JP6327268B2 - Method and apparatus for joining metal member and resin member - Google Patents
Method and apparatus for joining metal member and resin member Download PDFInfo
- Publication number
- JP6327268B2 JP6327268B2 JP2016044889A JP2016044889A JP6327268B2 JP 6327268 B2 JP6327268 B2 JP 6327268B2 JP 2016044889 A JP2016044889 A JP 2016044889A JP 2016044889 A JP2016044889 A JP 2016044889A JP 6327268 B2 JP6327268 B2 JP 6327268B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal member
- drive unit
- resin member
- rotating
- joining
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
- B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
- B29C65/06—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using friction, e.g. spin welding
- B29C65/0681—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using friction, e.g. spin welding created by a tool
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
- B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
- B29C65/44—Joining a heated non plastics element to a plastics element
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
- B29C65/56—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using mechanical means or mechanical connections, e.g. form-fits
- B29C65/64—Joining a non-plastics element to a plastics element, e.g. by force
- B29C65/645—Joining a non-plastics element to a plastics element, e.g. by force using friction or ultrasonic vibrations
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
- B29C65/82—Testing the joint
- B29C65/8207—Testing the joint by mechanical methods
- B29C65/8215—Tensile tests
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
- B29C66/05—Particular design of joint configurations
- B29C66/10—Particular design of joint configurations particular design of the joint cross-sections
- B29C66/11—Joint cross-sections comprising a single joint-segment, i.e. one of the parts to be joined comprising a single joint-segment in the joint cross-section
- B29C66/112—Single lapped joints
- B29C66/1122—Single lap to lap joints, i.e. overlap joints
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
- B29C66/05—Particular design of joint configurations
- B29C66/20—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines
- B29C66/21—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines said joint lines being formed by a single dot or dash or by several dots or dashes, i.e. spot joining or spot welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
- B29C66/347—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined using particular temperature distributions or gradients; using particular heat distributions or gradients
- B29C66/3472—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined using particular temperature distributions or gradients; using particular heat distributions or gradients in the plane of the joint, e.g. along the joint line in the plane of the joint or perpendicular to the joint line in the plane of the joint
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/40—General aspects of joining substantially flat articles, e.g. plates, sheets or web-like materials; Making flat seams in tubular or hollow articles; Joining single elements to substantially flat surfaces
- B29C66/41—Joining substantially flat articles ; Making flat seams in tubular or hollow articles
- B29C66/43—Joining a relatively small portion of the surface of said articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
- B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
- B29C66/721—Fibre-reinforced materials
- B29C66/7214—Fibre-reinforced materials characterised by the length of the fibres
- B29C66/72143—Fibres of discontinuous lengths
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
- B29C66/73—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
- B29C66/739—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
- B29C66/7392—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of at least one of the parts being a thermoplastic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
- B29C66/74—Joining plastics material to non-plastics material
- B29C66/742—Joining plastics material to non-plastics material to metals or their alloys
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/80—General aspects of machine operations or constructions and parts thereof
- B29C66/81—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps
- B29C66/814—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps
- B29C66/8141—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined
- B29C66/81427—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined comprising a single ridge, e.g. for making a weakening line; comprising a single tooth
- B29C66/81429—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined comprising a single ridge, e.g. for making a weakening line; comprising a single tooth comprising a single tooth
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/80—General aspects of machine operations or constructions and parts thereof
- B29C66/83—General aspects of machine operations or constructions and parts thereof characterised by the movement of the joining or pressing tools
- B29C66/832—Reciprocating joining or pressing tools
- B29C66/8322—Joining or pressing tools reciprocating along one axis
- B29C66/83221—Joining or pressing tools reciprocating along one axis cooperating reciprocating tools, each tool reciprocating along one axis
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/80—General aspects of machine operations or constructions and parts thereof
- B29C66/83—General aspects of machine operations or constructions and parts thereof characterised by the movement of the joining or pressing tools
- B29C66/836—Moving relative to and tangentially to the parts to be joined, e.g. transversely to the displacement of the parts to be joined, e.g. using a X-Y table
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/90—Measuring or controlling the joining process
- B29C66/91—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux
- B29C66/912—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by measuring the temperature, the heat or the thermal flux
- B29C66/9121—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by measuring the temperature, the heat or the thermal flux by measuring the temperature
- B29C66/91221—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by measuring the temperature, the heat or the thermal flux by measuring the temperature of the parts to be joined
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/90—Measuring or controlling the joining process
- B29C66/91—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux
- B29C66/914—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature, the heat or the thermal flux
- B29C66/9141—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature
- B29C66/91411—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature of the parts to be joined, e.g. the joining process taking the temperature of the parts to be joined into account
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/90—Measuring or controlling the joining process
- B29C66/91—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux
- B29C66/914—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature, the heat or the thermal flux
- B29C66/9161—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the heat or the thermal flux, i.e. the heat flux
- B29C66/91641—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the heat or the thermal flux, i.e. the heat flux the heat or the thermal flux being non-constant over time
- B29C66/91643—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the heat or the thermal flux, i.e. the heat flux the heat or the thermal flux being non-constant over time following a heat-time profile
- B29C66/91645—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the heat or the thermal flux, i.e. the heat flux the heat or the thermal flux being non-constant over time following a heat-time profile by steps
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/90—Measuring or controlling the joining process
- B29C66/91—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux
- B29C66/919—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux characterised by specific temperature, heat or thermal flux values or ranges
- B29C66/9192—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux characterised by specific temperature, heat or thermal flux values or ranges in explicit relation to another variable, e.g. temperature diagrams
- B29C66/91951—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux characterised by specific temperature, heat or thermal flux values or ranges in explicit relation to another variable, e.g. temperature diagrams in explicit relation to time, e.g. temperature-time diagrams
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
- B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
- B29C66/721—Fibre-reinforced materials
- B29C66/7212—Fibre-reinforced materials characterised by the composition of the fibres
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
- B29C66/74—Joining plastics material to non-plastics material
- B29C66/742—Joining plastics material to non-plastics material to metals or their alloys
- B29C66/7422—Aluminium or alloys of aluminium
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Description
本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法および接合装置に関する。 The present invention relates to a joining method and joining apparatus for a metal member and a resin member.
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15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、摩擦熱を連続的に発生させ、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. 15, 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、接合強度の向上の観点から、金属部材と樹脂部材との界面における樹脂部材表面の回転ツール直下部だけでなく、その外周部も溶融させると、かえって十分な接合強度が得られないことを見い出した。 Inventors of the present invention, in the conventional friction stir welding method, from the viewpoint of improving the bonding strength, not only the portion immediately below the rotary tool on the surface of the resin member at the interface between the metal member and the resin member, but also the outer peripheral portion thereof is melted. On the contrary, it was found that sufficient bonding strength could not be obtained.
詳しくは、従来の摩擦撹拌接合方法においては、摩擦熱を連続的に発生させて、図16に示すような樹脂部材212の回転ツール直下部260を溶融させると、図17に示すように、当該直下部260の温度とその外周部261の温度との差d’が比較的大きくなった。このため、外周部261は十分に溶融せず、十分な接合強度は得られなかった。図16は、従来の摩擦撹拌接合方法を説明するための概略断面図である。図17は、従来の摩擦撹拌接合方法における直下部260の温度(図16におけるK260での界面温度)およびその外周部261の温度(図16におけるK261での界面温度)の経時変化の一例を示すグラフである。
Specifically, in the conventional friction stir welding method, frictional heat is continuously generated to melt the
そこで、直下部260だけでなく、その外周部261も溶融させるために、摩擦熱を連続的に発生させると、図18に示すように、直下部260の温度とその外周部261の温度との差d’’がやはり比較的大きいため、直下部260が過熱され、十分な接合強度が得られなかった。直下部の過熱は、金属部材が比較的高い熱伝導率を有するアルミニウムからなる場合よりも、比較的低い熱伝導率を有する鋼板からなる場合において、顕著に起こった。例えば樹脂部材212が炭素繊維を40重量%含有するポリプロピレン樹脂からなる場合、図14に示すように、樹脂が約330℃超に過熱されると、接合強度(せん断強度)が低下した。このような過熱による接合強度の低下は、樹脂分子が過熱により分解されることに基づくものと考えられる。図18は、従来の摩擦撹拌接合方法における直下部260の温度(図16におけるK260での界面温度)およびその外周部261の温度(図16におけるK261での界面温度)の経時変化の一例を示すグラフである。図14は、実施例で使用された樹脂部材の回転ツール直下部の温度を様々に変化させて接着強度(せん断強度)を測定したときの、当該温度と接合強度との関係を示す。
Therefore, when frictional heat is continuously generated in order to melt not only the immediate
本発明は、接合強度を十分に向上させることができ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 can fully improve joining strength.
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、熱を付与して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、
前記付与する熱量をパルス変化させながら前記接合を行う、金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
The present invention
The metal member and the resin member are overlapped, pressure is applied to the resin member by pressing from the metal member side by the pressing member, heat is applied to soften and melt the resin member, and then solidified to perform bonding. It is a joining method of a metal member and a resin member by a hot-pressure joining method,
The present invention relates to a joining method between a metal member and a resin member, in which the joining is performed while changing the amount of heat applied.
