JP6098563B2 - 金属部材と樹脂部材との接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法、その方法により接合された接合体およびその方法において使用される金属部材に関する。

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・軟化させて金属部材２１１と樹脂部材２１２とを接合する方法である（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−１５８８８５号公報

しかしながら、従来の摩擦撹拌接合方法は、金属部材および樹脂部材の２つの部材を金属部材側から接合する技術に関するものであるので、金属部材側からの接合を２回繰り返すことにより、金属部材、樹脂部材および金属部材の３つの部材をこの順序で接合することはできても、樹脂部材、金属部材および樹脂部材の３つの部材をこの順序で接合することはできないものと考えられていた。

本発明は、樹脂部材、金属部材および樹脂部材の３つの部材をこの順序で同時かつ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、その方法により接合された接合体およびその方法において使用される金属部材を提供することを目的とする。

本発明は、
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、
金属部材として、第１樹脂部材側表面に柱状のボス部が立設されてなる金属部材を用い、
第１樹脂部材として、金属部材のボス部と嵌合する嵌合部を有する樹脂部材を用い、
重ね合わせにより第１樹脂部材の嵌合部に嵌合したボス部の頂部に対して押圧部材により熱および圧力を付与す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。

本発明はまた、第１実施態様として、
押圧部材の幅Ｄ１およびボス部の幅Ｗ１がＷ１≦Ｄ１の関係を有し、かつボス部の高さＨ１および第１樹脂部材の厚みｔ１がｔ１≦Ｈ１の関係を有し、
押圧部材による熱および圧力の付与により、（１−i）ボス部の頂部をかしめて、ボス部に幅Ｗ１よりも大きな幅のかしめ部を第１樹脂部材の外部で形成し、第１樹脂部材と金属部材との機械的接合を達成するとともに、第１樹脂部材におけるボス部との接触部分を軟化・溶融させて、第１樹脂部材と金属部材との熱的接合を達成し、かつ（１−ii）第２樹脂部材の金属部材側表面部におけるボス部直下部およびその外周部を軟化・溶融させて、金属部材と第２樹脂部材との熱的接合を達成する、上記した金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。

本発明はまた、第２実施態様として、
押圧部材の幅Ｄ１およびボス部の幅Ｗ１がＷ１≦Ｄ１の関係を有し、かつボス部の高さＨ１および第１樹脂部材の厚みｔ１がＨ１＜ｔ１の関係を有し、
押圧部材による熱および圧力の付与により、（２−i）ボス部の頂部をかしめて、ボス部に幅Ｗ１よりも大きな幅のかしめ部を第１樹脂部材の内部で形成し、第１樹脂部材と金属部材との機械的接合を達成するとともに、第１樹脂部材におけるボス部との接触部分を軟化・溶融させて、第１樹脂部材と金属部材との熱的接合を達成し、かつ（２−ii）第２樹脂部材の金属部材側表面部におけるボス部直下部およびその外周部を軟化・溶融させて、金属部材と第２樹脂部材との熱的接合を達成する、上記した金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。

本発明はまた、第３実施態様として、
押圧部材の幅Ｄ１およびボス部の幅Ｗ１がＤ１＜Ｗ１の関係を有し、かつボス部の高さＨ１および第１樹脂部材の厚みｔ１がｔ１≦Ｈ１の関係を有し、
押圧部材による熱および圧力の付与により、（３−i）ボス部の頂部に押圧部材を押し込んで、第１樹脂部材におけるボス部との接触部分を軟化・溶融させて、第１樹脂部材と金属部材との熱的接合を達成し、かつ（３−ii）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・溶融させて、金属部材と第２樹脂部材との熱的接合を達成する、上記した金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。

本発明はまた、第４実施態様として、
押圧部材の幅Ｄ１およびボス部の幅Ｗ１がＤ１＜Ｗ１の関係を有し、かつボス部の高さＨ１および第１樹脂部材の厚みｔ１がＨ１＜ｔ１の関係を有し、
押圧部材による熱および圧力の付与により、（４−i）ボス部の頂部に押圧部材を押し込んで、第１樹脂部材におけるボス部との接触部分を軟化・溶融させて、第１樹脂部材と金属部材との熱的接合を達成し、かつ（４−ii）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・溶融させて、金属部材と第２樹脂部材との熱的接合を達成する、上記した金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。

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る、金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。

本発明はまた、上記接合方法により接合された接合体に関する。
本発明はまた、上記接合方法において使用される金属部材に関する。

本発明の接合方法によれば、樹脂部材、金属部材および樹脂部材の３つの部材をこの順序で同時にかつ十分な強度で接合することができる。

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。 本発明にかかる金属部材と樹脂部材との接合方法で使用される回転ツールの別の一例の先端部の拡大図である。 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。 本発明の第１実施態様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。 本発明の第１実施態様の接合方法における押込み撹拌かしめ工程、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。 （Ａ）は本発明の第１実施態様の接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から第１樹脂部材と金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの第２樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。 本発明の第２実施態様の接合方法における第１樹脂部材、金属部材および第２樹脂部材の重ね合わせ状態を示す概略断面図である。 本発明の第２実施態様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。 本発明の第２実施態様の接合方法における押込み撹拌かしめ工程、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。 （Ａ）は本発明の第２実施態様の接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から第１樹脂部材と金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの第２樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。 本発明の第３実施態様の接合方法における第１樹脂部材、金属部材および第２樹脂部材の重ね合わせ状態を示す概略断面図である。 本発明の第３実施態様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。 本発明の第３実施態様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。 （Ａ）は本発明の第３実施態様の接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から第１樹脂部材と金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの第２樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。 本発明の第４実施態様の接合方法における第１樹脂部材、金属部材および第２樹脂部材の重ね合わせ状態を示す概略断面図である。 本発明の第４実施態様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。 本発明の第４実施態様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。 （Ａ）は本発明の第４実施態様の接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から第１樹脂部材と金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの第２樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。 従来技術における金属部材と樹脂部材との接合方法を説明するための該略見取り図である。

