JP6319341B2 - Method of joining metal member and resin member, and joining member set comprising metal member and resin member used in the method - 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その方法で使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セットに関する。 The present invention relates to a method for joining a metal member and a resin member, and a joining member set including a metal member and a resin member used in the method.
従来、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、また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、図13に示すように、平板状金属部材211と平板状樹脂部材212とをそのまま重ね合わせ、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を溶融させた後、固化させて金属部材211と樹脂部材212とを接合する方法である(特許文献1)。
Conventionally, weight reduction is required in the fields of automobiles, railway vehicles, airplanes, and the like. For example, in the field of automobiles, the use of high-tensile materials has made it possible to make steel sheets thinner, aluminum alloy materials have been used as substitutes for steel materials, and resin materials have also been increasingly used. 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. As shown in FIG. 13, the friction stir welding method is a method in which a
また摩擦撹拌接合方法において、樹脂部材として官能基を有する樹脂部材を用いることにより、高強度に接合する技術が開示されている(特許文献2)。 Moreover, in the friction stir welding method, a technique for bonding with high strength by using a resin member having a functional group as the resin member is disclosed (Patent Document 2).
本発明の発明者等は、従来の摩擦撹拌接合方法において、平板状金属部材および平板状樹脂部材をそのまま用いて得られた接合体を部材として自動車車体に用いた場合、その製造過程(塗装乾燥炉での最高温度180℃)および車の苛酷な使用環境(例えば極寒地域および灼熱地域)において、図14に示すように、金属部材211と樹脂部材212との熱膨張率の差により、接合部213にせん断方向の応力(211’および212’)が発生し、せん断方向の接合強度が不足する場合があることを見出した。
In the conventional friction stir welding method, the inventors of the present invention, when a joined body obtained by using a flat metal member and a flat resin member as they are is used as a member in an automobile body, the manufacturing process (paint drying) In the furnace, the maximum temperature is 180 ° C.) and in the severe use environment of the car (for example, extremely cold region and scorching region), as shown in FIG. 14, due to the difference in thermal expansion coefficient between the
本発明は、せん断方向の接合強度が十分に向上する金属部材と樹脂部材との接合方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the joining method of the metal member and resin member which joint strength in a shear direction fully improves.
本発明は、
金属部材と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、
前記金属部材と前記樹脂部材との相互の接触面それぞれに、前記金属部材および前記樹脂部材が嵌合するための嵌合形成部を設け、
該嵌合形成部により前記金属部材と前記樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行う、金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
The present invention
Thermo-pressure bonding in which a metal member and a resin member are superposed, pressure is applied to the resin member by pressing from the metal member side by the pressing member, and the resin member is softened and melted by heat, and then solidified and bonded. A method of joining a metal member and a resin member by a method,
On each of the mutual contact surfaces of the metal member and the resin member, a fitting formation portion for fitting the metal member and the resin member is provided,
The present invention relates to a joining method between a metal member and a resin member, in which the metal member and the resin member are joined together by the fitting forming portion.
本発明はまた、上記の金属部材と樹脂部材との接合方法において使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セットに関する。 The present invention also relates to a joining member set including a metal member and a resin member used in the joining method of the metal member and the resin member.
本発明の後述する実施態様IおよびIIに係る接合方法によれば、せん断方向の接合強度を十分に向上させることができる。 According to the joining method according to embodiments I and II described later of the present invention, the joining strength in the shear direction can be sufficiently improved.
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、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関するものである。本発明の接合方法において採用される接合方式は、熱を付与しつつ、圧力を局所的に付与して接合する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、超音波加熱接合方法、レーザー加熱接合方法、抵抗加熱接合方法、誘導加熱接合方法等であってもよい。好ましくは熱および圧力を金属部材側から局所的に付与する方法であり、より好ましくは摩擦撹拌接合方法が採用される。 In the joining method of the present invention, a metal member and a resin member are overlapped, pressure is applied to the resin member by pressing from the metal member side by the pressing member, and the resin member is softened and melted by heat and then solidified. The present invention relates to a hot-pressure bonding method for performing bonding. The joining method employed in the joining method of the present invention is not particularly limited as long as it is a method of joining by applying pressure locally while applying heat. For example, a friction stir welding method, ultrasonic A heat bonding method, a laser heat bonding method, a resistance heat bonding method, an induction heat bonding method, or the like may be used. A method of applying heat and pressure locally from the metal member side is preferable, and a friction stir welding method is more preferably used.
摩擦撹拌接合方法とは、後で詳述するように、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材としての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方法である。 As will be described in detail later, the friction stir welding method is a method in which a metal member and a resin member are overlapped and a rotating tool as a pressing member is rotated to press the metal member to generate frictional heat. In this method, the resin member is softened and melted by heat and then solidified to join the metal member and the resin member.
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、押圧部材により金属部材を加圧しながら、押圧部材及び樹脂部材に超音波振動を起こさせ、該振動により生じる樹脂部材/金属部材の摩擦熱で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方法である。 The ultrasonic heating joining method is a resin member / metal member produced by superposing a metal member and a resin member, causing ultrasonic vibrations to the pressing member and the resin member while pressing the metal member with the pressing member, and the vibration. In this method, the resin member is softened and melted by the frictional heat, and then solidified to join the metal member and the resin member.
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、押圧部材により金属部材を加圧した状態で、レーザーを金属部材に照射することにより熱を発生させ、この熱で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。 The laser heating joining method is a method in which a metal member and a resin member are overlapped, heat is generated by irradiating the metal member with a laser in a state where the metal member is pressed by the pressing member, and the resin member is softened by this heat. Further, after melting, the metal member and the resin member are joined by solidifying. As the laser, a YAG laser, a fiber laser, a semiconductor laser, or the like is used.
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、押圧部材による加圧によりこれらを拘束した状態で、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て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方法である。本方法で使用される樹脂部材としては、炭素繊維強化樹脂からなる樹脂部材が好ましい。 The resistance heating bonding method is a method in which a metal member and a resin member are overlapped, and the resin member is softened by using heat generated by passing a current directly through the metal member in a state where the metal member and the resin member are constrained by pressurization by the pressing member. In this method, after melting, the metal member and the resin member are joined by solidification. The resin member used in this method is preferably a resin member made of carbon fiber reinforced resin.
