JP6056828B2 - Method of joining metal member and resin member and resin member used in the method - Google Patents
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Description
本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される樹脂部材に関する。 The present invention relates to a method for joining a metal member and a resin member, and a resin member used in the method.
従来、自動車、鉄道車両、航空機等の分野では軽量化が求められている。例えば、自動車の分野では、ハイテン材の利用により薄鋼板化が進められ、またスチール材の代替材としてアルミ合金材が用いられ、さらには樹脂材の利用も進んでいる。このような分野において金属部材と樹脂部材との接合技術の開発は、単に車体の軽量化に留まらず、接合部材の高強度化や高剛性化、生産性の向上を実現させる観点からも重要である。これまで、金属部材と樹脂部材との接合方法として、いわゆる摩擦撹拌接合(FSW:friction stir welding)方法が提案されている。摩擦撹拌接合方法とは、図19に示すように、金属部材211と樹脂部材212とを重ね合わせ、回転ツール216を回転させつつ、金属部材211に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材212を溶融させた後、固化させて金属部材211と樹脂部材212とを接合する方法である。
Conventionally, weight reduction is required in the fields of automobiles, railway vehicles, airplanes, and the like. For example, in the field of automobiles, the use of high-tensile materials has made it possible to make steel sheets thinner, aluminum alloy materials have been used as substitutes for steel materials, and resin materials have also been increasingly used. In these fields, development of joining technology for metal members and resin members is important not only for reducing the weight of the car body, but also for increasing the strength and rigidity of the joining members and improving productivity. is there. So far, a so-called friction stir welding (FSW) method has been proposed as a method for joining a metal member and a resin member. As shown in FIG. 19, the friction stir welding method is a method in which a
このような摩擦撹拌接合方法においては、例えば、接合強度および簡易接合の観点から、回転ツールの形状や押込み量を特定範囲内に設定する技術(特許文献1)が開示されている。 In such a friction stir welding method, for example, a technique (Patent Document 1) is disclosed in which the shape and push-in amount of the rotary tool are set within a specific range from the viewpoint of joining strength and simple joining.
一方、樹脂部材に強化繊維を含有させて、樹脂部材の強度を向上させる技術が知られている。例えば、圧縮成形方法の分野では、樹脂の劣化防止、生産性の向上、高強度・高弾性率化の観点から、強化繊維と熱可塑性樹脂により構成される繊維強化熱可塑性樹脂複合材料であって、特定繊維長の強化繊維が特定の体積含有率および任意の断面において強化繊維が同一の繊維軸方向を有する最小単位に含まれる特定の強化繊維数で含有される圧縮成形用材料が開示されている(特許文献2)。 On the other hand, a technique for improving the strength of a resin member by adding a reinforcing fiber to the resin member is known. For example, in the field of compression molding methods, it is a fiber reinforced thermoplastic resin composite material composed of reinforced fibers and a thermoplastic resin from the viewpoint of preventing resin deterioration, improving productivity, and increasing strength and elastic modulus. Disclosed is a compression molding material in which a reinforcing fiber having a specific fiber length is contained in a specific volume content and a specific number of reinforcing fibers included in a minimum unit in which the reinforcing fiber has the same fiber axis direction in an arbitrary cross section. (Patent Document 2).
しかしながら、従来の摩擦撹拌接合方法において、従来の繊維強化樹脂部材を用いた場合、接合強度が低下することがあった。 However, in the conventional friction stir welding method, when a conventional fiber reinforced resin member is used, the bonding strength may be reduced.
本発明の発明者等は、このような接合強度の低下の現象を鋭意研究した結果、当該現象は、樹脂部材に含有される強化繊維のスプリングバックに起因することを見い出した。具体的には、図20(A)に示すように、押圧部材216を金属部材211に押し込んで、摩擦熱により、樹脂部材212の押圧部材直下領域221およびその外周領域を溶融させた後、固化させると、樹脂部材212の当該溶融固化領域において強化繊維が露出するスプリングバックが生じた。スプリングバックとは、湾曲した強化繊維が樹脂部材212の溶融時に拘束力から解放され、まっすぐに戻ろうと変形する現象である。このようなスプリングバックが生じると、図20(B)に示すように、樹脂部材212における溶融固化領域において、気泡が混入して、見掛け上、発泡したように見える気泡層222が形成され、強度の低い気泡層222内で層内破断が生じることで接合強度が低下するものと考えられる。
The inventors of the present invention have intensively studied the phenomenon of such a decrease in bonding strength, and as a result, have found that the phenomenon is caused by springback of reinforcing fibers contained in the resin member. Specifically, as shown in FIG. 20A, the
本発明は、樹脂部材と金属部材との接合を十分な強度で達成することができる金属部材と樹脂部材との接合方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the joining method of the metal member and resin member which can achieve joining with sufficient intensity | strength of a resin member and a metal member.
本発明は、
金属部材と強化繊維を含有する樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材による金属部材側からの押圧により熱および圧力を付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ、接合を達成する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度y1/xを有する樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y1/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y1は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。
The present invention
Heat that achieves bonding after overlapping a metal member and a resin member containing reinforcing fibers, applying heat and pressure by pressing from the metal member side by the pressing member, softening and melting the resin member, and solidifying A method of joining a metal member and a resin member by a pressure joining method,
As the resin member, a resin member having a degree of orientation y1 / x of the reinforcing fiber contained in at least the joint portion with the metal member as described below is used:
1 ≦ y1 / x ≦ 1.3
(Wherein x is the average diameter (μm) of the vertical cross section with respect to the axial direction of the reinforcing fiber; y1 is the average value (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fiber in the vertical cross section with respect to the resin member thickness direction of the joint portion) The average value of the maximum diameter in the vertical cross section when the bonded portion is polished from the surface to a depth of 500 μm in the thickness direction).
本発明はまた、
金属部材と強化繊維を含有する樹脂部材とを重ね合わせる第1ステップ;および
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップ;
を含む摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度y1/xを有する樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y1/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y1は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。
The present invention also provides
A first step of superimposing a metal member and a resin member containing reinforcing fibers; and while rotating the rotary tool as the pressing member, the metal member is pressed against the metal member to generate frictional heat, and the frictional heat softens the resin member. A second step of joining the metal member and the resin member by melting and then solidifying;
A method of joining a metal member and a resin member by a friction stir welding method including:
As the resin member, a resin member having a degree of orientation y1 / x of the reinforcing fiber contained in at least the joint portion with the metal member as described below is used:
1 ≦ y1 / x ≦ 1.3
(Wherein x is the average diameter (μm) of the vertical cross section with respect to the axial direction of the reinforcing fiber; y1 is the average value (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fiber in the vertical cross section with respect to the resin member thickness direction of the joint portion) The average value of the maximum diameter in the vertical cross section when the bonded portion is polished from the surface to a depth of 500 μm in the thickness direction).
本発明はまた、上記接合方法において使用される樹脂部材に関する。 The present invention also relates to a resin member used in the joining method.
本発明の接合方法によれば、樹脂部材に強化繊維を含有させた場合であっても、樹脂部材と金属部材との接合を十分な強度で達成することができる。 According to the joining method of the present invention, even when the reinforcing fiber is contained in the resin member, the joining of the resin member and the metal member can be achieved with sufficient strength.
本発明の接合方法は、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材による金属部材側または樹脂部材側からの押圧により、好ましくは押圧部材による金属部材側からの局所的押圧により、熱および圧力を付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法である。本発明の接合方法において採用される接合方式は、熱および圧力を付与する方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、摩擦撹拌接合方法、超音波加熱接合方法、レーザー加熱接合方法、抵抗加熱接合方法、誘導加熱接合方法等であってもよい。好ましくは熱および圧力を金属部材側から局所的に付与する方法であり、より好ましくは摩擦撹拌接合方法が採用される。 In the joining method of the present invention, the metal member and the resin member are overlapped, and heat and pressure are applied by pressing from the metal member side or the resin member side by the pressing member, preferably by local pressing from the metal member side by the pressing member. Is applied, and the resin member is softened and melted and then solidified to join the metal member and the resin member. The joining method employed in the joining method of the present invention is not particularly limited as long as it is a method of applying heat and pressure. For example, friction stir welding method, ultrasonic heating joining method, laser heating joining method, resistance A heat bonding method, an induction heat bonding method, or the like may be used. A method of applying heat and pressure locally from the metal member side is preferable, and a friction stir welding method is more preferably used.
摩擦撹拌接合方法とは、後で詳述するように、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材としての回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する方法である。 As will be described in detail later, the friction stir welding method is a method in which a metal member and a resin member are overlapped and a rotating tool as a pressing member is rotated to press the metal member to generate frictional heat. In this method, the resin member is softened and melted by heat and then solidified to join the metal member and the resin member.
超音波加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材により樹脂部材を加圧しながら、押圧部材及び樹脂部材に超音波振動を起こさせ、該振動により生じる樹脂部材/金属部材の摩擦熱で樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する方法である。 The ultrasonic heating bonding method is a resin member / metal member produced by superposing a metal member and a resin member and causing the pressing member and the resin member to ultrasonically vibrate while pressing the resin member with the pressing member. In this method, the resin member is softened and melted by the frictional heat, and then solidified to join the metal member and the resin member.
