WO2016125595A1 - 接合構造体の製造方法および接合構造体 - Google Patents

接合構造体の製造方法および接合構造体 Download PDF

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WO2016125595A1
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和義 西川
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オムロン株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/0079—Liquid crystals

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a bonded structure and a bonded structure.
  • Patent Document 1 a joining method for joining a metal member and a resin member is known (for example, see Patent Document 1).
  • the bonding method of Patent Document 1 includes a step of forming an uneven surface on the surface of the metal member, a step of forming a light absorption film on the uneven surface, and a state in which the resin member is in contact with the surface of the metal member. And irradiating the surface of the metal member with laser light from the side to join the resin member and the metal member.
  • the step of joining the resin member and the metal member when the surface of the metal member is irradiated with laser light, the metal member becomes high temperature and the resin member is melted by the heat. Then, the melted resin member enters the uneven surface, and then the resin member is solidified, whereby the resin member and the metal member are mechanically joined by the anchor effect.
  • the light absorption film is formed on the uneven surface, when the laser beam for bonding is irradiated, the laser beam can be efficiently converted into heat. It is possible to improve.
  • the light absorption film is formed by anodizing treatment or plating treatment.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a bonded structure capable of suppressing deterioration in productivity while improving the bonding quality and It is to provide a bonded structure.
  • a method for manufacturing a bonded structure according to the present invention is a method for manufacturing a bonded structure in which a metal member and a resin member that is transparent to a laser for bonding are bonded, and the first concave shape is formed on the surface of the metal member. Forming the first concave portion, forming the second concave portion shallower than the first concave portion on the surface of the metal member, and disposing the resin member on the surface of the metal member. Irradiating a laser for bonding from the resin member side toward the surface of the metal member, filling the resin member into the first concave portion and solidifying it, thereby bonding the metal member and the resin member; Prepare.
  • the first concave portion is provided for mechanically bonding the metal member and the resin member, and the second concave portion is for improving the absorption rate of the laser for bonding. It may be provided.
  • the first concave portion includes a circular perforated portion when seen in a plan view, and a projecting portion protruding inward is formed on the inner peripheral surface of the perforated portion, and the second concave portion This depth may be formed to be shorter than the distance from the surface of the metal member to the lower end of the protrusion.
  • the first concave portion and the second concave portion may be formed by a processing laser.
  • the bonded structure according to the present invention is manufactured by any one of the above-described bonded structure manufacturing methods.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram of the cross section of the joining structure body by one Embodiment of this invention. It is the schematic diagram which looked at the recessed part formed in the metal member of the joining structure of FIG. 1 planarly. It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a joining structure, Comprising: It is the figure which showed the process of forming a perforated part in a metal member. It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a joining structure, Comprising: It is the figure which showed the process of forming a recessed part in a metal member. It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a joining structure, Comprising: It is the figure which showed the process of joining a metal member and a resin member.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a joint structure according to Example 1.
  • the bonded structure 100 includes a metal member 1 and a resin member 2, and the metal member 1 and the resin member 2 are bonded to each other.
  • Examples of the material of the metal member 1 include iron metal, stainless steel metal, copper metal, aluminum metal, magnesium metal, and alloys thereof. Moreover, a metal molding may be sufficient and zinc die-casting, aluminum die-casting, powder metallurgy, etc. may be sufficient.
  • the perforated part 11 and the recessed part 12 are formed in the surface 1a of the metal member 1.
  • the perforated part 11 and the recessed part 12 of the metal member 1 are filled with the resin member 2 and solidified. Thereby, the metal member 1 and the resin member 2 are mechanically joined by the anchor effect.
  • the perforated part 11 is provided for mechanically joining the metal member 1 and the resin member 2 by the anchor effect.
  • the concave portion 12 is formed so as to be shallower than the perforated portion 11, and is provided in order to improve the absorption rate of a laser L3 for bonding (see FIG. 5) described later.
  • the perforated part 11 is an example of the “first concave part” in the present invention
  • the concave part 12 is an example of the “second concave part” in the present invention.