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、押圧部材による加圧によりこれらを拘束した状態で、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て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方法である。 The induction heating joining method is a method in which a metal member and a resin member are overlapped, and an induction current is generated in the metal member by electromagnetic induction while the metal member and the resin member are constrained by pressure applied by the pressing member, and heat generated by the current is used. Then, after the resin member is softened and melted, it is solidified to join the metal member and the resin member.
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、図面を用いて詳しく説明するが、後述する金属部材と樹脂部材とを嵌合状態で用いる限り、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。図面に示す各種の要素は、本発明の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比や外観などは実物と異なり得ることに留意されたい。尚、本明細書で直接的または間接的に用いる「上下方向」は、図中における上下方向に対応した方向に相当する。また特記しない限り、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する。 Hereinafter, the joining method of the present invention employing the friction stir welding method will be described in detail with reference to the drawings. However, as long as the metal member and the resin member described below are used in a fitted state, the other joining methods described above are used. It is clear that the effects of the present invention can be obtained. It should be noted that the various elements shown in the drawings are merely schematically shown for understanding of the present invention, and the dimensional ratio, appearance, and the like may differ from the actual ones. The “vertical direction” used directly or indirectly in this specification corresponds to a direction corresponding to the vertical direction in the drawing. Unless otherwise specified, in these drawings, common reference numerals indicate the same members, parts, dimensions, or regions.
<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>
本発明の接合方法(摩擦撹拌接合方法)について図面を用いて具体的に説明する。
<Method of joining metal member and resin member by friction stir welding method>
The joining method (friction stir welding method) of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[1]接合装置
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。
[1] Joining Device First, FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a part of a friction stir welding device suitable for carrying out the joining method of the present invention. A friction stir welding apparatus 1 shown in FIG. 1 is configured as a device that friction stir welds a
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2参照)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が軟化および溶融し、その後、溶融樹脂が固化する。その結果、金属部材11と樹脂部材12とが接合される。
As shown in the figure, the
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 stir welding apparatus 1 is attached to a drive control device (not shown) composed of an articulated robot or the like. The coordinate positions of the
[2]回転ツール
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、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。
[2] Rotating Tool FIG. 2 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
[3]金属部材および樹脂部材
図3A、図4A、図5A、図6A、図7Aおよび図8A(以下、「図3A等」ということがある)に示すように、金属部材11は樹脂部材12との接触面110に、樹脂部材12と嵌合するための嵌合形成部111を有し、かつ樹脂部材12は金属部材11との接触面120に、金属部材11と嵌合するための嵌合形成部121を有している。嵌合形成部とは、嵌合を形成するための部材という意味である。本発明においては、このような嵌合形成部により金属部材と樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行うため、せん断方向の接合強度が向上する。せん断方向とは、金属部材と樹脂部材との界面内のあらゆる方向を意味する。
[3] Metal Member and Resin Member As shown in FIGS. 3A, 4A, 5A, 6A, 7A, and 8A (hereinafter sometimes referred to as “FIG. 3A etc.”), the
金属部材の嵌合形成部111および樹脂部材の嵌合形成部121は、互いに嵌合可能な限り、いかなる形状を有していてもよい。例えば、金属部材の嵌合形成部111または樹脂部材の嵌合形成部121の一方は、凸形状、凹形状またはそれらの複合形状を有し、他方は、前記一方の嵌合形成部の形状に対応する相補的形状を有する。前記一方の嵌合形成部の形状に対応する相補的形状とは、前記一方の嵌合形成部と、例えば適度なクリアランスで嵌合可能な形状のことである。クリアランスは部材同士の重ね合わせが可能なレベルに適宜設定される。例えば、一方の嵌合形成部が凸形状を有する場合、他方の嵌合形成部は凹形状を有する。凸形状の具体的形状としては、例えば、円柱形状、楕円柱形状、多角柱形状(四角柱形状等)等の柱形状が挙げられる。凹形状としては、上記凸形状の具体的形状に相補的に対応する凹形状が挙げられる。
The metal member fitting
以下、金属部材および樹脂部材を、実施態様Iおよび実施態様IIにより詳しく説明する。 Hereinafter, the metal member and the resin member will be described in more detail with reference to Embodiment I and Embodiment II.
(実施態様Iについて)
実施態様Iは、金属部材11の嵌合形成部111が凸形状を有し、かつ樹脂部材12の嵌合形成部121が金属部材11の嵌合形成部111の形状に相補的に対応する凹形状を有する実施態様である(例えば図3A、図4Aおよび図5A)。これらの図において、金属部材11の嵌合形成部111は特に円柱系凸形状を有しているが、凸形状を有する限り、これに限定されるものではない。
(Regarding Embodiment I)
In the embodiment I, the
実施態様Iは、金属部材11の凸形状の嵌合形成部111の幅(例えば嵌合形成部111が円柱系凸形状を有するときの直径)dおよび押圧部材の幅(例えば回転ツール16の直径)D1について、d=D1のとき、図3Aに示す実施態様I−1に対応し、d>D1のとき、図4Aに示す実施態様I−2に対応し、d<D1のとき、図5Aに示す実施態様I−3に対応する。特記しない限り、実施態様Iは、実施態様I−1〜I−3を包含して意味するものとする。実施態様I−1〜I−3は、金属部材11の嵌合形成部の寸法(凸部の幅、特に円柱系凸部の直径)が異なること以外、互いに同様である。
In the embodiment I, the width of the convex
実施態様Iにおいて、金属部材11の嵌合形成部111の高さhは、せん断方向の接合強度が向上する限り特に限定されない。当該高さhは通常、金属部材11の厚みTについて、以下の関係式(i−1)を満たす。当該高さhは、金属部材凸部下面への樹脂溶着の観点からは、以下の関係式(i−2)を満たすことが好ましく、以下の関係式(i−3)を満たすことがより好ましい:
0.1×T≦h≦2×T (i−1);
0.2×T≦h≦1×T (i−2);
0.3×T≦h≦0.6×T (i−3)。)
なお、hは通常、上記関係式を満たしつつ、概ねt未満であって0.5mm以上である。
In the embodiment I, the height h of the fitting forming
0.1 × T ≦ h ≦ 2 × T (i−1);
0.2 × T ≦ h ≦ 1 × T (i-2);
0.3 * T <= h <= 0.6 * T (i-3). )
In addition, h is generally less than t and 0.5 mm or more while satisfying the above relational expression.
