JP2016068129A - 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、押圧部材による金属部材側からの押圧により熱および圧力を付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ、接合を達成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、樹脂部材１２として、少なくとも金属部材１１との接合部１２２に含有される強化繊維が以下に示す配向度ｙ１／ｘを有する樹脂部材を用いる金属部材と樹脂部材との接合方法：１≦ｙ１／ｘ≦１．３（式中、ｘは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ）である；ｙ１は、接合部を表面から厚み方向で５００μｍの深さまで研磨したときの垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）である）。
【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、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１９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任意の断面において強化繊維が同一の繊維軸方向を有する最小単位に含まれる特定の強化繊維数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２０（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２０（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、押圧部材による金属部材側からの押圧により熱および圧力を付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ、接合を達成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、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度ｙ１／ｘを有する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：
１≦ｙ１／ｘ≦１．３
（式中、ｘは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ）である；ｙ１は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）であって、接合部を表面から厚み方向で５００μｍの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である）。

本発明はまた、
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；
を含む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に含有される強化繊維が以下に示す配向度ｙ１／ｘを有する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：
１≦ｙ１／ｘ≦１．３
（式中、ｘは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ）である；ｙ１は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）であって、接合部を表面から厚み方向で５００μｍの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である）。

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（凸型）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および接合用柱状リブにおける高さ方向に対する垂直断面の拡大模式図であり、（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および接合用柱状リブにおける高さ方向に平行な断面の拡大模式図である。 （Ａ）は本発明の接合方法に使用される樹脂部材の別の一例（平型）の概略斜視図および接合部における厚み方向に対する垂直断面の拡大模式図であり、（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および接合部における高さ方向に平行な断面の拡大模式図である。 （Ａ）は本発明の接合方法に使用される凸型樹脂部材の一実施態様の概略上面見取り図であり、（Ｂ）は（Ａ）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り、（Ｃ）は（Ｂ）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凸型樹脂部材の別の一実施態様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５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平型樹脂部材の一実施態様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７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平型樹脂部材の別の一実施態様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９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。 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。 図２の凸型樹脂部材を用いた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。 図２の凸型樹脂部材を用いた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。 図２の凸型樹脂部材を用いた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。 図３の平型樹脂部材を用いた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。 図３の平型樹脂部材を用いた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。 図３の平型樹脂部材を用いた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、押圧部材による金属部材側または樹脂部材側からの押圧により、好ましくは押圧部材による金属部材側からの局所的押圧により、熱および圧力を付与し、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。

［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１７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、特記しない限り、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１１参照）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との接合部において強化繊維１２８が厚み方向（すなわち、回転ツール１６による押圧方向Ａ２（図１参照））に配向している。

接合部は、樹脂部材１２における金属部材１１との接合部であり、樹脂部材表面において接合を達成しようとする領域（所定の接合予定領域）の少なくとも表層部、好ましくは当該所定の接合予定領域の表層部のことである。当該接合部は、詳しくは、樹脂部材１２表面において、接合後、溶融および固化が起こる溶融固化領域を含む領域の少なくとも表層部、好ましくは当該溶融固化領域の表層部である。接合を達成しようとする領域は、通常、樹脂部材の片面における一部の領域であるが、例えば、樹脂部材が平板形状を有する場合、当該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。

例えば、樹脂部材１２が図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように本体部１２４および接合用柱状リブ１２５を有する凸型樹脂部材１２Ａである場合、接合部は、接合用柱状リブ１２５の先端平面領域における表面から深さＬ１までの部分１２２（図２（Ｃ）の斜線部）である。深さＬ１は、接合用柱状リブ１２５の高さをＨ（ｍｍ）としたとき、通常はＨ／５〜Ｈである。Ｈは通常、２．５〜２０ｍｍであり、好ましくは３〜１０ｍｍである。本体部１２４の厚みｔ１は通常、１〜１０ｍｍであり、好ましくは２〜５ｍｍである。

