JP2023046975A - 異種材料の接続方法および異種材料の接続体 - Google Patents

異種材料の接続方法および異種材料の接続体 Download PDF

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Abstract

Figure 2023046975000001
【課題】互いに接続された異種材料の接続強度が低くなる脆弱方向をなくして異種材料の脱離を抑制する。
【解決手段】異種材料の接続方法は、第１部材１０の表面に、レーザー光を照射することにより、表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部１００および第２凹部１１０を形成する工程と、第１部材１０より融点が低い第２部材２０の一部を第１凹部１００および第２凹部１１０の各々の内部に溶融流動させて固化させることにより、第２部材２０の一部と第１凹部１００および第２凹部１１０の各々とを互いに係合させつつ、第２部材２０を第１部材１０の表面に接続する工程とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、異種材料の接続方法および異種材料の接続体に関する。
レーザーを用いた異種材料との接合部を有する金属材料の加工方法を開示した先行技術文献として、特許第４０２０９５７号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載されたレーザーを用いた異種材料との接合部を有する金属材料の加工方法においては、ある走査方向および当該走査方向とクロスする別の走査方向について金属表面をレーザースキャニング加工することによって、異種材料と接合を行うための接合部を形成する。レーザースキャニング加工を施した金属表面に異種材料が接合される。
特許第４０２０９５７号公報
互いに種類の異なる異種材料のうちの一方の材料の表面に対して一方向の照射方向からレーザー光を照射して、レーザー光が照射された表面にて異種材料を接続する場合、当該一方向に沿う脆弱方向に異種材料を引き離す荷重に対抗する異種材料の接続強度が低く、互いに接続された異種材料が脱離しやすい。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、互いに接続された異種材料の接続強度が低くなる脆弱方向をなくして異種材料の脱離を抑制することができる、異種材料の接続方法および異種材料の接続体を提供することを目的とする。
本発明に基づく異種材料の接続方法は、第１部材の表面に、レーザー光を照射することにより、表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部および第２凹部を形成する工程と、第１部材より融点が低い第２部材の一部を第１凹部および第２凹部の各々の内部に溶融流動させて固化させることにより、第２部材の一部と第１凹部および第２凹部の各々とを互いに係合させつつ、第２部材を第１部材の表面に接続する工程とを備える。
第１部材の表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた第１凹部および第２凹部の各々に、第２部材の一部を係合させることによって、互いに接続された第１部材と第２部材との接続強度が低くなる脆弱方向をなくして第１部材と第２部材とが脱離することを抑制することができる。
本発明の一形態においては、第１凹部および第２凹部の少なくとも一方は、表面に線状に形成されている。
これにより、第１部材と第２部材との接続強度を高くして、第１部材と第２部材とが脱離することを抑制することができる。
本発明の一形態においては、第１凹部および第２凹部の少なくとも一方は、スポット状に形成されている。
これにより、レーザー光の照射に必要なエネルギーを低減することができる。
本発明の一形態においては、第１部材は金属材料から形成されており、第２部材は樹脂材料から形成されている。
この場合、異種材料として金属材料と樹脂材料とを互いに接続することができる。
本発明に基づく異種材料の接続体は、第１部材と、第２部材とを備える。第１部材は、表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部および第２凹部が形成されている。第２部材は、第１部材より融点が低く、第１部材の表面に接続されている。第２部材の一部は、第１凹部および第２凹部の各々の内部に入り込んで第１凹部および第２凹部の各々と係合している。
第１部材の表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた第１凹部および第２凹部の各々に、第２部材の一部を係合させることによって、互いに接続された第１部材と第２部材との接続強度が低くなる脆弱方向をなくして第１部材と第２部材とが脱離することを抑制することができる。
本発明によれば、互いに接続された異種材料の接続強度が低くなる脆弱方向をなくして異種材料の脱離を抑制することができる。