実施態様Iにおいて、金属部材11の嵌合形成部111の幅(例えば嵌合形成部111が円柱系凸形状を有するときの直径)dは、せん断方向の接合強度が向上する限り特に限定されない。当該嵌合形成部111の幅(例えば直径)dは通常、押圧部材の幅(例えば回転ツールの直径)D1について、以下の関係式(ii−1)を満たす。当該dは、せん断方向の接合強度のさらなる向上観点から、以下の関係式(ii−2)を満たすことが好ましく、以下の関係式(ii−3)を満たすことがより好ましい:
0.4×D1≦d≦3×D1 (ii−1);
0.5×D1≦d≦2×D1 (ii−2);
1.1×D1≦d≦1.8×D1 (ii−3)。)
なお、dは通常、上記関係式を満たしつつ、概ね5mm以上である。
In Embodiment I, the width (for example, the diameter when the
0.4 × D1 ≦ d ≦ 3 × D1 (ii-1);
0.5 × D1 ≦ d ≦ 2 × D1 (ii-2);
1.1 × D1 ≦ d ≦ 1.8 × D1 (ii-3). )
Note that d is generally 5 mm or more while satisfying the above relational expression.
実施態様Iにおいて、後述する金属部材11の厚みTおよび樹脂部材12の厚みtはそれぞれ特に限定されない。
In the embodiment I, the thickness T of the
(実施態様IIについて)
実施態様IIは、樹脂部材12の嵌合形成部121が凸形状を有し、かつ金属部材11の嵌合形成部111が樹脂部材12の嵌合形成部121の形状に相補的に対応する凹形状を有する実施態様である(例えば図6A、図7Aおよび図8A)。これらの図において、樹脂部材12の嵌合形成部121は特に円柱系凸形状を有しているが、凸形状を有する限り、これに限定されるものではない。
(Regarding Embodiment II)
In the embodiment II, the
実施態様IIは、樹脂部材12の凸形状の嵌合形成部121の幅(例えば嵌合形成部121が円柱系凸形状を有するときの直径)d’および押圧部材の幅(例えば回転ツール16の直径)D1について、d’=D1のとき、図6Aに示す実施態様II−1に対応し、d’>D1のとき、図7Aに示す実施態様II−2に対応し、d’<D1のとき、図8Aに示す実施態様II−3に対応する。特記しない限り、実施態様IIは実施態様II−1〜II−3を包含して意味するものとする。実施態様II−1〜II−3は、樹脂部材12の嵌合形成部の寸法(凸部の幅、特に円柱系凸部の直径)が異なること以外、同様である。
In the embodiment II, the width (for example, the diameter when the fitting forming
実施態様IIにおいて、樹脂部材12の嵌合形成部121の高さh’は、せん断方向の接合強度が向上する限り特に限定されない。当該高さh’は通常、金属部材11の厚みTについて、以下の関係式(iii−1)を満たす。当該高さh’は、ツールの押し込み量の観点からは、以下の関係式(iii−2)を満たすことが好ましく、以下の関係式(iii−3)を満たすことがより好ましい:
0.1×T≦h’≦T−0.5 (iii−1);
0.2×T≦h’≦T−1.0 (iii−2);
0.3×T≦h’≦T−1.5 (iii−3)。
In the embodiment II, the height h ′ of the fitting forming
0.1 × T ≦ h ′ ≦ T−0.5 (iii-1);
0.2 × T ≦ h ′ ≦ T−1.0 (iii-2);
0.3 * T <= h '<= T-1.5 (iii-3).
実施態様IIにおいて、樹脂部材12の嵌合形成部121の幅(例えば嵌合形成部121が円柱系凸形状を有するときの直径)d’は、せん断方向の接合強度が向上する限り特に限定されない。当該嵌合形成部121の幅(例えば直径)d’は通常、押圧部材の幅(例えば回転ツールの直径)D1について、以下の関係式(iv−1)を満たす。当該d’は、せん断方向の接合強度のさらなる向上の観点からは、以下の関係式(iv−2)を満たすことが好ましく、以下の関係式(iv−3)を満たすことがより好ましい:
0.4×D1≦d’≦3×D1 (iv−1);
0.5×D1≦d’≦2×D1 (iv−2);
1.1×D1≦d’≦1.8×D1 (iv−3)。)
なお、d’は通常、上記関係式を満たしつつ、概ね5mm以上である。
In the embodiment II, the width (for example, the diameter when the fitting forming
0.4 × D1 ≦ d ′ ≦ 3 × D1 (iv-1);
0.5 × D1 ≦ d ′ ≦ 2 × D1 (iv-2);
1.1 × D1 ≦ d ′ ≦ 1.8 × D1 (iv-3). )
Note that d ′ is generally approximately 5 mm or more while satisfying the above relational expression.
実施態様IIにおいて、後述する金属部材11の厚みTおよび樹脂部材12の厚みtはそれぞれ特に限定されない。
In the embodiment II, the thickness T of the
(実施態様Iおよび実施態様IIについて)
前記した実施態様のうち、せん断方向の接合強度のさらなる向上の観点から好ましい実施態様は、実施態様I(実施態様I−1、I−2、I−3)および実施態様II−2、特に実施態様I−1およびI−2である。これらの実施態様においては、凸形状を有する嵌合形成部でのせん断破壊が十分に抑制される。
(About Embodiment I and Embodiment II)
Among the embodiments described above, preferred embodiments from the viewpoint of further improving the joint strength in the shear direction are Embodiment I (Embodiments I-1, I-2, I-3) and Embodiment II-2, Aspects I-1 and I-2. In these embodiments, shear fracture at the fitting forming portion having a convex shape is sufficiently suppressed.
