JP6561302B2 - Method for forming superposed fine particle structure and method for joining metal and plastic member using the same - Google Patents

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Description

本発明は、金属とプラスチック間の機械的結合による直接接合に関するものである。   The present invention relates to direct bonding by mechanical bonding between metal and plastic.

金属とプラスチックの複合部材の作成において、金属とプラスチックを接着剤等の中間材を用いることなく、十分な機械的結合強度の得られる直接接合を行うためには、金属表面に複雑な微細構造を形成する必要がある。   In making a composite member of metal and plastic, in order to directly join metal and plastic with sufficient mechanical bond strength without using an intermediate material such as an adhesive, a complicated microstructure is formed on the metal surface. Need to form.

例えば、文献1に複雑化された凹凸形状を形成する方法が記載されている。その方法は、Al−Si系アルミニウム合金板に、ハロゲン化合物が添加された酸水溶液による化学的なエッチング処理、又は当該エッチング処理とブラスト処理の併用により、合金組成(例えば単結晶部と共晶部の分布)の違いを利用し選択的に溶解させることで、その形状を複雑化するものである。   For example, Document 1 describes a method for forming a complicated uneven shape. The method uses an alloy composition (for example, a single crystal part and a eutectic part) by chemical etching with an acid aqueous solution in which a halogen compound is added to an Al—Si-based aluminum alloy plate, or by a combination of the etching and blasting. The shape is complicated by selectively dissolving using the difference in the distribution.

文献2には、同じく複雑な凹凸形状を形成する方法が記載されている。その方法は、金属部材の表面にレーザ光等をスキャン照射し当該表面に溝や窪みを形成するとともに、当該溝や窪みの凹形状を基礎として、前記レーザビームの熱により飛散した溶融金属飛沫等を流動又は再付着させることでその形状を複雑化するものである。   Document 2 describes a method for forming a complicated uneven shape. The method scans and irradiates the surface of the metal member with a laser beam or the like to form grooves or depressions on the surface, and the molten metal splashes scattered by the heat of the laser beam based on the concave shape of the grooves or depressions. The shape is complicated by flowing or reattaching.

文献3には、接合におけるアンカー効果を高める、ブリッジ形状又はオーバーハング形状を有する微細構造の形成方法として、ある走査方向に、ビーム径が数100μmに集光されたレーザによりレーザスキャニング加工した後、当該走査方向とクロスする別の走査方向にレーザスキャニング加工し、これを繰り返し行い前記形状を形成する技術が開示されている。   In Document 3, as a method of forming a microstructure having a bridge shape or an overhang shape, which enhances the anchor effect in bonding, laser scanning is performed by a laser focused with a beam diameter of several hundreds of μm in a certain scanning direction. A technique is disclosed in which laser scanning is performed in another scanning direction crossing the scanning direction, and this is repeated to form the shape.

しかし、エッチング処理は、薬液中で電気化学反応により処理を行う必要があることから、局所的な接合のための局所的な微細構造形成のためには非接合部位へのマスキング処理や、エッチング処理後の薬液の廃液処理等が必要となり、作業が煩雑且つ高価な工法となる。   However, since the etching process needs to be performed by an electrochemical reaction in a chemical solution, the masking process to the non-bonded part or the etching process is necessary for forming a local fine structure for local bonding. The waste liquid processing of the chemical | medical solution after that is needed, and an operation | work becomes a complicated and expensive construction method.

また、レーザスキャニング加工による微細構造の形成においては、加工時間を短縮するためにスキャン回数を減らす必要があるものの、そうすると前記微細構造の形成が困難になるというトレードオフを有しており、接合工程の効率化が困難である。   Further, in the formation of a fine structure by laser scanning processing, it is necessary to reduce the number of scans in order to reduce the processing time, but in that case, there is a trade-off that the formation of the fine structure becomes difficult, and the bonding process It is difficult to improve efficiency.

そこで、本願出願人の発明に係る、カーボン粉体を含む複数の金属粉体からなる混合粉体が塗布された金属の接合予定面を、スポット径が数mmのレーザクラッディングにより隆起させ且つその上に重畳的微細粒子構造を形成し、当該構造を利用して金属の接合予定面とプラスチックとの強力な接合を可能にする技術がある。この技術によれば、金属とプラスチックの成形品同士を局所的に、例えばレーザによる局所加熱による接合が可能であり、その際、隆起形状を基礎としていることから接合界面同士の押圧も容易且つ十分に行え、加熱により溶融したプラスチックの流動性が低い場合であっても、これを十分に微細構造内部へ入り込ませることが可能となった。   Therefore, according to the present applicant's invention, a metal joining planned surface coated with a mixed powder composed of a plurality of metal powders including carbon powder is raised by laser cladding with a spot diameter of several millimeters, and There is a technique for forming a superposed fine particle structure on the upper surface and using the structure to enable strong bonding between a metal-to-be-bonded surface and plastic. According to this technology, it is possible to join metal and plastic molded parts locally, for example, by local heating with a laser. In this case, since the ridge shape is the basis, it is easy and sufficient to press the bonding interfaces. Even when the fluidity of the plastic melted by heating is low, it is possible to sufficiently enter the inside of the microstructure.

しかし、この技術における重畳的微細粒子構造の形成においては、その好適な手段としてカーボンを含む複数の金属等の混合粉体を均一に混錬したあと、金属の接合予定面に付着する方法を用いているため、混合粉体の製造工程が別途必要である。   However, in the formation of the superposed fine particle structure in this technique, a suitable method is to use a method in which a mixed powder of a plurality of metals including carbon is uniformly kneaded and then adhered to the planned joining surface of the metal. Therefore, a separate manufacturing process for the mixed powder is required.