  • the perforated part 11 is a substantially circular non-through hole as viewed in plan, and a plurality of perforated parts 11 are formed on the surface 1 a of the metal member 1.
  • a protruding part 11 a that protrudes inward is formed.
  • the protrusion 11a is formed over the entire length in the circumferential direction, and is formed in an annular shape.
  • the perforated part 11 has a reduced diameter part 11b in which the opening diameter decreases from the surface 1a side to the bottom part in the depth direction, and an opening diameter increases from the surface 1a side to the bottom part in the depth direction.
  • the enlarged diameter portion 11c and the reduced diameter portion 11d having a smaller opening diameter from the surface 1a side to the bottom portion in the depth direction are formed to be continuous.
  • the reduced diameter portion 11b is formed to linearly reduce the diameter
  • the enlarged diameter portion 11c is formed to expand in a curved shape
  • the reduced diameter portion 11d is formed to reduce in a curved shape. ing. That is, the protruding portion 11a is configured by the reduced diameter portion 11b and the enlarged diameter portion 11c.
  • the opening diameter of the open end of the perforated part 11 is preferably 30 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. This is because if the opening diameter is less than 30 ⁇ m, the filling property of the resin member 2 is deteriorated and the anchor effect may be lowered. On the other hand, if the opening diameter exceeds 100 ⁇ m, the number of perforated portions 11 per unit area may decrease and the anchor effect may be reduced.
  • the interval between the perforated parts 11 is preferably 200 ⁇ m or less. This is because when the interval between the perforated portions 11 exceeds 200 ⁇ m, the number of the perforated portions 11 per unit area decreases, and the anchor effect may be reduced.
  • the perforated part 11 is formed by, for example, a processing laser L1 (see FIG. 3). That is, the perforated part 11 is formed by physical processing with the laser L1.
  • the type of laser L1 is preferably a laser capable of pulse oscillation, and can be selected from a fiber laser, a YAG laser, a YVO 4 laser, a semiconductor laser, a carbon dioxide gas laser, and an excimer laser.
  • the second harmonic of YAG laser, YVO 4 laser, and semiconductor laser are preferable.
  • Such a perforated part 11 is formed by a laser L1 in which one pulse is composed of a plurality of sub-pulses.
  • This laser L1 is suitable for forming the perforated portion 11 because energy can be easily concentrated in the depth direction.
  • fiber laser marker MX-Z2000 or MX-Z2050 manufactured by OMRON can be cited.
  • one period of the sub-pulse is 15 ns or less. This is because when one period of the sub-pulse exceeds 15 ns, energy is easily diffused due to heat conduction, and it becomes difficult to form the perforated part 11.
  • one cycle of the subpulse is a total time of the irradiation time for one subpulse and the interval from the end of the irradiation of the subpulse to the start of the irradiation of the next subpulse.
  • the number of subpulses in one pulse is preferably 2 or more and 50 or less. This is because when the number of subpulses exceeds 50, the output per unit of subpulses becomes small, and it becomes difficult to form the perforated part 11.
  • the recess 12 is formed to reduce the flat area of the surface 1a of the metal member 1 and increase the roughened area. That is, the recess 12 is provided in order to reduce the reflection of the bonding laser L3 from the surface 1a and to improve the absorption rate at the surface 1a of the laser L3.
  • the recesses 12 are non-through holes that are substantially circular in a plan view, and a plurality of the recesses 12 are formed on the surface 1 a of the metal member 1.
  • the recess 12 is formed in a mortar shape so that the opening diameter gradually decreases from the surface 1a side toward the bottom in the depth direction.
  • the depth of the concave portion 12 is formed to be shorter than the distance from the surface 1a to the lower end of the protruding portion 11a (the boundary portion between the enlarged diameter portion 11c and the reduced diameter portion 11d).
  • the depth of the concave portion 12 is formed to be shorter than the distance from the surface 1a to the apex of the protruding portion 11a (the boundary portion between the reduced diameter portion 11b and the enlarged diameter portion 11c).
  • the depth of the recess 12 is 40 ⁇ m or less.
