JP6098551B2 - Method of joining metal member and resin member - 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該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.
従来より、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、あるいは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、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、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溶融・軟化させて金属部材と樹脂部材とを接合する方法である。 Conventionally, weight reduction has been demanded in the fields of automobiles, railway vehicles, aircraft, and the like. For example, in the field of automobiles, the use of high-tensile materials has made it possible to reduce the thickness of steel sheets, or aluminum alloy materials have been used as substitutes for steel materials, and the use of resin materials has also advanced. 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. The friction stir welding method is a method in which a metal member and a resin member are overlapped, a rotating tool is rotated and pressed against the metal member to generate frictional heat, and the resin member is melted and softened by this frictional heat to form a metal member. And a resin member.
このような摩擦撹拌接合方法においては、例えば、接合強度の観点から、金属部材の一方の面に、樹脂部材を構成する熱可塑性樹脂と相溶可能な熱可塑性樹脂からなる塗膜を形成し、当該金属部材を塗膜が形成された面が樹脂部材と接触するように配置して接合を行う技術(特許文献1)が開示されている。 In such a friction stir welding method, for example, from the viewpoint of bonding strength, a coating film made of a thermoplastic resin compatible with the thermoplastic resin constituting the resin member is formed on one surface of the metal member, The technique (patent document 1) which arrange | positions and joins the said metal member so that the surface in which the coating film was formed contacts a resin member is disclosed.
しかしながら、上記した技術においては、摩擦撹拌接合を行う前に、金属部材の表面に塗膜を形成する必要があるので、工程数が増え、コストを増大させる原因となる。 However, in the above-described technique, it is necessary to form a coating film on the surface of the metal member before performing friction stir welding, which increases the number of processes and increases costs.
そこで、本発明の発明者等により、カルボン酸変性ポリマーからなる樹脂部材を用いて、金属部材との接合強度を向上させる試みがなされているが、カルボン酸変性ポリマーは比較的融点が低く、樹脂部材の耐熱性が低下するため、得られた接合体の用途が制限されることがある。 Therefore, the inventors of the present invention have attempted to improve the bonding strength with a metal member by using a resin member made of a carboxylic acid-modified polymer. However, the carboxylic acid-modified polymer has a relatively low melting point and is a resin. Since the heat resistance of a member falls, the use of the obtained joined body may be restrict | limited.
本発明は、工程数を増やすことなく、耐熱性が十分に向上した樹脂部材を金属部材に十分な強度で接合することができる金属部材と樹脂部材との接合方法および該方法において使用される樹脂部材を提供することを目的とする。 The present invention relates to a method for joining a metal member and a resin member, which can join a resin member having sufficiently improved heat resistance to the metal member with sufficient strength without increasing the number of steps, and a resin used in the method. An object is to provide a member.
本発明は、
金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、熱および圧力を金属部材側から付与することにより樹脂部材を軟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って、
樹脂部材として、金属部材との接合表面におけるカルボニル基の存在量が内層部におけるカルボニル基の存在量よりも大きい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に関する。
The present invention
It is a hot-pressure bonding method in which a metal member and a resin member are overlapped, the resin member is softened by applying heat and pressure from the metal member side, and the metal member and the resin member are bonded.
The present invention relates to a method for joining a metal member and a resin member, wherein the resin member is a resin member in which the amount of carbonyl groups on the joining surface with the metal member is larger than the amount of carbonyl groups on the inner layer.
本発明はまた、
上記接合方法において、熱圧式接合方法が摩擦撹拌接合方法であり、
該摩擦撹拌接合方法が以下のステップを含む接合方法に関する:
金属部材と樹脂部材とを重ね合わせる第1ステップ;および
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させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップ。
The present invention also provides
In the above bonding method, the hot-pressure bonding method is a friction stir welding method,
The friction stir welding method relates to a joining method including the following steps:
A first step of superimposing the metal member and the resin member; and while rotating the rotary tool, the metal member is pressed against the metal member to generate frictional heat, and the frictional heat softens the resin member to form the metal member and the resin member. Second step of joining.
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、金属部材との接合表面におけるカルボニル基の存在量が内層部よりも大きい樹脂部材を用いるため、樹脂部材の耐熱性が向上する。しかも、当該樹脂部材を金属部材に十分な強度で接合することができる。 According to the joining method of the present invention, since the resin member having a larger amount of carbonyl groups on the joining surface with the metal member than the inner layer portion is used, the heat resistance of the resin member is improved. Moreover, the resin member can be bonded to the metal member 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、熱および圧力を、金属部材側から付与することにより、好ましくは金属部材側から局所的に付与することにより、樹脂部材を軟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、加圧しながら加熱を行う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、レーザー加熱接合方法、抵抗加熱接合方法(通電加熱接合方法)、誘導加熱接合方法、超音波加熱接合方法等であってもよい。好ましくは摩擦撹拌接合方法が採用される。 The bonding method of the present invention softens the resin member by superimposing the metal member and the resin member and applying heat and pressure from the metal member side, preferably locally from the metal member side. This is a hot-pressure joining method for joining a metal member and a 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 heating while applying pressure. For example, a friction stir welding method, a laser heating joining method, a resistance heating joining method (electric heating) Bonding method), induction heating bonding method, ultrasonic heating bonding method and the like. A friction stir welding method is preferably employed.