接合用柱状リブ１２５は、該リブ自身の溶融および固化により接合を達成するものである。接合用柱状リブ１２５の形状は柱状であれば特に限定されるものではく、例えば、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すような円柱形、四角柱形等の多角柱形等であってよい。接合用柱状リブ１２５が円柱形の場合、当該リブ１２５の円形先端平面領域は回転ツールによる金属部材の押圧領域Ｐと同心円形状であることが好ましい。接合用柱状リブの幅（接合用柱状リブ１２５が円柱形の場合は直径）Ｒ１は、回転ツール１６の直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、通常は０．５×Ｄ１〜５×Ｄ１であり、好ましくは０．５×Ｄ１〜２×Ｄ１である。Ｄ１は通常、後述する範囲内である。

また例えば、樹脂部材１２が図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように接合用柱状リブを有さない平型樹脂部材１２Ｂである場合、接合部は、当該樹脂部材表面の所定の接合予定領域Ｅにおける表面から深さＬ２までの部分１２２（図３（Ｃ）の斜線部）である。深さＬ２は、樹脂部材の厚みをｔ２（ｍｍ）としたとき、通常はｔ２／５〜ｔ２／２である。ｔ２は通常、５〜２０ｍｍであり、好ましくは８〜１５ｍｍである。

接合予定領域Ｅの形状は特に限定されるものではなく、例えば、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すような円形、四角形等の多角形等であってよいが、スプリングバックをより一層、十分に防止する観点から、好ましくは円形である。接合予定領域Ｅが円形の場合、接合予定領域Ｅは回転ツールによる金属部材の押圧領域Ｐと同心円形状であることが好ましい。接合予定領域Ｅの幅（接合予定領域Ｅが円形の場合は直径）Ｒ２は、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、通常はＤ１超５×Ｄ１以下であり、好ましくは１．２×Ｄ１〜３×Ｄ１である。Ｄ１は通常、後述する範囲内である。

樹脂部材１２が上記のような凸型樹脂部材１２Ａまたは平型樹脂部材１２Ｂのいずれの樹脂部材であっても、所定の接合部１２２に含有される強化繊維１２８は厚み方向に配向している。強化繊維が厚み方向に配向しているとは、当該強化繊維が式（Ｉ）、好ましくは式（ＩＩ）、より好ましくは式（ＩＩＩ）に示す配向度（ｙ／ｘ）を有するという意味である：
１≦ｙ／ｘ≦１．３ （Ｉ）
１≦ｙ／ｘ≦１．２ （ＩＩ）
１≦ｙ／ｘ≦１．１ （ＩＩＩ）

式（Ｉ）〜（ＩＩＩ）中、ｘは、強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ））であり、以下の方法により得られた値を用いている。
接合部を垂直方向に研磨し、得られた断面の顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）を撮影する。この写真において、繊維断面が真円である任意の１００本の繊維直径を測定し平均値を求める。ｘは、一般的ないわゆる平均径であるので、樹脂部材、特に接合部の製造時に使用される強化繊維の仕様データを用いてもよい。
ｘは通常、２〜２０μｍであり、好ましくは６〜１５μｍである。

ｙは、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）であり、以下の方法により得られた値を用いている。
接合部を表面から厚み方向で所定の深さまで研磨し、樹脂部材厚み方向に対する垂直断面の顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）を撮影する。この写真において、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）の拡大図に示すように、任意の１００本の強化繊維の最大直径（矢印方向の長さ）を測定し、平均値を求める。

配向度ｙ／ｘは、図２（Ｃ）および図３（Ｃ）の一部拡大図に示すように、強化繊維１２８の厚み方向に対する傾斜角をθと表したとき、１／ｃｏｓθに相当する値であり、１に近いほど、当該強化繊維が厚み方向によく配向していることを意味する配向の指標である。

