JP6977996B2 - 異材接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合する異材接合方法に関する。

従来より、２つの被接合部材を接合する方法として種々の方法が知られている。

例えば、２つの被接合部材を接合する方法として、リベットを用いた方法が知られている。例えば、特許文献１では、リベットが座金を介して２つの積層板材（ＣＦＲＰ）を接合している。座金は、リベットを打ち込む際の衝突力を受け止めて、積層板材の層間剥離を抑制するために用いられている。また、２つの被接合部材を接合する方法としては、リベット以外にも、ボルト等を用いる方法も挙げられる。

しかしながら、リベットやボルトを用いる方法では、被接合部材同士の接合部における重量が増大し得る。とりわけ、２つの被接合部材のうちの少なくとも一方が、軽量化を目的として樹脂材料で形成されている場合には、リベットやボルトを用いることは、軽量化の目的に反してしまうという問題が生じる。

そこで、２つの被接合部材を接合する方法として、摩擦撹拌接合を用いる方法が知られている（例えば、特許文献２〜５参照）。摩擦撹拌接合は、上述したリベットやボルトを用いないため、接合部の重量が増大することを防止できる。

摩擦撹拌接合は、摩擦熱を利用して２つの被接合部材を接合する方法である。特許文献２、３では、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを重ね合わせて、回転する接合ツールを被接合金属部材に押し当てる。すると、接合ツールと被接合金属部材との間の摩擦によって摩擦熱が発生し、この摩擦熱が被接合金属部材と被接合樹脂部材との界面を通じて被接合樹脂部材に伝達され、被接合樹脂部材が融点以上に加熱されて局部的に溶融する。その後、接合ツールを被接合金属部材から離して冷却させると、被接合樹脂部材の溶融部分が硬化し、被接合金属部材との界面に溶着される。このことにより、被接合金属部材が被接合樹脂部材に接合される。

また、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合する他の方法として、接着剤を用いて被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接着する方法もある。一般に機械構造用に使用される高強度接着剤の多くは、せん断強度が高い一方で剥離強度が低いことが知られている。このため、接着剤を用いて被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接着させた場合や、特許文献２、３に示すような方法で被接合金属部材の金属材料を被接合樹脂部材に溶着させた場合、被接合金属部材と被接合樹脂部材の接合部におけるせん断強度は確保することができるが、剥離強度を確保することは困難である。

更に、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合する他の方法として、レーザリベット接合法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。これは、被接合金属部材と金属座金との間に、貫通孔が形成された被接合樹脂部材を挟み込み、貫通孔を介して被接合金属部材と金属座金とをレーザ光で溶接することにより、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合する方法である。被接合金属部材と金属座金とをレーザ光で溶接させるためには、被接合金属部材と金属座金とのギャップが設けられていないか、またはギャップは小さい方が好ましい。このため、被接合金属部材と金属座金は、貫通孔内に入り込むような形状にそれぞれ形成されている。

特許第５８３８５３７号公報 特開２０１５−１３１４４３号公報 特許第５８１７１４０号公報 特許第３４２９４７５号公報 特許第５８５４４５１号公報

Development of High Power Direct Diode Laser Equipped Remote Laser Welding Robot System "LAPRISS" and Welding Process、川本 溶接学会誌 第85巻 (2016) 第8号 PP.7-9

しかしながら、非特許文献１に示す方法では、上述した形状への被接合金属部材と金属座金の加工には高い精度が要求される。一方、被接合金属部材と金属座金との間にある程度のギャップが形成されると、被接合金属部材と金属座金との溶接が不十分になり、十分な強度が得られなくなるおそれがある。このため、ギャップの管理にコストと労力を費やされ、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合することが困難になると考えられる。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、剥離強度を向上させることができるとともに、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを容易に接合することができる異材接合方法を提供することを目的とする。

本発明は、
被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合用金属部材を用いて接合する異材接合方法であって、
第１面と、前記第１面とは反対側に設けられた第２面と、前記第１面から前記第２面にわたって形成された貫通孔と、を有する前記被接合樹脂部材を準備するとともに、前記被接合金属部材および前記接合用金属部材を準備する工程と、
前記被接合樹脂部材の前記貫通孔が前記第１面の側から前記被接合金属部材で覆われるとともに、前記第２面の側から前記接合用金属部材で覆われるように、前記被接合金属部材、前記被接合樹脂部材および前記接合用金属部材を重ね合わせる工程と、
回転する接合ツールで前記接合用金属部材を前記貫通孔内に押し込み、前記被接合金属部材に摩擦撹拌接合させる工程と、を備えた、異材接合方法、
を提供する。

上述した異材接合方法において、
前記接合用金属部材は、前記被接合樹脂部材の側に設けられた平坦状の第１面と、前記第１面とは反対側に設けられた平坦状の第２面と、を有している、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合金属部材は、前記被接合樹脂部材とは反対側に設けられた平坦状の第１面と、前記被接合樹脂部材の側に設けられた平坦状の第２面と、を有している、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合金属部材が、鋼、銅、銅合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金またはチタン合金で形成されている、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合樹脂部材が、繊維強化プラスチック材料で形成されている、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合樹脂部材が、熱硬化性樹脂で形成されている、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合樹脂部材が、熱可塑性樹脂で形成されている、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合金属部材、前記被接合樹脂部材および前記接合用金属部材を重ね合わせる工程において、前記被接合金属部材と前記被接合樹脂部材との間、および前記被接合樹脂部材と前記接合用金属部材との間の少なくとも一方に、絶縁性部材がそれぞれ介在されている、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記絶縁性部材は、接着剤、シール材または樹脂シートである、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合樹脂部材の前記貫通孔の平面形状は、円形である、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合金属部材は、前記被接合樹脂部材とは反対側に設けられた第１面と、前記被接合樹脂部材の側に設けられた第２面と、を有し、
前記接合ツールは、ツール本体と、ツール本体の先端から突出する球状のプローブと、を有しており、
前記プローブのツール半径をｒ、前記被接合金属部材の厚さをｔ_１、前記被接合樹脂部材の厚さをｔ_２、前記接合用金属部材の厚さをｔ_３、摩擦撹拌接合時における前記プローブの押込深さをＤ、前記プローブが前記押込深さＤで押し込まれている押込位置に押し込まれた前記プローブの先端と前記被接合金属部材の前記第１面との距離をｄ、前記ツール本体の径をφ_Ｓ、前記貫通孔の半径をＲとしたとき、前記貫通孔の径φ_Ｍは、

を満たしている、
ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合金属部材は、前記被接合樹脂部材とは反対側に設けられた第１面と、前記被接合樹脂部材の側に設けられた第２面と、を有し、
前記接合ツールは、ツール本体と、ツール本体の先端から突出する円錐台状のプローブと、を有しており、
前記プローブは、平坦状の先端面と、前記ツール本体から前記先端面に向かって縮径する傾斜面と、を含み、
前記プローブのツール半径をｒ_１、前記被接合金属部材の厚さをｔ_１、前記被接合樹脂部材の厚さをｔ_２、前記接合用金属部材の厚さをｔ_３、摩擦撹拌接合時における前記プローブの押込深さをＤ、前記プローブが前記押込深さＤで押し込まれている押込位置における前記プローブの先端と前記被接合金属部材の前記第１面との距離をｄ、前記プローブの前記先端面の半径をｒ_２、前記押込位置に押し込まれた前記プローブの前記被接合樹脂部材の前記第２面における半径をｒ_３、前記押込位置に押し込まれた前記プローブと前記貫通孔の壁面との前記被接合樹脂部材の前記第２面における距離をｒ_４、前記プローブの突出寸法をＬ、前記貫通孔の半径をＲ、前記ツール本体の径をφ_Ｓとしたとき、前記貫通孔の径φ_Ｍは、