せん断方向の接合強度のさらなる向上と剥離方向の確保(溶着面積)の観点から好ましい実施態様は、実施態様I、特に実施態様I−1およびI−2であり、より好ましくは実施態様I−2である。これらの実施態様においては、金属部材11における凸形状を有する嵌合形成部111の存在により、金属部材の熱容量が上がる。このため、回転ツール16の直下領域における樹脂部材表面の樹脂の過熱が抑制され、溶融樹脂の分解が十分に抑制される。
Preferred embodiments from the viewpoint of further improving the bonding strength in the shear direction and securing the peel direction (welding area) are Embodiment I, particularly Embodiments I-1 and I-2, and more preferably Embodiment I-2. It is. In these embodiments, due to the presence of the fitting forming
図3A、図4A、図5A、図6A、図7Aおよび図8Aにおいて、金属部材11は、嵌合形成部111の形状および寸法が異なること以外、互いに同様であり、また樹脂部材12は、嵌合形成部121の形状および寸法が異なること以外、互いに同様である。
3A, FIG. 4A, FIG. 5A, FIG. 6A, FIG. 7A, and FIG. 8A, 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系などの展伸材および鋳造用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 wrought materials such as 5000 series, 6000 series and aluminum alloys for casting;
steel;
Magnesium and its alloys;
Titanium and its alloys.
金属部材11は、例えばダイカスト法により、所望の形状に製造可能である。
The
金属部材11の厚みTは特に制限されるものではなく、通常、1〜10mmであり、好ましくは2〜5mmである。金属部材11の厚みTは、樹脂部材12との重ね合わせ部分の厚みであって、嵌合形成部111を有さない略平板形状部分の厚みのことである。
The thickness T of the
樹脂部材12は熱可塑性ポリマーを含むものであり、さらに強化繊維を含んでもよい。
The
樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーとしては、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);
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)。
As the thermoplastic polymer constituting the
Polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene and acid-modified products thereof;
Polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polytrimethylene terephthalate (PTT), polylactic acid (PLA);
Polyacrylate resins such as polymethyl methacrylate resin (PMMA);
Polyether resins such as polyether ether ketone (PEEK) and polyphenylene ether (PPE);
Polyacetal (POM);
Styrenic resins such as acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer resin (ABS) and polystyrene (PS);
Polyphenylene sulfide (PPS);
PA6, PA66, PA11, PA12, PA6T, PA9T, MXD6 and other polyamide-based resins (PA);
Polycarbonate resin (PC);
Polyurethane resin;
A fluoropolymer resin; and a liquid crystal polymer (LCP).
樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーとしては、安価で機械特性に優れるポリオレフィン系樹脂、特にポリプロピレンが好ましく使用される。
As the thermoplastic polymer constituting the
熱可塑性ポリマー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分間となるような分子量であればよい。 The molecular weight of the thermoplastic polymer is not particularly limited. For example, the molecular weight may be such that the MFR (melt flow rate value) at 230 ° C. is 2 to 200 g / 10 minutes, particularly 2 to 55 g / 10 minutes. .
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.
樹脂部材12に含有される強化繊維は、ポリマー含有複合材料の分野で、強度向上のために、ポリマー中に均一に含有および分散される繊維である。強化繊維は、一般に、連続繊維と不連続繊維とに大別されるが、本発明において強化繊維は、連続繊維であってもよいし、不連続繊維であってもよいし、またはそれらの混合繊維であってもよい。本発明において強化繊維は、特に不連続繊維が好ましい。強化繊維の種類としては、特に制限されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維等が挙げられる。
The reinforcing fibers contained in the
強化繊維の含有量は特に限定されるものではなく、通常は樹脂部材12の全量に対して、50重量%以下、特に10〜50重量%であり、好ましくは20〜50重量%である。
The content of the reinforcing fiber is not particularly limited, and is usually 50% by weight or less, particularly 10 to 50% by weight, and preferably 20 to 50% by weight with respect to the total amount of the
樹脂部材12は、例えば射出成形法により、所望の形状に製造可能である。
The
樹脂部材12の厚みtは特に制限されるものではなく、通常、1〜10mmであり、好ましくは2〜5mmである。樹脂部材12の厚みtは、金属部材11との重ね合わせ部分の厚みであって、嵌合形成部121を有さない略平板形状部分の厚みのことである。
The thickness t of the
樹脂部材12は、例えば安定剤、難燃剤、着色材などの添加剤をさらに含有してもよい。
The
以上、実施態様Iおよび実施態様IIについて説明した。このような実施態様Iおよび実施態様IIの説明より、これら以外の実施態様(例えば、金属部材の嵌合形成部および樹脂部材の嵌合形成部の一方が凸形状と凹形状との複合形状を有し、他方は、前記一方の嵌合形成部の形状に相補的に対応する形状を有する実施態様)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。 The embodiment I and the embodiment II have been described above. From the description of such embodiment I and embodiment II, other embodiments (for example, one of the fitting formation portion of the metal member and the fitting formation portion of the resin member has a composite shape of a convex shape and a concave shape). It is clear that the effect of the present invention can be obtained even in an embodiment in which the other has a shape that complementarily corresponds to the shape of the one fitting formation portion.
[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)
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とをそれらの嵌合形成部により嵌合させつつ、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。
[4] One embodiment of the joining method according to the present invention (friction stir welding method)
The method of joining the metal member and the resin member by the friction stir welding method according to the present invention is at least the following steps:
A first step in which the
Is included.
