JP7159730B2 - 複合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱圧着用治具と、当該加熱圧着用治具を用いて塗装金属素形材と樹脂材との複合体を製造する、複合体の製造方法に関する。

金属材と樹脂材とを一体化する技術としては、接着剤により接合する方法が一般的に知られている。必要とする接合強度を得るため、接合する金属製品及び樹脂製品の材質に適した接着剤と接着条件が選定される。しかし、接着剤を用いる接合方法は、被接合体に接着剤を塗布する工程と、その後に加熱あるいは乾燥する工程とを必要とするため、多くの作業時間を要する。

そこで、接着剤を用いる接合方法に代えて、金属材と樹脂材とを直接的に接合させる接合方法が検討されている。例えば、特許文献１は、塗装金属素形材における有機樹脂層の表面に樹脂材を射出成形または加熱圧着によって接合して、両方の部材が接合された複合体の製造方法を提案している。

特開２０１４－１５９１２６号公報

自動車分野では軽量化を目的として素材が選定され、樹脂材の使用割合が増加している。そのため、金属材と樹脂材との接合部位が増大する状況にあり、金属材と樹脂材とを接合する工程における作業効率を向上させるとともに、高い接合強度を有する複合体を製造する技術の確立が求められている。

特許文献１に記載された実施例によると、作製された複合体は、幅３０ｍｍ×長さ３０ｍｍの領域で有機樹脂層と樹脂材とが接触している（段落００７９）。引張り試験による当該複合体の接合力は、最大で２．５ｋＮ（表３）を示している。この接合力を上記の接触する領域の面積（３０ｍｍ×３０ｍｍ）で除すると、約２．８ＭＰａに算出される。すなわち、特許文献１の複合体は、単位面積当りのせん断接合強度で見ると、接合強度が十分に高いものではない。

樹脂材は、溶融後の冷却過程で体積が収縮するため、特許文献１には、樹脂材を射出成形法により接合させる場合は、成形収縮率が１．１％以下の材質を必要とすること（段落００３８）が記載され、また、成形収縮率の大きい樹脂材を使用した場合は、樹脂材にフィラーを含有させる必要があること（段落００４０）が記載されている。このように、特許文献１の接合方法は、それが適用される樹脂組成物に制約がある。

また、特許文献１に示された加熱圧着法を用いる場合、塗装金属板と樹脂成形体とを重ねて加熱圧着すると、加熱によって樹脂成形体の表面が溶融し、加圧によって変形し易くなるため、加熱圧着が進行するにともない、樹脂の変形部分が樹脂成形体の周囲に広がって、そのまま冷却固化する。この樹脂成形体の周囲に固化した樹脂変形部分は、接合後の複合体の外観を損うものである。そのため、接合後に樹脂変形部分を除去する処理工程を必要とする。作業性の観点から、樹脂変形部分の除去処理を省略できることが望ましい。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、金属材と樹脂材とが接合された高い接合強度を有する複合体を、良好な作業効率で製造するための加熱圧着用治具を提供することを目的とする。

発明者らは、上記目的を達成するために検討した結果、有機樹脂層を有する塗装金属素形材を使用し、当該塗装金属素形材と樹脂材とを重ねた被接合体に対し、発熱手段による加熱処理を施すことにより、塗装金属素形材と樹脂材との複合体を簡便に製造できるとともに、高い接合強度を有する複合体が得られることを見出した。そして、加熱
圧着作業に用いられる治具において、樹脂材の支持構造に加圧手段を設けることにより、作業性がさらに高まることを見出して、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は、以下のものを提供する。

（１）本発明は、金属素形材における少なくとも一方の表面に有機樹脂層を有する塗装金属素形材と樹脂材とを加熱圧着して複合体を製造するための加熱圧着用治具であって、開口が設けられた載置面を有する本体部と、前記開口に隣接して配置された支持部とを、含み、前記本体部は、前記載置面の上に前記塗装金属素形材が載置されるものであり、前記開口は、それを囲む内壁の高さが前記樹脂材の高さ以上であり、前記支持部は、前記開口の内部に装填された前記樹脂材を押圧する加圧手段を備える、加熱圧着用治具である。

