JP6984820B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材と樹脂材とを接合した接合体の製造方法に関する。

近年の工業製品や製造機械等に用いられる構造部材を軽量化させる観点から、金属部材を樹脂材へ代替する試みが進められている。しかし、一般に樹脂は金属に比べて強度や剛性が低いという問題があり、全ての金属部材を樹脂材で置き換えることは難しい。そこで、金属部材と樹脂材との複合化、即ち、金属部材と樹脂材とを強固に接合する接合技術が検討されている。このような接合技術においては、金属部材と樹脂部材との接合部分に高い接合強度が求められる。

従来の樹脂と金属の接合技術としては、レーザ光の照射により断面形状が三角形、又はそれに近似した形状の細孔群を形成して、細孔内に樹脂を入り込ませ、金属成形体に樹脂が接合された複合成形体を得る方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、金属表面上にレーザをクロススキャニングすることにより凹凸形状を形成させるレーザ加工方法であって、凹凸形状の凸部の少なくとも一部がブリッジ形状又はオーバーハング形状をなしているレーザ加工方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許第５８８９７７５号公報 特許第４０２０９５７号公報

しかしながら、特許文献１の接合技術では、レーザ加工により形成された細孔の断面形状が三角形であるため、複合成形体に荷重が負荷される際に細孔の軸と平行な方向に荷重が負荷された場合に接合強度が弱くなるおそれがある。また、細孔の軸と垂直方向に荷重が負荷された場合であっても、細孔の断面形状が三角形であるため、細孔の軸に平行な方向への分力が発生する。そのため、十分な接合強度が得られないおそれがある。また、細孔内部の構造については言及されていない。

特許文献２に記載のレーザ加工方法では、凹凸部にブリッジ形状などの構造はあるが、その構造の周期性が明らかではないため、接合強度が接合面上の場所により局所的に異なってしまうおそれがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、荷重の負荷方向によらず、高い接合強度が得られる接合体の製造方法を提供することにある。

本発明は、下記構成からなる。
金属部材の接合面に樹脂材が接合された接合体の製造方法であって、
前記金属部材の前記接合面に、互いに離間する複数の加工点同士の間の距離を設定し、前記加工点の各々にピコ秒レーザを繰り返し照射して前記加工点に凹部を形成するとともに、前記凹部の内周面に前記ピコ秒レーザによるアブレーションで微細凹凸部を形成する工程と、
複数の前記凹部に前記樹脂材を充填させて、前記金属部材と前記樹脂材とを接合する工程と、を有する接合体の製造方法。

本発明の接合体の製造方法によれば、荷重の負荷方向によらず、高い接合強度が得られる接合体を形成できる。

接合面に複数の凹部が形成された金属部材の模式的な平面図である。 ピコ秒レーザの照射により接合面に形成された凹部の顕微鏡写真である。 図２に示す領域Ａの拡大顕微鏡写真である。 ナノ秒レーザ光の照射により接合面に形成された凹部の顕微鏡写真である。 図４に示す領域Ｂの拡大顕微鏡写真である。 連続レーザ光の照射により接合面に形成された凹部の顕微鏡写真である。 図６に示す領域Ｃの拡大顕微鏡写真である。 有限要素法による解析に使用した解析モデルを示す説明図である。 ディンプルの内周面に微細凹凸部を有する場合の樹脂材の応力分布図である。 ディンプルの内周面に微細凹凸部を有しない場合の樹脂材の応力分布図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、金属部材の表面に樹脂材が接合された接合体の製造方法について説明する。
図１は接合面に複数の凹部が形成された金属部材の模式的な平面図である。
金属部材１１は、不図示の樹脂材との接合面１５に、パルス幅が１ｐｓから１００ｐｓのパルスレーザ（ピコ秒レーザと定義する）を照射することで、凹部（以下、ディンプル１３と称する）が形成される。また、このピコ秒レーザの照射を同一加工点に繰り返し照射することにより、ディンプル１３の内周面には周期構造を有する微細凹凸部がアブレーションにより形成される。そして、ピコ秒レーザを上記加工点から次の加工点へ走査させて、上記同様にピコ秒レーザの照射を繰り返すことで、複数のディンプル１３が形成される。

上記微細凹凸部の形成について更に詳細に説明する。
一般に、１ショット１パルスのパルスレーザ光を接合面１５に照射すると、入射光と表面散乱光との間に干渉が起こり、定在波が生じる。入射光が十分なフルエンスを有する場合、入射光と散乱光の干渉部分がアブレーションされる。一旦アブレーションが始まると、次のショットのレーザ照射時には表面散乱光の強度が増加して、アブレーションが更に進行する。また、入射光の１波長分離れた位置でも干渉が生じてアブレーションされる。よって、入射光が直線偏光の場合、レーザ照射を繰り返すと、入射光の波長の間隔で干渉が生じて、周期構造（微細凹凸部１９）が自己組織的に作成されるようになる。

