JP5817140B2 - 金属部材と樹脂部材との接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法、及び金属部材と樹脂部材との接合継手に関する。

金属などの無機材料部材と熱可塑性樹脂部材との接合方法には、各種接着剤により接合する方法、及び、熱可塑性樹脂部材を加熱溶融させて接合する方法が知られている。

接着剤により接合する方法は、その多くは、有機溶剤に溶解された樹脂成分を低粘度の状態で接着面に塗工して接合し、その後、乾燥して樹脂成分を固化させるものである。この方法では有機溶剤が大気中に排出されるため、大気汚染や地球温暖化の防止等の観点からこの方法は好ましくない。さらに、熱可塑性樹脂、特にポリオレフィン系の非極性樹脂やフッ素樹脂に代表される低表面張力の樹脂を含む接着剤は、十分な接着強度を得ることが困難である。また、ホットメルト型の接着剤は、有機溶剤を使わずに済む利点があるが、接着強度があまり高くないこと、接着剤が冷えないうちに塗工から接合まで完了する必要があるため大面積の接合が困難であること、などの難点がある。

熱可塑性樹脂部材を加熱溶融させて接合する方法には、加熱による超音波接合、高周波誘導加熱による熱接合、外部熱源による加熱接合、樹脂自体を溶融成形する際に溶融状態の樹脂と無機材料を接触させる接合などがある。これらの接合は、いずれも材料自体の加熱及び冷却だけで接着できるので有機溶剤が不要で且つ強い接着強度を迅速に得られるという利点がある。これらの接合法のうち、超音波接合法は、ホーンと呼ばれる超音波振動子を樹脂部材に押接させることで無機／樹脂界面に付与された超音波振動と押付け圧力とを利用して接合を行うものであるが、この超音波接合法では連続的に延びた接合部を形成することが困難であった。さらに、超音波接合法では、樹脂部材にホーンを押接させて超音波エネルギーを接合予定部に伝達させるとこで接合を行うので、樹脂部材の厚さが厚い場合にはこの超音波接合法を適用できないという難点がある。高周波誘導加熱による熱接合は、渦電流を利用して金属部材を加熱させる方式と樹脂部材の誘電損失を利用して金属部材を加熱させる方式とがある。金属部材を加熱させる方式は、鋼管の継手などに利用されるが、コイルの大きさに制約があり、また継手の形状がパイプなどの単純な形状に限定されるという難点がある。

近年、摩擦エネルギーを利用した接合方法が開発されるようになっており、アルミニウム部材と樹脂部材との接合にも摩擦エネルギーを利用した接合方法の適用が検討されている。例えば、特開２００９−２７９８５８号公報（特許文献１）は、アルミニウム部材と熱可塑性樹脂部材との接合方法を開示している。その接合方法を簡単に説明すると次のとおりである。

まず、アルミニウム部材の表面に、熱可塑性樹脂部材と相溶可能な厚さ０．１μｍ〜５０μｍの熱可塑性樹脂層を形成する。次いで、アルミニウム部材の樹脂層を樹脂部材側にしてアルミニウム部材を樹脂部材に重ね合わせる。そして、アルミニウム部材側から円柱状の回転工具を回転させながらアルミニウム部材に押し当てることにより摩擦熱を発生させ、この摩擦熱によって樹脂層と樹脂部材との接触界面を加熱して樹脂層と樹脂部材とを相溶させる。その後、冷却することで樹脂層と樹脂部材とを一体化させ、これによりアルミニウム部材と樹脂部材とを接合する。

特開２００９−２７９８５８号公報

この接合方法では、アルミニウム部材の表面に形成される樹脂層の樹脂は、アルミニウム部材との密着性を高めるため変性樹脂であることが要求される。また、接合力は二つの樹脂の相溶により得られるので、接合可能な樹脂の種類が制限される。また、アルミニウム部材の全表面のうち樹脂層が形成された部分だけに樹脂部材が接合されるので、樹脂部材のアルミニウム部材への接合箇所が制限される。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させずに即ち直接的に接合可能な金属部材と樹脂部材との接合方法、及び金属部材と樹脂部材との接合継手を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］ 金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで接触させ、
回転している回転ツールを金属部材の表面の法線に対する回転ツールの軸線の傾斜角θが０°＜θ≦５°の条件を満足するように傾斜させて金属部材の表面に押し付けた状態にすることにより金属部材に付与された摩擦エネルギーによって、金属部材と樹脂部材とを接合することを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。