摩擦撹拌接合方法とは、後で詳述するように、回転ツールを回転させつつ金属部材に対して押圧することにより発生する摩擦熱を利用した接合方法である。
レーザー加熱接合方法とは、接合部材を拘束した状態で、レーザーを金属部材に照射することにより生じる熱を利用した接合方法である。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。
抵抗加熱接合方法とは、接合部材を拘束した状態で、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た接合方法である。
誘導加熱接合方法とは、接合部材を拘束した状態で、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た接合方法である。
超音波加熱接合方法とは、樹脂部材側から加圧しながら、樹脂部材に超音波振動を起こさせ、該振動により生じる金属部材/樹脂部材間の摩擦熱を利用した接合方法である。
As will be described in detail later, the friction stir welding method is a joining method using frictional heat generated by pressing against a metal member while rotating a rotary tool.
The laser heating bonding method is a bonding method using heat generated by irradiating a metal member with a laser in a state where the bonding member is constrained. As the laser, a YAG laser, a fiber laser, a semiconductor laser, or the like is used.
The resistance heating joining method is a joining method using heat generated by flowing a current directly through a metal member in a state where the joining member is constrained.
The induction heating joining method is a joining method in which an induction current is generated in a metal member by electromagnetic induction while the joining member is constrained, and heat generated by the current is used.
The ultrasonic heating joining method is a joining method using ultrasonic vibration in the resin member while applying pressure from the resin member side, and utilizing frictional heat between the metal member and the resin member generated by the vibration.
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 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. Is clear.
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4参照)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・溶融し、その結果、金属部材11と樹脂部材12とが接合される。
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
本発明の接合方法において使用される樹脂部材12は、カルボニル基の含有量が異なる少なくとも2種類のポリマーを含むものであり、通常、カルボニル基の含有量が比較的高いポリマー(本明細書中、単に「ポリマーA」ということがある)およびカルボニル基の含有量が比較的低いポリマー(本明細書中、単に「ポリマーB」ということがある)を含む。本発明の樹脂部材12において、ポリマーAは主として金属部材との接合表面を形成し、ポリマーBは主として内層部を形成する。
(1) Resin Member The
ポリマーにおいてカルボニル基の含有量が異なるとは、ポリマー全体に対するポリマー主鎖に結合したカルボニル基の重量割合として算出した値が異なるという意味である。以下、組み合わせは「ポリマーA/ポリマーB」の順序で記載するものとする。 The difference in the carbonyl group content in the polymer means that the value calculated as the weight ratio of the carbonyl group bonded to the polymer main chain with respect to the whole polymer is different. Hereinafter, the combinations are described in the order of “polymer A / polymer B”.
樹脂部材12に含まれるポリマーA/ポリマーBの組み合わせは、それらのカルボニル基含有量が異なる組み合わせであれば、いかなる組み合わせであってよいが、樹脂部材の耐熱性の観点から、カルボン酸変性ポリオレフィン/未変性ポリオレフィンの組み合わせが好ましい。以下、ポリマーA/ポリマーBとしてカルボン酸変性ポリオレフィン/未変性ポリオレフィンを含有させる場合について説明するが、本発明は、後述するカルボニル基の存在量勾配が達成される限り、ポリマーA/ポリマーBとして、カルボニル基の含有量が比較的高いカルボン酸変性ポリオレフィン/カルボニル基の含有量が比較的低いカルボン酸変性ポリオレフィンを含有させることを妨げるものではない。
The combination of polymer A / polymer B contained in the
カルボン酸変性ポリオレフィンは、ポリオレフィン分子鎖の主鎖および/または側鎖にカルボキシル基が導入されたポリマーである。カルボン酸変性ポリオレフィンとしては、ポリオレフィンの主鎖に不飽和カルボン酸がグラフトされたグラフトコポリマーが好ましく使用される。 The carboxylic acid-modified polyolefin is a polymer in which a carboxyl group is introduced into the main chain and / or side chain of a polyolefin molecular chain. As the carboxylic acid-modified polyolefin, a graft copolymer in which an unsaturated carboxylic acid is grafted on the main chain of the polyolefin is preferably used.
カルボン酸変性ポリオレフィンを構成するポリオレフィンは、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、ヘプテン、オクテンなどのα−オレフィンからなる群から選択される1種以上のモノマーからなるホモポリマーまたはコポリマー、またはこれらの混合物である。好ましいポリオレフィンはポリプロピレンである。 The polyolefin constituting the carboxylic acid-modified polyolefin is a homopolymer or copolymer composed of one or more monomers selected from the group consisting of α-olefins such as ethylene, propylene, butene, pentene, hexene, heptene, octene, or the like. It is a mixture. A preferred polyolefin is polypropylene.
カルボン酸変性ポリオレフィンを構成する不飽和カルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸、無水マレイン酸、またはこれらの混合物が使用される。好ましい不飽和カルボン酸はマレイン酸、無水マレイン酸またはこれらの混合物であり、より好ましくは無水マレイン酸である。 As the unsaturated carboxylic acid constituting the carboxylic acid-modified polyolefin, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, fumaric acid, maleic acid, maleic anhydride, or a mixture thereof is used. Preferred unsaturated carboxylic acids are maleic acid, maleic anhydride or mixtures thereof, more preferably maleic anhydride.
カルボン酸変性ポリオレフィンにおける変性量は特に限定されないが、0.01〜1%であることが好ましい。 The amount of modification in the carboxylic acid-modified polyolefin is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 1%.
変性量はポリマー全体に対する不飽和カルボン酸の重量割合として算出した値である。 The amount of modification is a value calculated as a weight ratio of unsaturated carboxylic acid to the whole polymer.
カルボン酸変性ポリオレフィン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2.0g/10分間以上、特に5.0g/10分間以上のカルボン酸変性ポリオレフィンが好ましく使用される。 The molecular weight of the carboxylic acid-modified polyolefin is not particularly limited. For example, a carboxylic acid-modified polyolefin having an MFR (melt flow rate value) at 230 ° C. of 2.0 g / 10 minutes or more, particularly 5.0 g / 10 minutes or more. Preferably used.