本発明の接合方法によれば、接合強度を十分に向上させることができる。 According to the bonding method of the present invention, the bonding strength 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、熱を付与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熱圧式接合方法である。熱および圧力は好ましくは局所的に付与される。本発明の熱圧式接合方法は、押圧部材により圧力を付与しつつ、押圧部材または別の手段により熱を付与する方法である。熱圧式接合方法は、後述するように、付与する熱量をパルス変化させながら接合を行うことができ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。好ましくは押圧部材により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, after 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 heat is applied to soften and melt the resin member. This is a hot-pressure joining method in which a metal member and a resin member are joined by solidification. Heat and pressure are preferably applied locally. The hot-pressure bonding method of the present invention is a method of applying heat by a pressing member or another means while applying pressure by the pressing member. As will be described later, the hot-pressure bonding method is not particularly limited as long as it is a method capable of performing bonding while changing the amount of heat to be applied, for example, a friction stir welding method, an ultrasonic heating bonding method, A laser heating bonding method, a resistance heating bonding method, an induction heating bonding method, or the like may be used. Preferably, it is a method in which heat and pressure are locally applied from the metal member side by a pressing member, and a friction stir welding method is more preferably employed.
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、金属部材側から樹脂部材を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。 The friction stir welding method, as will be described in detail later, generates frictional heat by pressing the resin member from the metal member side while overlapping the metal member and the resin member and rotating the rotary tool as the pressing member. The resin member is softened and melted with this frictional 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側から樹脂部材を加圧しながら、超音波(熱付与手段)により押圧部材及び金属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 heat bonding method is a method in which a metal member and a resin member are overlapped, and the pressure member and the metal member are pressed by the ultrasonic wave (heat applying means) while the resin member is pressed from the metal member side by the pressing member. In this method, the resin member is softened and melted by the frictional heat of the resin member / metal member generated by the vibration, 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、押圧部材による加圧によりこれらを拘束した状態で、レーザー(熱付与手段)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 bonding method is a method in which a metal member and a resin member are overlapped and heat is generated by irradiating a metal member with a laser (heat applying means) in a state where the metal member and the resin member are constrained by pressurization by a pressing member. In this method, the resin member is softened and melted by heat and then solidified to join the metal member and the resin member. 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(熱付与手段)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。 The resistance heating bonding method uses heat generated by flowing a current (heat applying means) directly to a metal member in a state where the metal member and the resin member are overlapped and constrained by pressurization by the pressing member. The resin member is softened and melted and then solidified to join the metal member and the resin member.
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(熱付与手段)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 (heat applying means) is generated in the metal member by electromagnetic induction in a state in which the metal member and the resin member are constrained by pressurization by the pressing member. In this method, the resin member is softened and melted using heat generated by an electric current and then 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、付与する熱量をパルス変化させながら接合を行う限り、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 adopting the friction stir welding method will be described in detail with reference to the drawings. However, as long as joining is performed while changing the amount of heat to be applied, the present invention can be used even if other joining methods described above are used. It is clear that the effect of 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1〜図14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 FIGS.
(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、押圧部材としての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
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、矢印A2のように下方に向けて移動する。このとき、回転ツール16は金属部材11表面における押圧領域P(押圧予定領域)において圧力を付与する。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
図2は、回転ツール16の一例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、金属部材と接触する先端部(図2では下端部)にピン部16a及び該ピン部を支持するショルダ部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。
FIG. 2 is an enlarged view of the tip portion of an example 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。
The material of 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、押圧部材としての回転ツール16の駆動により、付与する熱量をパルス変化させることができるように、回転ツールの駆動条件、特に押圧駆動条件および/または回転駆動条件、好ましくは押圧駆動条件および回転駆動条件、を制御する駆動制御装置(図示せず)を含む。
The friction
駆動制御装置は、後で詳述するように、回転ツールに加える荷重、加圧時間および回転数を制御する荷重制御方式を採用してもよいし、または回転ツールの進入速度、進入量、特定位置での保持時間および回転数を制御する位置制御方式を採用してもよい。 As will be described in detail later, the drive control device may adopt a load control method for controlling the load applied to the rotating tool, the pressurizing time, and the number of rotations, or the approach speed, the amount of approach, and the identification of the rotating tool. You may employ | adopt the position control system which controls the holding time and rotation speed in a position.
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。
Although not shown in FIG. 1, the friction
(2)接合方法
本発明においては、金属部材11および樹脂部材12に付与する熱量を制御しながら接合を行う。詳しくは、付与する熱量をパルス変化させながら接合を行う。付与する熱量をパルス変化させながら接合を行うとは、付与する熱量の大/小の切り替えを繰り返しながら接合を行う、という意味であり、具体的には、圧力および熱を付与して接合を行うに際して、比較的大きい熱量と、比較的小さい熱量とを繰り返し付与する、という意味である。このような熱量の制御により、接合時において、図3に示すような金属部材11と樹脂部材12との境界面13における樹脂部材12の回転ツール直下部60とその外周部61との温度差dを、図4に示すように、減小させることができる。その結果として、直下部60の過熱が抑制され、当該直下部60の温度を樹脂部材12の分解温度(Td(℃))以下に制御しつつ、金属部材11中での熱伝導が十分に達成され、外周部61も溶融させることができる。このため、直下部60における樹脂分子の分解が抑制されつつ、当該直下部60およびその外周部61の溶融が十分に起こり、これらの両方が金属部材11と接合し、接合強度を十分に向上させることができる。図3は、本発明の接合方法に使用される金属部材および樹脂部材の一例の概略断面図を示す。図4は、本発明の摩擦撹拌接合方法における直下部60の温度T60(図3におけるP60での界面温度)およびその外周部61の温度T61(図3におけるP61での界面温度)の経時変化の一例を示すグラフである。
(2) Joining method In the present invention, joining is performed while controlling the amount of heat applied to the
図4において、直下部60の温度T60およびその外周部61の温度T61は、熱量の制御により、接合寄与範囲(約200〜300℃)に制御されているが、このような接合寄与範囲は使用される樹脂部材12の融点Tm(℃)および分解温度Td(℃)に基づいて決定される。接合寄与範囲とは、樹脂分子の分解なしに、接合に寄与する溶融が可能な温度範囲という意味である。接合寄与範囲は通常、樹脂部材12の融点Tm以上分解温度Td以下、であり、好ましくはTm+30(℃)〜Tm+130(℃)である。なお、直下部60およびその外周部61と、熱量を付与する回転ツール16との位置関係より、外周部61の温度T61が直下部60の温度T60を超えることはない。
4, the temperature T 61 temperature T 60 and the outer
本発明においては、直下部60の温度T60も、その外周部61の温度T61も、早期に接合寄与範囲に到達し、かつ到達後は最終の冷却工程まで当該接合寄与範囲内で推移することが好ましい。接合強度のさらなる向上の観点からは、直下部60の温度T60およびその外周部61の温度T61が接合寄与範囲で推移する時間は長いほど好ましい。
In the present invention, the temperature T 60 immediately below
本発明において、熱量のパルス変化の波形(比較的大きい熱量と比較的小さい熱量との繰り返しの形態)は、樹脂部材における回転ツール直下部60の温度をTd以下に制御できる限り、特に限定されず、例えば、図5に示すように周期的であってもよいし、または非周期的であってもよい。熱量制御の容易性の観点から好ましくは、付与する熱量は周期的にパルス変化させる。図5は、本発明において付与する熱量をパルス変化させるときの熱量の経時的変化の一例を示すグラフである。図5において、「70」は比較的大きい熱量を付与している時を示し、「71」は比較的小さい熱量を付与している時を示す。
In the present invention, the waveform of the pulse change of the amount of heat (repetitive form of a relatively large amount of heat and a relatively small amount of heat) is not particularly limited as long as the temperature of the
図5において、熱量のパルス波形は矩形波で示されているが、比較的大きい熱量と比較的小さい熱量が繰り返し付与される限り、その波形は特に限定されるものではなく、例えば、正弦波、三角波、のこぎり波であってもよい。 In FIG. 5, the pulse waveform of the amount of heat is shown as a rectangular wave, but the waveform is not particularly limited as long as a relatively large amount of heat and a relatively small amount of heat are repeatedly applied. For example, a sine wave, It may be a triangular wave or a sawtooth wave.
比較的大きい熱量Haおよびその単位付与時間Ta、比較的小さい熱量Hbおよびその単位付与時間Tb、ならびにそれらの比率および周期Tcは、樹脂部材12における回転ツール直下部60とその外周部61との温度差dの減小により当該直下部の温度をTd以下に制御できる限り、特に限定されない。
The relatively large amount of heat Ha and its unit application time Ta, the relatively small amount of heat Hb and its unit application time Tb, and the ratio and period Tc thereof are the temperatures of the rotary tool directly
熱量Hbは通常、0.7×Ha以下であり、好ましくは0.5×Ha以下であり、より好ましくは0.3×Ha以下であり、さらに好ましくは0である。
比率Hb/Haは通常、0.7以下であり、好ましくは0.5以下、より好ましくは0.3以下であり、さらに好ましくは0である。
比率Tb/Taは通常、0.5〜2であり、好ましくは0.8〜1.2、より好ましくは1である。
TaおよびTbはそれぞれ独立して通常、0.1〜1秒間であり、好ましくは0.1〜0.5秒間、より好ましくは0.1〜0.3秒間である。
Tcは通常、0.2〜2秒間であり、好ましくは0.2〜1秒間、より好ましくは0.2〜0.6秒間である。
The amount of heat Hb is usually 0.7 × Ha or less, preferably 0.5 × Ha or less, more preferably 0.3 × Ha or less, and even more preferably 0.
The ratio Hb / Ha is usually 0.7 or less, preferably 0.5 or less, more preferably 0.3 or less, and even more preferably 0.
The ratio Tb / Ta is usually 0.5 to 2, preferably 0.8 to 1.2, and more preferably 1.
Ta and Tb are each independently usually 0.1 to 1 second, preferably 0.1 to 0.5 second, and more preferably 0.1 to 0.3 second.