［２］ 前記回転ツールの先端面の直径をＤ、金属部材の厚さをｔとするとき、前記回転ツールは５ｔ≦Ｄ≦２０ｔの条件を満足したものである前項１記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［３］ 前記回転ツールは大気中において金属部材の表面に押し付けられる前項１又は２記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［４］ 前記摩擦エネルギーによって、金属部材と樹脂部材との接触界面を樹脂部材の融点以上で且つ金属部材の融点未満の温度に加熱して、金属部材と樹脂部材とを接合する前項１〜３のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［５］ 前記回転ツールを傾斜させて金属部材の表面に押し付けた状態で回転ツールをその傾斜方向とは反対側に金属部材に対して相対的に移動させる前項１〜４のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［６］ 前記回転ツールの先端面に該先端面の直径よりも小径のプローブが突設されており、
前記摩擦エネルギーと、前記回転ツールを金属部材に押し付ける際に金属部材中に埋入された前記プローブで金属部材の材料を撹拌することで発生する第２摩擦エネルギーとによって、金属部材と樹脂部材とを接合する前項１〜５のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［７］ 金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで且つ重ね合わせ状態にして接触させる前項１〜６のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［８］ 金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで且つ重ね合わせ状態にして接触させ、
前記回転ツールを傾斜させて金属部材の表面に押し付けた後、回転ツールを金属部材に対して相対的に金属部材の表面と平行な方向に移動させずに回転ツールの金属部材への押付けを解除することにより、金属部材と樹脂部材とを重ね点接合する前項１〜４のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［９］ 前記回転ツールの先端面に該先端面の直径よりも小径のプローブが突設されており、
前記摩擦エネルギーと、前記回転ツールを金属部材に押し付ける際に金属部材中に埋入された前記プローブで金属部材の材料を撹拌することで発生する第２摩擦エネルギーとによって、金属部材と樹脂部材とを接合する前項８記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［１０］ 金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで且つ突き合わせ状態にして接触させる前項１〜６のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［１１］ 金属部材は、樹脂部材との接触面に陽極酸化処理が施されたものである前項１〜１０のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［１２］ 金属部材と樹脂部材との相互接触面のうち少なくとも一方の接触面には、接合前にコロナ放電処理が施されている前項１〜１１のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

［１３］ 前項１〜１２のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法により得られた金属部材と樹脂部材との接合継手。

本発明は以下の効果を奏する。

上記［１］の接合方法によれば、金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで接触させるので、樹脂層を用いない分、安価に且つ容易に接合を行うことができるし、金属部材と接合可能な樹脂部材の種類が増加する。さらに、金属部材と樹脂部材とを任意の箇所で接合することができる。

しかも、金属部材の表面の法線に対する回転ツールの軸線の傾斜角θが０°＜θ≦５°の条件を満足するように回転ツールを傾斜させて押し付けた状態にすることにより、接合に必要な単位面積当たりの摩擦エネルギーを確保することができ、これにより金属部材と樹脂部材とを強固に接合することができるし、更に、金属部材の減肉による接合強度の低下を防止することができる。

上記［２］の接合方法によれば、回転ツールが所定の条件を満たしたものであることにより、様々な厚さの金属部材について樹脂部材と確実に強固に接合することができる。

上記［３］の接合方法によれば、回転ツールは大気中において金属部材の表面に押し付けられることにより、樹脂部材の材料がＯＨ基やカルボキシル基等の極性基を含まない場合でも、金属部材と樹脂部材とを強固に接合することができる。

上記［４］の接合方法によれば、摩擦エネルギーによって、金属部材と樹脂部材との接触界面を樹脂部材の融点以上で且つ金属部材の融点未満の温度に加熱することにより、金属部材と樹脂部材とを更に確実に接合することができる。

上記［５］の接合方法によれば、回転ツールを傾斜させて金属部材の表面に押し付けた状態で回転ツールを金属部材に対して相対的に移動させることにより、金属部材と樹脂部材との接合部を線状に形成することができ、これにより金属部材と樹脂部材との接合強度を向上させることができる。しかも、回転ツールの金属部材に対する相対的な移動方向が該回転ツールの傾斜方向とは反対側であることにより、金属部材の表面が回転ツールの接合方向前方側の部分で切削された状態になるのを防止することができ、これにより、金属部材に摩擦エネルギーを確実に付与することができる。

上記［６］の接合方法によれば、金属部材に付与する摩擦エネルギーの総量を増大させることができる。その結果、金属部材が厚かったり金属部材と樹脂部材との接触界面が金属部材の回転ツールとの接触部から大きく離れていたりする場合でも、金属部材と樹脂部材との接触界面が確実に加熱されるようになり、これにより、金属部材と樹脂部材とを更に確実に強固に接合することができる。

上記［７］の接合方法によれば、金属部材と樹脂部材との重ね継手を得ることができる。

上記［８］の接合方法によれば、金属部材と樹脂部材とを確実に重ね点接合することができる。

上記［９］の接合方法によれば、金属部材に付与する摩擦エネルギーの総量を増大させることができる。その結果、金属部材が厚かったり金属部材と樹脂部材との接触界面が金属部材の回転ツールとの接触部から大きく離れていたりする場合でも、金属部材と樹脂部材との接触界面が確実に加熱されるようになり、これにより、金属部材と樹脂部材とを更に確実に強固に接合することができる。