本発明の接合方法は、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、好ましくは第１樹脂部材側から金属部材に局所的に付与することにより、第１樹脂部材および第２樹脂部材を軟化させて第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、摩擦撹拌接合方法が採用される。

摩擦撹拌接合方法とは、後で詳述するように、第１樹脂部材と金属部材と第２樹脂部材とを前記順序で重ね合わせて拘束した状態で、押圧部材としての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対して押圧することにより発生する摩擦熱を利用して接合する方法である。

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１〜図１８を用いて説明するが、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。これらの図において、共通する符号は、同じ部材、部位、寸法または領域を示すものとし、これらは形状が異なっていてもよい。

［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。

（１）接合装置
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のボス部１１６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。本明細書中、「軟化・溶融」とはその後の固化により金属部材との接合が達成される程度に軟化または溶融されることを意味する。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。

図２は、回転ツール１６の先端部の拡大図である。図２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２に示すように、略円柱状の回転ツール１６は、先端部（図２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２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。

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、５〜１００、特に５〜１５ｍｍである。

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。

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を押圧したときの第１樹脂部材１２Ａおよび金属部材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。

（２）金属部材
本発明において使用される金属部材１１は、本体部１１７の第１樹脂部材側表面１１５にボス部１１６が立設されてなっている。ボス部１１６は、図１，３，７，１１および１５において円柱形状を有しているが、これに限定されるものではない。ボス部１１６の形状は柱状を有していれば特に限定されず、例えば、円柱形状、四角柱形状などの多角形状が挙げられる。図３，７，１１および１５はそれぞれ、本発明の第１〜第４の実施態様の接合方法における第１樹脂部材、金属部材および第２樹脂部材の重ね合わせ状態を示す概略断面図である。

ボス部１１６の高さＨ１は、特に限定されず、金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの接合の観点からは、金属部材１１の本体部１１７の厚みをＴ（ｍｍ）としたとき、好ましくは０．５Ｔ〜８Ｔであり、より好ましくは１．０Ｔ〜５．０Ｔである。

ボス部１１６の幅Ｗ１は、特に限定されず、第１樹脂部材１１Ａと金属部材１１との接合の観点からは、回転ツール１６の幅をＤ１（ｍｍ）としたとき、好ましくは０．２Ｄ１〜２．０Ｄ１であり、より好ましくは０．５Ｄ１〜１．５Ｄ１である。ボス部１１６の幅Ｗ１は、ボス部が円柱形状の場合は直径であり、多角柱形状の場合は最大幅である。回転ツール１６の幅Ｄ１は、回転ツールが円柱形状の場合は直径である。

ボス部１１６は本体部１１７に対していかなる方法により接合されていてよく、通常は後加工法により接合されている。後加工法とは、ボス部と本体部とを別々に製造した後で、本体部にボス部を接合する加工法である。後加工法における接合方法としては特に制限されず、溶接法、超音波接合等が挙げられる。

本体部１１７の厚みＴは特に制限されるものではなく、通常、０．５〜５ｍｍであり、好ましくは０．５〜２ｍｍである。

本体部１１７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、ボス部の少なくとも直下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のボス部１１６および本体部１１７を構成する金属としては、融点が、第１樹脂部材１２Ａおよび第２樹脂部材１２Ｂ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；
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。

（３）第１樹脂部材および第２樹脂部材
第１樹脂部材１２Ａとしては、金属部材１１のボス部１１６と嵌合する嵌合部１２７を有する樹脂部材を用いる。

第１樹脂部材１２Ａの嵌合部１２７の形態は金属部材１１のボス部１１６の寸法に応じて、当該ボス部１１６と嵌合するような形態であればよい。例えば、ボス部１１６が第１樹脂部材１２Ａの厚みｔ１≦ボス部１１６の高さＨ１を満たす場合、嵌合部１２７は図１，３，１１に示すようにボス部１１６を貫通させるための貫通孔である。また例えば、ボス部がＨ１＜ｔ１を満たす場合、嵌合部１２７は図７，１５に示すようにボス部１１６を収容させるための窪み部である。この場合、嵌合部１２７は貫通孔であってもよい。

第１樹脂部材１２Ａの嵌合部１２７の形状は金属部材１１のボス部１１６の形状に応じて、当該ボス部と適合するような形状であればよい。例えば、ボス部１１６がｔ１≦Ｈ１を満たす円柱形状を有する場合、嵌合部１２７は図１，３，１１に示すような当該ボス部に適合した円柱形状の空隙部を規定する貫通孔である。また例えばボス部１１６がＨ１＜ｔ１を満たす円柱形状を有する場合、嵌合部１２７は図７，１５に示すような当該ボス部に適合した円柱形状の空隙部を規定する窪み部であってもよいし、少なくとも当該空隙部を規定する貫通孔であってもよい。

第１樹脂部材１２Ａは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い。第１樹脂部材１２Ａの形状は、嵌合部１２７を有し、かつ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１樹脂部材１２Ａの厚みｔ１は特に制限されず、金属部材１１の本体部１１７の厚みをＴ（ｍｍ）としたとき、通常は１．０Ｔ〜５．０Ｔである。

第２樹脂部材１２Ｂは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。

第２樹脂部材１２Ｂの厚みｔ２は特に制限されず、金属部材１１の本体部１１７の厚みをＴ（ｍｍ）としたとき、通常は１．０Ｔ〜５．０Ｔである。

第１樹脂部材１２Ａおよび第２樹脂部材１２Ｂはそれぞれ独立して熱可塑性ポリマーおよび所望の添加剤からなっている。

第１樹脂部材１２Ａおよび第２樹脂部材１２Ｂを構成する熱可塑性ポリマーは、それぞれ独立して選択され、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；
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）。

熱可塑性ポリマーの分子量は、接合時に軟化・溶融可能な限り、特に限定されるものではなく、通常はメルトフローレート（ＭＦＲ）が２〜２００、好ましくは２〜５５の熱可塑性ポリマーが使用される。