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.
カルボン酸変性ポリオレフィンは、例えば、市販のモディックP565(三菱化学社製)、モディックP553A(三菱化学社製)として入手可能である。 The carboxylic acid-modified polyolefin is available as, for example, commercially available Modic P565 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) or Modic P553A (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).
未変性ポリオレフィンとしては、カルボン酸変性ポリオレフィンを構成するポリオレフィンとして説明したポリマーと同様のものが使用される。好ましい未変性ポリオレフィンはポリプロピレンである。 As the unmodified polyolefin, the same polymers as those described as the polyolefin constituting the carboxylic acid-modified polyolefin are used. A preferred unmodified polyolefin is polypropylene.
未変性ポリオレフィン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分間の未変性ポリオレフィンが好ましく使用される。 The molecular weight of the unmodified polyolefin is not particularly limited. For example, an unmodified polyolefin having an MFR (melt flow rate value) at 230 ° C. of 2 to 200 g / 10 minutes, particularly 2 to 55 g / 10 minutes is preferably used. .
未変性ポリオレフィンは、例えば、市販のノバテックFY6(日本ポリプロ社製、未変性ポリプロピレン、MFR2.5)、ノバテックMA3(日本ポリプロ社製、未変性ポリプロピレン、MFR11)、ノバテックMA1B(日本ポリプロ社製、未変性ポリプロピレン、MFR21)として入手可能である。 The unmodified polyolefin is, for example, commercially available Novatec FY6 (Nippon Polypro, unmodified polypropylene, MFR2.5), Novatec MA3 (Nippon Polypro, unmodified polypropylene, MFR11), Novatec MA1B (Nippon Polypro, unmodified). Modified polypropylene, MFR 21) is available.
カルボン酸変性ポリオレフィン/未変性ポリオレフィンの組み合わせは、相溶性の観点から、同系統の組み合わせが選択される。同系統とは、当該組み合わせのカルボン酸変性ポリオレフィンおよび未変性ポリオレフィンが共通するモノマーを含有するという意味である。 The combination of carboxylic acid-modified polyolefin / unmodified polyolefin is selected from the same series from the viewpoint of compatibility. The same system means that the combination of the carboxylic acid-modified polyolefin and the unmodified polyolefin contains a common monomer.
このようなカルボン酸変性ポリオレフィン/未変性ポリオレフィンの好ましい組み合わせの具体例として、例えば、以下の組み合わせが挙げられる:
(1)カルボン酸変性ポリプロピレン/未変性ポリプロピレン;
(2)カルボン酸変性ポリプロピレン/未変性エチレン−プロピレン共重合体;
(3)カルボン酸変性エチレン−プロピレン共重合体/未変性ポリプロピレン;
(4)カルボン酸変性ポリエチレン/未変性ポリエチレン;
(5)カルボン酸変性エチレン−プロピレン共重合体/未変性ポリエチレン;
(6)カルボン酸変性ポリエチレン/未変性エチレン−プロピレン共重合体;
(7)カルボン酸変性ポリエチレン/未変性エチレン−1−ブテン共重合体;
(8)カルボン酸変性ポリエチレン/未変性ポリプロピレン;
(9)カルボン酸変性エチレン−1−ブテン共重合体/未変性エチレン−プロピレン共重合体。
Specific examples of such a preferred combination of carboxylic acid-modified polyolefin / unmodified polyolefin include, for example, the following combinations:
(1) Carboxylic acid modified polypropylene / unmodified polypropylene;
(2) Carboxylic acid-modified polypropylene / unmodified ethylene-propylene copolymer;
(3) Carboxylic acid-modified ethylene-propylene copolymer / unmodified polypropylene;
(4) Carboxylic acid modified polyethylene / unmodified polyethylene;
(5) Carboxylic acid-modified ethylene-propylene copolymer / unmodified polyethylene;
(6) Carboxylic acid-modified polyethylene / unmodified ethylene-propylene copolymer;
(7) Carboxylic acid-modified polyethylene / unmodified ethylene-1-butene copolymer;
(8) Carboxylic acid modified polyethylene / unmodified polypropylene;
(9) Carboxylic acid-modified ethylene-1-butene copolymer / unmodified ethylene-propylene copolymer.
上記組み合わせのうち、金属部材に対する接合強度の観点からは、組み合わせ(1)〜(3)が好ましく、(1)〜(2)がより好ましく、(1)がさらに好ましい。 Among the above combinations, from the viewpoint of bonding strength to the metal member, the combinations (1) to (3) are preferable, (1) to (2) are more preferable, and (1) is more preferable.