上記［１０］の接合方法によれば、金属部材と樹脂部材との突き合わせ継手を得ることができる。

前項［１１］の接合方法では、金属部材は、樹脂部材との接触面に陽極酸化処理が施されたものであることにより、金属部材と樹脂部材とを更に強固に接合することができる。

前項［１２］の接合方法では、金属部材と樹脂部材との相互接触面のうち少なくとも一方の接触面に接合前にコロナ放電処理が施されていることにより、金属部材の表面の汚染物質を除去することができるし、樹脂部材の表面にＯＨ基やカルボキシル基等の極性基を生成することができる。これにより、金属部材と樹脂部材とを更に強固に接合することができる。

前項［１３］の金属部材と樹脂部材との接合継手によれば、金属部材と樹脂部材との接合の際に本発明に係る金属部材と樹脂部材との接合方法についての効果を奏する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る金属部材と樹脂部材との接合方法を説明する図であって、金属部材と樹脂部材とを重ね接合する途中の状態の斜視図である。 図２Ａは、図１中のＸ−Ｘ線断面図である。 図２Ｂは、図１中のＹ−Ｙ線断面図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係る金属部材と樹脂部材との接合方法として、金属部材と樹脂部材とを重ね点接合する方法を説明する斜視図である。 図４は、本発明の第３実施形態に係る金属部材と樹脂部材との接合方法を説明する図であって、金属部材と樹脂部材とを重ね接合する途中の状態の断面図である。 図５は、本発明の第４実施形態に係る金属部材と樹脂部材との接合方法を説明する図であって、金属部材と樹脂部材とを突き合わせ接合する途中の状態の断面図である。 図６は、引張剪断試験に用いた試験片の斜視図である。

次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１〜２Ｂは、本発明の第１実施形態に係る金属部材と樹脂部材との接合方法を説明する図である。これらの図において、１は金属部材、２は樹脂部材である。なお、これらの図面では、本実施形態を理解し易くするため、金属部材１及び樹脂部材２の厚さは厚く描かれている。

金属部材１は板状（詳述すると平板状）である。金属部材１の材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、鉄、鋼、表面処理鋼などの金属である。

図２Ａにおいて、ｔは金属部材１の厚さである。金属部材１の厚さｔは限定されるものではないが、特に０．３ｍｍ以上であることが望ましい。その理由は、金属部材１の厚さｔが０．３ｍｍ以上である場合、金属部材１に摩擦エネルギーを付与した際に金属部材１の変形が生じるのを確実に防止することができるからである。金属部材１の厚さｔの上限も限定されるものではなく、通常１０ｍｍである。

樹脂部材２は板状（詳述すると平板状）である。樹脂部材２の材料は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−アクリル酸コポリマー（ＥＡＡ）、エンジニアリングプラスチック、フッ素樹脂（例：ポリテトラフルオロエチレン）、超高分子量ポリエチレンなどの樹脂である。樹脂部材２の厚さは例えば１〜２０ｍｍである。また、樹脂部材２の融点は金属部材１の融点よりも低くなっている。

本第１実施形態では、金属部材１の厚さｔと樹脂部材２の厚さは等しくものとする。ただし本発明では、金属部材１の厚さｔと樹脂部材２の厚さが等しい場合に限定されるものではなく、相異していても良い。

図１では、樹脂部材２は大気中においてテーブル（図示せず）上に水平状に載置されている。そして、この樹脂部材２の端部上に水平状に配置された金属部材１の端部が大気中において重ね合わされている。このように金属部材１と樹脂部材２とが重ね合わされた状態において、金属部材１と樹脂部材２との間には上記先行技術に記載のような中間層としての樹脂層は介在されていない。すなわち、金属部材１と樹脂部材２とは両者の間に樹脂層を介在させないで（即ち直接的に）且つ互いに重ね合わせ状態にして接触している。

このように金属部材１と樹脂部材２とを重ね合わせた状態で、樹脂部材２ではなく金属部材１に摩擦エネルギーを付与し、これにより、金属部材１と樹脂部材２とを接合する。

本第１実施形態では、金属部材１に摩擦エネルギーを付与する手段として、回転ツール１０が用いられている。この回転ツール１０は、２つの金属部材同士の接合に広く適用されている摩擦撹拌接合法に用いられる接合ツールとしての回転ツールからピン状プローブを取り除いたものであることが望ましい。すなわち、この回転ツール１０は、円柱状に形成されるとともに、その軸線Ｑを中心に回転駆動し得るように構成されている。さらに、この回転ツール１０は、その先端面１１を金属部材１との接触部とするものである。回転ツール１０の先端面１１は、その外周縁部が軸線Ｑに対して垂直な平面上に存在するように形成されており、本第１実施形態では先端面１１は軸線Ｑに対して垂直に形成されている。図２Ａにおいて、Ｄは、回転ツール１０の先端面１１の直径である。

さらに、本第１実施形態では、回転ツール１０の先端面１１の中心部に摩擦撹拌接合用接合ツールのようなピン状プローブは突設されていない。また、回転ツール１０は、金属部材１よりも硬質で且つ接合時に発生する摩擦エネルギーとしての摩擦熱に耐えうる耐熱材料で形成されている。