Tc is usually 0.2 to 2 seconds, preferably 0.2 to 1 second, and more preferably 0.2 to 0.6 seconds.
比較的大きい熱量Haと比較的小さい熱量Hbとの繰り返しにおいて、比率Hb/Haおよび/またはHbを小さくする、または比率Tb/Taおよび/またはTbを大きくすると、樹脂部材における回転ツール直下部とその外周部との温度差dが減少し、当該回転ツール直下部の温度が低下する傾向を示す。他方、当該繰り返しにおいて、比率Hb/Haおよび/またはHbを大きくする、または比率Tb/Taおよび/またはTbを小さくすると、樹脂部材における回転ツール直下部とその外周部との温度差dが増加し、当該回転ツール直下部の温度が増加する傾向を示す。 When the ratio Hb / Ha and / or Hb is decreased or the ratio Tb / Ta and / or Tb is increased in the repetition of the relatively large heat amount Ha and the relatively small heat amount Hb, The temperature difference d with the outer peripheral portion decreases, and the temperature immediately below the rotating tool tends to decrease. On the other hand, if the ratio Hb / Ha and / or Hb is increased or the ratio Tb / Ta and / or Tb is decreased in the repetition, the temperature difference d between the lower portion of the resin member and the outer peripheral portion thereof increases. The temperature immediately below the rotating tool tends to increase.
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においては、上記した熱量の制御は、回転ツール16の駆動、特に押圧駆動および/または回転駆動、好ましくは押圧駆動および回転駆動、を制御することにより行うことができる。具体的な、制御因子およびその制御方法は荷重制御方式と位置制御方式とで異なるため、後で詳述する。
In the joining method of the metal member and the resin member by the friction stir welding method according to the present invention, the above-described control of the amount of heat is performed by driving the
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
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。
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 of superimposing the
Is included.
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においては、上記したように熱量をパルス変化させながら第2ステップを行えばよい。 In the joining method of the metal member and the resin member by the friction stir welding method according to the present invention, the second step may be performed while changing the amount of heat in pulses as described above.
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。
In the first step, as shown in FIG. 1, the
第2ステップにおいては、回転ツールの駆動条件を制御して、上記のように熱量をパルス変化させる。第2ステップにおいては、回転ツールに加える荷重、加圧時間および回転数を制御する荷重制御方式、または回転ツールの進入速度、進入量、特定位置での保持時間および回転数を制御する位置制御方式を採用する。以下、荷重制御方式を採用する第2ステップを第1実施態様として説明し、位置制御方式を採用する第2ステップを第2実施態様として説明する。 In the second step, the drive condition of the rotary tool is controlled to change the amount of heat in pulses as described above. In the second step, a load control method for controlling the load applied to the rotary tool, the pressurizing time and the rotational speed, or a position control system for controlling the approach speed, the approach amount, the holding time at a specific position and the rotational speed of the rotary tool. Is adopted. Hereinafter, the second step employing the load control method will be described as the first embodiment, and the second step employing the position control method will be described as the second embodiment.
<第1実施態様:荷重制御方式>
本実施態様においては、回転ツールの駆動条件として、回転ツールに加える荷重、加圧時間および回転数からなる群から選択される1種以上の駆動条件を制御して、上記のように熱量をパルス変化させながら、第2ステップを行えばよい。
<First Embodiment: Load Control Method>
In this embodiment, as the driving condition of the rotating tool, one or more driving conditions selected from the group consisting of the load applied to the rotating tool, the pressurizing time, and the number of rotations are controlled, and the amount of heat is pulsed as described above. The second step may be performed while changing.
本実施態様の第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を少なくとも行うことが好ましい。
In the second step of the present embodiment, at least the pushing and stirring step C <b> 2 for pushing the
本実施態様の第2ステップにおいては、前記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。
In the second step of the present embodiment, a preheating step C1 for rotating the
本実施態様の第2ステップにおいては、前記押込撹拌工程の後に、回転ツール16を前記押込み撹拌工程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 of the present embodiment, it is preferable to perform the stirring maintaining step C3 for continuing the rotating operation of the
本実施態様の第2ステップにおいては、予熱工程、押込み撹拌工程および撹拌維持工程のうち、少なくとも押込み撹拌工程を行うに際し、上記のように熱量をパルス変化させればよい。 In the second step of the present embodiment, at least the indentation stirring process among the preheating process, the indentation stirring process, and the agitation maintaining process may be performed by changing the amount of heat as described above.
以下、本実施態様におけるこれらの工程について詳しく説明する。 Hereinafter, these steps in this embodiment 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3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の荷重p1(例えば、900〜1200N)で、第1の加圧時間t1(例えば、(1〜2秒)だけ、第1の回転数r1(例えば、2500〜3500rpm)で回転させる。図3は、図1におけるX−X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, by bringing the
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の押圧領域P(回転ツール16による押圧領域)の範囲及び押圧領域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
本工程において付与される熱量は、主として、第1の荷重p1の大きさ、第1の加圧時間t1の長さ、および回転ツールの第1の回転数r1の大きさによって決まる。 The amount of heat applied in this step is mainly determined by the magnitude of the first load p1, the length of the first pressurizing time t1, and the magnitude of the first rotation speed r1 of the rotary tool.
本予熱工程C1の第1の荷重p1及び第1の加圧時間t1は、上記熱量の制御、次工程での回転ツールの押込み易さ、樹脂部材の軟化・溶融のし易さ、および生産性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、金属部材11の厚みおよび素材の種類および樹脂部材12の融点等に依存して決定されればよい。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および後述の融点の樹脂部材12を使用する場合、予熱工程C1における第1の荷重p1は、1300N未満が好ましい。第1の加圧時間t1は0.5秒以上が好ましい。回転ツールの回転数r1は4000rpm以下が好ましい。
The first load p1 and the first pressurization time t1 in the preheating step C1 are the control of the heat amount, the ease of pushing the rotary tool in the next step, the ease of softening and melting the resin member, and the productivity. The value may be determined depending on, for example, the number of rotations of the
(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6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6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、図6に示すように、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、回転ツールの直下領域で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂120について、その溶融と該直下領域から外周領域への流動(図6の矢印方向)を促進させることができる。図6は、図1におけるX−X断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
(Indentation stirring step C2)
In the pushing and stirring step C2, the rotating
詳しくは、押込み撹拌工程C2では、回転ツール16を、第1の荷重p1より大きい第2の荷重p2(例えば、1500N〜3000N)で、第2の加圧時間t2(例えば、2〜4秒)だけ、第2の回転数r2(例えば、2500〜3500rpm)で回転させる。
Specifically, in the indentation stirring step C2, the
押込み撹拌工程C2では、荷重が予熱工程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。好ましくは、この回転ツール16の押込みにより、金属部材11の回転ツール直下部110において、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13が受け具17側(図例では下側)に移動し、当該直下部110が樹脂部材12側に突出変形する。本押込み撹拌工程C2およびこの後に好ましく行われる撹拌維持工程C3により、接合境界面13において回転ツールの直下領域で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂120の溶融が促進されると共に、該直下領域を超えて、その外周領域まで流動する(図6の矢印方向)。溶融樹脂は回転ツール直下領域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、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領域(接合領域)もまた拡大されるため、樹脂部材と金属部材との接合が十分に良好な作業効率かつ十分な強度で達成することができる。
In the indentation stirring step C2, the
仮に、回転ツール16がさらに押し込まれると(つまり荷重が高過ぎ及び/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が上記接合境界面を超える。すなわち、回転ツール16が金属部材11を貫通し、回転ツール16の外周部が樹脂部材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、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の固化が促進される。
Therefore, in this indentation stirring step C2, the indentation of the
本工程において付与される熱量は、主として、第2の荷重p2の大きさ、第2の加圧時間t2の長さ、および回転ツールの第2の回転数r2の大きさによって決まる。 The amount of heat applied in this step is mainly determined by the magnitude of the second load p2, the length of the second pressurizing time t2, and the magnitude of the second rotation speed r2 of the rotary tool.
