JP2016068128A - 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】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きる金属部材と樹脂部材との接合方法を提供すること。
【解決手段】金属部材１１と強化繊維を含有する樹脂部材１２とを重ね合わせ、熱および圧力を金属部材側から付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ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、樹脂部材１２として、少なくとも金属部１１材との接合部１２２が以下の条件（Ａ）または（Ｂ）のうちの少なくとも一方を満たす樹脂部材を用いる金属部材と樹脂部材との接合方法：（Ａ）接合部１２２に含有される強化繊維の平均繊維長が１ｍｍ以下である；（Ｂ）接合部１２２に含有される強化繊維の量が接合部全量に対して１０重量％以下である。
【選択図】図１１

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、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、また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、単に車体の軽量化に留まらず、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を溶融させた後、固化させて金属部材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。

一方、樹脂部材に強化繊維を含有させて、樹脂部材の強度を向上させる技術が知られている。例えば、圧縮成形方法の分野では、樹脂の劣化防止、生産性の向上、高強度・高弾性率化の観点から、強化繊維と熱可塑性樹脂により構成される繊維強化熱可塑性樹脂複合材料であって、特定繊維長の強化繊維が特定の体積含有率および同一の繊維軸方向で含有される圧縮成形用材料が開示されている（特許文献２）。

特開２０１０−１５８８８５号公報 特開２００４−１４２１６５号公報

しかしながら、従来の摩擦撹拌接合方法において、従来の繊維強化樹脂部材を用いた場合、接合強度が低下することがあった。

本発明の発明者等は、このような接合強度の低下の現象を鋭意研究した結果、当該現象は、樹脂部材に含有される強化繊維のスプリングバックに起因することを見い出した。具体的には、図１６（Ａ）に示すように、押圧部材２１６を金属部材２１１に押し込んで、摩擦熱により、樹脂部材２１２の押圧部材直下領域２２１およびその外周領域を溶融させた後、固化させると、樹脂部材２１２の当該溶融固化領域において強化繊維が露出するスプリングバックが生じた。スプリングバックとは、湾曲した強化繊維が樹脂部材２１２の溶融時に拘束力から解放され、まっすぐに戻ろうと変形する現象である。このようなスプリングバックが生じると、図１６（Ｂ）に示すように、樹脂部材２１２における溶融固化領域において、気泡が混入して、見掛け上、発泡したように見える気泡層２２２が形成され、強度の低い気泡層２２２内で層内破断が生じることで接合強度が低下するものと考えられる。

本発明は、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きる金属部材と樹脂部材との接合方法を提供することを目的とする。

本発明は、
金属部材と強化繊維を含有する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し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ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、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部が以下の条件（Ａ）または（Ｂ）のうちの少なくとも一方を満たす樹脂部材を用いる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：
（Ａ）接合部に含有される強化繊維の平均繊維長が１ｍｍ以下である；
（Ｂ）接合部に含有される強化繊維の量が接合部全量に対して１０重量％以下である。

本発明はまた、
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上記の金属部材と樹脂部材との接合方法に関する：
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、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、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、樹脂部材に強化繊維を含有させた場合であっても、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斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂部材の端部の概略上面見取り図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の樹脂部材のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明の接合方法に使用される図２の樹脂部材をインサート成形により製造するときの製造方法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概略斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂部材の概略上面見取り図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の樹脂部材のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は本発明の接合方法に使用される図４の樹脂部材を射出成形により製造するときの製造方法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概略斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂部材の概略上面見取り図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の樹脂部材のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明の接合方法に使用される図６の樹脂部材を射出成形により製造するときの製造方法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概略斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂部材の概略上面見取り図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の樹脂部材のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。 本発明の接合方法に使用される図８の樹脂部材の製造方法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押圧部材としての回転ツールの一例の先端部の拡大図である。 本発明の予熱工程の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の方法により接合された金属部材と樹脂部材との接合体の一例の概略断面図である。 実施例における接合強度の測定方法を説明するための概略図である。 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。 （Ａ）は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概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の方法により得られた接合体における金属部材と樹脂部材との接合境界面の拡大図である。

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、金属部材側または樹脂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、樹脂部材を軟化および溶融させた後、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、熱および圧力を付与する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、超音波加熱接合方法、レーザー加熱接合方法、抵抗加熱接合方法、誘導加熱接合方法等であってもよい。好ましくは熱および圧力を金属部材側から局所的に付与する方法であり、より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、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および溶融させた後、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、押圧部材により樹脂部材を加圧しながら、押圧部材及び樹脂部材に超音波振動を起こさせ、該振動により生じる樹脂部材／金属部材の摩擦熱で樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する方法である。

レーザー加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材により金属部材を加圧した状態で、レーザーを金属部材に照射することにより熱を発生させ、この熱で樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する方法である。レーザーとしては、ＹＡＧレーザー、ファイバーレーザーまたは半導体レーザーなどが使用される。

抵抗加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせて拘束した状態で、金属部材に直接電流を流すことにより生じる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、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。

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、図面を用いて詳しく説明するが、後述する樹脂部材を用いる限り、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。

［摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法］
本発明の接合方法（摩擦撹拌接合方法）について図１〜図１３を用いて具体的に説明する。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１０参照）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に伝導して樹脂部材１２が軟化および溶融し、その後、溶融樹脂が固化する。その結果、金属部材１１と樹脂部材１２とが接合される。図１は、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。