（２）本発明は、前記加圧手段は、前記樹脂材と接する支持手段と、前記支持手段を移動させる押圧手段を含む、（１）に記載の加熱圧着用治具である。

（３）本発明は、前記加圧手段は、前記開口の中に進入する部分を有する、（１）又は（２）に記載の加熱圧着用治具である。

（４）本発明は、（１）又は（２）に記載の加熱圧着用治具を用いて、前記塗装金属素形材と前記樹脂材とを加熱圧着して、前記塗装金属素形材と前記樹脂材との複合体を製造する、複合体の製造方法である。

（５）本発明は、前記塗装金属素形材と前記樹脂材とを重ねて、前記塗装金属素形材における有機樹脂層が設けられた第１の表面と樹脂材の表面とが対向した被接合体を作製すること、その後、前記被接合体において、前記第１の表面と反対側に位置する前記塗装金属素形材の第２の表面に、発熱手段を配置すること、次いで、当該発熱手段を前記第２の表面に対し押圧して、前記塗装金属素形材と前記樹脂材とを密着させるとともに、前記発熱手段により前記被接合体に加熱処理を施して、前記塗装金属素形材と前記樹脂材とを接合させること、を含む、前記塗装金属素形材と前記樹脂材との複合体を製造する、（４）に記載の複合体の製造方法である。

本発明によれば、金属材と樹脂材とが接合された高い接合強度を有する複合体を提供できる。また、当該複合体を簡便に製造し、良好な作業効率で製造する方法を提供できる。

塗装金属素形材と樹脂材とが加熱圧着により接合される過程を説明するための模式図であり、加熱前の形態を示し、（ｂ）は、加熱時の形態を示す。 塗装金属素形材と樹脂材とを発熱手段により加熱圧着する態様を示す図である。 加熱処理の履歴例を示す図である。 塗装金属素形材と樹脂材とを加熱圧着するための治具の一例を示す図である。 本実施形態に係る加熱圧着用治具を説明するための図であり、加熱圧着が行われる前の態様を示す。 本実施形態に係る加熱圧着用治具を説明するための図であり、加熱圧圧着が行われている態様を示す。 本実施形態に係る加熱圧着用治具の全体外観を示す図である。 本実施形態に係る加熱圧着用治具を本体部と支持部に分けて示す図である。 実施例において、塗装金属素形材と樹脂材とを組み合わせた位置を示す図である。 せん断接合強度を測定する試験装置を模式的に示す図である。 実施例の試験例２において、接合後の樹脂材の外観を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について説明する。本発明は、以下の説明に限定されるものではない。

本実施形態に係る加熱圧着用治具が適用される、塗装金属素形材と樹脂材との複合体を製造する方法について説明する。図１に模式的に示すように、金属素形材２における少なくとも一方の表面に有機樹脂層３を有する塗装金属素形材１と樹脂材４とが接合された複合体８は、以下の工程に従って製造される。すなわち、本実施形態に係る製造方法は、（１）塗装金属素形材１と樹脂材４とを組み合わせた被接合体５を作製すること、（２）被接合体５の第１の表面６に発熱手段１０を配置すること、（３）発熱手段１０により、被接合体５の第２の表面７に対し押圧するとともに、被接合体５に加熱処理を施して接合すること、を含むものである。この製造方法によって、塗装金属素形材１と樹脂材４との界面に接合部９が形成されて、高い接合強度（せん断接合強度）を有する複合体８が得られる。

（１）被接合体の作製
本実施形態に係る製造方法は、図１の（ａ），（ｂ）に示すように、塗装金属素形材１と樹脂材４とを重ねて、塗装金属素形材１における有機樹脂層３が設けられた第１の表面６と樹脂材４の表面とが対向した被接合体５を作製する。後記する加熱処理によって、図１の（ｂ）に示すように、有機樹脂層３を介して塗装金属素形材１と樹脂材４とが接合される。そのため、加熱処理に供される被接合体５は、塗装金属素形材１における第１の表面６と樹脂材４とが対向するように重ねた形態とすることが好ましい。