レーザー加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材により金属部材を加圧した状態で、レーザーを金属部材に照射することにより熱を発生させ、この熱で樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する方法である。レーザーとしては、YAGレーザー、ファイバーレーザーまたは半導体レーザーなどが使用される。 The laser heating joining method is a method in which a metal member and a resin member are overlapped, heat is generated by irradiating the metal member with a laser in a state where the metal member is pressed by the pressing member, and the resin member is softened by this heat. Further, after melting, the metal member and the resin member are joined by solidifying. As the laser, a YAG laser, a fiber laser, a semiconductor laser, or the like is used.
抵抗加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせて拘束した状態で、金属部材に直接電流を流すことにより生じる熱を利用して接合する方法である。 The resistance heating bonding method is a method of bonding using heat generated by flowing a current directly through a metal member in a state where the metal member and the resin member are superposed and restrained.
誘導加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせて拘束した状態で、電磁誘導作用により金属部材に誘導電流を生じさせ、該電流により生じる熱を利用して接合する方法である。 The induction heating bonding method is a method in which an induction current is generated in a metal member by an electromagnetic induction action in a state where the metal member and the resin member are superposed and restrained, and bonding is performed using heat generated by the current.
以下、摩擦撹拌接合方法を採用した本発明の接合方法について、図面を用いて詳しく説明するが、後述する樹脂部材を用いる限り、上記した他の接合方法を用いても本発明の効果が得られることは明らかである。 Hereinafter, the joining method of the present invention that employs the friction stir welding method will be described in detail with reference to the drawings. However, as long as the resin member described later is used, the effects of the present invention can be obtained even if other joining methods described above are used. It is clear.
[摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法]
本発明の接合方法(摩擦撹拌接合方法)について図1〜図17を用いて具体的に説明する。これらの図において、共通する符号は、特記しない限り、同じ部材、部位、寸法または領域を示すものとする。
[Method of joining metal member and resin member by friction stir welding method]
The joining method (friction stir welding method) of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. In these drawings, common reference numerals indicate the same members, parts, dimensions, or regions unless otherwise specified.
まず図1は、本発明の接合方法を実施するのに適した摩擦撹拌接合装置の一部の一例を模式的に示す図である。図1に示される摩擦撹拌接合装置1は、金属部材11と樹脂部材12とを摩擦撹拌接合する装置として構成されており、円柱状の回転ツール16を具備している。回転ツール16は、図示したように、金属部材11が上、樹脂部材12が下になるように重ね合わされたワーク10に対し、図外の駆動源により、矢印A1のように該回転ツール16の中心軸線X(図11参照)回りに回転しつつ、押圧領域P(押圧予定領域)において、矢印A2のように下方に向けて金属部材11を押圧する。この回転ツール16の押圧により摩擦熱が発生し、この摩擦熱が樹脂部材12に伝導して樹脂部材12が軟化および溶融し、その後、溶融樹脂が固化する。その結果、金属部材11と樹脂部材12とが接合される。図1は、本発明にかかる金属部材と樹脂部材との接合方法に好適な摩擦撹拌接合装置の一部の一例を示す模式図である。
First, FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a part of a friction stir welding apparatus suitable for carrying out the joining method of the present invention. A friction
回転ツール16の下方には、回転ツール16と同径又は回転ツール16よりも大径の円柱状の受け具17が回転ツール16と同軸に配置されている。受け具17は、上記ワーク10に対し、図外の駆動源により、矢印A3のように上方に移動される。受け具17は、遅くとも回転ツール16がワーク10の押圧を開始するまでに、上端面がワーク10の下面(より詳しくは樹脂部材12の下面)に当接する。そして、受け具17は、回転ツール16との間にワーク10を挟んで、回転ツール16による押圧期間中、つまり摩擦撹拌接合中、上記押圧力に抗してワーク10を下方から支持する。なお、受け具17は必ずしも矢印A3方向へ移動させる必要はなく、受け具17にワーク10を載せた後に回転ツール16を矢印A2の方向に移動させる方法を採用することもできる。
Below the
摩擦撹拌接合装置1は、多関節ロボット等からなる図外の駆動制御装置に装着されている。そして、回転ツール16及び受け具17の座標位置、回転ツール16の回転数(rpm)、加圧力(N)、加圧時間(秒)等が上記駆動制御装置により適宜制御される。なお、図1には図示を省略したが、摩擦撹拌接合装置1は、予めワーク10を固定し、また回転ツール16を押圧したときの金属部材11の浮き上がりを防止するためのスペーサやクランプ等の治具を備えている。
The friction
(1)樹脂部材
本発明において樹脂部材12は、熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含有する複合樹脂部材であり、少なくとも金属部材11との接合部において強化繊維128が厚み方向(すなわち、回転ツール16による押圧方向A2(図1参照))に配向している。
(1) Resin Member In the present invention, the
接合部は、樹脂部材12における金属部材11との接合部であり、樹脂部材表面において接合を達成しようとする領域(所定の接合予定領域)の少なくとも表層部、好ましくは当該所定の接合予定領域の表層部のことである。当該接合部は、詳しくは、樹脂部材12表面において、接合後、溶融および固化が起こる溶融固化領域を含む領域の少なくとも表層部、好ましくは当該溶融固化領域の表層部である。接合を達成しようとする領域は、通常、樹脂部材の片面における一部の領域であるが、例えば、樹脂部材が平板形状を有する場合、当該樹脂部材の片面全面または両面全面の領域であってもよい。
The joint portion is a joint portion between the
例えば、樹脂部材12が図2(A)〜(C)に示すように本体部124および接合用柱状リブ125を有する凸型樹脂部材12Aである場合、接合部は、接合用柱状リブ125の先端平面領域における表面から深さL1までの部分122(図2(C)の斜線部)である。深さL1は、接合用柱状リブ125の高さをH(mm)としたとき、通常はH/5〜Hである。Hは通常、2.5〜20mmであり、好ましくは3〜10mmである。本体部124の厚みt1は通常、1〜10mmであり、好ましくは2〜5mmである。
For example, when the
接合用柱状リブ125は、該リブ自身の溶融および固化により接合を達成するものである。接合用柱状リブ125の形状は柱状であれば特に限定されるものではく、例えば、図2(A)〜(C)に示すような円柱形、四角柱形等の多角柱形等であってよい。接合用柱状リブ125が円柱形の場合、当該リブ125の円形先端平面領域は回転ツールによる金属部材の押圧領域Pと同心円形状であることが好ましい。接合用柱状リブの幅(接合用柱状リブ125が円柱形の場合は直径)R1は、回転ツール16の直径をD1(mm)としたとき、通常は0.5×D1〜5×D1であり、好ましくは0.5×D1〜2×D1である。D1は通常、後述する範囲内である。
The joining
また例えば、樹脂部材12が図3(A)〜(C)に示すように接合用柱状リブを有さない平型樹脂部材12Bである場合、接合部は、当該樹脂部材表面の所定の接合予定領域Eにおける表面から深さL2までの部分122(図3(C)の斜線部)である。深さL2は、樹脂部材の厚みをt2(mm)としたとき、通常はt2/5〜t2/2である。t2は通常、5〜20mmであり、好ましくは8〜15mmである。
Further, for example, when the
接合予定領域Eの形状は特に限定されるものではなく、例えば、図3(A)〜(C)に示すような円形、四角形等の多角形等であってよいが、スプリングバックをより一層、十分に防止する観点から、好ましくは円形である。接合予定領域Eが円形の場合、接合予定領域Eは回転ツールによる金属部材の押圧領域Pと同心円形状であることが好ましい。接合予定領域Eの幅(接合予定領域Eが円形の場合は直径)R2は、回転ツールの直径をD1(mm)としたとき、通常はD1超5×D1以下であり、好ましくは1.2×D1〜3×D1である。D1は通常、後述する範囲内である。 The shape of the region to be joined E is not particularly limited, and may be, for example, a circular shape such as a circle or a quadrangle as shown in FIGS. From the viewpoint of preventing sufficiently, it is preferably circular. When the joining area | region E is circular, it is preferable that the joining area | region E is concentric with the press area | region P of the metal member by a rotary tool. The width R2 of the planned joining region E (diameter when the joining planned region E is circular) is usually greater than D1 and not more than 5 × D1, preferably 1.2, when the diameter of the rotary tool is D1 (mm). XD1-3xD1. D1 is usually within the range described below.
樹脂部材12が上記のような凸型樹脂部材12Aまたは平型樹脂部材12Bのいずれの樹脂部材であっても、所定の接合部122に含有される強化繊維128は厚み方向に配向している。強化繊維が厚み方向に配向しているとは、当該強化繊維が式(I)、好ましくは式(II)、より好ましくは式(III)に示す配向度(y/x)を有するという意味である:
1≦y/x≦1.3 (I)
1≦y/x≦1.2 (II)
1≦y/x≦1.1 (III)
Regardless of whether the
1 ≦ y / x ≦ 1.3 (I)
1 ≦ y / x ≦ 1.2 (II)
1 ≦ y / x ≦ 1.1 (III)
式(I)〜(III)中、xは、強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm))であり、以下の方法により得られた値を用いている。
接合部を垂直方向に研磨し、得られた断面の顕微鏡写真(SEM写真)を撮影する。この写真において、繊維断面が真円である任意の100本の繊維直径を測定し平均値を求める。xは、一般的ないわゆる平均径であるので、樹脂部材、特に接合部の製造時に使用される強化繊維の仕様データを用いてもよい。
xは通常、2〜20μmであり、好ましくは6〜15μmである。
In the formulas (I) to (III), x is an average diameter (μm) of a vertical section with respect to the axial direction of the reinforcing fiber, and a value obtained by the following method is used.