上記したように、周期構造の形成原理は、表面散乱光と入射レーザの干渉が引き起こす定在波のエネルギー強度分布によるものである。このエネルギー強度分布は、吸収状態に周期性を与え、材料の表層に微細な凹凸構造を形成する。一旦形成された凹凸構造は、次のレーザ照射の散乱起点となり、より強い表面散乱光を生むため、凹凸構造の高低差や周期性は更に明確に形成されることになる。

この周期構造の微細凹凸部１９は、パルスレーザ光の繰り返し照射によって波長オーダーまで成長するが、それ以上パルスレーザ光を照射すると、凹凸が不明瞭になる。したがって、同位置に照射されるパルスレーザ光のショット数は、適宜制御することが必要で、これにより、微細凹凸部１９の周期構造をディンプル１３の内周面で均一に形成できる。また、ディンプル１３の形成にピコ秒レーザを用いることで、接合面１５に及ぶ熱影響を抑制して、材料の熱影響域を最小限に留めることができる。

また、レーザ光にピコ秒レーザを用いる場合、上記のアブレーションプロセスに基づく表面散乱光の乱れが低減され、パルス幅がナノ秒程度のレーザを用いる場合よりも周期構造の形成範囲が広がり、周期構造の均一性も向上する。

次に、パルスレーザ光の照射について、更に具体的に説明する。
本構成の金属部材１１の接合面１５には、複数ショットのパルスレーザ光が照射される。その際、パルスレーザ光は、１発目の第１パルスレーザと、この第１パルスレーザの照射から、ある一定の極短時間である遅延時間を設けて２発目以降の第２パルスレーザを繰り返し照射する。

一般に、ピコ秒パルスレーザのアブレーションプロセスにおいては、光励起された電子が格子系にエネルギーを放出して蒸散が生じ始める時間は、レーザ照射完了後の数ピコ秒から数十ピコ秒以降とされている。上記した遅延時間は、アブレーションプロセスにおいて材料表層の蒸散が生じ始める時間と略一致する。つまり、第１パルスレーザの照射後に極短時間となる遅延時間を設けて第２パルスレーザを照射することで、第１パルスレーザによる過度な蒸散を抑えられる。これにより、第２パルスレーザと蒸散した蒸発粒子との相互作用によって蒸発粒子が再付着することが抑制され、第２パルスレーザにより生じる表面散乱光の乱れを抑制できる。その結果、良好な周期性を有する微細凹凸部１９が均一に形成できる。

次に、ディンプル１３が形成された金属部材１１の接合面１５を含む部分を不図示の金型内に配置して、樹脂材１７となる溶融樹脂をインサート成形して接合体１００を形成する。これにより、複数のディンプル１３及び微細凹凸部１９内に溶融樹脂が入り込んで金属部材１１と樹脂材１７とが堅固に接合される。

ディンプル１３の内周面１３ａに形成された微細凹凸部１９は、等方的な周期的微細凹凸構造であることから、ディンプル１３及び微細凹凸部１９を介して樹脂材１７が接合される際、アンカー効果が高められる。これにより、荷重の負荷方向にかかわらず、高い接合強度が確保される。また、微細凹凸部１９が周期的なことから、ディンプル１３の内周面１３ａにおけるアンカー効果のばらつきが小さくなる。また、内周面１３ａ内や接合面１５上で局所的に接合強度が弱くなる部位が少なくなり、全体として接合強度が向上する。

金属部材１１として使用可能な材料としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、鉄、鋼、銅やそれらの合金等が挙げられる。また、樹脂材１７として使用可能な材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアミド系樹脂、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂、及びこれら熱可塑性樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維材を配合した複合材料が挙げられる。

次に、本発明の接合体の製造方法に係る実施例（実施例１，２）と、比較例（比較例１，２及び３，４）について説明する。

実施例１，２、比較例１，２，３，４は、いずれも金属部材１１としてＪＩＳ規格 Ａ５０５２のアルミニウム合金板を用いた。各接合面１５には、表１に示す各種のレーザ光を照射し、それぞれ図１に示すような複数のディンプル１３を形成した。

実施例１，２、比較例１，２、及び比較例３，４のレーザ加工条件は、それぞれ表１に示す通りである。

そして、金属部材１１をインサート成形することで、樹脂材１７（ガラス繊維３０％含有ＰＢＴ）と金属部材１１との重ね継手試験片を作製した。この重ね継手試験片を、ＩＳＯ１９０９５の『樹脂−金属異種材料複合材の特性評価試験方法』に基づいて引張せん断強度（接合強度）を測定した。