本発明においてポリマーAおよびポリマーBを含む樹脂部材12は、カルボニル基の存在量が金属部材11との接合表面と内層部との間で特定の勾配を有するものである。すなわち、樹脂部材12は、金属部材11との接合表面におけるカルボニル基の存在量が内層部よりも大きい。ポリマーAは一般的にポリマーBよりも融点が比較的低いところ、上記のようなカルボニル基の存在量勾配を有する樹脂部材12においては、そのようなポリマーAを主として金属部材11との接合表面に局在させ、ポリマーBを主として内層部に存在させることができる。それらの結果として、本発明の樹脂部材12は、樹脂部材全体がポリマーAからなる場合と比較して、全体として優れた耐熱性を達成しながらも、金属部材11に対して十分な強度で接合することができる。
In the present invention, the
このような樹脂部材12が金属部材11に対して十分な強度で接合されるメカニズムは以下に基づくものと考えられる。例えば、金属部材11と樹脂部材12との接合界面を模式的に表す図2に示すように、樹脂部材12の表面に存在するカルボニル基の酸素原子は、炭素原子との電気陰性度の差に基づいて、δ−の電荷を有する。一方、金属部材11の表面にある金属酸化物層において、金属原子Mは、酸素原子との電気陰性度の差に基づいて、δ+の電荷を有する。これらの結果として、接合時において樹脂部材12表面の溶融により、カルボニル基の酸素原子と金属酸化物層の金属原子との間で静電相互作用による電気化学的結合が生じ、優れた接合強度が得られるものと考えられる。なお、接合には、上記のような化学的結合だけでなく、アンカー効果による機械的結合も寄与するものと考えられる。アンカー効果とは、金属表面の微細な凹凸に樹脂が侵入して形成されたかしめ構造により得られるものである。
The mechanism by which such a
本発明において樹脂部材12が後で詳述するカルボニル基の存在量勾配を有すべき金属部材11との接合表面は、図3に示すように、樹脂部材12における金属部材11との接合側の表面120における、少なくとも領域P’を含む領域であり、好ましくは少なくとも領域Qを含む領域であり、より好ましくは少なくとも領域Rを含む領域である。樹脂部材の製造容易性および樹脂部材の耐熱性の観点からは、樹脂部材12がカルボニル基の存在量勾配を有すべき金属部材11との接合表面は、樹脂部材12における金属部材11との接合側の表面120の全面であることが最も好ましい。領域P’は、金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせたとき、金属部材11上における回転ツール16の押圧領域P(図1参照)の直下に対応する樹脂部材12表面上の領域である。領域Qは、金属部材11と樹脂部材12との間で接合のための軟化・溶融が起こる樹脂部材表面の領域であり、上記領域P’を包含する領域である。領域Rは、金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせたとき、金属部材11と接触する樹脂部材12表面上の領域である。
In the present invention, as shown in FIG. 3, the bonding surface of the
樹脂部材12がポリマーAとしてカルボン酸変性ポリプロピレンおよびポリマーBとして未変性ポリプロピレンを含む場合、カルボニル基の存在量は、C=Oピーク強度/CH3ピーク強度の比率rで示すことができる。この場合、樹脂部材12は、金属部材11との接合表面における比率rが内層部の比率rよりも大きければよく、通常、樹脂部材12における金属部材11との接合表面の比率rは内層部の比率rよりも0.0001〜0.01だけ大きく、好ましくは0.001〜0.01だけ大きく、より好ましくは0.003〜0.01だけ大きい。
When the
金属部材11との接合表面における比率rは通常、0.001より大きい、特に0.001より大きく0.015以下、好ましくは0.003〜0.015である。接合表面における比率rが小さすぎると、十分な接合強度が得られない。
内層部の比率rは通常、0以上、特に0〜0.01であり、好ましくは0〜0.003である。内層部の比率rが大きすぎると、十分な耐熱性が得られない。
The ratio r on the bonding surface with the
The ratio r of the inner layer portion is usually 0 or more, particularly 0 to 0.01, preferably 0 to 0.003. If the ratio r of the inner layer portion is too large, sufficient heat resistance cannot be obtained.
C=Oピーク強度/CH3ピーク強度の比率rはIRスペクトル分析により測定することができる。詳しくはIRスペクトル分析により1713〜1792cm−1にあるC=Oピークの強度および1375〜1395cm−1にあるCH3ピークの強度を測定し、それらの比率を求める。IRスペクトル分析は、ISO8985(JIS K7192)の4.1(赤外分光)に準じた試料調整と測定およびデータ解析を行う。 The ratio r of C = O peak intensity / CH 3 peak intensity can be measured by IR spectrum analysis. For details, measures the intensity of the CH 3 peak in the C = intensity of O peaks and 1375~1395Cm -1 in 1713~1792Cm -1 by IR spectrum analysis to determine their ratio. The IR spectrum analysis performs sample preparation, measurement, and data analysis in accordance with ISO8985 (JIS K7192) 4.1 (infrared spectroscopy).
金属部材11との接合表面における比率rは、樹脂部材12における所定の領域の表面から深さ10μmまでの試料をIRスペクトル分析に供することより測定された値である。測定は、所定の領域において、100mm2あたり2個の測定点の割合で行ったときの平均値を求める。
内層部の比率rは、樹脂部材12の厚みをt(μm)としたとき、深さt/2から深さt/2+10μmまでの試料をIRスペクトル分析に供することより測定された値である。測定は、所定の領域において、上記と同様の測定点の割合で行ったときの平均値を求める。
The ratio r on the bonding surface with the
The ratio r of the inner layer portion is a value measured by subjecting a sample from a depth t / 2 to a depth t / 2 + 10 μm to IR spectrum analysis, where the thickness of the
本発明においては、前記接合表面における比率rを有する表層部の厚みは通常、0.01〜1mmであり、好ましくは0.015〜0.50mmである。
内層部の厚みは通常、0.98〜4.98mmであり、好ましくは1.98〜4.98mmである。
In the present invention, the thickness of the surface layer portion having the ratio r on the bonding surface is usually 0.01 to 1 mm, preferably 0.015 to 0.50 mm.
The thickness of the inner layer portion is usually 0.98 to 4.98 mm, preferably 1.98 to 4.98 mm.