第1ステップ:
第1ステップにおいては、例えば、図1、図3A、図4A、図5A、図6A、図7Aおよび図8Aに示すように、金属部材11および樹脂部材12の嵌合形成部111および121により金属部材11と樹脂部材12とを嵌合させた状態で重ね合わせる。詳しくは、金属部材11の嵌合形成部111と樹脂部材12の嵌合形成部121とが嵌合するように、金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせる。
First step:
In the first step, for example, as shown in FIGS. 1, 3A, 4A, 5A, 6A, 7A, and 8A, the
このとき、嵌合させた状態の金属部材11および樹脂部材12は好ましくは、樹脂部材12の嵌合形成部121の少なくとも一部が樹脂部材12の溶融固化領域内に位置するように、回転ツール16と受け具17との間に供給され、第2ステップの接合を行う。樹脂部材12の嵌合形成部121の少なくとも一部が樹脂部材12の溶融固化領域内に位置するとは、図9に示すように、最終的に得られる接合体から金属部材11を剥離したとき、樹脂部材12の嵌合形成部121の少なくとも一部が樹脂部材12の溶融固化領域125内に位置するという意味である。樹脂部材12の溶融固化領域125は、金属部材11との接触面120において、接合時に樹脂部材12の溶融および固化により形成された領域であり、溶融が生じていない領域に対し、当該溶融固化領域の外周126で目視により区別可能な段差(数ミクロンの段差)が存在する領域のことである。具体的には、金属部材11の剥離後、樹脂部材12の金属部材11との接触面120を正面から観察したとき、溶融固化領域125の外周126内に、嵌合形成部121領域の少なくとも一部が包含されていればよい。図9は、実施態様I−1に係る接合方法により得られた接合体から金属部材を強制的に剥離させ、樹脂部材の金属部材との接触面を正面から観察したときの樹脂部材の概略模式図である。
At this time, the
せん断方向の接合強度のさらなる向上および厚み方向の接合強度の向上の観点からは、図10に示すように、樹脂部材12の金属部材11との接触面120において、樹脂部材12の嵌合形成部121の一部が樹脂部材12の溶融固化領域126内に位置していればよい。同様の観点から好ましくは、図9に示すように、樹脂部材12の嵌合形成部121の全部が樹脂部材12の溶融固化領域126内に位置している。例えば、金属部材11または樹脂部材12が有する凸状の嵌合形成部が円柱形状を有する場合、樹脂部材12の嵌合形成部121の全部が樹脂部材12の溶融固化領域126内に位置するためには、当該円柱形状の軸が回転ツール16の軸上に配置されるように、嵌合状態の金属部材11および樹脂部材12を、回転ツール16と受け具17との間に供給すればよい。
From the viewpoint of further improving the joint strength in the shear direction and improving the joint strength in the thickness direction, as shown in FIG. 10, the fitting formation portion of the
本発明においては、樹脂部材12の嵌合形成部121の少なくとも一部が必ずしも樹脂部材12の溶融固化領域126内に位置していなければならないというわけではなく、例えば図11に示すように、樹脂部材12の金属部材11との接触面120において、樹脂部材12の嵌合形成部121が樹脂部材12の溶融固化領域126外に位置していてもよい。せん断方向の接合強度の向上効果が十分に得られるためである。樹脂部材12の金属部材11との接触面120とは、金属部材11の剥離前まで当該金属部材11と接触していた面のことである。
In the present invention, at least a part of the fitting forming
第2ステップ:
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。
Second step:
In the second step, at least a pushing and stirring step C <b> 2 is performed in which the
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。
In the second step, it is preferable to perform the preheating step C1 in which the
After the indentation stirring step, it is preferable to perform the stirring maintenance 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。 Hereinafter, each step will be described in detail.
(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3A、図4A、図5A、図6A、図7Aおよび図8A(以下、「図3A等」ということがある)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3A等は、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。
(Preheating process C1)
In the preheating step C1, the rotating
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との境界面13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の境界面13における上記押圧領域P直下のQ領域の範囲及び当該Q領域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が軟化および溶融し易くなる。
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、例えば、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の軟化および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、第1の加圧時間は0.5秒以上2.0秒未満の値、回転ツールの回転数は500rpm以上10000rpm以下の値が好ましい。
The first pressurizing force and the first pressurizing time in the preheating step C1 are set, for example, from the viewpoint of ease of pushing in the
(押込み撹拌工程C2)
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3B、図4B、図5B、図6B、図7Bおよび図8B(以下、「図3B等」ということがある)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3B等に示すように、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との境界面13に達しない深さまで進入させる。
(Indentation stirring step C2)
In the indentation stirring step C2, the
回転ツール16の押し込み量kは、回転ツール16の直下領域における樹脂部材表面の溶融樹脂の分解抑制による剥離方向の接合強度の向上の観点から、金属部材11の厚みTについて、以下の関係式(v−1)を満たすことが好ましい。当該押し込み量kは、剥離方向の接合強度のさらなる向上(溶着面積)の観点から、以下の関係式(v−2)を満たすことが好ましく、以下の関係式(v−3)を満たすことがより好ましい:
0.1×T≦k≦0.6×T (v−1);
0.2×T≦k≦0.5×T (v−2);
0.3×T≦k≦0.4×T (v−3)。)
なお、実施態様Iにおいては、kは通常、上記関係式を満たしつつ、概ねT未満であって0.5mm以上である。
実施態様IIにおいては、kは通常、上記関係式を満たしつつ、概ねT−h’未満であって0.5mm以上である。
The pushing amount k of the
0.1 × T ≦ k ≦ 0.6 × T (v−1);
0.2 × T ≦ k ≦ 0.5 × T (v-2);
0.3 * T <= k <= 0.4 * T (v-3). )
In Embodiment I, k is generally less than T and 0.5 mm or more while satisfying the above relational expression.
In Embodiment II, k is generally less than Th ′ and 0.5 mm or more while satisfying the above relational expression.
