JP5953559B1 - レーザを用いた部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全方位に機械的結合効果を発揮する微細構造を金属表面に形成し、成形済みプラスチック部材との低コストなレーザ接合を目的とする。【解決手段】金属基材の接合予定面に混合金属粉末を付着させ、ここにレーザクラッディングを施し重畳的微細粒子構造を形成する。この重畳的微細粒子構造面とプラスチック部材とを当接し押圧し、その界面にレーザ光を照射する。レーザ加熱により溶融されたプラスチックが、重畳的微細粒子構造に入り込み及び包み込むことで係合し、金属基材とプラスチック部材を接合する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属とプラスチックの機械的結合による直接接合に関するものである。

金属とプラスチックを中間材の使用なく直接接合する場合において、その機械的結合強度を得るためには、金属表面に微細構造を形成する必要がある。例えば、インサート成型による金属と熱可塑性樹脂の直接接合においては、ブラスト処理や特開２００１−９８６２号にみられるような陽極酸化処理やエッチング処理による金属表面内部にむけての微細構造形成が実用に供されている。微細構造を金属表面に対し鉛直から傾きをもつ立体的な複雑形状に形成することにより強力な接合強度を得ることができる。

しかし、金属の微細構造中に十分にプラスチックを入り込ませ強靭な機械的接合強度を確保するためには、溶融したプラスチックを１００ＭＰａ近い高圧で押し込む必要がある。射出成型時において金属との一体成型を行う場合には、本方式は有用であるが成型済みのプラスチック部材と金属基材との直接接合を行う場合には、このような高い押圧下での施工を行うことはできない。

また、陽極酸化処理やエッチング処理は、薬液中で電気化学反応により処理を行う必要があることから、局所的な接合のための局所的な微細構造形成のためには非接合部位へのマスキング処理や、エッチング処理後の薬液の廃液処理等が必要となり、作業が煩雑で高価な工法となる。

ブラスト処理による微細構造形成は、粒径の異なるブラスト材の選択により金属表面の微細構造の形状を制御可能であるが、等方性を有する微細構造が形成されるため、せん断方向での接合強度は確保できるものの、剥離方向の接合強度を確保することは困難であった。

表面に微細構造を有する金属とプラスチックの成形品同士を局所的に接合する場合には、レーザによる接合界面の局所加熱による直接接合が可能であるが、接合界面同士の押圧が十分に行えないため、レーザ加熱により溶融したプラスチックの流動性が低い場合など、これを十分に微細構造内部へ入り込ませることが困難となり、強靭な接合強度を得ることが困難であった。

さらに、接合におけるアンカー効果を高める、ブリッジ形状又はオーバーハング形状を有する微細構造の形成方法として、ある走査方向に、数１００μｍに集光されたビーム径のレーザによりレーザスキャニング加工した後、当該走査方向とクロスする別の走査方向にレーザスキャニング加工することにより、これを形成する技術が特許文献５において開示されている。しかし、加工時間を短縮するためにはスキャン回数を減らす必要があるものの、そうすると前記微細構造の形成が困難になるというトレードオフを有しており、接合工程の効率化が困難である。

その他、金属基材表面に樹脂との接合においてアンカー効果を増大させる凹凸形状の形成方法として、本発明において用いる金属粉末（粒子）ではなく、金属基材との合金化が不可能な粒子を用いる方法がある。この場合、プラズマ溶射やコールドスプレー等の手法により当該粒子を高温流体中に投じて高速にて金属基材に衝突させ、予め当該金属基材に形成した凹凸形状内に当該粒子を捕獲させ機械的結合を得ることにより、アンカー効果が増大された隆起を伴う微細粒子構造を形成させることができる。しかし、そのコストが高く、金属基材との密着力・接合強度が実用化に耐えうる程度に強くない。さらに、使用される材料等の中には環境的にその使用が好ましくないものもある。

