JP6311677B2 - 金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法で使用される樹脂部材 - Google Patents
金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法で使用される樹脂部材 Download PDFInfo
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Description
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部において、20°以下の湾曲角度を示す直線状強化繊維の含有割合が、強化繊維の全個数に対して、50個数%以上である樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
本発明の接合方法(摩擦撹拌接合方法)について図1〜図8を用いて具体的に説明する。
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。
本発明において使用される樹脂部材12は熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含むものである。
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂およびその酸変性物;
ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)、ポリ乳酸(PLA)などのポリエステル系樹脂;
ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)などのポリアクリレート系樹脂;
ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンエーテル(PPE)などのポリエーテル系樹脂;
ポリアセタール(POM);
アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー系樹脂(ABS)、ポリスチレン(PS)などのスチレン系樹脂;
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)。
本発明においてはまた、樹脂部材12の金属部材側表面120の全面と、当該金属部材側表面120とは反対の表面の全面とにおける表面から深さ(L1)1mmまでの部分において、上記直線状強化繊維の含有割合が達成されていてもよい。
まず、樹脂部材の接合部を、電気炉等により、熱可塑性ポリマーの分解温度以上、強化繊維の分解温度以下で加熱することによって、熱可塑性ポリマーを取り除き、強化繊維のみを取り出す。加熱前後の重量測定により、強化繊維の含有量を加熱前の総重量に対する割合として算出する。また、比重を測定することによっても、含有量の測定ができる。
金型内に熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含む溶融物を射出することを含む射出成形法において、少なくとも前記接合部と接触する金型領域を、前記熱可塑性ポリマーの固化温度をTsとしたとき、Ts−10(℃)以上の温度に保持して射出を行う。その後の冷却方法は特に限定されず、例えば、金型を閉じたまま、放置冷却を行ってもよいし、または後述する金型加熱冷却手段(H&Cシステム)の冷却手段により冷却を行ってもよい。これにより、少なくとも接合部において、強化繊維の湾曲角度が低減され、上記したような全強化繊維に対する直線状強化繊維の含有割合が達成される。熱可塑性ポリマーの固化温度Tsとは、温度変化(特に冷却)に伴う当該ポリマーの状態変化において、固化が始まる温度のことである。本明細書中、熱可塑性ポリマーが結晶性ポリマーである場合、固化温度Tsはその結晶化温度Tcのこととする。熱可塑性ポリマーが非晶性ポリマーである場合、固化温度Tsはそのガラス転移温度Tgのこととする。
金属部材11は、図1等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、少なくとも樹脂部材12との重ね合わせ部分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。
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。
図5は、回転ツール16の先端部の拡大図である。図5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5に示すように、円柱状の回転ツール16は、先端部(図5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5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。
本発明に係る摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法は少なくとも以下のステップ:
金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせる第1ステップ;および
押圧部材として回転ツール16を回転させつつ、金属部材11に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材12を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材11と樹脂部材12とを接合する第2ステップ:
を含むものである。
第1ステップにおいては、図1に示すように、金属部材11と樹脂部材12とを所望の接合部位で重ね合わせる。詳しくは、樹脂部材12の金属部材側表面120における接合部122の領域R(図3:円形状)の中心が回転ツールの軸上に配置されるように、金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせる。
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6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6は、図1におけるZ−Z断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、本発明の接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。
押込み撹拌工程C2は、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図7に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む工程である。押込み撹拌工程C2を予熱工程C1に次いで行う場合には、回転ツール16と受け具17とをさらに相互に近接させることにより、図7に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む。これにより、回転ツール16を金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13に達しない深さまで進入させる。このとき、金属部材11の回転ツール直下部110を樹脂部材12側に突出変形させることが好ましい。これにより、接合境界面13において回転ツールの直下領域Qで溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂121を該直下領域Qの外周領域まで流動させることができる(図7の矢印方向)。図7は、図1におけるZ−Z断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、本発明の接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。
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7に示すように、上記接合境界面13に達しない深さまで進入させた位置(これを「基準位置」という)で回転ツール16の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程C3では、回転ツール16を、第1の加圧力より小さい第3の加圧力(例えば、500N)で、第1の加圧時間より長い第3の加圧時間(例えば、6.75秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
