JP6102813B2 - 金属部材と樹脂部材との接合方法 - Google Patents
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Description
金属部材と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、樹脂部材との接合面に溝部が形成された金属部材を用い、
押圧部材による熱および圧力の付与により、該溝部をアンダーカット形状に変形させるとともに、該溝部内に軟化した樹脂を流入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。
押圧部材による熱および圧力の付与により、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる、上記した金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
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熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる、上記した金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
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熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させつつ、回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる、上記したの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使用される金属部材に関する。
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て拘束した状態で、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つつ、押圧部材で金属部材を押圧して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。
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つつ、押圧部材で金属部材を押圧して接合する方法である。
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つつ、押圧部材で金属部材を押圧して接合する方法である。
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て拘束した状態で、押圧部材により金属部材を加圧しながら、金属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て接合する方法である。
金属部材11には、樹脂部材との接合面11aにおいて、溝部15が形成されている。溝部15は、接合前において、通常、非アンダーカット形状を有する。非アンダーカット形状とは、当該溝部15によって規定される溝内部の全体形状に関するものであり、金属部材11の樹脂部材との接合面11aを押圧方向Iの反対方向J(以下、単に「反押圧方向J」という)で見たとき、当該溝部の内部全体を観察することができる形状のことである。非アンダーカット形状は、反押圧方向Jに平行に彫り込むことにより形成することができるので、金属部材に直接、いわゆるアンダーカット形状の溝部を形成する場合と比較して、加工が容易である。
溝部15がライン形状のときのライン長Lも特に制限されるものではなく、通常、0.05mm〜50.0mmであり、好ましくは0.05mm〜7.5mmである。
接合面11aにおける溝部15の総開口面積Spは、特に制限されるものではないが、押圧部材16による押圧面積S(mm2)に対して、通常、0.1×S〜0.5×Sであり、好ましくは0.2×S〜0.4×Sである。押圧面積Sとは押圧領域Pの面積のことである。
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;および
チタンおよびその合金。
樹脂部材12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。
樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーは、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);
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)。
本発明においては、押圧部材16による熱および圧力の付与により、該溝部15をアンダーカット形状に変形させるとともに、該溝部15内に軟化した樹脂を流入させる。このため、溝部15内で固化した樹脂が、樹脂部材12の押圧方向Iでの移動を阻害するため、金属部材11と樹脂部材12との接合強度が向上する。
本機構では、押圧部材16による熱および圧力により、図4に示すように、金属部材11の押圧部材直下部110を樹脂部材側に突出変形させる。これにより、溝部15は傾斜し、アンダーカット形状に変形する。溝部15が変形後においてアンダーカット形状を有していることは、図4における一部拡大図に示すように、接合面11aを反押圧方向Jで見たときに、溝部15内に、観察できない斜線領域部分150が存在することから明らかである。
本機構では、押圧部材16として回転ツールを図5に示すように回転させつつ、金属部材11に押圧して熱および圧力を付与することにより、図6に示すように、金属部材11の押圧部材直下部110を回転ツールの回転方向に回転従動させる。回転従動とは、直下部が回転ツールからから受けた摩擦力により回転ツールの回転方向に回転移動することである。図5〜図6はアンダーカット形状を得るための回転変形機構を説明するための概略断面図である。詳しくは、図5は、図2(A)〜(B)に示す金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせた状態で、回転ツール16により熱および圧力を付与する直前の概略断面図である。図6(A)は、図2(A)〜(B)に示す金属部材11と樹脂部材12と回転ツール16を用いて本発明の接合方法の一例を実施するときの概略断面図である。図6(B)は図6(A)の接合体を下方からの樹脂部材の透視により観察したときの金属部材の樹脂部材12との接合面11aにおける溝部形成領域を示す概略模式図である。図6(C)は図6(B)のX−X断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。図6(B)および(C)において破線で示される溝部15’は、金属部材11が本来的に有していた変形前の溝部の位置を示す。
本機構は、前記した突出変形機構と回転変形機構とを組み合わせることにより、溝部をアンダーカット形状に変形するものである。詳しくは、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熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させつつ、回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる。
図7は、本実施態様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7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8参照)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・溶融した後、冷却により固化を行う。その結果、金属部材11と樹脂部材12とが接合される。
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・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。
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。
第1ステップにおいては、図7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。
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と共に、金属部材11の回転ツール直下部110を樹脂部材側に突出変形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。
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9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9は、本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り、図3(A)から(C)に示す金属部材11を用いている。
