JP2020001313A - 接合体の製造方法および接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度を確保しつつ樹脂部材への熱影響を抑制できる接合体の製造方法を提供すること。【解決手段】金属板の第１面と、熱可塑性樹脂を含む樹脂部材の第２面とを接触させて接合する接合体の製造方法は、表面に凹凸を有する隆起部を第１面に形成する隆起工程と、第２面に隆起部を接触させた状態で、金属板のうち隆起部の裏側の面にツールを押し付けつつ、樹脂部材にツールが入り込まないように摩擦攪拌接合を施す接合工程とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、接合強度を確保しつつ樹脂部材への熱影響を抑制できる接合体の製造方法および接合体に関するものである。

加熱により軟化または溶融した熱可塑性樹脂を含む樹脂部材を金属板に押し付け、金属板の接合面に予め形成した微細構造に樹脂部材の一部を入り込ませることで、樹脂部材と金属板とを接合するものが知られている（特許文献１）。特許文献１に開示された技術では、樹脂部材の加熱と、樹脂部材の一部を金属板の微細構造に入り込ませるための加圧とに例えばホットプレスを用いている。

特開２０１７−１９０５２１号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ホットプレスによって金属板の全体を加熱しているので、金属板の微細構造に接合しない部分の樹脂部材も加熱されてしまう。そのため、接合強度は確保しつつ樹脂部材への熱影響を抑制することが望まれている。

本発明は上述した要求に応えるためになされたものであり、接合強度を確保しつつ樹脂部材への熱影響を抑制できる接合体の製造方法および接合体を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明の接合体の製造方法は、金属板の第１面と、熱可塑性樹脂を含む樹脂部材の第２面とを接触させて接合する方法であって、表面に凹凸を有する隆起部を前記第１面に形成する隆起工程と、前記第２面に前記隆起部を接触させた状態で、前記金属板のうち前記隆起部の裏側の面にツールを押し付けつつ、前記樹脂部材に前記ツールが入り込まないように摩擦攪拌接合を施す接合工程とを備える。

また、接合体は、表面に凹凸を有する隆起部が第１面に形成された金属板と、前記第１面が接合する第２面を有し、熱可塑性樹脂を含む樹脂部材とを備え、前記金属板および前記樹脂部材の断面において、前記樹脂部材の一部が前記隆起部の凹凸に入り込むと共に前記隆起部を包み込んで前記第１面と前記第２面とが接触し、前記金属板のうち前記隆起部の裏側に金属が流動した攪拌部が設けられている。

請求項１記載の接合体の製造方法によれば、金属板への摩擦攪拌接合による摩擦熱によって樹脂部材を軟化または溶融させ、軟化または溶融した樹脂部材の一部が隆起部の凹凸に入り込みつつ隆起部を包み込むことで、金属板の隆起部と樹脂部材とが接合される。金属板のうち隆起部の裏側の面にツールを押し付けて摩擦攪拌接合を施すので、摩擦攪拌接合による摩擦熱を樹脂部材のうち隆起部に接触する部分（接合部分）へ局所的に加えることができる。加えて、ツールが金属板を樹脂部材に押し付ける荷重を、隆起部と樹脂部材との接触部分（接合部分）に集中させることができるので、隆起部の凹凸に樹脂部材の一部を入り込み易くできると共に、樹脂部材の一部で隆起部を包み込み易くできる。これらの結果、アンカー効果により接合強度を確保しつつ、接合部分以外の樹脂部材への熱影響を抑制できる。

請求項２記載の接合体の製造方法によれば、隆起工程では、レーザクラッディングにより第１面に粉末を溶接して隆起部を形成する。これにより、粉末の粒径やレーザ出力にもよるが、表面の凹凸を微細にできる。この微細な凹凸に樹脂部材の一部を入り込ませることで、金属板と樹脂部材との接合強度をより向上できる。

なお、軟化または溶融した樹脂部材の一部を隆起部の比較的大きな凹凸に入り込ませる場合に比べて、微細な凹凸に樹脂部材の一部を入り込ませるには、樹脂部材の加熱温度をより高くして樹脂部材の流動性を高くしたり、隆起部から樹脂部材への荷重をより大きくしたりする必要がある。摩擦攪拌接合による加熱であれば、樹脂部材のうち隆起部に接触する部分の局所的な加熱が可能なので、微細な凹凸に入り込ませるための高い加熱温度であっても、樹脂部材への熱影響を抑制できる。また、摩擦攪拌接合によって隆起部と樹脂部材との接触部分に荷重を集中できるので、隆起部から樹脂部材への荷重を大きくし易い。これらの結果、請求項１の効果に加え、樹脂部材への熱影響を抑制しつつ、接合強度をより向上できる。