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は熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含有する複合樹脂部材であり、少なくとも金属部材１１との接合部が特定の成分構成を有している。

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およびその酸変性物；
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）；
アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー系樹脂（ＡＢＳ）；
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）。

樹脂部材１２を構成する熱可塑性ポリマーとしては、安価で機械特性に優れるポリオレフィン系樹脂、特にポリプロピレンが好ましく使用される。

熱可塑性ポリマーの分子量は特に限定されるものではなく、例えば２３０℃でのＭＦＲ（メルトフローレート値）が２〜２００ｇ／１０分間、特に２〜５５ｇ／１０分間となるような分子量であればよい。

本明細書中、ポリマーのＭＦＲはＪＩＳ Ｋ ７２１０により測定された値を用いている。

強化繊維は、ポリマー含有複合材料の分野で、強度向上のために、ポリマー中に含有される繊維であり、一般に、連続繊維と不連続繊維とに大別されるが、本発明において強化繊維は、特に不連続繊維を意味するものとする。強化繊維の種類としては、特に制限されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、天然繊維、またはこれらの混合物等が挙げられる。

樹脂部材１２における金属部材１１との接合部とは、接合後において溶融および固化が起こる溶融固化領域（接合前においては接合予定領域）のことであり、樹脂部材表面から所定深さまでの表面近傍の表層部のことである。本発明において特定の成分構成を有する接合部は通常、樹脂部材の片面における一部の領域であるが、樹脂部材の片面全面または両面全面の領域であってもよい。

本明細書中、表層部とは表面から深さＬ１（図２（Ｃ）参照）までの部分を指すものとし、Ｌ１は、樹脂部材１２の厚みをｔ（ｍｍ）としたとき、好ましくはｔ／６以上ｔ以下であり、より好ましくはｔ／６以上２×ｔ／３以下、さらに好ましくはｔ／６以上ｔ／２以下である。

本発明において金属部材１１との接合部は、具体的には、図２（Ａ）に示すように、樹脂部材１２の金属部材１１との接合表面１２０における、少なくとも領域Ｐ’を含む領域の少なくとも表層部であり、例えば領域Ｐ’の表層部、領域Ｑの表層部、領域Ｒの表層部、樹脂部材１２における金属部材１１との接合表面１２０の全面領域の表層部が挙げられる。領域Ｐ’は、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせたとき、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表面上の領域である。領域Ｑは、金属部材１１と樹脂部材１２との間での好ましい接合のために軟化および溶融が起こる樹脂部材表面の領域であり、上記領域Ｐ’を包含する領域であるが、必ずしも厳密に領域Ｑの全領域で軟化および溶融が起こらなければならないというわけではない。領域Ｒは、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせたとき、金属部材１１と接触する樹脂部材１２表面上の領域である。図２（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斜視図である。

樹脂部材の製造コストと接合強度とのバランスの観点から好ましい実施態様においては、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示すように、金属部材１１との接合部１２２（以下、単に「接合部」ということがある）は、領域Ｑの表層部である。本実施態様において、領域Ｑは、回転ツール１６の押圧領域Ｐ（図１参照）およびその直下の領域Ｐ’（図２（Ａ）参照）と同心円形状を有するが、当該領域Ｑを含む限り、形状は特に制限されるものではない。円形状以外の領域Ｑの形状として、例えば、図２（Ａ）および（Ｂ）における領域Ｑを内接または内包する方形形状、多角形形状が挙げられる。図２（Ｂ）は図２（Ａ）の樹脂部材の端部の概略上面見取り図であり、図２（Ｃ）は図２（Ｂ）の樹脂部材のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。

領域Ｑの寸法Ｓ１（直径）（図２（Ｃ）参照）は、回転ツール１６の直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、好ましくはＤ１超５×Ｄ１以下であり、より好ましくは１．２×Ｄ１以上４×Ｄ１以下、さらに好ましくは２×Ｄ１以上３×Ｄ１以下である。

本発明の樹脂部材１２において少なくとも金属部材１１との接合部が有する成分構成は、以下の条件（Ａ）または（Ｂ）のうちの少なくとも一方を満たしている：
（Ａ）接合部に含有される強化繊維の平均繊維長が１ｍｍ以下である；
（Ｂ）接合部に含有される強化繊維の量が接合部全量に対して１０重量％以下である。

すなわち、樹脂部材１２における少なくとも金属部材１１との接合部において、含有される強化繊維の繊維長を短くするか、または強化繊維の含有量を少なくする。これにより、樹脂部材１２の接合時におけるスプリングバックを十分に防止することができる。スプリングバック防止のメカニズムの詳細は明らかではないが、以下の現象に基づくものと考えられる。強化繊維として繊維長が比較的長い不連続繊維は、一般に、成形工程において湾曲した状態で周辺樹脂が固化するため、湾曲した状態で拘束されている。接合時において熱可塑性ポリマーの溶融により、その拘束力から解放されると、湾曲されていた強化繊維が直線状に戻ろうとする力によって、樹脂を跳ね返す現象が起こる。これがスプリングバックの原因となる。一方、不連続繊維の中でも特に繊維長が比較的短いものは、成形工程において湾曲しにくいため、熱可塑性ポリマーの溶融により、その拘束力から解放されても、スプリングバックは発生しない。このため、接合部における強化繊維の繊維長を短くするか、または接合部における強化繊維の含有量を少なくすることにより、スプリングバックを十分に防止することができる。接合部において強化繊維の繊維長が長すぎ、かつ強化繊維の含有量が多すぎると、スプリングバックが発生し、結果として接合強度が低下する。