本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続体の構成を示す斜視図である。 図１の接続体をＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法において、第１部材にレーザー光が照射されて第１凹部および第２凹部が形成されている状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１の第１変形例に係る異種材料の接続体の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１の第２変形例に係る異種材料の接続体の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る異種材料の接続体の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る異種材料の接続体における第１部材の構成を示す上面図である。
以下、本発明の各実施の形態に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体について図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
なお、図面においては、第１部材の表面に平行な方向をＸ方向、第１部材の表面においてＸ方向に直交する方向をＹ方向、第１部材の表面に直交する方向をＺ方向とする。
(実施の形態１)
図１は、本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続体の構成を示す斜視図である。図２は、図１の接続体をＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
図１および図２に示すように、本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続体１は、第１部材１０と、第２部材２０とを備える。
本実施の形態においては、第１部材１０は、略直方体状の形状を有している。ただし、第１部材１０の形状は、直方体状に限られない。
第１部材１０は、金属材料から形成されている。第１部材１０は、たとえば、アルミニウムである。なお、第１部材１０は、アルミニウムに限定されず、鉄または銅などの金属材料であってもよい。さらに、第１部材１０は、レーザー加工可能であれば、金属材料に限定されず、樹脂材料またはセラミックスなどであってもよい。
第１部材１０には、表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部１００および第２凹部１１０が形成されている。本実施の形態においては、第１凹部１００および第２凹部１１０は、第１部材１０の表面(ＸＹ平面)から離れるにしたがって互いが近づくように形成されている。すなわち、第１凹部１００および第２凹部１１０は、第１部材１０の表面に垂直な仮想平面(ＸＺ平面)に関して互いに反対側に位置しつつ彫り込まれた先端側に行くにしたがって互いに近づくように形成されている。たとえば、第１凹部１００および第２凹部１１０は、上記仮想平面(ＸＺ平面)に関して面対称に形成されていてもよい。
本実施の形態における第１凹部１００および第２凹部１１０の各々は、たとえば、Ｘ方向から見て、第１部材１０の表面に対して、６０°以上８０°以下の範囲で交差する斜め方向に形成されている。ただし、第１凹部１００および第２凹部１１０の各々と第１部材１０の表面とが交差する角度は、互いに異なっていればよく、上記の６０°以上８０°以下の範囲に限定されない。なお、本実施の形態においては、第１部材１０の表面に、１つの第１凹部１００と１つの第２凹部１１０が形成されているが、第１凹部１００および第２凹部１１０の少なくとも一方が複数形成されていてもよい。さらに、第１部材１０の表面に、第１凹部１００および第２凹部１１０の各々とは異なる角度で彫り込まれた凹部が形成されていてもよい。
第１凹部１００および第２凹部１１０の少なくとも一方は、第１部材１０の表面に線状に形成されていてもよい。本実施の形態においては、第１凹部１００および第２凹部１１０の各々が、第１部材１０の表面においてＸ方向に延在する線状に形成されている。なお、本実施の形態においては、第１凹部１００および第２凹部１１０の各々は、第１部材１０の表面において、直線状に形成されているが、曲線状に形成されていてもよい。
本実施の形態においては、第２部材２０は、略直方体状の形状を有している。ただし、第２部材２０の形状は、直方体状に限られない。
第２部材２０は、第１部材１０より融点が低い材料から形成されている。本実施の形態においては、第２部材２０は、樹脂材料から形成されている。第２部材２０は、たとえば、ポリプロピレンにより構成されている。なお、第２部材２０は、ポリプロピレンに限定されず、ポリカーボネートまたはポリアミドなどの樹脂材料であってもよい。さらに、第２部材２０は、樹脂材料に限定されず、金属材料であってもよい。第２部材２０の融点は、第１部材１０の融点に対して、たとえば、１００℃以上低い。
第２部材２０は、Ｚ方向において第１部材１０に隣接している。第２部材２０は、第１部材１０の表面に接続されている。
第２部材２０の一部は、第１凹部１００および第２凹部１１０の各々の内部に入り込んで第１凹部１００および第２凹部１１０の各々と係合している。具体的には、第２部材２０には、第１凸部１２０および第２凸部１３０が形成されている。第１凸部１２０は、第１凹部１００の内部形状に倣って形成され、第１凹部１００と係合している。第２凸部１３０は、第２凹部１１０の内部形状に倣って形成され、第２凹部１１０と係合している。