  • the concave portion 12 is provided in a region that does not overlap with the perforated portion 11 in a planar positional relationship. A part of the plurality of recesses 12 may overlap with the perforated part 11. For example, the recesses 12 are arranged in a dot shape (matrix shape) as shown in FIG. In FIG. 2, only the concave portion 12 is shown for ease of viewing, and the illustration of the perforated portion 11 is omitted.
  • the recess 12 is formed by, for example, a processing laser L2 (see FIG. 4). That is, the recess 12 is formed by physical processing with the laser L2. Examples of the laser L2 include fiber laser, YAG laser, YVO 4 laser, semiconductor laser, carbon dioxide laser, and excimer laser.
  • the recess 12 is formed by a laser L2 in which one pulse is a single pulse.
  • the perforated part 11 and the recessed part 12 are formed using the same processing apparatus, and the recessed part 12 is formed after the perforated part 11 is formed with respect to the surface 1a.
  • the resin member 2 is, for example, a thermoplastic resin that is transparent to the bonding laser L3, and examples thereof include PVC (polyvinyl chloride), PS (polystyrene), AS (acrylonitrile / styrene), ABS.
  • PVC polyvinyl chloride
  • PS polystyrene
  • AS acrylonitrile / styrene
  • TPE thermoplastic elastomer
  • examples of TPE include TPO (olefin-based), TPS (styrene-based), TPEE (ester-based), TPU (urethane-based), TPA (nylon-based), And TPVC (vinyl chloride type) is mentioned.
  • a filler may be added to the resin member 2.
  • the filler include inorganic fillers (glass fibers, inorganic salts, etc.), metal fillers, organic fillers, and carbon fibers.
  • the surface 1a of the metal member 1 is irradiated with a processing laser L1 to form the perforated portion 11 and the protruding portion 11a on the inner peripheral surface thereof. That is, the perforated part 11 is formed by physical processing.
  • the laser L1 is, for example, a fiber laser, and one pulse is composed of a plurality of subpulses.
  • the perforated part 11 is formed to mechanically join the metal member 1 and the resin member 2 by the anchor effect.
  • the surface 1 a of the metal member 1 is irradiated with a processing laser L ⁇ b> 2, thereby forming a recess 12 that is shallower than the punched portion 11. That is, the recess 12 is formed by physical processing.
  • the laser L2 is, for example, a fiber laser, and one pulse is composed of a single pulse.
  • the recess 12 is formed in order to improve the absorptance of a laser L3 for bonding described later.
  • the recesses 12 are arranged in a dot shape. Further, the lasers L1 and L2 can be irradiated by the same processing apparatus, and the perforated portion 11 and the recess 12 are formed using the same processing apparatus.
  • the resin member 2 is laminated on the surface 1a of the metal member 1, and the metal L1 is irradiated with a laser L3 for bonding from the resin member 2 side toward the surface 1a of the metal member 1.
  • the member 1 becomes high temperature, and the resin member 2 is melted by the heat.
  • the melted resin member 2 is filled in the perforated portion 11 and the recess 12, and then the resin member 2 is solidified.
  • This laser L3 is, for example, a semiconductor laser.
  • the step of forming the perforated portion 11 on the surface 1a of the metal member 1 and the concave portion shallower than the perforated portion 11 on the surface 1a of the metal member 1 after the perforated portion 11 is formed.
  • the absorption ratio of the laser L3 can be improved by forming the recess 12 in the surface 1a of the metal member 1, so that the laser L3 can be efficiently converted into heat, and the metal member The occurrence of variations in the heating state of 1 can be suppressed.
  • the molten state of the resin member 2 melted by heat can be equalized, it is possible to suppress the occurrence of variation in the bonding state between the metal member 1 and the resin member 2. Therefore, it is possible to improve the bonding quality.
  • the recessed part 12 for improving the absorption rate of the laser L3 can be formed by physical processing, the manufacturing process can be shortened compared with the case where an anodizing process or a plating process is performed. As a result, it is possible to suppress the deterioration of productivity while improving the bonding quality.
  • the anchor effect can be improved by forming the protruding portion 11 a inside the perforated portion 11.
  • the recessed part 12 formed in the surface 1a of the metal member 1 can be controlled by forming the recessed part 12 with the laser L2 for processing, the recessed part 12 and the perforated part 11 can be controlled. Can be easily formed at positions where they do not overlap.