本発明において樹脂部材12は、上記のようなカルボニル基の存在量勾配を有する限り、いかなる方法により製造されてもよい。例えば、射出成形法または積層一体化成形法により製造することができる。
In the present invention, the
本発明の樹脂部材12を射出成形法により製造する場合、以下の関係を満たすポリマーAおよびBを用いる:
ポリマーAのMFR>ポリマーBのMFR。
When the
MFR of polymer A> MFR of polymer B.
好ましい実施態様においては、ポリマーAのMFRはポリマーBのMFRよりも1.5倍以上大きく、特に2.0倍以上大きい。ポリマーAのMFRは好ましくは3〜200g/10分間、より好ましくは5〜200g/10分間である。ポリマーBのMFRは好ましくは2〜100g/10分間、より好ましくは2〜80g/10分間である。 In a preferred embodiment, the MFR of polymer A is 1.5 times greater than the MFR of polymer B, in particular 2.0 times greater. The MFR of polymer A is preferably 3 to 200 g / 10 minutes, more preferably 5 to 200 g / 10 minutes. The MFR of polymer B is preferably 2 to 100 g / 10 minutes, more preferably 2 to 80 g / 10 minutes.
射出成形法とは、温調された金型内に溶融したポリマーを射出注入し、保持した後、冷却・固化させることにより成形品を得る方法である。このような射出成形法において、上記関係を満たすポリマーAおよびBを用いる。これにより、保持の間に、金型内の混合溶融物中において、ポリマーAが金型との接触面に優先的に移動するため、表面と内層部との間で上記したカルボニル基の存在量勾配を示す成形体を容易に得ることができる。射出成形法により得られた樹脂部材は表面から内層部にかけてのカルボニル基存在量の勾配は連続的に変化する。 The injection molding method is a method for obtaining a molded product by injecting and holding a molten polymer in a temperature-controlled mold and then cooling and solidifying the polymer. In such an injection molding method, polymers A and B satisfying the above relationship are used. As a result, since the polymer A moves preferentially to the contact surface with the mold in the mixed melt in the mold during the holding, the abundance of the carbonyl group described above between the surface and the inner layer portion. A molded product exhibiting a gradient can be easily obtained. In the resin member obtained by the injection molding method, the gradient of the carbonyl group abundance from the surface to the inner layer portion changes continuously.
射出成形法におけるポリマーAとポリマーBとの使用割合、射出直前の混合溶融物の温度、金型温度、射出速度等の成形条件は、本発明の樹脂部材が得られる限り特に限定されるものではないが、以下の条件が好ましい。
ポリマーAとポリマーBとの使用割合は重量比率(A/B)で15/85〜45/55、特に20/80〜40/60が好ましい。
射出直前の混合溶融物の温度は180〜250℃、特に200〜230℃が好ましい。
金型温度は30〜80℃、特に30〜50℃が好ましい。
射出速度は、例えば、厚み1〜5mmの略平板形状の樹脂部材を製造する場合、30〜200mm/秒、特に50〜200mm/秒が好ましい。射出速度が遅すぎると、ポリマーAの優先移動が十分ではないため、所望のカルボニル基勾配が得られない。
Molding conditions such as the ratio of the polymer A and the polymer B used in the injection molding method, the temperature of the mixed melt immediately before injection, the mold temperature, and the injection speed are not particularly limited as long as the resin member of the present invention is obtained. However, the following conditions are preferred.
The ratio of the polymer A and the polymer B used is preferably 15/85 to 45/55, particularly 20/80 to 40/60 in terms of weight ratio (A / B).
The temperature of the mixed melt immediately before injection is preferably 180 to 250 ° C, particularly 200 to 230 ° C.
The mold temperature is preferably 30 to 80 ° C, particularly preferably 30 to 50 ° C.
For example, when producing a substantially flat resin member having a thickness of 1 to 5 mm, the injection speed is preferably 30 to 200 mm / second, particularly 50 to 200 mm / second. If the injection speed is too slow, the preferential movement of the polymer A is not sufficient, and the desired carbonyl group gradient cannot be obtained.
本発明の樹脂部材12を積層一体化成形法により製造する場合、ポリマーAおよびBのMFRは特に限定されず、それぞれ独立して前記した範囲内のものが使用される。
When the
積層一体化成形法とは、積層数に応じた数の溶融押出機を用いて各層を押出成形すると同時に、それらの層を順次、積層して一体化し、冷却・固化させることにより成形品を得る、いわゆる一体押出成形法のことである。このような積層一体化成形法において、少なくともポリマーAおよびBをそれぞれ層状に押出成形し、ポリマーBからなる内層部の表面に、ポリマーAからなる表層部を積層して一体化し、冷却・固化させる。その結果、表面と内層部との間で上記したカルボニル基の存在量勾配を示す成形体を容易に得ることができる。積層一体化成形法により得られた樹脂部材は表面から内層部にかけてのカルボニル基存在量の勾配は段階的に変化する。 The layered integrated molding method is to extrude each layer using the number of melt extruders corresponding to the number of layers, and at the same time, sequentially laminate and integrate those layers, and cool and solidify to obtain a molded product. This is a so-called integral extrusion method. In such a laminated integrated molding method, at least the polymers A and B are respectively extruded into layers, and the surface layer portion made of the polymer A is laminated and integrated on the surface of the inner layer portion made of the polymer B, and cooled and solidified. . As a result, it is possible to easily obtain a molded article exhibiting the above-described carbonyl group abundance gradient between the surface and the inner layer portion. In the resin member obtained by the laminated integrated molding method, the gradient of the carbonyl group existing amount from the surface to the inner layer portion changes stepwise.