樹脂部材１２における金属部材１１との接合部が有する成分構成として、具体的には、以下の構成（Ｉ）、（ＩＩ）および（ＩＩＩ）が挙げられる。樹脂部材の機械的物性の低下を防止する観点から、構成（Ｉ）および構成（ＩＩ）が好ましく、特に構成（Ｉ）が好ましい。

構成（Ｉ）において、接合部に含有される強化繊維の量は接合部全量に対して１０重量％超、特に２０〜８０重量％、好ましくは３０〜４０重量％であり、接合部に含有される強化繊維の平均繊維長は１ｍｍ以下、特に０．１〜１ｍｍ、好ましくは０．３〜０．７ｍｍである。

構成（ＩＩ）において、接合部に含有される強化繊維の量は接合部全量に対して１〜１０重量％、特に１〜８重量％、好ましくは１〜５重量％であり、接合部に含有される強化繊維の平均繊維長は１ｍｍ以下、特に０．１〜１ｍｍ、好ましくは０．３〜０．７ｍｍである。

構成（ＩＩＩ）において、接合部に含有される強化繊維の量は接合部全量に対して１０重量％以下、特に１〜８重量％、好ましくは１〜５重量％であり、接合部に含有される強化繊維の平均繊維長は１ｍｍ超、特に1〜５０ｍｍ、好ましくは１〜１０ｍｍである。

本明細書中、接合部に含有される強化繊維の量は、樹脂部材の製造時における各材料の使用量に基づく値を使用することができるし、以下の方法により測定される値を使用することもできる。
まず、樹脂部材の接合部を、電気炉等により、熱可塑性ポリマーの分解温度以上、強化繊維の分解温度以下で加熱することによって、熱可塑性ポリマーを取り除き、強化繊維のみを取り出す。加熱前後の重量測定により、強化繊維の含有量を加熱前の重量に対する割合として算出することができる。または、比重を測定することによっても、含有量の測定ができる。

接合部に含有される強化繊維の平均繊維長は、樹脂部材の製造時において接合部の形成に使用される強化繊維に基づく値を使用することができるし、以下の方法により測定される値を使用することもできる。
強化繊維の平均繊維長は、上記含有量測定方法の際に得られる強化繊維の長さを直接測定する方法によって測定することができるし、接合部の内部構造をＸ線ＣＴ装置を用いて、3次元的に撮像し、繊維長が測定できる画像解析ソフトを用いて、繊維を測定する方法によっても測定することができる。

構成（Ｉ）〜（ＩＩＩ）において、接合部中、強化繊維はランダム配向形態で含有される。
またいずれの構成においても、強化繊維の平均繊維径は特に制限されるものではなく、例えば、２〜２０μｍであり、好ましくは６〜１５μｍである。

接合部に含有される強化繊維の平均繊維径は、樹脂部材の製造時において接合部の形成に使用される強化繊維に基づく値を使用することができる。上記含有量測定方法の際に得られる強化繊維の平均繊維径を直接測定する方法によって測定することもできる。

樹脂部材１２において、接合部以外の部分１２３は熱可塑性ポリマーを含有するものであり、樹脂部材の強度向上の観点から、長繊維の強化繊維を高含有率で含有することが好ましい。長繊維の強化繊維は、スプリングバックを引き起こすものと考えられるところ、本発明においてはそのような強化繊維が高含有率で含有される場合であっても、スプリングバックを十分に防止できる。

接合部以外の部分１２３における強化繊維の平均繊維長は通常、１〜５０ｍｍであり、好ましくは３〜５０ｍｍである。
接合部以外の部分１２３における強化繊維の平均繊維径は特に制限されるものではなく、例えば、２〜２０μｍであり、好ましくは６〜１５μｍである。
接合部以外の部分１２３における強化繊維の種類は、接合部における強化繊維と同様に、前記したものが使用可能である。

接合部以外の部分１２３に含有される強化繊維の平均繊維長および平均繊維径は、接合部以外の部分１２３で測定を行ったこと以外、接合部における強化繊維の平均繊維長および平均繊維径と同様の方法により測定することができるし、樹脂部材の製造時において接合部以外の部分１２３の形成に使用される強化繊維に基づく値を使用することもできる。

接合部以外の部分１２３において、強化繊維の含有量は特に限定されず、通常１〜８０重量％であるが、強度の向上と成形加工性の両立の観点から、該接合部以外の部分１２３全量に対して、１０〜５０重量％であることが好ましく、より好ましくは３０〜５０重量％である。

本明細書中、接合部以外の部分１２３に含有される強化繊維の量は、接合部以外の部分１２３で測定を行ったこと以外、接合部における強化繊維の含有量と同様の方法により測定することができるし、樹脂部材の製造時における各材料の使用量に基づく値を使用することもできる。