本明細書中、ＭＦＲはメルトフローレートであって、ＪＩＳ Ｋ７２１０に基づいて２３０℃で測定された値（ｇ／１０分間）を用いている。

第１樹脂部材１２Ａおよび第２樹脂部材１２Ｂに含まれる添加剤としては、タルク等のフィラー、炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維が挙げられる。

（４）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、第１樹脂部材１２Ａと、該第１樹脂部材の直下に配置される金属部材１１と、該金属部材の直下に配置される第２樹脂部材１２Ｂとを重ね合わせ、押圧部材としての回転ツール１６により熱および圧力を第１樹脂部材側から金属部材１１に付与することにより、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、
金属部材１１として、前記した金属部材１１を用い、
第１樹脂部材１２Ａとして、前記した第１樹脂部材１２Ａを用い、
重ね合わせにより第１樹脂部材１２Ａの嵌合部１２７に嵌合したボス部１１６の頂部に対して、回転する回転ツール１６により熱および圧力を付与する接合方法である。

詳しくは、例えば、図３，７，１１および１５に示すように、第１樹脂部材１２Ａの嵌合部１２７に金属部材１１のボス部１１６が嵌合するように、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとを重ね合わせた状態において、このようなボス部１１６の頂部に対して、回転する回転ツール１６により熱および圧力を付与する。

このようなボス部への熱および圧力の付与により、樹脂部材、金属部材および樹脂部材の３つの部材をこの順序で同時にかつ十分な強度で接合することができる。

以下、本発明の接合方法を、押圧部材の幅Ｄ１、ボス部の幅Ｗ１および高さＨ１ならびに第１樹脂部材の厚みｔ１に基づいて第１〜第４実施態様に分けて詳しく説明する。

＜第１実施態様＞
本実施態様にかかる接合方法を図３〜６を用いて説明する。
本実施態様にかかる接合方法は、例えば、図３〜６に示すように、Ｗ１≦Ｄ１およびｔ１≦Ｈ１の関係を有する接合方法に関するものである。図３は第１実施態様の重ね合わせ状態を示す概略断面図である。図４は、第１実施態様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５は、第１実施態様の接合方法における押込み撹拌かしめ工程、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６において、（Ａ）は本発明の第１実施態様の接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から第１樹脂部材と金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの第２樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。

本実施態様においては、回転ツール１６による熱および圧力の付与により、図５に示すように、ボス部１１６の頂部をかしめて、ボス部１１６に幅Ｗ１よりも大きな幅のかしめ部１１８を第１樹脂部材１１の外部で形成する。
本明細書中、かしめるとは、回転ツール１６の押圧によりボス部１１６の頂部を機械的に潰して、該ボス部１１６に、押圧方向に対して垂直方向の幅がボス部幅Ｗ１よりも大きなかしめ部１１８（図５参照）を形成することを意味する。これにより、第１樹脂部材１２Ａの金属部材１１ボス部１１６からの抜けが防止され、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との機械的接合が達成される。

回転ツール１６による熱および圧力の付与により、ボス部１１６の頂部で生じた摩擦熱は、ボス部１１６内部を伝わり、第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８を軟化・溶融させる。これにより、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合が達成される。ボス部１１６の頂部で生じた摩擦熱は、ボス部１１６内部だけでなく、本体部１１７にも伝わり、第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面部におけるボス部直下部１２１Ａおよびその外周部（近傍部）１２１Ｂも軟化・溶融させる。これにより、金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合も達成される。

本実施態様においては、Ｗ１およびＤ１は、かしめ部の形成容易性、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合の観点から、以下の関係式（１Ａ）を満たすことが好ましく、以下の関係式（１Ｂ）を満たすことがより好ましい。

ｔ１およびＨ１は、かしめ部の形成容易性、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合の観点から、以下の関係式（１Ｃ）を満たすことが好ましく、以下の関係式（１Ｄ）を満たすことがより好ましい。

第１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樹脂部材の直下に配置される金属部材１１と該金属部材の直下に配置される第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樹脂部材側から金属部材１１のボス部１１６の頂部に押圧して該頂部をかしめるとともに、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ステップ：
第１ステップにおいては、図１および図３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、第１樹脂部材１２Ａの嵌合部１２７に金属部材１１のボス部１１６が嵌合するように、重ね合わせる。図３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もある。

第２ステップ：
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のボス部１１６の頂部に押圧して該金属部材１１のボス部１１６にボス部幅Ｗ１よりも大きな幅のかしめ部を形成するする押込み撹拌かしめ工程Ｋ２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、押込み撹拌かしめ工程の前に、回転ツール１６の先端部のみを金属部材１１のボス部頂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Ｋ１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。
押込み撹拌かしめ工程の後には、かしめ部の形成を完了した位置で、回転ツール１６の回転動作を継続させる撹拌維持工程Ｋ３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。

以下、各工程について詳しく説明する。

（予熱工程Ｋ１）
予熱工程Ｋ１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の先端部のみを金属部材１１のボス部１１６の頂部（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Ｋ１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。

具体的には、予熱工程Ｋ１では、回転ツール１６での押圧により、金属部材１１のボス部１１６の頂部（図例では上面部）で摩擦熱が発生する。摩擦熱は、次の押込み撹拌かしめ工程での、ボス部１１６頂部のかしめを容易にする。摩擦熱はまた、金属部材１１のボス部１１６および本体部１１７の内部に伝わり、第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８および第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面部におけるボス部直下部１２１Ａおよびその外周部（近傍部）１２１Ｂが予熱される。これにより、次の押込み撹拌かしめ工程Ｋ２で、これらの部分での軟化・溶融がし易くなる。

予熱工程Ｋ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、ボス部１１６の頂部のかしめ易さ、ならびに第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８および第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面部におけるボス部直下部１２１Ａおよびその外周部（近傍部）１２１Ｂ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Ｋ１における第１の加圧力は、７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第１の加圧時間は、０．５秒以上２．０秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は５００回転/分以上 １００００回転/分以下の値が好ましい。