そこで、この工程を簡略化乃至省略し、前記技術に係る接合方法の低コスト化と生産性向上を達成するためには、前記レーザクラッディング形成の際に粉体送給装置を利用することが考えられるが、重畳的微細粒子構造の形成に用いる混合粉体の取り扱いは必ずしも容易ではなく、例えばアルミ、チタン及びカーボンの各粉体を一旦均一に混合した混合粉体は、振動を連続して与えるとカーボン粉体が分離、再凝集を起こし、粉体状態における流動性が悪くなり、前記粉体送給装置が目詰まりを起こすなど、解決すべき課題が残されている。   Therefore, in order to simplify or omit this process and achieve cost reduction and productivity improvement of the joining method according to the technology, it is possible to use a powder feeding device when forming the laser cladding. Although it is conceivable, it is not always easy to handle the mixed powder used to form the superposed fine particle structure. For example, a mixed powder obtained by uniformly mixing aluminum, titanium and carbon powders continuously vibrates. When applied, the carbon powder is separated and re-agglomerated, the fluidity in the powder state is deteriorated, and the powder feeding device is clogged.

特開2011−143539号公報JP 2011-143539 A 特開2013−71312号公報JP 2013-71312 A 国際公開第2007/072603号公報International Publication No. 2007/076023

そこで、重畳的微細粒子構造の形成に用いる複数の金属粉体からなる混合粉体の流動性と均一拡散性を向上させ、重畳的微細粒子構造の形成を簡略化し、金属とプラスチックの複合形成体の生産性を向上させることを目的とする。   Therefore, the fluidity and uniform diffusibility of the mixed powder composed of a plurality of metal powders used for the formation of the superposed fine particle structure is improved, the formation of the superposed fine particle structure is simplified, and the composite of metal and plastic is formed. The purpose is to improve productivity.

第一の発明は、重畳的微細粒子構造を金属基材面上に形成する方法であって、前記金属基材面上に、粒径をいずれも1μm乃至100μmに揃えた炭化物の粉体とチタンの粉体とを含み、これらを混合した混合粉体を付着する工程と、当該混合粉体の付着した面に、当該面の隆起を引き起こしながらレーザクラッディングを施す工程と、を含む重畳的微細粒子構造の形成方法である。A first invention is a method for forming a superposed fine particle structure on a metal substrate surface, wherein carbide powder and titanium having a particle size of 1 μm to 100 μm are formed on the metal substrate surface. And a process of attaching a mixed powder obtained by mixing these powders and a step of applying laser cladding to the surface to which the mixed powder is adhered while causing the surface to rise. This is a method for forming a particle structure.

ここで、重畳的微細粒子構造とは、機械的結合効果であるアンカー効果を発揮する微細凹凸形状面に対し、さらなる微細凹凸形状を重畳的に有する微細構造をいう。図1に、当該重畳的微細粒子構造を模擬的に示す。この図においては、凸形状11に対し重畳的に形成された重畳的凸−凹形状13及び同様に形成された重畳的凸−凸形状14が模擬的に示されている。また、凹形状12に対し重畳的に形成された重畳的凹−凸形状15が示されている。さらに、当該重畳的微細粒子構造は、クラッディングによる隆起形状16上に形成されている。そして、当該構造には、共晶、固溶体又は金属間化合物のいずれによる合金層を形成している場合も含まれる。   Here, the superimposed fine particle structure refers to a fine structure having a further fine irregular shape superimposed on a fine irregular shape surface exhibiting an anchor effect which is a mechanical coupling effect. FIG. 1 schematically shows the superposed fine particle structure. In this figure, a superimposed convex-concave shape 13 superimposed on the convex shape 11 and a superimposed convex-convex shape 14 formed in the same manner are schematically shown. Further, a superimposed concave-convex shape 15 formed so as to be superimposed on the concave shape 12 is shown. Further, the superimposed fine particle structure is formed on the raised shape 16 by the cladding. And the said structure includes the case where the alloy layer by any of a eutectic, a solid solution, or an intermetallic compound is formed.

また、前記金属基材面上に金属粉体を付着する工程とは、被接合対象物の形状を選ばずに利用可能なクラッディング用粉体送給装置による吹き付けが好ましいが、塗布等よる場合を含むものとし、これらに限定されない。   In addition, the step of attaching the metal powder on the surface of the metal base material is preferably sprayed by a cladding powder feeding device that can be used without selecting the shape of the object to be joined, However, it is not limited to these.

また、金属基材には、アルミニウム合金以外のアルミダイキャスト、ステンレススチール、SPCC等の他の金属からなる金属基材が含まれ、これらに限定されない。また、金属材料には単一の金属元素からなる金属や2以上の金属元素を含む合金や、金属基材表面に鍍金やコーティングを施した基材も含まれる。   The metal substrate includes, but is not limited to, a metal substrate made of other metals such as aluminum die cast other than aluminum alloy, stainless steel, and SPCC. In addition, the metal material includes a metal composed of a single metal element, an alloy containing two or more metal elements, and a base material obtained by plating or coating the surface of the metal base material.

なお、図2に、粒径をいずれも1μm乃至100μmに揃えた混合粉体の一例として、F240(JIS R6001 研削砥石用研磨材の粒度)の炭化ホウ素、チタン及びアルミの混合粉体の粒径の分布を計測したデータを示す。(但し、混合の際に微粒化されたものを含む。) As an example of the mixed powder having a particle diameter of 1 μm to 100 μm in FIG. 2, the particle diameter of a mixed powder of boron carbide, titanium and aluminum of F240 (JIS R6001 abrasive particle size). The data which measured distribution of are shown. (However, those that are atomized during mixing are included.)

第二の発明は、第一の発明において、前記炭化物が炭化ホウ素であることを特徴とする重畳的微細粒子構造の形成方法である。   A second invention is the method for forming a superimposed fine particle structure according to the first invention, wherein the carbide is boron carbide.