請求項３記載の接合体の製造方法によれば、接合工程では、第１面に線状に形成される隆起部に沿ってツールを移動させて摩擦攪拌接合を施す。これにより、摩擦攪拌接合による加熱を局所的にしつつ、樹脂部材に隆起部を長さ方向に亘って接合できる。その結果、請求項１又は２の効果に加え、樹脂部材への熱影響をより抑制しつつ、接合強度をより向上できる。

請求項４記載の接合体の製造方法によれば、金属板のうち樹脂部材に重ねられる部分の端縁に沿って隆起部が形成される。この隆起部に沿って摩擦攪拌接合を施し、金属板と樹脂部材とを接合すると、金属板のうち隆起部よりも端縁側の部位には、接合体の使用時などに力が加わり難い。このような部位に、欠陥などが生じ易い摩擦攪拌接合の始端部および終端部が設定されるので、請求項３の効果に加え、接合強度を更に向上できる。

請求項５記載の接合体によれば、金属板の第１面には、表面に凹凸を有する隆起部が形成されている。熱可塑性樹脂を含む樹脂部材の第２面が金属板の接合面と接合する。金属板および樹脂部材の断面において、樹脂部材の一部が隆起部の凹凸に入り込むと共に隆起部を包み込んで第１面と第２面とが接触している。さらに、この断面において、金属板のうち隆起部の裏側に、金属が流動した攪拌部が設けられている。攪拌部を形成するときの局所的な加熱によって軟化または溶融した樹脂部材の一部に隆起部を押し付けることで、隆起部を樹脂部材に接合できる。その結果、アンカー効果により接合強度を確保しつつ、接合部分以外の樹脂部材への熱影響を抑制できる。

一実施形態における接合体の断面図である。 接合体の製造方法を示す金属板および樹脂部材の断面図である。 接合体の製造方法を示す金属板および樹脂部材の平面図である。

以下、好ましい実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１、図２及び図３を参照して一実施形態における接合体１及びその製造方法について説明する。図１は接合体１の断面図である。図２は、接合体１の製造方法を示す金属板１０及び樹脂部材２０の断面図である。図３は、接合体１の製造方法を示す金属板１０及び樹脂部材２０の平面図である。なお図１及び図２には説明の都合上、隆起部１３が模式的に図示されている。

図１に示すように、接合体１は、金属板１０の第１面１１と、樹脂部材２０の第２面２１とを接触させて互いに接合したものである。樹脂部材２０は、熱可塑性樹脂を含む板材である。本実施形態では、熱可塑性樹脂に炭素繊維やガラス繊維などの強化繊維を複合した繊維強化複合材料により樹脂部材２０が構成されている。

図２に示すように、金属板１０は、アルミニウム合金や鉄鋼などの金属から構成される略平板状の部材である。金属板１０は、第１面１１と、第１面１１の裏側の裏面１２とがそれぞれ平行かつ平坦に形成されている。第１面１１や裏面１２等にメッキやコーティングを施しても良い。

レーザクラッディングによって、金属板１０の第１面１１にノズル（図示せず）から粉末を吹き付けつつ、そのノズルから照射されるレーザで粉末および第１面１１の一部を加熱して溶融し、第１面１１の一部を盛り上げて隆起部１３を形成する（隆起工程）。この粉末としては、アルミやチタン、ニッケル、銅、シリコン、ステライト、バナジウム等の金属や、金属酸化物、金属炭化物、金属ホウ化物などの金属化合物から１種類または複数種類が用いられる。また、この粉末に炭素などを加えても良い。なお、レーザクラッディングによって金属板１０の主材と合金化が可能な粉末を用いることが好ましい。これにより、隆起部１３を金属板１０から剥がれ難くできる。

図２の拡大部分に模式的に示すように、レーザクラッディングによって形成された隆起部１３の表面には、比較的大きな凹凸面１４が形成されている。そして、レーザクラッディングに用いられる粉末の粒径やレーザ出力にもよるが、この凹凸面１４に更なる微細な凹凸１５を形成できる。即ち、隆起部１３の表面の凹凸を微細にできる。

図３に示すように、隆起部１３は、金属板１０の第１面１１の端縁１６に沿って線状に形成されている。この線状の隆起部１３は、レーザクラッディングのノズルを端縁１６に沿わせつつ第１面１１に対して平行移動させることで形成される。