（押込み撹拌かしめ工程Ｋ２）
押込み撹拌かしめ工程Ｋ２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で金属部材１１のボス部１１６の頂部を押圧する。押込み撹拌かしめ工程Ｋ２を予熱工程Ｋ１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で金属部材１１のボス部１１６の頂部を押圧する。これにより、金属部材１１のボス部１１６の頂部が押し潰され、かしめ部１１８が形成される。かしめ部１１８においては、ボス部１１６の側面から突出したフランジ状の突出部１１８Ａが全周にわたって形成される。このため、第１樹脂部材１２Ａの金属部材１１ボス部１１６からの抜けが防止され、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との機械的接合が達成される。

かしめ部１１８における突出部１１８Ａのボス部１１６側面からの突出長ｍは、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との機械的接合が達成される限り特に限定されず、回転ツール１６の幅をＤ１（ｍｍ）としたとき、好ましくは０．０５×Ｄ１〜０．４×Ｄ１であり、より好ましくは０．１×Ｄ１〜０．３×Ｄ１である。

回転ツール１６による金属部材１１のボス部１１６頂部の押圧は、形成される突出部１１８Ａの下端面が、図５に示すように、第１樹脂部材１２Ａの押圧方向上流側表面１２９と接触するまで行われる。突出部１１８Ａの下端面が第１樹脂部材１２Ａの押圧方向上流側表面１２９と接触した時点で、本工程を終了する。
本工程前のボス部の高さ（通常、Ｈ１；図３参照）に対する本工程後のボス部の高さ（通常、Ｈ２；図６参照）の割合（Ｈ２／Ｈ１）は０．３〜０．８、特に０．４〜０．７が好ましい。

本工程では、回転ツール１６による金属部材１１のボス部１１６頂部の押圧により、ボス部１１６の頂部で生じた摩擦熱は、ボス部１１６内部を伝わり、第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８を軟化・溶融させる。これにより、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合が達成される。ボス部１１６の頂部で生じた摩擦熱は、ボス部１１６内部だけでなく、本体部１１７にも伝わり、第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面部におけるボス部直下部１２１Ａおよびその外周部（近傍部）１２１Ｂも軟化・溶融させる。これにより、金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合も達成される。

押込み撹拌かしめ工程Ｋ２では、詳しくは、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。

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）、ボス部１１６に形成されたかしめ部１１８の突出部１１８Ａによる第１樹脂部材１２Ａの破壊が起こり、達成された熱的接合も破壊されるため、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との接合不良が起きる。

押込み撹拌かしめ工程Ｋ２の第２の加圧力及び第２の加圧時間は、上記のような接合不良回避の観点、突起部１１８Ａの形成の観点、ならびに第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８の軟化・溶融および第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面部におけるボス部直下部１２１Ａおよびその外周部（近傍部）１２１Ｂの軟化・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、押込み撹拌かしめ工程Ｋ２における第２の加圧力は、１２００Ｎ以上１８００Ｎ未満の値が好ましい。第２の加圧時間は、０．１秒以上０．５秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は５００回転/分以上 １００００回転/分以下の値が好ましい。

（撹拌維持工程Ｋ３）
撹拌維持工程Ｋ３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、上記突出部１１８Ａの下端面が第１樹脂部材１２Ａの押圧方向上流側表面１２９と接触させた位置（これを「基準位置Ｘ」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Ｋ３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。

撹拌維持工程Ｋ３では、加圧力が予熱工程Ｋ１よりも小さくなることにより（もちろん押込み撹拌かしめ工程Ｋ２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Ｘに維持される。この基準位置Ｘは第１樹脂部材１２Ａおよび第２樹脂部材１２Ｂにより近いため、多量に発生した摩擦熱は、第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８の軟化・溶融および第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面部におけるボス部直下部１２１Ａおよびその外周部（近傍部）１２１Ｂの軟化・溶融を促進する。

撹拌維持工程Ｋ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、上記のような第１樹脂部材１２Ａおよび第２樹脂部材１２Ｂ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Ｋ３における第３の加圧力は、１００Ｎ以上７００Ｎ未満の値が好ましい。第３の加圧時間は、１．０秒以上２０秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は５００回転/分以上 １００００回転/分以下の値が好ましい。

（保持工程Ｋ４）
押込み撹拌かしめ工程Ｋ２または撹拌維持工程Ｋ３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Ｋ４を行ってもよい。
保持工程Ｋ４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Ｋ４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。

保持工程Ｋ４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かしめ工程Ｋ２よりも小さいが撹拌維持工程Ｋ３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および第２樹脂部材１２Ｂ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と第２樹脂部材１２Ｂ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。

保持工程Ｋ４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部材間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Ｋ４における第４の加圧力は、例えば７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第４の加圧時間は、例えば１秒以上の値が好ましい。

本実施態様では、少なくとも前記した工程Ｋ２を経て、好ましくは前記した工程Ｋ１およびＫ２を経て、より好ましくは前記した工程Ｋ１〜Ｋ３を経て、最も好ましくは前記した工程Ｋ１〜Ｋ４を経て、最終的に、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１、および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂ、が広い範囲で高強度に接合された第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２０が得られる。

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、水冷等が挙げられる。

（接合体）
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、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との間で、ボス部１１６におけるかしめ部１１８の突出部１１８Ａに基づく機械的接合が達成されるとともに、第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８の軟化・溶融に基づく熱的接合が達成される。
金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの間では、第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面部におけるボス部直下部１２１Ａおよびその外周部（近傍部）１２１Ｂの軟化・溶融に基づく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。

まず、金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの接合境界面１３Ｂについて説明する。
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ボス部直下領域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。

具体的には、接合体２０から第１樹脂部材１２Ａおよび金属部材１１を強制的に剥離させると、例えば、図６（Ｂ）に示すような、第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面１２５が観察できる。このような第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面１２５において、溶融固化域はボス部直下領域６０にある固化域１２１Ａ（斜線領域）と、その外周領域６１にある固化域１２１Ｂ（格子領域）とで通常は外観状の差はない。

第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面１２５において、溶融が生じていない領域１２１Ｃと、溶融固化域１２１Ａおよび１２１Ｂとは、当該金属部材側表面１２５における樹脂の表面粗さの差、目視可能な厚みの違い（数ミクロンの段差）、白化の有無或いは金属部材１１の第２樹脂部材側表面における樹脂の付着の有無により区別が可能である。

