JP2017104885A - 接合方法及び接合体 - Google Patents

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Abstract

【課題】部材間の接合強度を向上することが可能な接合方法及び接合体の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の接合方法では、ガラス繊維を帯状に束ねたガラス糸１３Ｓを平織りしてなるガラスクロス１３を複数枚重ねて樹脂１２Ａを含浸し、板状に成形した被接合板部材１２上にアルミニウム板１１を重ねる。そして、アルミニウム板１１上に回転工具５０を押し当てて、アルミニウム板１１の一部を被接合板部材１２のガラスクロス１３に含浸させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、異なる材質の部材間を接合する接合方法及び接合体に関する。
近年、部品の一部を金属部材から樹脂部材に代えて部品の軽量化を図ることが様々な分野において行われている。このとき、樹脂部材と金属部材とを接合することが必要となるが、その接合方法の１つとして、樹脂部材と金属部材とを摩擦撹拌接合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０−１５８８８５号公報（段落［００２５］、図１）
上述した従来の接合方法においては、部材間の接合強度が不十分であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、部材間の接合強度を向上することが可能な接合方法及び接合体の提供を目的とする。
上記目的を達成するためになされた請求項１の発明は、金属板部材（１１，２５）と、布（１３）に樹脂（１２Ａ）を含浸させてなる複合板部材（１２）と、を摩擦撹拌接合することを特徴とする接合方法である。
請求項２の発明は、前記金属板部材（１１，２５）の一部を前記複合板部材（１２）の前記布（１３）に含浸させる請求項１に記載の接合方法である。
請求項３の発明は、前記布（１３）として、織布（１３）を用いる請求項１又は２に記載の接合方法である。
請求項４の発明は、前記布（１３）として、ガラス繊維からなるガラスクロス（１３）を用いる請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載の接合方法である。
請求項５の発明は、前記複合板部材（１２）として、前記布（１３）が複数枚重ねられたものを用いる請求項１乃至４の何れか１の請求項に記載の接合方法である。
請求項６の発明は、前記複合板部材（１２）を樹脂部品（２０）に一体に設ける請求項１乃至５の何れか１の請求項に記載の接合方法である。
請求項７の発明は、金属板部材（１１，２５）と、布（１３）に樹脂を含浸させてなる複合板部材（１２）と、を摩擦撹拌接合してなる接合体である。
請求項８の発明は、前記金属板部材（１１，２５）の一部が前記複合板部材（１２）の前記布（１３）に含浸している請求項７に記載の接合体である。
請求項９の発明は、前記布（１３）が織布（１３）である請求項７又は８に記載の接合体である。
請求項１０の発明は、前記布（１３）がガラス繊維からなるガラスクロス（１３）である請求項７乃至９の何れか１の請求項に記載の接合体である。
請求項１１の発明は、前記複合板部材（１２）では、前記布（１３）が複数枚重ねられている請求項７乃至１０の何れか１の請求項に記載の接合体である。
請求項１２の発明は、前記複合板部材（１２）が樹脂部品（２０）に一体に設けられている請求項７乃至１１の何れか１の請求項に記載の接合体である。
請求項１３の発明は、前記金属板部材（１１，２５）として、互いに種類が異なり電蝕が起こり得る金属を主成分とする第１金属板部材（１１）と第２金属板部材（２５）とを備え、前記第１金属板部材（１１）と前記第２金属板部材（２５）とが互いに離れた状態で前記複合板部材（１２）上に接合されている請求項７乃至１２の何れか１の請求項に記載の接合体である。
請求項１４の発明は、前記金属板部材（１１，２５）とは別個に設けられ、前記複合板部材（１２）に溶着されている樹脂部材（３０）を備える請求項７乃至１３の何れか１の請求項に記載の接合体である。
［請求項１，７の発明］
請求項１の接合方法により接合された接合体（１０）及び請求項７の接合体（１０）によれば、布（１３）に樹脂（１２Ａ）を含浸させてなる複合板部材（１２）を用いることにより、部材間の接合強度を向上することができる。