本発明において樹脂部材は、接合部の表面から５００μｍの深さでの強化繊維の配向度ｙ１／ｘが上記式（Ｉ）〜（ＩＩＩ）を満たせばよい。詳しくは、接合部を表面から厚み方向で５００μｍの深さまで研磨したときの垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値ｙ１（μｍ）についての配向度ｙ１／ｘ（ｘは上記式においてと同様である）が上記式（Ｉ）〜（ＩＩＩ）の範囲を満たせばよい。具体的には、本発明において配向度ｙ１／ｘは以下の式を満たす：
１≦ｙ１／ｘ≦１．３；
好ましくは１≦ｙ１／ｘ≦１．２；
より好ましくは１≦ｙ１／ｘ≦１．１。

本発明においてスプリングバックをより一層、十分に防止する観点から、樹脂部材は、接合部の表面から５００μｍの深さでの強化繊維の配向度ｙ１／ｘが上記範囲内であるだけでなく、さらに深い所定の深さでの強化繊維の配向度ｙ２／ｘ（ｘは上記式において同様である；ｙ２はさらに深い所定の深さまで研磨したときの垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）である）が上記範囲内であることが好ましい。「さらに深い所定の深さ」とは、凸型樹脂部材１２Ａの場合は、接合用柱状リブ１２５の高さをＨ（ｍｍ）としたとき、Ｌ１＝Ｈ／３の深さであり、平型樹脂部材１２Ｂの場合は、樹脂部材１２Ｂの厚みをｔ２（ｍｍ）としたとき、Ｌ２＝ｔ２／５の深さである。従って、接合部を表面から厚み方向で５００μｍの深さおよび上記所定の深さのそれぞれまで研磨したときの垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値ｙ１（μｍ）およびｙ２（μｍ）についての配向度ｙ１／ｘおよびｙ２／ｘが上記式（Ｉ）〜（ＩＩＩ）の範囲を満たすことが好ましい。具体的には、配向度ｙ１／ｘおよび配向度ｙ２／ｘは以下の式を満たすことが好ましい；
１≦ｙ１／ｘ≦１．３かつ１≦ｙ２／ｘ≦１．３；
より好ましくは１≦ｙ１／ｘ≦１．２かつ１≦ｙ２／ｘ≦１．２；
さらに好ましくは１≦ｙ１／ｘ≦１．１かつ１≦ｙ２／ｘ≦１．１。

上記のように接合部１２２において強化繊維を厚み方向に平行に配向させることにより、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。従来の樹脂部材において強化繊維は成形時の圧力および周囲の熱可塑性ポリマーの固化により湾曲されたまま拘束されており、接合時に熱可塑性ポリマーの溶融により、拘束から解放されると、繊維の湾曲が緩和されることで厚み方向で嵩高くなるため、スプリングバックが発生するものと考えられる。本発明においては、接合部で強化繊維が厚み方向に十分に平行に配向しているので、溶融時に嵩高くなることはほとんどない。また溶融時においても繊維の湾曲はほとんど起こらない。これらの結果、スプリングバックが十分に防止されるものと考えられる。接合部において強化繊維を厚み方向に十分に配向させないと、すなわちｙ１／ｘが大きすぎると、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（１２Ａおよび１２Ｂ）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およびポリアミド系樹脂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１２８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、ガラス繊維等が挙げられる。

樹脂部材全体において強化繊維は平均繊維長が通常、５０ｍｍ以下、特に０．１〜５０ｍｍ、好ましくは１〜５０ｍｍである。接合部において強化繊維は平均繊維長が通常、５０ｍｍ以下、特に０．１〜５０ｍｍ、好ましくは１〜５０ｍｍである。樹脂部材全体においても、接合部においても、強化繊維の平均繊維径は特に制限されるものではなく、通常は前記ｘと同様の範囲内である。

樹脂部材１２（１２Ａおよび１２Ｂ）全量に対する強化繊維１２８の含有量は通常、１０〜５０重量％であり、好ましくは２０〜４０重量％である。特に接合部１２２における強化繊維１２８の含有量は、当該接合部全量に対して、通常、１０〜５０重量％であり、好ましくは２０〜４０重量％である。