を満たしている、ようにしてもよい。

上述した異材接合方法において、
前記被接合樹脂部材の前記貫通孔の平面形状は、長手方向を有している、
ようにしてもよい。

本発明によれば、剥離強度を向上させることができるとともに、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを容易に接合することができる。

図１は、本実施の形態による異材接合方法により得られた接合構造体を示す断面図である。 図２は、図１の接合構造体の平面図である。 図３は、本発明の実施の形態による異材接合方法を実施するための接合装置一例を示す模式図である。 図４は、図３の接合装置の接合ツールを示す拡大図である。 図５（ａ）は、本実施の形態における異材接合方法において、金属板、樹脂板および金属座金を準備する工程を示す図であり、図５（ｂ）は、金属板、樹脂板および金属座金を重ね合わせる工程を示す図であり、図５（ｃ）は、接合ツールを金属座金に押し付ける前の状態を示す図であり、図５（ｄ）は、接合ツールを押し込んだ状態を示す図であり、図５（ｅ）は、接合ツールを上昇させた状態を示す図である。 図６は、図５（ｂ）に示す工程の変形例を示す図である。 図７は、図１の接合構造体の変形例を示す断面図である。 図８は、図７の接合構造体の平面図である。 図９は、図４の接合ツールの変形例を示す図である。 図１０（ａ）は、実施例１としての接合構造の断面を示す写真であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の断面の一部を拡大して示す写真である。 図１１は、比較例１−１としての接合構造体の断面の一部を拡大して示す写真である。 図１２（ａ）は、引張せん断強度試験で使用する試験片を示す平面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の試験片を用いた引張せん断強度試験方法を説明するための図である。 図１３は、実施例１における引張せん断強度と、比較例１−２における引張せん断強度を示すグラフである。 図１４（ａ）は、十字引張強度の試験方法で使用する試験片を示す平面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の試験片を用いた十字引張強度試験方法を説明するための模式図である。 図１５は、実施例１および比較例１−３における引張せん断強度および十字引張強度を示すグラフである。 図１６は、実施例１および比較例１−３における単位接合面積当たりの引張せん断強度および単位接合面積当たりの十字引張強度を示すグラフである。 図１７は、実施例２−２としての接合構造体の断面の一部を拡大して示す写真である。 図１８は、実施例２における引張せん断強度を示すグラフである。 図１９は、実施例３における引張せん断強度を示すグラフである。 図２０は、実施例４における引張せん断強度を示すグラフである。 図２１は、実施例５における引張せん断強度を示すグラフである。 図２２は、実施例６における引張せん断強度を示すグラフである。 図２３は、実施例３〜実施例６により得られた引張せん断強度試験結果をまとめた表である。 図２４は、図２３に示す試験結果をプロットしたグラフである。 図２５は、図２３および図２４に示す貫通孔の予測値を求めるための幾何学モデルを示す図である。 図２６は、図９に示す接合ツールについての幾何学モデルを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１〜図８を参照して、本発明の実施の形態における異材接合方法について説明する。本実施の形態における異材接合方法は、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合用金属部材を用いて接合するための方法である。ここではまず、本実施の形態による異材接合方法により得られる接合構造体１０について図１を用いて説明する。本実施の形態による接合構造体１０は、金属板１１（被接合金属部材）と樹脂板１２（被接合樹脂部材）とを接合した構造体であって、より具体的には、金属板１１と金属座金１３（接合用金属部材）とを、樹脂板１２を挟み込んだ状態で摩擦撹拌接合することにより得られる構造体である。摩擦撹拌接合とは、接合ツールの回転力により生じる摩擦熱によって部材を軟化させて撹拌し、硬化させることで複数の部材を接合することをいう。

図１および図２に示すように、接合構造体１０は、金属板１１と、金属板１１上に直接的に重ね合わされた樹脂板１２と、樹脂板１２上に直接的に重ね合わされた金属座金１３と、を備えている。このうち金属板１１は、樹脂板１２とは反対側に設けられた第１面１１ａと、第１面１１ａとは反対側（樹脂板１２の側）に設けられた第２面１１ｂと、を有している。第１面１１ａおよび第２面１１ｂはいずれも平坦状に形成されており、金属板１１は、平板状に形成されている。樹脂板１２は、金属板１１の側に設けられた第１面１２ａと、第１面１２ａとは反対側に設けられた第２面１２ｂと、貫通孔１４と、を有している。第１面１２ａおよび第２面１２ｂはいずれも平坦状に形成されており、樹脂板１２は、平板状に形成されている。金属座金１３は、樹脂板１２の側に設けられた第１面１３ａと、第１面１３ａとは反対側に設けられた第２面１３ｂと、を有している。第１面１３ａおよび第２面１３ｂはいずれも平坦状に形成されており、金属座金１３は、平板状に形成されている。そして、金属板１１の第２面１１ｂに樹脂板１２の第１面１２ａが重ね合わされ、樹脂板１２の第２面１２ｂに、金属座金１３の第１面１３ａが重ね合わされている。このようにして、金属板１１と樹脂板１２と金属座金１３は、この順番で積層されている。

貫通孔１４は、図１に示すように、樹脂板１２の第１面１２ａから第２面１２ｂにわたって形成されており、樹脂板１２を貫通している。また、貫通孔１４は、図２に示すように、金属板１１と樹脂板１２とが重なり合う領域よりも小さな形状であって、金属座金１３と樹脂板１２とが重なり合う領域よりも小さな形状を有している。すなわち、貫通孔１４の全体が、樹脂板１２の第１面１２ａの側から金属板１１で覆われている。また、貫通孔１４の全体が、樹脂板１２の第２面１２ｂの側から金属座金１３で覆われている。言い換えると、金属座金１３は、樹脂板１２の貫通孔１４の全体を覆うことができる平面形状を有している。貫通孔１４の平面形状は、任意であるが、例えば、図２に示すように、円形であってもよい。この場合、金属板１１と金属座金１３とは、摩擦撹拌点接合される。

金属座金１３の一部は、樹脂板１２の貫通孔１４に入り込んで、摩擦撹拌接合部１５の一部を形成している。摩擦撹拌接合部１５は、貫通孔１４内に押し込まれた金属座金１３の軟化部分と、金属板１１の軟化部分とによって構成されている。この摩擦撹拌接合部１５は、金属板１１と金属座金１３とを接合して一体化している。また、金属座金１３は、後述する接合ツール４２によって樹脂板１２の第２面１２ｂに押圧されている。このようにして、樹脂板１２は金属板１１に接合されている。すなわち、金属板１１と樹脂板１２との間で作用する摩擦力および樹脂板１２と金属座金１３との間で作用する摩擦力によって、積層方向および積層方向に直交する方向（図２における左右方向および上下方向）のそれぞれに、金属板１１と樹脂板１２が相対移動不能になり、互いに固定されている。ここで、金属板１１と樹脂板１２とが接合するという説明は、金属板１１を形成する金属材料と樹脂板１２を形成する樹脂材料とが互いに直接的に接合しているか否かに関わるのではなく、金属座金１３が金属板１１に接合することにより、接合構造体１０の強度よりも小さな力が付加された場合であっても、金属板１１と樹脂板１２とが３次元的に任意の方向に相対移動不能に固定されていることを意味するものとして扱う。なお、図１においては、摩擦撹拌接合部１５が、樹脂板１２の貫通孔１４に嵌合している例が示されているが、これに限られることはない。

図１に示すように、摩擦撹拌接合部１５には連続状の凹面１６が形成されている。この凹面１６は、下方に向かって凸となるように湾曲状に形成されている。すなわち、凹面１６は、後述するプローブ４４で押圧されたことにより形成される面であり、プローブ４４の湾曲面４４ａに沿うように形成されている。摩擦撹拌接合時、プローブ４４が金属板１１に入り込むことにより、凹面１６の一部は、樹脂板１２の第１面１２ａよりも金属板１１の側に入り込むように形成されている。