本実施態様において第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面１２５は、溶融固化域（１２１Ａ，１２１Ｂ）の直径をＲ（ｍｍ）、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、以下の関係を満たしている：
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、溶融固化域（１２１Ａ，１２１Ｂ）の最大寸法である。

次に、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との接合境界面１３Ａについて説明する。
接合境界面１３Ａにおける機械的接合の達成は、ボス部１１６のかしめ部１１８における突出部１１８Ａの形成を確認することにより、検知できる。

接合境界面１３Ａにおける熱的接合の達成、特に金属部材１１の本体部１１７と第１樹脂部材１２Ａとの熱的接合の達成は、破壊試験により剥離させた第１樹脂部材１２Ａの金属部材側表面１２４において、溶融樹脂が固化してなる溶融固化域が嵌合部１２７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。
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、溶融固化域とを区別すること以外、第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面１２５においてと同様である。

第１樹脂部材１２Ａの金属部材側表面１２４は、溶融固化域の直径をＲ’（ｍｍ）、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、以下の関係を満たしている：
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、溶融固化域（１２１Ａ，１２１Ｂ）の最大寸法である。なお第１樹脂部材１２Ａの金属部材側表面１２４において嵌合部１２７は、溶融固化域と見なすものとする。

金属部材１１の本体部１１７と第１樹脂部材１２Ａとの熱的接合の達成を検知することにより、接合時において熱発生源（回転ツール１６）により近い金属部材１１のボス部１１６と第１樹脂部材１２Ａとの熱的接合の達成も検知することができる。

＜第２実施態様＞
本実施態様にかかる接合方法を図７〜１０を用いて説明する。
本実施態様にかかる接合方法は、例えば、図７〜１０に示すように、Ｗ１≦Ｄ１およびｔ１＞Ｈ１の関係を有する接合方法に関するものである。図７は第２実施態様の重ね合わせ状態を示す概略断面図である。図８は、第２実施態様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９は、第２実施態様の接合方法における押込み撹拌かしめ工程、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１０において、（Ａ）は本発明の第２実施態様の接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から第１樹脂部材と金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの第２樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。

本実施態様においては、Ｗ１およびＤ１は、かしめ部の形成容易性、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合の観点から、以下の関係式（２Ａ）を満たすことが好ましく、以下の関係式（２Ｂ）を満たすことがより好ましい。

ｔ１およびＨ１は、かしめ部の形成容易性、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合の観点から、以下の関係式（２Ｃ）を満たすことが好ましく、以下の関係式（２Ｄ）を満たすことがより好ましい。

第２実施態様に係る接合方法および接合体は、図７〜１０に示すように、上記した関係を満たす回転ツール１６、第１樹脂部材１２Ａおよび金属部材１１（特にボス部１１６）を用いること、ならびに、ボス部１１６の直上に第１樹脂部材１２Ａが存在するために、まず、回転ツール１６をボス部１１６の直上の第１樹脂部材１２Ａに押し込む必要があること以外、第１実施態様においてと同様であるため、説明を省略する。
なお、本実施態様における押込撹拌かしめ工程は、回転ツール１６のショルダ部１６ｂが上記接合境界面１３Ａに達しない深さまで進入した時点で終了する。本工程前のボス部の高さ（通常、Ｈ１；図７参照）に対する本工程後のボス部の高さ（通常、Ｈ２；図１０参照）の割合（Ｈ２／Ｈ１）は０．３〜０．８、特に０．４〜０．７が好ましい。

＜第３実施態様＞
本実施態様にかかる接合方法を図１１〜１４を用いて説明する。
本実施態様にかかる接合方法は、例えば、図１１〜１４に示すように、Ｗ１＞Ｄ１およびｔ１≦Ｈ１の関係を有する接合方法に関するものである。図１１は第３実施態様の重ね合わせ状態を示す概略断面図である。図１２は、第３実施態様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１３は、第３実施態様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１４において、（Ａ）は本発明の第３実施態様の接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から第１樹脂部材と金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの第２樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。

本実施態様においては、Ｗ１およびＤ１は、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合の観点から、以下の関係式（３Ａ）を満たすことが好ましく、以下の関係式（３Ｂ）を満たすことがより好ましい。

ｔ１およびＨ１は、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合の観点から、以下の関係式（３Ｃ）を満たすことが好ましく、以下の関係式（３Ｄ）を満たすことがより好ましい。

第３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、第１樹脂部材の嵌合部に金属部材のボス部が嵌合するように、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のボス部１１６の頂部に押し込んで摩擦熱を発生させ、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：
本実施態様の第１ステップは第１実施態様の第１ステップと同様であり、図１１に示すように重ね合わせる。

第２ステップ：
第２ステップにおいては、回転ツール１６の上記ボス部１１６の頂部への押圧により、回転ツール１６をボス部１１６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。

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のボス部１１６の頂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。

以下、各工程について詳しく説明する。

（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のボス部１１６の頂部（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。

具体的には、予熱工程Ｃ１では、金属部材１１のボス部１１６の頂部で摩擦熱が発生する。摩擦熱は金属部材１１のボス部１１６および本体部１１７の内部を伝わり、第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８および本体部１１７との接触部分１２３ならびに第２樹脂部材１２Ｂの本体部１１７側表面部の回転ツール直下部１２１Ａ’およびその外周部１２１Ｂ’（近傍部）が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程Ｃ２で、これらの部分が軟化・溶融し易くなる。また、次の押込み撹拌工程Ｃ２で、回転ツール１６を金属部材１１ボス部１１６に押込み易くなる。

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第１樹脂部材１２Ａおよび第２樹脂部材１２Ｂ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未満の値が好ましい。第１の加圧時間は、０．５秒以上２．０秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は５００回転/分以上 １００００回転/分以下の値が好ましい。

（押込み撹拌工程Ｃ２）
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１３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１３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、第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８および本体部１１７との接触部分１２３ならびに第２樹脂部材１２Ｂの本体部１１７側表面部の回転ツール直下部１２１Ａ’およびその外周部１２１Ｂ’（近傍部）が軟化・溶融する。これらの結果として、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合が達成される。