The joint is polished in the vertical direction, and a micrograph (SEM photograph) of the obtained cross section is taken. In this photograph, the diameter of an arbitrary 100 fibers whose fiber cross section is a perfect circle is measured, and the average value is obtained. Since x is a general so-called average diameter, specification data of a reinforcing fiber used at the time of manufacturing a resin member, particularly a joint portion may be used.
x is usually 2 to 20 μm, preferably 6 to 15 μm.
yは、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であり、以下の方法により得られた値を用いている。
接合部を表面から厚み方向で所定の深さまで研磨し、樹脂部材厚み方向に対する垂直断面の顕微鏡写真(SEM写真)を撮影する。この写真において、図2(B)および図3(B)の拡大図に示すように、任意の100本の強化繊維の最大直径(矢印方向の長さ)を測定し、平均値を求める。
y is the average value (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fibers in the vertical cross section with respect to the resin member thickness direction of the joint portion, and a value obtained by the following method is used.
The joint portion is polished from the surface to a predetermined depth in the thickness direction, and a micrograph (SEM photograph) of a vertical section with respect to the resin member thickness direction is taken. In this photograph, as shown in the enlarged views of FIG. 2 (B) and FIG. 3 (B), the maximum diameter (length in the arrow direction) of any 100 reinforcing fibers is measured, and the average value is obtained.
配向度y/xは、図2(C)および図3(C)の一部拡大図に示すように、強化繊維128の厚み方向に対する傾斜角をθと表したとき、1/cosθに相当する値であり、1に近いほど、当該強化繊維が厚み方向によく配向していることを意味する配向の指標である。
The degree of orientation y / x corresponds to 1 / cos θ when the inclination angle of the reinforcing
本発明において樹脂部材は、接合部の表面から500μmの深さでの強化繊維の配向度y1/xが上記式(I)〜(III)を満たせばよい。詳しくは、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値y1(μm)についての配向度y1/x(xは上記式においてと同様である)が上記式(I)〜(III)の範囲を満たせばよい。具体的には、本発明において配向度y1/xは以下の式を満たす:
1≦y1/x≦1.3;
好ましくは1≦y1/x≦1.2;
より好ましくは1≦y1/x≦1.1。
In the present invention, the resin member only needs to satisfy the above formulas (I) to (III) in the orientation degree y1 / x of the reinforcing fiber at a depth of 500 μm from the surface of the joint. Specifically, the degree of orientation y1 / x (x is the same as that in the above formula) with respect to the average value y1 (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fibers in the vertical cross section when the bonded portion is polished from the surface to a depth of 500 μm in the thickness direction. May satisfy the range of the above formulas (I) to (III). Specifically, in the present invention, the degree of orientation y1 / x satisfies the following formula:
1 ≦ y1 / x ≦ 1.3;
Preferably 1 ≦ y1 / x ≦ 1.2;
More preferably, 1 ≦ y1 / x ≦ 1.1.
本発明においてスプリングバックをより一層、十分に防止する観点から、樹脂部材は、接合部の表面から500μmの深さでの強化繊維の配向度y1/xが上記範囲内であるだけでなく、さらに深い所定の深さでの強化繊維の配向度y2/x(xは上記式において同様である;y2はさらに深い所定の深さまで研磨したときの垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)である)が上記範囲内であることが好ましい。「さらに深い所定の深さ」とは、凸型樹脂部材12Aの場合は、接合用柱状リブ125の高さをH(mm)としたとき、L1=H/3の深さであり、平型樹脂部材12Bの場合は、樹脂部材12Bの厚みをt2(mm)としたとき、L2=t2/5の深さである。従って、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さおよび上記所定の深さのそれぞれまで研磨したときの垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値y1(μm)およびy2(μm)についての配向度y1/xおよびy2/xが上記式(I)〜(III)の範囲を満たすことが好ましい。具体的には、配向度y1/xおよび配向度y2/xは以下の式を満たすことが好ましい;
1≦y1/x≦1.3かつ1≦y2/x≦1.3;
より好ましくは1≦y1/x≦1.2かつ1≦y2/x≦1.2;
さらに好ましくは1≦y1/x≦1.1かつ1≦y2/x≦1.1。
In the present invention, from the viewpoint of further sufficiently preventing the spring back, the resin member has not only the orientation degree y1 / x of the reinforcing fiber at a depth of 500 μm from the surface of the joint portion within the above range, Orientation degree y2 / x of reinforcing fibers at a predetermined depth deep (x is the same as in the above formula; y2 is an average value of the maximum diameter of reinforcing fibers in a vertical cross section when polished to a deeper predetermined depth (μm ) Is preferably within the above range. In the case of the
1 ≦ y1 / x ≦ 1.3 and 1 ≦ y2 / x ≦ 1.3;
More preferably 1 ≦ y1 / x ≦ 1.2 and 1 ≦ y2 / x ≦ 1.2;
More preferably, 1 ≦ y1 / x ≦ 1.1 and 1 ≦ y2 / x ≦ 1.1.
上記のように接合部122において強化繊維を厚み方向に平行に配向させることにより、樹脂部材12の接合時におけるスプリングバックを十分に防止することができる。スプリングバック防止のメカニズムの詳細は明らかではないが、以下の現象に基づくものと考えられる。従来の樹脂部材において強化繊維は成形時の圧力および周囲の熱可塑性ポリマーの固化により湾曲されたまま拘束されており、接合時に熱可塑性ポリマーの溶融により、拘束から解放されると、繊維の湾曲が緩和されることで厚み方向で嵩高くなるため、スプリングバックが発生するものと考えられる。本発明においては、接合部で強化繊維が厚み方向に十分に平行に配向しているので、溶融時に嵩高くなることはほとんどない。また溶融時においても繊維の湾曲はほとんど起こらない。これらの結果、スプリングバックが十分に防止されるものと考えられる。接合部において強化繊維を厚み方向に十分に配向させないと、すなわちy1/xが大きすぎると、スプリングバックが発生し、結果として接合強度が低下する。
As described above, by orienting the reinforcing fibers in the joining
樹脂部材12(12Aおよび12B)を構成する熱可塑性ポリマーとしては、熱可塑性を有するあらゆるポリマーが使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている熱可塑性ポリマーが好ましく使用される。そのような熱可塑性ポリマーの具体例として、例えば、以下のポリマーおよびそれらの混合物が挙げられる:
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂およびその酸変性物;
ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)、ポリ乳酸(PLA)などのポリエステル系樹脂;
ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)などのポリアクリレート系樹脂;
ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンエーテル(PPE)などのポリエーテル系樹脂;
ポリアセタール(POM);
アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー系樹脂(ABS);
ポリフェニレンサルファイド(PPS);
PA6、PA66、PA11、PA12、PA6T、PA9T、MXD6などのポリアミド系樹脂(PA);
ポリカーボネート系樹脂(PC);
ポリウレタン系樹脂;
フッ素系ポリマー樹脂;および
液晶ポリマー(LCP)。
As the thermoplastic polymer constituting the resin member 12 (12A and 12B), any polymer having thermoplasticity can be used. Of these, thermoplastic polymers used in the field of automobiles are preferably used. Specific examples of such thermoplastic polymers include, for example, the following polymers and mixtures thereof:
Polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene and acid-modified products thereof;
Polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polytrimethylene terephthalate (PTT), polylactic acid (PLA);
Polyacrylate resins such as polymethyl methacrylate resin (PMMA);
Polyether resins such as polyether ether ketone (PEEK) and polyphenylene ether (PPE);
Polyacetal (POM);
Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer resin (ABS);
Polyphenylene sulfide (PPS);
PA6, PA66, PA11, PA12, PA6T, PA9T, MXD6 and other polyamide-based resins (PA);
Polycarbonate resin (PC);
Polyurethane resin;
A fluoropolymer resin; and a liquid crystal polymer (LCP).
樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーとしては、安価で機械特性に優れるポリオレフィン系樹脂、特にポリプロピレンおよびポリアミド系樹脂が好ましく使用される。
As the thermoplastic polymer constituting the
熱可塑性ポリマーの分子量は特に限定されるものではなく、例えば230℃でのMFR(メルトフローレート値)が2〜200g/10分間、特に2〜55g/10分間となるような分子量であればよい。 The molecular weight of the thermoplastic polymer is not particularly limited. For example, the molecular weight may be such that the MFR (melt flow rate value) at 230 ° C. is 2 to 200 g / 10 minutes, particularly 2 to 55 g / 10 minutes. .
本明細書中、ポリマーのMFRはJIS K 7210により測定された値を用いている。 In this specification, the value measured by JIS K 7210 is used for the MFR of the polymer.