第三の発明は、第1又は第2の発明において、前記混合粉体が、前記金属基材と同一の金属からなる粉体を含むことを特徴とする重畳的微細粒子構造の形成方法である。   A third invention is the method of forming a superposed fine particle structure according to the first or second invention, wherein the mixed powder includes a powder made of the same metal as the metal substrate. .

第五の発明は、第一乃至第四のいずれかの発明において、前記レーザクラッディングが、窒素によるアシストガスを用いて施されることを特徴とする重畳的微細粒子構造の形成方法である。   A fifth invention is a method for forming a superimposed fine particle structure according to any one of the first to fourth inventions, wherein the laser cladding is performed using an assist gas of nitrogen.

第六の発明は、第一乃至第五のいずれかの発明において形成された重畳的微細粒子構造を有する前記金属基材の接合予定面と、プラスチックの接合予定面とを押圧する工程と、当該押圧された界面を加熱するエネルギーを付与する工程と、当該加熱の結果溶融した前記プラスチックが前記重畳的微細粒子構造に入り込み及び包み込むことで互いに係合する工程により、前記金属基材と前記プラスチックを接合する方法である。   The sixth invention includes a step of pressing the planned joining surface of the metal base material having the superimposed fine particle structure formed in any one of the first to fifth inventions, and the joining planned surface of the plastic, The step of applying energy for heating the pressed interface and the step of engaging the plastic by melting the plastic melted as a result of the heating into and enveloping the superposed fine particle structure, It is a method of joining.

ここで、界面を加熱するエネルギーを付与する工程とは、レーザ光の照射によるもののほか、ホットプレス加熱、超音波振動、インサート成形によるものも可能であり、これらに限定されない。なお、レーザ光を照射し加熱する工程においては、プラスチック側からレーザ光を入射する方法が一般的であるが、レーザ光がプラスチックを吸収する場合であって、他方の金属基材が当該レーザ光を吸収する場合は、一般的な場合と逆に当該金属基材側からのレーザ光照射で金属の伝熱によりプラスチックとの接触界面を加熱することができる。   Here, the step of applying energy for heating the interface includes not only laser irradiation, but also hot press heating, ultrasonic vibration, and insert molding, and is not limited thereto. In the step of irradiating and heating the laser beam, a method in which the laser beam is incident from the plastic side is generally used. However, the laser beam absorbs the plastic, and the other metal substrate is the laser beam. In contrast to the general case, the contact interface with the plastic can be heated by the heat transfer of the metal by laser light irradiation from the metal substrate side.

本願発明によれば、重畳的微細粒子構造を低コスト且つ効率よく形成することができ、ひいては、これを用いた金属基材とプラスチックの接合方法の低コスト化と生産性向上を達成することができる。   According to the present invention, it is possible to efficiently form a superposed fine particle structure at a low cost, and as a result, it is possible to reduce the cost and improve the productivity of a method for joining a metal base material and a plastic using this structure. it can.

重畳的微細粒子構造を模擬的に示した図であるIt is the figure which showed the superposition fine particle structure in simulation 混合粉体の粒径の分布の計測データである。It is measurement data of particle size distribution of mixed powder. 金属基材上に接合予定面を示した図である。It is the figure which showed the joining plan surface on a metal base material. レーザの光軸と同軸のレーザクラッディング用ノズルの図である。It is a figure of the nozzle for laser cladding coaxial with the optical axis of a laser. レーザクラッディングを施した金属基板表面の様子である。It is the state of the metal substrate surface which gave laser cladding. 重畳的微細粒子構造の拡大SEM写真である。It is an enlarged SEM photograph of a superposed fine particle structure. レーザ接合前の金属基材とプラスチックとを当接し押圧した様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the metal base material and laser before laser joining were contact | abutted and pressed. レーザ接合の様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of laser joining. ねじりによりプラスチックが破断した複合材料を示す。A composite material in which plastic is broken by twisting is shown. 複合部材のせん断試験結果を示す。The shear test result of a composite member is shown. 実施例2のレーザスポットによるクラッディング位置を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a cladding position by a laser spot in Example 2. サイドアシスト用窒素ガスを用いたレーザクラッディング法の概略を示す。An outline of a laser cladding method using side assist nitrogen gas is shown. 重畳的微細粒子構造のSEM写真である。It is a SEM photograph of a superposition fine particle structure. 図13に示す写真の拡大倍率を上げた写真及び表面構造の解析写真を示す。The photograph which expanded the magnification of the photograph shown in FIG. 13, and the analysis photograph of surface structure are shown. 走査型電子顕微鏡で観察した重畳的微細粒子構造の一部をX線回折装置により元素分析した様子を示す。A state in which a part of the superposed fine particle structure observed with a scanning electron microscope is subjected to elemental analysis with an X-ray diffraction apparatus is shown. レーザ接合された複合部材を剥離したあとの状態を示す図である。It is a figure which shows the state after peeling the composite member by which laser bonding was carried out. レーザクラッディングにおける窒素アシストガスの有無と接合強度の関係を示す。The relationship between the presence or absence of nitrogen assist gas and the bonding strength in laser cladding is shown. 実施例3のホットプレス法による接合のための装置構成の概略図である。It is the schematic of the apparatus structure for joining by the hot press method of Example 3. FIG. ホットプレス法により接合されたアルミ基材とCFRTPの様子を示す。The state of the aluminum base material and CFRTP joined by the hot press method is shown.