図4Bに示す実施態様I−2および図7Bに示す実施態様II−2においては、本工程で金属部材11の回転ツール直下部を樹脂部材12側に突出変形させてもよい。これにより、境界面13において回転ツールの直下領域Q(図4Aおよび図7A参照)で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂を該領域Qの外周領域まで流動させてもよい。
In Embodiment I-2 shown in FIG. 4B and Embodiment II-2 shown in FIG. 7B, the portion immediately below the rotary tool of the
詳しくは、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。
Specifically, in the indentation stirring step C2, 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。進入深さは前記押し込み量kの範囲が好ましい。図4Bに示す実施態様I−2および図7Bに示す実施態様II−2においては、回転ツール16の押込みにより、金属部材11の回転ツール直下部において、金属部材11と樹脂部材12との境界面13が受け具17側(図例では下側)に移動し、当該直下部が樹脂部材12側に突出変形してもよい。これにより、境界面13において回転ツールの直下領域Q(図4Aおよび図7A参照)で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂が該直下領域Qを超えて、その外周領域まで流動してもよい。このとき溶融樹脂は回転ツール直下領域Qを中心とする略円形状で広がる。その結果、溶融樹脂と金属部材11との接触面積が拡大され、また、得られる接合体において冷却により溶融樹脂が固化してなる溶融固化域(接合領域)も拡大されるため、樹脂部材と金属部材との接合を十分な強度で達成することがでる。
In the indentation stirring step C2, the rotating
仮に、回転ツール16が過度に押し込まれると(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、本発明では、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の境界面13における回転ツールの直下領域Qおよびその外周領域の軟化および溶融が促進される。場合によっては、直下領域Qの溶融樹脂がその外周領域に流動してもよい。
Therefore, in the present invention, in the pushing and stirring step C2, the pushing of 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、例えば、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、第2の加圧時間は0.1秒以上0.5秒未満の値、回転ツールの回転数は500rpm以上10000rpm以下の値が好ましい。
The second pressurizing force and the second pressurizing time in the indentation stirring step C2 are set, for example, from the viewpoint of avoiding the opening of the
(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3B等に示すように、上記境界面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。
(Stirring maintenance step C3)
In the agitation maintaining step C3, 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直下の領域Qの範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化および溶融してもよい。図3B等において、「×」印は樹脂の溶融を示す。
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、例えば、上記のような樹脂部材12の広い範囲での十分な軟化および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、特に100N以上600N以下の値が好ましい。第3の加圧時間は1.0秒以上10秒未満の値、回転ツールの回転数は500rpm以上10000rpm以下の値が好ましい。
The third pressurizing force and the third pressurizing time of the stirring maintaining step C3 are set, for example, from the viewpoint of sufficient softening and melting of the
(保持工程C4)
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3B等に示すように、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。
(Holding process C4)
Finally, a holding step C4 may be performed in which the rotation of the
Similarly, as shown in FIG. 3B and the like, the holding step C4 is a step in which the rotation 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とを押圧領域Pで受け具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・固化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、例えば、上記のような冷却期間中の少なくとも領域Qで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、第4の加圧時間は、例えば1秒以上の値が好ましい。
The fourth pressurizing force and the fourth pressurizing time in the holding step C4 are set, for example, from the viewpoint of improving the adhesion strength at least in the region Q during the cooling period as described above, and the values thereof are, for example, the
本発明では、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、その後、必要に応じてさらに工程C4を経て、最終的に、せん断方向の接合強度が十分に向上した接合体が得られる。 In the present invention, at least through the above-described step C2, preferably through the above-described steps C1 and C2, more preferably through the above-described steps C1 to C3, and then further through step C4 as necessary, finally. As a result, a bonded body with sufficiently improved bonding strength in the shear direction can be obtained.
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、空冷等が挙げられる。 After performing a predetermined process in the second step, cooling is usually performed to solidify the molten resin. The cooling method is not particularly limited, and examples thereof include a standing cooling method and air cooling.
以上、回転ツールを金属部材の接触面上、面方向で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 in a point shape without moving the rotary 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 while being moved (line joining).
<実験例I>
実験例Iは実施態様Iに関する実験例である。詳しくは実施例A1は実施態様I−1(図3Aおよび図3B)に関し、実施例B1は実施態様I−2(図4Aおよび図4B)に関し、実施例C1は実施態様I−3(図5Aおよび図5B)に関する。
<Experimental example I>
Experimental Example I is an experimental example related to Embodiment I. Specifically, Example A1 relates to embodiment I-1 (FIGS. 3A and 3B), Example B1 relates to embodiment I-2 (FIGS. 4A and 4B), and Example C1 includes embodiment I-3 (FIG. 5A). And FIG. 5B).
[実施例A1]
(金属部材)
JIS ADC12を用いて、ダイカスト法により、図3Aに示す金属部材11を製造した。金属部材11は、幅30mm×長さ100mm×厚みT(表1参照)の全体形状を有する平板に、表1に示す寸法の円柱形状を有する凸部(嵌合形成部)111が備わったものであった。
[Example A1]
(Metal member)
A
(樹脂部材)
炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を用いて、射出成形法により、図3Aに示す樹脂部材12を製造した。樹脂部材12は、幅30mm×長さ100mm×厚みt(表1参照)の全体形状を有する平板に、表1に示す寸法の円柱形状を有する凹部(嵌合形成部)121が備わったものであった。CFRPはポリプロピレンに40重量%の不連続炭素繊維が含有されたものであった。
(Resin member)
A
(回転ツール)
回転ツールとしては、図2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。
(Rotation tool)
As the rotating tool, a tool made of tool steel having dimensions of each part in FIG. 2 of D1 = 10 mm, D2 = 2 mm, and h = 0.5 mm 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:
図3Aに示すように、金属部材11の嵌合形成部111と樹脂部材12の嵌合形成部121とが嵌合し、かつ金属部材の嵌合形成部(円柱形状)111の軸が回転ツール16の軸上に配置されるように、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部とを重ね合わせた(図1)。
(Joining method)
The joined body of the
First step:
As shown in FIG. 3A, the
第2ステップ:
まず、図3A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)。
Second step:
First, as shown in FIG. 3A, the
その後、図3B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との境界面13に達しない深さ(押し込み量k)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3Bに示すように、回転ツール16を境界面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、金属部材11から回転ツール16を抜き取り、放置冷却し、接合体を得た。
Thereafter, as shown in FIG. 3B, the
Next, as shown in FIG. 3B, the rotation operation of the
Subsequently, the
[比較例A1]
金属部材11および樹脂部材12にそれぞれ嵌合形成部111および121を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ1で、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例A1と同様の方法により、接合体を得た。
[Comparative Example A1]
The
[実施例B1]
金属部材11および樹脂部材12を構成する材料および金属部材11の嵌合形成部111および樹脂部材12の嵌合形成部121の寸法を表2に示すように変更したこと、図4Aに示すように、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部との重ね合わせおよび予熱工程C1を行ったこと、および図4Bに示すように、押込み撹拌工程C2および撹拌維持工程C3を行ったこと以外、実施例A1と同様の方法により、接合体を得た。
[Example B1]
The material constituting the
[比較例B1]
金属部材11および樹脂部材12にそれぞれ嵌合形成部111および121を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ1で、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例B1と同様の方法により、接合体を得た。
[Comparative Example B1]
The
[実施例C1]
金属部材11および樹脂部材12を構成する材料および金属部材11の嵌合形成部111および樹脂部材12の嵌合形成部121の寸法を表3に示すように変更したこと、図5Aに示すように、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部との重ね合わせおよび予熱工程C1を行ったこと、および図5Bに示すように、押込み撹拌工程C2および撹拌維持工程C3を行ったこと以外、実施例A1と同様の方法により、接合体を得た。
[Example C1]
The material constituting the
[比較例C1]
金属部材11および樹脂部材12にそれぞれ嵌合形成部111および121を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ1で、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例C1と同様の方法により、接合体を得た。
[Comparative Example C1]
The
<実験例II>
実験例IIは実施態様IIに関する実験例である。詳しくは実施例D1は実施態様II−1(図6Aおよび図6B)に関し、実施例E1は実施態様II−2(図7Aおよび図7B)に関する。
<Experimental example II>
Experimental Example II is an experimental example related to Embodiment II. Specifically, Example D1 relates to embodiment II-1 (FIGS. 6A and 6B) and Example E1 relates to embodiment II-2 (FIGS. 7A and 7B).