強化繊維128は、ポリマー含有複合材料の分野で、強度向上のために、ポリマー中に含有される繊維であり、一般に、連続繊維と不連続繊維とに大別されるが、本発明において強化繊維は、特に不連続繊維を意味するものとする。強化繊維の種類としては、特に制限されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維等が挙げられる。
In the field of polymer-containing composite materials, the reinforcing
樹脂部材全体において強化繊維は平均繊維長が通常、50mm以下、特に0.1〜50mm、好ましくは1〜50mmである。接合部において強化繊維は平均繊維長が通常、50mm以下、特に0.1〜50mm、好ましくは1〜50mmである。樹脂部材全体においても、接合部においても、強化繊維の平均繊維径は特に制限されるものではなく、通常は前記xと同様の範囲内である。 In the entire resin member, the reinforcing fiber has an average fiber length of usually 50 mm or less, particularly 0.1 to 50 mm, preferably 1 to 50 mm. The average fiber length of the reinforcing fiber at the joint is usually 50 mm or less, particularly 0.1 to 50 mm, preferably 1 to 50 mm. The average fiber diameter of the reinforcing fibers is not particularly limited in the resin member as a whole or in the joint, and is usually in the same range as x.
樹脂部材12(12Aおよび12B)全量に対する強化繊維128の含有量は通常、10〜50重量%であり、好ましくは20〜40重量%である。特に接合部122における強化繊維128の含有量は、当該接合部全量に対して、通常、10〜50重量%であり、好ましくは20〜40重量%である。
The content of the reinforcing
樹脂部材全量に対する強化繊維128の含有量は、樹脂部材の製造時における各材料の使用量に基づく値を使用することができるし、以下の方法により測定される値を使用することもできる。
まず、樹脂部材全体を、電気炉等により、熱可塑性ポリマーの分解温度以上、強化繊維の分解温度以下で加熱することによって、熱可塑性ポリマーを取り除き、強化繊維のみを取り出す。加熱前後の重量測定により、強化繊維の含有量を加熱前の重量に対する割合として算出することができる。または、比重を測定することによっても、含有量の測定ができる。
As the content of the reinforcing
First, the entire resin member is heated by an electric furnace or the like at a temperature not lower than the decomposition temperature of the thermoplastic polymer and not higher than the decomposition temperature of the reinforcing fiber, thereby removing the thermoplastic polymer and taking out only the reinforcing fiber. By measuring the weight before and after heating, the content of reinforcing fibers can be calculated as a ratio to the weight before heating. Alternatively, the content can be measured by measuring the specific gravity.
接合部における強化繊維128の含有量は、接合部のみを切り出して測定を行うこと以外、樹脂部材全量に対する強化繊維の含有量の測定方法と同様の方法により測定することができる
The content of the reinforcing
樹脂部材全体における強化繊維の平均繊維長および平均繊維径は、上記樹脂部材全量に対する強化繊維の含有量の測定方法において、得られる強化繊維の平均繊維長および平均繊維径を直接測定する方法によって測定することができる。 The average fiber length and average fiber diameter of the reinforcing fibers in the entire resin member are measured by a method of directly measuring the average fiber length and average fiber diameter of the obtained reinforcing fibers in the method for measuring the content of reinforcing fibers with respect to the total amount of the resin member. can do.
接合部に含有される強化繊維の平均繊維長および平均繊維径は、上記接合部における強化繊維の含有量の測定方法において、得られる強化繊維の平均繊維長および平均繊維径を直接測定する方法によって測定することができる。 The average fiber length and average fiber diameter of the reinforcing fibers contained in the joint are determined by directly measuring the average fiber length and average fiber diameter of the reinforcing fibers obtained in the method for measuring the content of reinforcing fibers in the joint. Can be measured.
以下、樹脂部材12の第1〜第4実施態様およびその製造方法を、図面を用いて説明する。
Hereinafter, the 1st-4th embodiment of the
図4(A)および(B)に示す樹脂部材は、図2(A)〜(C)に示す凸型樹脂部材12Aの具体例のひとつであって、第1実施態様の樹脂部材12A−1である。
The resin member shown in FIGS. 4A and 4B is one of specific examples of the
樹脂部材12A−1は、当該樹脂部材の形状に対応する成形面を備えた金型151Aおよび151Bを用いて射出成形法により簡便に製造することができる。詳しくは、図4(C)に示すように所定の熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を射出機150内で予め溶融および混合しておき、閉じられた所定の金型151Aおよび151Bの中に、溶融混合物を射出注入する。このとき、溶融混合物の流路として接合用柱状リブ125が流動末端になるように射出注入口151の位置を選択することにより、図4(C)中、矢印方向の流れを促進させ、接合部122において強化繊維を厚み方向に配向させることができる。図4(B)において接合用柱状リブ125の高さHおよび幅R1および本体部124の厚みt1はそれぞれ図2においてと同様の範囲内である。接合部122における強化繊維の配向の観点から、R1/t1は1〜20が好ましく、より好ましくは1〜10である。同様の観点から、H/R1は0.2〜5が好ましく、より好ましくは0.5〜4である。
The
図5(A)〜(C)に示す樹脂部材は、図2(A)〜(C)に示す凸型樹脂部材12Aの具体例のひとつであって、第2実施態様の樹脂部材12A−2である。樹脂部材12A−2において、接合用柱状リブ125は溝部126を有する。リブ125に溝部126を形成することにより、接合時において、リブ125の溶融物が溝部126に収容されるので、金属部材11と樹脂部材12A−2の本体部124とを接触させることができる。図5(B)において溝部126は環状または点状で形成され、その結果、リブ125は、外側円筒状リブ125Aと内側円筒状リブ125Bとに分割されているが、これに限定されるものではなく、例えば、1またはそれ以上の直線状溝部により分割されてもよい。
The resin member shown in FIGS. 5A to 5C is one of specific examples of the
樹脂部材12A−2は、当該樹脂部材の形状に対応する成形面を備えた金型151Aおよび151Bを用いて射出成形法により簡便に製造することができる。詳しくは、図6に示すように所定の熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を射出機150内で予め溶融および混合しておき、閉じられた所定の金型151Aおよび151Bの中に、溶融混合物を射出注入する。このとき、溶融混合物の流路として分割リブ125A,125Bが流動末端になるように射出注入口151の位置を選択することにより、図6中、矢印方向の流れを促進させ、接合部122において強化繊維を厚みt方向に配向させることができる。図5(C)においてリブ125(分割リブ125A,125B)の高さHおよび幅(全幅)R1および本体部124の厚みt1はそれぞれ図2においてと同様の範囲内である。分割リブ125A,125Bの幅R3は通常、1〜10mmであり、好ましくは2〜8mmである。溝部126の幅R4は通常、1〜8mmであり、好ましくは1〜5mmである。溝部126の深さL3は通常、0〜3mmであり、好ましくは0.3〜2mmである。接合部122における強化繊維の配向の観点から、R3/t1は0.1〜5が好ましく、より好ましくは0.2〜2である。同様の観点から、H/R3は0.5〜20が好ましく、より好ましくは1〜10である。
The
図7(A)〜(C)に示す樹脂部材は、図3(A)〜(C)に示す平型樹脂部材12Bの具体例のひとつであって、第3実施態様の樹脂部材12B−1である。
The resin member shown in FIGS. 7A to 7C is one of specific examples of the
樹脂部材12B−1は、接合部122において強化繊維が厚み方向に配向した前記樹脂部材12A−1および樹脂部材12B−1の形状に対応する成形面を備えた金型を用いて射出成形法により簡便に製造することができる。詳しくは、図8に示すように予め成形した樹脂部材12A−1を予備成形体127Aとして、所定の金型151Aおよび151Bの中に挿入する。所定の熱可塑性ポリマーおよび所望により含有される強化繊維を射出機150内で予め溶融および混合しておき、閉じられた金型151Aおよび151Bの中に、溶融混合物を射出注入し、予備成形体以外の部分129Aを形成する。図7(C)において接合部の深さL2、樹脂部材の厚みt2および接合予定領域Eの幅R2それぞれ図3においてと同様の範囲内である。
The
樹脂部材12B−1において、予備成形体以外の部分129Aは熱可塑性ポリマーを含有し、樹脂部材の強度向上の観点から、強化繊維を含有することが好ましい。予備成形体以外の部分129Aにおける強化繊維の平均繊維長は通常、0.1〜50mmであり、好ましくは1〜50mmである。予備成形体以外の部分129Aにおける強化繊維の平均繊維径は特に制限されるものではなく、例えば、2〜20μmであり、好ましくは6〜15μmである。予備成形体以外の部分129Aにおける強化繊維の種類は、予備成形体127Aとしての樹脂部材12A−1における前記強化繊維128と同様のものが使用可能である。予備成形体以外の部分129Aにおいて、強化繊維の含有量は特に限定されないが、強度の向上の観点から、該予備成形体以外の部分129A全量に対して、10〜50重量%であることが好ましく、より好ましくは20〜40重量%である。
In the
本明細書中、予備成形体以外の部分129Aに含有される強化繊維の平均繊維長、平均繊維径および量は、樹脂部材12B−1の製造時における各材料の物性値および使用量に基づく値を使用することができる。
予備成形体以外の部分における強化繊維の含有量は、予備成形体以外の部分のみを切り出して測定を行うこと以外、樹脂部材全量に対する強化繊維の含有量の測定方法と同様の方法により測定することができる。
予備成形体以外の部分に含有される強化繊維の平均繊維長および平均繊維径は、上記予備成形体以外の部分における強化繊維の含有量の測定方法において、得られる強化繊維の平均繊維長および平均繊維径を直接測定する方法によって測定することができる。
In the present specification, the average fiber length, average fiber diameter, and amount of the reinforcing fibers contained in the
The content of the reinforcing fiber in the portion other than the preform is measured by the same method as the method for measuring the content of the reinforcing fiber with respect to the total amount of the resin member, except that only the portion other than the preform is cut out and measured. Can do.