以下、本発明の好適な実施形態をステップに分けて図とともに説明する。なお、本明細書において特に言及している以外の事項であって本発明の実施に必要な事項は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in steps with reference to the drawings. Note that matters that are not particularly mentioned in the present specification and are necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

S1)金属基材の用意
本実施例においては、金属基材1として、幅20mm、長さ50mm、厚さ1mmのアルミニウム合金(A5052)の板材を用意した。この金属基材の一部に、図3において斜線を施した接合予定面2を設定した。
S1) Preparation of Metal Substrate In this example, as the metal substrate 1, a plate of aluminum alloy (A5052) having a width of 20 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 1 mm was prepared. A part of this metal base material was provided with a planned joining surface 2 which is hatched in FIG.

なお、金属基材としてはアルミニウム合金以外の、アルミダイキャスト、ステンレススチール、SPCC等の他の金属材料からなる基材を用いることができる。また、金属材料には、単一の金属元素からなる金属や二以上の金属元素を含む合金や、金属基材表面にメッキやコーティングを施したものも含まれる。   In addition, as a metal base material, the base material which consists of other metal materials, such as aluminum die-casting, stainless steel, SPCC other than an aluminum alloy, can be used. In addition, the metal material includes a metal composed of a single metal element, an alloy containing two or more metal elements, and a metal substrate surface plated or coated.

S2)金属粉体の用意
金属粉体として、金属基材と同一のアルミ金属粉体、炭化ホウ素粉体及びチタン金属粉体を用意した。各金属粉体はいずれも市販のものを用い、その粒径は1μm乃至100μmの範囲内にしている。なお、各粉体のモル比は設計事項ではあるが、本実施例においては、アルミ金属粉体、炭化ホウ素、チタン金属粉体の順に1:1:3である。
S2) Preparation of metal powder As the metal powder, the same aluminum metal powder, boron carbide powder and titanium metal powder as the metal substrate were prepared. Each metal powder is commercially available, and its particle size is in the range of 1 μm to 100 μm. In addition, although the molar ratio of each powder is a design matter, in this example, it is 1: 1: 3 in the order of aluminum metal powder, boron carbide, and titanium metal powder.

S3)粉体送給装置の設定
前記各金属粉体を、粉体送給装置であるGTV社製粉末送給装置のパウダーフィーダー装置に標準の2本のパウダーホッパーにそれぞれ同量ずつ投入する。このパウダーホッパーには、同じく撹拌用のミキサーが標準搭載されているので、投入の際各粉体をあらかじめ混合する必要はない。そして、次ステップであるレーザクラッディングの際、混合粉体31として金属基材表面に供給される。
S3) Setting of Powder Feeder The same amount of each metal powder is put into two standard powder hoppers in a powder feeder of a powder feeder made by GTV, which is a powder feeder. Since this powder hopper is also equipped with a mixer for stirring as standard, it is not necessary to mix each powder in advance. In the next step, laser cladding, the mixed powder 31 is supplied to the surface of the metal substrate.

S4)レーザクラッディング
金属基材の接合予定面にレーザクラッディングを行った。この際、ステップS3の粉体送給装置からはクラッディングノズル41と同軸の粉体送給ノズル42を介して混合粉体31が供給される。図4に示すように、本実施例では、光学系を用いて直径3mmのスポットビーム4に整形した波長970nmの半導体レーザ光を用いた。スポットビーム4の走査速度は、目的とする重畳的微細粒子構造の形状と粒子数により30mm/sから80mm/sまで可変させ、他のクラッディングパラメータとの組み合わせとしての最適値を選択した。
S4) Laser Cladding Laser cladding was performed on the planned joining surfaces of the metal substrates. At this time, the mixed powder 31 is supplied from the powder feeding device in step S3 through the powder feeding nozzle 42 coaxial with the cladding nozzle 41. As shown in FIG. 4, in this embodiment, semiconductor laser light having a wavelength of 970 nm shaped into a spot beam 4 having a diameter of 3 mm using an optical system was used. The scanning speed of the spot beam 4 was varied from 30 mm / s to 80 mm / s depending on the shape of the target superposed fine particle structure and the number of particles, and an optimum value as a combination with other cladding parameters was selected.

次表1では、本実施例1において、重畳的微細粒子構造の形成を試みたサンプルの中から、良好な結果を得たサンプル番号0314−1、0314−4及び0314−6におけパラメータの組み合わせを示す。   In Table 1 below, combinations of parameters in Sample Nos. 0314-1, 0314-4, and 0314-6 that obtained good results from the samples that were attempted to form a superimposed fine particle structure in Example 1. Indicates.

以上の結果に基づき、金属基材表面上に形成された重畳的微細粒子構造5の様子を図5にまとめて示す。この表面写真においては、レーザ照射した部位が変色し金属基材とは異なる合金領域が形成されていることが確認できる。また、図6においては、それらの5倍、20倍の顕微鏡写真である。この写真によれば、さらに重畳的微細粒子構造の形成を確認できる。   Based on the above results, the appearance of the superimposed fine particle structure 5 formed on the surface of the metal substrate is shown in FIG. In this surface photograph, it can be confirmed that the laser-irradiated site is discolored and an alloy region different from the metal substrate is formed. Moreover, in FIG. 6, it is the micrograph of those 5 times and 20 times. According to this photograph, formation of a superimposed fine particle structure can be further confirmed.

S5)プラスチック部材の用意
プラスチック部材71として、幅20mm、長さ50mm、厚み1mmのPA66からなるシートを用意した。なお、本実施例においては、プラスチック部材71上に接合予定面を厳格に定めていないが、プラスチック部材が成型品である場合は、これを定める必要がある。
S5) Preparation of Plastic Member A sheet made of PA66 having a width of 20 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 1 mm was prepared as the plastic member 71. In the present embodiment, the surface to be joined is not strictly defined on the plastic member 71. However, when the plastic member is a molded product, it is necessary to determine this.