ここで、本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法について説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法において、第１部材にレーザー光が照射されて第１凹部および第２凹部が形成されている状態を示す断面図である。
図３に示すように、本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法においては、まず、第１部材１０の表面に、レーザー光を照射することにより、第１部材１０の表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部１００および第２凹部１１０を形成する。
本実施の形態においては、レーザー発振器２から第１部材１０の表面にレーザー光を照射することによって、第１凹部１００および第２凹部１１０の各々が形成される。レーザー光は、レーザー発振器２から第１部材１０の表面に対して斜め方向に照射される。なお、第１凹部１００および第２凹部１１０は、１回のレーザー光のパルス照射によって形成されてもよいし、複数回のレーザー光のパルス照射によって形成されてもよいし、レーザー光の連続照射によって形成されてもよい。レーザー発振器２におけるレーザー光の出力などの諸条件は、第１部材１０の材料特性に合わせて適宜調整される。
次に、図２に示すように、第２部材２０の一部を第１凹部１００および第２凹部１１０の各々の内部に溶融流動させて固化させることにより、第２部材２０の一部と第１凹部１００および第２凹部１１０の各々とを互いに係合させつつ、第２部材２０を第１部材１０の表面に接続する。
第２部材２０は、たとえば、射出成形によって、第２部材２０の一部を第１凹部１００および第２凹部１１０の各々の内部に溶融流動させて固化させる。ただし、第２部材２０を溶融流動させる方法は、射出成形に限定されず、第１部材１０を通じて第２部材２０を加熱して第１部材１０と接触している第２部材２０の一部を溶融させる方法などであってもよい。
仮に、第１凹部および第２凹部が第１部材１０の表面に対して垂直または斜めの同一方向に彫り込まれている場合、第１凹部および第２凹部の彫り込まれた方向において、第１部材１０と第２部材２０とを引き離すように荷重が加わると、第１凹部から第１凸部が容易に脱離し、第２凹部から第２凸部が容易に脱離し、第１部材と第２部材との接続が著しく脆弱になる。すなわち、第１凹部および第２凹部が第１部材１０の表面に対して垂直または斜めの同一方向に彫り込まれている場合には、当該方向に沿う脆弱方向に第１部材と第２部材とを引き離す荷重に対抗する接続強度が著しく低くなり、第１部材１０と第２部材２０とが容易に脱離しやすくなる。
一方、本実施の形態においては、第１凹部１００の彫り込まれた方向に沿って第１部材１０と第２部材２０とを引き離すように荷重が加わっても、第１凹部１００と異なる角度で彫り込まれた第２凹部１１０から第２凸部１３０が容易に脱離することがなく、第１部材１０と第２部材２０との接続強度を高くすることができる。また、第２凹部１１０の彫り込まれた方向に沿って第１部材１０と第２部材２０とを引き離すように荷重が加わっても、第２凹部１１０と異なる角度で彫り込まれた第１凹部１００から第１凸部１２０が容易に脱離することがなく、第１部材１０と第２部材２０との接続強度を高くすることができる。このように、本実施の形態においては、互いに接続された第１部材１０と第２部材２０との接続強度が低くなる脆弱方向をなくして第１部材１０と第２部材２０との脱離を抑制することができる。
本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１においては、第１部材１０の表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた第１凹部１００および第２凹部１１０の各々に、第２部材２０の一部を係合させることによって、互いに接続された異種材料の接続強度が低くなる脆弱方向をなくして異種材料の脱離を抑制することができる。
本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１においては、第１凹部１００および第２凹部１１０の少なくとも一方が第１部材１０の表面に線状に形成されていることによって、第１部材１０と第２部材２０との接続強度を高くして、第１部材１０と第２部材２０とが脱離することを抑制することができる。
本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１においては、第１部材１０が金属材料から形成されており、第２部材２０が樹脂材料から形成されていることによって、異種材料として金属材料と樹脂材料とを互いに接続することができる。
以下、本発明の実施の形態１の変形例に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体について図を参照して説明する。本変形例に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体は、第１凹部および第２凹部の構成が本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１と異なるため、本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１と同様である構成については説明を繰り返さない。