接合部１２２を構成する熱可塑性ポリマーおよび接合部以外の部分１２３を構成する熱可塑性ポリマーはそれぞれ独立して前記熱可塑性ポリマーから選択される。接合部１２２を構成する熱可塑性ポリマーおよび接合部以外の部分１２３を構成する熱可塑性ポリマーはそれぞれ２種類以上組み合わせて含有されてもよい。

接合部１２２に含有される強化繊維および接合部以外の部分１２３に含有される強化繊維はそれぞれ独立して前記強化繊維から選択される。接合部１２２に含有される強化繊維および接合部以外の部分１２３に含有される強化繊維はそれぞれ２種類以上組み合わせて含有されてもよい。

樹脂部材１２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、接合のために金属部材１１と重ね合わせたときに、金属部材１１直下の部分、特に回転ツール１６の直下部分近傍、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。

樹脂部材１２における金属部材１１直下の部分の厚みｔ（接合処理前の厚み；図２（Ｃ）参照）は通常、２〜１０ｍｍ、特に２〜５ｍｍであるがこれに限定されるものではない。

樹脂部材１２には、接合部１２２および接合部以外の部分１２３において、例えば安定剤、難燃剤、着色材などの添加剤がさらに含有されてもよい。

本発明において樹脂部材１２は、表面に接合部１２２を有することにより、熱および圧力の付与による金属部材１１との接合が可能な限り、その構造は特に制限されない。具体的には、樹脂部材１２は、例えば、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、接合部１２２が厚みｔ方向において一部の表面に存在する浮島構造を有していてもよいし、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、接合部１２２の一部が樹脂部材１２の全厚みにわたって存在する隆起構造を有していてもよいし、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、接合部１２２が接合用ドッグハウス部の上面部を構成するドッグハウス構造を有していてもよい。図２（Ａ）は本発明の接合方法に使用される浮島構造型樹脂部材の一例の端部の概略斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂部材の端部の概略上面見取り図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の樹脂部材のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。図４（Ａ）は本発明の接合方法に使用される隆起構造型樹脂部材の一例の概略斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂部材の概略上面見取り図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の樹脂部材のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。図６（Ａ）は本発明の接合方法に使用されるドッグハウス構造型樹脂部材の一例の概略斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂部材の概略上面見取り図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の樹脂部材のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。

図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すような浮島構造型樹脂部材１２において、接合部１２２は厚みｔ方向において一部の表面のみに存在する。このような浮島構造型樹脂部材１２は、熱可塑性ポリマー含有板状予備成形体を、金型内に挿入し、熱可塑性ポリマー含有材料を用いて射出成形する二色成形法により製造することができる。

詳しくは、まず、図３（Ａ）に示すように、接合部１２２として、熱可塑性ポリマー含有板状予備成形体１２５を、金型１２４Ａおよび１２４Ｂ内の所定の位置に挿入する。熱可塑性ポリマー含有板状予備成形体１２５は、前記接合部１２２が有すべき成分構成および寸法を有するものであり、射出成形法、押出成形法、圧縮成形法などの成形法により製造することができる。その後、図３（Ｂ）に示すよう、金型１２４Ａおよび１２４Ｂを閉じる。次いで、図３（Ｃ）に示すように、射出機１２６内で熱可塑性ポリマー含有材料を予め溶融および混合しておき、溶融混合物を金型内に射出注入した後、冷却・固化させ、接合部以外の部分１２３を形成して樹脂部材１２を得る。熱可塑性ポリマー含有材料は、接合部以外の部分１２３が有すべき成分構成を有するものであり、ここで使用される熱可塑性ポリマーは、板状予備成形体１２５の熱可塑性ポリマーと相溶できる限り特に限定されるものではない。図３（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の接合方法に使用される図２の浮島構造型樹脂部材をインサート成形により製造するときの製造方法を説明するための概略断面図である。

図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すような隆起構造型樹脂部材１２において、接合部１２２の一部は樹脂部材１２の全厚みｔにわたって存在する。このような隆起構造型樹脂部材１２もまた、二色成形法により製造することができる。

詳しくは、まず、図５（Ａ）に示すように、射出機１２６内で熱可塑性ポリマー含有材料Ａを予め溶融および混合しておき、溶融混合物を金型内に一次射出注入した後、冷却・固化させて、図５（Ｂ）に示す板状予備成形体１２５を得る。熱可塑性ポリマー含有材料Ａは前記接合部１２２が有すべき成分構成を有するものである。板状予備成形体１２５は前記接合部１２２が有すべき寸法を有するものである。次いで、図５（Ｃ）に示すように、板状予備成形体１２５を金型１２４Ａおよび１２４Ｂ内の所定の位置に挿入する。そして、射出機１２６内で熱可塑性ポリマー含有材料Ｂを予め溶融および混合しておき、溶融混合物を金型内に二次射出注入した後、冷却・固化させ、接合部以外の部分１２３を形成して樹脂部材１２を得る。熱可塑性ポリマー含有材料Ｂは、接合部以外の部分１２３が有すべき成分構成を有するものであり、熱可塑性ポリマー含有材料Ｂで使用される熱可塑性ポリマーは、熱可塑性ポリマー含有材料Ａで使用される熱可塑性ポリマーと相溶できる限り特に限定されるものではない。図５（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の接合方法に使用される図４の隆起構造型樹脂部材を射出成形により製造するときの製造方法を説明するための概略断面図である。