S6)金属基材とプラスチック部材との当接及び押圧
ステップS4により金属基材の接合予定面上に形成された重畳的微細粒子構造面5と、前記プラスチック部材71を重ね合わせて当接し、押圧した。押圧は図7に示すように、金属基材側から金属製の裏当てプレート6により裏当てし、樹脂部材をガラス81(テンパックス、厚さ5mm)で挟み込み、油圧ポンプにてその表示上で0.12MPaの圧力を加えた。
S6) Abutment and pressing of metal base material and plastic member The superposed fine particle structure surface 5 formed on the planned joining surface of the metal base material in step S4 and the plastic member 71 are brought into contact with each other and pressed. did. As shown in FIG. 7, the pressing is supported by a metal backing plate 6 from the metal substrate side, the resin member is sandwiched between glass 81 (Tempax, thickness 5 mm), and on the display by a hydraulic pump. A pressure of 0.12 MPa was applied.

なお、押圧の程度は、一般的に、0.1〜3MPaの圧力範囲で最適な条件を選択するとよい。選択した押圧の程度が適切で、かつその初期圧力を保持することにより、後述する溶融したプラスチックが金属基材に形成された重畳的微細粒子構造にまんべんなく入り込み、両者の接合強度が十分に高められる。逆に一部の隆起形状に押圧による圧力が集中する場合、ガラス81が破損する点に留意し最適化を図るとよい。   In general, it is preferable to select an optimum condition for the degree of pressing in a pressure range of 0.1 to 3 MPa. When the selected pressure is appropriate and the initial pressure is maintained, the molten plastic described later uniformly enters the superposed fine particle structure formed on the metal substrate, and the joint strength between the two is sufficiently increased. . On the other hand, when pressure due to pressing is concentrated on a part of the raised shape, it is recommended to optimize the glass 81 with the point that the glass 81 is broken.

S7)レーザ接合
ステップS6により金属基材の接合予定面に押圧されたプラスチック部材71側からスポット状に整形した半導体レーザのレーザスポット9を照射しレーザ接合を行った。図8はその様子を示す。レーザスポット9の照射条件は平均出力を100W、繰返し周波数を1000Hz、Dutyを50%、走査速度10mm/sとした。なお、ビームの整形は、円形のスポット形状に限定されず、接合予定面の形状や総面積により、さらに使用するレーザの出力により適宜最適化することができる。なお、レーザクラッディング同様、レーザの種類は半導体レーザに限定されない。
S7) Laser Joining Laser joining was performed by irradiating the laser spot 9 of the semiconductor laser shaped into a spot shape from the side of the plastic member 71 pressed against the joining surface of the metal base material in step S6. FIG. 8 shows this state. The irradiation conditions of the laser spot 9 were an average output of 100 W, a repetition frequency of 1000 Hz, a duty of 50%, and a scanning speed of 10 mm / s. The beam shaping is not limited to a circular spot shape, and can be optimized as appropriate depending on the shape and total area of the surface to be joined and the output of the laser to be used. Similar to laser cladding, the type of laser is not limited to a semiconductor laser.

本実施例においては、ステップS4においてクラッディングに用いたレーザ光を用いた。この波長970nmは、プラスチック部材71を透過する波長である。なお、使用するプラスチックに対し透過性を有する波長であれば、他のレーザを用いることも可能である。具体的なパラメータは次表2に示す。   In this embodiment, the laser beam used for the cladding in step S4 is used. The wavelength 970 nm is a wavelength that transmits the plastic member 71. It should be noted that other lasers can be used as long as the wavelength is transparent to the plastic used. Specific parameters are shown in Table 2 below.

ステップS4のクラッディングにより形成された重畳的微細粒子構造5を有する合金層は、前記レーザ光の波長に対し透過性を有しないため、プラスチック部材71を透過し接合予定面に照射された当該レーザ光を吸収し熱に変換される。変換された熱は、当接し押圧されたプラスチック部材71の接合予定面に伝搬しこれを溶融する。溶融したプラスチックは前記重畳的微細粒子構造5に入り込み及び包み込み、その結果、金属基材1とプラスチック部材71を強固に接合する。   Since the alloy layer having the superposed fine particle structure 5 formed by the cladding in step S4 is not transmissive to the wavelength of the laser beam, the laser beam that has passed through the plastic member 71 and has been irradiated onto the surface to be joined. It absorbs light and is converted into heat. The converted heat propagates to the joining surface of the pressed plastic member 71 and melts it. The molten plastic enters and wraps up the superposed fine particle structure 5, and as a result, the metal substrate 1 and the plastic member 71 are firmly bonded.

以上のステップにより接合された金属基材とプラスチック部材71からなる複合部材のせん断引張強度試験結果を図9に示す。接合力が強く、プラスチック部材71が破断した様子が確認できる。同じく図10において、せん断引張強度の計測結果を示す。   FIG. 9 shows the shear tensile strength test result of the composite member composed of the metal base material and the plastic member 71 joined by the above steps. It can be seen that the joining force is strong and the plastic member 71 is broken. Similarly in FIG. 10, the measurement result of the shear tensile strength is shown.

本実施例2においては、粉体送給装置を用いることなく、あらかじめ混錬した混合粉体を用いた重畳的微細粒子構造の形成を試み、その形成領域とプラスチック部材をレーザ溶着の手法により、金属とプラスチックの合成部材の作成を試みた。   In Example 2, an attempt was made to form a superposed fine particle structure using a pre-kneaded mixed powder without using a powder feeder, and the formation region and the plastic member were combined by a laser welding technique. An attempt was made to create a composite material of metal and plastic.

S1)金属基材の用意
実施例1と同様、金属基材1として幅20mm、長さ50mm、厚さ1mmのアルミニウム合金(A5052)の板材を用意した。そして、同じく接合予定面2を設定した。
S1) Preparation of Metal Base As in Example 1, a plate of aluminum alloy (A5052) having a width of 20 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 1 mm was prepared as the metal base 1. And the joining plan surface 2 was set similarly.

