は、０．５秒以上２．０秒未満の値、回転ツールの回転数は５００回転/分以上１００００回転/分以下の値が好ましい。

（押込み撹拌工程Ｃ２）
押込み撹拌工程Ｃ２は、回転ツール１６と受け具１７とを相互に近接させることにより、図１１に示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む工程である。押込み撹拌工程Ｃ２を予熱工程Ｃ１に次いで行う場合には、回転ツール１６と受け具１７とをさらに相互に近接させることにより、図１１に示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む。これにより、回転ツール１６を金属部材１１と接合台部分１２２との接合境界面１３０に達しない深さまで進入させると共に、金属部材１１の回転ツール直下部１１０を接合台部分１２２側に突出変形させる。これにより、接合境界面１３０において回転ツールの直下領域６０で溶融している接合台部分１２２の溶融樹脂１３１を該直下領域６０の外周領域６１まで流動させるとともに、直下領域６０の外周領域６１で溶融している溶融樹脂１３２をさらに外周の空隙部１２７まで流動させる。これらの結果として、金属部材１１が樹脂部材１２の本体部１２１に近接する。図１１は、図１におけるＺ−Ｚ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、本発明の接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。

詳しくは、押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を、第１の加圧力より大きい第２の加圧力（例えば、１５００Ｎ）で、第１の加圧時間より短い第２の加圧時間（例えば、０．２５秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。

押込み撹拌工程Ｃ２では、加圧力が予熱工程Ｃ１よりも大きくなることにより、回転ツール１６が金属部材１１に押し込まれる。すなわち、回転ツール１６が金属部材１１の内部に深く進入する。この回転ツール１６の押込みにより、金属部材１１の回転ツール直下部１１０において、金属部材１１と接合台部分１２２との接合境界面１３０が受け具１７側（図例では下側）に移動し、当該直下部１１０が接合台部分１２２側に突出変形する。これにより、接合境界面１３０において回転ツールの直下領域６０で溶融している接合台部分１２２の溶融樹脂１３１が該直下領域６０を超えて、その外周領域６１まで流動する。当該外周領域６１で溶融している溶融樹脂１３２はさらに外周の空隙部１２７まで流動する。一方、金属部材１１は樹脂部材１２の本体部１２１に近接する）。溶融樹脂１３１，１３２は、回転ツール直下領域６０を中心とする略円形状で広がる。その結果、溶融樹脂と金属部材１１との接触面積が拡大され、また、得られる接合体において冷却により溶融樹脂が固化してなる溶融固化域（接合領域）も拡大されるため、樹脂部材と金属部材との接合を十分な強度で達成することがでる。なお、樹脂の溶融は接合台部分１２２だけでなく、本体部１２１において生じてもよい。

仮に、回転ツール１６がさらに押し込まれると（つまり加圧力が高過ぎ及び／又は加圧時間が長過ぎると）、回転ツール１６のショルダ部１６ｂが上記接合境界面を超える。すなわち、回転ツール１６が金属部材１１を貫通し、接合台部分１２２に接触する。すると、金属部材１１に回転ツール１６が通過した孔が開いた孔開き状態となり、接合不良が起きる。

そこで、本発明では、この押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツール１６のショルダ部１６ｂが上記接合境界面に達しない深さまで進入した時点で、回転ツール１６の押込みを停止する。換言すれば、回転ツール１６を上記接合境界面に達しない深さまで進入させる。これにより、次の撹拌維持工程Ｃ３で、接合台部分１２２に近い基準位置で摩擦熱が発生し、多量の摩擦熱が接合台部分１２２に伝わり、接合台部分１２２の軟化・溶融が促進される。

押込み撹拌工程Ｃ２の第２の加圧力及び第２の加圧時間は、上記のような金属部材１１の孔開き回避の観点及び回転ツール１６をできるだけ接合台部分１２２に近接させる観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や金属部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１を使用する場合、押込み撹拌工程Ｃ２における第２の加圧力は、１２００Ｎ以上１８００Ｎ未満の値、第２の加圧時間は、０．１秒以上０．５秒未満の値、回転ツールの回転数は５００回転/分以上１００００回転/分以下の値が好ましい。

（撹拌維持工程Ｃ３）
撹拌維持工程Ｃ３は、回転ツール１６と受け具１７との相互近接を停止することにより、同じく図１１に示すように、上記接合境界面１３０に達しない深さまで進入させた位置（これを「基準位置」という）で回転ツール１６の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１６を、第１の加圧力より小さい第３の加圧力（例えば、５００Ｎ）で、第１の加圧時間より長い第３の加圧時間（例えば、５．７５秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。

撹拌維持工程Ｃ３では、加圧力が予熱工程Ｃ１よりも小さくなることにより（もちろん押込み撹拌工程Ｃ２よりも小さくなることにより）、回転ツール１６が上記基準位置に維持される。この接合台部分１２２に近い基準位置で回転ツール１６の回転動作が継続されるため、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱の大部分が接合台部分１２２に移動する。そのため、接合台部分１２２は、上記押圧領域Ｐ直下の領域６０の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化・溶融する。

撹拌維持工程Ｃ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、上記のような接合台部分１２２の広い範囲での十分な軟化・溶融の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や金属部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１を使用する場合、撹拌維持工程Ｃ３における第３の加圧力は、１００Ｎ以上７００Ｎ未満の値、第３の加圧時間は、１．０秒以上１０秒未満の値、回転ツールの回転数は５００回転/分以上１００００回転/分以下の値が好ましい。

（保持工程Ｃ４）
押込み撹拌工程Ｃ２または撹拌維持工程Ｃ３の後には、上記回転ツール１６の回転を停止し、その状態で上記回転ツール１６を所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程Ｃ４を行ってもよい。
保持工程Ｃ４は、同じく図１１に示すように、回転ツール１６の回転を停止し、その状態で回転ツール１６を所定の加圧力で所定の時間だけ保持する工程である。保持工程Ｃ４では、回転ツール１６を、第３の加圧力より大きいが第２の加圧力より小さい第４の加圧力（例えば、１０００Ｎ）で、第３の加圧時間より短いが第２の加圧時間より長い第４の加圧時間（例えば、５．００秒）だけ保持する。

保持工程Ｃ４では、回転ツール１６の回転が停止されることにより、摩擦熱の発生が終了する。すなわち、摩擦撹拌接合としての実質的な動作が終了し、ワーク１０の冷却が開始する。ワーク１０の冷却期間中、加圧力が押込み撹拌工程Ｃ２よりも小さいが撹拌維持工程Ｃ３よりも大きくなることにより、回転が停止された回転ツール１６が金属部材１１と樹脂部材１２とを受け具１７との間に挟んでクランプする。これにより、金属部材１１と接合台部分１２２との間の冷却中の密着力が高められ、冷却・固化完了後の接合強度が高められる。

保持工程Ｃ４の第４の加圧力及び第４の加圧時間は、上記のような冷却期間中の押圧領域Ｐの密着力向上の観点から設定され、その値は、例えば金属部材１１の素材の種類等に依存して変化する。例えば、アルミニウム合金製金属部材１１を使用する場合、保持工程Ｃ４における第４の加圧力は、例えば７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第４の加圧時間は、例えば１秒以上の値が好ましい。

本発明では、少なくとも前記した工程Ｃ２を経て、好ましくは前記した工程Ｃ１およびＣ２を経て、より好ましくは前記した工程Ｃ１〜Ｃ３を経て、最も好ましくは前記した工程Ｃ１〜Ｃ４を経て、最終的に、図１２（Ａ）に示すように、金属部材１１と樹脂部材１２の接合台部分１２２とが広い範囲で高強度に接合された金属部材１１と樹脂部材１２との接合体２０が得られる。図１２（Ａ）は、図１におけるＺ−Ｚ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、本発明の接合方法で得られた接合体の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。

第２ステップにおいて所定の工程を行った後、通常は冷却を行い、溶融樹脂を固化させる。冷却方法は特に限定されず、例えば、放置冷却法等が挙げられる。

（４．２）本発明に係る接合方法の第２実施態様（摩擦撹拌接合方法）
第２実施態様を図８および図１３（Ａ）および（Ｂ）を用いて説明する。

第２実施態様は、多段式形状を有する接合台部分を備えた樹脂部材１２、例えば図８に示す樹脂部材１２、を用いること以外、第１実施態様と同様であるため、以下に特記しない限り、第２実施態様に係る接合方法は第１実施態様に係る接合方法と同様である。図１３（Ａ）は第２実施態様に係る接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図を示し、図１３（Ｂ）第２実施態様に係る接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図を示す。

第２実施態様においては、多段式形状を有する接合台部分１２２を有する樹脂部材１２を用いるため、図１３（Ｂ）に示すように、接合台部分１２２の最上段部分１２２ａが選択的かつ有効に溶融する。このため、下段部分１２２ｂにより、回転ツール１６および金属部材１１の下方移動が制限され、接合台部分の高さ方向における寸法精度が向上する。このとき、金属部材１１と接合台部分１２２との接合境界面１３０において接合台部分１２２の外周部に突起部１３５が形成されるが、当該突起部１３５は、金属部材１１と樹脂部材１２の本体部１２１との間の空隙部１２７内で形成されるため、突起部の生成による接合信頼性の低下を有効に防止することができる。

第２実施態様においては、図１３（Ｂ）に示すように、金属部材１１の回転ツール直下部１１０の接合台部分１２２側への突出変形はほとんど起こらない。

本実施態様において、接合台部分１２２の頂面１２３の幅Ｗ２は、頂面１２３の面積Ｓ１と押圧面積Ｓ２とが上記関係を満たす限り特に限定されないが、接合台部分の高さ方向における寸法精度と接合強度とのバランスの向上の観点からは、特に以下の関係を満たすことが好ましい；Ｄ１は回転ツール１６（押圧部材）の直径（幅）（ｍｍ）である；
０．８×Ｄ１≦Ｗ２≦４×Ｄ１；
特に１×Ｄ１≦Ｗ２≦３×Ｄ１。

（５）接合体
本発明の接合方法により接合された金属部材１１と樹脂部材１２との接合体２０は、接合境界面１３０における樹脂部材１２の回転ツール直下領域６０およびその外周領域６１において、金属部材１１と樹脂部材１２の接合台部分１２２との接合が達成されている。このことは、接合体２０の接合境界面１３０において、溶融樹脂が固化してなる溶融固化域が回転ツール直下領域６０を中心とする略円形状で広がっていることを確認することにより、検知できる。

以下、特記しない限り、本発明の第１実施態様に係る接合方法により接合された接合体について説明する。
具体的には、接合体２０から金属部材１１を強制的に剥離させると、例えば、図１２（Ｂ）に示すような、接合台部分１２２における金属部材１１との接触面１２２ａが観察できる。このような接合台部分１２２の接触面１２２ａにおいて、溶融固化域は回転ツール直下領域６０にある樹脂溶融域１３１Ａ（斜線領域）と、その外周領域にある溶融樹脂流動域１３２Ａ（格子領域）とからなっている。

樹脂溶融域１３１Ａは、その表面に、金属部材１１の突出変形により、回転ツール径と同等の径の凹形状が形成されている。また、金属部材１１表面の微小形状が転写されており、接合強度によっては変色する場合もあることから、元の樹脂部材１２の表面性状（表面粗さ、色他）との比較により、目視による認識は容易に可能である。あくまで樹脂部材１２の表面性状との比較であり、樹脂種や成形方法によって大きく異なる表面粗さや色については特に規定するものではない。また、樹脂部材１２が連続繊維強化されたものでは、樹脂溶融域１３１Ａから溶融した表面近傍の樹脂成分が溶融樹脂流動域１３２Ａ側へ排出され、樹脂溶融域１３１Ａ表面はほぼ強化用連続繊維のみが露出した状態となる場合がある。

溶融樹脂流動域１３２Ａは、その表面に、金属部材１１表面の微小形状が転写されており、接合強度によっては変色する場合もあることから、元の樹脂部材１２の表面性状（表面粗さ、色他）との比較により、目視による認識は容易に可能である。あくまで樹脂部材１２の表面性状との比較であり、樹脂種や成形方法によって大きく異なる表面粗さや色については特に規定するものではない。この溶融樹脂流動域１３２Ａは樹脂溶融域１３１Ａから流動してきた溶融樹脂によるものだけではなく、接触していた金属表面が加熱されることにより、回転ツール直下領域６０の外周領域において直接樹脂が溶融した領域を含む。

樹脂部材１２の接合台部分１２２における金属部材１１との接触面１２２ａにおける溶融樹脂流動域１３２Ａと、本体部１２１の接合側表面１２０とは、段差により明瞭に区別することができる。

本発明の接合体２０は、溶融固化域（１３１Ａ，１３２Ａ）の直径をＲ（ｍｍ）、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、以下の関係を満たしている：
１＜Ｒ／Ｄ１≦９；
好ましくは２≦Ｒ／Ｄ１≦９。
より好ましくは３≦Ｒ／Ｄ１≦９。
Ｒ／Ｄ１が小さすぎると、接合強度が十分ではない。

溶融固化域（１３１Ａ，１３２Ａ）における直径Ｒは、樹脂部材１２の接合台部分１２２における金属部材１１との接触面１２２ａを上記のような方法で観察することにより容易に測定することができる。なお、当該直径Ｒは、溶融固化域（１３１Ａ，１３２Ａ）の最大寸法である。

本発明の第２実施態様に係る接合方法により得られる接合体おいては、金属部材１１の突出変形はほとんど起こらないため、樹脂溶融域１３１Ａと溶融樹脂流動域１３２Ａとの境界は必ずしも明瞭ではないが、溶融固化域（１３１Ａ，１３２Ａ）と、本体部１２１の接合側表面１２０とは、段差により明瞭に区別することができるので、溶融固化域（１３１Ａ，１３２Ａ）の直径Ｒ（ｍｍ）は容易に測定可能である。
第２実施態様に係る接合方法により得られる接合体おいても、第１実施態様に係る接合方法により得られる接合体と同様に、当該直径Ｒ（ｍｍ）が回転ツールの直径Ｄ１（ｍｍ）に対して上記と同様の関係を満たしている。

（６）本発明に係る接合方法の応用例
本発明に係る接合方法を用いて、金属部材１１としてのブラケット１１ａと樹脂部材１２とを接合するに際しては、位置決め用凸部および凹部の嵌合により、位置決めを容易に達成するとともに、接合時の金属部材の回転を防止することができる。

具体的には、図１４に示すように、樹脂部材１２に位置決め用凸部２００を形成しておき、ブラケット１１ａに凹部２０１を形成しておく。接合に際して、凸部２００を凹部２０１に嵌合させることにより、位置決めと金属部材の回転防止とを容易に達成することができる。図１４において、樹脂部材１２に位置決め用凸部２００が形成され、ブラケット１１ａに凹部２０１が形成されているが、樹脂部材１２に凹部が形成され、ブラケット１１ａに凸部が形成されてもよい。また図１４において、凹部２０１はホール形状を有しているが、凸部２００と嵌合する限り、単なる凹部であってもよい。さらに図１４において、樹脂部材１２が有する接合台部分１２２は多段式形状を有しているが、前記した本発明の樹脂部材１２が使用される限り、いかなる形状を有していてもよい。

［実施例１］
（樹脂部材）
ポリアミドペレット（ナイロン６６ガラス繊維３０％含有）を用いて射出成形法により、図２（Ａ）〜（Ｂ）に示すような円板形状の接合台部分１２２を備えた樹脂部材１２を製造した。接合台部分１２２は射出成形法で使用される金型の成形面を転写させることにより形成した。樹脂部材１２における接合側表面１２０とは反対側の表面１２５には、シボ形状を転写することにより、意匠性を付与した。
樹脂部材１２の寸法は以下の通りであった（図２参照）：
全体寸法；縦１００ｍｍ×横６０ｍｍ
Ｗ１＝２０ｍｍ；
Ｈ＝２ｍｍ；
Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝２０ｍｍ；
ｔ＝３ｍｍ。

（金属部材）
金属部材１１としては、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材を用いた。
金属部材１１の寸法は以下の通りであった：
全体寸法；縦１００ｍｍ×横６０ｍｍ×厚み（Ｔ）１．２ｍｍ

（回転ツール）
回転ツールとしては、図９の各部の寸法がＤ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍの工具鋼製のものを用いた。

（接合方法）
以下の方法により、金属部材１１と樹脂部材１２との接合体を製造した。
第１ステップ：
金属部材１１と樹脂部材１２とを図１および図２（Ｃ）に示すように重ね合わせた。なお、図１および図２（Ｃ）において金属部材１１と樹脂部材１２との幅が異なっているが、本実施例において幅は同寸法であった。樹脂部材１２における接合台部分１２２の頂面１２３全面が金属部材１１により覆われていた。また金属部材１１と樹脂部材１２の本体部１２１との間における接合台部分１２２の全外周部１２６に空隙部１２７が形成されていた。

第２ステップ：
金属部材１１上における回転ツール１６の押圧領域Ｐ（図１参照）の直下に対応する樹脂部材１２表面上の領域Ｐ’が接合台部分１２２の頂面１２３における中央に位置するように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込んだ。
詳しくは、図１０に示すように、回転ツール１６の先端部のみを金属部材１１の表面部に接触させた状態で回転ツール１６を回転させた（予熱工程Ｃ１：加圧力９００Ｎ、加圧時間１．００秒、ツール回転数３０００ｒ）。
次いで、図１１に示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込んで金属部材１１と樹脂部材１２の接合台部分１２２との接合境界面に達しない深さまで進入させた（押込み撹拌工程Ｃ２：加圧力１５００Ｎ、加圧時間０．２５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、図１１に示すように、回転ツール１６を接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール１６の回転動作を継続させた（撹拌維持工程Ｃ３：加圧力５００Ｎ、加圧時間５．７５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、図１２（Ａ）に示すように、接合体２０から回転ツール１６を抜き取り、放置冷却した。

（接合強度）
ＪＩＳ Ｚ ３１３６に規定されている方法により、金属部材と樹脂部材とが接合された接合体を図１の矢印Ｙ，Ｙに示す方向に引っ張り、せん断引張試験を行った。せん断強度Ｓに基づいて評価した。
ＡＡ；４．０ｋＮ ≦Ｓ 優；
Ａ ；３．０ ≦Ｓ＜ ４．０ｋＮ 良；
Ｂ ；２．０ ≦Ｓ＜ ３．０ｋＮ 実用上問題なし；
Ｃ ；Ｓ ＜ ２．０ｋＮ 実用上問題あり。

（意匠性）
樹脂部材１２における接合側表面１２０とは反対側の表面１２５の意匠性を目視により評価した。
ＡＡ；意匠性の低下は全く起こっていなかった（優）；
Ａ；意匠性の低下が僅かに起こっていただけであった（良）；
Ｂ；意匠性の低下が起こっているものの、実用上問題なかった；
Ｃ；意匠性の低下が起こっており、実用上問題があった。

（溶融固化域）
溶融固化域の直径Ｒを前記した方法により測定し、Ｒ／Ｄ１を算出した。
ＡＡ；３≦Ｒ／Ｄ１ 優；
Ａ ；２≦Ｒ／Ｄ１＜３ 良；
Ｂ ；１≦Ｒ／Ｄ１＜２ 実用上問題なし；
Ｃ ；Ｒ／Ｄ１＜１ 実用上問題あり。

［実施例２〜９および比較例１〜３］
表に示す樹脂部材および金属部材を使用したこと以外、実施例１と同様の方法により、金属部材と樹脂部材との接合および評価を行った。
比較例１で使用された樹脂部材は接合台部分を有さない。
比較例３では使用された樹脂部材の所定寸法に併せて、縦１００ｍｍ×横９０ｍｍ×厚み（Ｔ）１．２ｍｍ寸法の金属部材を使用した。

いずれの実施例においても、金属部材の周縁および金属部材と樹脂部材の本体部との間に突起部は形成されなかった。
実施例９を１０回繰り返し実施したところ、得られた全ての接合体は、金属部材１１と樹脂部材１２の本体部１２１との距離が１ｍｍであり、接合台部分の高さ方向における寸法精度に優れていた。
比較例１，３において、金属部材の変形が起こっていた。特に比較例１においては、金属部材の周縁に図１６に示すような突起部２２０が形成されていた。

本発明に係る接合方法は、自動車、鉄道車両、航空機、家電製品等の分野における金属部材と樹脂部材との接合に有用である。

１：摩擦撹拌接合装置
１０：ワーク
１１：金属部材
１２：樹脂部材
１２１：本体部
１２２：接合台部分
１６：回転ツール
１７：受け具
２０：接合体
１２０：樹脂部材における金属部材との接合側の表面
Ｐ：金属部材表面における回転ツールによる押圧領域（押圧予定領域）
Ｐ’：押圧領域Ｐの直下に対応する樹脂部材表面の領域

Claims (14)

1. 金属部材と、該金属部材と接合するための、頂面を備えた接合台部分および該接合台部分を支持する本体部を有する樹脂部材とを、該樹脂部材における接合台部分の頂面全面が金属部材により覆われるように、重ね合わせ、押圧部材により熱および圧力を金属部材側から付与することにより樹脂部材を軟化させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
   接合台部分の頂面の面積Ｓ１および押圧部材による押圧面積Ｓ２が以下の関係を満たすことを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法：
   

   
2. 金属部材と樹脂部材とが、重ね合わせ時において、金属部材と樹脂部材の本体部との間における接合台部分の全外周部に空隙部が形成される状態になるように、樹脂部材において接合台部分が本体部上に備わっている請求項１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
3. 接合台部分の厚みＨが金属部材の厚みＴ（ｍｍ）に対してＴ／５ｍｍ以上である請求項１または２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
4. 接合台部分を有する部分の接合部材の全体厚みが２ｍｍ以上である請求項１〜３のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
5. 押圧部材により金属部材を介して接合部材の接合台部分に熱および圧力を付与する請求項１〜４のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
6. 金属部材が板金部材である請求項１〜５のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
7. 金属部材と接合台部分との接合境界面における接合台部分の押圧部材直下領域およびその外周領域において金属部材と接合台部分との接合を達成する請求項１〜６のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
8. 熱圧式接合方法が摩擦撹拌接合方法であり、
   該摩擦撹拌接合方法が以下のステップを含む請求項１〜７のいずれかに記載の接合方法：
   金属部材と樹脂部材とを重ね合わせる第１ステップ；および
   押圧部材としての回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材を軟化・溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第２ステップ。
9. 上記第２ステップが、回転ツールを金属部材に押し込んで金属部材と樹脂部材との接合境界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程を備えている請求項８に記載の接合方法。
10. 上記第２ステップが、押込み撹拌工程の前に、回転ツールの先端部のみを金属部材の表面部に接触させた状態で上記回転ツールを回転させる予熱工程をさらに備えている請求項９に記載の接合方法。
11. 上記予熱工程では上記回転ツールを第１の加圧力で押圧しつつ第１の加圧時間だけ回転させ、
    上記押込み撹拌工程では上記回転ツールを上記第１の加圧力より大きい第２の加圧力で押圧しつつ上記第１の加圧時間より短い第２の加圧時間だけ回転させる請求項１０に記載の接合方法。
12. 上記第２ステップが、回転ツールを接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる撹拌維持工程をさらに備え、
    上記撹拌維持工程では上記回転ツールを上記第１の加圧力より小さい第３の加圧力で押圧しつつ上記第１の加圧時間より長い第３の加圧時間だけ回転させる請求項１１に記載の接合方法。
13. 上記第２ステップが、撹拌維持工程の後に、上記回転ツールの回転を停止し、その状態で上記回転ツールを所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程をさらに備えている請求項１２に記載の接合方法。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の接合方法において使用される樹脂部材。

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