JP7202978B2

JP7202978B2 - 接合体の製造方法

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Publication number: JP7202978B2
Application number: JP2019110076A
Authority: JP
Inventors: 佳史池田
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2039-06-13
Also published as: JP2020199740A

Description

本発明は、接合体の製造方法に関する。

車両用の操舵装置や懸架装置の部品として、ダイカストにより製造された高強度の金属部品が従来から用いられている。一方で、近年、軽量化の観点から、部品の一部を樹脂材料で形成し、その樹脂部品を金属部品に接合して成る接合体が開発されている（下記特許文献１を参照）。

特開２０１５－１４５１００号公報

ところで、ダイカストにより製造されたアルミニウム合金製の金属部品は、ダイカスト用アルミニウム合金に含まれる銅の成分比率が高く、耐食性に劣る。このため、金属部品において樹脂部品が接合する接合部が腐食し、樹脂部品が分離するおそれがある。

本発明は、このような課題を解決するために創作されたものであり、樹脂材料が接合する接合部の耐食性を向上させることができる接合体の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る接合体の製造方法は、金属部品と樹脂部品との接合体を製造する接合体の製造方法であり、ダイカストにより製造されたアルミニウム合金製の前記金属部品を準備する準備工程と、展伸用アルミニウム合金を溶着させて前記金属部品に接合部を形成する接合部形成工程と、前記樹脂部品を前記接合部に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、展伸用アルミニウム合金からなる接合部は耐食性に優れる。よって、接合部から樹脂部品が分離するおそれが低減する。

接合体を説明するための概略断面図である。第１実施形態の準備工程においてダイカストにより製造された金属部品の断面図である。第１実施形態の接合部形成工程において肉盛り部を形成した後の状態を示す断面図である。第１実施形態の接合部形成工程において肉盛り部を成形した後の状態を示す断面図である。第１実施形態の接合工程において超音波溶着機の起動開始直後の状態を示す断面図である。第１実施形態の接合工程において樹脂部品が溶融し始めた時点の状態を示す断面図である。第２実施形態における接合工程の開始直後の状態を示す断面図である。第３実施形態の接合部形成工程において肉盛り部を成形した後の状態を示す断面図である。第３実施形態の製造方法により製造された接合体の断面図である。第４実施形態における接合部形成工程を説明する図面である。第５実施形態における接合部形成工程を説明する図面である。第６実施形態における接合工程を説明する図面である。

次に本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。また、各実施の形態で共通する技術的要素には、共通の符号を付し、説明を省略する。最初に、図１を参照しながら接合体１について説明する。

（接合体）
接合体１は、車両に搭載される操舵装置や緩衝装置の一部品であり、例えば、操舵装置においてラック軸を収容するラックカバーや緩衝装置においてシリンダの外筒に適用可能である。
図１に示すように、接合体１は、金属材料により形成された金属部品２と、樹脂材料により形成され金属部品２に接合される樹脂部品３と、を備えている。金属部品２は、ダイカストにより製造され、樹脂部品３は、例えば熱可塑性樹脂により形成されている。
金属部品２は、接合体１で骨格を成す役割を有する一方で、樹脂部品３は、金属部品２の外表面に配置され配線等を支持する役割を有する部品である。

実施形態の金属部品２は、一方向に延在する長尺状のものである。金属部品２の一端部２ａの上面側には、金属部品２の材料とは異なる金属材料（異種金属材料）により形成された接合部４と保護部５とが形成されている。
接合部４は、樹脂部品３が接合する部位である。接合部４の上面には、上方に突出しつつ階段状に形成された凸部４ａが形成されている。
凸部４ａは、樹脂部品３との接合面積を大きくするためのものであり、凸部４ａの頂部４ｂが樹脂部品３内に入り込んでいる。
保護部５は、接合部４に隣接しており、接合部４の周囲を囲っている（図１において接合部４の一端側と他端側にある保護部のみを図示）。

なお、金属部品２と樹脂部品３との接合方式は特に限定されるものではない。接合方式としては、例えば、接着剤による接着、樹脂の溶融による溶着、あるいはインサート成型による接合などが挙げられる。
次に、第１実施形態の接合体１の製造方法について説明する。第１実施形態では、接合方式として溶着を例にとって説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態における接合体１の製造方法は、金属部品２と樹脂部品３を準備する準備工程と、金属部品２に接合部４を形成する接合部形成工程と、接合部４に樹脂部品３を溶着にて接合させる接合工程と、を含んでいる。