［請求項２，８の発明］
請求項２の接合方法により接合された接合体（１０）及び請求項８の接合体（１０）では、金属板部材（１１，２５）の一部が複合板部材（１２）の布（１３）に含浸しているので、金属板部材（１１，２５）と複合板部材（１２）との間のアンカー効果が大きくなり、金属板部材（１１，２５）と複合板部材（１２）との接合強度を向上することができる。
［請求項３，９の発明］
複合板部材（１２）の布（１３）は、不織布であってもよいし、請求項３，９の発明のように、織布（１３）であってもよい。
［請求項４，１０の発明］
複合板部材（１２）に備えられる布（１３）は、例えば、炭素繊維からなるカーボンクロス等であってもよいし、請求項４，１０の発明のように、ガラス繊維からなるガラスクロス（１３）であってもよい。
［請求項５，１１の発明］
請求項５，１１の発明のように、複合板部材（１２）を、布（１３）が複数枚重ねられている構成とすれば、複合板部材（１２）の強度を向上することができる。
［請求項６，１２の発明］
請求項６，１２の発明によれば、樹脂部品（２０）と金属板部材（１１，２５）との接合強度を保ったまま、樹脂部品（２０）の加工を容易にすることができる。
［請求項１３の発明］
請求項１３の発明によれば、複合板部材（１２）を介して、互いに種類が異なり電蝕が起こり得る金属を主成分とする第１金属板部材（１１）と第２金属板部材（２５）とを、互いに離れた状態で固定することができる。
［請求項１４の発明］
請求項１４の発明によれば、複合板部材（１２）を介して、金属板部材（１１，２５）と樹脂部材（３０）との間を固定することができる。これによれば、例えば、金属板部材（１１，２５）と直接接合して固定することが難しい樹脂部材（３０）であっても、金属板部材（１１，２５）と樹脂部材（３０）との間を容易に固定することができる。
本発明の一実施形態に係る接合方法の概念図 摩擦撹拌接合中のアルミニウム板１１と複合板部材１２との断面図 ガラスクロスの平面図 摩擦撹拌接合中のアルミニウム板１１と複合板部材１２との断面図 接合体の斜視図 接合体の断面の模式図 変形例に係る接合体の斜視図 変形例に係る接合体の斜視図 変形例に係る接合体の斜視図 変形例に係る接合方法の概念図
以下、本発明の一実施形態を図１〜６に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態では、アルミニウム板１１（本発明の「金属板部材」に相当する）を、樹脂を含んだ複合板部材１２に摩擦撹拌接合する。
具体的には、まず、アルミニウム板１１を複合板部材１２の上に一部が重なるようにして載置する。そして、アルミニウム板１１の上面のうち、複合板部材１２と重なっている部分に回転工具５０を押し当てる。
回転工具５０は上下方向に延びた円筒状をなし、図１における矢印Ｘの向きに中心軸を中心に回転駆動されている。図２に示すように、回転工具５０は、その先端面５０Ｓに軸方向に突出したプローブ５１を有している。
図２に示すように、回転工具５０がアルミニウム板１１に押し当てられると、プローブ５１がアルミニウム板１１内に入り込み、先端面５０Ｓがアルミニウム板１１の上面に当接した状態で、回転工具５０が回転する。これにより、アルミニウム板１１における回転工具５０の下方領域（図２における符号Ｒ）のアルミニウムが塑性流動する。さらに、回転工具５０とアルミニウム板１１との間の摩擦熱がアルミニウム板１１を介して複合板部材１２に伝導し、複合板部材１２のうち領域Ｒの下方に位置する樹脂が軟化する。そして、その後冷却されるとアルミニウムと樹脂とが固着し、アルミニウム板１１と複合板部材１２とが接合される。
ここで、本実施形態では、複合板部材１２として、図２及び図３に示すように、ガラス繊維１３Ｔを帯状に束ねたガラス糸１３Ｓを平織りしてなるガラスクロス１３を複数枚重ねて樹脂１２Ａを含浸し、板状に成形したものが用いられる。このガラスクロス１３を含む複合板部材１２を用いることにより、アルミニウム板１１と複合板部材１２とを接合する際に、図４に示すように、複合板部材１２における軟化した樹脂１２Ａが、回転工具５０の回転などにより側方に退けられて、アルミニウム板１１に対してガラスクロス１３が露出する。そして、ガラスクロス１３の露出した部分に塑性流動しているアルミニウムが含浸し、アルミニウムがガラスクロス１３のガラス繊維１３Ｔ間の微細な凹凸に入り込んだ状態となる（図６参照）。その後冷却されると、アルミニウム板１１の一部がガラスクロス１３に含浸した状態で固着し、アルミニウム板１１と複合板部材１２とが接合される。