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に際し、金属部材１１の回転ツール直下部１１０を図１３に示すように第２樹脂部材１２Ｂ側に必ずしも突出変形させる必要はないが、突出変形させることが好ましい。これにより、第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面部において回転ツールの直下領域６０’で溶融している溶融樹脂１２１Ａ’を該直下領域６０’の外周領域６１’まで流動させることができ、金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの接合強度がさらに向上する。なお、溶融樹脂１２１Ａ’は回転ツール直下領域６０’を中心とする略円形状で広がる。

押込み撹拌工程Ｃ２では、詳しくは、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。

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１３Ｂを超える。すなわち、回転ツール１６が金属部材１１を貫通し、第２樹脂部材１２Ｂ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。

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１３Ｂ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１３Ｂに達しない深さまで進入させる。これにより、第２樹脂部材１２Ｂに近い基準位置で摩擦熱が発生し、多量の摩擦熱が第２樹脂部材１２Ｂに伝わり、第２樹脂部材１２Ｂの軟化・溶融が促進される。

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、第１樹脂部材１２Ａおよび第２樹脂部材１２Ｂの軟化・溶融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未満の値が好ましい。第２の加圧時間は、０．１秒以上０．５秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は５００回転/分以上 １００００回転/分以下の値が好ましい。

（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Ｙ」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。

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Ｙに維持される。この第２樹脂部材１２Ｂに近い基準位置Ｙ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第２樹脂部材１２Ｂに移動する。そのため、第２樹脂部材１２Ｂは、金属部材側表面部における回転ツール直下部１２１Ａ’およびその外周部１２１Ｂ’の広い範囲で十分に軟化・溶融する。摩擦熱は第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８および本体部１１７との接触部分１２３にも移動し、これらの部分の広い範囲で十分に軟化・溶融する。これらの結果、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との接合強度および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの接合が十分に向上する。

撹拌維持工程Ｃ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、上記のような第１樹脂部材１２Ａおよび第２樹脂部材１２Ｂ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未満の値が好ましい。第３の加圧時間は、１．０秒以上２０秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は５００回転/分以上 １００００回転/分以下の値が好ましい。

（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、第１実施態様の保持工程Ｋ４と同様である。
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。

保持工程Ｃ４の第４の加圧力及び第４の加圧時間は、冷却期間中の部材間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未満の値が好ましい。第４の加圧時間は、例えば１秒以上の値が好ましい。

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、最も好ましくは前記した工程Ｃ１〜Ｃ４を経て、最終的に、図１４（Ａ）に示すように、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１、および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂ、が広い範囲で高強度に接合された第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２０が得られる。

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、水冷等が挙げられる。

（接合体）
本実施態様の接合方法により接合された接合体２０は、図１４（Ａ）に示すように、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との間で、第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８および本体部１１７との接触部分１２３の軟化・溶融に基づく熱的接合が達成される。
金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの間では、第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面部における回転ツール直下部１２１Ａ’およびその外周部（近傍部）１２１Ｂ’の軟化・溶融に基づく熱的接合が達成される。

まず、金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの接合境界面１３Ｂについて説明する。
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。

具体的には、接合体２０から第１樹脂部材１２Ａおよび金属部材１１を強制的に剥離させると、例えば、図１４（Ｂ）に示すような、第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面１２５が観察できる。このような第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面１２５において、溶融固化域は回転ツール直下領域６０’にある破面固化域１２１Ａ’（斜線領域）と、その外周領域６１’にある非破面固化域１２１Ｂ’（格子領域）とからなっている。

破面固化域１２１Ａ’は、その表面に、金属部材１１の突出変形により生じた金属部材１１の破面が転写されており、表面粗さが非破面固化域１２１Ｂ’よりも明らかに大きい）。表面粗さの差は目視によっても認識可能である。

非破面固化域１２１Ｂ’は、その表面に、金属部材１１表面の非突出領域が転写されており、表面粗さが破面固化域１２１Ａ’よりも明らかに小さい。

第２樹脂部材１２Ｂ’の金属部材側表面１２５において、溶融が生じていない領域１２１Ｃ’と、非破面固化域１２１Ｂ’とは、当該金属部材側表面１２５における樹脂の表面粗さの差、目視可能な厚みの違い（数ミクロンの段差）、白化の有無或いは金属部材１１の第２樹脂部材側表面における樹脂の付着の有無により区別が可能である。

第２樹脂部材１２Ｂの金属部材側表面１２５は、溶融固化域（１２１Ａ’，１２１Ｂ’）の直径をＲ（ｍｍ）、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、以下の関係を満たしている：
１≦Ｒ／Ｄ１≦１０；
好ましくは２≦Ｒ／Ｄ１≦１０；
より好ましくは３≦Ｒ／Ｄ１≦１０。
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。

次に、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との接合境界面１３Ａについて説明する。
接合境界面１３Ａにおける熱的接合の達成、特に金属部材１１の本体部１１７と第１樹脂部材１２Ａとの熱的接合の達成は、破壊試験により剥離させた第１樹脂部材１２Ａの金属部材側表面１２４において、溶融樹脂が固化してなる溶融固化域が嵌合部１２７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。
具体的方法は、第１実施態様においてと同様である。

第１樹脂部材１２Ａの金属部材側表面１２４は、溶融固化域の直径をＲ’（ｍｍ）、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、以下の関係を満たしている：
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。なお第１樹脂部材１２Ａの金属部材側表面１２４において嵌合部１２７は、溶融固化域と見なすものとする。

金属部材１１のボス部１１６と第１樹脂部材１２Ａとの熱的接合の達成は、破壊試験により剥離させた第１樹脂部材１２Ａにおけるボス部１１６との接触部分１２８の表面が全面にわたって前記した非破面固化域１２１Ｂ’からなっていることを確認することにより、検知できる。