（準備工程）
準備工程において、ダイカスト用アルミニウム合金を材料とし、ダイカストにより金属部品２を製造する。
ダイカスト用アルミニウム合金としては、ＡＤＣ１材、ＡＤＣ３、ＡＤＣ５、ＡＤＣ６、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１２Ｚ、ＡＤＣ１４が挙げられる。
図２に示すように、ダイカストにより金属部品２を製造する際、金属部品２の一端部２ａの外表面２ｂ側に、接合部４及び保護部５を形成するための凹部２ｃを形成しておく。

また、準備工程において、熱可塑性樹脂を材料として、射出成形により樹脂部品３を製造する。なお、本発明において樹脂部品３の製造方法は、射出成形に限定されず、押出成形、圧縮成形であってもよい。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ），ポリプロピレン（ＰＰ），ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ），ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの熱可塑性樹脂が挙げられる。
また、樹脂部品３は、下面３ａ（接合部４と接合する接合面）が平面に形成されたものを準備する（図５参照）。
なお、本発明における樹脂部品３は、熱可塑性樹脂内に繊維を含んだ繊維強化樹脂シートを材料としてもよい。

（接合部形成工程）
接合部形成工程は、金属部品２の凹部２ｃに肉盛り部７を形成する肉盛り部形成工程と、肉盛り部７にレーザを照射して成形する成形工程と、を含んでいる。

図３に示すように、肉盛り部形成工程は、レーザ照射ユニット８でレーザを照射して線材６を溶融させることにより（レーザクラッディングにより）、凹部２ｃに肉盛り部７を形成する。
線材６は、展伸用アルミニウム合金を用いている。展伸用アルミニウム合金としては、例えば、１０００系、３０００系、５０００系、６０００系のアルミニウム合金が挙げられる。このうち、５０００系のアルミニウム合金は、耐食性に優れるので好適である。また、第１実施形態では展伸用アルミニウム合金を線状（棒状）にした線材６を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、粉末状のアルミニウム合金を用いてもよい。粉末状のアルミニウム合金については第５実施形態で後に詳しく説明する。
肉盛り部７は、金属部品２の外表面２ｂよりも外側（上側）に突出するように形成する。

成形工程は、レーザ照射ユニット８を移動して肉盛り部７において除去する部位にレーザの焦点を合わせ、肉盛り部７の上面を成形する。
図４に示すように、肉盛り部７のうち保護部５を構成する部位には、レーザを照射して平坦面とし、保護部５と金属部品２の外表面２ｂとに段差が生じないようにしている。
肉盛り部７のうち接合部４を構成する部位には、中央部よりも端部を多く除去して凸部４ａを形成する。また、レーザ照射ユニット８を移動させて（図４の矢印Ａ参照）、凸部４ａの外形を階段状に形成する。
また、本工程において、凸部４ａの上面にさらにレーザを照射し、微細な凹凸を形成する。この凹凸によれば、接合工程で溶融した樹脂が微細な凹凸内に入り込んで固着強度が向上する。なお、この微細加工は、レーザの照射以外にエッチング処理によって形成してもよい。

（接合工程）
図５に示すように、接合工程は、樹脂部品３の下面（接合面）３ａを接合部４の凸部４ａの頂部４ｂに当接させた状態で、外的加熱装置により樹脂部品３と接合部４が圧縮するような荷重を加えながら樹脂部品３の下面３ａを溶融させ、樹脂部品３と接合部４を溶着する工程である。

外的加熱装置は、溶融させる部位（樹脂部品３の下面３ａ）に接触することなく溶融させることができる装置である。第１実施形態では、外的加熱装置として超音波溶着機を用いている。超音波溶着機は、樹脂部品３と接合部４との接触面で摩擦熱を発生させて樹脂部品３の下面３ａを形成する樹脂を溶融させる摩擦熱溶着装置の一つである。
具体的に説明すると、超音波溶着機は、電気エネルギを機械的振動エネルギに変換し、その機械的振動をホーン１０を介して部品に伝達して部品同士の接触面で摩擦熱を発生させる装置である。また、超音波溶着機は、上記振動機能の他に、ホーン１０に当接する部品（樹脂部品３）を加圧し、樹脂部品３と接合部４が圧縮するような荷重を生成している。なお、本工程において、金属部品２を載置台１１に載せて固定する。