本押込み撹拌工程C2において、特に上記のように熱量をパルス変化させるためには、回転ツールを第2の回転数(r2)以下で回転させつつ前記第1の荷重(p1)より大きい第2の荷重(p2)以下で押圧させる駆動を第2の加圧時間(t2)だけ行い、かつ以下の方法から選択される1つの方法に従う:
(i−1)図7に示すように、回転ツールをr2で回転させつつp2で押圧させる駆動単位i−1aと、回転ツールをr2で回転させつつ0.7×p2以下で押圧させる駆動単位i−1bとを、t2だけ繰り返す;駆動単位i−1bにおいて、荷重は0.5×p2以下が好ましく、より好ましくは0.3×p2以下であり、さらに好ましくは0Nである;
(i−2)図8に示すように、回転ツールをr2で回転させつつp2で押圧させる駆動単位i−2aと、回転ツールを0.5×r2以下で回転させつつp2で押圧させる駆動単位i−2bとを、t2だけ繰り返す;駆動単位i−2bにおいて、回転数は0.3×r2以下が好ましく、より好ましくは0.1×r2以下であり、さらに好ましくは0rpmである;
(i−3)図9に示すように、回転ツールをr2で回転させつつp2で押圧させる駆動単位i−3aと、回転ツールを0.7×r2以下で回転させつつ0.7×p2以下で押圧させる駆動単位i−3bとを、t2だけ繰り返す;駆動単位i−3bにおいて、荷重は0.6×p2以下が好ましく、より好ましくは0.5×p2以下であり、さらに好ましくは0Nである;駆動単位i−3bにおいて、回転数は0.6×r2以下が好ましく、より好ましくは0.5×r2以下であり、さらに好ましくは0rpmである;および
(i−4)前記(i−1)〜(i−3)の駆動単位から選択され、荷重および/または回転数が異なる2種以上の駆動単位を組み合わせてt2だけ繰り返す。
In the indentation stirring step C2, in order to change the amount of heat in pulses as described above, the second load larger than the first load (p1) while rotating the rotary tool at the second rotation speed (r2) or less. The driving for pressing below the load (p2) is performed for the second pressurization time (t2), and one method selected from the following methods is followed:
(I-1) As shown in FIG. 7, the driving unit i-1a for rotating the rotating tool at r2 and pressing it at p2, and the driving unit for rotating the rotating tool at r2 and pressing it at 0.7 × p2 or less. i-1b is repeated by t2; in the driving unit i-1b, the load is preferably 0.5 × p2 or less, more preferably 0.3 × p2 or less, and further preferably 0N;
(I-2) As shown in FIG. 8, the drive unit i-2a for rotating the rotary tool at r2 and pressing it at p2, and the drive unit for pressing at p2 while rotating the rotary tool at 0.5 × r2 or less i-2b is repeated by t2; in the drive unit i-2b, the rotation speed is preferably 0.3 × r2 or less, more preferably 0.1 × r2 or less, and further preferably 0 rpm;
(I-3) As shown in FIG. 9, the drive unit i-3a that rotates the rotating tool at r2 and presses it at p2, and 0.7 × p2 or less while rotating the rotating tool at 0.7 × r2 or less. The driving unit i-3b to be pressed is repeated by t2; in the driving unit i-3b, the load is preferably 0.6 × p2 or less, more preferably 0.5 × p2 or less, and further preferably 0N. In the drive unit i-3b, the rotation speed is preferably 0.6 × r2 or less, more preferably 0.5 × r2 or less, and further preferably 0 rpm; and (i-4) (i− A combination of two or more drive units selected from the drive units 1) to (i-3) and having different loads and / or rotational speeds is repeated for t2.
上記方法(i−1)、(i−2)または(i−3)、特に方法(i−1)および(i−3)が好ましい。 The method (i-1), (i-2) or (i-3), particularly the methods (i-1) and (i-3) are preferred.
本押込み撹拌工程C2の第2の荷重p2及び第2の加圧時間t2は、上記熱量の制御、上記のような金属部材11の孔開き回避、回転ツール16の樹脂部材12への近接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、金属部材11の厚みおよび素材の種類および樹脂部材12の融点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および後述の融点の樹脂部材12を使用する場合、押込み撹拌工程C2における第2の荷重p2は、3000N以下が好ましい。第2の加圧時間t2は、4秒以下が好ましい。回転ツールの第2の回転数r2は3500rpm以下が好ましい。
The second load p2 and the second pressurization time t2 in the indentation stirring step C2 are the viewpoints of the control of the heat amount, the avoidance of the opening of the
本工程において付与される熱量は、方法(i−1)〜(i−3)における各駆動単位の駆動単位時間の比率によっても変化し得る。例えば、前記駆動単位i−1aの駆動単位時間taと前記駆動単位i−1bの駆動単位時間tbとの比率tb/ta、前記駆動単位i−2aの駆動単位時間taと前記駆動単位i−2bの駆動単位時間tbとの比率tb/ta、および前記駆動単位i−3aの駆動単位時間taと前記駆動単位i−3bの駆動単位時間tbとの比率tb/taは通常、0.5〜2であり、好ましくは0.8〜1.2、より好ましくは1である。本工程においてtaおよびtbはそれぞれ独立して通常、0.1〜1秒間であり、好ましくは0.1〜0.5秒間、より好ましくは0.1〜0.3秒間である。 The amount of heat applied in this step can also vary depending on the ratio of the drive unit time of each drive unit in the methods (i-1) to (i-3). For example, the ratio tb / ta between the drive unit time ta of the drive unit i-1a and the drive unit time tb of the drive unit i-1b, the drive unit time ta of the drive unit i-2a, and the drive unit i-2b The ratio tb / ta with respect to the drive unit time tb and the ratio tb / ta between the drive unit time ta of the drive unit i-3a and the drive unit time tb of the drive unit i-3b are usually 0.5-2. It is preferably 0.8 to 1.2, more preferably 1. In this step, ta and tb are each independently usually 0.1 to 1 second, preferably 0.1 to 0.5 second, more preferably 0.1 to 0.3 second.
(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6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の荷重p1より小さい第3の荷重p3(例えば、500〜800N)で、第3の加圧時間t3(例えば、2〜4秒)だけ、第3の回転数(例えば、1500〜2500rpm)で回転させる。
(Stirring maintenance step C3)
In the stirring maintaining step C3, by stopping the mutual proximity of the
撹拌維持工程C3では、荷重p3が押込み撹拌工程C2よりも小さくなることにより、回転ツール16が上記基準位置にほぼ維持される。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が、ツールに加わる荷重が小さいため、発生する摩擦熱が少なく、溶融した樹脂が十分に固化する。
In the stirring maintaining step C3, the load p3 is smaller than that in the pushing stirring step C2, so that the
本工程において付与される熱量は、主として、第3の荷重p3の大きさ、第3の加圧時間t3の長さ、および回転ツールの第3の回転数r3の大きさによって決まる。 The amount of heat applied in this step is mainly determined by the magnitude of the third load p3, the length of the third pressurizing time t3, and the magnitude of the third rotational speed r3 of the rotary tool.
本撹拌維持工程C3の第3の荷重p3及び第3の加圧時間t3は、上記熱量の制御、上記のような樹脂部材12の広い範囲での十分な軟化・溶融および生産性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、金属部材11の厚みおよび素材の種類および樹脂部材12の融点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および後述の融点の樹脂部材12を使用する場合、撹拌維持工程C3における第3の荷重p3は800N未満が好ましい。第3の加圧時間t3は、2.0秒以上が好ましい。回転ツールの第3の回転数r3は2500rpm以下が好ましい。
The third load p3 and the third pressurization time t3 in the main stirring and maintaining step C3 are set from the viewpoints of control of the heat amount, sufficient softening / melting of the
本実施態様において最終工程を行った後は、通常、冷却することにより、固化を促進しても良い。冷却方法は特に限定されず、放置冷却を行ってもよいし、または外部から強制的に冷却を行ってもよい。 In the present embodiment, after the final step, solidification may be promoted by cooling. The cooling method is not particularly limited, and the cooling may be performed by standing or may be forcibly cooled from the outside.
<第2実施態様:位置制御方式>
本実施態様においては、回転ツールの駆動条件として、回転ツールの進入速度、進入量、保持時間および回転数からなる群から選択される1種以上の駆動条件を制御して、上記のように熱量をパルス変化させながら、第2ステップを行えばよい。
<Second Embodiment: Position Control Method>
In this embodiment, as the driving condition of the rotary tool, one or more driving conditions selected from the group consisting of the approach speed, the approach amount, the holding time, and the rotational speed of the rotary tool are controlled, and the amount of heat is as described above. The second step may be performed while changing the pulse.
本実施態様の第2ステップにおいても、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を少なくとも行うことが好ましい。
Also in the second step of the present embodiment, at least the pushing and stirring step C <b> 2 for pushing the
本実施態様の第2ステップにおいては、前記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を行ってもよいが、位置制御方式を採用するため、通常は行わない。
In the second step of the present embodiment, a preheating step C1 for rotating the
前記押込撹拌工程の後に、回転ツール16を前記押込み撹拌工程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、当該工程は必ずしも行わなければならないというわけではない。
After the indentation stirring step, it is preferable to perform an agitation maintenance step C3 in which the rotation operation of the
本実施態様の第2ステップにおいては、押込み撹拌工程および撹拌維持工程から選択される少なくとも1つの工程を行うに際し、上記のように熱量をパルス変化させればよい。樹脂部材における回転ツール直下部60の温度をより十分に低下させる観点からは、押込み撹拌工程を行うに際し、上記のように熱量をパルス変化させることが好ましい。
In the second step of this embodiment, when performing at least one process selected from the indentation stirring process and the stirring maintenance process, the amount of heat may be changed in pulses as described above. From the viewpoint of sufficiently lowering the temperature of the resin member directly below the
以下、本実施態様におけるこれらの工程について詳しく説明する。 Hereinafter, these steps in this embodiment will be described in detail.
(押込み撹拌工程C2)
本実施態様の押込み撹拌工程C2は、以下の方法により位置制御方式を採用すること以外、第1実施態様の押込み撹拌工程C2と同様である。詳しくは、本実施態様の押込み撹拌工程C2では、図6に示すように、回転ツール16を、第4の回転数r4(例えば、2500〜3500rpm)で回転させつつ、第1の進入速度v1(例えば、5〜50mm/分)で第1の進入量(進入深さ)d1(例えば、前記金属部材の厚みをT(mm)としたとき0.5×T〜0.9×T)に達するまで進入させる。
(Indentation stirring step C2)
The indentation stirring process C2 of this embodiment is the same as the indentation stirring process C2 of the first embodiment, except that the position control method is adopted by the following method. Specifically, in the indentation stirring step C2 of the present embodiment, as shown in FIG. 6, the first approach speed v1 (the
押込み撹拌工程C2では、回転ツール16を第1の進入速度で第1の進入量まで進入させることにより、金属部材11の回転ツール直下部110において、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13が受け具17側(図例では下側)に移動し、当該直下部110が樹脂部材12側に突出変形する。これにより、第1実施態様の押込み撹拌工程C2においてと同様に、接合境界面13において回転ツールの直下領域で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂120の溶融が促進されると共に、該直下領域を超えて、その外周領域まで流動する(図6の矢印方向)。溶融樹脂は回転ツール直下領域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、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領域(接合領域)もまた拡大されるため、樹脂部材と金属部材との接合が十分に良好な作業効率かつ十分な強度で達成することができる。
In the indentation stirring step C <b> 2, the rotating
本工程において付与される熱量は、主として、回転ツールの第1の進入速度v1の大きさ、第1の進入量d1の大きさおよび第4の回転数r4の大きさによって決まる。 The amount of heat applied in this step is mainly determined by the magnitude of the first approach speed v1 of the rotary tool, the magnitude of the first approach quantity d1, and the magnitude of the fourth rotational speed r4.