樹脂部材全量に対する強化繊維１２８の含有量は、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、樹脂部材全体を、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。

接合部における強化繊維１２８の含有量は、接合部のみを切り出して測定を行うこと以外、樹脂部材全量に対する強化繊維の含有量の測定方法と同様の方法により測定することができる

樹脂部材全体における強化繊維の平均繊維長および平均繊維径は、上記樹脂部材全量に対する強化繊維の含有量の測定方法において、得られる強化繊維の平均繊維長および平均繊維径を直接測定する方法によって測定することができる。

接合部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、上記接合部における強化繊維の含有量の測定方法において、得られる強化繊維の平均繊維長および平均繊維径を直接測定する方法によって測定することができる。

以下、樹脂部材１２の第１〜第４実施態様およびその製造方法を、図面を用いて説明する。

図４（Ａ）および（Ｂ）に示す樹脂部材は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す凸型樹脂部材１２Ａの具体例のひとつであって、第１実施態様の樹脂部材１２Ａ−１である。

樹脂部材１２Ａ−１は、当該樹脂部材の形状に対応する成形面を備えた金型１５１Ａおよび１５１Ｂを用いて射出成形法により簡便に製造することができる。詳しくは、図４（Ｃ）に示すように所定の熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を射出機１５０内で予め溶融および混合しておき、閉じられた所定の金型１５１Ａおよび１５１Ｂの中に、溶融混合物を射出注入する。このとき、溶融混合物の流路として接合用柱状リブ１２５が流動末端になるように射出注入口１５１の位置を選択することにより、図４（Ｃ）中、矢印方向の流れを促進させ、接合部１２２において強化繊維を厚み方向に配向させることができる。図４（Ｂ）において接合用柱状リブ１２５の高さＨおよび幅Ｒ１および本体部１２４の厚みｔ１はそれぞれ図２においてと同様の範囲内である。接合部１２２における強化繊維の配向の観点から、Ｒ１／ｔ１は１〜２０が好ましく、より好ましくは１〜１０である。同様の観点から、Ｈ／Ｒ１は０．２〜５が好ましく、より好ましくは０．５〜４である。

図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す樹脂部材は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す凸型樹脂部材１２Ａの具体例のひとつであって、第２実施態様の樹脂部材１２Ａ−２である。樹脂部材１２Ａ−２において、接合用柱状リブ１２５は溝部１２６を有する。リブ１２５に溝部１２６を形成することにより、接合時において、リブ１２５の溶融物が溝部１２６に収容されるので、金属部材１１と樹脂部材１２Ａ−２の本体部１２４とを接触させることができる。図５（Ｂ）において溝部１２６は環状または点状で形成され、その結果、リブ１２５は、外側円筒状リブ１２５Ａと内側円筒状リブ１２５Ｂとに分割されているが、これに限定されるものではなく、例えば、１またはそれ以上の直線状溝部により分割されてもよい。

樹脂部材１２Ａ−２は、当該樹脂部材の形状に対応する成形面を備えた金型１５１Ａおよび１５１Ｂを用いて射出成形法により簡便に製造することができる。詳しくは、図６に示すように所定の熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を射出機１５０内で予め溶融および混合しておき、閉じられた所定の金型１５１Ａおよび１５１Ｂの中に、溶融混合物を射出注入する。このとき、溶融混合物の流路として分割リブ１２５Ａ，１２５Ｂが流動末端になるように射出注入口１５１の位置を選択することにより、図６中、矢印方向の流れを促進させ、接合部１２２において強化繊維を厚みｔ方向に配向させることができる。図５（Ｃ）においてリブ１２５（分割リブ１２５Ａ，１２５Ｂ）の高さＨおよび幅（全幅）Ｒ１および本体部１２４の厚みｔ１はそれぞれ図２においてと同様の範囲内である。分割リブ１２５Ａ，１２５Ｂの幅Ｒ３は通常、１〜１０ｍｍであり、好ましくは２〜８ｍｍである。溝部１２６の幅Ｒ４は通常、１〜８ｍｍであり、好ましくは１〜５ｍｍである。溝部１２６の深さＬ３は通常、０〜３ｍｍであり、好ましくは０．３〜２ｍｍである。接合部１２２における強化繊維の配向の観点から、Ｒ３／ｔ１は０．１〜５が好ましく、より好ましくは０．２〜２である。同様の観点から、Ｈ／Ｒ３は０．５〜２０が好ましく、より好ましくは１〜１０である。

