JP5836150B2 - 金属材料と樹脂材料との接合方法及びそれに用いる溶接装置 - Google Patents
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Description
本発明は、金属材料と樹脂材料と接合方法及びそれに用いる溶接装置に関する。
従来、金属と樹脂とが複合されてそれぞれの含有量が連続的に変化し、一方の端部は実質的に金属からなり、他方の端部は実質的に樹脂からなるコンポジット部材が知られている。前記コンポジット部材は、例えば、樹脂粒子と、金属粒子とを混合して一体化させたものである。前記コンポジット部材は、一方の端部に近づくほど樹脂粒子の含有量が大となっており、他方の端部に近づくほど金属粒子の含有量が大となっている（例えば、特許文献１参照）。
前記コンポジット部材は、金属部材を接続して接合部材とすることも考えられる。前記コンポジット部材は、前記金属粒子の含有量が大となっていて実質的に金属からなる端部に前記金属部材を連接させることにより、前記接合部材を形成することができる。
前記接合部材によれば、前記金属部材に金属材料を溶接すると共に、前記コンポジット部材の樹脂粒子の含有量が大となっていて実質的に樹脂からなる端部に樹脂材料を接合することにより、該金属材料と該樹脂材料とを接合することができる。
しかしながら、前記従来の方法では、前記金属部材に前記金属材料を溶接する際の熱が、該金属部材を介して前記コンポジット部材に伝導され、該コンポジット部材が含有する樹脂を劣化させることがあるという不都合がある。
本発明は、かかる不都合を解消して、接合部材が含有する樹脂を劣化させることなく、金属材料と樹脂材料とを接合することができる方法及びそれに用いる溶接装置を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明は、金属粒子と樹脂粒子とを混合して一体化させてなり、一方の端部に近づくほど金属粒子の含有量が大であり、他方の端部に近づくほど樹脂粒子の含有量が大であるコンポジット部材と、該コンポジット部材の金属粒子の含有量が大となる側の端部で該コンポジット部材に連接する金属部材とからなる接合部材を用い、該金属部材を金属材料に溶接すると共に、該コンポジット部材の樹脂粒子の含有量が大となる側の端部に樹脂材料を接合する金属材料と樹脂材料との接合方法において、該金属部材を該金属材料に溶接する際に、溶接される部分に連接する該金属部材を冷却し、該コンポジット部材を、その含有する樹脂の劣化温度未満の温度となるようにすることを特徴とする。
本発明では、金属粉末と樹脂粉末とを含むコンポジット部材と、該コンポジット部材の実質的に金属からなる端部に連接された金属部材とからなる接合部材を用いて、金属材料と樹脂材料とを接合する。
前記コンポジット部材は、金属粒子と樹脂粒子とを混合して一体化させてなる。前記コンポジット部材では、一方の端部に近づくほど金属粒子の含有量が大となっており、他方の端部に近づくほど樹脂粒子の含有量が大となっている。
この結果、前記コンポジット部材は、金属粒子の含有量が大となっている端部は実質的に金属からなり、樹脂粒子の含有量が大となっている端部は実質的に樹脂からなっている。
前記接合部材によれば、前記金属部材を金属材料に溶接すると共に、前記コンポジット部材の樹脂粒子の含有量が大となる側の端部に樹脂材料を接合することにより、金属材料と樹脂材料とを接合することができる。しかし、このとき前記溶接の熱により、前記コンポジット部材が含有する樹脂が劣化すると、樹脂粒子の含有量が大となる側の端部における樹脂材料との接合が困難になることが懸念される。
そこで、本発明では、前記金属材料に溶接される部分に連接する前記金属部材を冷却し、前記コンポジット部材を、その含有する樹脂の劣化温度未満の温度となるようにする。このようにすることにより、前記コンポジット部材が含有する樹脂が溶接の熱により劣化することを回避することができ、前記樹脂粒子の含有量が大となる側の端部に前記樹脂材料を確実に接合することができる。
また、本発明の金属材料と樹脂材料との接合方法において、前記接合部材は、前記溶接される部分との間に、前記金属部材の温度が前記コンポジット部材の含有する樹脂の劣化温度未満の温度となる間隔を存して、該コンポジット部材を連接させることにより形成されることが好ましい。前記金属部材の温度が前記コンポジット部材の含有する樹脂の劣化温度未満の温度となる間隔は、前記金属部材を前記金属材料に溶接する際に、前記溶接される部分に連接する該金属部材を冷却し、該金属部材の温度分布を測定することにより把握される。