上記接合方法により、図５に示される、アルミニウム板１１と複合板部材１２との接合体１０が形成される。図６には、接合体１０における、アルミニウム板１１と複合板部材１２との接合部分（図４における領域Ｓ参照）の断面の模式図が示されている。同図に示すように、接合体１０では、アルミニウム板１１の一部が複合板部材１２のガラスクロス１３に含浸し、ガラスクロス１３のガラス繊維１３Ｔ間の微細な凹凸に入り込んだ状態となっている。このため、本実施形態の接合体１０では、アルミニウムと樹脂とをただ固着するだけの接合体よりもアンカー効果が大きくなり、部材間の接合強度を向上することができる。なお、上述した含浸状態は、電子顕微鏡により確認されている。
また、アルミニウムと樹脂とをただ固着するだけの接合体では、樹脂の種類によっては固着が弱く接合されない場合もあるが、本実施形態によれば、アルミニウム板１１の一部が複合板部材１２のガラスクロス１３に含浸してアンカー効果が大きくなるため、アルミニウムと樹脂自体との固着が弱くても接合することができ、複合板部材１２に用いることができる樹脂の種類が多くなる。
なお、複合板部材１２に用いられる樹脂としては、熱可塑性樹脂全般を適用可能であり、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン、４−メチル−１−ペンテンなどのポリオレフィン系樹脂や、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）、ポリエチレンナフタレート、液晶ポリエステル、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などのポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、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）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）などのポリエーテル系樹脂、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＭＸＤ６などのポリアミド系樹脂（ＰＡ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）などのアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート系樹脂（ＰＣ）、フッ素系ポリマー樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリウレタン樹脂の他、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、変性ＰＰＥ、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、変性ＰＳＵ、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアクリルブタジエンポリケトン（ＰＫ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）等が挙げられる。また、上記樹脂の共重合体や変性体、または２種類以上の樹脂をブレンドした樹脂組成物から構成されていてもよい。
［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、アルミニウム板１１と接合されるものが複合板部材１２そのものであったが、図７に示すように、複合板部材１２が樹脂部品２０に一体に形成されているものであってもよい。この場合、樹脂部品２０を容易に加工することができる。なお、樹脂部品２０としては、例えば、オイルパン、ピラー、アンダーカバーなどの自動車部品や、各種電気機器部品等が挙げられる。
（２）上記実施形態では、複合板部材１２に接合されていたのがアルミニウム板１１のみであったが、図８に示すように、アルミニウム板１１とは別個に、例えば、鉄板２５が接合されていてもよい。アルミニウム板１１と鉄板２５との間を固定する場合、アルミニウム板１１と鉄板２５とを直接接合すると電蝕が起こり得るが、アルミニウム板１１と鉄板２５とを互いに離れた状態で複合板部材１２を介して固定することができるので、電蝕を防ぐことができる。なお、複合板部材１２上に接合される金属板の金属の組み合わせは、アルミニウムと鉄とに限られるものではない。