金属板１１に用いる材料は、金属座金１３と好適に摩擦撹拌接合することができれば特に限られることはない。例えば、金属板１１は、鋼、銅、銅合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金またはチタン合金で形成されていてもよい。金属板１１の板厚（接合前の厚さ）は、例えば、０．１ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは、０．５ｍｍ〜５ｍｍである。

樹脂板１２に用いる材料は、特に限られることはないが、樹脂板１２は、例えば、繊維強化プラスチック材料で形成されていてもよい。繊維強化プラスチック材料は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）であってもよい。また、繊維強化プラスチック材料は、熱硬化性樹脂を含浸していてもよく、熱可塑性樹脂を含浸していてもよい。また、樹脂板１２は、繊維を含まずに、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂で形成されていてもよい。樹脂板１２の板厚（接合前の厚さ）は、例えば、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは、０．５ｍｍ〜５ｍｍである。

金属座金１３に用いる材料は、金属板１１と好適に摩擦撹拌接合することができれば特に限られることはない。例えば、金属座金１３は、鋼、銅、銅合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金またはチタン合金で形成されていてもよい。金属座金１３の板厚（接合前の厚さ）は、例えば、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは、０．５ｍｍ〜３ｍｍである。

次に、このような接合構造体１０を形成するための接合装置３０の一例について、図３を用いて説明する。

図３に示すように、接合装置３０は、ベース３１と、ベース３１上に固定された筐体３２と、を備えている。筐体３２内にはサーボモータ３３が設けられている。このサーボモータ３３から上方にボールねじ３４が延びている。ボールねじ３４にはボールナット３５が螺合しており、ボールナット３５にはスライダー３６が固定されている。筐体３２には上下方向に延びるガイドレール３７が設けられており、スライダー３６は、このガイドレール３７に案内されて上下方向に移動可能になっている。

スライダー３６にはインダクションモータ３８が固定されている。インダクションモータ３８から下方に出力軸３９が延びている。出力軸３９は、スライダー３６に固定された軸受部材４０に回転可能に支持されている。軸受部材４０の下方にはツール保持部４１が設けられている。このツール保持部４１は、出力軸３９に固定されており、接合ツール４２を保持するようになっている。

このような構成により、サーボモータ３３が駆動されるとボールねじ３４が回転し、スライダー３６が上昇または下降する。スライダー３６の上昇または下降に応じて、ツール保持部４１に保持された接合ツール４２が上昇または下降する。そして、インダクションモータ３８が駆動されることにより、接合ツール４２が回転するようになっている。

図４に示すように、ツール保持部４１に保持された接合ツール４２は、上下方向に延びる軸線に沿って形成された円筒状のツール本体４３と、ツール本体４３に取り付けられたプローブ４４と、を有している。ツール本体４３は、平坦状のショルダー面４３ａを含んでいる。このショルダー面４３ａは、ツール本体４３の先端面（下端面）を構成しており、ショルダー径φ_Sを有している。プローブ４４は、図４に示すツール径φ_Ｔを有しており、ショルダー面４３ａから下方に突出（図２５に示す突出寸法Ｌ参照）している。プローブ４４は、球状に形成されており、球面状の湾曲面４４ａを含んでいる。すなわち、本実施の形態によるプローブ４４のツール径φ_Ｔは、湾曲面４４ａによって構成される球体の直径に相当している。湾曲面４４ａは、金属座金１３に押し当てられるようになっている。図４に示す接合ツール４２は、球面状の湾曲面４４ａを含むプローブ４４を有していることから、球形ツールとも称される。

プローブ４４に用いる材料は、摩擦撹拌接合時の温度上昇に耐え得る材料であれば特に限られることはない。例えば、プローブ４４は、セラミックス（例えば、窒化珪素）や超硬合金（例えば、タングステン合金）、耐熱合金（例えば、コバルト合金、ニッケル合金）、立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）で形成されていてもよい。ツール本体４３は、プローブ４４と同様の材料で形成されていてもよく、温度上昇に耐え得れば、鋼材で形成されていてもよい。

接合ツール４２の下方には、金属板１１、樹脂板１２および金属座金１３を保持するワーク保持部４５が設けられている。ワーク保持部４５は、上述したベース３１に固定されている。また、筐体３２には、上述したサーボモータ３３およびインダクションモータ３８を制御する制御盤４６が設けられている。

次に、本実施の形態による異材接合方法、すなわち、金属板１１と樹脂板１２を接合する方法について図５を用いて説明する。

まず、第１ステップとして、図５（ａ）に示すように、金属板１１と樹脂板１２と金属座金１３とを準備する。このうち樹脂板１２には、上述した貫通孔１４を下穴として予め機械加工などによって形成しておく。金属座金１３は、樹脂板１２の貫通孔１４を覆うことができる平面形状を有しており、平板状に形成されていることが好適である。

続いて、第２ステップとして、図５（ｂ）に示すように、金属板１１、樹脂板１２および金属座金１３を重ね合わせる。この場合、まず、接合装置３０のワーク保持部４５（図３参照）上に金属板１１を載置する。続いて、貫通孔１４が第１面１２ａの側から金属板１１で覆われるように樹脂板１２を金属板１１上に重ね合わせる。次に、貫通孔１４が第２面１２ｂの側から覆われるように金属座金１３を樹脂板１２に重ね合わせる。そして、互いに重ね合わされた金属板１１、樹脂板１２および金属座金１３が、図示しない固定手段でワーク保持部４５に固定される。

次に、第３ステップとして、接合装置３０の回転する接合ツール４２で、金属座金１３を貫通孔１４内に押し込み金属板１１に摩擦撹拌接合させる。

この場合、まず、図５（ｃ）に示すように、制御盤４６からの指令によりインダクションモータ３８（図３参照）を回転駆動させる。このことにより、出力軸３９とともにツール保持部４１に保持された接合ツール４２が所望の回転数で回転する。

続いて、制御盤４６からの指令によりサーボモータ３３を回転駆動させる。このことにより、ボールねじ３４が回転し、スライダー３６とともに接合ツール４２が下降する。この間、インダクションモータ３８が回転駆動され続け、接合ツール４２が回転し続けている。

接合ツール４２が下降すると、金属座金１３の第２面１３ｂにプローブ４４の先端が達し、回転するプローブ４４が押し当てられる。このことにより、金属座金１３とプローブ４４との間の摩擦によって摩擦熱が発生する。発生した摩擦熱により、金属座金１３のうちプローブ４４の近傍の部分（貫通孔１４に重なり合う部分）が軟化する。

接合ツール４２は回転しながら下降し続ける。このことにより、図５（ｄ）に示すように、金属座金１３の軟化した部分が、接合ツール４２の下降に伴って樹脂板１２の貫通孔１４内に押し込まれる。貫通孔１４内に押し込まれた軟化部分は、貫通孔１４内で押し広げられるとともに、金属板１１に向かって押し下げられる。金属座金１３の軟化部分は、押し下げられることにより金属板１１に接触する。この軟化部分が金属板１１に接触すると、発生した摩擦熱が金属座金１３から金属板１１に伝わり、金属板１１のうちプローブ４４の近傍の部分も軟化する。