特開２００１−９８６２号公報 特開平７−３２１７３号公報 特開２０１３−２３７５６号公報 特開２０１３−７１３１２号公報 国際公開第２００７／０７２６０３号公報

ポーラス金属の利用技術の可能性に関する調査研究報告 平成１８年 財団法人 機械システム振興協会

全方位に機械的結合効果を発揮する微細構造を金属表面に形成し、成形済みプラスチック部材との低コストなレーザ接合を目的とする。

第一の発明は、重畳的微細粒子構造を有する金属基材の接合予定面と、プラスチックの接合予定面とを押圧する工程と、当該押圧された界面に対しレーザ光を照射し加熱する工程と、当該加熱の結果溶融した前記プラスチックが前記重畳的微細粒子構造に入り込み及び包み込むことで互いに係合する工程により、金属基材とプラスチックを接合する方法であって、前記重畳的微細粒子構造は、前記金属基材面上に、一以上の金属粉末を付着する工程と、当該金属粉末の付着した面にレーザクラッディングを施す工程と、を含む方法により形成され、且つ、前記レーザクラッディングにより隆起した形状を基礎として形成された重畳的微細粒子構造であることを特徴とする金属基材とプラスチックの接合方法である。

ここで、重畳的微細粒子構造とは、機械的結合効果であるアンカー効果を発揮する微細凹凸形状面に対し、さらなる微細凹凸形状を重畳的に有する微細構造をいう。図１に、当該重畳的微細粒子構造を模擬的に示す。

この図においては、凸形状１１に対し重畳的に形成された重畳的凸−凹形状１３及び重畳的凸−凸形状１４が模擬的に示されている。同様に、凹形状１２に対し重畳的に形成された重畳的凹−凸形状１５が示されている。さらに、当該重畳的微細粒子構造は、クラッディングによる隆起形状１６上に形成されている。

また、前記レーザ光を照射し加熱する工程においては、プラスチック側からレーザ光を入射する方法が一般的であるが、レーザ光がプラスチックを吸収する場合であって、他方の金属基材が当該レーザ光を吸収する場合は、一般的な場合と逆に当該金属基材側からのレーザ光照射で金属の伝熱によりプラスチックとの接触界面を加熱することができる。

（削除）

また、前記金属基材面上に金属粉末を付着する工程とは、塗布、吹付を含むものとし、また、これらに限られない。

さらに、レーザクラッディング法により隆起形状１６の上に形成される前記重畳的微細粒子構造には、共晶、固溶体又は金属間化合物のいずれによる合金層を形成している場合も含まれる。

第二の発明は、第一の発明において、前記金属粉末が、金属基材と同一の金属からなる粉末と、これとは異なる金属を含む混合金属粉末であることを特徴とする接合方法である。

例えば、前記混合金属粉末に含まれる金属としては、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、シリコン、ステライト、バナジウム、カーボンを用いることができ、これらに限られない。

第三の発明は、第二の発明において、前記混合金属粉末が、カーボンの粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする接合方法である。

第四の発明は、第三の発明において、前記混合金属粉末は、さらにチタンの粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする接合方法である。

第一の発明によれば、前記重畳的微細粒子構造のうち、重畳的に形成された凹凸形状に溶融したプラスチックが入り込み及び包み込むことにより得られるアンカー効果に加え、当該重畳的に形成された凹凸形状のベースとなっている凹凸形状に対しても、前記溶融したプラスチックが入り込み及び包み込むことにより、せん断及び剥離のいずれの方向に対しても機械的結合強度を有する効果を発揮する。本明細書においては、当該効果をポジティブアンカー効果という。

さらに、重畳的微細粒子構造を再現よく、且つ効率よく形成することができる。また、当該重畳的微細粒子構造は、一般的なレーザクラッディング法を用いることで、例えば接合面の押圧に適した隆起状をなす合金層に形成される。この場合、接合には１ＭＰａ程度での押圧でポジティブアンカー効果を得ることが可能であり、成型品同士の接合を容易にする効果も発揮する。

第二ないし第四の発明によれば、重畳的微細粒子構造の数、すなわち、凹凸の数を安定して増加させる効果を発揮する。

重畳的微細粒子構造を模擬的に示した図である 金属基材上に接合予定面を示した図である。 金属基材に混合金属粉末を塗布した図である レーザスポットによるクラッディングを示した図である。 ３０倍に拡大した重畳的微細粒子構造のＳＥＭ写真である。 １００倍に拡大した重畳的微細粒子構造のＳＥＭ写真である。 １０００倍に拡大した重畳的微細粒子構造のＳＥＭ写真である。 接合前の金属基材と樹脂とを当接し押圧した様子を示す図である。 レーザスポットによるレーザ接合を示した図である。 レーザ接合された複合部材を示す図である。 剥離されたあとの複合部材を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態をステップに分けて図とともに説明する。なお、本明細書において特に言及している以外の事項であって本発明の実施に必要な事項は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