表１に示すように、実施例１，２のアルミニウム板には、波長５１５ｎｍ、スポット径１６μｍのピコ秒レーザを接合面１５に照射して、直径φＤが２０μｍのディンプル１３を複数加工した。また、比較例１，２のアルミニウム板には、パルス幅が１ｎｓから５００ｎｓのパルスレーザ（ナノ秒レーザと定義する）を、波長１０６４ｎｍ、スポット径が５９μｍとして接合面１５に照射して、直径φＤが８０μｍのディンプル１３を複数加工した。更に、比較例３，４のアルミニウム板には、波長１０３０ｎｍ、スポット径１７０μｍの連続レーザ光を接合面１５に照射して、直径φＤが３００μｍのディンプル１３を複数加工した。

なお、実施例１と実施例２、比較例１と比較例２、比較例３と比較例４は、それぞれディンプル１３の加工周期（隣接するディンプル１３間の距離）を調整して加工面積を異ならせたもので、その他の条件はそれぞれの組で同一である。なお、加工面積とは、接合面１５上でディンプル１３をレーザ光で加工した、被レーザ加工面の合計面積を表している。

図２は実施例１，２におけるピコ秒レーザの照射により接合面に形成されたディンプル１３の顕微鏡写真、図３は図２に示す領域Ａの拡大顕微鏡写真である。
図２，図３に示すように、ディンプル１３の内周面１３ａには、周期的構造の微細凹凸部１９が多数形成されており、数十〜数百μｍオーダーの凹凸加工と同時に、サブμｍオーダーの凹凸加工が行われたことがわかる。

図４は比較例１、２におけるナノ秒レーザ光の照射により接合面に形成された凹部の顕微鏡写真、図５は図４に示す領域Ｂの拡大顕微鏡写真である。
図４、図５に示すように、比較例１、２においては、ディンプル１３の内周面１３ａに凹凸構造が形成されているが、実施例１，２の微細凹凸部１９と比較するとその周期性は高くない。

図６は比較例３，４における連続レーザ光の照射により接合面に形成された凹部の顕微鏡写真、図７は図６に示す領域Ｃの拡大顕微鏡写真である。
図６、図７に示すように、ディンプル１３の内周面１３ａは、凹凸構造のない滑らかな面となっている。

実施例１，２、比較例１，２及び比較例３，４の接合強度の評価結果を、それぞれのディンプル径、加工面積と共に表２に示す。

表２に示すように、実施例１，２の接合体は、ディンプル１３の内周面１３ａに周期的構造の微細凹凸部１９が形成されて、比較例１〜４よりもアンカー効果が大きい。これは、後述するように、ディンプル１３の内部に充填された樹脂材１７に作用する応力が分散され、高い接合強度が得られたものと考えられる。

比較例１，２の接合体１００は、ディンプル１３の内周面１３ａに凹凸構造が形成されてはいるものの、実施例１，２の微細凹凸部１９と比較すると周期性が高くない。そのため、接合強度も実施例１，２と比較して劣っている。

比較例３，４の接合体１００は、ディンプル１３の内周面１３ａに凹凸構造が形成されておらず、平滑である。そのため、接合強度は、実施例１，２と比較例１，２よりも小さくなった。また、接合強度については、上記実施例、比較例のいずれについても、加工面積の増大に伴って大きくなっている。

上記したように、加工面積が同程度であっても、実施例１，２に示すように、ディンプル１３の内周面１３ａに周期的な微細凹凸部１９があると、接合強度が大きくなる。つまり、実施例１、２によれば、僅かな加工面積でも大きな接合強度が得られる。

次に、ディンプル１３の内周面１３ａの微細凹凸構造が、接合強度に及ぼす影響について有限要素法を用いて解析した解析結果について説明する。

図８は有限要素法による解析に使用した解析モデルを示す説明図である。
ディンプル１３は円錐台形状でモデル化し、ディンプル１３の内周面１３ａの微細凹凸構造は断面矩形状の環状の凹凸を用いてモデル化した。図８に示す解析モデルの樹脂材１７の端面に荷重Ｆを負荷した場合の樹脂材１７の応力分布を調べた。

図９はディンプル１３の内周面１３ａに微細凹凸部１９を有する場合の樹脂材１７のる応力分布図であり、図１０は内周面１３ａに微細凹凸部を有しない場合の樹脂材１７の応力分布図である。
図９に示すように、ディンプル１３の内周面１３ａに凹凸構造が形成された場合、ディンプル１３内の樹脂材１７に作用する応力が分散されやすくなる。図１０に示す内周面１３ａに凹凸構造が形成されない場合と比較すると、樹脂材１７に作用する最大応力が低下していることがわかる。最大応力は、ディンプル１３と接合面１５との接続部における荷重負荷側に生じるため、ディンプル１３の深い所よりも浅い所で応力を分散させる構造にすることが望ましい。