（２）発熱手段の配置
その後、図２に示すように、被接合体５において、前記第１の表面６と反対側に位置する塗装金属素形材１の第２の表面７に、発熱手段１０を配置する。塗装金属素形材と樹脂材とが対向する界面領域において、後記する押圧処理及び加熱処理による加熱圧着処理が施されることから、加圧及び加熱が当該界面領域に効率よく作用させるため、当該界面領域に対応する位置に発熱手段を配置することが好ましい。

発熱手段１０は、被接合体の表面を押圧する機能と、被接合体を加熱する機能を備えたものであれば、その形態について特に限定されない。例えば、日本アビオニクス株式会社製の「パルスヒートユニット」（型式ＮＡ－１５４）を使用することができる。この発熱手段は、その先端部分（ヒータチップ）が抵抗加熱により発熱し、先端部分を通して被接合体を加熱する装置である。

（３）発熱手段による加熱圧着処理
次いで、図２に示すように、発熱手段１０を塗装金属素形材の第２の表面７に対し押圧する。この押圧によって塗装金属素形材１と樹脂材４とが対向する界面領域は、塗装金属素形材の有機樹脂層３と樹脂材４とが密着し、双方が密接に接触した状態になる。この押圧するとともに、当該発熱手段により被接合体を加熱することによって、当該界面領域で軟化及び溶融が生じて、塗装金属素形材と樹脂材との接合部が形成される。

本実施形態に係る加熱処理は、上記の押圧を伴って行われる。加熱処理を行う際の加熱履歴の一例を図３に示す。当該加熱処理は、発熱手段により、被接合体を常温２１から設定温度２２まで昇温させた後、当該設定温度２２で発熱手段１０を保持することを含む。また、当該加熱処理は、発熱手段の加熱を停止した後、押圧を維持した状態で冷却することを含む。このように、当該加熱処理は、昇温する段階、保持する段階、及び冷却する段階を含む。塗装金属素形材や樹脂材の種類に応じて、適切な昇温時間２３、保持時間２４及び冷却時間２５を選定できる。

設定温度までの昇温時間（ｓ）については、０．１ｓ以上であれば、高い接合強度の複合体が得られる。長時間で昇温しても、接合強度の増大が飽和するため、５ｓ以下の昇温時間が好ましい。設定温度に達した後の保持時間（ｓ）については、０．１ｓ以上であれば、高い接合強度の複合体が得られる。長時間で保持しても、接合強度の増大が飽和するため、５ｓ以下の保持時間が好ましい。

（塗装金属素形材）
本実施形態で使用される塗装金属素形材は、金属素形材の表面の片面または両面に有機樹脂層が設けられている。金属素形材を構成する金属の種類は、特に限定されない。たとえば、上記金属の種類は、鉄であってもよいし、鉄以外の金属であってもよいし、合金であってもよい。金属素形材の例には、冷延鋼板、亜鉛めっき鋼板、Ｚｎ－Ａｌ合金めっき鋼板、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ合金めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、ステンレス鋼板（オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、フェライト・マルテンサイト二相系を含む）、アルミニウム板、アルミニウム合金板、銅板などの金属板や、そのプレス加工品、あるいは、アルミダイカスト、亜鉛ダイカストなどの鋳造・鍛造物や、切削加工、粉末冶金などにより成形された各種金属部材などが含まれる。金属素形材は、必要に応じて、脱脂、酸洗などの公知の塗装前処理が施されていてもよい。

有機樹脂層は、金属素形材と熱可塑性樹脂組成物の成形体との密着性を向上させる。有機樹脂層の例として、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、ポリウレタン、アクリル系樹脂、アクリル・スチレン系樹脂、酢酸ビニル、ＥＶＡ（エチレン－酢酸ビニル共重合）、エステル系樹脂を使用することができる。