積層一体化成形法におけるポリマーAとポリマーBとの使用割合、溶融押出機の設定温度等の成形条件は、本発明の樹脂部材が得られる限り特に限定されるものではないが、以下の条件が好ましい。
ポリマーAとポリマーBとの使用割合は重量比率(A/B)で1/99〜50/50、特に10/80〜40/60が好ましい。
ポリマーA用の溶融押出機の設定温度は180〜250℃、特に180〜230℃が好ましい。
ポリマーB用の溶融押出機の設定温度は180〜250℃、特に180〜230℃が好ましい。
The molding conditions such as the use ratio of polymer A and polymer B in the laminated integrated molding method and the set temperature of the melt extruder are not particularly limited as long as the resin member of the present invention can be obtained. preferable.
The ratio of the polymer A and the polymer B used is preferably 1/99 to 50/50, particularly 10/80 to 40/60, in terms of weight ratio (A / B).
The set temperature of the melt extruder for polymer A is preferably 180 to 250 ° C, particularly preferably 180 to 230 ° C.
The set temperature of the melt extruder for polymer B is preferably 180 to 250 ° C, particularly preferably 180 to 230 ° C.
以上、樹脂部材12は全体形状として略平板形状を有するものについて説明したが、これに限定されるものではなく、接合のために金属部材11と重ね合わせたときに、金属部材11直下の部分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。
As described above, the
樹脂部材12における少なくとも金属部材11直下の部分の厚みtは通常、1〜5mm、特に2〜5mmであるがこれに限定するものではない。
The thickness t of the
樹脂部材12にはその他所望の添加剤が含有されてもよい。その他の添加剤として、例えば、補強剤、安定剤、難燃剤、着色材、発泡剤が挙げられる。例えば、積層一体化成形法により樹脂部材12が表層部および内層部を有する場合、表層部および内層部にはそれぞれ独立して選択された上記その他の添加剤が含有されてもよい。
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、接合のために樹脂部材12と重ね合わせる部分のみが少なくとも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は通常、0.5〜4mmであるがこれに限定するものではない。
The thickness 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4は、回転ツール16の先端部の拡大図である。図4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4に示すように、円柱状の回転ツール16は、先端部(図4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4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. 4 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)
上記摩擦撹拌接合装置1を用いて実施される本発明の接合方法(摩擦撹拌接合方法)について具体的に説明する。
(4) One embodiment of the joining method according to the present invention (friction stir welding method)
The joining method (friction stir welding method) of the present invention performed using the friction
本実施態様に係る接合方法は少なくとも以下のステップを含むものであり、前記した樹脂部材12を使用することを特徴とする:
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
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、この摩擦熱で樹脂部材12を軟化させて金属部材11と樹脂部材12とを接合する第2ステップ。
なお、第1ステップにおいて得られる金属部材11と樹脂部材12とが重ね合わされたものを「ワーク」10と呼ぶ。
The joining method according to the present embodiment includes at least the following steps, and is characterized by using the
A first step of superimposing the
The
第1ステップにおいては、図1に示すように、樹脂部材12において上記のようなカルボニル基存在量勾配を有する表面(例えば120)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。
In the first step, as shown in FIG. 1, the
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。
本実施態様においては、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。
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。
In the second step, at least a push-in stirring step C2 is performed in which the
In the present embodiment, in the second step, the preheating step C1 for rotating the
After the indentation stirring step, it is preferable to perform an agitation maintaining 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。
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5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。
Hereinafter, each step will be described in detail.
In the preheating step C1, by bringing the
予熱工程C1の次の押込み撹拌工程C2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6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12との接合境界面に達しない深さまで進入させる工程である。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。
In the indentation stirring step C2 next to the preheating step C1, the
押込み撹拌工程C2の次の撹拌維持工程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6に示すように、上記接合境界面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、5.75秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
In the stirring maintaining process C3 subsequent to the pushing stirring process C2, by stopping the mutual proximity of the
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6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。
After the stirring maintaining step C3, a holding step C4 may be performed in which the rotation of the
Similarly, as shown in FIG. 6, the holding step C <b> 4 is a step in which the rotation of the
上で例示した加圧力、加圧時間、及びツール回転数は、あくまで一例であって、適宜変更が可能である。ただし、例えば、1mm以上2mm以下の厚みの金属部材11と2mm以上4mm以下の厚みの樹脂部材12とを接合する場合の、主として生産性(時間短縮と歩留まりとのバランス)の観点から、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秒未満の値が好ましく、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秒未満の値が好ましく、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、第3の加圧時間は、1.0秒以上10秒未満の値が好ましい。また、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 pressurizing force, pressurizing time, and tool rotation speed exemplified above are merely examples, and can be appropriately changed. However, for example, in the case of joining 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に押し込み易くなる。
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との接合境界面を介して、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直下の対応領域P’の範囲及び当該領域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・溶融し易くなる。
In the preheating step C <b> 1, 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・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及び樹脂部材12の素材の種類等に依存して変化する。
The first pressurizing force and the first pressurizing time in the preheating step C1 are set from the viewpoint of ease of pushing in 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。この回転ツール16の押込みにより、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面が受け具17側(図例では下側)に移動する。
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、本実施態様では、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・溶融が促進される。
Therefore, in this embodiment, when 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及び樹脂部材12の素材の種類等に依存して変化する。
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
押込み撹拌工程C2では、樹脂部材12が上記押圧領域P直下の対応領域P’の範囲及び当該領域P’の近傍の範囲Q(例えば図6の円αで示される領域および円βで示される領域)で軟化・溶融する。これにより、接合後の樹脂硬化時、前記したように、樹脂部材におけるカルボニル基の酸素原子と、金属部材における金属酸化物層の金属原子との間で静電相互作用による電気化学的結合が生じ、優れた接合強度が得られる。
In the indentation stirring step C2, 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直下の対応領域P’の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化・溶融する。これにより、接合後の樹脂硬化時、前記したように、樹脂部材におけるカルボニル基の酸素原子と、金属部材における金属酸化物層の金属原子との間で静電相互作用による電気化学的結合が生じ、優れた接合強度が得られる。
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・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及び樹脂部材12の素材の種類等に依存して変化する。
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との押圧領域Pを受け具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押圧領域P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及び樹脂部材12の素材の種類等に依存して変化する。
The fourth pressurizing force and the fourth pressurizing time in the holding step C4 are set from the viewpoint of improving the adhesion of the pressing region P during the cooling period as described above, and the values thereof are, for example, the
本実施態様では、少なくとも前記した工程C2を経て、好ましくは以上のような工程C1,C2およびC3ならびに所望により工程C4を経て、最終的に、図7に示すように、回転ツール16の回転及び押圧で発生した摩擦熱により樹脂部材12が軟化・溶融して金属部材11と樹脂部材12とが広い範囲で高強度に接合された金属部材11と樹脂部材12との接合体20が得られる。
In this embodiment, at least through the above-described step C2, preferably through the above-described steps C1, C2 and C3 and optionally through step C4, finally, as shown in FIG. The
以上、回転ツールを金属部材の接触面上、面方向で連続的に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連続的に移動させながら、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 to each other in a dotted manner without continuously moving the rotating 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 (line joining) while continuously moving the rotary tool.
