JP6098562B2 - 金属部材と樹脂部材との接合方法 - Google Patents
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Description
第1樹脂部材と、該第1樹脂部材の直下に配置される金属部材と、該金属部材の直下に配置される第2樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材により熱および圧力を第1樹脂部材側から金属部材に付与することにより、第1樹脂部材、金属部材および第2樹脂部材を接合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、
押圧部材による熱および圧力の付与により、(i)第1樹脂部材を貫通させ、(ii)金属部材の第1樹脂部材側表面における押圧部材による押圧領域の外周において、金属部材の構成材料が少なくとも押圧方向とは反対方向で盛り上がってなる盛り上がり部を形成させるとともに、該盛り上がり部を第1樹脂部材内に埋入させ、(iii)第2樹脂部材の金属部材側表面部における押圧部材直下部およびその外周部を軟化・溶融させ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。
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金属部材と樹脂部材との接合方法:
第1樹脂部材と、該第1樹脂部材の直下に配置される金属部材と、該金属部材の直下に配置される第2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、第1樹脂部材側から金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で第1樹脂部材および第2樹脂部材を軟化・溶融させた後、固化させて第1樹脂部材、金属部材および第2樹脂部材を接合する第2ステップ。
<第1実施態様>
本実施態様にかか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に好適な摩擦撹拌接合装置の一例を、まず、図1により説明する。
図1に示される摩擦撹拌接合装置1は、第1樹脂部材12Aと金属部材11と第2樹脂部材12Bとを摩擦撹拌接合する装置として構成されており、押圧部材として略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、第1樹脂部材12Aが上、金属部材11が中、第2樹脂部材12B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2参照)回りに回転しつつ、矢印A2のように下方に向けて金属部材11上の押圧領域P(押圧予定領域)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、この摩擦熱が第1樹脂部材12Aおよび第2樹脂部材12Bに伝導してこれらの樹脂部材が軟化・溶融した後、冷却により固化を行う。その結果、第1樹脂部材12Aと金属部材11と第2樹脂部材12Bとが接合される。なお、第1樹脂部材12Aと金属部材11と第2樹脂部材12Bとが重ね合わされたものを「ワーク」10と呼ぶ。
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る:
第1樹脂部材12Aと該第1樹脂部材12Aの直下に配置される金属部材11と第2樹脂部材12B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、第1樹脂部材12A側から金属部材11に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で第1樹脂部材12Aおよび第2樹脂部材12Bを軟化・溶融させた後、固化させて第1樹脂部材12A、金属部材11および第2樹脂部材12Bを接合する第2ステップ。
第1ステップにおいては、図1および図4に示すように、第1樹脂部材12Aと金属部材11と第2樹脂部材12Bとを所望の接合部位で重ね合わせる。図4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る。
第2ステップにおいては、回転ツール16を第1樹脂部材12A側から金属部材11に押し込んで、金属部材11と第2樹脂部材12Bとの接合境界面13B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。
押込み撹拌工程の後には、回転ツール16を金属部材11と第2樹脂部材12Bとの接合境界面13B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。
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4に示すように、回転ツール16を第1樹脂部材12Aに押し込んで第1樹脂部材12Aを貫通させた後、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。
押込み撹拌工程C2では、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を金属部材11に押し込む。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5に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む。このとき、回転ツール16を金属部材11と第2樹脂部材12Bとの接合境界面13Bに達しない深さまで進入させる。これにより、金属部材11の第1樹脂部材側表面115における回転ツール16による押圧領域の外周において、盛り上がり部150が形成されるとともに、該盛り上がり部150が第1樹脂部材12A内に埋入される。
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5に示すように、上記接合境界面13B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。
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5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。
本実施態様の接合方法により接合された接合体20は、図6(A)に示すように、接合境界面13Aにおいて、アンダーカット型盛り上がり部150に基づく機械的接合が達成されるとともに、金属部材11の第1樹脂部材側表面115におけるアンダーカット型盛り上がり部の外周領域(貫通孔近傍部152の領域)およびアンダーカット型盛り上がり部150の表面で熱的接合が達成される。
接合境界面13Bにおいては、図6(A)に示すように、第2樹脂部材12Bの金属部材側表面125における押圧部材直下領域60およびその外周領域61(外周近傍領域)で熱的接合が達成される。
なお、熱的接合とは、樹脂が溶融および固化することにより達成される接合のことである。
接合境界面13Bにおける、上記熱的接合の達成は、溶融樹脂が固化してなる溶融固化域が回転ツール直下領域60を中心とする略円形状で広がっていることを確認することにより、検知できる。
0.5≦R/D1;
特に1≦R/D1≦9;
好ましくは2≦R/D1≦9;
より好ましくは3≦R/D1≦9。
R/D1が小さすぎると、接合強度が十分ではない。直径Rは、溶融固化域(121A,121B)の最大寸法である。
接合境界面13Aにおける機械的接合の達成は、接合体20から第1樹脂部材12Aを強制的に剥離させ、金属部材11の第1樹脂部材側表面115を観察して、貫通孔とは反対方向Jにおける盛り上がり部150の反り曲がり形状を確認することにより、検知できる。
具体的方法は、第1樹脂部材12Aの金属部材側表面124において、溶融が生じていない領域と、貫通孔近傍部152における溶融固化域としての非破面固化域とを区別すること以外、接合境界面13Bにおいてと同様である。溶融が生じていない領域と、貫通孔近傍部152における溶融固化域としての非破面固化域との区別は、目視可能な厚みの違い(数ミクロンの段差)の検知により可能である。
1≦R’/D1≦9;
好ましくは2≦R’/D1≦9。
R’/D1が小さすぎると、接合強度が十分ではない。直径R’は、第1樹脂部材12Aの金属部材側表面124において、貫通孔151を溶融固化域とみなしたときの溶融固化域全体の最大寸法である。
第1樹脂部材12Aおよび第2樹脂部材12Bは熱可塑性ポリマーおよび所望の添加剤からなっている。
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;
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);
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)。
第1樹脂部材12Aの形状は、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と重なる面が略平面形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。
第2樹脂部材12Bの形状は、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と重なる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。
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、接合のために第1樹脂部材12Aおよび第2樹脂部材12B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。
アルミニウム;
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。
本実施態様に係る接合装置は、図7に示す圧力付与部材170を用いること以外、第1実施態様の接合装置と同様である。
図7に示す圧力付与部材170は、第1樹脂部材12Aにおける金属部材側とは反対側の表面126(図中、上面)に、当該表面に対して垂直方向に圧力を付与する部材である。このような圧力付与部材170を用いることにより、接合時において、第1樹脂部材12Aの金属部材側表面124と金属部材11の第1樹脂部材側表面115との接触を確保することができる。その結果、第1樹脂部材12Aの金属部材側表面124と金属部材11の第1樹脂部材側表面115との接合強度がより一層、向上する。
本実施態様に係る接合装置は、回転ツール16として、図8に示す回転ツール16’を用いること以外、第1実施態様の接合装置と同様である。
図8に示す回転ツール16’は完全円柱状の回転ツールであり、切削刃を備えないこと以外、図2に示す回転ツール16と同様である。従って、回転ツール16’は、構成部材も寸法も回転ツール16と同様である。
(第1樹脂部材および第2樹脂部材)
ポリアミドペレット(商品名;グラマイドT−803、東洋紡社製、MFR44)を用いて射出成形法により、縦100mm×横60mm×厚み3mm寸法の平板形状を有する第1樹脂部材12Aおよび第2樹脂部材12Bを製造した。
金属部材11としては、6000系のアルミニウム合金製の平板状部材を用いた。
金属部材11の寸法は縦100mm×横60mm×厚み(T)1.2mmであった。
回転ツールとしては、図2(A)および(B)に示すリーマ型回転ツール16を用いた。各部の寸法はD1=10mm、D2=2mm、h=0.5mm、j=0.2mmであり、工具鋼製のものであった。
以下の方法により、第1樹脂部材12Aと金属部材11と第2樹脂部材12Bとの接合体を製造した。
第1ステップ:
第1樹脂部材12Aと金属部材11と第2樹脂部材12Bとを図1および図3に示すように重ね合わせた。
図4に示すように、回転ツール16を回転させつつ、第1樹脂部材12Aを貫通させた後、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(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5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と第2樹脂部材12Bとの接合境界面13B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5に示すように、回転ツール16を接合境界面13B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6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。
接合境界面13Bにおいて第2樹脂部材12Bを強制的に剥離し、JIS Z 3136に規定されている方法により、金属部材11と第1樹脂部材12Aとが接合された接合体を図1の矢印Y,Yに示す方向に引っ張り、せん断引張試験を行った。せん断強度Sに基づいて評価した。
AA;4.0kN≦S(優);
A;3.0kN≦S<4.0kN(良);
B;2.0kN≦S<3.0kN(実用上問題なし);
C;S<2.0kN(実用上問題あり)。
接合境界面13Aにおいて第1樹脂部材12Aを強制的に剥離し、JIS Z 3136に規定されている方法により、金属部材11と第2樹脂部材12Bとが接合された接合体を図1の矢印Y,Yに示す方向に引っ張り、せん断引張試験を行った。せん断強度Sに基づいて評価した。
AA;4.0kN≦S(優);
A;3.0kN≦S<4.0kN(良);
B;2.0kN≦S<3.0kN(実用上問題なし);
C;S<2.0kN(実用上問題あり)。
接合体20から第1樹脂部材12Aを強制的に剥離し、金属部材11の第1樹脂部材側表面115にある盛り上がり部を観察することにより、その形状および高さkを評価した。
第2樹脂部材12Bの金属部材側表面125の溶融固化域の直径Rおよび第1樹脂部材12Aの金属部材側表面124の溶融固化域の直径R’を前記した方法により測定し、R/D1およびR’/D1を算出した。
図7に示す円筒状圧力付与部材170を使用して、第1樹脂部材12Aにおける金属部材側とは反対側の表面126を1.5kNで加圧したこと以外、実施例1と同様の方法により、第1樹脂部材12Aと金属部材11と第2樹脂部材12Bとの接合および評価を行った。
図8に示す回転ツール16’を使用したこと以外、実施例1と同様の方法により、第1樹脂部材12Aと金属部材11と第2樹脂部材12Bとの接合および評価を行った。
回転ツール16’は、切削刃を有さないこと以外、実施例1で使用の回転ツール16と同様であった。
10:ワーク
11:金属部材
12A:第1樹脂部材
12B:第2樹脂部材
16:回転ツール
17:受け具
20:接合体
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)
Claims (11)
- 第1樹脂部材と、該第1樹脂部材の直下に配置される金属部材と、該金属部材の直下に配置される第2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、第1樹脂部材側から金属部材に押圧して摩擦熱を発生させて、押圧部材により熱および圧力を第1樹脂部材側から金属部材に付与することにより、この摩擦熱で第1樹脂部材および第2樹脂部材を軟化・溶融させた後、固化させ、第1樹脂部材、金属部材および第2樹脂部材を接合する第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、
押圧部材による熱および圧力の付与により、(i)第1樹脂部材を貫通させ、(ii)金属部材の第1樹脂部材側表面における押圧部材による押圧領域の外周において、金属部材の構成材料が少なくとも押圧方向とは反対方向で盛り上がってなる盛り上がり部を形成させるとともに、該盛り上がり部を第1樹脂部材内に埋入させ、(iii)第2樹脂部材の金属部材側表面部における押圧部材直下部およびその外周部を軟化・溶融させることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 盛り上がり部が、第1樹脂部材内において押圧部材により形成された貫通孔とは反対方向に反り曲がったアンダーカット型盛り上がり部である請求項1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 押圧部材として、外周側面に切削刃を備えた回転ツールを回転させつつ使用する請求項2に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 第1樹脂部材と金属部材との接合境界面において、アンダーカット型盛り上がり部に基づく機械的接合が達成されるとともに、金属部材の第1樹脂部材側表面におけるアンダーカット型盛り上がり部の外周領域およびアンダーカット型盛り上がり部の表面で熱的接合が達成される請求項2または3に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 金属部材と第2樹脂部材との接合境界面において、第2樹脂部材の金属部材側表面における押圧部材直下領域およびその外周領域で熱的接合が達成される請求項1〜4のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 押圧部材により熱および圧力を第1樹脂部材側から金属部材に付与しながら、第1樹脂部材における金属部材側とは反対側の表面に圧力を付与して、第1樹脂部材の金属部材側表面と金属部材の第1樹脂部材側表面との接触を確保する請求項1〜5のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 上記第2ステップが、回転ツールを金属部材に押し込んで金属部材と第2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いる請求項1〜6のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 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、
上記第2ステップが、押込み撹拌工程の前に、回転ツールを第1樹脂部材に押し込んで第1樹脂部材を貫通させた後、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上記回転ツールを回転させる予熱工程をさらに備えている請求項7に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 上記予熱工程では上記回転ツールを第1の加圧力で押圧しつつ第1の加圧時間だけ回転させ、
上記押込み撹拌工程では上記回転ツールを上記第1の加圧力より大きい第2の加圧力で押圧しつつ上記第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8に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 上記第2ステップが、回転ツールを金属部材と第2樹脂部材との接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる撹拌維持工程をさらに備え、
上記撹拌維持工程では上記回転ツールを上記第1の加圧力より小さい第3の加圧力で押圧しつつ上記第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9に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 上記第2ステップが、撹拌維持工程の後に、上記回転ツールの回転を停止し、その状態で上記回転ツール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をさらに備えている請求項10に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
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