図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す樹脂部材は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す平型樹脂部材１２Ｂの具体例のひとつであって、第３実施態様の樹脂部材１２Ｂ−１である。

樹脂部材１２Ｂ−１は、接合部１２２において強化繊維が厚み方向に配向した前記樹脂部材１２Ａ−１および樹脂部材１２Ｂ−１の形状に対応する成形面を備えた金型を用いて射出成形法により簡便に製造することができる。詳しくは、図８に示すように予め成形した樹脂部材１２Ａ−１を予備成形体１２７Ａとして、所定の金型１５１Ａおよび１５１Ｂの中に挿入する。所定の熱可塑性ポリマーおよび所望により含有される強化繊維を射出機１５０内で予め溶融および混合しておき、閉じられた金型１５１Ａおよび１５１Ｂの中に、溶融混合物を射出注入し、予備成形体以外の部分１２９Ａを形成する。図７（Ｃ）において接合部の深さＬ２、樹脂部材の厚みｔ２および接合予定領域Ｅの幅Ｒ２それぞれ図３においてと同様の範囲内である。

樹脂部材１２Ｂ−１において、予備成形体以外の部分１２９Ａは熱可塑性ポリマーを含有し、樹脂部材の強度向上の観点から、強化繊維を含有することが好ましい。予備成形体以外の部分１２９Ａにおける強化繊維の平均繊維長は通常、０．１〜５０ｍｍであり、好ましくは１〜５０ｍｍである。予備成形体以外の部分１２９Ａ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。予備成形体以外の部分１２９Ａにおける強化繊維の種類は、予備成形体１２７Ａとしての樹脂部材１２Ａ−１における前記強化繊維１２８と同様のものが使用可能である。予備成形体以外の部分１２９Ａにおいて、強化繊維の含有量は特に限定されないが、強度の向上の観点から、該予備成形体以外の部分１２９Ａ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２０〜４０重量％である。

本明細書中、予備成形体以外の部分１２９Ａに含有される強化繊維の平均繊維長、平均繊維径および量は、樹脂部材１２Ｂ−１の製造時における各材料の物性値および使用量に基づく値を使用することができる。
予備成形体以外の部分における強化繊維の含有量は、予備成形体以外の部分のみを切り出して測定を行うこと以外、樹脂部材全量に対する強化繊維の含有量の測定方法と同様の方法により測定することができる。
予備成形体以外の部分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、上記予備成形体以外の部分における強化繊維の含有量の測定方法において、得られる強化繊維の平均繊維長および平均繊維径を直接測定する方法によって測定することができる。

予備成形体１２７Ａを構成する熱可塑性ポリマーおよび予備成形体以外の部分１２９Ａ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。予備成形体１２７Ａを構成する熱可塑性ポリマーおよび予備成形体以外の部分１２９Ａ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。

予備成形体１２７Ａに含有される強化繊維および予備成形体以外の部分１２９Ａ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。予備成形体１２７Ａに含有される強化繊維および予備成形体以外の部分１２９Ａ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。

図９（Ａ）〜（Ｃ）に示す樹脂部材は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す平型樹脂部材１２Ｂの具体例のひとつであって、第４実施態様の樹脂部材１２Ｂ−２である。