金属部材１と樹脂部材２とを接合する場合には、まず、この回転ツール１０を高速で回転させる。そして、図２Ｂに示すように、回転ツール１０を金属部材１の表面１ａの法線Ｐに対する回転ツール１０の軸線Ｑの傾斜角θが０°＜θ≦５°の条件を満足するように傾斜させるとともに、金属部材１と樹脂部材２とが密着するように即ち金属部材１と樹脂部材２との重ね合わせ界面４（接触界面３）が加圧されるように、大気中において金属部材１の表面（上面）１ａに回転ツール１０の先端面１１を金属部材１の上側から下方向に押し付ける。これにより、回転ツール１０の先端面１１における回転ツール１０の傾斜側の部分が金属部材１中にその表面１ａから僅かに埋入されるとともに、該先端面１１における回転ツール１０の傾斜側とは反対側の部分が金属部材１の表面１ａから僅かに浮いた状態になって、金属部材１の表面１ａにおける回転ツール１０の先端面１１との接触部１ｂに摩擦エネルギーとしての摩擦熱が発生する。

すると、この摩擦熱が接触部１ｂから金属部材１と樹脂部材２との重ね合わせ界面４に伝導するとともに、この摩擦熱によって重ね合わせ界面４が樹脂部材２の融点以上で且つ金属部材１の融点未満の温度に加熱され、これにより重ね合わせ界面４で樹脂部材２が局部的に溶融する。そして、傾斜された回転ツール１０の先端面１１を金属部材１の表面１ａに押し付けた状態のままで、回転ツール１０をその傾斜方向とは反対側に金属部材１の端部に沿って即ち接合線に沿って金属部材１に対して相対的に移動させる。この相対的な移動方向が接合方向Ｓであり、これは金属部材１の表面１ａと平行な方向である。本第１実施形態では、金属部材１及び樹脂部材２の位置を固定しておき、回転ツール１０を接合方向Ｓに移動させている。

重ね合わせ界面４で局部的に溶融した樹脂部材２の溶融部分は、回転ツール１０が移動することで摩擦熱を失って冷却され、これにより金属部材１と樹脂部材２とが重ね合わせ界面４で局部的に接合される。図２Ａ及び２Ｂにおいて、７は、金属部材１と樹脂部材２との接合部である。なお、これらの図では、この接合部７は、他の部分と区別し易くするためドットハッチングで図示されている。そして、この接合部７は、回転ツール１０の移動に伴い回転ツール１０の移動軌跡線に沿って連続的に線状に形成されていく。その結果、金属部材１と樹脂部材２との接合面積が増大し、即ち接合強度が増大する。

回転ツール１０の先端面１１が所定の接合終端位置まで到達したら、回転ツール１０を金属部材１に対して相対的に上昇させることにより、回転ツール１０の先端面１１を金属部材１の表面１ａから離して回転ツール１０の金属部材１への押付けを解除する。これにより、金属部材１と樹脂部材２との接合が終了する。

以上のように、金属部材１と樹脂部材２とが重ね合わせ界面４で回転ツール１０の移動軌跡線に沿って接合されることにより、金属部材１と樹脂部材２との接合継手としての重ね継手が得られる。

上記第１実施形態の接合方法の接合条件は、金属部材１及び樹脂部材２の材料の種類、厚さ等に応じて設定されるものであり、通常、次のとおりである。すなわち、回転ツール１０の先端面１１の直径Ｄは１０〜３０ｍｍ、回転ツール１０の回転速度は１０００〜５０００回転／ｍｉｎ、接合速度（即ち回転ツール１０の移動速度）は２００〜１０００ｍｍ／ｍｉｎである。

ここで、接合の際には、金属部材１の表面１ａの法線Ｐに対する回転ツール１０の軸線Ｑの傾斜角θは０°＜θ≦５°の条件を満足している必要がある。その理由は後述する。なお、傾斜角θは摩擦撹拌接合の技術分野でいう「前進角」に対応する。

上記第１実施形態の接合方法の接合原理は次のとおりであると考えられる。

金属部材１の全表面には一般に金属酸化皮膜が存在している。すなわち、例えば、金属部材１の材料がアルミニウム又はその合金である場合には酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の皮膜が存在しており、マグネシウム又はその合金である場合には酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の皮膜が存在しており、チタンである場合にはチタン酸化物の皮膜が存在しており、銅である場合には銅酸化物の皮膜が存在しており、鉄や鋼である場合には鉄酸化物の皮膜が存在している。特に、金属部材１は、その全表面のうち少なくとも樹脂部材２との接触面に陽極酸化処理が施されたものであることが望ましく、これにより、金属部材１の樹脂部材２との接触面に金属酸化皮膜を積極的に存在させ得て、金属部材１と樹脂部材２とを確実に接合することができる。