具体的には、超音波溶着機が起動すると、ホーン１０は、樹脂部品３に荷重をかけながら（図５の矢印Ｂ参照）、上下に振動をする。これにより、樹脂部品３が上下に振動し（図５の矢印Ｃ参照）、樹脂部品３の下面（接合面）３ａと凸部４ａとの界面で摩擦熱が発生する。そして、摩擦熱が所定温度を超えると、下面３ａが溶融する。

図５に示すように、接合工程の開始直後、凸部４ａの頂部４ｂのみが下面３ａに当接していることから、下面３ａにおいて溶融する部位は下面３ａの中央部のみとなる。
そして、ホーン１０の加圧力により凸部４ａの頂部４ｂが溶融した部位（下面３ａの中央部）に圧入されると、図６に示すように、凸部４ａの頂部４ｂの周囲が下面３ａと接触する。このように、第１実施形態では、樹脂部品３の下面３ａは、中央部から端部側に向って次第に溶融するようになっている。

次に、下面３ａの全てが溶融して凸部４ａの全てが下面３ａに圧入したら、超音波溶着機を停止させる。これにより溶融した樹脂が凝固し、樹脂部品３と接合部４とが溶着し、接合体１が完成する（図１参照）。

以上、第１実施形態の製造方法によれば、接合部４が展伸用アルミニウム合金により形成され、耐食性が向上している。よって、接合部４が腐食して樹脂部品３が分離する、ということを防止することができる。
また、接合部４を支持する金属部品２の一端部２ａは、保護部５により保護されている。よって、金属部品２の一端部２ａが腐食して接合部４ごと樹脂部品３が金属部品２から分離する、ということを長期間に亘って防止することができる。
また、接合部４及び保護部５は、金属部品２と同じアルミニウム合金で形成され、電蝕が生じ難い。

また、接合部４の接合面には、凸部４ａが形成されて樹脂部品３との溶着面積が拡大しており、溶着強度が向上している。
また、本実施形態の接合工程によれば、樹脂部品３の下面３ａにおいて中央部から端部に向って順に溶融するため、樹脂部品３と接合部４との間に介在する空気は周囲に逃げ易い。よって、溶着部位に空気が残留し難く、接合部４に対する樹脂部品３の溶着強度が高い。

以上、第１実施形態について説明した。なお、第１実施形態において超音波溶着機のホーン１０を樹脂部品３の上面に当接するように用いているが、本発明は、ホーン１０を金属部品２に当接させ、接合部４を樹脂部品３側に押圧するように用いてもよい。

そのほか、第１実施形態では、摩擦熱溶着装置として、樹脂部品３に対し上下に振動する超音波溶着装置を用いた例を挙げたが、樹脂部品３の下面３ａに沿った面方向の振動を与えて摩擦熱を発生させる超音波溶着装置であってもよい。また、本発明の外的加熱装置は、摩擦熱溶着装置（超音波溶着装置）に限定されない。以下、他の外的加熱装置を用いた例を説明する。

（第２実施形態）
第２実施形態における接合体１の製造方法は、金属部品２と樹脂部品３を準備する準備工程と、金属部品２に接合部４を形成する接合部形成工程と、接合部４に樹脂部品３を溶着させる接合工程と、を含んでいる。なお、第２実施形態の準備工程と接合部形成工程は、第１実施形態の準備工程と接合部形成工程と同じであるため、説明を省略する。

（接合工程）
図７に示すように、第２実施形態の接合工程において、外的加熱装置は、樹脂部品３を接合部４に向って押圧する加圧装置２０と、接合部４を発熱させるための高周波誘導装置とを備えている。また、第２実施形態では、固定用治具２２によって浮いた状態で金属部品２が固定されている。
加圧装置２０は、樹脂部品３の上面を押圧し、樹脂部品３の下面３ａと接合部４の凸部４ａとを圧縮するような荷重をかけるための装置である。
高周波誘導装置は、環状のコイル部２１を備え、コイル部２１内の中心に接合部４を配置し、電磁誘導により接合部４に渦電流を発生させて発熱させる装置である。
よって、高周波誘導装置を起動させてコイル部２１に電流を流すと、接合部４が電磁誘導により発熱する。これによれば、発熱する接合部４を押し付けられた樹脂部品３の下面３ａが溶融し、凸部４ａが溶融した部位に圧入する。そして、下面３ａの全てが溶融し、凸部４ａの全てが下面３ａに圧入したら、高周波誘導装置を停止させる。これにより溶融した樹脂が凝固し、樹脂部品３と接合部４とが溶着し、接合体１が完成する。