樹脂部材１２Ｂ−２は、予め強化繊維を一方向に配向させた成形体および樹脂部材１２Ｂ−２の形状に対応する成形面を備えた金型を用いて射出成形法により簡便に製造することができる。詳しくは、図１０に示すように予め強化繊維を略一方向に配向させた成形体を予備成形体１２７Ｂとして、所定の金型１５１Ａおよび１５１Ｂの中に挿入する。予備成形体１２７Ｂは強化繊維の押出成形体を切断することにより製造することができる。所定の熱可塑性ポリマーおよび所望により含有される強化繊維を射出機１５０内で予め溶融および混合しておき、閉じられた金型１５１Ａおよび１５１Ｂの中に、溶融混合物を射出注入し、予備成形体以外の部分１２９Ｂを形成する。する。図９（Ｃ）において接合部の深さＬ２、樹脂部材の厚みｔ２および接合予定領域Ｅの幅Ｒ２それぞれ図３においてと同様の範囲内である。

樹脂部材１２Ｂ−２において、予備成形体以外の部分１２９Ｂは、樹脂部材１２Ｂ−１における予備成形体以外の部分１２９Ａと同様である。

（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１２参照）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１１は、回転ツール１６の先端部の拡大図である。図１１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１１に示すように、円柱状の回転ツール１６は、先端部（図１１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１１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。凸型樹脂部材１２Ａを用いた場合の各工程については図１２〜図１４を用いて、平型樹脂部材１２Ｂを用いた場合の各工程については図１５〜図１７を用いて、並行して説明する。

（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１２および図１５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、凸型樹脂部材１２Ａを用いた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。図１５は、平型樹脂部材１２Ｂを用いた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（以下、樹脂部材１２Ａおよび１２Ｂを包含して意味するものとする）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直下の領域の範囲（以下、単に「領域Ｐ'」ということがある）及び当該領域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、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１３および図１６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１３および図１６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１３および図１６の矢印方向）。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って、凸型樹脂部材を用いた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。図１６は、平型樹脂部材を用いた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Ｐ’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より一層、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１３および図１６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１３および図１６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１４および図１７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２０Ａおよび２０Ｂが得られる。

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４（Ａ）および（Ｂ）に示すような凸型樹脂部材１２Ａ−１を製造した。
詳しくはまず、図４（Ｃ）に示すように、射出機１５０内で、強化繊維として重量平均繊維長３ｍｍおよび平均繊維径１３μｍのガラス繊維を３０重量％含むナイロン６６ペレット（プラストロンＰＡ66-ＣＦ３０；ダイセルポリマー社製）を２８０℃で溶融し、溶融物を金型（４０℃）１５１Ａ，１５１Ｂ内に射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、凸型樹脂部材１２Ａ−１を得た。凸型樹脂部材１２Ａ−１の寸法は以下の通りであった。
Ｒ１（図４（Ｂ）参照）；１２ｍｍ；
Ｈ（図４（Ｂ）参照）；１０ｍｍ；
本体部１２４のｔ１（図４（Ｂ）参照）；３ｍｍ。
本体部１２４の縦；１００ｍｍ；
本体部１２４の横；（幅）１００ｍｍ。

凸型樹脂部材１２Ａ−１において、接合用柱状リブ１２５の先端平面領域における表面から深さ５００μｍおよびＨ／３それぞれでの配向度ｙ１／ｘおよびｙ２／ｘを前記した方法により測定した。

（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１１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１２Ａ−１とを、樹脂部材１２Ａ−１のリブ１２５の先端平面領域が金属部材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１２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１２−１におけるリブ１２５の先端平面領域（円形）の中心は回転ツール１６の回転軸上にあった。

その後、図１３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１２Ａ−１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１３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１４に示すように、接合体２０Ａから回転ツール１６を抜き取り、放置冷却した。

（接合強度）
図１８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＞
以下に示す方法で製造された樹脂部材１２Ａ−２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。

図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すような凸型樹脂部材１２Ａ−２を製造した。
詳しくはまず、図６に示すように、射出機１５０内で、強化繊維として重量平均繊維長３ｍｍおよび平均繊維径１３μｍのガラス繊維を３０重量％含むナイロン６６ペレット（プラストロンＰＡ66-ＣＦ３０；ダイセルポリマー社製）を２８０℃で溶融し、溶融物を金型（４０℃）１５１Ａ，１５１Ｂ内に射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、凸型樹脂部材１２Ａ−２を得た。凸型樹脂部材１２Ａ−２の寸法は以下の通りであった。
Ｒ１（図５（Ｃ）参照）；１２ｍｍ；
Ｈ（図５（Ｃ）参照）；１０ｍｍ；
本体部１２４のｔ１；（図５（Ｃ）参照）３ｍｍ。
本体部１２４の縦；１００ｍｍ；
本体部１２４の横；（幅）１００ｍｍ；
分割リブ１２５Ａ，１２５Ｂの幅Ｒ３；２ｍｍ；
溝部１２６の幅Ｒ４；１．３ｍｍ；
溝部１２６の深さＬ３；０．３ｍｍ。

凸型樹脂部材１２Ａ−２において、接合用柱状リブ１２５の先端平面領域における表面から深さ５００μｍおよびＨ／３それぞれでの配向度ｙ１／ｘおよびｙ２／ｘを前記した方法により測定した。

＜実施例３＞
以下に示す方法で製造された樹脂部材１２Ｂ−１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。

図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すような平型樹脂部材１２Ｂ−１を製造した。
詳しくはまず、以下に示す寸法を有する凸型樹脂部材１２Ａ−１を実施例１と同様の方法により製造し、当該凸型樹脂部材１２Ａ−１を、図８に示すように、予備成形体１２７Ａとして用いて、射出成形法により平型樹脂部材１２Ｂ−１を得た。
予備成形体１２７Ａ：
Ｒ１（図４（Ｂ）参照）；１２ｍｍ；
Ｈ（図４（Ｂ）参照）；１０ｍｍ；
本体部１２４のｔ１；（図４（Ｂ）参照）３ｍｍ。
本体部１２４の縦；１００ｍｍ；
本体部１２４の横；（幅）１００ｍｍ。

予備成形体１２７Ａを用いた射出成形法による平型樹脂部材１２Ｂ−１の製造に際しては、図８に示すように、予備成形体１２７Ａを金型１５１Ａおよび１５１Ｂ内に挿入した。次いで、射出機１５０内で、強化繊維として重量平均繊維長３ｍｍおよび平均繊維径１３μｍのガラス繊維を３０重量％含むナイロン６６ペレット（プラストロンＰＡ66-ＣＦ３０；ダイセルポリマー社製）を２８０℃で溶融し、溶融物を金型（４０℃）１５１Ａ，１５１Ｂ内に射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、平型樹脂部材１２Ｂ−１を得た。平型樹脂部材１２Ｂ−１の寸法は以下の通りであった。
ｔ２（＝Ｈ＋ｔ１）（図７（Ｃ）および図４（Ｂ）参照）；１３ｍｍ；
Ｒ２（＝Ｒ１）（図７（Ｃ）および図４（Ｂ）参照）；１２ｍｍ。

平型樹脂部材１２Ｂ−１において、接合部１２２の表面から深さ５００μｍおよびｔ２／５それぞれでの配向度ｙ１／ｘおよびｙ２／ｘを前記した方法により測定した。

＜比較例１＞
Ｈを２ｍｍに変更したこと以外、実施例１と同様の方法により、樹脂部材の製造、当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。

＜比較例２＞
Ｈを０．８ｍｍに変更したこと以外、実施例２と同様の方法により、樹脂部材の製造、当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。

＜比較例３＞
Ｈを２ｍｍに変更したこと以外、実施例３と同様の方法により、樹脂部材の製造、当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。

＜測定方法＞
樹脂部材全体および接合部における強化繊維の含有量、平均繊維長および平均繊維径を前記した方法に従って測定した。

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

Claims (17)