樹脂部材２の材料は、炭素と水素が直鎖状に並んだ高分子化合物、あるいは水素の一部が他の元素又は原子団で置換された高分子化合物を含んでいる。特に、樹脂部材２の材料は、水素の一部が原子団としてのカルボキシル基（ＣＯＯＨ）で置換された高分子化合物を含んでいることが、金属部材１と樹脂部材２とを確実に接合し得る点で望ましい。

このような金属部材１と樹脂部材２とを直接的に重ね合わせ、次いで上記第１実施形態のように金属部材１に摩擦エネルギー（摩擦熱）を付与すると、金属部材１と樹脂部材２との重ね合わせ界面４が急速に加熱される。これにより、重ね合わせ界面４において樹脂部材２のカルボキシル基（ＣＯＯＨ）のＨが解離し、そして、金属部材１の表面に存在する金属酸化皮膜中の酸素とＣＯＯ−とが結合することにより、金属部材１と樹脂部材２とが重ね合わせ界面４で接合されると考えられる。もし樹脂部材２の材料がカルボキシル基を殆ど含まれていないで樹脂部材２の表面にカルボキシル基が殆ど存在しない場合でも、大気中において接合を行えば、樹脂部材２の材料がカルボキシル基を含んでいる場合と同様の効果を得ることができる。

而して、上記第１実施形態の接合方法によれば、金属部材１と樹脂部材２とを両者に樹脂層を介在させないで且つ重ね合わせ状態にして接触させるので、樹脂層を用いない分、安価に且つ容易に接合を行うことができるし、金属部材１と接合可能な樹脂部材２の種類が増加する。さらに、金属部材１と樹脂部材２を任意の箇所で接合することができる。

さらに、接合の際には、金属部材１の表面１ａの法線Ｐに対する回転ツール１０の軸線Ｑの傾斜角θは０°＜θ≦５°の条件を満足していることにより、次の利点がある。

すなわち、もしθが０°である場合（即ちθ＝０°）、回転ツール１０の先端面１１の全面が金属部材１の表面１ａに接触するため、接合に必要な単位面積当たりの摩擦エネルギーが不足するし、更に、回転ツール１０を相対的に接合方向Ｓに移動させる際に回転ツール１０の先端面１１における回転ツール１０の傾斜側とは反対側の部分（即ち先端面１１の接合方向Ｓ前方側の部分）で金属部材１の表面１ａが切削された状態となって摩擦エネルギーとしての摩擦熱が不足し、その結果、金属部材１と樹脂部材２とを強固に接合することができなくなる。一方、θが５°を超える場合（即ちθ＞５°）、回転ツール１０の先端面１１における回転ツール１０の傾斜側の部分が金属部材１に過度に押し込まれることによって、金属部材１が減肉して接合強度が低下する。したがって、θは０°＜θ≦５°の条件を満足している必要があり、こうすることにより、接合に必要な単位面積当たりの摩擦エネルギーを確保することができ、これにより金属部材１と樹脂部材２とを強固に接合することができるし、更に、金属部材１の減肉による接合強度の低下を防止することができる。

さらに、摩擦エネルギーが、回転している回転ツール１０を金属部材１の表面１ａに押し付けることで発生する摩擦熱であるから、摩擦エネルギーを金属部材１の必要な部位だけに局部的に且つ容易に付与することができる。

さらに、回転ツール１０は５ｔ≦Ｄ≦２０ｔ（ただし、Ｄ：回転ツール１０の先端面１１の直径、ｔ：金属部材１の厚さ）を満足したものを用いるのが望ましい。こうすることにより、様々な厚さの金属部材１について樹脂部材２と確実に強固に接合することができる。

さらに、摩擦エネルギーによって、金属部材１と樹脂部材２との重ね合わせ界面４を樹脂部材２の融点以上で且つ金属部材１の融点未満の温度に加熱することにより、金属部材１と樹脂部材２とを更に確実に強固に接合することができる。

さらに、回転ツール１０を傾斜させてその先端面１１を金属部材１の表面１ａに押し付けた状態で回転ツール１０をその傾斜方向とは反対側に金属部材１に対して相対的に移動させることにより、金属部材１と樹脂部材２との接合部７を線状に形成することができ、これにより、金属部材１と樹脂部材２との接合強度を向上させることができる。しかも、回転ツール１０の金属部材１に対する相対的な移動方向が該回転ツール１０の傾斜方向とは反対側であることにより、金属部材１の表面１ａにおける回転ツール１０の接合方向Ｓ前方側で該表面１ａが切削された状態になるのを防止することができ、これにより、金属部材１に摩擦エネルギーを確実に付与することができ、その結果、金属部材１と樹脂部材２とを更に確実に強固に接合することができる。

さらに、本第１実施形態では、金属部材１は、少なくとも樹脂部材２との接触面１ｃに陽極酸化処理が施されたものであることが望ましい。こうすることにより、金属部材１と樹脂部材２とを更に強固に接合することができる。

