JP2017190521A - 重畳的微細粒子構造の形成方法及びこれを用いた金属とプラスチック部材の接合方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】粒径を概ね同一に揃えた炭化物の粉体とチタンの粉体とを含み、これらを混合した混合粉体を付着した面に、当該面の隆起を引き起こしながらレーザクラッディングを施す重畳的微細粒子構造を金属基材面上に形成する。また、この重畳的微細粒子構造をプラスチックの接合予定面に押圧し、その界面を加熱するエネルギーを付与し両者を接合する。
【選択図】図1
Description
本実施例においては、金属基材1として、幅20mm、長さ50mm、厚さ1mmのアルミニウム合金(A5052)の板材を用意した。この金属基材の一部に、図3において斜線を施した接合予定面2を設定した。
金属粉体として、金属基材と同一のアルミ金属粉体、炭化ホウ素粉体及びチタン金属粉体を用意した。各金属粉体はいずれも市販のものを用い、その粒径は1μm乃至100μmの範囲内にしている。なお、各粉体のモル比は設計事項ではあるが、本実施例においては、アルミ金属粉体、炭化ホウ素、チタン金属粉体の順に1:1:3である。
前記各金属粉体を、粉体送給装置であるGTV社製粉末送給装置のパウダーフィーダー装置に標準の2本のパウダーホッパーにそれぞれ同量ずつ投入する。このパウダーホッパーには、同じく撹拌用のミキサーが標準搭載されているので、投入の際各粉体をあらかじめ混合する必要はない。そして、次ステップであるレーザクラッディングの際、混合粉体31として金属基材表面に供給される。
金属基材の接合予定面にレーザクラッディングを行った。この際、ステップS3の粉体送給装置からはクラッディングノズル41と同軸の粉体送給ノズル42を介して混合粉体31が供給される。図4に示すように、本実施例では、光学系を用いて直径3mmのスポットビーム4に整形した波長970nmの半導体レーザ光を用いた。スポットビーム4の走査速度は、目的とする重畳的微細粒子構造の形状と粒子数により30mm/sから80mm/sまで可変させ、他のクラッディングパラメータとの組み合わせとしての最適値を選択した。
プラスチック部材71として、幅20mm、長さ50mm、厚み1mmのPA66からなるシートを用意した。なお、本実施例においては、プラスチック部材71上に接合予定面を厳格に定めていないが、プラスチック部材が成型品である場合は、これを定める必要がある。
ステップS4により金属基材の接合予定面上に形成された重畳的微細粒子構造面5と、前記プラスチック部材71を重ね合わせて当接し、押圧した。押圧は図7に示すように、金属基材側から金属製の裏当てプレート6により裏当てし、樹脂部材をガラス81(テンパックス、厚さ5mm)で挟み込み、油圧ポンプにてその表示上で0.12MPaの圧力を加えた。
ステップS6により金属基材の接合予定面に押圧されたプラスチック部材71側からスポット状に整形した半導体レーザのレーザスポット9を照射しレーザ接合を行った。図8はその様子を示す。レーザスポット9の照射条件は平均出力を100W、繰返し周波数を1000Hz、Dutyを50%、走査速度10mm/sとした。なお、ビームの整形は、円形のスポット形状に限定されず、接合予定面の形状や総面積により、さらに使用するレーザの出力により適宜最適化することができる。なお、レーザクラッディング同様、レーザの種類は半導体レーザに限定されない。
実施例1と同様、金属基材1として幅20mm、長さ50mm、厚さ1mmのアルミニウム合金(A5052)の板材を用意した。そして、同じく接合予定面2を設定した。
金属粉体は、実施例1と同様に混合粉体32として、F240の炭化ホウ素並びにこれと同等の粒径分布を持つチタン及びアルミ金属粉体をそれぞれ用意し、あらかじめこれらを混錬した。混合の割合は、この順に、そのモル比として1:1:3としたが、他のパラメータに応じて可変すべき設計事項である。