（３）図９に示すように、複合板部材１２上に、アルミニウム板１１とは別に樹脂部材３０が溶着されていてもよい。この場合、複合板部材１２を介してアルミニウム板１１と樹脂部材３０との間を固定することができるので、例えば、樹脂部材３０が、アルミニウム板１１と直接接合して固定することが難しい種類のものであっても、アルミニウム板１１と樹脂部材３０との間を容易に固定することができる。
（４）上記実施形態では、ガラスクロス１３の織り方が平織であったが、綾織や繻子織、からみ織、模紗織、斜紋織、二重織、すだれ織等であってもよい。また、ガラスクロス１３が不織布であってもよい。
（５）本発明の「布」が、上記実施形態では、ガラス繊維から構成されていたが、炭素繊維から構成されてもよいし、アルミナ繊維、金属繊維、ＰＥＥＫやアラミド繊維等の含浸される樹脂よりも融点が高い樹脂からなる樹脂繊維等から構成されてもよい。
（６）上記実施形態では、アルミニウム板１１及び複合板部材１２が平坦であったが、湾曲していてもよい。
（７）上記実施形態では、アルミニウム板１１と複合板部材１２とが上下方向に重なった状態で接合されていたが、図１０に示すように、横方向に並んだ状態で接合されてもよい。
（８）上記実施形態では、「金属板部材」がアルミニウム製又は鉄製であったが、これに限られるものではなく、例えば、アルミニウム合金製であってもよいし、ニッケルや銅、マグネシウム、チタン及びそれらの合金等、複合板部材１２の樹脂より融点が高い金属が適用可能である。
なお、本発明には、アルミニウム板１１の一部が複合板部材１２に含浸されていないものも含まれる。
１０ 接合体
１１ アルミニウム板（金属板部材、第１金属板部材）
１２ 複合板部材
１２Ａ 樹脂
１３ ガラスクロス（布）
２０ 樹脂部品
２５ 鉄板（金属板部材、第２金属板部材）
３０ 樹脂部材
５０ 回転工具

Claims (14)

  1. 金属板部材（１１，２５）と、布（１３）に樹脂（１２Ａ）を含浸させてなる複合板部材（１２）と、を摩擦撹拌接合することを特徴とする接合方法。
  2. 前記金属板部材（１１，２５）の一部を前記複合板部材（１２）の前記布（１３）に含浸させる請求項１に記載の接合方法。
  3. 前記布（１３）として、織布（１３）を用いる請求項１又は２に記載の接合方法。
  4. 前記布（１３）として、ガラス繊維からなるガラスクロス（１３）を用いる請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載の接合方法。
  5. 前記複合板部材（１２）として、前記布（１３）が複数枚重ねられたものを用いる請求項１乃至４の何れか１の請求項に記載の接合方法。
  6. 前記複合板部材（１２）を樹脂部品（２０）に一体に設ける請求項１乃至５の何れか１の請求項に記載の接合方法。
  7. 金属板部材（１１，２５）と、布（１３）に樹脂を含浸させてなる複合板部材（１２）と、を摩擦撹拌接合してなる接合体。
  8. 前記金属板部材（１１，２５）の一部が前記複合板部材（１２）の前記布（１３）に含浸している請求項７に記載の接合体。
  9. 前記布（１３）が織布（１３）である請求項７又は８に記載の接合体。
  10. 前記布（１３）がガラス繊維からなるガラスクロス（１３）である請求項７乃至９の何れか１の請求項に記載の接合体。
  11. 前記複合板部材（１２）では、前記布（１３）が複数枚重ねられている請求項７乃至１０の何れか１の請求項に記載の接合体。
  12. 前記複合板部材（１２）が樹脂部品（２０）に一体に設けられている請求項７乃至１１の何れか１の請求項に記載の接合体。
  13. 前記金属板部材（１１，２５）として、互いに種類が異なり電蝕が起こり得る金属を主成分とする第１金属板部材（１１）と第２金属板部材（２５）とを備え、
    前記第１金属板部材（１１）と前記第２金属板部材（２５）とが互いに離れた状態で前記複合板部材（１２）上に接合されている請求項７乃至１２の何れか１の請求項に記載の接合体。
  14. 前記金属板部材（１１，２５）とは別個に設けられ、前記複合板部材（１２）に溶着されている樹脂部材（３０）を備える請求項７乃至１３の何れか１の請求項に記載の接合体。
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