さらに、金属部材１と樹脂部材２との相互接触面（相互重ね合わせ面）１ｃ、２ｃのうち少なくとも一方の接触面（重ね合わせ面）には、接合前に予めコロナ放電処理が施されていることが望ましい。こうすることにより、金属部材１と樹脂部材２とを更に強固に接合することができる。すなわち、コロナ放電処理とは、絶縁された電極と誘電体ロールとの間に部材１、２を通し、電極と誘電体ロールとの間に高周波及び高電圧を印加して大気中にてコロナ放電を発生させることにより行われる処理であり、そのコロナ放電電子を部材１、２の接触面１ｃ、２ｃに照射することによりコロナ放電の発生と共にラジカル酸素等が生じる。これにより、金属部材１の接触面１ｃの汚染物質を除去するとともに、樹脂部材２の接触面２ｃにＯＨ基やＣＯＯＨ基等の極性基を生成し、金属部材１と樹脂部材２との接合を補助する。その結果、金属部材１と樹脂部材２とを更に強固に接合することが可能となる。

図３の第２実施形態は、金属部材１と樹脂部材２とを重ね点接合する場合を示している。本第２実施形態について、上記第１実施形態との相異点を中心に以下に説明する。

本第２実施形態では、回転している回転ツール１０の先端面１１を回転ツール１０を傾斜させて金属部材１の表面１ａに押し付けた後、回転ツール１０を金属部材１に対して相対的に金属部材１の表面１ａと平行な方向に移動させずに該回転ツール１０を金属部材１に対して相対的に上昇させることにより回転ツール１０の先端面１１を金属部材１の表面１ａから離して、回転ツール１０の金属部材１への押付けが解除される。これにより、金属部材１と樹脂部材２とが両者の重ね合わせ界面４で線状ではなく点状に接合される。その結果、金属部材１と樹脂部材２との重ね点継手が得られる。本第２実施形態の他の工程は、上記第１実施形態と同じである。

ここで、本第２実施形態でも上記第１実施形態と同様の理由により、金属部材１は、樹脂部材２との接触面１ｃに陽極酸化処理が施されたものであることが望ましい。さらに、金属部材１と樹脂部材２との相互接触面（相互重ね合わせ面）１ｃ、２ｃのうち少なくとも一方の接触面（重ね合わせ面）には、接合前に予めコロナ放電処理が施されていることが望ましい。

図４の第３実施形態は、金属部材１の厚さが厚い場合を示している。本第３実施形態について、上記第１実施形態との相異点を中心に以下に説明する。

本第３実施形態では、金属部材１の厚さは上記第１実施形態の金属部材の厚さよりも厚くなっている。回転ツール１０の先端面１１の中心部には、先端面１１の直径よりも径小のピン状プローブ１２が回転ツール１０の軸線Ｑに沿って一体に突設されており、回転ツール１０が回転すると、プローブ１２も回転ツール１０と一体に回転するように構成されている。プローブ１２の断面形状は円形状、楕円形状、多角形状などである。プローブ１２の長さは金属部材１の厚さよりも短く設定されている。

図４では、回転している回転ツール１０の先端面１１は、回転ツール１０が金属部材１の表面１ａの法線に対して傾斜した状態で金属部材１の表面１ａに押し付けられており、また、回転しているプローブ１２は回転ツール１０の先端面１１が金属部材１の表面１ａに押し付けられた際に金属部材１中に埋入されている。

本第３実施形態では、回転ツール１０の先端面１１を金属部材１の表面１ａに押し付けることで発生する第１摩擦エネルギーとしての第１摩擦熱と、金属部材１中に埋入されたプローブ１２で金属部材１の材料を撹拌することで発生する第２摩擦エネルギーとしての第２摩擦熱とによって、金属部材１と樹脂部材２との重ね合わせ界面４が樹脂部材２の融点以上で且つ金属部材１の融点未満の温度に加熱される。これにより、金属部材１と樹脂部材２とが重ね合わせ界面４で接合される。その結果、金属部材１と樹脂部材２との重ね継手が得られる。本第３実施形態の他の工程は、上記第１実施形態と同じである。

ここで、本第３実施形態でも上記第１実施形態と同様の理由により、金属部材１は、樹脂部材２との接触面１ｃに陽極酸化処理が施されたものであることが望ましい。さらに、金属部材１と樹脂部材２との相互接触面（相互重ね合わせ面）１ｃ、２ｃのうち少なくとも一方の接触面（重ね合わせ面）には、接合前に予めコロナ放電処理が施されていることが望ましい。

図５の第４実施形態は、金属部材１と樹脂部材２とを突き合わせ接合する場合を示している。本第４実施形態について、上記第１実施形態との相異点を中心に以下に説明する。

本第４実施形態では、金属部材１と樹脂部材２とは両者の間に樹脂層を介在させないで且つ突き合わせ状態にして大気中においてテーブル（図示せず）上に水平状に載置されている。すなわち、金属部材１の端部の端面と樹脂部材２の端部の端面とは直接的に接触している。

回転ツール１０の先端面１１の中心部には、上記第３実施形態の回転ツールと同様に先端面１１の直径よりも径小のピン状プローブ１２が回転ツール１０の軸線Ｑに沿って一体に突設されている。プローブ１２の長さは金属部材１の厚さよりも短く設定されている。