図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すようなドッグハウス構造型樹脂部材１２は、本体部１２７および接合用ドッグハウス部１２８を有している。接合用ドッグハウス部１２８は、図６（Ｃ）に示すように、本体部１２７から立ち上がる側面部１２８Ａおよび上面部１２８Ｂを備えている。上面部１２８Ｂが前記接合部１２２を構成し、金属部材と接合する。

ドッグハウス構造型樹脂部材１２は、熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含む材料を用いて一色成形法による射出成形法により製造することができる。詳しくは、まず、所定の樹脂部材の形状に対応する形状を有する図７（Ａ）に示すような金型１２４Ａおよび１２４Ｂを用意する。図７（Ａ）は、図６（Ｂ）における樹脂部材１２のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの断面に対応する金型断面の概略図である。そして、図７（Ｂ）に示すように、射出機１２６内で熱可塑性ポリマー含有材料を予め溶融および混合しておき、溶融混合物を金型内に射出注入口１２９から射出注入する。射出注入に際し、上面部１２８Ｂが前記材料の流動末端になるように射出注入口１２９の位置を選択する。上面部１２８Ｂが前記材料の流動末端になるとは、射出注入により溶融混合物（流動体）が金型内のキャビティーを流動および充填する際、本体部１２７が充填された後に、上面部１２８Ｂが充填される、という意味である。上面部１２８Ｂには通常、ウェルド（継ぎ目）が形成される。上面部１２８Ｂが前記材料の流動末端になるように射出注入口１２９の位置を選択することにより、上面部１２８Ｂを構成する強化繊維を、使用された強化繊維よりも、短くすることができる。このとき、流動体が上面部１２８Ｂに到達するまでに、流路を狭くすることにより、強化繊維の短繊維化を促進することができる。詳しくは、例えば、図７（Ｃ）においては、本体部１２７の流路よりも、側面部１２８Ａの一部の流路が狭くなっているので、強化繊維が折損し、短繊維化が促進される。このように、上面部１２８Ｂが流動体の流動末端になるように射出注入口の位置を選択し、かつ流動体が上面部１２８Ｂに到達するまでに、流路を狭くして強化繊維の短繊維化を促進することにより、前記成分構成（Ｉ）および（ＩＩ）、特に成分構成（Ｉ）を満たす接合部１２２（上面部１２８Ｂ）を得ることができる。図７（Ｃ）は、図６（Ｂ）における樹脂部材１２のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの断面に対応する金型断面の概略図である。

短繊維化を達成するための流路間隙Ｋ１（図７（Ｃ）参照）は通常、0.5〜1.2ｍｍであり、好ましくは0.7〜1.0ｍｍである。短繊維化を達成するための流路長Ｋ２（図７（Ｃ）参照）は通常、1ｍｍ以上ｍｍであり、好ましくは１〜２ｍｍである。

ドッグハウス構造型樹脂部材１２の製造において、上面部１２８Ｂが流動体の流動末端になるように射出注入口１２９の位置が選択され、上面部１２８Ｂにウェルド（継ぎ目）が形成されると、強度の低下が懸念される。しかし、上記したように、当該上面部１２８Ｂは前記接合部１２２を構成し、金属部材との接合に際し、熱が付与されるため、強度は向上する。

ドッグハウス構造型樹脂部材１２の製造に使用される熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含む材料は、上記のような強化繊維の短繊維化を考慮して、選択されればよい。
ドッグハウス構造型樹脂部材１２において、前記接合部１２２は、ドッグハウス部１２８の上面部１２８Ｂにより提供され、図６（Ｃ）に示されるように、当該上面部１２８Ｂの厚みが、前記接合部１２２の深さ（厚み）Ｌ１および樹脂部材１２の厚みｔの両方に相当するものとする。

浮島構造型樹脂部材１２は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように二色成形法により製造することができるが、一色成形法により製造することもできる。一色成形法により製造された浮島構造型樹脂部材１２の一例を図８（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図８（Ａ）〜（Ｃ）において接合部１２２は破線により、隣接する部材と区別されているが、これは、隣接する部材と一体的に形成されたものの、後処理によって、含有される強化繊維が短繊維化されたことを意味している。図８（Ａ）は、本発明の接合方法に使用される浮島構造型樹脂部材の一例の概略斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂部材の概略上面見取り図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の樹脂部材のＷ−Ｗ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。

図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すような浮島構造型樹脂部材１２は、例えば、熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を用いて、一色成形法による射出成形法により、成形体を製造した後、図９に示すように、当該成形体３０１の接合予定領域に外部エネルギー３０２を付与することにより製造することができる。外部エネルギーの付与により、強化繊維を短繊維化することができるので、接合部１２２が形成される。

短繊維化のために付与される外部エネルギーとしては、例えば、鈍器、ドリルなどによる衝撃エネルギー等が挙げられる。衝撃エネルギーを付与することにより、強化繊維を衝撃破壊し、短繊維化を達成する。

一色成形法による浮島構造型樹脂部材１２の製造において、外部エネルギーの付与により、強化繊維だけでなく、樹脂部材自体の破損も懸念される。しかし、上記したように、短繊維化が達成された破損部分は前記接合部１２２を構成し、金属部材との接合に際し、熱が付与されるため、修復される。