ディンプル１３の内周面１３ａに形成された微細凹凸部１９の平均周期と、ディンプル１３内に充填された樹脂材１７に作用する応力との関係を表３に示す。なお、表３では、ディンプル１３の内周面１３ａに凹凸構造が形成されない場合に、樹脂材１７に作用する応力を１００として、各応力を応力比として示している。

ディンプル１３の内周面１３ａにおける微細凹凸部１９の平均周期Ｐが小さくなると、樹脂材１７に作用する応力が低下する。したがって、微細凹凸部１９の平均周期Ｐは、小さくすることが望ましい。

なお、本解析では、それぞれの解析モデルにおいて、樹脂材１７に等しい荷重を負荷しているが、ディンプル１３の内周面１３ａにおける微細凹凸部１９の有無や、微細凹凸部１９の平均周期Ｐによって樹脂材１７に作用する応力が異なる。つまり、樹脂材に作用する応力が小さければ、樹脂材１７での破断が起こりにくくなり、金属部材１１と樹脂材１７との接合強度が高くなる。これらのことから、ディンプル１３の内周面１３ａに微細凹凸部１９を形成することで、金属部材１１と樹脂材１７との接合強度を向上できる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、金属部材と樹脂材との接合体について説明したが、ピコ秒レーザは、可視光や近赤外線光が通過してしまう材料の加工に対しても有効であり、金属部材に限定されず、ガラスや特殊ポリマー等にも適用可能である。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 金属部材の接合面に樹脂材が接合された接合体の製造方法であって、
前記金属部材の前記接合面に、ピコ秒レーザを同一加工点に繰り返し照射して凹部を形成するとともに、前記凹部の内周面に前記ピコ秒レーザによるアブレーションで微細凹凸部を形成することを前記接合面上の複数箇所で繰り返し行い、前記接合面に複数の前記凹部を形成する工程と、
複数の前記凹部に前記樹脂材を充填させて、前記金属部材と前記樹脂材とを接合する工程と、
を有する接合体の製造方法。
この接合体の製造方法によれば、金属部材に凹部を形成するとともに、凹部の内周面に微細凹凸部を形成し、樹脂材を充填させることで、微細凹凸部による樹脂材のアンカー効果が高められ、接合強度が高い接合体を形成できる。

（２） 前記ピコ秒レーザにより、前記微細凹凸部に周期構造を自己組織的に形成する（１）に記載の接合体の製造方法。
この接合体の製造方法によれば、金属部材の凹部に周期構造を有する微細凹凸部を形成できるため、金属部材と樹脂材との接合面での局所的な接合強度のばらつきを小さくでき、接合体全体としての接合強度を向上できる。

（３） 前記ピコ秒レーザを、１発目の照射のパルスレーザ光と、当該１発目のパルスレーザ光の照射からアブレーションプロセスに基づいた蒸散開始までの極短時間後に照射する２発目のパルスレーザ光とを照射して、前記微細凹凸部を形成する（２）に記載の接合体の製造方法。
この接合体の製造方法によれば、極短時間のパルス間隔でピコ秒レーザを照射してアブレーション加工することで、周期構造を有する微細凹凸部を熱影響が少ない状態で形成できる。

（４） 複数の前記凹部を、前記ピコ秒レーザを走査させて形成する上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の接合体の製造方法。
この接合体の製造方法によれば、接合面に複数の凹部を簡単に形成することができる。

１１ 金属部材
１３ ディンプル（凹部）
１３ａ 凹部の内周面
１５ 接合面
１７ 樹脂材
１９ 微細凹凸部
１００ 接合体
Ｄ 凹部の直径

Claims (3)

1. 金属部材の接合面に樹脂材が接合された接合体の製造方法であって、
   前記金属部材の前記接合面に、互いに離間する複数の加工点同士の間の距離を設定し、前記加工点の各々にピコ秒レーザを繰り返し照射して前記加工点に凹部を形成するとともに、前記凹部の内周面に前記ピコ秒レーザによるアブレーションで微細凹凸部を形成する工程と、
   複数の前記凹部に前記樹脂材を充填させて、前記金属部材と前記樹脂材とを接合する工程と、
   を有する接合体の製造方法。
2. 前記ピコ秒レーザにより、前記微細凹凸部に周期構造を自己組織的に形成する請求項１に記載の接合体の製造方法。
3. 前記ピコ秒レーザを、前記微細凹凸部を備える前記凹部の一つを形成した後、次の前記加工点へ前記凹部と前記微細凹凸部とを形成するために走査させる請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法。

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