有機樹脂層の膜厚は、０．２μｍ以上であることが好ましい。有機樹脂皮膜の膜厚が０．２μｍ未満の場合、金属素形材表面を均一に覆うことができないことがある。これにより、膜厚が０．２μｍ未満の有機樹脂層を有する複合体は、金属素形材と樹脂材との間に微細な隙間が生じるおそれがある。微細な空隙が生じると、前述の複合体における封止性が、低下するおそれがある。一方、有機樹脂膜の膜厚の上限値は特に制限されないが、１０μｍ以下が好ましく、３μｍ以下がより好ましい。有機樹脂層の膜厚を１０μｍ超としても、著しい性能向上は認められず、また、生産性の観点およびコストの観点からも不利である。

（樹脂材）
本実施形態で使用される樹脂材は、とくに限定されない。ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート樹脂、等を含むものに適用できる。

（複合体）
本実施形態に係る製造方法によって、上記の塗装金属素形材と上記の樹脂材とを接合した複合体が得られ、単位面積当りのせん断接合強度が２０ＭＰａ以上である複合体を提供することができる。本明細書では、当該せん断接合強度（単位：Ｐａ）は、引張試験で得られたピーク荷重（単位：Ｎ）を、塗装金属素形材と樹脂材とが接触する面積（ｍｍ^２）で除して、その単位面積当たりのせん断接合強度として算出された数値を意味する。また、本明細書では、当該せん断接合強度を、「接合強度」ということもある。本発明に係る複合体は、そのせん断接合強度が２０ＭＰａ以上であるので、軽量化を求められる多くの用途に適する。

また、本実施形態に係る製造方法においては、使用される樹脂材の種類に特に制約されない。接合する前に、樹脂材を乾燥炉に投入して、樹脂中の水分を蒸発させることにより、樹脂材の水分による影響を回避できる。そのため、ＰＡ６（６ナイロン）のような吸水性の高い樹脂材を使用しても、塗装金属素形材と樹脂材金属体とを良好に接合することができる。

（加熱圧着用治具）
塗装金属素形材と樹脂材との加熱圧着は、樹脂材を固定する治具を用いられる。その一例として、図４に示す位置決め用治具を使用することができる。図４に示すように、位置決め用治具１１の凹部１２に樹脂材４が収容される。当該位置決め用治具１１は、塗装金属素形材１と同程度の長さ及び幅を有していて、樹脂材４を収容するために、所定の深さの凹部１２を有する。当該凹部１２は、位置決め用治具１１の一端から長手方向に所定の長さ離れた位置で、かつ、幅方向でほぼ中央の位置に設けられている。凹部１２に収容された樹脂材４は、所定の長さが突出した状態にある。その後、塗装金属素形材１を位置決め用治具１１の上に被せて、塗装金属素形材１の有機樹脂層３と樹脂材４とが対向した状態の被接合体５が得られる。

次いで、被接合体５における塗装金属素形材１の表面７に発熱手段１０を配置し、被接合体５に対して押圧及び加熱が行われる。このような加熱圧着処理により、塗装金属素形材１と樹脂体４とが接合した複合体が得られる。

図４に示す位置決め用治具を用いた場合、加熱圧着によって、位置決め用治具１１の凹部１２から突出した樹脂材４が変形して、塗装金属素形材１と樹脂材４との接合部９は、溶融した樹脂が樹脂変形部１７のように凹部１２の周囲に広がって固化することが多い。複合体の接合部に美麗な外観が必要とされる用途であれば、上記の樹脂変形部１７を除去することが好ましい。

他方、上記の樹脂変形部１７を除去する後処理を省略できると、作業効率の点で好ましい。このような観点から、本実施形態に係る加熱圧着用治具は、加熱圧着時の樹脂変形を抑制するため、樹脂材を突出させない状態で加熱圧着できるようにしたものである。具体的な装置構成を図５及び図６に示す。図５は、加熱圧着を行う前の態様を示したものであり、図６は、加熱圧着中の態様を示したものである。

本実施形態に係る加熱圧着用治具は、開口が設けられた載置面を有する本体部と、前記開口に隣接して配置された支持部とを含むものである。図５に示すように、本体部３１の載置面３３の上には、塗装金属素形材１が載置される。本体部３１の開口３２の内部には、接合対象の樹脂材４が装填される。加熱圧着用治具３０の支持部３４は、加圧手段３５を備えており、当該加圧手段３５は、本体部３１の開口３２の内部に装填された樹脂材４を押圧する機能を有する。なお、支持部３４は、加圧手段３５を固定する部材を有している。