図４は、本発明の実施の形態１の第１変形例に係る異種材料の接続体の構成を示す断面図である。図４に示すように、本発明の実施の形態１の第１変形例に係る異種材料の接続体１Ａは、第１部材１０Ａと、第２部材２０Ａとを備える。
第１部材１０Ａは、第１部材１０Ａの表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部１０１および第２凹部１１１が形成されている。本変形例においては、第１凹部１０１および第２凹部１１１の彫り込まれた先端には、連結部１４１が形成されている。連結部１４１は、第１凹部１０１と第２凹部１１１とを連通させている。
第２部材２０Ａの一部は、第１凹部１０１および第２凹部１１１の各々の内部に入り込んで第１凹部１０１および第２凹部１１１の各々と係合している。具体的には、第２部材２０Ａには、第１凸部１２１および第２凸部１３１が形成されている。第１凸部１２１は第１凹部１０１と係合し、第２凸部１３１は、第２凹部１１１と係合している。第１凸部１２１および第２凸部１３１は、連結部１４１において互いに連結されている。
本発明の実施の形態１の第１変形例に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１Ａにおいては、第２部材２０Ａの一部である第１凸部１２１および第２凸部１３１を連結部１４１において互いに連結しつつ、第１凹部１０１および第２凹部１１１の各々に、第２部材２０Ａの一部を係合させることによって、互いに接続された異種材料の接続強度が低くなる脆弱方向をなくしつつ異種材料の接続強度を高くして異種材料の脱離をさらに抑制することができる。
図５は、本発明の実施の形態１の第２変形例に係る異種材料の接続体の構成を示す断面図である。図５に示すように、本発明の実施の形態１の第２変形例に係る異種材料の接続体１Ｂは、第１部材１０Ｂと、第２部材２０Ｂとを備える。
第１部材１０Ｂは、第１部材１０Ｂの表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部１０２および第２凹部１１２が形成されている。本変形例においては、第１凹部１０２および第２凹部１１２が互いに交差し、交差箇所に連結部１４２が形成されている。連結部１４２は、第１凹部１０２と第２凹部１１２とを連通させている。
第２部材２０Ｂの一部は、第１凹部１０２および第２凹部１１２の各々の内部に入り込んで第１凹部１０２および第２凹部１１２の各々と係合している。具体的には、第２部材２０Ｂには、第１凸部１２２および第２凸部１３２が形成されている。第１凸部１２２は第１凹部１０２と係合し、第２凸部１３２は、第２凹部１１２と係合している。第１凸部１２２および第２凸部１３２は、連結部１４２において互いに連結されている。
本発明の実施の形態１の第２変形例に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１Ｂにおいては、第２部材２０Ｂの一部である第１凸部１２２および第２凸部１３２を連結部１４２において互いに連結しつつ、第１凹部１０２および第２凹部１１２の各々に、第２部材２０Ｂの一部を係合させることによって、互いに接続された異種材料の接続強度が低くなる脆弱方向をなくしつつ異種材料の接続強度を高くして異種材料の脱離をさらに抑制することができる。
(実施の形態２)
以下、本発明の実施の形態２に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体について図を参照して説明する。本発明の実施の形態２に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体は、第１凹部および第２凹部の構成が本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１と異なるため、本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１と同様である構成については説明を繰り返さない。
図６は、本発明の実施の形態２に係る異種材料の接続体の構成を示す斜視図である。図６に示すように、本発明の実施の形態２に係る異種材料の接続体１Ｃは、第１部材１０Ｃと、第２部材２０Ｃとを備える。
第１部材１０Ｃは、第１部材１０Ｃの表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部２００および第２凹部２１０が形成されている。第１凹部２００および第２凹部２１０の少なくとも一方は、スポット状に形成されている。本実施の形態においては、第１凹部２００および第２凹部２１０の各々が、スポット状に形成されている。第１凹部２００および第２凹部２１０の各々は、Ｘ方向に沿って、複数並んで配置されている。
第２部材２０Ｃの一部は、第１凹部２００および第２凹部２１０の各々の内部に入り込んで第１凹部２００および第２凹部２１０の各々と係合している。具体的には、第２部材２０Ｃには、第１凸部２２０および第２凸部２３０が形成されている。第１凸部２２０は第１凹部２００と係合し、第２凸部２３０は、第２凹部２１０と係合している。
本発明の実施の形態２に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１Ｃにおいては、第１凹部２００および第２凹部２１０の少なくとも一方がスポット状に形成されていることによって、第１凹部および第２凹部の各々を線状に形成する場合と比較して、レーザー光の照射に必要なエネルギーを低減することができる。