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10(A)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とにより、図10(A)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と共に、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。これにより、接合境界面13において回転ツールの直下領域60で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂121について、溝部15内への流入と該直下領域60の外周領域61までの流動を促進させる。図10(A)は、本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り、図3(A)から(C)に示す金属部材11を用いている。
図10(C)に示される溝部15の頂部151の、溝部15’の頂部151’からの回転角度は通常、1〜30°である。
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10(A)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、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10(A)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。
第2実施態様に係る接合方法では、金属部材11として図3(A)〜(C)に示す金属部材に代えて図2(A)〜(B)に示す金属部材を用いること以外、第1実施態様と同様の方法により、第1ステップおよび第2ステップを行う。
予熱工程C1は、図11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を回転させること以外、第1実施態様の予熱工程と同様である。図11は、本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り、図2(A)から(B)に示す金属部材11を用いている。
押込み撹拌工程C2は、図12(A)に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込むこと以外、第1実施態様の押込撹拌工程と同様である。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と共に、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。図12(A)は、本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り、図2(A)から(B)に示す金属部材11を用いている。
撹拌維持工程C3は、図12(A)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こと以外、第1実施態様の撹拌維持工程と同様である。
保持工程C4は、図12(A)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こと以外、第1実施態様の保持工程と同様である。
実施例1は前記第1実施態様に相当する実施例である。
図3(A)〜(C)に示すような金属部材11を用いた。
詳しくは、6000系のアルミニウム合金製の平板状部材)に対して、表に示す寸法の溝部15を図3に示す形状で形成した。本体部117の寸法は縦100mm×横30mm×厚み(K)1.2mmであった。
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樹脂部材を製造した。
回転ツールとしては、図8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。
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12とを図7および図9に示すように重ね合わせた。
図9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)。
次いで、図10(A)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10(A)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、接合体20から回転ツール16を抜き取り、放置冷却した。
図10(B)に示される金属部材11の樹脂部材12との接合面11aにおいて、溝部15は、回転ツールの回転方向について、変形前の溝部15’から約10°だけ回転していた(角度α)。
JIS Z 3136に規定されている方法により、金属部材11と樹脂部材12とが接合された接合体を図7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。せん断強度を接合強度として測定した。
実施例2は前記第2実施態様に相当する実施例である。
金属部材として、図2(A)〜(B)に示すような金属部材11を用いたこと、図11に示すように予熱工程C1を行ったこと、および図12(A)に示すように押込み撹拌工程C2、撹拌維持工程C3を行ったこと以外、実施例1と同様の方法により、接合体の製造および評価を行った。
本実施例で使用した金属部材11は、詳しくは、6000系のアルミニウム合金製の平板状部材に対して、表に示す寸法の溝部15を図2に示す形状で形成したものである。
図12(B)に示される金属部材11の樹脂部材12との接合面11aにおいて、溝部15は、回転ツールの回転方向について、変形前の溝部15’から約10°だけ回転していた(角度α)。
比較例1は従来技術に相当する実施例である。
金属部材に溝部15を形成しなかったこと以外、実施例1と同様の方法により、接合体の製造および評価を行った。
10:ワーク
11:金属部材
11a:金属部材の樹脂部材との接合面
12: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)
P’:押圧領域Pの直下に対応する金属部材接合面11a上の領域
Claims (12)
- 金属部材と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、樹脂部材との接合面に溝部が形成された金属部材を用い、
押圧部材による熱および圧力の付与により、該溝部をアンダーカット形状に変形させるとともに、該溝部内に軟化した樹脂を流入させ、
前記溝部が、変形前において非アンダーカット形状を有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。 - 押圧部材による熱および圧力の付与により、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる請求項1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる請求項1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させつつ、回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる請求項1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 金属部材の樹脂部材との接合面において、溝部の深さが金属部材の厚みK(mm)に対して0.02×K〜0.8×Kであり、溝部の幅が0.01mm〜1.0mmである請求項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。
- 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請求項4に記載の接合方法:
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
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、この摩擦熱で樹脂部材を軟化させた後、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。 - 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6に記載の接合方法。
- 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に記載の接合方法。 - 上記第2ステップが、回転ツール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に記載の接合方法。
- 前記接合面における前記溝部の総開口面積は、押圧部材による押圧面積Sに対して、0.1×S〜0.5×Sである、請求項1〜11のいずれかに記載の接合方法。
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