本押込み撹拌工程C2において、特に上記のように熱量をパルス変化させるためには、第4の回転数(r4)以下で回転させつつ第1の進入速度(v1)以下で第1の進入量(d1)に達するまで進入させ、かつ以下の方法から選択される1つの方法に従う:
(ii−1)図10に示すように、回転ツールをr4で回転させつつv1で進入させる駆動単位ii−1aと、回転ツールをr4で回転させつつ0.5×v1以下で進入させる駆動単位ii−1bとを、進入量がd1に達するまで繰り返す;駆動単位ii−1bにおいて、進入速度は0.3×v1以下が好ましく、より好ましくは0.1×v1以下であり、さらに好ましくは0mm/分である;
(ii−2)図11に示すように、回転ツールをr4で回転させつつv1で進入させる駆動単位ii−2aと、回転ツールを0.8×r4以下で回転させつつv1で進入させる駆動単位ii−2bとを、進入量がd1に達するまで繰り返す;駆動単位ii−2bにおいて、回転数は0.6×r4以下が好ましく、より好ましくは0.5×r4以下であり、さらに好ましくは0.4×r4以下である;
(ii−3)図12に示すように、回転ツールをr4で回転させつつv1で進入させる駆動単位ii−3aと、回転ツールを0.8×r4以下で回転させつつ0.5×v1以下で進入させる駆動単位ii−3bとを、進入量がd1に達するまで繰り返す;駆動単位ii−3bにおいて、進入速度は0.3×v1以下が好ましく、より好ましくは0.1×v1以下であり、さらに好ましくは0mm/分である;駆動単位ii−3bにおいて、回転数は0.6×r4以下が好ましく、より好ましくは0.5×r4以下であり、さらに好ましくは0.4×r4以下である;および
(ii−4)前記(ii−1)〜(ii−3)の駆動単位から選択され、進入速度および/または回転数が異なる2種以上の駆動単位を組み合わせて進入量がd1に達するまで繰り返す。
In the indentation stirring step C2, in order to change the amount of heat in a pulse manner as described above, the first approach amount (v1) or less at the first approach speed (v1) while rotating at the fourth revolution number (r4) or less. Enter until d1) is reached and follow one method selected from:
(Ii-1) As shown in FIG. 10, the drive unit ii-1a for rotating the rotating tool at r4 and entering at v1 and the driving unit for entering at 0.5 × v1 or less while rotating the rotating tool at r4 ii-1b is repeated until the approach amount reaches d1; in the drive unit ii-1b, the approach speed is preferably 0.3 × v1 or less, more preferably 0.1 × v1 or less, and even more preferably 0 mm / Min;
(Ii-2) As shown in FIG. 11, a drive unit ii-2a for rotating the rotating tool at r4 and entering at v1, and a driving unit for moving the rotating tool at 0.8 × r4 or less and entering at v1 ii-2b is repeated until the approach amount reaches d1; in the drive unit ii-2b, the rotational speed is preferably 0.6 × r4 or less, more preferably 0.5 × r4 or less, and even more preferably 0 Less than or equal to 4 × r4;
(Ii-3) As shown in FIG. 12, the drive unit ii-3a that rotates the rotating tool at r4 and enters at v1, and the rotating tool that rotates at 0.8 × r4 or less and 0.5 × v1 or less. The driving unit ii-3b that is entered in step S3 is repeated until the approaching amount reaches d1; in the driving unit ii-3b, the approach speed is preferably 0.3 × v1 or less, more preferably 0.1 × v1 or less. In the driving unit ii-3b, the rotation speed is preferably 0.6 × r4 or less, more preferably 0.5 × r4 or less, and further preferably 0.4 × r4 or less. And (ii-4) The amount of approach is d1 by combining two or more types of drive units selected from the drive units (ii-1) to (ii-3) having different approach speeds and / or rotational speeds. Until it reaches Repeat.
接合強度のさらなる向上および接合時間の短縮の観点から、上記方法(ii−1)、(ii−2)または(ii−3)、特に方法(ii−1)、が好ましい。 From the viewpoint of further improving the bonding strength and shortening the bonding time, the method (ii-1), (ii-2) or (ii-3), particularly the method (ii-1) is preferable.
本押込み撹拌工程C2の回転ツールの第1の進入速度v1および第1の進入量d1は、上記熱量の制御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、金属部材11の厚みおよび素材の種類および樹脂部材12の融点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および後述の融点の樹脂部材12を使用する場合、押込み撹拌工程C2における第1の進入速度v1は10〜30mm/分が好ましい。第1の進入量d1は、金属部材の厚みをT(mm)としたとき、0.4×T〜0.95×Tが好ましい。進入量は、金属部材の表面からその厚み方向での進入深さである。回転ツールの第4の回転数r4は2500rpm以上が好ましい。
The first approach speed v1 and the first approach amount d1 of the rotary tool in the indentation stirring step C2 are set from the viewpoint of controlling the heat amount, and the values thereof are, for example, the number of rotations of the
本工程において付与される熱量は、方法(ii−1)〜(ii−3)における各駆動単位の駆動単位時間の比率によっても変化し得る。例えば、前記駆動単位ii−1aの駆動単位時間taと前記駆動単位ii−1bの駆動単位時間tbとの比率tb/ta、前記駆動単位ii−2aの駆動単位時間taと前記駆動単位ii−2bの駆動単位時間tbとの比率tb/ta、および前記駆動単位ii−3aの駆動単位時間taと前記駆動単位ii−3bの駆動単位時間tbとの比率tb/taは通常、0.5〜2であり、好ましくは0.8〜1.2、より好ましくは1である。本工程においてtaおよびtbはそれぞれ独立して通常、0.1〜1秒間であり、好ましくは0.1〜0.5秒間、より好ましくは0.1〜0.3秒間である。 The amount of heat applied in this step can also change depending on the ratio of the drive unit time of each drive unit in the methods (ii-1) to (ii-3). For example, the ratio tb / ta between the drive unit time ta of the drive unit ii-1a and the drive unit time tb of the drive unit ii-1b, the drive unit time ta of the drive unit ii-2a, and the drive unit ii-2b The ratio tb / ta with respect to the drive unit time tb and the ratio tb / ta between the drive unit time ta of the drive unit ii-3a and the drive unit time tb of the drive unit ii-3b are usually 0.5-2. It is preferably 0.8 to 1.2, more preferably 1. In this step, ta and tb are each independently usually 0.1 to 1 second, preferably 0.1 to 0.5 second, more preferably 0.1 to 0.3 second.
本工程において回転ツール16が所定の深さまで進入した時点で、回転ツール16の押込み移動を停止する。
In this process, when the
(撹拌維持工程C3)
本実施態様の撹拌維持工程C3は、位置制御方式を採用するため金属部材に対して圧力を付与しないこと以外、第1実施態様の撹拌維持工程C3と同様である。詳しくは回転ツール16により金属部材11に対して圧力を付与することなく、図6に示すように、回転ツール16を前記押込み撹拌工程C2で進入させた位置で、回転ツールを第5の回転数(r5)で回転させつつ、第1の保持時間(j1)だけ保持する。これにより、摩擦熱の発生が抑制され、樹脂部材12は十分に固化する。
(Stirring maintenance step C3)
The agitation maintaining step C3 of this embodiment is the same as the agitation maintaining step C3 of the first embodiment except that no pressure is applied to the metal member in order to adopt the position control method. Specifically, as shown in FIG. 6, without applying pressure to the
撹拌維持工程C3では、回転ツール16を上記所定の位置で第5の回転数(r5)にて回転させつつ、第1の保持時間(例えば、2〜4秒)だけ保持する。
In the agitation maintaining step C3, the
本工程において付与される熱量は、主として、回転ツールの第5の回転数r5の大きさおよび第1の保持時間j1の長さによって決まる。 The amount of heat applied in this step is mainly determined by the magnitude of the fifth rotation number r5 of the rotary tool and the length of the first holding time j1.
本撹拌維持工程C3の回転ツールの第1の保持時間j1は、上記熱量の制御、上記のような樹脂部材12の広い範囲での十分な固化および生産性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、金属部材11の厚みおよび素材の種類および樹脂部材12の融点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および後述の融点の樹脂部材12を使用する場合、撹拌維持工程C3における保持時間j1は、4秒以下が好ましい。回転ツールの第5の回転数r5は2500rpm以下が好ましい。保持時間が0秒であることは、本実施態様において撹拌維持工程C3は行わなくてもよいことを意味する。上記押込み撹拌工程C2工程だけでも、熱量を制御して樹脂部材における回転ツール直下部60の温度をより十分に低下させ得るためである。特に、上記押込み撹拌工程C2において回転ツールの進入量、進入速度および回転数が上記範囲内であるとき、本撹拌維持工程C3における保持時間は通常、2秒以上4秒以下である。
The first holding time j1 of the rotating tool in the stirring maintaining step C3 is set from the viewpoint of the control of the heat amount, sufficient solidification of the
本実施態様においても最終工程を行った後は、通常、冷却することにより、固化を促進しても良い。冷却方法は特に限定されず、放置冷却を行ってもよいし、または外部から強制的に冷却を行ってもよい。 Also in this embodiment, after the final step is performed, solidification may be promoted by cooling. The cooling method is not particularly limited, and the cooling may be performed by standing or may be forcibly cooled from the outside.