(実施の形態３)
以下、本発明の実施の形態３に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体について図を参照して説明する。本発明の実施の形態３に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体は、主に第１部材の構成が本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１と異なるため、本発明の実施の形態１に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１と同様である構成については説明を繰り返さない。
図７は、本発明の実施の形態３に係る異種材料の接続体における第１部材の構成を示す上面図である。なお、図７においては、理解を容易にするため、第２部材を透視して示している。
図７に示すように、本発明の実施の形態３に係る異種材料の接続体１Ｄは、第１部材１０Ｄと、第２部材とを備える。
第１部材１０Ｄには、第１部材１０Ｄの表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部３００、第２凹部３１０および第３凹部３２０が形成されている。第１凹部３００、第２凹部３１０および第３凹部３２０の各々は、ＸＹ平面上において、互いに約６０°の角度で交差するように直線状に延在している。その結果、第１部材１０Ｄの表面に、第１凹部３００、第２凹部３１０および第３凹部３２０によって囲まれた複数の三角形が形成されている。第１凹部３００、第２凹部３１０および第３凹部３２０の各々の彫り込まれた先端は、Ｚ方向から見て、当該三角形の内側に位置している。すなわち、第１凹部３００、第２凹部３１０および第３凹部３２０の各々は、三角錐台の周面に沿うように形成されている。
なお、本実施の形態においては、第１部材１０Ｄの表面において複数の三角形状が形成されるように第１凹部３００、第２凹部３１０および第３凹部３２０が構成されているが、これに限られず、第１部材１０Ｄの表面において四角形以上の多角形状が形成されるように、第１部材１０Ｄの表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた４種以上の凹部が形成されていてもよい。
本発明の実施の形態３に係る異種材料の接続方法および異種材料の接続体１Ｄにおいては、第１部材１０Ｄの表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた複数の凹部によって第１部材１０Ｄの表面に多角形状を形成することによって、互いに接続された異種材料の接続強度が低くなる脆弱方向をなくしつつ多角錘台の全周を囲むように第２部材の一部を形成することによって異種材料の接続強度を高くして異種材料の脱離をさらに抑制することができる。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本開示の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではない。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 接続体、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 第１部材、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 第２部材、１００，１０１，１０２，２００，３００ 第１凹部、１１０，１１１，１１２，２１０，３１０ 第２凹部。

Claims (5)

  1. 第１部材の表面に、レーザー光を照射することにより、前記表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部および第２凹部を形成する工程と、
    前記第１部材より融点が低い第２部材の一部を前記第１凹部および前記第２凹部の各々の内部に溶融流動させて固化させることにより、前記第２部材の前記一部と前記第１凹部および前記第２凹部の各々とを互いに係合させつつ、前記第２部材を前記第１部材の前記表面に接続する工程とを備える、異種材料の接続方法。
  2. 前記第１凹部および前記第２凹部の少なくとも一方は、前記表面に線状に形成されている、請求項１に記載の異種材料の接続方法。
  3. 前記第１凹部および前記第２凹部の少なくとも一方は、スポット状に形成されている、請求項１に記載の異種材料の接続方法。
  4. 前記第１部材は金属材料から形成されており、前記第２部材は樹脂材料から形成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の異種材料の接続方法。
  5. 表面に対して互いに異なる角度で斜め方向に彫り込まれた、第１凹部および第２凹部が形成された第１部材と、
    前記第１部材より融点が低く、前記第１部材の前記表面に接続された第２部材とを備え、
    前記第２部材の一部は、前記第１凹部および前記第２凹部の各々の内部に入り込んで前記第１凹部および前記第２凹部の各々と係合している、異種材料の接続体。
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