接合部１２２および当該接合部以外の部分１２３に含有される強化繊維の平均繊維長は、所望長の強化繊維を含有するペレットを用いることにより制御してもよいし、所望長よりも長い強化繊維を含有するペレットを用い、成形条件、特に混練条件を調整して強化繊維を切断することにより制御してもよい。

（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、少なくとも樹脂部材１２との重ね合わせ部分、特に回転ツール１６の直下部分近傍、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において樹脂部材１２と重ね合わせる略平板形状部分の厚みＴ（図１１参照）は特に制限されるものではなく、通常、２〜１０ｍｍ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；
マグネシウムおよびその合金；
チタンおよびその合金。

（３）回転ツール
図１０は、回転ツール１６の先端部の拡大図である。図１０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１０に示すように、円柱状の回転ツール１６は、先端部（図１０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１０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、５〜３０ｍｍ、好ましくは５〜１５ｍｍであるがこれに限定されるものではない。

（４）本発明に係る接合方法の一実施態様（摩擦撹拌接合方法）
本発明に係る摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法は少なくとも以下のステップ：
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、この摩擦熱により樹脂部材１２を軟化および溶融させた後、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：
を含むものである。

第１ステップ：
第１ステップにおいては、図１に示すように、金属部材１１と樹脂部材１２とを所望の接合部位で重ね合わせる。詳しくは、樹脂部材１２における前記金属部材１１との接合部１２２の表面が金属部材１１と接触するように、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１３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。

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１１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との接合境界面１３を介して、樹脂部材１２にも伝わる。摩擦熱は樹脂部材１２の内部に伝わり、樹脂部材１２における上記押圧領域Ｐ直下の領域Ｐ'（図２（Ａ）参照）の範囲及び当該Ｐ’領域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、樹脂部材１２が軟化および溶融し易くなる。

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樹脂部材１２の軟化および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５００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ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１２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１２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と樹脂部材１２との接合境界面１３に達しない深さまで進入させる。このとき、金属部材１１の回転ツール直下部１１０を樹脂部材１２側に突出変形させることが好ましい。これにより、接合境界面１３において回転ツールの直下領域Ｐ’で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂１２１を該直下領域Ｐ’の外周領域まで流動させることができる（図１２の矢印方向）。図１２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。好ましくは、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と樹脂部材１２との接合境界面１３が受け具１７側（図例では下側）に移動し、当該直下部１１０が樹脂部材１２側に突出変形する。これにより、接合境界面１３において回転ツールの直下領域６０で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂１２１が該直下領域Ｐ’を超えて、その外周領域まで流動する。溶融樹脂は回転ツール直下領域Ｐ’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。

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、樹脂部材１２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、樹脂部材１２に近い基準位置で摩擦熱が発生し、多量の摩擦熱が樹脂部材１２に伝わり、樹脂部材１２の軟化および溶融および流動が促進される。

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をできるだけ樹脂部材１２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５００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ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１２に示すように、上記接合境界面１３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、６．７５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。この樹脂部材１２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樹脂部材１２に移動する。そのため、樹脂部材１２は、上記押圧領域Ｐ直下の領域Ｐ’の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化および溶融する。

撹拌維持工程Ｃ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、上記のような樹脂部材１２の広い範囲での十分な軟化および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、特に１００Ｎ以上６００Ｎ以下の値が好ましい。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５００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ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１２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とを押圧領域Ｐで受け具１７との間に挟んでクランプする。これにより、金属部材１１と樹脂部材１２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少なくとも押圧領域Ｐ’で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、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、その後、必要に応じてさらに工程Ｃ４を経て、最終的に、図１３に示すように、金属部材１１と樹脂部材１２とが、スプリングバックの発生なしに、高強度に接合された接合体２０が得られる。図１３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、空冷等が挙げられる。

以上、回転ツールを金属部材の接触面上、面方向で移動させることなく、点状に金属部材と樹脂部材との接合を行う場合（点接合）について説明したが、上記面方向において回転ツールを移動させながら、線状に金属部材と樹脂部材との接合を行う場合（線接合）においても本発明の効果が得られることは明らかである。

＜実施例１＞
（樹脂部材）
図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すような浮島構造型樹脂部材１２を製造した。
詳しくはまず、図３（Ａ）に示すような円板状予備成形体１２５を製造した。具体的には、炭素繊維を３０重量％含むポリプロピレンペレット（ＴＬＰ８１６９；東レ社製）を、通常スクリューを用いて、２８０℃で溶融・混練し、金型（４０℃）内に射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、残存繊維の重量平均繊維長がおよそ0.７ｍｍになるように成形した円板状予備成形体１２５を得た。成形体１２５の寸法は以下の通りであった。
直径Ｓ１（図２（Ｃ）参照）２０ｍｍ；
厚みＬ１（図２（Ｃ）参照）１．５ｍｍ。

次いで、図３（Ａ）に示すように、円板状予備成形体１２５を、金型１２４Ａおよび１２４Ｂ内の所定の位置に挿入した。その後、図３（Ｂ）に示すよう、金型１２４Ａおよび１２４Ｂを閉じた。次いで、図３（Ｃ）に示すように、射出機１２６内で、炭素繊維を３０重量％含むポリプロピレンペレット（ＴＬＰ８１６９；東レ社製）を低せん断スクリューを用いて２８０℃で溶融・混練し、溶融物を金型（４０℃）内に射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、残存繊維の重量平均繊維長が3ｍｍの浮島構造型樹脂部材１２を得た。樹脂部材１２の寸法は以下の通りであった。
厚みｔ（図２（Ｃ）参照）３ｍｍ；
縦１００ｍｍ；
横（幅）３０ｍｍ。