＜第４実施態様＞
本実施態様にかかる接合方法を図１５〜１８を用いて説明する。
本実施態様にかかる接合方法は、例えば、図１５〜１８に示すように、Ｗ１＞Ｄ１およびｔ１＞Ｈ１の関係を有する接合方法に関するものである。図１５は第４実施態様の重ね合わせ状態を示す概略断面図である。図１６は、第４実施態様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１７は、第４実施態様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１８において、（Ａ）は本発明の第４実施態様の接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の接合体から第１樹脂部材と金属部材を強制的に剥離させ、（Ａ）の上方から観察したときの第２樹脂部材の表面状態を示す概略模式図である。

本実施態様においては、Ｗ１およびＤ１は、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合）の観点から、以下の関係式（４Ａ）を満たすことが好ましく、以下の関係式（４Ｂ）を満たすことがより好ましい。

ｔ１およびＨ１は、第１樹脂部材１２Ａと金属部材１１との熱的接合および金属部材１１と第２樹脂部材１２Ｂとの熱的接合）の観点から、以下の関係式（４Ｃ）を満たすことが好ましく、以下の関係式（４Ｄ）を満たすことがより好ましい。

第４実施態様に係る接合方法および接合体は、図１５〜１８に示すように、上記した関係を満たす回転ツール１６、第１樹脂部材１２Ａおよび金属部材１１（特にボス部１１６）を用いること、ならびに、ボス部１１６の直上に第１樹脂部材１２Ａが存在するために、まず、回転ツール１６をボス部１１６の直上の第１樹脂部材１２Ａに押し込む必要があること以外、第３実施態様においてと同様であるため、説明を省略する。

以上に説明した第１〜第４実施態様において、接合境界面１３Ａの接合強度の観点からは、第１〜第３実施態様が好ましく、第１〜第２実施態様がより好ましく、第１実施態様が最も好ましい。
また接合境界面１３Ｂの接合強度の観点からは、第１，第３および第４実施態様が好ましく、第３〜第４実施態様がより好ましく、第３実施態様が最も好ましい。
接合境界面１３Ａおよび１３Ｂの総合的な接合強度の観点からは、第１〜第３実施態様が好ましく、第１および第３実施態様がより好ましい。

以上に説明した第１〜第４の実施態様においては、回転ツールを、金属部材１１のボス部１１６の頂部上、面方向で移動させることなく、点状に、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。

［実施例１］（第１実施態様）
（金属部材）
図３に示すような金属部材１１を用いた。
詳しくは、本体部１１７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。本体部１１７の寸法は縦１００ｍｍ×横６３０ｍｍ×厚み（Ｔ）１．２ｍｍであった。
本体部１１７の一方の表面に対して、該本体部と同材料からなる円柱状ボス部１１６を溶接により接合させた。円柱状ボス部１１６の寸法はＷ１＝８．０ｍｍ、Ｈ１＝５．５ｍｍであった。

（第１樹脂部材および第２樹脂部材）
図３に示すような第１樹脂部材および第２樹脂部材を用いた。
詳しくは、マレイン酸変性ポリプロピレンペレット（商品名；モディックＰ５６５、三菱化学社製、ＭＦＲ５．７）３０重量部およびブロックポリプロピレン（商品名；ノバテックＦＹ６、日本ポリプロ社製、ＭＦＲ２．５）７０重量部を用いて射出成形法により、縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×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。第１樹脂部材１２Ａには、図３に示すように、金属部材１１が有するボス部１１６に対応する嵌合物１２７として貫通孔を設けた。

（回転ツール）
回転ツールとしては、図２に示す回転ツール１６を用いた。各部の寸法はＤ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍｍｍであり、工具鋼製のものであった。

（接合方法）
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。

第２ステップ：
図４に示すように、回転ツール１６を回転させつつ、回転ツール１６の先端部のみを金属部材１１のボス部１１６の頂部に接触させた（予熱工程Ｋ１：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でボス部１１６の頂部を押圧してかしめ、突起部１１８Ａを有するかしめ部１１８を形成した（押込み撹拌かしめ工程Ｋ２：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の回転動作を継続させた（撹拌維持工程Ｋ３：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１３Ａの接合強度）
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１３Ｂの接合強度）
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）。

（接合境界面１３Ａおよび１３Ｂの接合強度の総合評価）
接合境界面１３Ａおよび１３Ｂの接合強度の評価結果のうち悪い方の評価結果を示した。

（その他の測定）
接合後のボス部における突出部１１８Ａの突出長さｍおよび高さＨ２を測定した。
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。

［実施例２］（第２実施態様）
第１樹脂部材１２Ａ、金属部材１１、第２樹脂部材１２Ｂおよび回転ツール１６の形状を図７に示すように変更したこと、およびそれらの寸法を表に示すような寸法としたこと以外、実施例１と同様の方法により、第１樹脂部材１２Ａ、金属部材１１、第２樹脂部材１２Ｂおよび回転ツール１６を準備した。

予熱工程において回転ツール１６を金属部材１１のボス部１１６の頂部に接触させる前に、樹脂部材１２Ａに押し込んだこと、および図７に示すように重ねあわせた後、図８〜９に示すように予熱工程、押込撹拌かしめ工程、撹拌維持工程を行ったこと以外、実施例１と同様の方法により、図１０に示すような接合体の製造および評価を行った。
予熱工程、押込撹拌かしめ工程、撹拌維持工程の詳細な条件は実施例１と同様であった。

［実施例３］（第３実施態様）
第１樹脂部材１２Ａ、金属部材１１、第２樹脂部材１２Ｂおよび回転ツール１６の形状を図１１に示すように変更したこと、およびそれらの寸法を表に示すような寸法としたこと以外、実施例１と同様の方法により、第１樹脂部材１２Ａ、金属部材１１、第２樹脂部材１２Ｂおよび回転ツール１６を準備した。

以下の方法により接合を行ったこと以外、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との接合体の製造および評価を行った。

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１１に示すように重ね合わせた。
第２ステップ：
図１２に示すように、回転ツール１６を回転させつつ、回転ツール１６の先端部のみを金属部材１１のボス部１１６の頂部に接触させた（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１３に示すように、回転ツール１６を金属部材１１のボス部１６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１３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１４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。