図２に戻って説明する。接合体１を製造するには、第１面１１に隆起部１３を形成する隆起工程の後、隆起部１３を樹脂部材２０の第２面２１に接触させた状態で、金属板１０のうち隆起部１３の裏側の裏面１２にツール３０を押し付けて摩擦攪拌接合を施す（接合工程）。

この摩擦攪拌接合用のツール３０は、工具鋼や超硬合金からなる部材である。ツール３０は、円柱状のボディ３１と、ボディ３１の端面であるショルダ３２の中心から突出する円柱状のプローブ３３とを備える。プローブ３３の外周面には、ねじ山（図示せず）が設けられている。プローブ３３の外径Ｒ（ねじ山の山頂の径）は、ボディ３１の外径よりも小さく設定されている。また、プローブ３３の外径Ｒは、隆起部１３の幅Ｗよりも大きく設定されている。

摩擦攪拌接合を施す接合工程についてより詳しく説明する。まず、金属板１０及び樹脂部材２０をツール３０と支持台（図示せず）との間に挟み、ツール３０を回転させながら金属板１０に押し付ける。そうすると、ツール３０と金属板１０との間の摩擦熱により金属板１０が軟化してプローブ３３が金属板１０に入り込み、ショルダ３２が裏面１２に接触する。そして、軟化した金属板１０の一部がプローブ３３やショルダ３２の回転によって攪拌され、攪拌部１７が形成される。

金属板１０への摩擦攪拌接合による摩擦熱が金属板１０の隆起部１３から樹脂部材２０へ加わることによって、樹脂部材２０が軟化または溶融する。図１に示すように、この軟化または溶融した樹脂部材２０の一部が隆起部１３の凹凸面１４に入り込むと共に、樹脂部材２０の一部が隆起部１３全体を包み込んで、金属板１０の第１面１１と樹脂部材２０の第２面２１とが接触する。この状態で樹脂部材２０が再び硬化することによって、金属板１０の隆起部１３と樹脂部材２０とが接合され、接合体１が製造される。

接合工程後の接合体１の断面を見ると、摩擦攪拌接合による攪拌により、金属が流動し、その他の部位に対して組織が変化した攪拌部１７を確認できる。詳しくは、攪拌部１７は、動的再結晶により結晶粒が微細化されている。また、攪拌部１７の外側には、ツール３０の回転に伴う塑性変形により結晶粒が伸長した熱加工影響部（図示せず）が形成されている。そのため、接合体１の製造方法を確認しなくても、製造後の接合体１の断面を確認して、攪拌部１７や熱加工影響部があれば、摩擦攪拌接合によって隆起部１３と樹脂部材２０とが接合されたと判断できる。

なお接合工程では、図２に示すように、樹脂部材２０にプローブ３３の先端が入り込まないように、ツール３０の押込量が設定されている。これにより、摩擦攪拌接合による摩擦熱が樹脂部材２０に直接加わらないようにできる。さらに、隆起部１３から攪拌部１７を離して、隆起部１３の凹凸面１４や凹凸１５がツール３０によって攪拌されて形状が変化しないように、ツール３０の押込量や回転速度が設定されている。これにより、凹凸面１４や凹凸１５が摩擦攪拌接合によってなくなることを防止できる。

隆起部１３と樹脂部材２０とを接合するためには、上述したように、金属板１０のうち隆起部１３の裏側の裏面１２にツール３０を押し付けて摩擦攪拌接合を施す。これにより、樹脂部材２０のうち隆起部１３に接触する部分（隆起部１３との接合部分）へ摩擦攪拌接合による摩擦熱を局所的に加えることができる。これにより、接合部分以外の樹脂部材２０への熱影響を抑制できる。

さらに、金属板１０の第１面１１の一部を盛り上げた隆起部１３を樹脂部材２０に接触させた状態で摩擦攪拌接合を施すので、金属板１０を樹脂部材２０へ押し付ける荷重を隆起部１３と樹脂部材２０との接触位置（接合部分）に集中させることができる。ここで、金属板１０の裏面１２の略全体に荷重をかけるホットプレスでは、金属板１０と樹脂部材２０との接触面積が大きくなるにつれて大きな荷重をかける必要がある。

これに対して本実施形態では、隆起部１３の裏側の裏面１２にツール３０を押し付けて摩擦攪拌接合を施すので、金属板１０を樹脂部材２０へ押し付ける荷重を隆起部１３と樹脂部材２０との接合部分に更に集中させることができる。これにより、ツール３０から金属板１０への比較的小さな荷重でも、隆起部１３の凹凸面１４に樹脂部材２０の一部を入り込み易くできると共に、樹脂部材２０の一部で隆起部１３を包み込み易くできる。その結果、アンカー効果によって金属板１０の隆起部１３と樹脂部材２０との接合強度を確保できる。

レーザクラッディングによって形成された隆起部１３は、比較的大きな凹凸面１４に更なる微細な凹凸１５が形成されている。この微細な凹凸１５にも樹脂部材２０の一部が入り込むことで、隆起部１３と樹脂部材２０との接合強度をより向上できる。

なお、軟化または溶融した樹脂部材２０の一部を隆起部１３の凹凸面１４に入り込ませる場合に比べて、微細な凹凸１５にも樹脂部材２０の一部を入り込ませるには、樹脂部材２０の加熱温度をより高くして樹脂部材２０の流動性を高くしたり、隆起部１３から樹脂部材２０への荷重をより大きくしたりする必要がある。上述したように摩擦攪拌接合によれば、接合部分を局所的に加熱できると共に、接合部分に荷重を集中させることができる。そのため、微細な凹凸１５に入り込ませるための高い加熱温度であっても樹脂部材２０への熱影響を抑制できると共に、隆起部１３から樹脂部材２０への荷重を大きくし易い。これらの結果、樹脂部材２０への熱影響を抑制しつつ、接合強度をより向上できる。

さらに、融点が互いに異なる２種類以上の金属粉末を用いてレーザクラッディングにより隆起部１３を形成することで、金属粉末の種類やレーザ出力などにもよるが、隆起部１３の凹凸面１４を多孔質にできる。凹凸面１４の微細な空孔に樹脂部材２０の一部が入り込むことで、隆起部１３と樹脂部材２０との接合強度を更に向上できる。

特に、摩擦攪拌接合によれば、微細な空孔に入り込ませるための高い加熱温度であっても、樹脂部材２０への熱影響を抑制できると共に、隆起部１３から樹脂部材２０への荷重を大きくし易い。これらの結果、樹脂部材２０への熱影響を抑制しつつ、接合強度を更に向上できる。

さらに、隆起部１３から樹脂部材２０への荷重を大きくすることで、凹凸面１４の微細な空孔に樹脂部材２０の強化繊維を絡ませ易くできる。これにより、隆起部１３と樹脂部材２０との接合強度をより一層向上できる。

プローブ３３の外径Ｒが隆起部１３の幅Ｗよりも大きいので、軟化または溶融した樹脂部材２０を隆起部１３の凹凸面１４の幅方向全体に入り込み易くできると共に、樹脂部材２０で隆起部１３の幅方向全体を包み込み易くできる。その結果、隆起部１３と樹脂部材２０との接合強度をより向上できる。

図３に示すように、接合工程では、線状の隆起部１３に沿った軌跡３５でツール３０を移動させて摩擦攪拌接合を施す。これにより、摩擦攪拌接合による加熱を局所的にしつつ、樹脂部材２０に隆起部１３を全長に亘って接合できる。その結果、樹脂部材２０への熱影響を抑制しつつ、接合強度をより向上できる。

摩擦攪拌接合を施す軌跡３５の始端部Ｓ及び終端部Ｇには、欠陥などが生じ易い。この始端部Ｓ及び終端部Ｇが隆起部１３（接合部分）から離れた位置に設定されているので、隆起部１３と樹脂部材２０との接合強度を向上できる。

線状の隆起部１３は、金属板１０のうち樹脂部材２０に重ねられる部分の端縁１６に沿って形成されている。この隆起部１３と樹脂部材２０とを接合すると、金属板１０のうち隆起部１３よりも端縁１６側の部位には、接合体１の使用時などに力が加わり難い。このような部位に、摩擦攪拌接合の始端部Ｓ及び終端部Ｇが設定されている。そのため、始端部Ｓ及び終端部Ｇによる欠陥が接合体１の使用時などに問題になることを防止しつつ、隆起部１３と樹脂部材２０との接合強度を更に向上できる。

以上、上記一実施形態に基づき説明したが、本発明は上記形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変形改良が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、金属板１０や樹脂部材２０等の各部形状や各部寸法、素材を適宜変更しても良い。

金属板１０は、樹脂部材２０に接合される部分が板状であれば、その他の部位が板状でなくても良い。金属板１０が平板ではなく湾曲した板材でもよい。また、樹脂部材２０の形状は、第１面１１と接触可能な第２面２１があれば、板状に限らない。熱可塑性樹脂のみから樹脂部材２０を構成しても良く、熱可塑性樹脂に強化繊維以外の材料を複合して樹脂部材２０を構成しても良い。

上記形態では、金属板１０の第１面１１にノズル（図示せず）から粉末を吹き付けつつ、そのノズルから照射されるレーザで粉末および第１面１１を加熱してレーザクラッディングを施し、隆起部１３を形成する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。レーザの照射前に、粉末を第１面１１に予め付着させても良い。また、粉末に水やアルコール等を混ぜたスラリーを第１面１１に予め塗布しても良い。

また、レーザクラッディング以外の方法で第１面１１に隆起部１３を形成しても良い。レーザクラッディング以外の方法としては、各種のアーク溶接やプラズマ粉体肉盛溶接が挙げられる。この方法では隆起部１３に凹凸面１４が形成され易い。また、鋳造や鍛造、プレス加工などによる金属板１０の成形時に、第１面１１に隆起部１３を形成しても良い。これらの隆起部１３の表面にエッチングやブラスト加工により凹凸を形成しても良い。

上記形態では、金属板１０の端縁１６に沿って隆起部１３が形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。端縁１６から離れた位置に隆起部１３を形成しても良い。また、端縁１６と平行に隆起部１３を形成する場合に限らず、端縁１６に沿って端縁１６と非平行に隆起部１３を形成しても良い。隆起部１３を直線状に限らず、隆起部１３を曲線状に設けても良い。

上記形態では、線状の隆起部１３に沿って摩擦攪拌接合を施し、樹脂部材２０に隆起部１３を全長に亘って接合する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。隆起部１３の一部分と樹脂部材２０とを接合しても良い。また、隆起部１３を点状に形成し、金属板１０への摩擦攪拌接合によって点状の隆起部１３と樹脂部材２０とを接合しても良い。なお、このときの隆起部１３の幅Ｗは隆起部１３の最大外径とする。

上記形態では、外周面にねじ山が設けられた円柱状のプローブ３３について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。プローブ３３の外周面にねじ山を設けなくても良い。プローブ３３の外周面の一部を内側へ凹ませても良い。プローブ３３の先端面を略円錐状に形成しても良い。また、プローブ３３をショルダ３２から先端へ向かって次第に縮径する円錐台状に形成しても良い。この場合のプローブ３３の外径Ｒとは、円錐台状のプローブ３３の先端の外径を指す。

上記形態では、攪拌部１７と隆起部１３とが離れている場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。凹凸面１４や凹凸１５の形状が変化しないのであれば、攪拌部１７が隆起部１３に接しても良い。これにより、摩擦攪拌接合時に隆起部１３をより高温にして接合部分を加熱できると共に、隆起部１３を金属板１０から剥がれ難くできる。

１ 接合体
１０ 金属板
１１ 第１面
１２ 裏面
１３ 隆起部
１６ 端縁
１７ 攪拌部
２０ 樹脂部材
２１ 第２面
３０ ツール
３３ プローブ
Ｓ 始端部
Ｇ 終端部

Claims (5)

1. 金属板の第１面と、熱可塑性樹脂を含む樹脂部材の第２面とを接触させて接合する接合体の製造方法であって、
   表面に凹凸を有する隆起部を前記第１面に形成する隆起工程と、
   前記第２面に前記隆起部を接触させた状態で、前記金属板のうち前記隆起部の裏側の面にツールを押し付けつつ、前記樹脂部材に前記ツールが入り込まないように摩擦攪拌接合を施す接合工程とを備えることを特徴とする接合体の製造方法。
2. 前記隆起工程では、レーザクラッディングにより前記第１面に粉末を溶接して前記隆起部を形成することを特徴とする請求項１記載の接合体の製造方法。
3. 前記隆起部は、前記第１面に線状に形成され、
   前記接合工程では、線状の前記隆起部に沿って前記ツールを移動させて前記摩擦攪拌接合を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の接合体の製造方法。
4. 前記隆起部は、前記金属板のうち前記樹脂部材に重ねられる部分の端縁に沿って形成され、
   前記接合工程では、前記隆起部よりも前記端縁側に前記摩擦攪拌接合の始端部および終端部が設定されることを特徴とする請求項３記載の接合体の製造方法。
5. 表面に凹凸を有する隆起部が第１面に形成された金属板と、
   前記第１面が接合する第２面を有し、熱可塑性樹脂を含む樹脂部材とを備え、
   前記金属板および前記樹脂部材の断面において、前記樹脂部材の一部が前記隆起部の凹凸に入り込むと共に前記隆起部を包み込んで前記第１面と前記第２面とが接触し、前記金属板のうち前記隆起部の裏側に金属が流動した攪拌部が設けられていることを特徴とする接合体。

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