(3)金属部材
本発明において使用される金属部材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と重ね合わせる部分が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。金属部材11における樹脂部材12と重ね合わせる部分は両面ともに通常、平面から構成されている。
(3) Metal Member The
金属部材11において樹脂部材12と重ね合わせる略平板形状部分の厚みT(接合処理前の厚み;図3参照)は通常、0.5〜4mmであるがこれに限定されるものではない。
The thickness T (thickness before the bonding treatment; see FIG. 3) of the substantially flat plate-shaped portion that overlaps 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;
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。
As the metal constituting the
aluminum;
Aluminum alloys such as 5000 series and 6000 series;
steel;
Magnesium and its alloys;
Titanium and its alloys.
金属部材11を構成する好ましい金属はアルミニウムおよびアルミニウム合金である。
Preferred metals constituting the
(4)樹脂部材
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を含み、強化繊維をさらに含んでもよい。
(4) Resin member 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);
Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer resin (ABS);
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は、図1等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、接合のために金属部材11と重ね合わせたときに、金属部材11直下の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。樹脂部材12における金属部材11直下の部分は両面ともに通常、平面から構成されている。
The
樹脂部材12における金属部材11直下の部分の厚みt(接合処理前の厚み;図3参照)は通常、2〜10mm、特に2〜5mmであるがこれに限定されるものではない。
The thickness t (thickness before joining treatment; see FIG. 3) of the portion immediately below the
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ればよい。強化繊維は連続繊維であってもよいし、または不連続繊維であってもよいが、本発明において強化繊維は、特に不連続繊維であることが好ましい。
The reinforcing fibers contained in the
強化繊維は樹脂部材中、ランダム配向形態で含有されることが好ましく、平均繊維長Lが通常、50mm以下、特に1mm超50mm以下、好ましくは1mm超30mm以下である。強化繊維の平均繊維径は特に制限されるものではなく、例えば、2〜20μmであり、好ましくは6〜15μmである。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 are preferably contained in the resin member in a randomly oriented form, and the average fiber length L is usually 50 mm or less, particularly more than 1 mm and 50 mm or less, preferably more than 1 mm and 30 mm or less. The average fiber diameter of the reinforcing fibers is not particularly limited, and is, for example, 2 to 20 μm, preferably 6 to 15 μm. The type of reinforcing fiber is not particularly limited, and examples thereof include carbon fiber and glass fiber.
強化繊維の含有量は通常、樹脂部材全量に対して1重量%以上、特に10〜50重量%であり、好ましくは20〜50重量%、より好ましくは30〜50重量%である。 The content of the reinforcing fiber is usually 1% by weight or more, particularly 10 to 50% by weight, preferably 20 to 50% by weight, more preferably 30 to 50% by weight, based on the total amount of the resin member.
樹脂部材12には、強化繊維以外の添加剤、例えば安定剤、難燃剤、着色材、発泡剤などがさらに含有されてもよい。
The
樹脂部材12は、熱可塑性ポリマーならびに所望の添加剤を含む混合物を、射出成形法、プレス成形法などの成形法に供することにより、製造することができる。
The
樹脂部材12の融点Tmは樹脂部材12の種類によって異なり、通常、150〜300℃である。
樹脂部材12の融点Tmは、JIS7121により測定された値を用いている。
The melting point Tm of the
As the melting point Tm of the
(5)接合体
本発明の接合方法により接合された金属部材11と樹脂部材12との接合体は、樹脂部材12における回転ツール直下部60とその外周部61との両方が金属部材11と十分に接合しているため、より高い接合強度を有している。
(5) Bonded body The bonded body of the
樹脂部材12における回転ツール直下部60とその外周部61との両方が金属部材11と十分に接合していることは、本発明の接合方法で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12の金属部材側表面121を観察することにより、知見できる。詳しくは、金属部材の剥離後、樹脂部材12の金属部材側表面121において、直下部60の表面もその外周部の表面も、樹脂の凝集破壊の状態にあるため、これらの表面は金属部材11と十分に接合していたことが明らかである。凝集破壊は、剥離面の金属側に樹脂の表層部が残った状態である。他方、樹脂部材12の直下部60において樹脂分子が過熱により分解されていると、直下部のみ界面剥離の状態にあるため、当該表面は金属部材11と十分に接合していなかったことが明らかである。界面剥離は金属側に樹脂表層部が残存せず、金属と樹脂の界面で剥離することである。
The fact that both the rotary tool direct
以上、押圧部材(特に回転ツール)を金属部材の表面上、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。本発明は、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)に適用されることを妨げるものではないが、本発明においては、三次元形状をした部材への施工性の向上の観点から、点接合を行うことが好ましい。 The case where the metal member and the resin member are joined in a dot shape without moving the pressing member (particularly the rotary tool) in the surface direction on the surface of the metal member has been described above. The present invention does not prevent application to the case where the metal member and the resin member are joined in a linear shape while moving the rotary tool in the plane direction (line joining). It is preferable to perform point joining from the viewpoint of improving the workability to a member having a three-dimensional shape.
[樹脂部材]
炭素繊維を40重量%含むポリプロピレンペレット(PP−CF40−11;ダイセルポリマー社製)を用いて射出成形法により、縦100mm×横30mm×厚み3mm寸法の樹脂部材12を製造した。樹脂部材において炭素繊維の平均繊維長は3mm、平均繊維径は7μmであった。樹脂部材の融点Tmは170℃であった。
[Resin member]
A
[金属部材]
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(縦100mm×横30mm×厚さ1.2mm)を用いた。
[Metal members]
As the metal member, a flat plate member (
[回転ツール]
図2に示す回転ツール16(D1=10mm、D2=2mm、h=0.5mm;工具鋼製)を用いた。
[Rotation tool]
The rotary tool 16 (D1 = 10 mm, D2 = 2 mm, h = 0.5 mm; made of tool steel) shown in FIG. 2 was used.
[実施例A1](荷重制御方式)
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の端部とを図1に示すように重ね合わせた。
[Example A1] (Load control method)
The joined body of the
First step:
The end of the
第2ステップ:
まず、図3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)。r1=2500rpm、p1=900N、時間=1秒。
Second step:
First, as shown in FIG. 3, the
その後、図6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13に達しない深さまで進入させた(押込み撹拌工程C2)。このとき、前記方法(i−1)に従い、図7に示すように、回転ツールを3000rpm(r2)で回転させつつ3000N(p2)で押圧させる駆動単位i−1a(ta=0.2秒)と、回転ツールを3000rpmで回転させつつ1500Nで押圧させる駆動単位i−1b(tb=0.2秒)とを、4秒(t2)だけ周期的に繰り返した。
Thereafter, as shown in FIG. 6, the
次いで、図6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)。r3=2000rpm、p3=500N、時間=2秒。
Next, as shown in FIG. 6, the rotation operation of the
押込み撹拌工程において、樹脂部材12の回転ツール直下部60の温度T60(図3におけるP60での界面温度)およびその外周部61の温度T61(図3におけるP61での界面温度)を測定したところ、図4に示す経時変化を示した。直下部60の温度T60は押込み撹拌工程の初期に接合寄与範囲(200〜300℃)に到達し、外周部61の温度T61は押込み撹拌工程の終期に接合寄与範囲に到達し、いずれの温度も到達後は撹拌維持工程まで当該接合寄与範囲内で推移した。なお、P60は回転ツール16の軸上の測定点であり、P61はP60からの距離が10mmの測定点である。
In the indentation stirring step, the temperature T 60 (interface temperature at P 60 in FIG. 3) and the temperature T 61 of the outer peripheral portion 61 (interface temperature at P 61 in FIG. 3) of the
次いで、回転ツール16を金属部材11から離間させ、放置冷却を行い、接合体を得た。
Next, the
(接合強度)
JIS Z3140「スポット溶接部の検査方法」で規定されているA級せん断強度(特に強さを要求する部材に適用可能)に基づいて測定した。詳しくは、図13に示すように、金属部材11と樹脂部材12との接合体を治具100内に配置した。治具100は、該治具100を下方へ引っ張ることにより樹脂部材12の上端部に下方への力が働くように構成されたものである。治具100を固定し、かつ金属部材11を上方へ引っ張ることにより、樹脂部材12の上端部に下方への力が働き、樹脂部材12の母材強度に影響を受けることなく接合部の剪断強度Sを測定した。
◎;6.0kN≦S;
○;3.5kN≦S<6.0kN;
△;2.5kN≦S<3.5N;(実用上問題なし)
×;S<2.5kN(実用上問題あり)。
(Joint strength)
It was measured based on Class A shear strength defined in JIS Z3140 “Spot Weld Inspection Method” (particularly applicable to members requiring strength). Specifically, as shown in FIG. 13, the joined body of the
A: 6.0 kN ≦ S;
O; 3.5 kN ≦ S <6.0 kN;
Δ: 2.5 kN ≦ S <3.5 N; (no problem in practical use)
X: S <2.5 kN (problem in practical use).