プローブ４４は、所望の押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ、例えば、プローブ４４の先端が、金属板１１の第２面１１ｂよりも下方に達するまでの深さ）となる押込位置まで押し込まれる。この押込位置で、制御盤４６からの指令によってサーボモータ３３の回転駆動を停止させることにより接合ツール４２は押込位置で停止する。この停止状態は所定時間（以下、押込保持時間と記す）維持される。この間、プローブ４４の回転の遠心力によって、金属座金１３の軟化部分がプローブ４４の先端から押しのけられ、プローブ４４の湾曲面４４ａに沿って周囲に移動する。そして、金属板１１の軟化部分の一部がプローブ４４の先端から押しのけられ、プローブ４４の湾曲面４４ａに沿って周囲に移動する。このようにして、プローブ４４の湾曲面４４ａに沿うように、摩擦撹拌接合部１５の凹面１６（図１参照）が形成される。なお、プローブ４４が押込位置よりも下降しないことにより、金属板１１のうち樹脂板１２とは反対側の部分（下側部分）は残存する。

なお、プローブ４４は、押込位置に達した後、樹脂板１２の第１面１２ａ（または第２面１２ｂ）に沿う方向（図２における左右方向および上下方向）には移動しない。このため、本実施の形態により得られる摩擦撹拌接合は、より正確には摩擦撹拌点接合となる。

また、プローブ４４が押込位置に位置付けられている間、ツール本体４３のショルダー面４３ａが金属座金１３の第２面１３ｂ（とりわけ、金属座金１３の軟化部分）に当接するようにしてもよい。このことにより、ショルダー面４３ａが金属座金１３を下方に押圧し、金属座金１３の軟化部分が上方に盛り上がることを抑制できる。また、このように金属座金１３の軟化部分の盛り上がりを抑制するように金属座金１３を樹脂板１２の第２面１２ｂに押圧することができ、金属板１１と樹脂板１２との間で摩擦力を作用させるとともに樹脂板１２と金属座金１３との間で摩擦力を作用させて、樹脂板１２を金属板１１と金属座金１３とによって強固に挟持することができる。なお、図５（ｄ）においては、図面を簡略化するために、ショルダー面４３ａと金属座金１３の第２面１３ｂとが離間した状態で示しているが、上述のように、ショルダー面４３ａが金属座金１３の第２面１３ｂまたは金属座金１３の軟化部分に当接させるようにしてもよい。

プローブ４４を押込位置で押込保持時間が経過した後、図５（ｅ）に示すように、制御盤４６からの指令によってサーボモータ３３を逆方向に回転させることにより、接合ツール４２を上昇させる。このことにより、プローブ４４が金属板１１および金属座金１３から離れる。その後、金属座金１３の軟化部分および金属板１１の軟化部分が冷却されて硬化し、金属板１１と金属座金１３とを接合する摩擦撹拌接合部１５（図１参照）が形成される。

このようにして金属板１１と金属座金１３とが摩擦撹拌接合される。金属座金１３は樹脂板１２の第２面１２ｂ（上面）に押圧されて金属板１１と接合されている。このことにより、金属板１１と樹脂板１２は、３次元的に任意の方向に相対移動不能になり、互いに固定される。このようにして、金属板１１と樹脂板１２とが接合され、図１に示す接合構造体１０が得られる。

このように本実施の形態によれば、樹脂板１２の貫通孔１４が第１面１２ａの側から覆われるように金属板１１が樹脂板１２に重ね合わされるとともに、貫通孔１４が第２面１２ｂの側から覆われるように金属座金１３が樹脂板１２に重ね合わされて、回転する接合ツール４２で金属座金１３が貫通孔１４内に押し込まれる。このことにより、接合装置３０の接合ツール４２が摩擦熱によって金属座金１３を軟化させて押し込み、樹脂板１２を挟み込むようにして金属板１１と金属座金１３とを摩擦撹拌接合することができる。この場合、金属材料同士で摩擦撹拌接合された金属板１１と金属座金１３とが樹脂板１２を挟み込んでいるため、金属板１１と樹脂板１２との剥離強度を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、金属座金１３と金属板１１とが摩擦撹拌接合されて、金属板１１と金属座金１３で樹脂板１２を挟み込んでいる。このことにより、リベットやボルトによる締結と比較すると、金属板１１と樹脂板１２とを接合するために追加される部材（本実施の形態では金属座金１３）の質量を低減することができる。このため、金属板１１と樹脂板１２との接合部の質量が増大することを抑制でき、樹脂板１２を用いて軽量化を図るという目的に反することを抑制できる。

また、本実施の形態によれば、金属板１１は、樹脂板１２に重ね合わせる際、樹脂板１２の貫通孔１４を第１面１２ａの側から覆い、金属座金１３は、樹脂板１２に重ね合わせる際、樹脂板１２の貫通孔１４を第２面１２ｂの側から覆う。そして、金属座金１３と金属板１１とが、接合ツール４２によって金属座金１３を軟化させて貫通孔１４内に押し込むことができる。このことにより、金属板１１および金属座金１３を貫通孔１４に入り込むような形状に予め形成しておくことを不要にできる。すなわち、本実施の形態によれば、金属座金１３は平板状に形成されているとともに金属板１１は平板状に形成されている。この場合であっても、貫通孔１４内において金属座金１３と金属板１１とを摩擦撹拌接合することができる。このため、金属板１１と金属座金１３の準備工程を簡素化することができ、金属板１１と樹脂板１２とを容易に接合することができる。

また、本実施の形態によれば、樹脂板１２に貫通孔１４が設けられているため、樹脂板１２を形成する樹脂材料が、金属座金１３の軟化部分と撹拌されることを防止できる。このことにより、樹脂板１２が変形したり変質したりすることを防止できる。とりわけ、樹脂板１２が、繊維強化プラスチック材料で形成されている場合、強化繊維が、プローブ４４の回転によって変形したり破断したりすることを防止できる。このため、繊維強化プラスチック材料の強度を維持することができ、樹脂板１２の強度が低下することを防止できる。

また、本実施の形態によれば、樹脂板１２に貫通孔１４が設けられて金属板１１が金属座金１３と摩擦撹拌接合することにより、樹脂板１２を形成する樹脂材料が撹拌することを不要にできる。このため、樹脂板１２が熱硬化性樹脂であっても、金属板１１と樹脂板１２とを容易に接合することができる。

また、本実施の形態によれば、樹脂板１２が熱可塑性樹脂で形成されている場合には、金属板１１と金属座金１３とを摩擦撹拌接合する際に発生した熱により、熱可塑性樹脂が溶融する。このことにより、冷却後には金属板１１は樹脂板１２の第１面１２ａに溶着することができるとともに、金属座金１３は樹脂板１２の第２面１２ｂに溶着することができる。このため、金属板１１と樹脂板１２との引張せん断強度を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、樹脂板１２の貫通孔１４の平面形状は、円形になっている。このことにより、金属板１１と金属座金１３とは、接合装置３０のプローブ４４によって摩擦撹拌点接合される。すなわち、プローブ４４を所定の押込位置まで押し込んだ状態では、プローブ４４を含む接合ツール４２を、樹脂板１２の第１面１２ａまたは第２面１２ｂに沿う方向に移動させることを不要にできる。このため、作業効率を向上させて、金属板１１と樹脂板１２とを容易に接合することができる。また、接合装置３０の構成を簡素化させることができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による異材接合方法は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

例えば、上述した本実施の形態においては、金属板１１に樹脂板１２が直接的に重ね合わされ、樹脂板１２に金属座金１３が直接的に重ね合わされている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、図６に示すように、金属板１１、樹脂板１２および金属座金１３を重ね合わせる際、金属板１１と樹脂板１２との間におよび樹脂板１２と金属座金１３との間の少なくとも一方に、絶縁性部材５０が介在されるようにしてもよい。図６に示す例では、金属板１１と樹脂板１２との間におよび樹脂板１２と金属座金１３との間の両方に、絶縁性部材５０がそれぞれ介在されている。この場合、金属板１１と樹脂板１２とを電気的に絶縁することができるとともに、樹脂板１２と金属座金１３とを電気的に絶縁することができる。例えば、樹脂板１２が炭素繊維強化プラスチック材料で形成されている場合には、電食を防止することができる。