The average fiber length and average fiber diameter of the reinforcing fibers contained in the portion other than the preform are the average fiber length and average of the reinforcing fibers obtained in the method for measuring the content of reinforcing fibers in the portion other than the preform. It can be measured by a method of directly measuring the fiber diameter.
予備成形体127Aを構成する熱可塑性ポリマーおよび予備成形体以外の部分129Aを構成する熱可塑性ポリマーはそれぞれ独立して前記熱可塑性ポリマーから選択される。予備成形体127Aを構成する熱可塑性ポリマーおよび予備成形体以外の部分129Aを構成する熱可塑性ポリマーはそれぞれ2種類以上組み合わせて含有されてもよい。
The thermoplastic polymer constituting the
予備成形体127Aに含有される強化繊維および予備成形体以外の部分129Aに含有される強化繊維はそれぞれ独立して前記強化繊維から選択される。予備成形体127Aに含有される強化繊維および予備成形体以外の部分129Aに含有される強化繊維はそれぞれ2種類以上組み合わせて含有されてもよい。
The reinforcing fibers contained in the preformed
図9(A)〜(C)に示す樹脂部材は、図3(A)〜(C)に示す平型樹脂部材12Bの具体例のひとつであって、第4実施態様の樹脂部材12B−2である。
The resin member shown in FIGS. 9A to 9C is one of specific examples of the
樹脂部材12B−2は、予め強化繊維を一方向に配向させた成形体および樹脂部材12B−2の形状に対応する成形面を備えた金型を用いて射出成形法により簡便に製造することができる。詳しくは、図10に示すように予め強化繊維を略一方向に配向させた成形体を予備成形体127Bとして、所定の金型151Aおよび151Bの中に挿入する。予備成形体127Bは強化繊維の押出成形体を切断することにより製造することができる。所定の熱可塑性ポリマーおよび所望により含有される強化繊維を射出機150内で予め溶融および混合しておき、閉じられた金型151Aおよび151Bの中に、溶融混合物を射出注入し、予備成形体以外の部分129Bを形成する。する。図9(C)において接合部の深さL2、樹脂部材の厚みt2および接合予定領域Eの幅R2それぞれ図3においてと同様の範囲内である。
The
樹脂部材12B−2において、予備成形体以外の部分129Bは、樹脂部材12B−1における予備成形体以外の部分129Aと同様である。
In the
(2)金属部材
金属部材11は、図1等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、少なくとも樹脂部材12との重ね合わせ部分、特に回転ツール16の直下部分近傍、が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。
(2) Metal member Although the
金属部材11において樹脂部材12と重ね合わせる略平板形状部分の厚みT(図12参照)は特に制限されるものではなく、通常、2〜10mmである。
The thickness T (see FIG. 12) of the substantially flat plate-shaped portion that overlaps the
金属部材11を構成する金属としては、融点が、樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーよりも高いあらゆる金属が使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている以下の金属および合金が好ましく使用される:
アルミニウムおよび5000系、6000系などのアルミニウム合金;
スチール;
マグネシウムおよびその合金;
チタンおよびその合金。
As the metal constituting the
Aluminum and aluminum alloys such as 5000 series and 6000 series;
steel;
Magnesium and its alloys;
Titanium and its alloys.
(3)回転ツール
図11は、回転ツール16の先端部の拡大図である。図11において、右半分は回転ツール16の外観を示し、左半分は断面を示している。図11に示すように、円柱状の回転ツール16は、先端部(図11では下端部)にピン部16a及びショルダ部16bを有している。ショルダ部16bは、回転ツール16の円形の先端面を含む回転ツール16の先端の部分である。ピン部16aは、回転ツール16の中心軸線X上において、回転ツール16の円形の先端面から外方(図11では下方)に突設された、ショルダ部16bよりも小径の円柱状の部分である。ピン部16aは、回転している回転ツール16をワーク10に最初に接触させて押圧するときに回転ツール16を位置決めするためのものである。
(3) Rotating Tool FIG. 11 is an enlarged view of the tip portion of the
回転ツール16の素材及び各部の寸法は、主として、回転ツール16が押圧する金属部材11の金属の種類に応じて設定される。例えば、金属部材11がアルミニウム合金よりなる場合、回転ツール16は工具鋼(例えばSKD61等)で作製され、ショルダ部16bの直径D1は10mm、ピン部16aの直径D2は2mm、ピン部16aの突出長さhは0.5mmに設定される。また、例えば、金属部材11がスチールよりなる場合、回転ツール16は窒化珪素やPCBN(立方晶窒化ホウ素焼結体)等で作製され、ショルダ部16bの直径D1は10mm、ピン部16aの直径D2は3mm、ピン部16aの突出長さhは0.5mmに設定される。もっとも、これらは例示に過ぎず、これらに限定されないことはいうまでもない。例えば、ショルダ部16bの直径D1は通常、5〜30mm、好ましくは5〜15mmであるがこれに限定されるものではない。
The material of the
(4)本発明に係る接合方法の一実施態様(摩擦撹拌接合方法)
本発明に係る摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法は少なくとも以下のステップ:
金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせる第1ステップ;および
押圧部材として回転ツール16を回転させつつ、金属部材11に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材12を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材11と樹脂部材12とを接合する第2ステップ:
を含むものである。
(4) One embodiment of the joining method according to the present invention (friction stir welding method)
The method of joining the metal member and the resin member by the friction stir welding method according to the present invention is at least the following steps:
A first step of superimposing the
Is included.
第1ステップ:
第1ステップにおいては、図1に示すように、金属部材11と樹脂部材12とを所望の接合部位で重ね合わせる。詳しくは、樹脂部材12における前記金属部材11との接合部122の表面が金属部材11と接触するように、金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせる。
First step:
In the first step, as shown in FIG. 1, the
第2ステップ:
第2ステップにおいては、回転ツール16を金属部材11に押し込んで、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程C2を少なくとも行う。
Second step:
In the second step, at least a push-in stirring step C2 is performed in which the
第2ステップにおいて、押込み撹拌工程の前に、回転ツール16の先端部のみを金属部材11の表面部に接触させた状態で上記回転ツール16を回転させる予熱工程C1を行うことが好ましいが、必ずしも行わなければならないというわけではない。
押込み撹拌工程の後には、回転ツール16を接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール16の回転動作を継続させる撹拌維持工程C3を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
In the second step, it is preferable to perform the preheating step C1 in which the
After the indentation stirring step, it is preferable to perform the stirring maintenance step C3 in which the rotation operation of the
以下、各工程について詳しく説明する。凸型樹脂部材12Aを用いた場合の各工程については図12〜図14を用いて、平型樹脂部材12Bを用いた場合の各工程については図15〜図17を用いて、並行して説明する。
Hereinafter, each step will be described in detail. Each process when the
(予熱工程C1)
予熱工程C1は、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図12および図15に示すように、回転ツール16の先端部のみを金属部材11の表面部(図例では上面部)に接触させた状態で回転ツール16を回転させる工程である。予熱工程C1では、回転ツール16を、第1の加圧力(例えば、900N)で、第1の加圧時間(例えば、1.00秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。図12は、図1におけるZ−Z断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、凸型樹脂部材12Aを用いた本発明の接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。図15は、平型樹脂部材12Bを用いた本発明の接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。
(Preheating process C1)
In the preheating step C1, as shown in FIGS. 12 and 15, only the tip of the
具体的には、予熱工程C1では、回転ツール16の押圧により金属部材11の表面部(図例では上面部)で摩擦熱が発生する。摩擦熱は金属部材11の内部に伝わり、金属部材11の上記押圧領域Pの範囲及び上記押圧領域Pの近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程C2で、回転ツール16を金属部材11に押込み易くなる。
Specifically, in the preheating step C <b> 1, frictional heat is generated at the surface portion (upper surface portion in the illustrated example) of the
予熱工程C1では、摩擦熱は、金属部材11と樹脂部材12(以下、樹脂部材12Aおよび12Bを包含して意味するものとする)との接合境界面13を介して、樹脂部材12にも伝わる。摩擦熱は樹脂部材12の内部に伝わり、樹脂部材12における上記押圧領域P直下の領域の範囲(以下、単に「領域P'」ということがある)及び当該領域P’の近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程C2で、樹脂部材12が軟化および溶融し易くなる。
In the preheating step C1, the frictional heat is also transmitted to the
予熱工程C1の第1の加圧力及び第1の加圧時間は、上記のような回転ツール16の押込み易さの観点及び樹脂部材12の軟化および溶融し易さの観点から設定され、その値は、例えば回転ツール16の回転数や金属部材11の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、1mm以上2mm以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材11を使用する場合、予熱工程C1における第1の加圧力は700N以上1200N未満の値、第1の加圧時間は0.5秒以上2.0秒未満の値、回転ツールの回転数は500rpm以上10000rpm以下の値が好ましい。
