JP2018062103A - 接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度に優れる金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合体の製造方法を提供すること。
【解決手段】接合体の製造方法は、金属部材３０と、繊維１０と熱可塑性樹脂１２とを含む繊維強化熱可塑性樹脂部材２０とを、熱可塑性樹脂１２の溶着により接合するものであって、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の金属部材３０との接合箇所における熱可塑性樹脂１２の含有率が、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０全体における熱可塑性樹脂１２の含有率よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合体の製造方法に関する。

次世代の車両用車体には、樹脂製部品の採用の拡大が予想されている。そのため、樹脂部材と金属部材との接合方法の確立が急務となっている。

ここで、特許文献１には、長繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品からなり、信頼性の高い接合強度を有する溶着接合体が開示されている。
また、特許文献２には、熱可塑性樹脂材料を用いて形成されている成形品及び金属材料を用いて形成されている成形品を含む３つの部品を振動溶着によって接合する部品の製造方法が開示されている。
なお、樹脂製部品と金属製部品との接合には、接着剤を用いた接合又はリベット等の締結部材を用いた固定方法が用いられる場合がある。

特開２０１６−３４７３４号公報 特開２０１６−６００９６号公報

しかし、特許文献１に開示の溶着接合体では、長繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品とを熱溶着する際に、長繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品との界面に空隙の生ずる場合があった。
界面に生ずる空隙は、長繊維強化熱可塑性樹脂成形品と金属成形品との接合強度を低下させる原因の一つと考えられる。
また、特許文献２においては、熱可塑性樹脂材料を用いて形成されている成形品と金属材料を用いて形成されている成形品との接合界面における空隙の発生について考慮されていない。
さらには、樹脂製部品と金属製部品との接合に接着剤又はリベット等の締結部材を用いると、重量又はコストの増加の一因となり、望ましくない。特に、接着剤を用いて樹脂製部品と金属製部品とを接合した場合、接着剤の強度で接合部の強度が決定されるため、樹脂製部品自体の材料強度を生かすことができない場合がある。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであり、接合強度に優れる金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合体の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の接合体の製造方法は、金属部材と、繊維と熱可塑性樹脂とを含む繊維強化熱可塑性樹脂部材とを、前記熱可塑性樹脂の溶着により接合する接合体の製造方法であって、前記繊維強化熱可塑性樹脂部材の前記金属部材との接合箇所における前記熱可塑性樹脂の含有率が、前記繊維強化熱可塑性樹脂部材全体における前記熱可塑性樹脂の含有率よりも高いものである。

金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材とを熱可塑性樹脂の溶着により接合させる場合において両者の間に接合強度が発現するのは、繊維と金属部材の表面とが絡み合う状態が形成されること、及び熱可塑性樹脂が金属部材の表面に密着した状態が形成されることによると考えられる。一方、金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合箇所の界面に空隙が生ずると、接合強度が低下する傾向にある。
繊維強化熱可塑性樹脂部材に含まれる繊維は、熱可塑性樹脂に比較して流動性が低い。そのため、繊維と金属部材の表面とが絡み合う状態を適切に形成することが困難になる場合がある。特に、金属部材及び繊維強化熱可塑性樹脂部材が大きなサイズになると、この現象が生じやすくなる。また、繊維と金属部材の表面とが絡み合う状態が適切に形成されないと、金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合箇所の界面に空隙が生じやすくなる傾向にある。その結果、金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合強度が低下する場合がある。

請求項１に記載の構成によれば、繊維強化熱可塑性樹脂部材の金属部材との接合箇所における熱可塑性樹脂の含有率が、繊維強化熱可塑性樹脂部材全体における熱可塑性樹脂の含有率よりも高い。
そのため、接合箇所に熱可塑性樹脂が豊富に存在することにより、金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合箇所における熱可塑性樹脂の不足が生じにくく、金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合箇所での空隙の発生が抑制される。また、繊維が熱可塑性樹脂に比較して流動性が低いことに起因して接合箇所に空隙が発生しても、熱可塑性樹脂が当該空隙に充填されて空隙の発生が抑制され、金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合強度が保たれる。その結果、接合強度に優れる金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合体が得られる。

本発明によれば、接合強度に優れる金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合体の製造方法が提供される。

接合体の製造方法を説明するための断面図である。

以下、本発明の接合体の製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面における部材の大きさは概念的なものであり、部材間の大きさの相対的な関係はこれに限定されない。

図１は、本実施形態の接合体の製造方法を説明するための断面図である。本実施形態の接合体の製造方法では、繊維１０と熱可塑性樹脂１２とを含む繊維強化熱可塑性樹脂部材２０と、金属部材３０とが準備される。

繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の金属部材３０との接合箇所には、繊維１０を含まない樹脂領域１４が設けられている。
つまり、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０では、金属部材３０と接合する側の面における熱可塑性樹脂１２の樹脂量が、金属部材３０と接合する側の面とは反対側の面における熱可塑性樹脂１２の樹脂量よりも多い構成とされている。そのため、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０では、金属部材３０と接合する側の面における繊維１０の繊維量が、金属部材３０と接合する側の面とは反対側の面における繊維１０の繊維量よりも少ない構成となっている。

図１における樹脂領域１４は繊維１０を含まないため、樹脂領域１４（つまりは、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０と金属部材３０との接合箇所）における熱可塑性樹脂１２の含有率は、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０全体における熱可塑性樹脂１２の含有率よりも高い。
なお、樹脂領域１４は繊維１０を含んでいてもよいが、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の金属部材３０との接合箇所に十分な熱可塑性樹脂１２を供給するためには、樹脂領域１４は繊維１０を含んでいないことが望ましい場合がある。

このような構成とされた繊維強化熱可塑性樹脂部材２０と金属部材３０とを熱可塑性樹脂１２の溶着により接合することで、熱可塑性樹脂１２が接合箇所における金属部材３０の表面に行き渡り、熱可塑性樹脂１２が金属部材３０の表面に密着した状態が形成される。
さらに、接合箇所に熱可塑性樹脂１２が豊富に存在することで、金属部材３０と繊維強化熱可塑性樹脂部材２０との接合箇所における熱可塑性樹脂１２の不足が生じにくく、金属部材３０と繊維強化熱可塑性樹脂部材２０との接合箇所での空隙の発生が抑制される。また、繊維１０が熱可塑性樹脂１２に比較して流動性が低いことに起因して接合箇所に空隙が発生しても、熱可塑性樹脂１２が当該空隙に充填されて空隙の発生が抑制され、金属部材３０と繊維強化熱可塑性樹脂部材２０との接合強度が保たれる。
また、本実施形態では、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の厚み方向における樹脂領域１４の金属部材３０と接合される側とは反対側には繊維１０を含む領域が存在し、この領域に存在する繊維１０が金属部材３０の表面と絡み合う状態が形成される。そのため、金属部材３０と繊維強化熱可塑性樹脂部材２０との接合強度が向上する。一方、繊維１０が金属部材３０の表面と絡み合う状態が形成されることで、強度急変部ともなりうる接合前の繊維強化熱可塑性樹脂部材２０における樹脂領域１４と繊維１０を含む領域との境界が消失する。
その結果、接合強度に優れる金属部材３０と繊維強化熱可塑性樹脂部材２０との接合体が得られる。

本実施形態において「熱可塑性樹脂の含有率」とは、繊維と熱可塑性樹脂との合計に占める質量基準の熱可塑性樹脂の割合をいう。
繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の金属部材３０との接合箇所における熱可塑性樹脂１２の含有率が、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０全体における熱可塑性樹脂１２の含有率よりも高いか否かの判断方法は、特に限定されない。例えば、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の金属部材３０との接合箇所の断面を顕微鏡観察したときに、繊維１０の存在量を目視により観察することで、熱可塑性樹脂１２の含有率が高いか否かを判断することができる。

樹脂領域１４は、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０における、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の金属部材３０との接合箇所の少なくとも一部に設けられていればよく、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の金属部材３０との接合箇所の全部が樹脂領域１４であってもよい。

繊維強化熱可塑性樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂１２の種類は特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の各種熱可塑性樹脂を使用可能である。本実施形態において用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）樹脂及びポリプロピレン（ＰＰ）樹脂が挙げられる。これらの中でも、ＰＡ樹脂及びＰＰ樹脂が好ましい。

繊維強化熱可塑性樹脂部材２０を構成する繊維１０の種類は特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の各種繊維を使用可能である。
本実施形態において用いられる繊維１０の状態としては、例えば、織布及び不織布が挙げられる。

本実施形態において用いられる繊維１０の種類としては、例えば、アラミド繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維等の樹脂繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維などが挙げられる。これらの中でも、高い機械的強度を実現可能な炭素繊維が望ましい。

特に繊維１０として炭素繊維が用いられる場合、炭素繊維の状態としては、例えば、紡績糸、織布、編物、組物、フェルト、マット、ペーパー、チョップド糸、フィラメント及びミルドが挙げられる。

樹脂領域１４が設けられた繊維強化熱可塑性樹脂部材２０を得る方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の各種方法を適用可能である。

例えば、繊維に熱可塑性樹脂の溶液または融液を含浸させ、必要に応じて乾燥してシート状に成形する方法、及び、繊維と熱可塑性樹脂フィルムとを交互に積層した後に加熱加圧成形する方法が挙げられる。これらの方法を適用する場合、樹脂領域１４に該当する箇所の繊維の量を減らす等することで、繊維強化熱可塑性樹脂部材２０に樹脂領域１４を設けることができる。