図５に示すように、塗装金属素形材１における有機樹脂層３が設けられた第１の表面６と樹脂材４の表面とが対向するように、塗装金属素形材１及び樹脂材４の双方を重ねた被接合体５が準備される。そして、塗装金属素形材１の前記第１の表面６と反対側に位置する塗装金属素形材１の第２の表面７に発熱手段１０が配置される。この加熱圧着前の段階では、開口３２内に装填された樹脂材４は、一方の端部が支持部３４の加圧手段３５によって押圧され、他方の端部が本体部３１の載置面３３から突出した状態にある。

次いで、加熱圧着時には、図６に示すように、発熱手段１０を塗装金属素形材１の前記第２の表面７に対し押圧して、塗装金属素形材１と樹脂材４とを密着させるとともに、発熱手段１０により被接合体５に加熱処理を施して、塗装金属素形材１と樹脂材４とを接合させる。発熱手段１０による押圧は、加熱圧着用治具３０における加圧手段３５の加圧力を上回る加圧力で行われる。塗装金属素形材１が押圧されて移動するにともない、塗装金属素形材１に密着した樹脂材４は、開口３２内へ押し込まれる。塗装金属素形材１が加熱圧着用治具３０の載置面３３に当接して、塗装金属素形材１の移動が停止する。その結果、樹脂材４は、その全体が開口３２内に装填されて突出しない状態に至る。そして、塗装金属素形材１と樹脂材４とが接触する界面領域に対して一定の加圧力が付加された状態を維持しながら、発熱手段１０による加熱処理を施して被接合体５を加熱圧着する。

開口内に装填された樹脂材４は、開口３２の内壁によって拘束された状態にある。加熱圧着時には、塗装金属素形材側から押圧されるとともに、支持部からも加圧手段によって押圧される。開口の内壁の高さが樹脂材の高さ以上であると、樹脂材の全体が開口の内壁で拘束されることから、樹脂材の変形を抑制される点で好ましい。

支持部３４の加圧手段３５は、図５、図６に示すように、樹脂材４と接する支持手段３６と、前記支持手段３６を移動させる押圧手段３７とによって構成することができる。支持手段３６は、開口３２内の樹脂材４を支えることから、開口３２の中に進入する部分を有していて、樹脂材４を支持するのに適した形状と大きさであることが好ましい。押圧手段３６としては、所定の加圧力を発生する機構を備えたものであればよい。例えば、バネによる押圧手段は、機構や調整が簡単である。また、シリンダ機構による押圧手段は、制御手段を付加することが可能である。例えば、支持手段における一方の端部は、開口内に進入し、樹脂材の端面と当接する平坦面を有する構造とすることができる。支持手段における他方の端部は、加圧手段の押圧面に合わせて平坦面とすることができる。

本実施形態に係る加熱圧着治具を用いると、加熱圧着時に樹脂材の変形が抑制され、樹脂材の本体の外側へ樹脂が流出することを防止できる。そのため、得られた複合体の接合部は、樹脂材の周囲に流出した樹脂変形部がほぼ残存していないので、複合体の接合部において美麗な外観が得られる。また、樹脂変形部を除去する後処理を省略できる、あるいは、簡単な作業で対応できる点で、作業性の向上の点で効果的である。

また、加熱圧着時に樹脂材の本体から樹脂が樹脂変形部分のように流出すると、それと一緒に、有機樹脂層の一部が流出すると考えられる。この樹脂の流出にともない、有機樹脂層が損耗し、接合強度の低下を招く可能性がある。この点で、本実施形態に係る加熱圧着治具は、樹脂材の形態をほぼ維持して加熱圧着による接合が行われるので、樹脂材の変形にともなう有機樹脂層の損耗が生じない。そのため、有機樹脂層と樹脂材との間に良好な接合界面が形成されて、高い接合強度を有する複合体を製造することができる。