[実施例1]
(樹脂部材)
ポリマーAとして、無水マレイン酸変性ポリプロピレン、MFR5.7)を用いた。変性量は約0.5%であった。
ポリマーBとして、ノバテックFY6(日本ポリプロ社製、未変性ポリプロピレン、MFR2.5)を用いた。
[Example 1]
(Resin member)
As polymer A, maleic anhydride-modified polypropylene, MFR 5.7) was used. The amount of modification was about 0.5%.
As polymer B, Novatec FY6 (Nippon Polypro, unmodified polypropylene, MFR2.5) was used.
ポリマーAおよびBを用いて射出成形法により、縦100mm×横30mm×厚み3mm寸法の樹脂部材12を製造した。詳しくは20重量部のポリマーAおよび80重量部のポリマーBを230℃に加熱して、混合溶融物を得た。混合溶融物を、40℃に温調された金型内に射出速度を50mm/秒で注入した後、冷却・固化させ、樹脂部材12を得た。
A
樹脂部材12の接合側表面120における領域R(図3参照;金属部材11との接触領域)においてC=Oピーク強度/CH3ピーク強度の比率rをIRスペクトル分析に基づく前記した方法により測定した。測定は、前記した測定点の割合で行い、それらの平均値を表に示した。
樹脂部材12の接合側表面120における領域R以外の領域についても、樹脂部材12における接合側表面120とは反対側の表面についても、上記と同様に、比率rを測定したところ、いずれの比率rも領域Rにおいてと同様の値を示した。
In the region R (see FIG. 3, contact region with the metal member 11) on the bonding-
When the ratio r was measured in the same manner as above for the region other than the region R on the bonding-
樹脂部材12の接合側表面120における領域Rの内層部において、比率rをIRスペクトル分析に基づく前記した方法により測定した。測定は、前記した測定点の割合で行い、それらの平均値を表に示した。
樹脂部材12の接合側表面120における領域R以外の領域の内層部についても、樹脂部材12における接合側表面120とは反対側の表面の内層部についても、上記と同様に、比率rを測定したところ、いずれの比率rも領域Rの内層部においてと同様の値を示した。
In the inner layer portion of the region R on the bonding-
The ratio r was measured in the same manner as described above for the inner layer portion of the region other than the region R on 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。
(回転ツール)
回転ツールとしては、図4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。
(Metal member)
As the metal member, a flat plate member (thickness: 1.2 mm) made of a 6000 series aluminum alloy was used.
(Rotation tool)
As the rotating tool, a tool tool having dimensions of D1 = 10 mm, D2 = 2 mm, and h = 0.5 mm in each part of FIG. 4 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の端部と樹脂部材12の端部とを図1に示すように重ね合わせた(重ね代30mm)。
(Joining method)
The joined body of the
First step:
The end of the
第2ステップ:
図5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3000r)。
次いで、図6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12との接合境界面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6に示すように、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た(撹拌維持工程C3:加圧力500N、加圧時間5.75秒、ツール回転数3000rpm)。
次いで、図7に示すように、接合体20から回転ツール16を抜き取り、放置冷却した。
Second step:
As shown in FIG. 5, the
Next, as shown in FIG. 6, the
Next, as shown in FIG. 6, the rotation operation of the
Next, as shown in FIG. 7, the
(接合強度)
図8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、接合部の剪断強度Sを樹脂部材12の母材強度に影響を受けることなく測定した。接合強度を剪断強度Sに基づいて評価した。
○;2.0kN≦S;
△;1.0kN≦S<2.0kN(実用上問題なし);
×;S<1.0kN(実用上問題あり)。
(Joint strength)
As shown in FIG. 8, the joined body of the
○; 2.0 kN ≦ S;
Δ: 1.0 kN ≦ S <2.0 kN (no problem in practical use);
X: S <1.0 kN (problem in practical use).
(耐熱性)
樹脂部材12の融点TをISO 3146により測定した。耐熱性を融点Tに基づいて評価した。
○;163℃≦T;
△;161℃≦T<163℃(実用上問題なし);
×;T<161℃(実用上問題あり)。
(Heat-resistant)
The melting point T of the
○: 163 ° C. ≦ T;
Δ: 161 ° C. ≦ T <163 ° C. (no problem in practical use);
×: T <161 ° C. (practical problem).