S2)金属粉体の用意
金属粉体は、実施例1と同様に混合粉体32として、F240の炭化ホウ素並びにこれと同等の粒径分布を持つチタン及びアルミ金属粉体をそれぞれ用意し、あらかじめこれらを混錬した。混合の割合は、この順に、そのモル比として1:1:3としたが、他のパラメータに応じて可変すべき設計事項である。
S2) Preparation of metal powder The metal powder was prepared in the same manner as in Example 1 by preparing F240 boron carbide and titanium and aluminum metal powders having a particle size distribution equivalent to this. These were kneaded. The mixing ratio is 1: 1: 3 as the molar ratio in this order, but it is a design item that should be varied according to other parameters.

S3)金属基材への混合粉体の付着
ステップS2において用意した混合粉体32を前記金属基材面上の接合予定面に厚さが均一になるよう塗布の方法にて付着させた。塗布厚は概ね10〜50μmとしたが、これも、次ステップのレーザクラッディングのパラメータや最終的に得られる構成部材の接合強度に照らし最適化すべき数値である。なお、3次元構造物や低コストによる塗付が困難な金属基材の接合予定面に重畳的微細粒子構造を形成する場合には、実施例1のようにクラッディング用粉体送給装置を利用するほうが望ましい。
S3) Adhesion of mixed powder to metal base material The mixed powder 32 prepared in step S2 was attached to the surface to be bonded on the metal base material surface by a coating method so that the thickness was uniform. Although the coating thickness is generally 10 to 50 μm, this is also a numerical value that should be optimized in light of the parameters of laser cladding in the next step and the joint strength of the finally obtained component members. In the case where a superposed fine particle structure is to be formed on the joining surface of a metal base material that is difficult to apply due to a three-dimensional structure or low cost, a cladding powder feeding apparatus is used as in Example 1. It is preferable to use it.

S4)レーザクラッディング
ステップS3において金属基材の接合予定面に付着させた混合粉体32に対し、レーザクラッディングを行った。図11に示すように、本実施例2では、光学系を用いて直径1mmのスポットビーム4に整形した波長970nmの半導体レーザ光を用いた。スポットビーム4の走査速度は、目的とする重畳的微細粒子構造の形状と粒子数により30mm/sから100mm/sまで可変させた。また、スポットビーム4は幅20mmにわたり走査し、40mm以上領域をクラッディングした。
S4) Laser Cladding Laser cladding was performed on the mixed powder 32 adhering to the joining surface of the metal substrate in step S3. As shown in FIG. 11, in Example 2, a semiconductor laser beam having a wavelength of 970 nm shaped into a spot beam 4 having a diameter of 1 mm using an optical system was used. The scanning speed of the spot beam 4 was varied from 30 mm / s to 100 mm / s depending on the shape of the superimposing fine particle structure and the number of particles. The spot beam 4 was scanned over a width of 20 mm, and an area of 40 mm 2 or more was clad.

また、図12に示すとおり、窒素ガスの吹付けも5リットル/分にて行った。矢印はレーザスポットビームの走査方向を表す。なお、本実施例2においては、図12のようにサイドノズル方式で窒素ガスの供給を行ったが、実施例1において用いたレーザと同軸(同心円)で供給を行っても良い。   Moreover, as shown in FIG. 12, nitrogen gas was also blown at 5 liters / minute. The arrow represents the scanning direction of the laser spot beam. In the second embodiment, nitrogen gas is supplied by the side nozzle method as shown in FIG. 12, but it may be supplied coaxially (concentrically) with the laser used in the first embodiment.

レーザクラッディングに用いるレーザは、本実施例において用いた半導体レーザのほか、ファイバーレーザ、Nd:YAGレーザ、炭酸ガスレーザのほか、用いる混合粉体を加熱できるものであればこれらに限定されない。次表3において、レーザクラッディングにおけるパラメータの組み合わせを示す。   The laser used for the laser cladding is not limited to the semiconductor laser used in this embodiment, a fiber laser, an Nd: YAG laser, a carbon dioxide gas laser, or any other laser capable of heating the mixed powder to be used. Table 3 below shows combinations of parameters in laser cladding.

ステップS4により得られた重畳的微細粒子構造5の複数の写真を図13にまとめて示す。この表面写真ではレーザ照射した部位が変色し金属基材とは異なる合金領域が形成されていることが確認できる。ここで、4つの写真は、上段がアシストガス無し、下段が窒素アシストガスを5L/min吹付けた場合を表し、左列は塗布した混合粉体32の厚みとレーザの走査速度のパラメータの組み合わせが50μm塗布厚と50mm/sであり、右列は10μm塗布厚と100mm/sの組み合わせである。なお、スケールバーは全て500μmである。 A plurality of photographs of the superposed fine particle structure 5 obtained in step S4 are collectively shown in FIG. In this surface photograph, it can be confirmed that the laser-irradiated site is discolored and an alloy region different from the metal substrate is formed. Here, the four photographs show the case where the upper part is without assist gas and the lower part is when nitrogen assist gas is sprayed at 5 L / min, and the left column is a combination of the thickness of the applied mixed powder 32 and the laser scanning speed parameter. Is 50 μm coating thickness and 50 mm / s, and the right column is a combination of 10 μm coating thickness and 100 mm / s. The scale bars are all 500 μm.