図５では、回転している回転ツール１０の先端面１１は、回転ツール１０が金属部材１の表面１ａの法線に対して傾斜した状態で金属部材１と樹脂部材２との突き合わせ界面５（接触界面３）の近傍における金属部材１の表面１ａに押し付けられており、また、回転しているプローブ１２は回転ツール１０の先端面１１が金属部材１の表面１ａに押し付けられた際に金属部材１中に埋入されている。本第４実施形態では、回転ツール１０の先端面１１を金属部材１に押し付けることで発生する第１摩擦エネルギーとしての第１摩擦熱と、金属部材１中に埋入されたプローブ１２で金属部材１の材料を撹拌することで発生する第２摩擦エネルギーとしての第２摩擦熱とによって、金属部材１と樹脂部材２との突き合わせ界面５が樹脂部材２の融点以上で且つ金属部材１の融点未満の温度に加熱される。これにより、金属部材１と樹脂部材２とが突き合わせ界面５で接合される。さらに、回転ツール１０が突き合わせ界面５の延びる方向と平行に金属部材１に対して相対的に移動させる。これにより、接合部７が線状に形成される。その結果、金属部材１と樹脂部材２との接合継手としての突き合わせ継手が得られる。本第４実施形の他の工程は、上記第１実施形態と同じである。

ここで、本第４実施形態でも上記第１実施形態と同様の理由により、金属部材１は、樹脂部材２との接触面１ｃに陽極酸化処理が施されたものであることが望ましい。さらに、金属部材１と樹脂部材２との相互接触面（相互突き合わせ面）１ｃ、２ｃのうち少なくとも一方の接触面（突き合わせ面）には、接合前に予めコロナ放電処理が施されていることが望ましい。

上記第３及び第４実施形態によれば、回転ツール１０の先端面１１にプローブ１２が突設されているので、金属部材１の厚さが厚かったり金属部材１と樹脂部材２との接触界面３（即ち、重ね合わせ界面４又は突き合わせ界面５）が金属部材１の回転ツール１０との接触部１ｂから大きく離れていたりする場合でも、金属部材１と樹脂部材２との接触界面３が確実に加熱され、これにより、金属部材１と樹脂部材２とを更に確実に強固に接合することができる。なお、回転ツール１０のプローブ１２の長さは、金属部材１の厚さや、金属部材１の回転ツール１０との接触部１ｂから金属部材１と樹脂部材２との接触界面３までの距離に応じて設定される。

以上で本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々に変更可能である。

また本発明では、上記第１及び２実施形態で用いた回転ツール１０は、上記第３実施形態で用いた回転ツールのようにその先端面１１にプローブ１２が突設されたものであっても良い。

また、本発明では、回転ツール１０の位置を固定しておき、金属部材１及び樹脂部材２を移動させることにより、接合を行っても良い。

次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。ただし、本発明は以下に示した実施例に限定されるものではない。また、以下の説明文では、実施例及び比較例を理解し易くするため、上記第１実施形態と同じ符号が用いられている。

＜実施例１〜１５、比較例１〜１０＞
様々な材料製の平板状金属部材１と様々な材料製の平板状樹脂部材２とを準備した。準備した金属部材１及び樹脂部材２の材料は、それぞれ表１中の「金属部材の材料」及び「樹脂部材の材料」欄に示したとおりである。

表１中の「金属部材の材料」欄において、「アルミ合金」の語の後に記載された記号はアルミニウム合金記号である。また、アルミニウム合金記号の「Ａ２０１７」は展伸材であり、一方、「ＡＣ４Ｃ」は鋳造材である。また、「陽極酸化処理済み」とは、アルミニウム合金の金属部材の全表面に公知の方法により陽極酸化処理が施されたものである。「マグネ合金」の語の後に記載された記号「ＡＺ３１」はマグネシウム合金記号である。アルミニウム合金Ａ２０１７の融点は６４０℃、ＡＣ４Ｃの融点は６１０℃である。マグネシウム合金ＡＺ３１の融点は６３２℃である。金属部材１の寸法は、いずれも長さ１５０ｍｍ×幅７５ｍｍ×厚さｔ１．５ｍｍである。

「樹脂部材の材料」欄において、「ＥＡＡ」とはエチレン−アクリル酸コポリマー、「ＰＥ」とはポリエチレンを意味している。ＥＡＡの融点は１００〜１０４℃、ＰＥの融点は１３２℃である。樹脂部材２の寸法は、いずれも長さ１５０ｍｍ×幅７５ｍｍ×厚さ１．７ｍｍである。

次いで、図１〜２Ｂに示すように、水平状に配置された樹脂部材２の幅方向の端部上に金属部材１の幅方向の端部を大気中において金属部材１と樹脂部材２との間に樹脂層を介在させないで即ち直接的に重ね合わせた。このときの重ね幅は５０ｍｍである。そして、上記第１実施形態の接合方法に従って以下の接合条件で回転ツール１０を用いて金属部材１と樹脂部材２とを両者の重ね合わせ界面４で線状に接合し、これにより、金属部材１と樹脂部材２との重ね継手を得た。