金属部材３０を構成する材料は特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の各種金属材料を使用可能である。本実施形態において用いられる金属材料としては、例えば、亜鉛、スズ等でメッキされていてもよい鋼材、チタン及びチタン合金、銅及び銅合金、アルミニウム及びアルミニウム合金などが挙げられる。

金属部材３０の形状は、平板状、Ｌ字型状、Ｈ字型状など用途に応じて適宜選択することができる。

金属部材３０の繊維強化熱可塑性樹脂部材２０と接合される箇所の表面には、接合強度の向上を目的として、表面処理がなされていてもよい。
金属部材３０の表面処理方法は特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の各種表面処理方法を適用可能である。表面処理方法としては、例えば、乾式で粒子を吹き付けるブラスト加工法、湿式で粒子を吹き付けるホーニング加工法、砥石研削法、サンドペーパーで粗す方法等の機械的粗面化処理法、電解液中で電気分解を行なう電気化学的粗面化処理法、薬液中に浸漬する化学的粗面化処理法などが挙げられる。

金属部材３０と繊維強化熱可塑性樹脂部材２０とは、熱可塑性樹脂１２の溶着により接合される。熱可塑性樹脂１２の溶着により金属部材３０と繊維強化熱可塑性樹脂部材２０とを接合する方法は特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の各種方法を適用可能である。例えば、超音波溶着法、振動溶着法、誘導溶着法、高周波溶着法、レーザー溶着法、熱溶着法及びスピン溶着法が挙げられる。これらの中でも、超音波溶着法、振動溶着法又は誘導溶着法であることが好ましい。

これらの溶着方法のうち、振動溶着法は、接合させる金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０に対してプレス機等を用いて荷重をかけた状態で、金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の一方を金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の接触面に対して水平方向に振動させ、それによって発生する摩擦熱を利用して溶着する方法である。

一方、超音波溶着法は、超音波発振器によって電気エネルギーを振動エネルギーに変換し、この振動エネルギーを接触させた状態の金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の接触面に付与することで当該接触面に発生した摩擦熱を利用して溶着する方法である。

溶着方法として振動溶着法を用いる場合、振動溶着法の諸条件は、金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の形状、熱可塑性樹脂１２の融解温度、金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の接合面の面積等により選択され得る。例えば、振動の周波数は１００Ｈｚ〜３００Ｈｚであることが好ましく、２１０Ｈｚ〜２６０Ｈｚであることがより好ましい。また、金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０に対する荷重としては、０．１ＭＰａ〜５ＭＰａであることが好ましく、０．１ＭＰａ〜２ＭＰａであることがより好ましく、０．１ＭＰａ〜１ＭＰａであることが更に好ましい。また、振動振幅は０．５ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましく、１ｍｍ〜３ｍｍであることがより好ましく、１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであることが更に好ましい。

溶着方法として超音波溶着法を用いる場合、超音波溶着法の諸条件は、金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の形状、熱可塑性樹脂１２の融解温度、金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０の接合面の面積等により選択されうる。例えば、超音波を発生させる超音波発生装置を構成するホーンのホーン加圧力は１００Ｎ〜２０００Ｎであることが好ましく、３００Ｎ〜１０００Ｎであることがより好ましく、５００Ｎ〜８００Ｎであることが更に好ましい。超音波振動の振幅としては、１０μｍ〜１００μｍであることが好ましく、１５μｍ〜５０μｍであることがより好ましい。金属部材３０及び繊維強化熱可塑性樹脂部材２０に対して加えられる圧力としては、０ｋＮ〜５ｋＮであることが好ましく、０ｋＮ〜３ｋＮであることがより好ましく、０ｋＮ〜１ｋＮであることが更に好ましい。

本実施形態の接合体の製造方法により製造される金属部材と繊維強化熱可塑性樹脂部材との接合体は、例えば、サイドドア、フード、ルーフ、バックドア、ラゲージドア、バンパ、クラッシュボックス等の車両用構造体に適用することができるが、これらに限定されるものではない。

１０ 繊維
１２ 熱可塑性樹脂
１４ 樹脂領域
２０ 繊維強化熱可塑性樹脂部材
３０ 金属部材

Claims (1)

1. 金属部材と、繊維と熱可塑性樹脂とを含む繊維強化熱可塑性樹脂部材とを、前記熱可塑性樹脂の溶着により接合する接合体の製造方法であって、
   前記繊維強化熱可塑性樹脂部材の前記金属部材との接合箇所における前記熱可塑性樹脂の含有率が、前記繊維強化熱可塑性樹脂部材全体における前記熱可塑性樹脂の含有率よりも高い接合体の製造方法。