ステップS2において用意した混合粉体32を前記金属基材面上の接合予定面に厚さが均一になるよう塗布の方法にて付着させた。塗布厚は概ね10〜50μmとしたが、これも、次ステップのレーザクラッディングのパラメータや最終的に得られる構成部材の接合強度に照らし最適化すべき数値である。なお、3次元構造物や低コストによる塗付が困難な金属基材の接合予定面に重畳的微細粒子構造を形成する場合には、実施例1のようにクラッディング用粉体送給装置を利用するほうが望ましい。
ステップS3において金属基材の接合予定面に付着させた混合粉体32に対し、レーザクラッディングを行った。図11に示すように、本実施例2では、光学系を用いて直径1mmのスポットビーム4に整形した波長970nmの半導体レーザ光を用いた。スポットビーム4の走査速度は、目的とする重畳的微細粒子構造の形状と粒子数により30mm/sから100mm/sまで可変させた。また、スポットビーム4は幅20mmにわたり走査し、40mm2以上領域をクラッディングした。
プラスチック部材72として、幅20mm、長さ50mm、厚み2mmのPA66からなるシートを用意した。なお、本実施例2においては、プラスチック部材72上に接合予定面を厳格に定めていないが、プラスチック部材が成型品である場合は、これを定める必要がある。
ステップS4により金属基材の接合予定面上に形成された重畳的微細粒子構造面5と、前記プラスチック部材72を重ね合わせて当接し、押圧した。その方法は実施例1と同様である。
ステップS6により金属基材の接合予定面に押圧されたプラスチック部材72側からスポット状に整形した半導体レーザのレーザスポット9を照射しレーザ接合を行った。この方法も実施例1と同様である。
11 凸形状
12 凹形状
13 重畳的凸−凹形状
14 重畳的凸−凸形状
15 重畳的凹−凸形状
16 隆起形状
2 接合予定面
31 混合粉体
32 混合粉体(混錬タイプ)
4 クラッディング用レーザスポット(スポットビーム4)
41 クラッディングノズル
42 粉体送給ノズル
5 重畳的微細粒子構造
6 裏当てプレート
71 プラスチック部材(PA66、厚さ1mm)
72 プラスチック部材(PA66、厚さ2mm)
73 CFRTP
81 ガラス
82 ヒーター
83 油圧プレス
9 接合用レーザスポット(スポットビーム9)
Claims (6)
- 重畳的微細粒子構造を金属基材面上に形成する方法であって、
前記金属基材面上に、粒径を概ね同一に揃えた炭化物の粉体とチタンの粉体とを含み、これらを混合した混合粉体を付着する工程と、
当該混合粉体の付着した面に、当該面の隆起を引き起こしながらレーザクラッディングを施す工程と、
を含む重畳的微細粒子構造の形成方法。 - 前記炭化物は、炭化ホウ素であることを特徴とする請求項1に記載の重畳的微細粒子構造の形成方法。
- 前記混合粉体は、前記金属基材と同一の金属からなる粉体を含む請求項1又は2のいずれかに記載の重畳的微細粒子構造の形成方法。
- 前記各粉体の粒径は、1μm乃至100μmの範囲内で分布し、その分布の状態が概ね同一であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の重畳的微細粒子構造の形成方法。
- 前記レーザクラッディングは、窒素によるアシストガスを用いて施されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の重畳的微細粒子構造の形成方法。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の重畳的微細粒子構造の形成方法を用いて形成された重畳的微細粒子構造を有する前記金属基材の接合予定面と、プラスチックの接合予定面とを押圧する工程と、
当該押圧された界面を加熱するエネルギーを付与する工程と、
当該加熱の結果溶融した前記プラスチックが前記重畳的微細粒子構造に入り込み及び包み込むことで互いに係合する工程により、前記金属基材と前記プラスチックを接合する方法。
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