以下、実施例について説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

塗装金属素形材における有機樹脂層が設けられた表面と樹脂材の表面とが対向した試験体を作製した。具体的には、塗装金属素形材１として、ＳＰＣＣを基材とした溶融Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ合金めっき鋼板を用いた。塗装金属素形材１は、板厚０．６ｍｍの金属素形材２の両面に、ウレタン系樹脂からなる膜厚２μｍの有機樹脂層３を有しており、長さ７５ｍｍ及び幅２５ｍｍの寸法に切断されて試験に供された。

樹脂材４は、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリプロピレン（ＰＰ）の２種の樹脂を用いて、長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ及び厚さ３ｍｍの板状品を用意した。

図７は、本実施形態に係る加熱圧着用治具３０の全体の外観を示したものであり、図８は、当該治具３０における本体部３１と支持部３４に分けて示した図である。図７、図８に示す加熱圧着用治具３０を用いて、加熱圧着による接合試験を行った。樹脂材４は、加熱圧着用治具３０の開口３２に装填される。当該加熱圧着用治具３０の本体部３１は、塗装金属素形材１を載置する載置面３３を有する。当該載置面３３は、塗装金属素形材１と同程度の長さ及び幅を有しており、図９に示すように、樹脂材４を装填するための開口３２が、載置面３３の一端から長手方向に約１５ｍｍ離れた位置で、かつ、幅方向でほぼ中央の位置に設けられている。また、載置面の一端に隣接してストッパー３８を設けている。このストッパー３８に塗装金属素形材１を当接することにより、樹脂材４との接合箇所に塗装金属素形材１を正確に載置することができる。

加熱圧着用治具３０は、本体部３１の開口３２に隣接して、加圧手段３５を備える支持部３４を有する。加圧手段３５は、開口３２に収容された樹脂材４を支持する支持手段３６と、支持手段３６を移動させる押圧手段３７としてバネ部材を備えている。支持手段３６における一方の端部は、開口３２の内部形状に対応した形状を有していて、支持手段３６における他方の端部は、押圧手段３７のバネ部材で押圧されるように平坦面で構成されている。樹脂材４は、開口３２内に装填されると、支持部３４の加圧手段３５によって押圧されて、載置面３３から突出した状態にある。その後、塗装金属素形材１を樹脂材４及び加熱圧着用治具３０の上に被せて、塗装金属素形材１の有機樹脂層３と樹脂材４とが対向した状態の被接合体５からなる試験体を得る。

次いで、被接合体５における塗装金属素形材１の第２の表面７に発熱手段１０を配置し、被接合体５に対して押圧及び加熱を行い、被接合体５における塗装金属素形材１と樹脂体４とを接合させる。発熱手段として、日本アビオニクス株式会社製のパルスヒートユニット（型式ＮＡ－１５４）を使用した。この発熱手段は、被接合体を押えて所定の荷重で加圧するヘッド（図示を省略）と、当該ヘッドの先端にヒータチップとを備えている。当該ヒータチップは、パルスヒート電源（図示を省略）からの通電によって抵抗発熱する部材である。

発熱手段が試験体を押圧するときの加圧力（Ｐａ）は、ヘッドで加える荷重（Ｎ）を、樹脂材の成形体の本体の断面積（１０ｍｍ×５ｍｍ）で除した数値により評価した。

接合試験は、発熱手段により押圧した後、所定の温度及び時間で加熱処理を施した。試験体における温度履歴は、図３に示すように、常温２１から設定温度２２まで所定の昇温時間２３となるように昇温する。設定温度２２に達した後、その温度に所定の保持時間２４で保持される。保持時間２４を経過した後、強制空冷されて、ほぼ常温２１に達した後、押圧が解除される。試験体の加熱処理においては、塗装金属素形材１と樹脂材４とが接触する接合部９の近傍に熱電対を設置して温度を測定した。本実施例は、その測定値によって試験体の加熱温度とした。所定の加圧力、加熱温度および加熱時間によって加熱圧着を行い、接合された複合体を作製し、せん断引張試験に供した。樹脂材は、その全体が開口内に装填されていて、加熱圧着用治具の本体部で拘束された状態にあることから、塗装金属素形材と樹脂材との接合部には、図４に示すような樹脂が流出した樹脂変形部分がほとんど生じなかった。よって、接合部の接合面積は、樹脂材の本体の断面積（１０ｍｍ×５ｍｍ）に相当する。