The first pressurizing force and the first pressurizing time in the preheating step C1 are set from the viewpoints of ease of pushing in the
(押込み撹拌工程C2)
押込み撹拌工程C2は、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図13および図16に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む工程である。押込み撹拌工程C2を予熱工程C1に次いで行う場合には、回転ツール16と受け具17とをさらに相互に近接させることにより、図13および図16に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む。これにより、回転ツール16を金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13に達しない深さまで進入させる。このとき、金属部材11の回転ツール直下部110を樹脂部材12側に突出変形させることが好ましい。これにより、接合境界面13において回転ツールの直下領域P’で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂121を該直下領域P’の外周領域まで流動させることができる(図13および図16の矢印方向)。図13は、図1におけるZ−Z断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、凸型樹脂部材を用いた本発明の接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。図16は、平型樹脂部材を用いた本発明の接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。
(Indentation stirring step C2)
The pushing agitation step C2 is a step of pushing the rotating
詳しくは、押込み撹拌工程C2では、回転ツール16を、第1の加圧力より大きい第2の加圧力(例えば、1500N)で、第1の加圧時間より短い第2の加圧時間(例えば、0.25秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
Specifically, in the indentation stirring step C2, the
押込み撹拌工程C2では、加圧力が予熱工程C1よりも大きくなることにより、回転ツール16が金属部材11に押し込まれる。すなわち、回転ツール16が金属部材11の内部に深く進入する。好ましくは、この回転ツール16の押込みにより、金属部材11の回転ツール直下部110において、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13が受け具17側(図例では下側)に移動し、当該直下部110が樹脂部材12側に突出変形する。これにより、接合境界面13において回転ツールの直下領域P’で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂121が該直下領域P’を超えて、その外周領域まで流動する。溶融樹脂は回転ツール直下領域P’を中心とする略円形状で広がる。その結果、溶融樹脂と金属部材11との接触面積が拡大され、また、得られる接合体において冷却により溶融樹脂が固化してなる溶融固化域(接合領域)も拡大されるため、樹脂部材と金属部材との接合をより一層、十分な強度で達成することがでる。
In the indentation stirring step C2, the rotating
仮に、回転ツール16がさらに押し込まれると(つまり加圧力が高過ぎ及び/又は加圧時間が長過ぎると)、回転ツール16のショルダ部16bが上記接合境界面を超える。すなわち、回転ツール16が金属部材11を貫通し、樹脂部材12に接触する。すると、金属部材11に回転ツール16が通過した孔が開いた孔開き状態となり、接合不良が起きる。
If the
そこで、本発明では、この押込み撹拌工程C2において、回転ツール16のショルダ部16bが上記接合境界面に達しない深さまで進入した時点で、回転ツール16の押込みを停止する。換言すれば、回転ツール16を上記接合境界面に達しない深さまで進入させる。これにより、次の撹拌維持工程C3で、樹脂部材12に近い基準位置で摩擦熱が発生し、多量の摩擦熱が樹脂部材12に伝わり、樹脂部材12の軟化および溶融および流動が促進される。
Therefore, in the present invention, in the indentation stirring step C2, the indentation of the
押込み撹拌工程C2の第2の加圧力及び第2の加圧時間は、上記のような金属部材11の孔開き回避の観点及び回転ツール16をできるだけ樹脂部材12に近接させる観点から設定され、その値は、例えば回転ツール16の回転数や金属部材11の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、1mm以上2mm以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材11を使用する場合、押込み撹拌工程C2における第2の加圧力は1200N以上1800N未満の値、第2の加圧時間は0.1秒以上0.5秒未満の値、回転ツールの回転数は500rpm以上10000rpm以下の値が好ましい。
The second pressing force and the second pressurizing time in the indentation stirring step C2 are set from the viewpoint of avoiding the opening of the
(撹拌維持工程C3)
撹拌維持工程C3は、回転ツール16と受け具17との相互近接を停止することにより、同じく図13および図16に示すように、上記接合境界面13に達しない深さまで進入させた位置(これを「基準位置」という)で回転ツール16の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程C3では、回転ツール16を、第1の加圧力より小さい第3の加圧力(例えば、500N)で、第1の加圧時間より長い第3の加圧時間(例えば、6.75秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
(Stirring maintenance step C3)
The agitation maintaining step C3 stops the mutual proximity of the
撹拌維持工程C3では、加圧力が予熱工程C1よりも小さくなることにより(もちろん押込み撹拌工程C2よりも小さくなることにより)、回転ツール16が上記基準位置に維持される。この樹脂部材12に近い基準位置で回転ツール16の回転動作が継続されるため、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱の大部分が樹脂部材12に移動する。そのため、樹脂部材12は、上記押圧領域P直下の領域P’の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化および溶融する。
In the stirring maintaining step C3, the rotating
撹拌維持工程C3の第3の加圧力及び第3の加圧時間は、上記のような樹脂部材12の広い範囲での十分な軟化および溶融の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール16の回転数や金属部材11の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、1mm以上2mm以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材11を使用する場合、撹拌維持工程C3における第3の加圧力は100N以上700N未満の値、特に100N以上600N以下の値が好ましい。第3の加圧時間は1.0秒以上10秒未満の値、回転ツールの回転数は500rpm以上10000rpm以下の値が好ましい。
The third pressurizing force and the third pressurizing time in the stirring maintaining step C3 are set from the viewpoint of sufficient softening and melting of the
(保持工程C4)
押込み撹拌工程C2または撹拌維持工程C3の後には、上記回転ツール16の回転を停止し、その状態で上記回転ツール16を所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程C4を行ってもよい。
保持工程C4は、同じく図13および図16に示すように、回転ツール16の回転を停止し、その状態で回転ツール16を所定の加圧力で所定の時間だけ保持する工程である。保持工程C4では、回転ツール16を、第3の加圧力より大きいが第2の加圧力より小さい第4の加圧力(例えば、1000N)で、第3の加圧時間より短いが第2の加圧時間より長い第4の加圧時間(例えば、5.00秒)だけ保持する。
(Holding process C4)
After the indentation stirring step C2 or the stirring maintaining step C3, a holding step C4 is performed in which the rotation of the
Similarly, as shown in FIGS. 13 and 16, the holding step C4 is a step of stopping the rotation of the
保持工程C4では、回転ツール16の回転が停止されることにより、摩擦熱の発生が終了する。すなわち、摩擦撹拌接合としての実質的な動作が終了し、ワーク10の冷却が開始する。ワーク10の冷却期間中、加圧力が押込み撹拌工程C2よりも小さいが撹拌維持工程C3よりも大きくなることにより、回転が停止された回転ツール16が金属部材11と樹脂部材12とを押圧領域Pで受け具17との間に挟んでクランプする。これにより、金属部材11と樹脂部材12との間の冷却中の密着力が高められ、冷却・固化完了後の接合強度が高められる。
In the holding step C4, the rotation of the
保持工程C4の第4の加圧力及び第4の加圧時間は、上記のような冷却期間中の少なくとも押圧領域P’での密着力向上の観点から設定され、その値は、例えば金属部材11の素材の種類等に依存して変化する。例えば、アルミニウム合金製金属部材11を使用する場合、保持工程C4における第4の加圧力は、例えば700N以上1200N未満の値、第4の加圧時間は、例えば1秒以上の値が好ましい。
The fourth pressurizing force and the fourth pressurizing time in the holding step C4 are set from the viewpoint of improving the adhesion force at least in the pressing region P ′ during the cooling period as described above, and the values thereof are, for example, the
本発明では、少なくとも前記した工程C2を経て、好ましくは前記した工程C1およびC2を経て、より好ましくは前記した工程C1〜C3を経て、その後、必要に応じてさらに工程C4を経て、最終的に、図14および図17に示すように、金属部材11と樹脂部材12とが、スプリングバックの発生なしに、高強度に接合された接合体20Aおよび20Bが得られる。
In the present invention, at least through the above-described step C2, preferably through the above-described steps C1 and C2, more preferably through the above-described steps C1 to C3, and then further through step C4 as necessary, finally. As shown in FIGS. 14 and 17, joined bodies 20 </ b> A and 20 </ b> B are obtained in which the
第2ステップにおいて所定の工程を行った後、通常は冷却を行い、溶融樹脂を固化させる。冷却方法は特に限定されず、例えば、放置冷却法、空冷等が挙げられる。 After performing a predetermined process in the second step, cooling is usually performed to solidify the molten resin. The cooling method is not particularly limited, and examples thereof include a standing cooling method and air cooling.