以上、第２実施形態の接合体１の製造方法によっても、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態における接合体３１の製造方法は、金属部品３２と樹脂部品３を準備する準備工程と、金属部品３２に接合部３４を形成する接合部形成工程と、接合部３４に樹脂部品３を溶着させる接合工程と、を含んでいる。なお、第３実施形態の接合工程は、第１実施形態の接合工程と同じであるため、説明を省略する。

図８に示すように、準備工程において、ダイカストにより製造される金属部品３２には、接合部４を配置するための凹部が形成されていないものを準備する。
また、接合部形成工程の肉盛り部形成工程において、金属部品３２の外表面３２ａに肉盛り部を形成する。そして、図８に示すように、接合部形成工程の成形工程で、肉盛り部の形状を凸部３４ａに形成する。つまり、第３実施形態の接合部３４は、凸部３４ａそのものにより構成されている。

以上、第３実施形態によれば、図９に示すように、接合部３４が展伸用アルミニウム合金により形成され、耐食性が向上している。よって、接合部３４の腐食によって樹脂部品３が分離する、ということを防止することができる。
また、接合部３４は、金属部品３２と同じアルミニウム合金であり、電蝕が生じ難い。
また、接合部３４が凸部３４ａとなっていることから、溶着部位に空気が残留し難く、接合部３４に対する樹脂部品３の溶着強度が高い。

以上、各実施形態について説明したが、本発明は実施形態で説明した例に限定されない。例えば、接合部形成工程において、本発明はろう付けにより肉盛り部を形成してもよい。また、接合部形成工程は、成形工程を含んでいるが、肉盛り部形成工程で肉盛り部の形状を所定形状に形成出来る場合には、成形工程を不要としてもよい。
また、接合部は、凸部を備えるようになっているが、接合面が単なる平面となっている接合部であってもよい。

（第４実施形態）
第４実施形態は、接合部形成工程において、肉盛り部形成工程で肉盛り部を所定形状に形成し、肉盛り部の一部を除去する成形工程を不要とした点で、第１実施形態と相違する。なお、第４実施形態における接合部形成工程以外の工程は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１０は、第４実施形態における接合部形成工程を説明する図面である。

第４実施形態において、金属部品２の凹部２ｃには、上面が平坦な保護部５と、上面に凸部４ａを備える接合部４と、が設けられている。
第４実施形態の接合部形成工程では、保護部５を形成する領域Ａと、接合部４を形成する領域Ｂとで、加工条件を変化させることで、１回の加工（レーザクラッディング加工）で所定形状の保護部５及び接合部４を形成している。変化させる加工条件としては、例えば、レーザ照射ユニット８から照射するレーザーの出力、レーザーの移動速度、線材６の供給量等が挙げられる。
例えば、領域Ｂでは、領域Ａよりも、レーザーの出力および線材６の供給量を多くするとともに、レーザーの移動速度を遅くすることで、凸部４ａを保護部５よりも高く肉盛りすることができる。また、領域Ｂ内でさらに加工条件を変化させることにより、凸部４ａの中央部を縁部よりも高く肉盛りすることができる。

また、図１０に示す矢印Ｙのように、接合部４の形状に対応するように線材６を蛇行させながらレーザーを照射すれば、１回の（連続的な）加工で山状の接合部４を形成することができる。第４実施形態では、線材６を左右に蛇行させながら徐々に移動量を少なくして上方に移動させている。この場合、領域Ａと領域Ｂでレーザーの出力等を必ずしも変化させなくてもよいが、領域Ａよりも領域Ｂの方が加工回数（線材６の往復回数）が多くなる。
なお、第４実施形態では、保護部５の上面が金属部品２の上面よりも高くなっているが、図４に示す第１実施形態のように、保護部５の上面と金属部品２の上面とを面一に形成してもよい。

第４実施形態によれば、１回の加工で所定形状の保護部５及び接合部４を形成することができるので、製造工程を短縮して生産効率を向上することができる。また、肉盛り部の一部を除去する成形工程が不要になるので、材料を節約することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態は、接合部形成工程において線材６ではなく粉末状のアルミニウム合金を供給している点で、第１～第４実施形態と相違する。なお、第５実施形態は、アルミニウム合金が粉末状である点以外は、他の実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１１は、第５実施形態における接合部形成工程を説明する図面である。