最後には、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7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。
(樹脂部材)
樹脂部材12を射出成形法により製造した。詳しくは、まず、熱水冷水切り替え方式の金型加熱冷却手段(図示せず)を備えた図9に示す射出成形装置において、上型124Aおよび下型124Bからなる金型を閉じた。上型124Aにおける接合部形成用部分(円板形状、直径20mm)124Axおよび下型124Bにおける接合部形成用部分124Axの直下部分124Bxを100℃に保持した。上型124Aにおける接合部形成用部分124Ax以外の部分124Ay、および下型124Bにおける直下部分124Bx以外の部分124Byは40℃に保持した。
予め、射出機126内で、強化繊維として初期繊維長8mmおよび平均繊維径7μmの炭素繊維を40重量%含むポリプロピレンペレット(商品名プラストロンPP-CF40-11;ダイセルポリマー社製、ポリプロピレンの結晶化温度 約110℃)を250℃で溶融した。
その後、金型加熱冷却手段により、上型124Aにおける接合部形成用部分124Axおよび下型124Bにおける直下部分124Bxを40℃に、上型124Aにおける部分124Ayおよび下型124Bにおける部分124Byは40℃に制御し、冷却および固化を行った。金型から、図3(A)〜(C)に示すような縦100mm×横(幅)30mm×厚み3mm寸法の樹脂部材12を取り出した。成形工程中のせんだん力により繊維は破断されるため、成形品中の平均繊維長はおよそ3mmであった。
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。
回転ツールとしては、図5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。
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、樹脂部材12の金属部材側表面120における接合部122の領域R(円形状)の中心が回転ツール16の軸上に配置されるように、重ね合わせた(図1および図3)。
まず、図6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7に示すように、回転ツール16を接合境界面13に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール16の回転動作を継続させた(撹拌維持工程C3:加圧力500N、加圧時間6.75秒、ツール回転数3000rpm)。
次いで、図8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。
金属部材と樹脂部材が接合されたままの状態での板厚方向の断面観察によりスプリングバック層(気泡層)の厚みを測定した。スプリングバック層は空気を取り込み発泡した状態であるため、目視によりその他の部位との差異は容易に確認できた。具体的には、接合体の断面画像において、スプリングバック層の最大厚みを求めた。
◎;厚み=0mm;
○;0mm<厚み≦0.1mm;
△;0.1mm<厚み≦1.0mm(実用上問題なし);
×;1.0mm<厚み。
樹脂部材12の領域Rにおける表面から深さ1mmまでの部分(接合部)に含まれる湾曲角度20°以下の強化繊維の含有割合(個数%)および全強化繊維の含有量を前記した方法により測定した。
樹脂部材の製造条件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、樹脂部材の製造および樹脂部材と金属部材との接合体の製造、ならびにその評価を行った。
なお実施例4〜6および比較例2においては、強化繊維として初期繊維長10mmおよび平均繊維径13μmのガラス繊維を43重量%含むポリプロピレンペレット(商品名:L4382P;プライムポリマー社製、ポリプロピレンの結晶化温度 約110℃)を用いた。
10:ワーク
11:金属部材
12:樹脂部材
13:金属部材と樹脂部材との接合境界面
16:回転ツール
17:受け具
110:金属部材の回転ツール直下部
121:回転ツールの直下領域で溶融している溶融樹脂
122:樹脂部材における金属部材との接合部
124A:樹脂部材を射出成形するための上型
124B:樹脂部材を射出成形するための下型
Claims (12)
- 金属部材と強化繊維を含有する樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材による金属部材側からの押圧により樹脂部材に圧力を付与するとともに、熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて接合を行う熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部において、20°以下の湾曲角度を示す直線状強化繊維の含有割合が、強化繊維の全個数に対して、50個数%以上である樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 前記接合部が、樹脂部材の金属部材側表面の領域Rにおける表面から深さ1mmまでの部分であり、
前記領域Rは、樹脂部材の金属部材側表面における押圧部材直下の領域Qを包含する領域であって、押圧部材の軸上に中心を有する直径S1の円形領域であり、
前記直径S1は、押圧部材直下の領域Qの最大長をD1としたとき、2×D1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。 - 前記直線状強化繊維の平均繊維長が1mm超50mm以下である、請求項1または2に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 前記少なくとも金属部材との接合部における全強化繊維の含有量が、該接合部の全量に対して、10〜50重量%である、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。
- 前記直線状強化繊維がランダム配向形態で含有される、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。
- 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:
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、該摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップ。 - 前記第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に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 前記第2ステップが、前記押込み撹拌工程の前に、回転ツールの先端部のみを金属部材の表面部に接触させた状態で前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。
- 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る、請求項8に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 前記第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、
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9に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 前記第2ステップが、前記撹拌維持工程の後に、前記回転ツールの回転を停止し、その状態で前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。
- 前記樹脂部材が、金型内に熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含む溶融物を射出することを含む射出成形法であって、少なくとも前記接合部と接触する金型領域を、前記熱可塑性ポリマーの固化温度をTsとしたとき、Ts−10(℃)以上の温度に保持して射出を行う方法により製造されてなる、請求項1〜11のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
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