（接合強度）
接合された試験体について、国際規格ＩＳＯ １９０９５－２ ２０１５（プラスチック －プラスチック・金属アセンブリの接着界面性能の評価－）の国際規格に準拠して、図１０に示す引張試験装置によるせん断引張試験を行った。引張速度を５ｍｍ／ｍｉｎで行い、試験体が破断するピーク荷重を求めた。試験体は、塗装金属素形材１側を上側治具１５で固定され、樹脂材４側を下側治具１６で固定された。塗装金属素形材１は、一端が上側治具９から突出するように固定し、当該突出した一端を上側つかみ部１３で把持した。樹脂材４は、その全体を下側治具１６で固定し、下側治具１６を下側つかみ部１４で把持した。これにより、樹脂材４が下側つかみ部８で潰されるのを防止できる。引張試験装置に試験体を取り付ける際は、試験体の接合界面と下側つかみ部１６の中心軸とがほぼ一致するように試験体を把持した。試験体の接合部の面積は、塗装金属素形材１と樹脂材４との接触面積に相当するから、試験体のせん断接合強度の指標として、引張試験により求めたピーク荷重（Ｎ）を接合面積（５０ｍｍ^２）で除した数値を用いて、これを試験体の接合強度（ＭＰａ）とした。

（試験例１）
本実施形態に係る加熱圧着用治具により接合された試験体の接合強度について調べた。本発明例１、２は、加圧圧着用治具３１を用いて、試験体への加圧力を１ＭＰａ、昇温時間を５ｓ、保持時間を５ｓ、加熱温度２７０℃の条件で接合した。また、参考例１、２として、図４に示す治具１１を用いて、同様の条件で接合した試験体を作製した。その後、接合された各試験体のせん断接合強度を測定した。その試験結果を表１に示す。試験体の樹脂材には２種の樹脂を用いた。本発明例１及び参考例１は、樹脂材としてポリアミド樹脂（ＰＡ６）を用いた場合であり、本発明例２及び参考例２は、樹脂材としてポリプロピレン（ＰＰ）を用いた場合である。

表１に示すように、本実施形態に係る加熱圧着用治具（本発明例１、２）により接合された試験体は、参考例の治具による試験体（参考例１、２）と比べて、そのせん断接合強度が上回っていた。

（試験例２）
本実施形態に係る加熱圧着用治具により得られた接合部の外観について調べた。試験例１のＰＡ６の樹脂材による本発明例１及び参考例１の試験体を用いて、接合部の外観を目視で観察した。図１１に撮影した外観の写真を示す。

参考例の治具による試験体は、図１１の参考例１に示すように、接合部の樹脂材が変形し、樹脂材の本体から流出した樹脂が周囲に１～３ｍｍ程度広がって固化していた。接合後の外観における意匠性を考慮すると、周囲に広がった樹脂変形部分を除去する必要があった。

それに対し、本実施形態に係る加熱圧着用治具による試験体は、図１１の本発明例１に示すように、接合部の樹脂材には、ほとんど変形が見られず、樹脂材の形状が保持されていた。本実施形態に係る加熱圧着用治具を用いることにより、接合部の外観において良好な意匠性を確保できるとともに、余分な樹脂変形部を除去する作業を省略できる点で製造効率の向上に寄与することが分かった。

（試験例３）
次に、試験例１で得られた試験体を用いて、接合界面における有機樹脂層の厚みを測定した。接合部付近で試験体を板厚方向に切断した後、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察し、断面の画像において任意に３箇所の厚みを計測し、それらの平均値を得た。その結果を表１に示す。