［実施例４］（第４実施態様）
第１樹脂部材１２Ａ、金属部材１１、第２樹脂部材１２Ｂおよび回転ツール１６の形状を図１５に示すように変更したこと、およびそれらの寸法を表に示すような寸法としたこと以外、実施例１と同様の方法により、第１樹脂部材１２Ａ、金属部材１１、第２樹脂部材１２Ｂおよび回転ツール１６を準備した。

予熱工程において回転ツール１６を金属部材１１のボス部１１６の頂部に接触させる前に、樹脂部材１２Ａに押し込んだこと、および図１５に示すように重ねあわせた後、図１６〜１７に示すように予熱工程、押込撹拌かしめ工程、撹拌維持工程を行ったこと以外、実施例３と同様の方法により、図１８に示すような接合体の製造および評価を行った。
予熱工程、押込撹拌かしめ工程、撹拌維持工程の詳細な条件は実施例３と同様であった。

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。

１：摩擦撹拌接合装置
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

Claims (6)

1. 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に際し、金属部材として第１樹脂部材側表面に柱状のボス部が立設されてなる金属部材を用い、第１樹脂部材として金属部材のボス部と嵌合する嵌合部を有する樹脂部材を用い、第１樹脂部材の嵌合部に金属部材のボス部が嵌合するように、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のボス部の頂部に押圧して該頂部をかしめるとともに、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、
   重ね合わせにより第１樹脂部材の嵌合部に嵌合したボス部の頂部に対して押圧部材により熱および圧力を付与し、
   押圧部材の幅Ｄ１およびボス部の幅Ｗ１がＷ１≦Ｄ１の関係を有し、かつボス部の高さＨ１および第１樹脂部材の厚みｔ１がｔ１≦Ｈ１の関係を有し、
   押圧部材による熱および圧力の付与により、（１−i）ボス部の頂部をかしめて、ボス部に幅Ｗ１よりも大きな幅のかしめ部を第１樹脂部材の外部で形成し、第１樹脂部材と金属部材との機械的接合を達成するとともに、第１樹脂部材におけるボス部との接触部分を軟化・溶融させて、第１樹脂部材と金属部材との熱的接合を達成し、かつ（１−ii）第２樹脂部材の金属部材側表面部におけるボス部直下部およびその外周部を軟化・溶融させて、金属部材と第２樹脂部材との熱的接合を達成することを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。
2. 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に際し、金属部材として第１樹脂部材側表面に柱状のボス部が立設されてなる金属部材を用い、第１樹脂部材として金属部材のボス部と嵌合する嵌合部を有する樹脂部材を用い、第１樹脂部材の嵌合部に金属部材のボス部が嵌合するように、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のボス部の頂部に押圧して該頂部をかしめるとともに、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、
   重ね合わせにより第１樹脂部材の嵌合部に嵌合したボス部の頂部に対して押圧部材により熱および圧力を付与し、
   押圧部材の幅Ｄ１およびボス部の幅Ｗ１がＷ１≦Ｄ１の関係を有し、かつボス部の高さＨ１および第１樹脂部材の厚みｔ１がＨ１＜ｔ１の関係を有し、
   押圧部材による熱および圧力の付与により、（２−i）ボス部の頂部をかしめて、ボス部に幅Ｗ１よりも大きな幅のかしめ部を第１樹脂部材の内部で形成し、第１樹脂部材と金属部材との機械的接合を達成するとともに、第１樹脂部材におけるボス部との接触部分を軟化・溶融させて、第１樹脂部材と金属部材との熱的接合を達成し、かつ（２−ii）第２樹脂部材の金属部材側表面部におけるボス部直下部およびその外周部を軟化・溶融させて、金属部材と第２樹脂部材との熱的接合を達成することを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。
3. 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に際し、金属部材として第１樹脂部材側表面に柱状のボス部が立設されてなる金属部材を用い、第１樹脂部材として金属部材のボス部と嵌合する嵌合部を有する樹脂部材を用い、第１樹脂部材の嵌合部に金属部材のボス部が嵌合するように、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のボス部の頂部に押し込んで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、
   重ね合わせにより第１樹脂部材の嵌合部に嵌合したボス部の頂部に対して押圧部材により熱および圧力を付与し、
   押圧部材の幅Ｄ１およびボス部の幅Ｗ１がＤ１＜Ｗ１の関係を有し、かつボス部の高さＨ１および第１樹脂部材の厚みｔ１がｔ１≦Ｈ１の関係を有し、
   押圧部材による熱および圧力の付与により、（３−i）ボス部の頂部に押圧部材を押し込んで、第１樹脂部材におけるボス部との接触部分を軟化・溶融させて、第１樹脂部材と金属部材との熱的接合を達成し、かつ（３−ii）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・溶融させて、金属部材と第２樹脂部材との熱的接合を達成することを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。
4. 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に際し、金属部材として第１樹脂部材側表面に柱状のボス部が立設されてなる金属部材を用い、第１樹脂部材として金属部材のボス部と嵌合する嵌合部を有する樹脂部材を用い、第１樹脂部材の嵌合部に金属部材のボス部が嵌合するように、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のボス部の頂部に押し込んで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、
   重ね合わせにより第１樹脂部材の嵌合部に嵌合したボス部の頂部に対して押圧部材により熱および圧力を付与し、
   押圧部材の幅Ｄ１およびボス部の幅Ｗ１がＤ１＜Ｗ１の関係を有し、かつボス部の高さＨ１および第１樹脂部材の厚みｔ１がＨ１＜ｔ１の関係を有し、
   押圧部材による熱および圧力の付与により、（４−i）ボス部の頂部に押圧部材を押し込んで、第１樹脂部材におけるボス部との接触部分を軟化・溶融させて、第１樹脂部材と金属部材との熱的接合を達成し、かつ（４−ii）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・溶融させて、金属部材と第２樹脂部材との熱的接合を達成することを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。
5. 金属部材がボス部を後加工法により本体部に立設させてなっている請求項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。
6. 後加工法が溶接法である請求項５に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。

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