Ｓ１）金属基材の用意
本実施例においては、金属基材１として、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２）の板材を用意した。この金属基材の長さ方向の一端から２０ｍｍの位置に接合予定面２を設定した。図２にその様子を示す。

なお、金属基材としてはアルミニウム合金以外の、アルミダイキャスト、ステンレススチール、ＳＰＣＣ等の他の金属材料からなる基材を用いることができる。また、金属材料には、単一の金属元素からなる金属や二以上の金属元素を含む合金からなる金属も含まれる。

Ｓ２）金属粉末の用意
金属粉末として、アルミ金属粉末、チタン金属粉末、及びカーボンを混錬し、混合金属粉末とした。混合の割合は適宜接合強度との関係で最適化を図った。なお、各図及び以下においては、この混合金属粉末を「ＴＡＣ」との記号で示した。

なお、上記金属粉末のほか、ニッケル、銅、チタン、シリコン、ステライト、バナジウム及びこれらを合金化した金属粉末を用いることが可能であり、金属基材との合金化が可能な金属粉末を選択し組み合わせるとよい。

霞が関
金属粉末の粒子形状としては、１０μｍから１００μｍ程度の粒子径の粉末を用いることが望ましい。

さらに、表面に多孔質構造を形成したい場合には、二種類以上の金属粉末を混合させるとよい。この場合に選択する混合金属粉末としては、融点が異なる二種以上の金属粉末を選択し、これらを加熱により金属粉末同士反応させ、これら金属粉末同市の熱化学反応を利用することで、形成を促す結果を得られる場合がある。

Ｓ３）金属基材への金属粉末の付着
ステップＳ２において用意したＴＡＣ混合金属粉末３を前記金属基材面上の接合予定面に厚さが均一になるよう塗布の方法にて付着させた。図３にその様子示す。塗布厚は概ね１２５μｍとしたが、接合強度との関係において最適化すべき数値である。なお、塗布においては混合金属粉末を水やアルコールにより混錬しスラリー状にしてから塗布してもよい。

Ｓ４）レーザクラッディング
ステップＳ３において金属基材の接合予定面に付着させた混合金属粉末に対し、レーザクラッディングを行った。本実施例では、光学系を用いて直径２ｍｍのスポットビーム４に整形した波長９７０ｎｍの半導体レーザ光を用いた。スポットビーム４の走査速度は、得たい重畳的微細粒子の形状と数により１０ｍｍ／ｓから５０ｍｍ／ｓまで可変させ、最適値として３０ｍｍ／ｓを選択した。図４はその様子を示す。なお、本実施例においては、スポットビーム４を幅２０ｍｍにわたり走査し、４０ｍｍ^２以上領域をクラッディングした。

レーザクラッディングに用いるレーザは、本実施例において用いた半導体レーザのほか、ファイバーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザなど混合金属粉末を加熱できるものであればこれらに限定されない。

ステップＳ４により得られた重畳的微細粒子構造５の写真を示す。この表面写真ではレーザ照射した部位が変色し金属基材とは異なる合金領域が形成されていることが確認できる。

図５に示す拡大倍率を３０倍とした写真では、前記変色した領域中に数１０μｍから数百μｍ程度の微細粒子が多数形成されていることが確認できる。

拡大倍率を１００倍とした図６では、クラッディングされた合金層の全面に重畳的微細粒子構造５が形成されていることがわかる。

拡大倍率１０００倍とした図７では、微細粒子構造が約１μｍ以下のポーラス及び粒子構造がその全面に形成されていることがわかる。

Ｓ５）プラスチック部材の用意
プラスチック部材として、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚み１ｍｍのナイロン６からなるシートを用意した。なお、本実施例においては、プラスチック部材上に接合予定面を厳格に定めていないが、プラスチック部材が成型品である場合は、これを定める必要がある。

Ｓ６）金属基材とプラスチック部材との当接及び押圧
ステップＳ４により金属基材の接合予定面上に形成された重畳的微細粒子構造面５と、前記プラスチック部材７を重ね合わせて当接し、押圧した。押圧は図８に示すように、金属基材側から金属製の裏当てプレート６により裏当てし、樹脂部材をガラス８（テンパックス、厚さ５ｍｍ）で挟み込み、油圧ポンプにてその表示上で１．４ＭＰａの圧力を加えた。