表１の本発明例１、２は、本実施形態に係る加熱圧着用治具を用いたものであり、参考例１、２は、図４に示す治具を用いたものである。表１に示すように、ＰＡ６、ＰＰのいずれの樹脂材についても、参考例１、２の試験体は、その接合界面における有機樹脂層の平均厚みが接合前の膜厚（２μｍ）よりも約３５％減少し、薄肉化していた。それに対し、本発明例１、２における有機樹脂層の平均厚さは、ほとんど減少しておらず、接合前の膜厚がほぼ維持されていた。

上記の結果は、試験例２の外観に関する結果と合わせて見ると、参考例の治具による接合部では、樹脂材の変形および樹脂の流出にともない、樹脂と接触する塗装金属素形材の有機樹脂層が樹脂と一緒に周囲へ流出し、当該皮膜が薄肉化したものと推測される。それに対し、本発明例の治具を用いた場合は、接合時に樹脂材が拘束されていて、樹脂材の変形と樹脂の流出を生起させないので、有機樹脂層の厚さがほぼ維持されたものと推測される。そして、本発明例は、接合後に当該皮膜の薄肉化が生起しなかったことにより、試験例１に示すように、高い接合強度が得られたと考えられる。

以上のことから、本発明に係る加熱圧着用治具は、金属材と樹脂材とが接合された高い接合強度を有する複合体を提供し、当該複合体を簡便に良好な作業効率で製造する方法を提供できる点で、有用な効果を奏する。

１ 塗装金属素形材
２ 金属素形材
３ 有機樹脂層
４ 樹脂材
５ 被接合体
６ 第１の表面
７ 第２の表面
８ 複合体
９ 接合部
１０ 発熱手段
１１ 位置決め用治具
１２ 凹部
１３ 上側つかみ部
１４ 下側つかみ部
１５ 上側治具
１６ 下側治具
１７ 樹脂変形部
２１ 常温
２２ 設定温度
２３ 昇温時間
２４ 保持時間
２５ 冷却時間
３０ 加熱圧着用治具
３１ 本体部
３２ 開口
３３ 載置面
３４ 支持部
３５ 加圧手段
３６ 支持手段
３７ 押圧手段
３８ ストッパー

Claims (2)

1. 加熱圧着用治具を用いて、金属素形材における少なくとも一方の表面に有機樹脂層を有する塗装金属素形材と樹脂材成形体とを加熱圧着して、前記塗装金属素形材と前記樹脂材成形体との複合体を製造する、複合体の製造方法であって、
   前記加熱圧着用治具は、前記塗装金属素形材を載置するための載置面を有する本体部と、前記載置面と反対側に位置して前記本体部に隣接して配置された支持部とを、含み、
   前記本体部は、前記載置面の側に樹脂材成形体を装填して拘束するための開口を有し、前記開口を囲む内壁の高さは、前記樹脂材成形体の高さ以上であり、
   前記支持部は、前記開口の内部に装填された前記樹脂材成形体を前記載置面の側へ押圧する加圧手段を備え、
   前記加圧手段は、前記樹脂材成形体と接して支持する支持手段と、前記支持手段によって支持された前記樹脂材成形体を前記開口内で前記載置面の側へ移動可能な押圧手段を備える、
   複合体の製造方法。
2. 前記塗装金属素形材と前記樹脂材成形体とを重ねて、前記塗装金属素形材における有機樹脂層が設けられた第１の表面と樹脂材成形体の表面とが対向した被接合体であって、前記樹脂材成形体は、前記開口内に装填されて前記開口の内壁に拘束される形状であり、前記塗装金属素形材は、前記載置面に載置される前記第１の表面を有する、被接合体を作製すること、
   前記被接合体の前記樹脂材成形体を前記加圧手段の前記支持手段に接して配置すること、
   その後、前記被接合体において、前記第１の表面と反対側に位置する前記塗装金属素形材の第２の表面に、発熱手段を配置すること、
   次いで、前記発熱手段を前記第２の表面に対し押圧して、前記第１の表面を前記載置面に当接させて、前記塗装金属素形材と前記樹脂材成形体とを密着させるとともに、前記発熱手段により前記被接合体に加熱処理を施して、前記塗装金属素形材と前記樹脂材成形体とを接合させること、
   を含む、請求項１に記載の複合体の製造方法。
   

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