以上、回転ツールを金属部材の接触面上、面方向で移動させることなく、点状に金属部材と樹脂部材との接合を行う場合(点接合)について説明したが、上記面方向において回転ツールを移動させながら、線状に金属部材と樹脂部材との接合を行う場合(線接合)においても本発明の効果が得られることは明らかである。 As described above, the case where the metal member and the resin member are joined in a point shape without moving the rotary tool in the surface direction on the contact surface of the metal member (point joining) has been described. It is clear that the effect of the present invention can be obtained even when the metal member and the resin member are joined linearly while being moved (line joining).
<実施例1>
(樹脂部材)
図4(A)および(B)に示すような凸型樹脂部材12A−1を製造した。
詳しくはまず、図4(C)に示すように、射出機150内で、強化繊維として重量平均繊維長3mmおよび平均繊維径13μmのガラス繊維を30重量%含むナイロン66ペレット(プラストロンPA66-CF30;ダイセルポリマー社製)を280℃で溶融し、溶融物を金型(40℃)151A,151B内に射出速度100mm/秒で射出注入した後、冷却・固化させ、凸型樹脂部材12A−1を得た。凸型樹脂部材12A−1の寸法は以下の通りであった。
R1(図4(B)参照);12mm;
H(図4(B)参照);10mm;
本体部124のt1(図4(B)参照);3mm。
本体部124の縦;100mm;
本体部124の横;(幅)100mm。
<Example 1>
(Resin member)
A
Specifically, as shown in FIG. 4C, first, nylon 66 pellets (Plastotron PA66-CF30) containing 30% by weight of glass fibers having a weight average fiber length of 3 mm and an average fiber diameter of 13 μm as reinforcing fibers are used in the
R1 (see FIG. 4B); 12 mm;
H (see FIG. 4B); 10 mm;
T1 of the main body portion 124 (see FIG. 4B); 3 mm.
Length of the
Next to the
凸型樹脂部材12A−1において、接合用柱状リブ125の先端平面領域における表面から深さ500μmおよびH/3それぞれでの配向度y1/xおよびy2/xを前記した方法により測定した。
In the
(金属部材)
金属部材としては、6000系のアルミニウム合金製の平板状部材(厚さ1.2mm)を用いた。
(Metal member)
As the metal member, a flat plate member (thickness: 1.2 mm) made of a 6000 series aluminum alloy was used.
(回転ツール)
回転ツールとしては、図11の各部の寸法がD1=10mm、D2=2mm、h=0.5mmの工具鋼製のものを用いた。
(Rotation tool)
As the rotating tool, a tool made of tool steel having dimensions of each part in FIG. 11 of D1 = 10 mm, D2 = 2 mm, and h = 0.5 mm was used.
(接合方法)
以下の方法により、金属部材11と樹脂部材12との接合体を製造した。
第1ステップ:
金属部材11と樹脂部材12A−1とを、樹脂部材12A−1のリブ125の先端平面領域が金属部材12と接触するように、重ね合わせた(図1)。
(Joining method)
The joined body of the
First step:
The
第2ステップ:
まず、図12に示すように、回転ツール16の先端部のみを金属部材11の表面部に接触させた状態で回転ツール16を回転させた(予熱工程C1:加圧力900N、加圧時間1.00秒、ツール回転数3000rpm)。このとき、樹脂部材12−1におけるリブ125の先端平面領域(円形)の中心は回転ツール16の回転軸上にあった。
Second step:
First, as shown in FIG. 12, the
その後、図13に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込んで金属部材11と樹脂部材12A−1との接合境界面13に達しない深さまで進入させた(押込み撹拌工程C2:加圧力1500N、加圧時間0.25秒、ツール回転数3000rpm)。
次いで、図13に示すように、回転ツール16を接合境界面13に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール16の回転動作を継続させた(撹拌維持工程C3:加圧力500N、加圧時間6.75秒、ツール回転数3000rpm)。
次いで、図14に示すように、接合体20Aから回転ツール16を抜き取り、放置冷却した。
Thereafter, as shown in FIG. 13, the
Next, as shown in FIG. 13, the rotation operation of the
Next, as shown in FIG. 14, the
(接合強度)
図18に示すように、金属部材11と樹脂部材12との接合体を治具100内に配置した。治具100は、該治具100を下方へ引っ張ることにより樹脂部材12の上端部に下方への力が働くように構成されたものである。治具100を固定し、かつ金属部材11を上方へ引っ張ることにより、樹脂部材12の上端部に下方への力が働き、樹脂部材12の母材強度に影響を受けることなく接合部の剪断強度Sを測定した。
◎;4.00≦S;
○;3.00≦S<4.00(実用上問題なし);
×;S<3.00。
(Joint strength)
As shown in FIG. 18, the joined body of the
A: 4.00 ≦ S;
○: 3.00 ≦ S <4.00 (no problem in practical use);
X: S <3.00.
<実施例2>
以下に示す方法で製造された樹脂部材12A−2を用いたこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
<Example 2>
The resin member and the metal member were joined and evaluated by the same method as in Example 1 except that the
図5(A)〜(C)に示すような凸型樹脂部材12A−2を製造した。
詳しくはまず、図6に示すように、射出機150内で、強化繊維として重量平均繊維長3mmおよび平均繊維径13μmのガラス繊維を30重量%含むナイロン66ペレット(プラストロンPA66-CF30;ダイセルポリマー社製)を280℃で溶融し、溶融物を金型(40℃)151A,151B内に射出速度100mm/秒で射出注入した後、冷却・固化させ、凸型樹脂部材12A−2を得た。凸型樹脂部材12A−2の寸法は以下の通りであった。
R1(図5(C)参照);12mm;
H(図5(C)参照);10mm;
本体部124のt1;(図5(C)参照)3mm。
本体部124の縦;100mm;
本体部124の横;(幅)100mm;
分割リブ125A,125Bの幅R3;2mm;
溝部126の幅R4;1.3mm;
溝部126の深さL3;0.3mm。
A
Specifically, first, as shown in FIG. 6, in an
R1 (see FIG. 5C); 12 mm;
H (see FIG. 5C); 10 mm;
T1 of the
Length of the
Next to the
Width R3 of the dividing
Width R4 of
The depth L3 of the
凸型樹脂部材12A−2において、接合用柱状リブ125の先端平面領域における表面から深さ500μmおよびH/3それぞれでの配向度y1/xおよびy2/xを前記した方法により測定した。
In the
<実施例3>
以下に示す方法で製造された樹脂部材12B−1を用いたこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
<Example 3>
The resin member and the metal member were joined and evaluated by the same method as in Example 1 except that the
図7(A)〜(C)に示すような平型樹脂部材12B−1を製造した。
詳しくはまず、以下に示す寸法を有する凸型樹脂部材12A−1を実施例1と同様の方法により製造し、当該凸型樹脂部材12A−1を、図8に示すように、予備成形体127Aとして用いて、射出成形法により平型樹脂部材12B−1を得た。
予備成形体127A:
R1(図4(B)参照);12mm;
H(図4(B)参照);10mm;
本体部124のt1;(図4(B)参照)3mm。
本体部124の縦;100mm;
本体部124の横;(幅)100mm。
A
Specifically, first, a
R1 (see FIG. 4B); 12 mm;
H (see FIG. 4B); 10 mm;
T1 of the
Length of the
Next to the
予備成形体127Aを用いた射出成形法による平型樹脂部材12B−1の製造に際しては、図8に示すように、予備成形体127Aを金型151Aおよび151B内に挿入した。次いで、射出機150内で、強化繊維として重量平均繊維長3mmおよび平均繊維径13μmのガラス繊維を30重量%含むナイロン66ペレット(プラストロンPA66-CF30;ダイセルポリマー社製)を280℃で溶融し、溶融物を金型(40℃)151A,151B内に射出速度100mm/秒で射出注入した後、冷却・固化させ、平型樹脂部材12B−1を得た。平型樹脂部材12B−1の寸法は以下の通りであった。
t2(=H+t1)(図7(C)および図4(B)参照);13mm;
R2(=R1)(図7(C)および図4(B)参照);12mm。
When manufacturing the
t2 (= H + t1) (see FIG. 7C and FIG. 4B); 13 mm;
R2 (= R1) (see FIG. 7C and FIG. 4B); 12 mm.
平型樹脂部材12B−1において、接合部122の表面から深さ500μmおよびt2/5それぞれでの配向度y1/xおよびy2/xを前記した方法により測定した。
In the
<比較例1>
Hを2mmに変更したこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材の製造、当該樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
<Comparative Example 1>
Except that H was changed to 2 mm, the production of the resin member, the joining of the resin member and the metal member, and the evaluation were performed in the same manner as in Example 1.
<比較例2>
Hを0.8mmに変更したこと以外、実施例2と同様の方法により、樹脂部材の製造、当該樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
<Comparative example 2>
Except that H was changed to 0.8 mm, the resin member was manufactured, the resin member and the metal member were joined, and the evaluation was performed in the same manner as in Example 2.
<比較例3>
Hを2mmに変更したこと以外、実施例3と同様の方法により、樹脂部材の製造、当該樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
<Comparative Example 3>
Except that H was changed to 2 mm, the production of the resin member, the joining of the resin member and the metal member, and the evaluation were performed in the same manner as in Example 3.