[実施例2および比較例1〜10]
ポリマーA〜Cの配合比率を表に記載のように変更したこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材の製造ならびに評価を行った。
ポリマーCとしては、ノバテックBC06C(日本ポリプロ社製、未変性ポリプロピレン、MFR60)を用いた。ポリマーCは詳しくはホモポリプロピレンの中にポリエチレンやエチレン-プロピレン共重合体が分散しているものである。
[Example 2 and Comparative Examples 1 to 10]
Resin members were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the blending ratios of Polymers A to C were changed as shown in the table.
As the polymer C, Novatec BC06C (Nippon Polypro, unmodified polypropylene, MFR60) was used. Specifically, the polymer C is a polymer in which polyethylene or ethylene-propylene copolymer is dispersed in homopolypropylene.
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
16:回転ツール
17:受け具
20:接合体
100:接合強度を測定するための治具
120:樹脂部材における金属部材との接合側の表面
P:金属部材表面における回転ツールによる押圧領域(押圧予定領域)
P’:押圧領域Pの直下に対応する樹脂部材表面の領域
Q:接合時に樹脂部材表面において軟化・溶融が起こる領域
1: Friction stir welding apparatus 10: Work 11: Metal member 12: Resin member 16: Rotating tool 17: Receiving tool 20: Joined body 100: Jig for measuring joint strength 120: Joining of metal member to resin member Side surface P: Pressing area (scheduled pressing area) by rotating tool on metal member surface
P ′: a region on the surface of the resin member corresponding directly below the pressing region P Q: a region where softening / melting occurs on the surface of the resin member during bonding
Claims (5)
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て、熱および圧力を金属部材側から付与することにより、この摩擦熱で樹脂部材を軟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基づく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、
前記第2ステップが、前記回転ツールを金属部材に押し込んで金属部材と樹脂部材との接合境界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程を備えており、
前記回転ツールが先端部に、該回転ツールの円形の先端面を含むショルダ部、および該回転ツールの円形の先端面から外方に突設された、前記ショルダ部よりも小径の円柱状のピン部を有し、
前記第2ステップが、前記押込み撹拌工程の前に、前記回転ツールの先端部における前記ピン部および前記ショルダ部のみを金属部材の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる予熱工程をさらに備えており、
前記予熱工程では前記回転ツールを第1の加圧力で押圧しつつ第1の加圧時間だけ回転させ、
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、
樹脂部材として、金属部材との接合表面におけるカルボニル基の存在量が内層部におけるカルボニル基の存在量よりも大きい樹脂部材を用い、
前記樹脂部材がポリマーAおよびポリマーBを含み、
前記ポリマーAがカルボン酸変性ポリオレフィンであり、
前記ポリマーBが未変性ポリオレフィンであり、
前記樹脂部材におけるカルボニル基の存在量をC=Oピーク強度/CH 3 ピーク強度の比率rで示したとき、前記樹脂部材における金属部材との接合表面の比率rが内層部の比率rよりも0.0001〜0.01だけ大きく、
前記樹脂部材における金属部材との接合表面の比率rが0.001より大きく0.015以下であり、
前記樹脂部材における内層部の比率rが0〜0.003であることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。 The first step that overlay the metal member and the resin member; and
While rotating the rotary tool, the metal member is pressed to generate frictional heat, and by applying heat and pressure from the metal member side , the resin member is softened by this frictional heat, and the metal member and the resin member are separated. A joining method of a metal member and a resin member by a hot-pressure joining method based on a friction stir welding method including a second step of joining,
The second step includes a pushing and stirring step of pushing the rotating tool into the metal member to enter a depth not reaching the joint interface between the metal member and the resin member,
The rotary tool has a shoulder portion including a circular tip surface of the rotary tool at the tip portion, and a cylindrical pin having a smaller diameter than the shoulder portion, which protrudes outward from the circular tip surface of the rotary tool. Part
The second step further includes a preheating step of rotating the rotating tool in a state where only the pin portion and the shoulder portion at the tip portion of the rotating tool are in contact with the surface portion of the metal member before the pushing and stirring step. With
In the preheating step, the rotary tool is rotated by a first pressurizing time while being pressed with a first pressing force,
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,
As the resin member, a resin member in which the amount of carbonyl groups present on the bonding surface with the metal member is larger than the amount of carbonyl groups present in the inner layer portion ,
The resin member includes polymer A and polymer B,
The polymer A is a carboxylic acid-modified polyolefin,
The polymer B is an unmodified polyolefin,
When the abundance of carbonyl groups in the resin member is represented by a ratio r of C = O peak intensity / CH 3 peak intensity, the ratio r of the bonding surface with the metal member in the resin member is less than the ratio r of the inner layer portion. .0001-0.01 bigger,
The ratio r of the bonding surface with the metal member in the resin member is greater than 0.001 and less than or equal to 0.015,
The method for joining a metal member and a resin member, wherein the ratio r of the inner layer portion in the resin member is 0 to 0.003 .
ポリマーAのMFR>ポリマーBのMFR。 The method for joining a metal member and a resin member according to claim 1 , wherein the resin member is manufactured by an injection molding method using polymers A and B that satisfy the following relationship with respect to MFR at 230 ° C .:
MFR of polymer A> MFR of polymer B.
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。 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,
Of claims 1 to 3 which rotates only between the rotary tool is longer than between the pressed while the first pressurization in the first pressure is less than the third pressure third pressurization in the stirring hold step The joining method of the metal member and resin member in any one .
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