絶縁性部材５０は、接着剤、シール材または樹脂シートであってもよい。このうち接着剤には、絶縁性を有しつつ、金属板１１と樹脂板１２とを接着するとともに樹脂板１２と金属座金１３とを接着する機能を有していれば、任意の材料を用いることができるが、例えば、ウエルドボンド用接着剤を用いることができる。絶縁性部材５０に接着剤を用いる場合には、摩擦撹拌接合による接合力と接着剤による接合力との相乗効果で、金属板１１と樹脂板１２との剥離強度を含む接合強度を増大させることができる。シール材には、絶縁性を有しつつ、金属板１１と樹脂板１２とを密着させるとともに樹脂板１２と金属座金１３とを密着させる機能を有していれば、任意の材料を用いることができるが、例えば、スポット溶接時に使用するスポットシーラーを用いることができる。絶縁性部材５０にシール材を用いる場合には、摩擦撹拌接合による接合力とシール材による防水効果との相乗効果で、金属板１１と樹脂板１２との電食を防止することができる。樹脂シートとしては、絶縁性を有していれば任意の材料を用いることができるが、例えば、フッ素樹脂フィルムを用いることができる。

絶縁性部材５０に液状の接着剤を用いる場合には、金属板１１の第２面１１ｂまたは樹脂板１２の第２面１２ｂに接着剤を塗布するとともに、樹脂板１２の第１面１２ａまたは金属座金１３の第１面１３ａに接着剤を塗布して絶縁性部材５０をそれぞれ形成してもよい。絶縁性部材５０に液状のシール材を用いる場合も同様である。

また、上述した本実施の形態においては、樹脂板１２の貫通孔１４が、円形の平面形状を有している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、貫通孔１４は、図７および図８に示すように、長手方向ｄＬを有していてもよい。図７および図８においては、貫通孔１４は、紙面の左右方向に延びる長手方向ｄＬを有している。貫通孔１４は、この長手方向ｄＬに沿うように長孔（長円または楕円など）で形成されていてもよい。接合装置３０にプローブ４４を平面方向に移動させる機能を持たせることにより、プローブ４４を金属板１１に押し込んだ際に、貫通孔１４の長手方向ｄＬに移動させることができる。このため、摩擦撹拌接合の領域を増大させることができ、金属板１１と樹脂板１２との接合強度をより一層向上させることができる。

また、上述した本実施の形態においては、接合ツール４２のプローブ４４が、球状に形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、図９に示すように、接合ツール４２のプローブ４４は、円錐台状に形成されていてもよい。この場合、プローブ４４は、図９に示すツール径φ_Ｔ（ツール根元径、ショルダー面４３ａにおける直径）を有しており、ショルダー面４３ａから下方に突出（図２６に示す突出寸法Ｌ参照）している。プローブ４４は、平坦状の先端面４４ｂと、ツール本体４３のショルダー面４３ａから先端面４４ｂに向かって次第に縮径する傾斜面４４ｃと、を含んでいる。図９に示す接合ツール４２は、円錐台状のプローブ４４を有していることから、円錐形ツールとも称される。

また、上述した本実施の形態においては、金属座金１３が平板状に形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、金属座金１３は、平坦状の第１面１３ａに凸部が設けられて、この凸部が貫通孔１４内に入り込むように形成されていてもよく、あるいは、第１面１３ａの一部が貫通孔１４内に入り込むように金属座金１３が折れ曲がるように形成されていてもよい。後者の場合、貫通孔１４内に入り込む第１面１３ａの部分は、湾曲状に形成されていてもよく、若しくは、貫通孔１４内に平坦部が位置付けられるように第１面１３ａが段差を有するように形成されていてもよい。

さらに、上述した本実施の形態においては、金属板１１が平板状に形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、金属板１１は、平坦状の第２面１１ｂに凸部が設けられて、この凸部が貫通孔１４内に入り込むように形成されていてもよく、あるいは、第２面１１ｂの一部が貫通孔１４内に入り込むように金属板１１が折れ曲がるように形成されていてもよい。後者の場合、貫通孔１４内に入り込む第２面１１ｂの部分は、湾曲状に形成されていてもよく、若しくは、貫通孔１４内に平坦部が位置付けられるように第２面１１ｂが段差を有するように形成されていてもよい。

上述した本発明によれば、剥離強度を向上させることができるとともに、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを容易に接合することができる異材接合方法を提供することができる。このため、本発明は産業上利用可能な発明である。例えば、本発明は、各種機械等の工業製品や、構造物等において、被接合金属部材と被接合樹脂部材との接合に広く利用可能である。

上述した本実施の形態による異材接合方法によって得られた金属板１１と樹脂板１２を備えた接合構造体１０の強度試験を、種々の条件下で行った。各実施例および各比較例共に、金属板１１の材料は冷間圧延鋼板とし、樹脂板１２の材料は熱硬化性樹脂（ポリアミド６）含浸の炭素繊維強化プラスチックとし、金属座金１３の材料は冷間圧延鋼板とした。接合ツール４２には、図４に示す球形ツールを用いた。

（実施例１）
実施例１では、以下の条件で接合構造体１０を得た。
・金属板１１の板厚：１ｍｍ
・樹脂板１２の板厚：１ｍｍ
・金属座金１３の板厚：１ｍｍ
・プローブ４４のツール径φ_Ｔ：９．５３ｍｍ（３／８インチ）
・貫通孔１４の径φ_Ｍ：１０ｍｍ
・押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ）：２．６ｍｍ

実施例１によって得られた接合構造体１０の断面写真を図１０に示す。図１０（ａ）は、接合構造体１０を示す断面写真であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の摩擦撹拌接合部１５を拡大して示す断面写真である。

図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分とによって構成される摩擦撹拌接合部１５において、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との間に、後述する図１１に示すような樹脂板１２の樹脂材料は介在されていないとみなせる。このことにより、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分とは直接的に良好に接合されていることが確認できた。このため、金属板１１と樹脂板１２との剥離強度を含む接合強度を向上させることができていると言える。

また、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、樹脂板１２の断面には、左右方向に延びる強化繊維が示されているが、貫通孔１４の近傍において、強化繊維の配向は乱れていないと言うことができ、少なくとも摩擦撹拌接合によって強化繊維は破断されていないとみなせる。このことにより、繊維強化プラスチック材料の強度を維持し、樹脂板１２の強度低下が防止できていることが確認できた。

ここで、比較例１−１について説明する。比較例１−１では、以下の条件で、接合構造体を得た。
・金属板１１の板厚：１ｍｍ
・樹脂板１２の板厚：１ｍｍ
・金属座金１３の板厚：１ｍｍ
・プローブ４４のツール径：１２．７０ｍｍ（１／２インチ）
・貫通孔１４の径：−（貫通孔１４は形成されていない）
・押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ）：２．６ｍｍ

比較例１−１によって得られた接合構造体の拡大断面写真を図１１に示す。

図１１に示すように、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分とによって構成される摩擦撹拌接合部１５において、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との間に、樹脂板１２の樹脂材料の介在が見られた。このことにより、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との直接的な接合が阻害されていることが確認できた。樹脂板１２に貫通孔１４が設けられていないため、摩擦撹拌接合時に、樹脂材料の軟化した部分が、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との間に残存したためと考えられる。

また、図１１に示すように、貫通孔１４の近傍において、強化繊維の配向は乱れ、強化繊維の破断が確認できた。このことにより、樹脂板１２に貫通孔１４が設けられていないため、摩擦撹拌接合時に回転するプローブ４４の影響を受けて、強化繊維が破断したと考えられる。

また、実施例１による接合構造体１０の引張強度を得るために、引張せん断強度試験を行った。すなわち、実施例１と同様の条件で、図１２（ａ）に示すような平面形状を有する試験片（接合構造体１０）を作製した。また、プローブ４４のツール径を９．５３ｍｍ（３／８インチ）とした点以外では比較例１−１と同様の条件で、同様の平面形状を有する試験片を作製した（比較例１−２）。そして、両者の引張せん断強度試験を行った。引張せん断強度試験では、図１２（ｂ）に示すように、金属板１１を左右方向の一方（図１２（ｂ）では右側）に引っ張るとともに、樹脂板１２を左右方向の他方（図１２（ｂ）では左側）に引っ張り、破断荷重値を測定した。その結果を、図１３に示す。

図１３に示すように、実施例１（貫通孔１４有り）の方が、比較例１−２（貫通孔１４無し）よりも引張せん断強度が大きくなることが確認できた。上述した図１０および図１１の断面写真で示されていたように、実施例１では、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との間に樹脂材料の介在が見られなかったため、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分とは直接的に良好に接合されている。一方、比較例１−２では、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との間の一部に、樹脂板１２の樹脂材料が介在していると考えられ、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との接合が不十分になっている。このため、比較例１−２よりも実施例１の方が、接合構造体１０の引張せん断強度が高くなっていると言える。

また、実施例１による接合構造体１０の剥離強度を得るために、十字引張強度試験を行った。すなわち、実施例１と同様の条件で、図１４（ａ）に示すような十字状の平面形状を有する試験片（接合構造体１０）を作製した。また、比較例１−３として、同様に十字状の平面形状を有するように、摩擦撹拌接合せずに接着剤によって金属板１１と樹脂板１２とを接着した試験片を作製した。比較例１−３では、単なる接着試験片となるため、金属座金１３は用いていない。比較例１−３で用いた接着剤は、機械構造用の高強度エポキシ接着剤である。そして、両者の十字引張強度試験を行った。十字引張強度試験では、図１４（ｂ）に示すように、金属板１１を下方に引っ張るとともに、樹脂板１２を上方に引っ張り、破断荷重値を測定した。その結果を、図１５に示す。図１５には、引張せん断強度も示す。

図１５に、荷重値としての引張せん断強度と十字引張強度を実測値でそれぞれ示している。引張せん断強度については、比較例１−３よりも実施例１の方が小さい値になっているが、これは接合面積の違いによるものと考えられる。実施例１における接合面積は、図１に示すように、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との重なり合っている領域で示される。この領域は、図１に示す直径φ_Ｊを有する円形になっていると考えられ、同条件で作製された接合構造体１０を示す図１０の断面写真から１７７ｍｍ^２と求められる。比較例１−３における接合面積は、単に金属板１１と樹脂板１２とが重なり合っている領域の面積となる。引張せん断試験用の試験片では、接合面積は７５０ｍｍ^２と求められ、十字引張強度試験用の試験片では、接合面積は、２５００ｍｍ^２と求められる。

実施例１における接合面積と図１５に示す引張せん断強度とに基づいて、単位接合面積当たりの引張せん断強度（平均応力に相当）が得られる。また、実施例１における接合面積と図１５に示す十字引張強度とに基づいて、単位接合面積当たりの十字引張強度（平均応力に相当）が得られる。その結果を図１６に示す。図１６においては、実施例１と同様にして比較例１−３による単位接合面積当たりの引張せん断強度と、単位接合面積当たりの十字引張強度を示す。

図１６に示すように、比較例１−３よりも実施例１の方が、単位接合面積当たりの引張せん断強度および単位接合面積当たりの十字引張強度が大きくなることが確認できた。とりわけ、単位接合面積当たりの十字引張強度は、比較例１−３よりも実施例１の方が、著しく大きくなっていることがわかる。このことにより、実施例１では、金属板１１と樹脂板１２とを接合した接合構造体１０の剥離強度が大いに向上したと言える。

（実施例２）
実施例２では、図６に示す接合構造体１０について引張せん断強度を測定した。すなわち、実施例２−１として、絶縁性部材５０を用いずに図１２（ａ）に示すような平面形状を有する試験片（すなわち、図１に示す接合構造体１０に相当する試験片）を作製し、実施例２−２として、絶縁性部材５０にウエルドボンド用接着剤を用いた同様の試験片（すなわち、図６に示す接合構造体１０に相当する試験片）を作製した。比較例２として、摩擦撹拌接合せずにウエルドボンド用接着剤を用いて同様の試験片を作製した。比較例２では、単なる接着試験片となるため、金属座金１３は用いていない。ここで実施例２−２および比較例２で用いたウエルドボンド用接着剤は、自動車産業でスポット溶接と併用して使用される接着剤である。ウエルドボンド用接着剤は、金属板１１の第２面１１ｂに塗布し、実施例２−２では金属座金１３の第１面１３ａにも塗布した。

絶縁性部材５０以外の点では、実施例２−１、２−２の接合構造体１０は、以下の条件で作製した。
・金属板１１の板厚：１ｍｍ
・樹脂板１２の板厚：１ｍｍ
・金属座金１３の板厚：１ｍｍ
・プローブ４４のツール径：９．５３ｍｍ（３／８インチ）
・樹脂板１２の貫通孔１４の径：１０ｍｍ
・押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ）：２．６ｍｍ
比較例２では、実施例２−１、２−２と同様の板厚を有する金属板１１と同様の板厚を有する樹脂板１２とを用いた。

実施例２−２によって得られた接合構造体１０の拡大断面写真を図１７に示す。図１７に示すように、ウエルドボンド用接着剤からなる絶縁性部材５０を用いた場合であっても、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分とが良好に接合されていることが確認できた。すなわち、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との間に、絶縁性部材５０の材料は介在されていないとみなせる。

実施例２−１、２−２、比較例２により得られた各接合構造体１０について、引張せん断強度試験を行った。引張せん断強度試験は、実施例１と同様の方法で行った。結果を図１８に示す。

図１８に示すように、ウエルドボンド用接着剤を用いていない単なる摩擦撹拌接合で作製された試験片を用いた実施例２−１よりも、単なる接着継手試験片を用いた比較例２の方が、荷重値としての引張せん断強度が大きくなっており、図１５と同じ傾向が示されている。ウエルドボンド用接着剤を用いた摩擦撹拌接合で作製された試験片を用いた実施例２−２の方が、実施例２−１や比較例２よりも、引張せん断強度が大きくなっていることが確認できた。これは、実施例２−２では、金属板１１と樹脂板１２がウエルドボンド用接着剤で接合されているとともに、樹脂板１２と金属座金１３がウエルドボンド用接着剤で接合されていることにより、摩擦撹拌接合による接合力とウエルドボンド用接着剤による接合力との相乗効果で、金属板１１と樹脂板１２との接合強度が増大したためと言える。

（実施例３）
実施例３では、以下の条件で、図１２（ａ）に示すような試験片（すなわち、図１に示す接合構造体１０に相当する試験片）を作製し、引張せん断強度試験を行った。
・金属板１１の板厚：１ｍｍ
・樹脂板１２の板厚：１ｍｍ
・金属座金１３の板厚：０．６ｍｍ
・プローブ４４のツール径：６．３５ｍｍ（１／４インチ）
・貫通孔１４の径：４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ
・押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ）：２．２ｍｍ

引張せん断強度試験は、実施例１と同様の方法で行った。結果を図１９に示す。

図１９に示すように、貫通孔１４の径を４ｍｍ以上にすることにより、引張せん断強度を高めることができることが確認できた。すなわち、図１９に示す結果によれば、貫通孔１４の径を４ｍｍ以上にすることで、引張せん断強度を大きく高められることがわかる。これは、貫通孔１４の径が大きくなればなるほど、金属座金１３の軟化部分と金属板１１の軟化部分との間に、樹脂板１２の樹脂材料の介在が少なくなる、若しくは無くなるためと考えられる。また、貫通孔１４の径が４ｍｍ、６ｍｍの場合には、引張せん断試験時の破断が摩擦撹拌接合部１５での破断であったが、貫通孔１４の径が８ｍｍ、１０ｍｍの場合には、引張せん断試験時の破断が樹脂板１２の母材破断であった。後者の場合、摩擦撹拌接合部１５における接合強度としては、図１９に示す数値よりも高いと考えられる。

（実施例４）
実施例４では、以下の条件で、図１２（ａ）に示すような試験片（すなわち、図１に示す接合構造体１０に相当する試験片）を作製し、引張せん断強度試験を行った。
・金属板１１の板厚：１ｍｍ
・樹脂板１２の板厚：１ｍｍ
・金属座金１３の板厚：１ｍｍ
・プローブ４４のツール径：９．５３ｍｍ（３／８インチ）
・貫通孔１４の径：３ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ
・押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ）：２．６ｍｍ

引張せん断強度試験は、実施例１と同様の方法で行った。結果を図２０に示す。

図２０に示すように、貫通孔１４の径を６ｍｍ以上にすることにより、引張せん断強度を高めることができることが確認できた。すなわち、図２０に示す結果によれば、貫通孔１４の径を６ｍｍ以上にすることで、貫通孔１４の径が３ｍｍの場合よりも引張せん断強度を大きく高められることがわかる。また、貫通孔１４の径が６ｍｍ以上の場合には、引張せん断試験時の破断が樹脂板１２の母材破断であり、摩擦撹拌接合部１５における接合強度としては、図２０に示す数値よりも高いと考えられる。

（実施例５）
実施例５では、以下の条件で、図１２（ａ）に示すような試験片（すなわち、図１に示す接合構造体１０に相当する試験片）を作製し、引張せん断強度試験を行った。
・金属板１１の板厚：１ｍｍ
・樹脂板１２の板厚：１ｍｍ
・金属座金１３の板厚：１ｍｍ
・プローブ４４のツール径：１２．７０ｍｍ（１／２インチ）
・貫通孔１４の径：３ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ
・押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ）：２．６ｍｍ

引張せん断強度試験は、実施例１と同様の方法で行った。結果を図２１に示す。

図２１に示すように、貫通孔１４の径を６ｍｍ以上にすることにより、引張せん断強度を高めることができることが確認できた。すなわち、図２１に示す結果によれば、貫通孔１４の径を６ｍｍ以上にすることで、貫通孔１４の径が３ｍｍの場合よりも引張せん断強度を大きく高められることがわかる。また、貫通孔１４の径が６ｍｍ以上の場合には、引張せん断試験時の破断が樹脂板１２の母材破断であり、摩擦撹拌接合部１５における接合強度としては、図２１に示す数値よりも高いと考えられる。

（実施例６）
実施例６では、以下の条件で、図１２（ａ）に示すような試験片（すなわち、図１に示す接合構造体１０に相当する試験片）を作製し、引張せん断強度試験を行った。
・金属板１１の板厚：２ｍｍ
・樹脂板１２の板厚：１ｍｍ
・金属座金１３の板厚：１ｍｍ
・プローブ４４のツール径：１２．７０ｍｍ（１／２インチ）
・貫通孔１４の径：３ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ、１３ｍｍ、１４ｍｍ
・押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ）：３．６ｍｍ

引張せん断強度試験は、実施例１と同様の方法で行った。結果を図２２に示す。

図２２に示すように、貫通孔１４の径を６ｍｍ以上にすることにより、引張せん断強度を高めることができることが確認できた。すなわち、図２２に示す結果によれば、貫通孔１４の径を６ｍｍ以上にすることで、貫通孔１４の径が３ｍｍの場合よりも引張せん断強度を大きく高められることがわかる。また、貫通孔１４の径が６ｍｍ以上の場合には、引張せん断試験時の破断が樹脂板１２の母材破断であり、摩擦撹拌接合部１５における接合強度としては、図２２に示す数値よりも高いと考えられる。

上述した実施例３〜実施例６で得られた引張せん断強度試験結果をまとめて表にしたものを図２３に示す。ここでは、実施例毎に、比較的高い引張せん断強度が得られた貫通孔１４の径を有する接合構造体１０を良品（図２３ではＯＫと記す）とし、それ以外の接合構造体１０を不良品（図２３ではＮＧと記す）とした。そして、図２４に示すようなグラフに、良品を○印でプロットし、不良品を×印でプロットした。図２４の縦軸は、貫通孔１４の径φ_Ｍ（いずれも図４参照）とした。横軸は、貫通孔１４の予測径φ_Ｅを示している。以下に、予測径φ_Ｅについて図２５を用いて説明する。ここでは、接合ツール４２が球形ツールである場合について説明する。

予測径φ_Ｅは、接合ツール４２のプローブ４４の形状と、金属板１１、樹脂板１２および金属座金１３の板厚から、貫通孔１４の径φ_Ｍを幾何学的に求めた予測値である。この予測値は、図２５に示す断面における貫通孔１４の壁面と樹脂板１２の第２面１２ｂとの交点Ｐからプローブ４４の湾曲面４４ａまでの距離が金属座金１３の板厚ｔ_３に等しいと仮定した場合の予測値である。より具体的には、図２５に示すように、プローブ４４のツール半径をｒ（＝φ_Ｔ／２）、金属板１１の板厚をｔ_１、樹脂板１２の板厚をｔ_２、金属座金１３の板厚をｔ_３、プローブ４４の押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ）をＤ、押込位置に押し込まれたプローブ４４の先端と金属板１１の第１面１１ａとの距離（残深さ）をｄとしたとき、貫通孔１４の予測半径Ｒ（＝φ_Ｅ／２）は、以下の式で表わされる。

貫通孔１４の予測径φ_Ｅ（＝２×Ｒ）は、幾何学的には式（１）および式（２）から予測することができる。図２３および図２４の横軸に示す予測径φ_Ｅは、このようにして求められている。

図２４に示すように、各実施例において貫通孔１４の径φ_Ｍが大きい方が、良品と判定されていることがわかる。すなわち、貫通孔１４の径を大きくすることにより、引張せん断強度を高めることができると言える。また、図２４に示すように、プロットされた各接合構造体１０のうち、良品と判定された接合構造体１０のグループが存在するエリアと、不良品と判定された接合構造体１０のグループが存在するエリアとは、明確に区分けされていることがわかる。より具体的には、φ_Ｍ＝０．４×φ_Ｅで示す直線を境界にして、良品のグループと不良品のグループが区分けされていると言え、当該直線よりも上方（貫通孔１４の径φ_Ｍが大きくなる側）のエリアにおいて、良品と判定された接合構造体１０が存在している。

一方、貫通孔１４の径φ_Ｍを、ツール本体４３の径（ショルダー径φ_S、図４参照）よりも小さくすると、摩擦撹拌接合時に、ショルダー面４３ａで金属座金１３（とりわけ、金属座金１３の軟化部分）を押圧することができる。このことにより、貫通孔１４の径φ_Ｍは、ショルダー径φ_Ｓよりも小さいことが好ましい。

従って、好ましい貫通孔１４の径φ_Ｍは、

で表わすことができる。この式（３）を満たしている場合には、引張せん断強度をより一層高めることができるとともに、金属座金１３の軟化部分が上方に盛り上がることを抑制した接合構造体１０を得ることができると言える。

また、接合ツール４２が図９に示す円錐形ツールである場合の予測径φ_Ｅについて、図２６を用いて以下に説明する。

図２６に示す予測径φ_Ｅも、接合ツール４２のプローブ４４の形状と、金属板１１、樹脂板１２および金属座金１３の板厚から、貫通孔１４の径φ_Ｍを幾何学的に求めた予測値である。この予測値は、図２６に示す断面における貫通孔１４の壁面と樹脂板１２の第２面１２ｂとの交点Ｐからプローブ４４の傾斜面４４ｃまでの距離が金属座金１３の板厚ｔ_３に等しいと仮定した場合の予測値である。より具体的には、図２６に示すように、プローブ４４のツール半径（ツール根元半径、ショルダー面４３ａにおける半径）をｒ_１（＝φ_Ｔ／２）、金属板１１の板厚をｔ_１、樹脂板１２の板厚をｔ_２、金属座金１３の板厚をｔ_３、プローブ４４の押込深さ（金属座金１３の第２面１３ｂからの深さ）をＤ、押込位置に押し込まれたプローブ４４の先端と金属板１１の第１面１１ａとの距離（残深さ）をｄとする。そして、ツール本体４３のショルダー径をφ_Ｓ、プローブ４４の先端面４４ｂの半径（ツール先端半径）をｒ_２、押込位置に押し込まれたプローブ４４の傾斜面４４ｃの、樹脂板１２の第２面１２ｂ（または金属座金１３の第１面１３ａ）における半径をｒ_３、押込位置に押し込まれたプローブ４４の傾斜面４４ｃと貫通孔１４の壁面（交点Ｐ）との、第２面１２ｂにおける距離をｒ_４、プローブ４４の突出寸法をＬとしたとき、貫通孔１４の予測半径Ｒ（＝φ_Ｅ／２）は、以下の式で表わされる。

貫通孔１４の予測径φ_Ｅ（＝２×Ｒ）は、幾何学的には式（４）および式（５）から予測することができる。そして、上述した球形ツールの場合と同様にして、円錐形ツールを用いる場合においても、好ましい貫通孔１４の径φ_Ｍは、上述した式（３）で表わすことができる。

１１ 金属板
１１ａ 第１面
１１ｂ 第２面
１２ 樹脂板
１２ａ 第１面
１２ｂ 第２面
１３ 金属座金
１３ａ 第１面
１３ｂ 第２面
１４ 貫通孔
４２ 接合ツール
４３ ツール本体
４４ プローブ
４４ａ 湾曲面
４４ｂ 先端面
４４ｃ 傾斜面
５０ 絶縁性部材
ｄＬ 長手方向

Claims (10)

1. 被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合用金属部材を用いて接合する異材接合方法であって、
   第１面と、前記第１面とは反対側に設けられた第２面と、前記第１面から前記第２面にわたって形成された貫通孔と、を有する前記被接合樹脂部材を準備するとともに、前記被接合金属部材および前記接合用金属部材を準備する工程と、
   前記被接合樹脂部材の前記貫通孔が前記第１面の側から前記被接合金属部材で覆われるとともに、前記第２面の側から前記接合用金属部材で覆われるように、前記被接合金属部材、前記被接合樹脂部材および前記接合用金属部材を重ね合わせる工程と、
   回転する接合ツールで前記接合用金属部材を前記貫通孔内に押し込み、前記被接合金属部材に摩擦撹拌接合させる工程と、を備え、
   前記被接合樹脂部材の前記貫通孔の平面形状は、円形であり、
   前記被接合金属部材は、前記被接合樹脂部材とは反対側に設けられた第１面と、前記被接合樹脂部材の側に設けられた第２面と、を有し、
   前記接合ツールは、ツール本体と、ツール本体の先端から突出する球状のプローブと、を有しており、
   前記プローブのツール半径をｒ、前記被接合金属部材の厚さをｔ _１ 、前記被接合樹脂部材の厚さをｔ _２ 、前記接合用金属部材の厚さをｔ _３ 、摩擦撹拌接合時における前記プローブの押込深さをＤ、前記プローブが前記押込深さＤで押し込まれている押込位置に押し込まれた前記プローブの先端と前記被接合金属部材の前記第１面との距離をｄ、前記ツール本体の径をφ _Ｓ 、前記貫通孔の半径をＲとしたとき、前記貫通孔の径φ _Ｍ は、
   

   

   

   

   を満たしている、異材接合方法。
2. 被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合用金属部材を用いて接合する異材接合方法であって、
   第１面と、前記第１面とは反対側に設けられた第２面と、前記第１面から前記第２面にわたって形成された貫通孔と、を有する前記被接合樹脂部材を準備するとともに、前記被接合金属部材および前記接合用金属部材を準備する工程と、
   前記被接合樹脂部材の前記貫通孔が前記第１面の側から前記被接合金属部材で覆われるとともに、前記第２面の側から前記接合用金属部材で覆われるように、前記被接合金属部材、前記被接合樹脂部材および前記接合用金属部材を重ね合わせる工程と、
   回転する接合ツールで前記接合用金属部材を前記貫通孔内に押し込み、前記被接合金属部材に摩擦撹拌接合させる工程と、を備え、
   前記被接合樹脂部材の前記貫通孔の平面形状は、円形であり、
   前記被接合金属部材は、前記被接合樹脂部材とは反対側に設けられた第１面と、前記被接合樹脂部材の側に設けられた第２面と、を有し、
   前記接合ツールは、ツール本体と、ツール本体の先端から突出する円錐台状のプローブと、を有しており、
   前記プローブは、平坦状の先端面と、前記ツール本体から前記先端面に向かって縮径する傾斜面と、を含み、
   前記プローブのツール半径をｒ _１ 、前記被接合金属部材の厚さをｔ _１ 、前記被接合樹脂部材の厚さをｔ _２ 、前記接合用金属部材の厚さをｔ _３ 、摩擦撹拌接合時における前記プローブの押込深さをＤ、前記プローブが前記押込深さＤで押し込まれている押込位置における前記プローブの先端と前記被接合金属部材の前記第１面との距離をｄ、前記プローブの前記先端面の半径をｒ _２ 、前記押込位置に押し込まれた前記プローブの前記被接合樹脂部材の前記第２面における半径をｒ _３ 、前記押込位置に押し込まれた前記プローブと前記貫通孔の壁面との前記被接合樹脂部材の前記第２面における距離をｒ _４ 、前記プローブの突出寸法をＬ、前記貫通孔の半径をＲ、前記ツール本体の径をφ _Ｓ としたとき、前記貫通孔の径φ _Ｍ は、
   

   

   

   

   

   を満たしている、異材接合方法。
3. 前記接合用金属部材は、前記被接合樹脂部材の側に設けられた平坦状の第１面と、前記第１面とは反対側に設けられた平坦状の第２面と、を有している、請求項１または２に記載の異材接合方法。
4. 前記被接合金属部材は、前記被接合樹脂部材とは反対側に設けられた平坦状の第１面と、前記被接合樹脂部材の側に設けられた平坦状の第２面と、を有している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の異材接合方法。
5. 前記被接合金属部材が、鋼、銅、銅合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金またはチタン合金で形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の異材接合方法。
6. 前記被接合樹脂部材が、繊維強化プラスチック材料で形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の異材接合方法。
7. 前記被接合樹脂部材が、熱硬化性樹脂で形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の異材接合方法。
8. 前記被接合樹脂部材が、熱可塑性樹脂で形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の異材接合方法。
9. 前記被接合金属部材、前記被接合樹脂部材および前記接合用金属部材を重ね合わせる工程において、前記被接合金属部材と前記被接合樹脂部材との間、および前記被接合樹脂部材と前記接合用金属部材との間の少なくとも一方に、絶縁性部材がそれぞれ介在されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の異材接合方法。
10. 前記絶縁性部材は、接着剤、シール材または樹脂シートである、請求項９に記載の異材接合方法。

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