（金属部材）
金属部材としては、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材（厚さ１．２ｍｍ）を用いた。

（回転ツール）
回転ツールとしては、図１０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の端部と樹脂部材１２の端部とを、樹脂部材１２表面の接合部１２２が金属部材１２と接触するように、重ね合わせた（図１）。

第２ステップ：
まず、図１１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３０００ｒｐｍ）。このとき、樹脂部材１２における領域Ｑの中心は回転ツール１６の回転軸上にあった。

その後、図１２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との接合境界面１３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１２に示すように、回転ツール１６を接合境界面１３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６．７５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、図１３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）
図１４に示すように、金属部材１１と樹脂部材１２との接合体を治具１００内に配置した。治具１００は、該治具１００を下方へ引っ張ることにより樹脂部材１２の上端部に下方への力が働くように構成されたものである。治具１００を固定し、かつ金属部材１１を上方へ引っ張ることにより、樹脂部材１２の上端部に下方への力が働き、樹脂部材１２の母材強度に影響を受けることなく接合部の剪断強度Ｓを測定した。
◎；４．００≦Ｓ；
○；３．００≦Ｓ＜４．００（実用上問題なし）；
×；Ｓ＜３．００。

＜実施例２〜４＞
以下に示す方法で製造された構造の樹脂部材１２を用いたこと以外、実施例１と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
なお、実施例３で得られたドッグハウス構造型樹脂部材１２を評価する場合は、治具１００として、当該ドッグハウス構造型樹脂部材１２の形状に対応した形状のものを使用した。

［隆起構造型樹脂部材］
図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すような隆起構造型樹脂部材１２を製造した。
詳しくはまず、図５（Ａ）に示すように、射出機１２６内で、強化繊維として炭素繊維を３０重量％含むポリプロピレンペレット（ＴＬＰ８１６９；東レ社製）を通常スクリューを用いて、２８０℃で溶融・混練し、溶融物を金型（４０℃）内に、射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、重量平均繊維長０．５ｍｍの図５（Ｂ）に示すような隆起構造型予備成形体１２５を得た。成形体１２５を構成する隆起状円板部および台座部の寸法は以下の通りであった。
隆起状円板部：
直径Ｓ１（図４（Ｃ）参照）２０ｍｍ；
厚みＬ１（図４（Ｃ）参照）３ｍｍ；
台座部：
縦１００ｍｍ；
横（幅）３０）ｍｍ。
厚みＬ２（図４（Ｃ）参照）２ｍｍ。

次いで、図５（Ｃ）に示すように、隆起構造型予備成形体１２５を、金型１２４Ａおよび１２４Ｂ内の所定の位置に挿入し、金型１２４Ａおよび１２４Ｂを閉じた。その後、射出機１２６内で、強化繊維として炭素繊維を３０重量％含むポリプロピレンペレット（ＴＬＰ８１６９；東レ社製）を低せん断スクリューを用いて２８０℃で溶融・混練し、溶融物を金型（４０℃）内に射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、隆起構造型樹脂部材１２を得た。樹脂部材１２の寸法は以下の通りであった。
厚みｔ（図４（Ｃ）参照）３ｍｍ；
縦１００ｍｍ；
横（幅）３０ｍｍ。

［ドッグハウス構造型樹脂部材］
図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すようなドッグハウス構造型樹脂部材１２を製造した。
詳しくはまず、所定の樹脂部材の形状に対応する形状を有する図７（Ａ）に示すような金型１２４Ａおよび１２４Ｂを用意した。次いで、図７（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、射出機１２６内で、強化繊維として炭素繊維を３０重量％含むポリプロピレンペレット（ＴＬＰ８１６９；東レ社製）を低せん断スクリューを用いて２８０℃で溶融・混練し、溶融物を金型（４０℃）内に射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、ドッグハウス構造型樹脂部材１２を得た。ドッグハウス構造型樹脂部材１２を構成するドッグハウス部１２８および本体部１２７の寸法は以下の通りであった。
ドッグハウス部１２８：
Ｓ１（図６（Ｃ）参照）２０ｍｍ；
Ｌ１（図６（Ｃ）参照）３ｍｍ；
流路間隙Ｋ１（図７（Ｃ）参照）１ｍｍ；
流路長Ｋ２（図７（Ｃ）参照）２ｍｍ。
本体部１２７：
厚みＫ３（図７（Ｃ）参照）３ｍｍ。
縦１００ｍｍ；
横（幅）３０ｍｍ。

［浮島構造型樹脂部材（一色成形法）］
図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すような浮島構造型樹脂部材１２を製造した。
詳しくはまず、射出機内で、強化繊維として炭素繊維を３０重量％含むポリプロピレンペレット（ＴＬＰ８１６９；東レ製）を低せん断スクリューを用いて２８０℃で溶融・混練し、溶融物を金型（４０℃）内に射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、図９に示すような成形体３０１を得た。成形体３０１の寸法は以下の通りであった。
厚みｔ（図８（Ｃ）参照）３ｍｍ；
縦１００ｍｍ；
横（幅）３０ｍｍ。