[実施例D1]
金属部材11および樹脂部材12を以下に示すものに変更したこと、図6Aに示すように、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部との重ね合わせおよび予熱工程C1を行ったこと、および図6Bに示すように、押込み撹拌工程C2および撹拌維持工程C3を行ったこと以外、実施例A1と同様の方法により、接合体を得た。
[Example D1]
The
(金属部材)
JIS ADC12を用いて、ダイカスト法により、図6Aに示す金属部材11を製造した。金属部材11は、幅30mm×長さ100mm×厚みT(表4参照)の全体形状を有する平板に、表4に示す寸法の円柱形状を有する凹部(嵌合形成部)111が備わったものであった。
(Metal member)
A
(樹脂部材)
炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を用いて、射出成形法により、図6Aに示す樹脂部材12を製造した。樹脂部材12は、幅30mm×長さ100mm×厚みt(表4参照)の全体形状を有する平板に、表4に示す寸法の円柱形状を有する凸部(嵌合形成部)121が備わったものであった。CFRPはポリプロピレンに40重量%の不連続炭素繊維が含有されたものであった。
(Resin member)
A
[比較例D1]
金属部材11および樹脂部材12にそれぞれ嵌合形成部111および121を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ1で、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例D1と同様の方法により、接合体を得た。
[Comparative Example D1]
The
[実施例E1]
金属部材11および樹脂部材12を構成する材料および金属部材11の嵌合形成部111および樹脂部材12の嵌合形成部121の寸法を表5に示すように変更したこと、図7Aに示すように、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部との重ね合わせおよび予熱工程C1を行ったこと、および図7Bに示すように、押込み撹拌工程C2および撹拌維持工程C3を行ったこと以外、実施例A1と同様の方法により、接合体を得た。
[Example E1]
The material constituting the
[比較例E1]
金属部材11および樹脂部材12にそれぞれ嵌合形成部111および121を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ1で、金属部材11の端部と樹脂部材12の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例E1と同様の方法により、接合体を得た。
[Comparative Example E1]
The
<せん断方向の接合強度(せん断強度)>
図12に示すように、金属部材11と樹脂部材12との接合体20を長手方向で引っ張ることにより、接合部のせん断強度を測定した。
実施例A1、B1、C1およびE1では、樹脂部材の母材(本体)自体が破断することにより、測定が終了した。
実施例D1では、樹脂部材の凸部自体が破断することにより、測定が終了した。
比較例A1、B1、C1、D1およびE1では、金属部材11と樹脂部材12との間の接合部界面の樹脂が凝集破壊することにより、測定が終了した。
<Joint strength in the shear direction (shear strength)>
As shown in FIG. 12, the shear strength of the joint was measured by pulling the joined
In Examples A1, B1, C1, and E1, the measurement was completed when the base material (main body) itself of the resin member was broken.
In Example D1, the measurement was completed when the convex portion of the resin member itself was broken.
In Comparative Examples A1, B1, C1, D1, and E1, the measurement was completed when the resin at the joint interface between the
<樹脂部材の嵌合形成部と樹脂部材の溶融固化領域との関係>
実施例A1、B1、C1、D1およびE1において、樹脂部材12を金属部材11から剥離したところ、樹脂部材12の嵌合形成部121は図9に示すように樹脂部材12の溶融固化領域125内に位置していた。
<Relationship between resin member fitting forming portion and resin member melting and solidifying region>
In Examples A1, B1, C1, D1, and E1, when the
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
13:金属部材と樹脂部材との境界面
16:回転ツール
17:受け具
110:金属部材の樹脂部材との接触面
111:金属部材の嵌合形成部
120:樹脂部材の金属部材との接触面
122:樹脂部材の嵌合形成部
1: Friction stir welding apparatus 10: Work 11: Metal member 12: Resin member 13: Interface between metal member and resin member 16: Rotating tool 17: Receiving tool 110: Contact surface of metal member with resin member 111: Metal Member fitting formation portion 120: Contact surface of resin member with metal member 122: Resin member fitting formation portion
Claims (16)
前記金属部材と前記樹脂部材との相互の接触面それぞれに、前記金属部材および前記樹脂部材が嵌合するための嵌合形成部を設け、
該嵌合形成部により前記金属部材と前記樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行い、
前記金属部材の嵌合形成部が円柱系凸形状を有し、
前記樹脂部材の嵌合形成部が、前記金属部材の嵌合形成部の形状に対応する凹形状を有し、
前記金属部材の嵌合形成部の円柱系凸形状における高さhおよび直径dが、前記金属部材の厚みTおよび押圧部材の幅D1について、以下の関係式を満たす、金属部材と樹脂部材との接合方法:
0.1×T≦h≦2×T;
0.4×D1≦d≦3×D1。 Thermo-pressure bonding in which a metal member and a resin member are superposed, pressure is applied to the resin member by pressing from the metal member side by the pressing member, and the resin member is softened and melted by heat, and then solidified and bonded. A method of joining a metal member and a resin member by a method,
On each of the mutual contact surfaces of the metal member and the resin member, a fitting formation portion for fitting the metal member and the resin member is provided,
Said metal member and have lines joining in a state where said the resin member is fitted by the fitting formation portion,
The fitting formation part of the metal member has a cylindrical convex shape,
The resin member fitting formation portion has a concave shape corresponding to the shape of the metal member fitting formation portion,
The height h and the diameter d in the cylindrical convex shape of the fitting formation portion of the metal member satisfy the following relational expression for the thickness T of the metal member and the width D1 of the pressing member: Joining method :
0.1 × T ≦ h ≦ 2 × T;
0.4 × D1 ≦ d ≦ 3 × D1 .