接合条件は次のとおりである。

・回転ツール１０の先端面１１の直径Ｄ：１５ｍｍ
・回転ツール１０の傾斜角θ：表１中の「傾斜角θ」欄に記載のとおり
・回転ツール１０の回転速度：１０００回転／ｍｉｎ
・接合速度：４００ｍｍ／ｍｉｎ
・回転ツール１０の先端面１１の金属部材１への埋入深さ：０．５ｍｍ。

なお、回転ツール１０の先端面１１の直径Ｄが１５ｍｍ、金属部材１の厚さｔが１．５ｍｍであるから、Ｄ＝１０ｔである。したがって、この回転ツール１０は５ｔ≦Ｄ≦２０ｔの条件を満足している。

次いで、この重ね継手を幅Ｅ＝１５ｍｍで接合方向Ｓと直角方向に切断することで、重ね継手から図６に示した試験片２０を採取した。そして、この試験片２０について引張剪断試験を行った。すなわち、試験片２０における金属部材１と樹脂部材２とを両者の接合部７に剪断力が付与されるように互いに逆方向に引っ張り、これにより破断したときの荷重を引張剪断荷重として測定した。その結果を表１中の「引張剪断試験結果」欄に示す。同欄において、○、△及び×はそれぞれ次のことを意味している。

○：単位接合長さ当たりの最大引張剪断荷重が１５Ｎ／ｍｍ以上
△：単位接合長さ当たりの最大引張剪断荷重が１５Ｎ／ｍｍ未満
×：接合できず。

［総評］
表１から分かるように、回転ツール１０の軸線Ｑの傾斜角θを０°＜θ≦５°（特に望ましくは１°≦θ≦５°）に設定することにより、最大引張剪断荷重が比較的大きく、したがって金属部材１と樹脂部材２との接合強度が高かった。一方、θが０°である場合には、金属部材１と樹脂部材２とを接合することができなかった。また、θが５°を超えた場合には、最大引張剪断荷重が比較的小さく、したがって金属部材１と樹脂部材２との接合強度が低かった。

さらに、金属部材１が陽極酸化処理が施されたものであっても、当該金属部材１と樹脂部材２とを強固に接合することができた。

本発明は、例えば、自動車、建築、電気機器、航空宇宙の分野などで用いられる金属部材と樹脂部材との接合方法、及び金属部材と樹脂部材との接合継手に利用可能である。

１：金属部材
１ａ：金属部材の表面
２：樹脂部材
２ａ：樹脂部材の表面
３：接触界面
４：重ね合わせ界面
５：突き合わせ界面
７：接合部
１０：回転ツール
１１：回転ツールの先端面
Ｑ：回転ツールの軸線
Ｐ：金属部材の表面の法線

Claims (6)

1. 金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで接触させ、
   回転している回転ツールを金属部材の表面の法線に対する回転ツールの軸線の傾斜角θが０°＜θ≦５°の条件を満足するように傾斜させて金属部材の表面に押し付けた状態にすることにより金属部材に付与された摩擦エネルギーによって、金属部材と樹脂部材とを接合することとし、
   金属部材は、樹脂部材との接触面に陽極酸化処理が施されたものである、金属部材と樹脂部材との接合方法。
2. 前記回転ツールを傾斜させて金属部材の表面に押し付けた状態で回転ツールをその傾斜方向とは反対側に金属部材に対して相対的に移動させる請求項１記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
3. 金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで且つ重ね合わせ状態にして接触させ、
   前記回転ツールを傾斜させて金属部材の表面に押し付けた後、回転ツールを金属部材に対して相対的に金属部材の表面と平行な方向に移動させずに回転ツールの金属部材への押付けを解除することにより、金属部材と樹脂部材とを重ね点接合する請求項１記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
4. 金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで接触させ、
   回転している回転ツールを金属部材の表面の法線に対する回転ツールの軸線の傾斜角θが０°＜θ≦５°の条件を満足するように傾斜させて金属部材の表面に押し付けた状態にすることにより金属部材に付与された摩擦エネルギーによって、金属部材と樹脂部材とを接合することとし、
   金属部材と樹脂部材との相互接触面のうち少なくとも一方の接触面には、接合前にコロナ放電処理が施されている、金属部材と樹脂部材との接合方法。
5. 前記回転ツールを傾斜させて金属部材の表面に押し付けた状態で回転ツールをその傾斜方向とは反対側に金属部材に対して相対的に移動させる請求項４記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
6. 金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで且つ重ね合わせ状態にして接触させ、
   前記回転ツールを傾斜させて金属部材の表面に押し付けた後、回転ツールを金属部材に対して相対的に金属部材の表面と平行な方向に移動させずに回転ツールの金属部材への押付けを解除することにより、金属部材と樹脂部材とを重ね点接合する請求項４記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

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