図１１に示すように、第５実施形態の接合部形成工程では、ノズル６１からアルミニウム合金の粉体６３を噴射し、この粉体６３にレーザ照射ユニット８からレーザーを照射している。そして、レーザーの照射によって溶融した粉体６３が冷えて固まることで、保護部５及び接合部４が形成されている。
粉体６３を基材として形成された接合部４（凸部４ａ）の表面には、線材６を基材とした場合よりも微細な凹凸が形成されている。また、保護部５の表面にも微細な凹凸が形成されている。この微細な凹凸によって樹脂部品３（図１参照）に対するアンカー効果が高まるので、接合部４に樹脂部品３を強固かつ安定して接合することができる。

なお、念のために付言するが、第５実施形態の接合部形成工程において粉体６３を用いて接合部４及び保護部５を形成する手法は、第１実施形態のように肉盛りした後に不要な部分をレーザーで除去してもよいし、第４実施形態のように加工条件を変化させて所望の形状を一度に形成してもよい。

（第６実施形態）
第６実施形態は、接合工程において金型内に接合部４をインサートした状態で樹脂部品３を射出成型することにより、接合部４に樹脂部品３を接合する点で、第１～第４実施形態と相違する。なお、第６実施形態は、接合工程以外は、他の実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１２は、第６実施形態における接合工程を説明する図面である。

図１２に示すように、第６実施形態の接合工程では、樹脂部品３を射出成型するために金型１００を用いる。金型１００は、下型１０１と上型１０２とを備えている。下型１０１は、接合部４を有する金属部品２を設置するための凹部１０１ａを有する。上型１０２は、樹脂部品３を成形するためのキャビティ１０２ａを有する。

金属部品２を凹部１０１ａに設置し、下型１０１と上型１０２とを型閉じした状態で、金属部品２の接合部４および保護部５は、キャビティ１０２ａ内に露出している。これにより、金型１００にインサートされた金属部品２の接合部４および保護部５が、キャビティ１０２ａのキャビティ面の一部を構成する。

次に、金型１００に接合部４および保護部５をインサートした状態で、上型１０２のゲート１０２ｂから溶融樹脂を射出し、キャビティ１０２ａ内を溶融樹脂で充填する。この溶融樹脂が冷え固まって樹脂部品３となる際に、接合部４および保護部５の表面に樹脂部品３の下面が溶着する。

第６実施形態の接合工程によれば、樹脂部品３の射出成型と接合部４への接合（溶着）を同時に行うことができる。これにより、樹脂部品３の準備工程が不要となる。その結果、製造工程を短縮して生産効率を向上することができる。

なお、念のために付言するが、第６実施形態で金型１００にインサートされる接合部４及び保護部５は、第１実施形態のように線材６を用いて形成してもよいし、第５実施形態のように粉体６３を用いて形成してもよい。また、接合部４及び保護部５を形成する手法も何ら限定されるものではなく、第１実施形態や第４実施形態で説明した手法等を適宜採用することができる。

１接合体
２，３２金属部品
３樹脂部品
４，３４接合部
４ａ凸部
５保護部
６線材
７肉盛り部
８レーザ照射ユニット
１０ホーン
１０ＺＡＤＣ
２０加圧装置
２１コイル部

Claims

金属部品と樹脂部品との接合体を製造する接合体の製造方法であり、
ダイカストにより製造されたアルミニウム合金製の前記金属部品を準備する準備工程と、
展伸用アルミニウム合金を溶着させて前記金属部品に接合部を形成する接合部形成工程と、
前記樹脂部品を前記接合部に接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする接合体の製造方法。
前記接合部形成工程は、前記接合部を形成するとともに、前記接合部の周囲に前記展伸用アルミニウム合金を溶着させて前記金属部品の腐食を抑制する保護部を形成することを特徴とする請求項１の接合体の製造方法。
前記接合部の接合面は、縁部よりも中央部が前記樹脂部品側に突出していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法。
金属部品と樹脂部品との接合体を製造する接合体の製造方法であり、
ダイカストにより製造されたアルミニウム合金製の前記金属部品を準備する準備工程と、
展伸用アルミニウム合金を溶着させて前記金属部品に接合部を形成する接合部形成工程と、
金型内に前記接合部をインサートした状態で前記樹脂部品を射出成型することにより、前記接合部に前記樹脂部品を接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする接合体の製造方法。