このようにすることにより、前記金属部材の長さを必要最低限に短縮することができ、前記接合部材を軽量化することができる。また、前記溶接される部分との間に、前記間隔を存する範囲で、前記金属部材に対する前記コンポジット部材の連接位置を任意に設定できるので、該コンポジット部材を短小化して設計自由度を向上させることができると共に、コストを低減することができる。
本発明の溶接装置は、前記金属部材を金属材料に溶接する溶接装置であって、前記金属部材と前記金属材料との溶接される部分を挟持して溶接する１対の溶接手段と、該溶接される部分に連接する該金属部材を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする。
本発明の溶接装置によれば、前記１対の溶接手段により、前記金属部材と前記金属材料との溶接される部分を挟持して溶接を行うことができる。また、本発明の溶接装置によれば、前記溶接と同時に、前記冷却手段により前記溶接される部分に連接する前記金属部材を冷却して、前記コンポジット部材を、その含有する樹脂の劣化温度未満の温度となるようにすることができる。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
本実施形態の接合方法は、図１に示す棒状の接合部材１を用いて、金属材料と樹脂材料とを接合する。
接合部材１は、コンポジット部材２と、コンポジット部材２の実質的に金属からなる端部２ａに連接された金属部材３とからなる。
コンポジット部材２は、金属粒子２１と、樹脂粒子２２とを混合して一体化させてなる。コンポジット部材２では、端部２ａに近づくほど金属粒子２１の含有量が大となっており、端部２ｂに近づくほど樹脂粒子２２の含有量が大となっている。この結果、コンポジット部材は、端部２ａは実質的に金属からなり、端部２ｂは実質的に樹脂からなっている。
コンポジット部材２において、金属粒子２１を形成する金属としては、後述の金属材料３２（図２参照）と同一の金属を用いることができる。金属粒子２１を形成する金属として、例えば、鉄、銅、アルミニウム等の金属及びそれらの金属の合金を挙げることができる。金属粒子２１は、例えば、粉砕等により数十μｍ程度の粒子径としたものを用いることができる。
また、コンポジット部材２において、樹脂粒子２２を形成する樹脂としては、接合される樹脂材料と同一の樹脂を用いることができ、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド、フェノールメラミン樹脂、尿素不飽和ポリエステル樹脂、アルキドポリウレタン樹脂等の樹脂を挙げることができる。樹脂粒子２２は、例えば、粉砕等により数十μｍ程度の粒子径としたものを用いることができる。
コンポジット部材２を製造するときには、まず、金属粒子２１及び樹脂粒子２２を、端部２ａに近づくほど金属粒子２１の含有量が大となり、端部２ｂに近づくほど樹脂粒子２２の含有量が大となるように混合する。次に、前記のように混合された金属粒子２１及び樹脂粒子２２を、例えば、粉末成形法により成形し、プラズマ焼結を行うか、さらに１０ＭＰａ程度の圧力を加えることにより、一体化する。
金属部材３は、後述の金属材料３２と同一の金属を用いることができる。金属部材３を形成する金属として、例えば、鉄、銅、アルミニウム等の金属及びそれらの金属の合金を挙げることができる。
金属部材３は、例えば、粉砕又はアトマイズ法等により得られた金属の粉末又は微粉末を粉末成形法により成形し、プラズマ焼結を行うか、さらに１０ＭＰａ程度の圧力を加えることにより形成することができる。前記金属の粉末又は微粉末を粉末成形法により成形する操作は、金属粒子２１及び樹脂粒子２２の粉末成形と同時に行うことが好ましく、このようにすることにより、接合部材１を一挙動で形成することができる。
次に、接合部材１を用いる接合方法について説明する。
本実施形態の接合方法では、まず、図２に示す溶接装置３１を用いて、接合部材１を構成する金属部材３を、金属材料３２に溶接する。
溶接装置３１は、第１のアーム３３の先端に備えられた第１の溶接ガン３４と、第２のアーム３５の先端に備えられた第２の溶接ガン３６とを備え、アーム３３，３５は軸３７により互いに回動自在とされている。また、アーム３３は、第３のアーム３８を備えており、第３のアーム３８の先端には、関節３９，４０を介して冷却部材４１が接続されている。冷却部材４１は、例えば、熱の良導体であるアルミニウム等の金属からなり、内部に冷却媒体が流通される導管を備えていてもよい。