<測定方法>
樹脂部材全体および接合部における強化繊維の含有量、平均繊維長および平均繊維径を前記した方法に従って測定した。
<Measurement method>
The content of reinforcing fibers, the average fiber length, and the average fiber diameter in the entire resin member and the joint were measured according to the method described above.
本発明に係る接合方法は、自動車、鉄道車両、航空機、家電製品等の分野における金属部材と樹脂部材との接合に有用である。 The joining method according to the present invention is useful for joining a metal member and a resin member in the fields of automobiles, railway vehicles, aircraft, home appliances, and the like.
1:摩擦撹拌接合装置
10:ワーク
11:金属部材
12:樹脂部材
13:金属部材と樹脂部材との接合境界面
16:回転ツール
17:受け具
100:接合強度を測定するための治具
110:金属部材の回転ツール直下部
121:回転ツールの直下領域で溶融している溶融樹脂
1: Friction stir welding apparatus 10: Workpiece 11: Metal member 12: Resin member 13: Joining interface between metal member and resin member 16: Rotating tool 17: Receiving tool 100: Jig for measuring joint strength 110: Directly below the
Claims (17)
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度y1/xを有する樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y1/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y1は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 Heat that achieves bonding after overlapping a metal member and a resin member containing reinforcing fibers, applying heat and pressure by pressing from the metal member side by the pressing member, softening and melting the resin member, and solidifying A method of joining a metal member and a resin member by a pressure joining method,
As the resin member, a resin member having a degree of orientation y1 / x of the reinforcing fiber contained in at least the joint portion with the metal member as described below is used:
1 ≦ y1 / x ≦ 1.3
(Wherein x is the average diameter (μm) of the vertical cross section with respect to the axial direction of the reinforcing fiber; y1 is the average value (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fiber in the vertical cross section with respect to the resin member thickness direction of the joint portion) The average value of the maximum diameter in the vertical cross section when the bonded portion is polished from the surface to a depth of 500 μm in the thickness direction).
前記接合部が、接合用リブの先端平面領域における表面から深さL1までの部分であり、
前記深さL1が、接合用リブの高さをH(mm)としたとき、H/5〜Hである請求項1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The resin member is a convex resin member having a joining columnar rib, and the width R1 of the joining columnar rib is 0.5 × D1 to 5 × D1 when the width of the pressing member is D1 (mm). Yes,
The joint is a portion from the surface in the tip flat region of the joining rib to the depth L1,
The method for joining a metal member and a resin member according to claim 1, wherein the depth L1 is H / 5 to H when the height of the joining rib is H (mm).
1≦y2/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y2は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合用柱状リブの高さをH(mm)としたとき、接合部を表面から厚み方向でH/3の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 The method for joining a metal member and a resin member according to claim 2, wherein the resin member further has an orientation degree y2 / x as shown below:
1 ≦ y2 / x ≦ 1.3
(Wherein x is the average diameter (μm) of the vertical cross section with respect to the axial direction of the reinforcing fiber; y2 is the average value (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fiber in the vertical cross section with respect to the resin member thickness direction of the joint portion) When the height of the columnar ribs for bonding is H (mm), the average value of the maximum diameter in the vertical section when the bonding portion is polished from the surface to the depth of H / 3 in the thickness direction).
前記接合部が、平型樹脂部材表面の所定の接合予定領域における表面から深さL2までの部分であり、
前記深さL2が、樹脂部材の厚みをt2(mm)としたとき、t2/5〜t2/2である請求項1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The resin member is a flat resin member;
The joining portion is a portion from the surface in a predetermined joining scheduled region on the surface of the flat resin member to the depth L2,
The method for joining a metal member and a resin member according to claim 1, wherein the depth L2 is t2 / 5 to t2 / 2 when the thickness of the resin member is t2 (mm).
1≦y2/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y2は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、樹脂部材の厚みをt2(mm)としたとき、接合部を表面から厚み方向でt2/5の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 The method for joining the metal member and the resin member according to claim 4, wherein the resin member further has an orientation degree y2 / x shown below:
1 ≦ y2 / x ≦ 1.3
(Wherein x is the average diameter (μm) of the vertical cross section with respect to the axial direction of the reinforcing fiber; y2 is the average value (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fiber in the vertical cross section with respect to the resin member thickness direction of the joint portion) In addition, when the thickness of the resin member is t2 (mm), the average value of the maximum diameters in the vertical cross section when the joint portion is polished from the surface to the depth of t2 / 5).
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップ;
を含む摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度y1/xを有する樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y1/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y1は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 A first step of superimposing a metal member and a resin member containing reinforcing fibers; and while rotating the rotary tool as the pressing member, the metal member is pressed against the metal member to generate frictional heat, and the frictional heat softens the resin member. A second step of joining the metal member and the resin member by melting and then solidifying;
A method of joining a metal member and a resin member by a friction stir welding method including:
As the resin member, a resin member having a degree of orientation y1 / x of the reinforcing fiber contained in at least the joint portion with the metal member as described below is used:
1 ≦ y1 / x ≦ 1.3
(Wherein x is the average diameter (μm) of the vertical cross section with respect to the axial direction of the reinforcing fiber; y1 is the average value (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fiber in the vertical cross section with respect to the resin member thickness direction of the joint portion) The average value of the maximum diameter in the vertical cross section when the bonded portion is polished from the surface to a depth of 500 μm in the thickness direction).
前記接合部が、接合用柱状リブの先端平面領域における表面から深さL1までの部分であり、
前記深さL1が、接合用柱状リブの高さをH(mm)としたとき、H/5〜Hである請求項6に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The resin member is a convex resin member having a columnar rib for bonding, and the width R1 of the columnar rib for bonding is 0.5 × D1 to 5 × D1 when the diameter of the rotary tool is D1 (mm). Yes,
The joining portion is a portion from the surface in the tip flat region of the joining columnar rib to the depth L1,
The method for joining a metal member and a resin member according to claim 6, wherein the depth L1 is H / 5 to H, where H (mm) is the height of the joining columnar rib.
1≦y2/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y2は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合用柱状リブの高さをH(mm)としたとき、接合部を表面から厚み方向でH/3の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 The method for joining a metal member and a resin member according to claim 7, wherein the resin member further has an orientation degree y2 / x shown below:
1 ≦ y2 / x ≦ 1.3
(Wherein x is the average diameter (μm) of the vertical cross section with respect to the axial direction of the reinforcing fiber; y2 is the average value (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fiber in the vertical cross section with respect to the resin member thickness direction of the joint portion) When the height of the columnar ribs for bonding is H (mm), the average value of the maximum diameter in the vertical section when the bonding portion is polished from the surface to the depth of H / 3 in the thickness direction).
前記接合部が、回転ツールによる金属部材の押圧領域Pと同心円形状の、樹脂部材表面上の接合予定領域Eにおける表面から深さL2までの部分であり、
前記領域Eの直径R2が、回転ツールの直径をD1(mm)としたとき、D1超5×D1以下であり、
前記深さL2が、樹脂部材の厚みをt2(mm)としたとき、t2/5〜t2/2である請求項6に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The resin member is a flat resin member;
The joining portion is a portion from the surface to the depth L2 in the joining planned region E on the resin member surface, which is concentric with the pressing region P of the metal member by the rotary tool,
The diameter R2 of the region E is more than D1 and not more than 5 × D1 when the diameter of the rotary tool is D1 (mm).
The method for joining a metal member and a resin member according to claim 6, wherein the depth L2 is t2 / 5 to t2 / 2 when the thickness of the resin member is t2 (mm).
1≦y2/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y2は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、樹脂部材の厚みをt2(mm)としたとき、接合部を表面から厚み方向でt2/5の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 The method for joining the metal member and the resin member according to claim 9, wherein the resin member further has an orientation degree y2 / x shown below:
1 ≦ y2 / x ≦ 1.3
(Wherein x is the average diameter (μm) of the vertical cross section with respect to the axial direction of the reinforcing fiber; y2 is the average value (μm) of the maximum diameter of the reinforcing fiber in the vertical cross section with respect to the resin member thickness direction of the joint portion) In addition, when the thickness of the resin member is t2 (mm), the average value of the maximum diameters in the vertical cross section when the joint portion is polished from the surface to the depth of t2 / 5).
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より大きい第2の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より短い第2の加圧時間だけ回転させる請求項12に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 In the preheating step, the rotary tool is rotated by a first pressurizing time while being pressed with a first pressing force,
13. The rotation according to claim 12, wherein, in the indentation stirring step, the rotary tool is rotated by a second pressurization time shorter than the first pressurization time while pressing the rotary tool with a second pressurization force larger than the first pressurization force. A method of joining a metal member and a resin member.
前記撹拌維持工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より小さい第3の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より長い第3の加圧時間だけ回転させる請求項13に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The second step further comprises an agitation maintaining step of continuing the rotating operation of the rotating tool at a position where the rotating tool has entered to a depth that does not reach the joining boundary surface,
The said stirring maintenance process WHEREIN: The said rotating tool is rotated only for the 3rd pressurization time longer than the said 1st pressurization time, pressing with the 3rd pressurization force smaller than the said 1st pressurization force. A method of joining a metal member and a resin member.
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