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、押圧部材による金属部材側からの押圧により熱および圧力を付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ、接合を達成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、
   樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度ｙ１／ｘを有する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：
   １≦ｙ１／ｘ≦１．３
   （式中、ｘは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ）である；ｙ１は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）であって、接合部を表面から厚み方向で５００μｍの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である）。
2. 前記樹脂部材が接合用柱状リブを有する凸型樹脂部材であり、該接合用柱状リブの幅Ｒ１が、押圧部材の幅をＤ１（ｍｍ）としたとき、０．５×Ｄ１〜５×Ｄ１であり、
   前記接合部が、接合用リブの先端平面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、接合用リブの高さをＨ（ｍｍ）としたとき、Ｈ／５〜Ｈである請求項１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
3. 前記樹脂部材が以下に示す配向度ｙ２／ｘをさらに有する請求項２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
   １≦ｙ２／ｘ≦１．３
   （式中、ｘは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ）である；ｙ２は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）であって、接合用柱状リブの高さをＨ（ｍｍ）としたとき、接合部を表面から厚み方向でＨ／３の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である）。
4. 前記樹脂部材が平型樹脂部材であり、
   前記接合部が、平型樹脂部材表面の所定の接合予定領域における表面から深さＬ２までの部分であり、
   前記深さＬ２が、樹脂部材の厚みをｔ２（ｍｍ）としたとき、ｔ２／５〜ｔ２／２である請求項１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
5. 前記樹脂部材が以下に示す配向度ｙ２／ｘをさらに有する請求項４に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
   １≦ｙ２／ｘ≦１．３
   （式中、ｘは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ）である；ｙ２は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）であって、樹脂部材の厚みをｔ２（ｍｍ）としたとき、接合部を表面から厚み方向でｔ２／５の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である）。
6. 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；
   を含む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に含有される強化繊維が以下に示す配向度ｙ１／ｘを有する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：
   １≦ｙ１／ｘ≦１．３
   （式中、ｘは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ）である；ｙ１は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）であって、接合部を表面から厚み方向で５００μｍの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である）。
7. 前記樹脂部材が接合用柱状リブを有する凸型樹脂部材であり、該接合用柱状リブの幅Ｒ１が、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、０．５×Ｄ１〜５×Ｄ１であり、
   前記接合部が、接合用柱状リブの先端平面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、接合用柱状リブの高さをＨ（ｍｍ）としたとき、Ｈ／５〜Ｈである請求項６に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
8. 前記樹脂部材が以下に示す配向度ｙ２／ｘをさらに有する請求項７に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
   １≦ｙ２／ｘ≦１．３
   （式中、ｘは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ）である；ｙ２は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）であって、接合用柱状リブの高さをＨ（ｍｍ）としたとき、接合部を表面から厚み方向でＨ／３の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である）。
9. 前記樹脂部材が平型樹脂部材であり、
   前記接合部が、回転ツールによる金属部材の押圧領域Ｐと同心円形状の、樹脂部材表面上の接合予定領域Ｅにおける表面から深さＬ２までの部分であり、
   前記領域Ｅの直径Ｒ２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Ｌ２が、樹脂部材の厚みをｔ２（ｍｍ）としたとき、ｔ２／５〜ｔ２／２である請求項６に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
10. 前記樹脂部材が以下に示す配向度ｙ２／ｘをさらに有する請求項９に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
    １≦ｙ２／ｘ≦１．３
    （式中、ｘは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径（μｍ）である；ｙ２は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値（μｍ）であって、樹脂部材の厚みをｔ２（ｍｍ）としたとき、接合部を表面から厚み方向でｔ２／５の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である）。
11. 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６〜１０のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
12. 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１１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
13. 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１２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
14. 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１３に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
15. 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１４に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
16. 前記樹脂部材における接合部に含有される強化繊維が１〜５０ｍｍの平均繊維長および２〜２０μｍの平均繊維径を有し、該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１０〜５０重量％である請求項１〜１５のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
17. 請求項１〜１６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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