なお、押圧の程度は、一般的に、０．１〜３ＭＰａの圧力範囲で最適な条件を選択するとよい。選択した押圧の程度が適切で、かつその初期圧力を保持することにより、後述する溶融したプラスチックが金属基材に形成された重畳的微細粒子構造にまんべんなく入り込み、両者の接合強度が十分に高められる。逆に一部の隆起形状に押圧による圧力が集中する場合、ガラス８が破損する点に留意し最適化を図るとよい。

Ｓ７）レーザ照射
ステップＳ６により金属基材の接合予定面に押圧されたプラスチック側からスポット状に整形した半導体レーザのレーザスポット９を照射しレーザ接合を行った。図９はその様子を示す。レーザスポット９の照射条件は平均出力を１５０Ｗ、繰返し周波数を１０００Ｈｚ、Ｄｕｔｙを５０％、走査速度１０ｍｍ／ｓとした。なお、ビームの整形は、円形のスポット形状に限定されず、接合予定面の形状や総面積により、さらに使用するレーザの出力により適宜最適化することができる。なお、レーザクラッディング同様、レーザの種類は半導体レーザに限定されない。

本実施例においては、ステップＳ４においてクラッディングに用いたレーザ光を用いた。この波長９７０ｎｍは、前記プラスチックを透過する波長である。なお、使用するプラスチックに対し透過性を有する波長であれば、他のレーザを用いることも可能である。

ステップＳ４のクラッディングにより形成された重畳的微細粒子構造５を有する合金層は、前記レーザ光の波長に対し透過性を有しないため、接合予定面に照射された当該レーザ光を吸収し熱に変換される。変換された熱は、当接し押圧されたプラスチック部材の接合予定面に伝搬し、これを溶融する。溶融したプラスチックは前記重畳的微細粒子構造５に入り込み及び包み込み、その結果、金属基材１とプラスチックを強固に接合する。

以上のステップにより接合された金属基材とプラスチック部材からなる複合部材を図１０に示す。複合部材をせん断引張強度試験に供した結果、１９ＭＰａの接合強度を得た。

図１１に前記複合部材を剥離させた後の様子を示す。剥離により金属基材が折れ曲がりその一部に金属破断が発生してた。これにより、十分な剥離強度が得られたことを視覚的にも確認した。

実施例１と同一の金属基材とプラスチック部材のレーザ接合において、実施例１とは異なる金属粉末の組み合わせからなる混合金属粉末を用いて接合試験を行った。

ここでは、アルミ金属粉末、ニッケル金属粉末、及びチタン金属粉末を混錬した混合金属粉末とした。混合の割合は適宜接合強度との関係で最適化を図った。なお、各図及び以下においては、この混合金属粉末を「ＮＡＴ」との記号で示した。次の表１に、その結果を示す。

本実施例においても、実施例１と同様、接合部分を剥離した結果、剥離時に金属基材が折れ曲がり、一部に金属破断が発生する程度の接合強度が得られた。

１ 金属基材
１１ 凸形状
１２ 凹形状
１３ 重畳的凸−凹形状
１４ 重畳的凸−凸形状
１５ 重畳的凹−凸形状
１６ 隆起形状
２ 接合予定面
３ 混合金属粉末
４ クラッディング用レーザスポット
５ 重畳的微細粒子構造
６ 裏当てプレート
７ プラスチック部材
８ ガラス
９ 接合用レーザスポット

Claims (4)

1. 重畳的微細粒子構造を有する金属基材の接合予定面と、プラスチックの接合予定面とを押圧する工程と、
   当該押圧された界面に対しレーザ光を照射し加熱する工程と、
   当該加熱の結果溶融した前記プラスチックが前記重畳的微細粒子構造に入り込み及び包み込むことで互いに係合する工程により、金属基材とプラスチックを接合する方法であって、
   前記重畳的微細粒子構造は、前記金属基材面上に、一以上の金属粉末を付着する工程と、
   当該金属粉末の付着した面にレーザクラッディングを施す工程と、を含む方法により形成され、且つ、
   前記レーザクラッディングにより隆起した形状を基礎として形成された重畳的微細粒子構造であること
   を特徴とする金属基材とプラスチックの接合方法。
2. 前記金属粉末は、金属基材と同一の金属からなる粉末と、これとは異なる金属を含む混合金属粉末であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記混合金属粉末は、カーボンの粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
4. 前記混合金属粉末は、さらにチタンの粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。