(分解温度)
樹脂部材の分解温度を以下の方法により測定したところ、335℃であった。樹脂の分解は、温度とその温度に晒された時間で決まる。ポリプロピレン(PP)の分解温度は概ね288℃であるが、短時間であれば335℃までは許容できる。
以下の方法により第2ステップを行ったこと以外、実施例A1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合および接合強度の測定を行った。その際、以下の第2ステップにおいて、押込み撹拌工程での荷重や回転数を調整することにより、樹脂部材12の回転ツール直下部60の温度T60(図3におけるP60での界面温度)を様々な温度に制御し、当該温度と接着強度との関係を図14に示した。図14におけるピーク温度を分解温度とする。T60は経時変化における最高温度である。
(Decomposition temperature)
It was 335 degreeC when the decomposition temperature of the resin member was measured with the following method. The decomposition of the resin is determined by the temperature and the time exposed to that temperature. The decomposition temperature of polypropylene (PP) is approximately 288 ° C, but up to 335 ° C is acceptable for a short time.
The bonding between the resin member and the metal member and the measurement of the bonding strength were performed by the same method as in Example A1, except that the second step was performed by the following method. At that time, in the following second step, the temperature T 60 (interface temperature at P 60 in FIG. 3) of the
第2ステップ:
図3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:荷重900N、加圧時間1.00秒、ツール回転数3000rpm)。
その後、図6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13に達しない深さまで進入させた(押込み撹拌工程:荷重1500〜2500N、加圧時間4秒、ツール回転数500〜3000rpm。
次いで、図6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:荷重500N、加圧時間2.75秒、ツール回転数3000rpm)。
次いで、回転ツール16を金属部材11から離間させ、放置冷却を行い、接合体を得た。
Second step:
As shown in FIG. 3, the
Thereafter, as shown in FIG. 6, the
Next, as shown in FIG. 6, the rotation operation of the
Next, the
[比較例A1]
以下の方法により第2ステップを行ったこと以外、実施例A1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合および接合体の評価を行った。
[Comparative Example A1]
Except that the second step was performed by the following method, the resin member and the metal member were joined and the joined body was evaluated by the same method as in Example A1.
第2ステップ:
実施例A1と同様の方法により、予熱工程を行った。
熱量を制御することなく、押込み撹拌工程を行った。詳しくは、荷重を3000Nに一定に維持したこと、回転数を3000rpmに一定に維持したこと、および加圧時間を4秒としたこと以外、実施例A1と同様の方法により、押込み撹拌工程を行った。
実施例A1と同様の方法により、撹拌維持工程を行った。
Second step:
A preheating step was performed in the same manner as in Example A1.
The indentation stirring step was performed without controlling the amount of heat. Specifically, the indentation stirring step was performed in the same manner as in Example A1, except that the load was kept constant at 3000 N, the rotation speed was kept constant at 3000 rpm, and the pressurization time was 4 seconds. It was.
The stirring maintenance step was performed in the same manner as in Example A1.
[実施例B1](位置制御方式)
以下の方法により第2ステップを行ったこと以外、実施例A1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合および接合体の評価を行った。
[Example B1] (Position control method)
Except that the second step was performed by the following method, the resin member and the metal member were joined and the joined body was evaluated by the same method as in Example A1.
第2ステップ:
予熱工程C1を行うことなく、図6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13に達しない深さまで進入させた(押込み撹拌工程C2)。このとき、前記方法(ii−1)に従い、図10に示すように、回転ツールを3000rpm(r4)で回転させつつ20mm/分(v1)で進入させる駆動単位ii−1a(ta=0.3秒)と、回転ツールを3000rpmで回転させつつ進入速度5mm/分で進入させる駆動単位ii−1b(tb=0.3秒)とを、進入量が0.8mm(d1)に達するまで周期的に繰り返した。
Second step:
Without performing the preheating step C1, as shown in FIG. 6, the
次いで、図6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:保持時間1.0秒、ツール回転数2000rpm)。
Next, as shown in FIG. 6, the rotation operation of the
[比較例B1]
以下の方法により第2ステップを行ったこと以外、実施例B1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合および接合体の評価を行った。
[Comparative Example B1]
Except that the second step was performed by the following method, the resin member and the metal member were joined and the joined body was evaluated by the same method as in Example B1.
第2ステップ:
熱量を制御することなく、押込み撹拌工程を行った。詳しくは、進入速度を20mm/分に一定に維持したこと、および回転数を3000rpmに一定に維持したこと以外、実施例B1と同様の方法により、押込み撹拌工程を行った。
実施例B1と同様の方法により、撹拌維持工程を行った。
Second step:
The indentation stirring step was performed without controlling the amount of heat. Specifically, the indentation stirring step was performed by the same method as in Example B1, except that the approach speed was kept constant at 20 mm / min and the rotation speed was kept constant at 3000 rpm.
The stirring maintenance step was performed in the same manner as in Example B1.
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接合境界面
16:回転ツール
17:受け具
60:金属部材と樹脂部材との境界面における樹脂部材の回転ツール直下部
61:樹脂部材における回転ツール直下部の外周部
100:接合強度を測定するための治具
110:金属部材の回転ツール直下部
P:押圧領域(押圧予定領域)
121:樹脂部材の金属部材側表面
1: Friction stir welding apparatus 10: Workpiece 11: Metal member 12: Resin member 13: Joining interface between metal member and resin member 16: Rotating tool 17: Receiving tool 60: Resin at the interface between metal member and resin member Directly below the rotating tool of the member 61: Outer peripheral portion of the resin member immediately below the rotating tool 100: Jig for measuring the bonding strength 110: Directly below the rotating tool of the metal member P: Pressing area (scheduled pressing area)
121: Metal member side surface of resin member
Claims (17)
前記熱圧式接合方法が、
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ステップを含む摩擦撹拌接合方法であり、
前記回転ツールの駆動条件を制御して前記付与する熱量をパルス変化させながら前記第2ステップを行って前記接合を行う、金属部材と樹脂部材との接合方法。 The metal member and the resin member are overlapped, pressure is applied to the resin member by pressing from the metal member side by the pressing member, heat is applied to soften and melt the resin member, and then solidified to perform bonding. It is a joining method of a metal member and a resin member by a hot-pressure joining method,
The hot-pressure bonding method is
A first step of superimposing the metal member and the resin member; and
A second tool that presses against a metal member to generate frictional heat while rotating the rotary tool as a pressing member, softens and melts the resin member with the frictional heat, and then solidifies the second member to join the metal member and the resin member. A friction stir welding method including steps,
A joining method of a metal member and a resin member, wherein the joining is performed by performing the second step while controlling the driving condition of the rotating tool and changing the amount of heat applied.
前記回転ツールの駆動条件が前記回転ツールの荷重、加圧時間および回転数からなる群から選択される1種以上の駆動条件である、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。 Adopting a load control method in the second step,
The metal member and the resin according to any one of claims 1 to 3, wherein the driving condition of the rotating tool is at least one driving condition selected from the group consisting of a load of the rotating tool, a pressing time, and a rotation speed. Joining method with member.
前記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回転ツールを回転させる予熱工程;
前記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;および
前記回転ツールを前記押込み撹拌工程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
を含み、
前記回転ツールの荷重、加圧時間および回転数からなる群から選択される1種以上の駆動条件を制御して前記付与する熱量をパルス変化させながら、前記押込み撹拌工程を行う、請求項4に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The second step includes
A preheating step of rotating the rotary tool in a state where only the tip of the rotary tool is in contact with the surface of the metal member;
A pushing agitation step of pushing the rotating tool into the metal member and entering the metal member and the resin member to a depth not reaching the joining boundary surface; and a position where the rotating tool is entered in the pushing agitation step. Including an agitation maintaining step for continuing the rotation operation,
Load of the rotary tool, while the amount of heat the grant by controlling one or more driving conditions selected from the group consisting of pressing time and the rotation speed is changed in pulse, performs the pushing stirring step, in claim 4 The joining method of the metal member and resin member of description.
(i−1)回転ツールをr2で回転させつつp2で押圧させる駆動単位i−1aと、回転ツールをr2で回転させつつ0.7×p2以下で押圧させる駆動単位i−1bとを、t2だけ繰り返す;
(i−2)回転ツールをr2で回転させつつp2で押圧させる駆動単位i−2aと、回転ツールを0.5×r2以下で回転させつつp2で押圧させる駆動単位i−2bとを、t2だけ繰り返す;および
(i−3)回転ツールをr2で回転させつつp2で押圧させる駆動単位i−3aと、回転ツールを0.7×r2以下で回転させつつ0.7×p2以下で押圧させる駆動単位i−3bとを、t2だけ繰り返す。 In the indentation stirring step, the second pressurizing time is a driving in which the rotary tool is rotated at a second rotation speed (r2) or less and pressed at a second load (p2) or less greater than the first load (p1). The joining method of the metal member and the resin member according to claim 5 , wherein only the (t2) is performed and one method selected from the following methods is followed:
(I-1) A drive unit i-1a for rotating the rotary tool at r2 and pressing it at p2, and a drive unit i-1b for rotating the rotary tool at r2 and pressing it at 0.7 × p2 or less, t2 Repeat only;
(I-2) A drive unit i-2a for rotating the rotary tool at r2 and pressing it at p2, and a drive unit i-2b for pressing the rotary tool at p2 while rotating it at 0.5 × r2 or less. And (i-3) drive unit i-3a for rotating the rotating tool at r2 and pressing at p2, and pressing at 0.7 × p2 or less while rotating the rotating tool at 0.7 × r2 or less The driving unit i-3b is repeated for t2.
前記第2の回転数(r2)が2500rpm以上3500rpm以下の範囲で調整され、
前記第2の加圧時間(t2)が2秒以上4秒以下の範囲で調整される、請求項6に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The second load (p2) is adjusted in the range of 1500N to 3000N,
The second rotational speed (r2) is adjusted in a range of 2500 rpm to 3500 rpm,
The method for joining a metal member and a resin member according to claim 6 , wherein the second pressurization time (t2) is adjusted within a range of 2 seconds to 4 seconds.