次いで、成形体３０１の接合予定領域に金槌で衝撃エネルギー３０２を付与した。衝撃エネルギーが付与された領域の寸法は以下の通りであった。
直径（Ｓ１；図８（Ｃ）参照）２０ｍｍ；
深さ（Ｌ１；図８（Ｃ）参照）１．５ｍｍ。

＜実施例５〜６および比較例１〜２＞
接合部に含有される強化繊維の平均繊維長および含有量を表に記載のように調整したこと以外、実施例１と同様の方法により、樹脂部材の製造、該樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
なお、比較例１においては、接合部としての円板状予備成形体を使用しなかった。

＜測定方法＞
樹脂部材１２の接合部１２２および接合部以外の部分１２３に含有される強化繊維の平均繊維長、平均繊維径および含有量を前記した方法に従って測定した。平均繊維長および平均繊維径の測定は、任意の２０カ所で行い、それらの平均値を示した。

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
１３：金属部材と樹脂部材との接合境界面
１６：回転ツール
１７：受け具
１００：接合強度を測定するための治具
１１０：金属部材の回転ツール直下部
１２１：回転ツールの直下領域で溶融している溶融樹脂
１２２：樹脂部材における金属部材との接合部
１２３：樹脂部材における金属部材との接合部以外の部分
１２４Ａ：樹脂部材をインサート成形するための上型
１２４Ｂ：樹脂部材をインサート成形するための下型

Claims (14)

1. 金属部材と強化繊維を含有する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し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ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、
   樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部が以下の条件（Ａ）または（Ｂ）のうちの少なくとも一方を満たす樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法：
   （Ａ）前記接合部に含有される強化繊維の平均繊維長が１ｍｍ以下である；
   （Ｂ）前記接合部に含有される強化繊維の量が接合部全量に対して１０重量％以下である。
2. 前記接合部が以下の成分構成（Ｉ）〜（ＩＩＩ）のいずれかを有する請求項１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
   （Ｉ）前記接合部に含有される強化繊維の量が接合部全量に対して１０重量％超であって、前記接合部に含有される強化繊維の平均繊維長が１ｍｍ以下である；
   （ＩＩ）前記接合部に含有される強化繊維の量が接合部全量に対して１０重量％以下であって、前記接合部に含有される強化繊維の平均繊維長が１ｍｍ以下である；
   （ＩＩＩ）前記接合部に含有される強化繊維の量が接合部全量に対して１０重量％以下であって、前記接合部に含有される強化繊維の平均繊維長が１ｍｍ超である。
3. 前記接合部が、接合後に溶融および固化が起こる溶融固化領域における表面から深さＬ１までの部分であり、
   前記深さＬ１が、樹脂部材の厚みをｔ（ｍｍ）としたとき、ｔ／６以上ｔ以下である請求項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. 前記樹脂部材における接合部以外の部分に含有される強化繊維の平均繊維長が１〜５０ｍｍであり、該部分に含有される強化繊維の量が該部分の全量に対して１〜８０重量％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. 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１〜４のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
   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、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、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。
6. 前記接合部が、回転ツールの押圧領域Ｐと同心円形状の、樹脂部材表面上の領域Ｑにおける表面から深さＬ１までの部分であり、
   前記領域Ｑの直径Ｓ１が、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、Ｄ１超５×Ｄ１以下であり、
   前記深さＬ１が、樹脂部材の厚みをｔ（ｍｍ）としたとき、ｔ／６以上ｔ以下である請求項５に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
7. 前記第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５または６に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
8. 前記第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前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７に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
9. 前記予熱工程では前記回転ツールを第１の加圧力で押圧しつつ第１の加圧時間だけ回転させ、
   前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを前記第１の加圧力より大きい第２の加圧力で押圧しつつ前記第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８に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
10. 前記第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、
    前記撹拌維持工程では前記回転ツールを前記第１の加圧力より小さい第３の加圧力で押圧しつつ前記第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９に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
11. 前記第２ステップが、撹拌維持工程の後に、前記回転ツールの回転を停止し、その状態で前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１０に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
12. 前記樹脂部材が、前記接合部が厚み方向において一部の表面のみに存在する浮島構造型樹脂部材であるか、または前記接合部の一部が樹脂部材の全厚みにわたって存在する隆起構造型樹脂部材であり、
    前記樹脂部材が、前記接合部が有すべき成分構成を有する熱可塑性ポリマー含有板状予備成形体を、金型内に挿入し、熱可塑性ポリマー含有材料を用いて射出成形する二色成形法により製造されてなる請求項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。
13. 前記樹脂部材が本体部および接合用ドッグハウス部を有し、該接合用ドッグハウス部が本体部から立ち上がる側面部および金属部材と接合するための上面部を備えたドッグハウス構造型樹脂部材であり、
    前記樹脂部材が熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含む材料を用いた射出成形法により製造されてなり、
    前記射出成形法において、前記上面部が前記材料の流動末端になるように射出注入口の位置を選択し、かつ前記材料の流動体が上面部に到達するまでに、流路を狭くして強化繊維の短繊維化を促進する請求項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。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法において使用される樹脂部材。

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