前記金属部材と前記樹脂部材との相互の接触面それぞれに、前記金属部材および前記樹脂部材が嵌合するための嵌合形成部を設け、
該嵌合形成部により前記金属部材と前記樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行い、
前記樹脂部材の嵌合形成部が円柱系凸形状を有し、
前記金属部材の嵌合形成部が、前記樹脂部材の嵌合形成部の形状に対応する凹形状を有し、
前記樹脂部材の嵌合形成部の円柱系凸形状における高さh’および直径d’が、前記金属部材の厚みTおよび押圧部材の幅D1について、以下の関係式を満たす、金属部材と樹脂部材との接合方法:
0.1×T≦h’≦T−0.5;
0.4×D1≦d’≦3×D1。 Thermo-pressure bonding in which a metal member and a resin member are superposed, pressure is applied to the resin member by pressing from the metal member side by the pressing member, and the resin member is softened and melted by heat, and then solidified and bonded. A method of joining a metal member and a resin member by a method,
On each of the mutual contact surfaces of the metal member and the resin member, a fitting formation portion for fitting the metal member and the resin member is provided,
Said metal member and have lines joining in a state where said the resin member is fitted by the fitting formation portion,
The fitting formation part of the resin member has a cylindrical convex shape,
The fitting formation part of the metal member has a concave shape corresponding to the shape of the fitting formation part of the resin member,
A metal member and a resin member in which the height h ′ and the diameter d ′ in the columnar convex shape of the fitting formation portion of the resin member satisfy the following relational expression for the thickness T of the metal member and the width D1 of the pressing member: Joining method :
0.1 × T ≦ h ′ ≦ T−0.5;
0.4 × D1 ≦ d ′ ≦ 3 × D1 .
該摩擦撹拌接合方法が以下のステップを含む、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: The method for joining a metal member and a resin member according to claim 1 or 2, wherein the friction stir welding method includes the following steps:
前記金属部材と前記樹脂部材とをそれらの嵌合形成部により嵌合させつつ、重ね合わせる第1ステップ;および A first step of superimposing the metal member and the resin member while fitting the metal member and the resin member by their fitting forming portions; and
前記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。 While rotating the rotary tool as the pressing member, the metal member is pressed to generate frictional heat, the resin member is softened and melted by the frictional heat, and then solidified to join the metal member and the resin member. 2 steps.
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5に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The said agitation stirring process rotates only the 2nd pressurization time shorter than the said 1st pressurization time, pressing the said rotation tool with the 2nd pressurization force larger than the said 1st pressurization force. Joining method of metal member and resin member.
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6に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The said stirring maintenance process WHEREIN: The said rotating tool is rotated only for the 3rd pressurization time longer than the said 1st pressurization time, pressing with the 3rd pressurization force smaller than the said 1st pressurization force. Joining method of metal member and resin member.
前記金属部材と前記樹脂部材との相互の接触面それぞれに、前記金属部材および前記樹脂部材が嵌合するための嵌合形成部を設け、
該嵌合形成部により前記金属部材と前記樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行い、
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:
前記金属部材と前記樹脂部材とをそれらの嵌合形成部により嵌合させつつ、重ね合わせる第1ステップ;および
前記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。 Thermo-pressure bonding in which a metal member and a resin member are superposed, pressure is applied to the resin member by pressing from the metal member side by the pressing member, and the resin member is softened and melted by heat, and then solidified and bonded. A method of joining a metal member and a resin member by a method,
On each of the mutual contact surfaces of the metal member and the resin member, a fitting formation portion for fitting the metal member and the resin member is provided,
Said metal member and have lines joining in a state where said the resin member is fitted by the fitting formation portion,
The hot-pressure bonding method is a friction stir welding method,
The method of joining a metal member and a resin member , wherein the friction stir welding method includes the following steps :
A first step of superimposing the metal member and the resin member while fitting the metal member and the resin member by their fitting forming portions; and
While rotating the rotary tool as the pressing member, the metal member is pressed to generate frictional heat, the resin member is softened and melted by the frictional heat, and then solidified to join the metal member and the resin member. 2 steps .
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11に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The said agitation process WHEREIN: The said rotating tool is rotated only for the 2nd pressurization time shorter than the said 1st pressurization time, pressing with the 2nd pressurization force larger than the said 1st pressurization force. Joining method of metal member and resin member.
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12に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The said stirring maintenance process rotates only the 3rd pressurization time longer than the said 1st pressurization time, pressing the said rotary tool with the 3rd pressurization force smaller than the said 1st pressurization force. Joining method of metal member and resin member.
前記金属部材の嵌合形成部および前記樹脂部材の嵌合形成部の他方が、前記一方の嵌合形成部の形状に対応する相補的形状を有する、請求項1〜15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 other of the fitting formation part of the said metal member and the fitting formation part of the said resin member has a complementary shape corresponding to the shape of said one fitting formation part. A method of joining a metal member and a resin member.
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