溶接装置３１では、金属材料３２上に接合部材１の金属部材３を載置し、金属部材３が金属材料３２に溶接される部分を溶接ガン３４，３６で挟持する。また、同時に、金属部材３の前記溶接される部分に連接する領域に、冷却部材４１を当接する。このとき、冷却部材４１は、アーム３８の先端に関節３９，４０を介して接続されているので、金属部材３が傾斜等の形状を備える場合にも容易に追随することができ、前記領域に確実に当接することができる。
溶接装置３１では、次に、溶接ガン３４，３６により、金属部材３を金属材料３２に溶接する。このとき、溶接に伴って発生する熱が金属部材３を介してコンポジット部材２に伝導するが、溶接装置３１では、金属部材３の前記溶接される部分に連接する領域に、冷却部材４１が当接されているので、金属部材３が冷却される。この結果、金属部材３に連接するコンポジット部材２を、その含有する樹脂粒子２２を形成する樹脂の劣化温度未満の温度となるようにすることができ、該樹脂が溶接の際の熱により劣化することを回避することができる。
本実施形態の接合方法では、次に、金属部材３により金属材料３２に溶接された接合部材１のコンポジット部材２の端部２ｂに、図示しない樹脂材料を接合する。前記樹脂材料の接合は、例えば、融着、接着等のそれ自体公知の方法により行うことができる。
本実施形態の接合方法では、溶接装置３１により金属部材３を金属材料３２に溶接する際に、冷却部材４１により冷却される金属部材３の温度分布を、予め測定するようにしてもよい。前記温度分布の測定によれば、金属部材３の温度がコンポジット部材２の含有する樹脂粒子２２を形成する樹脂の劣化温度未満の温度となる位置を知ることができる。
そこで、前記溶接される部分との間に、金属部材３の温度がコンポジット部材２の含有する樹脂粒子２２を形成する樹脂の劣化温度未満の温度となる間隔を存して、コンポジット部材２を金属部材３に連接させて接合部材１を形成することができる。
このようにすることにより、金属部材３の長さを必要最低限に短縮することができ、接合部材１を軽量化することができる。また、前記溶接される部分との間に、前記間隔を存する範囲で、前記金属部材３に対する前記コンポジット部材２の連接位置を任意に設定できるので、コンポジット部材２を短小化して設計自由度を向上させることができると共に、コンポジット部材２の製造に要するコストを低減することができる。
尚、本実施形態の溶接装置３１では、金属部材３の前記溶接される部分に連接する領域の冷却を冷却部材４１により行っているが、冷却部材４１に代えて冷風を吹き付けるようにしてもよい。
１…接合部材、 ２…コンポジット部材、 ３…金属部材、 ２１…金属粒子、 ２２…樹脂粒子、 ３１…溶接装置、 ３４，３６…溶接ガン、 ４１…冷却部材。
Claims (3)
- 金属粒子と樹脂粒子とを混合して一体化させてなり、一方の端部に近づくほど金属粒子の含有量が大であり、他方の端部に近づくほど樹脂粒子の含有量が大であるコンポジット部材と、該コンポジット部材の金属粒子の含有量が大となる側の端部で該コンポジット部材に連接する金属部材とからなる接合部材を用い、該金属部材を金属材料に溶接すると共に、該コンポジット部材の樹脂粒子の含有量が大となる側の端部に樹脂材料を接合する金属材料と樹脂材料との接合方法において、
該金属部材を該金属材料に溶接する際に、溶接される部分に連接する該金属部材を冷却し、該コンポジット部材を、その含有する樹脂の劣化温度未満の温度となるようにすることを特徴とする金属材料と樹脂材料との接合方法。 - 請求項１記載の金属材料と樹脂材料との接合方法において、前記金属部材を前記金属材料に溶接する際に、前記溶接される部分に連接する該金属部材を冷却すると共に該金属部材の温度分布を測定し、該溶接される部分との間に、該金属部材の温度が前記コンポジット部材の含有する樹脂の劣化温度未満の温度となる間隔を存して、該コンポジット部材を連接させて前記接合部材を形成することを特徴とする金属材料と樹脂材料との接合方法。
- 金属粒子と樹脂粒子とを混合して一体化させてなり、一方の端部に近づくほど金属粒子の含有量が大であり、他方の端部に近づくほど樹脂粒子の含有量が大であるコンポジット部材と、該コンポジット部材の金属粒子の含有量が大となる側の端部で該コンポジット部材に連接する金属部材とからなる接合部材の該金属部材を金属材料に溶接する溶接装置であって、
前記金属部材と前記金属材料との溶接される部分を挟持して溶接する１対の溶接手段と、該溶接される部分に連接する該金属部材を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする溶接装置。
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