図13のうち、右列に示した上下の重畳的微細粒子構造5のそれぞれを約30倍(スケールバー:10μ)に拡大し、図14の中央列に示した。窒素アシストガスを用いた下段の図については、さらに10倍(スケールバー:1μm)に拡大しその図の右に示した(下段右)。一方、上段の窒素アシストガス無しの重畳的微細粒子構造5については、同一の倍率のまま重畳的微細粒子構造の表面の共晶状態を解析した結果を示した(上段右)。左の写真ではその円で囲んだ領域にアルミの分布が多いことを、右の写真では同じくチタンの分布が多いことを表している。   In FIG. 13, each of the upper and lower superposed fine particle structures 5 shown in the right column is enlarged about 30 times (scale bar: 10 μm) and shown in the center column of FIG. 14. The lower figure using nitrogen assist gas is further magnified 10 times (scale bar: 1 μm) and shown on the right side of the figure (lower right). On the other hand, for the superposed fine particle structure 5 without the nitrogen assist gas in the upper stage, the result of analyzing the eutectic state of the surface of the superposed fine particle structure with the same magnification is shown (upper right). The photo on the left shows that there is a lot of aluminum distribution in the circled area, and the photo on the right shows that the distribution of titanium is also high.

図15は、走査型電子顕微鏡で観察した重畳的微細粒子構造の一部をX線回折装置により元素分析した様子を示す。エネルギー分散型X線分析により重畳的微細構造表面にマグネシウム(Mg)シリコン(Si)が検出された。混合粉体32にはマグネシウムやシリコンのいずれも含んでいないことから、アルミニウム金属基材1に含まれるマグネシウムやシリコンが合金層に拡散分布された結果である。   FIG. 15 shows a state in which a part of the superposed fine particle structure observed with a scanning electron microscope is subjected to elemental analysis using an X-ray diffractometer. Magnesium (Mg) silicon (Si) was detected on the superposed microstructure surface by energy dispersive X-ray analysis. Since the mixed powder 32 contains neither magnesium nor silicon, it is a result of the magnesium and silicon contained in the aluminum metal substrate 1 being diffused and distributed in the alloy layer.

S5)プラスチック部材の用意
プラスチック部材72として、幅20mm、長さ50mm、厚み2mmのPA66からなるシートを用意した。なお、本実施例2においては、プラスチック部材72上に接合予定面を厳格に定めていないが、プラスチック部材が成型品である場合は、これを定める必要がある。
S5) Preparation of Plastic Member A sheet made of PA66 having a width of 20 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 2 mm was prepared as the plastic member 72. In the second embodiment, the surface to be joined is not strictly defined on the plastic member 72. However, when the plastic member is a molded product, it is necessary to determine this.

S6)金属基材とプラスチック部材との当接及び押圧
ステップS4により金属基材の接合予定面上に形成された重畳的微細粒子構造面5と、前記プラスチック部材72を重ね合わせて当接し、押圧した。その方法は実施例1と同様である。
S6) Abutting and pressing of metal base material and plastic member In step S4, the superposed fine particle structure surface 5 formed on the planned joining surface of the metal base material and the plastic member 72 are brought into contact with each other and pressed. did. The method is the same as in Example 1.

S7)レーザ接合
ステップS6により金属基材の接合予定面に押圧されたプラスチック部材72側からスポット状に整形した半導体レーザのレーザスポット9を照射しレーザ接合を行った。この方法も実施例1と同様である。
S7) Laser Joining Laser joining was performed by irradiating the laser spot 9 of the semiconductor laser shaped into a spot shape from the side of the plastic member 72 pressed against the planned joining surface of the metal base material in step S6. This method is also the same as in the first embodiment.

本実施例2においても、ステップS4においてクラッディングに用いたレーザ光を用いた。この波長970nmは、プラスチック部材72を透過する波長である。なお、使用するプラスチックに対し透過性を有する波長であれば、他のレーザを用いることも可能である。具体的なパラメータは次表1に示す。   Also in Example 2, the laser beam used for the cladding in step S4 was used. The wavelength 970 nm is a wavelength that transmits the plastic member 72. It should be noted that other lasers can be used as long as the wavelength is transparent to the plastic used. Specific parameters are shown in Table 1 below.

ステップS4のクラッディングにより形成された重畳的微細粒子構造5を有する合金層は、前記レーザ光の波長に対し透過性を有しないため、プラスチック部材72を透過し接合予定面に照射された当該レーザ光を吸収し熱に変換される。変換された熱は、当接し押圧されたプラスチック部材72の接合予定面に伝搬し、これを溶融する。溶融したプラスチック部材72は前記重畳的微細粒子構造5に入り込み及び包み込み、その結果、金属基材1とプラスチックを強固に接合する。   Since the alloy layer having the superposed fine particle structure 5 formed by the cladding in step S4 is not transmissive with respect to the wavelength of the laser beam, the laser beam transmitted through the plastic member 72 and irradiated onto the surface to be joined. It absorbs light and is converted into heat. The converted heat propagates to the joining surface of the pressed plastic member 72 and melts it. The molten plastic member 72 enters and wraps up the superposed fine particle structure 5, and as a result, the metal substrate 1 and the plastic are firmly bonded.

以上のステップにより接合された金属基材1とプラスチック部材72からなる複合部材のせん断引張強度試験結果を図16に示す。その結果、40MPaを超える接合強度を得た。なお、アシストガスとして窒素ガスを使用した場合と未使用の場合とでは、未使用の方が接合強度が高い結果となったが、図16中のエラーバー(±3シグマ)にみられる様に接合強度のばらつきが少なくなった。   FIG. 16 shows the shear tensile strength test result of the composite member composed of the metal substrate 1 and the plastic member 72 joined by the above steps. As a result, a bonding strength exceeding 40 MPa was obtained. In addition, in the case where nitrogen gas is used as an assist gas and the case where it is not used, the result is that the unused one has higher bonding strength, but as seen in the error bar (± 3 sigma) in FIG. Variation in bonding strength was reduced.

図17に前記複合部材を剥離させた後の様子を示す。剥離後のプラスチックの接合部表面には金属側の微粒子が一部付着するが、アシストガスを用いたほうが付着が少なく、隆起した重畳的微細構造が金属基材と十分に密着した合金層を形成したことを確認した。   FIG. 17 shows a state after the composite member is peeled off. Part of the metal-side fine particles adhere to the surface of the plastic joint after peeling, but it is less likely to adhere using the assist gas, and the raised superposed microstructure forms an alloy layer that is in close contact with the metal substrate. I confirmed that.

本実施例3においては、実施例1と同一の方法、材料及びパラメータにより金属基材上に形成した重畳的微細粒子構造5と、レーザの透過性を有しないCFRTP73(炭素繊維と樹脂との複合材料である炭素繊維強化プラスチック)を、レーザ接合に代わってホットプレス法により接合した。図18はその概略装置構成図である。また、次表4はそのパラメータである。
In this third embodiment, the superposed fine particle structure 5 formed on the metal substrate by the same method, material and parameters as in the first embodiment, and CFRTP73 (a composite of carbon fiber and resin having no laser transparency). Carbon fiber reinforced plastic, which is a material, was joined by hot pressing instead of laser joining. FIG. 18 is a schematic configuration diagram of the apparatus. Table 4 below shows the parameters.

図19において、接合の結果を示す。写真に写っている右の幅広のシートは、溶融したCFRTP73がホットプレスに付着しないための保護シートである。そして、左側の重なった二枚が接合された複合素材である。   In FIG. 19, the result of joining is shown. The wide sheet on the right in the photograph is a protective sheet for preventing the molten CFRTP 73 from adhering to the hot press. And it is the composite material which two sheets with which the left side overlapped were joined.

重畳的微細粒子構造を低コスト且つ効率よく形成することができ、ひいては、これを用いて低コストと生産性の高い金属基材とプラスチックの複合部材の製造に利用できる。   The superposed fine particle structure can be formed efficiently at low cost, and by using this, it can be used for the production of a composite member of a metal substrate and plastic with low cost and high productivity.

1 金属基材
11 凸形状
12 凹形状
13 重畳的凸−凹形状
14 重畳的凸−凸形状
15 重畳的凹−凸形状
16 隆起形状
2 接合予定面
31 混合粉体
32 混合粉体(混錬タイプ)
4 クラッディング用レーザスポット(スポットビーム4)
41 クラッディングノズル
42 粉体送給ノズル
5 重畳的微細粒子構造
6 裏当てプレート
71 プラスチック部材(PA66、厚さ1mm)
72 プラスチック部材(PA66、厚さ2mm)
73 CFRTP
81 ガラス
82 ヒーター
83 油圧プレス
9 接合用レーザスポット(スポットビーム9)

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal substrate 11 Convex shape 12 Concave shape 13 Superposition convex-concave shape 14 Superposition convex-convex shape 15 Superposition concave-convex shape 16 Raised shape 2 Surface to be joined 31 Mixed powder 32 Mixed powder (kneading type) )
4 Laser spot for cladding (spot beam 4)
41 Cladding nozzle 42 Powder feeding nozzle 5 Superposed fine particle structure 6 Backing plate 71 Plastic member (PA66, thickness 1 mm)
72 Plastic member (PA66, thickness 2mm)
73 CFRTP
81 Glass 82 Heater 83 Hydraulic press 9 Joining laser spot (spot beam 9)

Claims (5)

重畳的微細粒子構造を金属基材面上に形成する方法であって、
前記金属基材面上に、粒径をいずれも1μm乃至100μmに揃えた炭化物の粉体とチタンの粉体とを含み、これらを混合した混合粉体を付着する工程と、
当該混合粉体の付着した面に、当該面の隆起を引き起こしながらレーザクラッディングを施す工程と、
を含む重畳的微細粒子構造の形成方法。
A method of forming a superimposed fine particle structure on a metal substrate surface,
Including a carbide powder and a titanium powder each having a particle size of 1 μm to 100 μm on the surface of the metal substrate, and attaching a mixed powder obtained by mixing them;
Applying a laser cladding to the surface to which the mixed powder is adhered while causing the surface to rise; and
A method for forming a superposed fine particle structure.
前記炭化物は、炭化ホウ素であることを特徴とする請求項1に記載の重畳的微細粒子構造の形成方法。  The method for forming a superimposed fine particle structure according to claim 1, wherein the carbide is boron carbide. 前記混合粉体は、前記金属基材と同一の金属からなる粉体を含む請求項1又は2のいずれかに記載の重畳的微細粒子構造の形成方法。  The method for forming a superimposed fine particle structure according to claim 1, wherein the mixed powder includes a powder made of the same metal as the metal substrate. 前記レーザクラッディングは、窒素によるアシストガスを用いて施されることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の重畳的微細粒子構造の形成方法。The laser cladding method for forming a superimposed fine particle structure according to any one of claims 1 to 3, characterized in that applied by using an assist gas with nitrogen. 請求項1乃至のいずれかに記載の重畳的微細粒子構造の形成方法を用いて形成された重畳的微細粒子構造を有する前記金属基材の接合予定面と、プラスチックの接合予定面とを押圧する工程と、
当該押圧された界面を加熱するエネルギーを付与する工程と、
当該加熱の結果溶融した前記プラスチックが前記重畳的微細粒子構造に入り込み及び包み込むことで互いに係合する工程により、前記金属基材と前記プラスチックを接合する方法。
Pressing a planned joining surface of the metal base material having a superimposed fine particle structure formed by using the method for forming a superimposed fine particle structure according to any one of claims 1 to 4 and a planned joining surface of a plastic And a process of
Applying energy for heating the pressed interface;
A method of joining the metal substrate and the plastic by a process in which the plastic melted as a result of the heating enters and wraps in the superposed fine particle structure to engage with each other.
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