前記駆動単位i−1aの駆動単位時間taと前記駆動単位i−1bの駆動単位時間tbとの比率tb/ta、前記駆動単位i−2aの駆動単位時間taと前記駆動単位i−2bの駆動単位時間tbとの比率tb/ta、および前記駆動単位i−3aの駆動単位時間taと前記駆動単位i−3bの駆動単位時間tbとの比率tb/taが0.5〜2である、請求項6または7に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 In the methods (i-1) to (i-3),
The ratio tb / ta between the drive unit time ta of the drive unit i-1a and the drive unit time tb of the drive unit i-1b, the drive unit time ta of the drive unit i-2a and the drive of the drive unit i-2b The ratio tb / ta to the unit time tb and the ratio tb / ta between the drive unit time ta of the drive unit i-3a and the drive unit time tb of the drive unit i-3b are 0.5 to 2. Item 8. A method for joining a metal member and a resin member according to item 6 or 7 .
前記回転ツールの駆動条件が前記回転ツールの進入速度、進入量、保持時間および回転数からなる群から選択される1種以上の駆動条件である、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。 Adopting a position control method in the second step,
The metal according to any one of claims 1 to 3, wherein the driving condition of the rotating tool is one or more driving conditions selected from the group consisting of an approach speed, an approach amount, a holding time, and a rotation speed of the rotating tool. A method of joining a member and a resin member.
前記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;および
前記回転ツールを前記押込み撹拌工程で進入させた位置で、回転ツールを回転させつつ保持する撹拌維持工程;
を含み、
前記回転ツールの進入速度、進入量、保持時間および回転数からなる群から選択される1種以上の駆動条件を制御して前記付与する熱量をパルス変化させながら、前記押込み撹拌工程を行う、請求項9に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The second step includes
A pushing and stirring step of pushing the rotating tool into the metal member to enter a depth not reaching the joint interface between the metal member and the resin member; and a rotating tool at a position where the rotating tool is entered in the pushing and stirring step. Agitation maintaining step of holding while rotating;
Including
Controlling the one or more driving conditions selected from the group consisting of the approach speed, the approach amount, the holding time, and the rotation speed of the rotating tool to perform the indentation stirring step while changing the amount of heat to be applied in pulses. Item 10. A method for joining a metal member and a resin member according to Item 9 .
(ii−1)回転ツールをr4で回転させつつv1で進入させる駆動単位ii−1aと、回転ツールをr4で回転させつつ0.5×v1以下で進入させる駆動単位ii−1bとを、進入量がd1に達するまで繰り返す;
(ii−2)回転ツールをr4で回転させつつv1で進入させる駆動単位ii−2aと、回転ツールを0.8×r4以下で回転させつつv1で進入させる駆動単位ii−2bとを、進入量がd1に達するまで繰り返す;および
(ii−3)回転ツールをr4で回転させつつv1で進入させる駆動単位ii−3aと、回転ツールを0.8×r4以下で回転させつつ0.5×v1以下で進入させる駆動単位ii−3bとを、進入量がd1に達するまで繰り返す。 In the indentation stirring step, the rotary tool is rotated at the fourth rotation speed (r4) or less and is made to enter the first approach speed (v1) or less until the first approach amount (d1) is reached. The method for joining a metal member and a resin member according to claim 10 according to one selected method:
(Ii-1) Enter a drive unit ii-1a that enters at v1 while rotating the rotary tool at r4, and a drive unit ii-1b that enters at 0.5 × v1 or less while rotating the rotary tool at r4 Repeat until the amount reaches d1;
(Ii-2) A drive unit ii-2a that enters at v1 while rotating the rotary tool at r4 and a drive unit ii-2b that enters at v1 while rotating the rotary tool at 0.8 × r4 or less are entered. Repeat until the amount reaches d1; and (ii-3) drive unit ii-3a that rotates the rotating tool at r4 and enters at v1, and 0.5 × while rotating the rotating tool at 0.8 × r4 or less. The drive unit ii-3b to be entered at v1 or less is repeated until the approach amount reaches d1.
前記第1の進入速度(v1)が5〜50mm/分の範囲で調整され、
前記第1の進入量(d1)が、前記金属部材の厚みをTとしたとき、0.5×T〜0.9×Tの範囲で調整される、請求項11に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The fourth rotation speed (r4) is adjusted in a range of 2500 rpm to 3500 rpm,
The first approach speed (v1) is adjusted within a range of 5 to 50 mm / min;
The metal member and the resin according to claim 11 , wherein the first entry amount (d1) is adjusted in a range of 0.5 × T to 0.9 × T, where T is a thickness of the metal member. Joining method with member.
前記駆動単位ii−1aの駆動単位時間taと前記駆動単位ii−1bの駆動単位時間tbとの比率tb/ta、前記駆動単位ii−2aの駆動単位時間taと前記駆動単位ii−2bの駆動単位時間tbとの比率tb/ta、および前記駆動単位ii−3aの駆動単位時間taと前記駆動単位ii−3bの駆動単位時間tbとの比率tb/taが0.5〜2である、請求項11または12に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 In the methods (ii-1) to (ii-3),
The ratio tb / ta between the drive unit time ta of the drive unit ii-1a and the drive unit time tb of the drive unit ii-1b, the drive unit time ta of the drive unit ii-2a and the drive of the drive unit ii-2b The ratio tb / ta to the unit time tb and the ratio tb / ta between the drive unit time ta of the drive unit ii-3a and the drive unit time tb of the drive unit ii-3b are 0.5-2. Item 13. A method for joining a metal member and a resin member according to item 11 or 12 .
前記樹脂部材が150〜300℃の融点Tmを有する、請求項1〜14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 metal member is made of aluminum or an aluminum alloy,
The method for joining a metal member and a resin member according to any one of claims 1 to 14 , wherein the resin member has a melting point Tm of 150 to 300 ° C.
前記熱圧式接合方法が、
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ステップを含む摩擦撹拌接合方法であり、
前記回転ツールの駆動条件を制御して前記付与する熱量をパルス変化させながら前記第2ステップを行って前記接合を行うように押圧部材の駆動を制御する駆動制御装置を含む、金属部材と樹脂部材との接合装置。 The metal member and the resin member are overlapped, pressure is applied to the resin member by pressing from the metal member side by the pressing member, heat is applied to soften and melt the resin member, and then solidified to perform bonding. A device for joining a metal member and a resin member by a hot-pressure joining method,
The hot-pressure bonding method is
A first step of superimposing the metal member and the resin member; and
A second tool that presses against a metal member to generate frictional heat while rotating the rotary tool as a pressing member, softens and melts the resin member with the frictional heat, and then solidifies the second member to join the metal member and the resin member. A friction stir welding method including steps,
A metal member and a resin member including a drive control device that controls the drive of the pressing member so as to perform the second step while performing the second step while controlling the drive condition of the rotating tool and changing the amount of heat applied. Joining device with.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016044889A JP6327268B2 (en) | 2016-03-08 | 2016-03-08 | Method and apparatus for joining metal member and resin member |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016044889A JP6327268B2 (en) | 2016-03-08 | 2016-03-08 | Method and apparatus for joining metal member and resin member |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017159517A JP2017159517A (en) | 2017-09-14 |
JP6327268B2 true JP6327268B2 (en) | 2018-05-23 |
Family
ID=59853604
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016044889A Active JP6327268B2 (en) | 2016-03-08 | 2016-03-08 | Method and apparatus for joining metal member and resin member |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6327268B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020183747A1 (en) * | 2019-03-08 | 2020-09-17 | 睦月電機株式会社 | Method for producing synthetic resin molded body, and method for producing metal resin joined body |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4577620B2 (en) * | 2006-12-06 | 2010-11-10 | マツダ株式会社 | Metal joining method |
JP5966118B2 (en) * | 2011-08-17 | 2016-08-10 | 国立大学法人大阪大学 | Metal material processing method and metal material processing apparatus |
US8393520B1 (en) * | 2011-09-22 | 2013-03-12 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Pulsed ultrasonic stir welding system |
JP5984109B2 (en) * | 2012-02-16 | 2016-09-06 | Eco−A株式会社 | Electric heating joining apparatus and method |
-
2016
- 2016-03-08 JP JP2016044889A patent/JP6327268B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2017159517A (en) | 2017-09-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6098526B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6315017B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6102806B2 (en) | Dissimilar member joining method | |
JP6102813B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6102877B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6102876B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6384411B2 (en) | Method of joining metal member and resin member, and metal member used in the method | |
JP6098605B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6327268B2 (en) | Method and apparatus for joining metal member and resin member | |
JP6098527B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6330760B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP7376044B2 (en) | Bonding structure and bonding method between metal and resin components | |
JP6319341B2 (en) | Method of joining metal member and resin member, and joining member set comprising metal member and resin member used in the method | |
JP2016068130A (en) | Method of joining metal member with resin member | |
JP6098551B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6098565B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6311677B2 (en) | Method of joining metal member and resin member and resin member used in the method | |
JP6056828B2 (en) | Method of joining metal member and resin member and resin member used in the method | |
JP6098607B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6314935B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6614204B2 (en) | Method of joining metal member and resin member and metal member or resin member used in the method | |
JP2017006949A (en) | Friction stir welding method and jointing device for the same | |
JP6137104B2 (en) | Method of joining metal member and resin member | |
JP6614205B2 (en) | Method of joining metal member and resin member and metal member or resin member used in the method | |
JP6098564B2 (en) | Method of joining metal member and resin member |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20171122 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20171212 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180208 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180320 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180402 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6327268 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |