JP6589171B2 - 金属樹脂接合方法及び金属樹脂接合体 - Google Patents
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Description
金属材と樹脂材とを直接接合する方法であって、
アーク熱源を用いて前記金属材の少なくとも一部に加熱領域を形成させる加熱工程を有し、
前記加熱領域からの入熱によって、前記樹脂材の少なくとも一部を前記樹脂材の溶融温度以上に昇温し、接合部を形成すること、
を特徴とする金属樹脂接合方法、を提供する。
樹脂材と金属材との重ね接合部材であって、
前記樹脂材と前記金属材とは直接接合されており、
前記金属材には加熱処理による熱影響部が形成され、
前記熱影響部の外側にも接合界面が形成されていること、
を特徴とする金属樹脂接合体、も提供する。
本発明の金属樹脂接合方法においては、金属材と樹脂材とを重ね合わせた状態で当該金属材を加熱する方法(重ね加熱接合)と、金属材を加熱した後に樹脂材を当接させる方法(板間加熱接合)と、が存在する。
重ね加熱接合の概念図を図1に示す。重ね加熱接合においては、金属材2と樹脂材4を重ね合わせた状態で、金属材2の側にプラズマ溶接トーチ6を配置し、アーク8によって金属材2を加熱する。ここで、プラズマ溶接トーチ6は特に限定されず、従来公知の種々のプラズマ溶接トーチを用いることができる。
板間加熱接合の概念図を図2に示す。板間加熱接合においては、アーク8によって金属材2を加熱して加熱領域10を形成させた後、加熱領域10に樹脂材4を当接させることで接合部が形成される。
上述の重ね加熱接合及び板間加熱接合においては、加圧工程を付加することで接合部の強度や信頼性等を向上させることができる。
本発明の金属樹脂接合体の概略断面図を図3に示す。金属樹脂接合体12は、金属材2と樹脂材4とが直接接合されたものであり、接合部に接着剤やリベット等は使用されていない。
≪実施例1≫
金属材としてフェライト系耐熱鋼板:SUH409L板(100mm×30mm×1.5mm)、樹脂材としてPET板(100mm×30mm×2mm)を用い、図4に示す状態に重ね合わせて金属材側からアーク加熱することで、「重ね加熱接合」を施した。アーク溶接熱源には日鉄住金溶接工業製のプラズマ溶接機(350A用)を用い、タングステン電極をφ3.2mm、インサートチップをφ3.2mmとし、6軸ロボットにより動作制御を行った。なお、パイロットガス流量は0.4L/分で一定とした。
金属材として亜鉛めっき鋼板:SPCM2−55/55(100mm×30mm×1.6mm)、樹脂材としてPET板(100mm×30mm×2mm)を用い、溶接電流(アーク電流)を5〜12Aで変化させた以外は実施例1と同様にして「重ね加熱接合」を施した。
金属材としてフェライト系耐熱鋼板:SUH409L板(100mm×30mm×1.5mm)、樹脂材としてポリアミド板(100mm×30mm×2mm)を用い、溶接電流(アーク電流)を10〜22A、接合速度(アーク熱源の移動速度)を15〜25cm/分
で変化させた以外は実施例1と同様にして「重ね加熱接合」を施した。
金属材として亜鉛めっき鋼板:SPCM2−55/55(100mm×30mm×1.6mm)、樹脂材としてポリアミド板(100mm×30mm×2mm)を用い、溶接電流(アーク電流)を12〜30A、接合速度(アーク熱源の移動速度)を20〜30cm/分
で変化させた以外は実施例1と同様にして「重ね加熱接合」を施した。
金属材としてフェライト系耐熱鋼板:SUH409L板(100mm×30mm×1.5mm)、樹脂材としてPET板(100mm×30mm×2mm)を用い、SUH409L板をアーク加熱した直後にPET板を当接させ、被接合部を加圧することで「板間加熱接合」を施した。なお、SUH409L板のアーク加熱箇所及びSUH409L板とPET板を当接させる際の配置は、「重ね加熱接合」の場合と同様に、図4に示す状態とし、接合部への加圧は0.6MPaとした。
金属材としてフェライト系耐熱鋼板:SUH409L板(100mm×30mm×1.5mm)、樹脂材としてポリアミド板(100mm×30mm×2mm)を用い、溶接電流(アーク電流)を30〜60A、接合速度(アーク熱源の移動速度)を20〜55cm/分
で変化させた以外は実施例5と同様にして「板間加熱接合」を施した。
金属材として亜鉛めっき鋼板:SPCM2−55/55(100mm×30mm×1.6mm)、樹脂材としてポリアミド板(100mm×30mm×2mm)を用い、溶接電流(アーク電流)を30〜70A、接合速度(アーク熱源の移動速度)を20〜40cm/分
で変化させた以外は実施例1と同様にして「板間加熱接合」を施した。
接合部へ印加する加圧力を0.3〜1.7MPa(加圧部面積:450mm2)の範囲で変化させ、接合速度及び溶接電流をそれぞれ20cm/分及び8Aとした以外は実施例5と同様にして、実施金属樹脂接合体を得た。
≪実施例9≫
金属材として亜鉛めっき鋼板:SPCM2−55/55(100mm×25mm×0.8mm)、樹脂材としてポリアミド板(100mm×25mm×2mm)を用い、樹脂金属接合用に設計した専用電極を備えた定置抵抗スポット溶接機にてワンサイド通電することでワンサイド抵抗スポット溶接を用いた「重ね加熱接合」を施した。図33に亜鉛めっき鋼板とポリアミド板の配置状況を示す。亜鉛めっき鋼板は上側、ポリアミド板は下側に配置され、通電は重ね部材上側(亜鉛めっき鋼板側)から、加圧は重ね部材下側(樹脂側)から行った(溶接機の下部に加圧用の治具を配置した)。
通電回数を2回とし、一次通電条件を通電電流:2.5kA、通電時間:15Cycleとして二次通電条件を変化させて得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図39に示す。なお、一次通電から二次通電へのアップスロープは9Cycleとし、二次通電条件は通電電流:3.0〜3.5kA、通電時間:10〜15Cycleとした。なお、その他の条件は実施例9と同様とした。
一次通電条件を通電電流:2.5kA、通電時間:20Cycle、二次通電条件を通電電流:2.0kA、通電時間:40Cycleとし、加圧用治具を用いて通電完了後直ちに一定圧力をポリアミド板側から接合界面に印加することで、せん断強度に及ぼす加圧力の影響を検討した。なお、その他の条件は実施例9と同様とした。各加圧力条件で得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図40に示す。
次に、加圧用治具を用いた加圧を行うことなく、通電時の電極による荷重を0.4kgf/cm2〜1.2kgf/cm2の範囲で変化させた。なお、一次通電条件は通電電流:2.5kA、通電時間:20Cycle、二次通電条件は通電電流:2.0kA、通電時間:40Cycleとした。なお、その他の条件は実施例9と同様とした。得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図41に示す。
一次通電条件を通電電流:0.7kA、通電時間:99Cycle、二次通電条件を通電電流:1.8kA又は2.0kA、通電時間:40Cycle、三次通電条件を通電電流:1.0kA、通電時間:99Cycleとして得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図42に示す。なお、その他の条件は実施例9と同様とした。
樹脂材をGFRP(30%ガラス繊維添加強化によるポリアミド樹脂)、金属材を亜鉛めっき鋼板とした場合の金属樹脂接合について評価を行った。なお、被接合材のサイズ及び形状は実施例9と同様である。一次通電条件を通電電流:2.5kA、通電時間:30Cycle、二次通電条件を通電電流:2.0kA、通電時間:40Cycleとし、加圧用治具を用いて通電完了後直ちに一定圧力をGFRP板側から接合界面に印加することで、せん断強度に及ぼす加圧力の影響を検討した。なお、その他の条件は実施例9と同様とした。各加圧力条件で得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図45に示す。
金属材としてアルミニウム合金:5000系(100mm×25mm×0.9mm)、樹脂材としてポリアミド板(100mm×25mm×2mm)を用い、通電回数1回で実施金属樹脂接合体を製造した。通電電流を2.5kA、通電時間を175〜275Cycleとして得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図46に示す。なお、その他の条件は実施例9と同様とした。
金属材としてアルミニウム合金:5000系(100mm×25mm×0.9mm)、樹脂材としてGFRP(30%ガラス繊維添加強化によるポリアミド樹脂,100mm×25mm×2mm)用い、通電回数1回で実施金属樹脂接合体を製造した。通電電流を2.5〜3.5kA、通電時間を138〜275Cycleとして得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図47に示す。なお、その他の条件は実施例9と同様とした。
4・・・樹脂材、
6・・・プラズマ溶接トーチ、
8・・・アーク、
10・・・加熱領域、
12・・・金属樹脂接合体、
14・・・接合界面。
Claims (10)
- 金属材と樹脂材とを直接接合する方法であって、
アーク熱源を用いて前記金属材の少なくとも一部に加熱領域を形成させる加熱工程を有し、
前記加熱領域からの入熱によって、前記樹脂材の少なくとも一部を前記樹脂材から気泡が発生する温度以上に昇温し、接合部を形成すること、
を特徴とする金属樹脂接合方法。 - 前記接合部の形成過程又は形成直後に前記接合部を加圧すること、
を特徴とする請求項1に記載の金属樹脂接合方法。 - 前記加熱工程において、前記金属材と前記樹脂材とを重ね合わせた状態で、前記アーク熱源を前記金属材の側に配置すること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の金属樹脂接合方法。 - 前記加熱工程で前記金属材の少なくとも一部に前記加熱領域を形成させた後に、前記加熱領域の少なくとも一部と重畳するように前記樹脂材を配置し、前記樹脂材の一部を前記樹脂材の溶融温度以上に昇温すること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の金属樹脂接合方法。 - 前記加熱工程において、前記アーク熱源の使用に代えて、前記金属材と前記樹脂材とを重ね合わせた状態でワンサイド抵抗スポット溶接を施し、前記金属材の少なくとも一部に前記加熱領域を形成させること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の金属樹脂接合方法。 - 前記加熱工程において、前記金属材と前記樹脂材との被接合界面の最高温度を450〜600℃とすること、
を特徴とする請求項1〜5のうちのいずれかに記載の金属樹脂接合方法。 - 前記加熱工程において、前記金属材と前記樹脂材との前記被接合界面の温度を275〜600℃とすること、
を特徴とする請求項1〜6のうちのいずれかに記載の金属樹脂接合方法。 - 前記加圧を1.40〜1.85MPaとすること、
を特徴とする請求項2〜7のうちのいずれかに記載の金属樹脂接合方法。 - 樹脂材と金属材との重ね接合部材であって、
前記樹脂材と前記金属材とは直接接合されており、
前記金属材には加熱処理による熱影響部が形成され、
前記熱影響部の外側にも接合界面が形成され、
前記樹脂材には前記樹脂材の分解に起因する気泡が形成されていること、
を特徴とする金属樹脂接合体。 - 前記接合領域に存在する前記気泡の最大直径が0.1mm未満であること、
を特徴とする請求項9に記載の金属樹脂接合体。
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