  • the recess 12 is formed at a position overlapping the perforated portion 11 by making the depth of the recess 12 shorter than the distance from the surface 1a to the apex of the protrusion 11a, the protrusion Since 11a is not crushed, it can suppress that joint strength falls.
  • the punching portion 11 is formed by the processing laser L1
  • the recess 12 is formed by the processing laser L2, so that the punching portion 11 and the recess 12 are continuously formed using the same processing apparatus. Therefore, the manufacturing process can be further shortened.
  • FIG. 6 is a schematic view of the recess 12a according to the first modification of the present embodiment as seen in a plan view.
  • the recess 12a shown in FIG. 6 is formed in a groove shape and extends linearly when viewed in a plan view.
  • a plurality of linear recesses 12a are provided, and are arranged substantially in parallel with a predetermined interval.
  • FIG. 7 is a schematic view of the recess 12b according to the second modification of the present embodiment as seen in a plan view.
  • the recess 12b shown in FIG. 7 is formed in a groove shape, and is formed in an arc shape when seen in a plan view.
  • a plurality of arc-shaped recesses 12b are provided, and are arranged so as to be continuous in one direction (left-right direction in FIG. 7).
  • the recesses 12b that are continuous in one direction are arranged at an interval in the other direction (vertical direction in FIG. 7).
  • FIG. 8 is a schematic view of the recess 12c according to the third modification of the present embodiment as seen in a plan view.
  • the concave portions 12c shown in FIG. 8 are formed in a groove shape, and are formed in a lattice shape when seen in a plan view.
  • the lattice-shaped recess 12c includes a plurality of recesses extending in the vertical direction and a plurality of recesses extending in the horizontal direction, and the recesses extending in the vertical direction and the recesses extending in the horizontal direction are orthogonal to each other.
  • Example 1 corresponds to the present embodiment, and circular concave portions are formed in a dot shape (matrix shape).
  • Example 2 corresponds to the first modified example, and a groove-like recess is formed linearly.
  • Example 3 corresponds to the second modified example, and a groove-like recess is formed in an arc shape.
  • Example 4 corresponds to the third modified example, and groove-shaped concave portions are formed in a lattice shape.
  • no recess is formed for improving the absorption rate of the bonding laser.
  • the metal member 501 is formed in a plate shape, has a length of 100 mm, a width of 29 mm, and a thickness of 3 mm.
  • a predetermined region R on the surface of the metal member 501 was irradiated with a processing laser to form a perforated portion.
  • This perforated part is for mechanically joining the metal member 501 and the resin member 502 by the anchor effect.
  • the predetermined region R is an area where the bonded structure 500 is bonded, and is 20 mm ⁇ 20 mm.
  • This laser irradiation was performed using an Omron fiber laser marker MX-Z2000. The laser irradiation conditions are as follows.
  • Laser Fiber laser (wavelength 1062nm) Frequency: 10kHz Output: 3.8W Scanning speed: 650mm / sec Number of scans: 20 times Irradiation interval: 65 ⁇ m Number of subpulses: 20
  • the frequency is a frequency of a pulse constituted by a plurality (20 in this example) of sub-pulses. That is, under this irradiation condition, laser (pulse) is irradiated 10,000 times at intervals of 65 ⁇ m while moving 650 mm per second, and the pulse is composed of 20 sub-pulses. Note that the number of scans is the number of times the laser is repeatedly irradiated to the same location.
  • a perforated portion is formed in the predetermined region R on the surface of the metal member 501, and a protruding portion is formed on the inner peripheral surface of the perforated portion. Is formed.
  • the predetermined region R on the surface of the metal member 501 was irradiated with a processing laser to form a dot-shaped recess.
  • the concave portion is formed so as to be shallower than the perforated portion, and is for improving the absorptance of a laser for bonding described later.
  • This laser irradiation was performed using an Omron fiber laser marker MX-Z2000. That is, the perforated part and the recessed part were formed using the same processing apparatus.
  • the laser irradiation conditions are as follows.
  • Laser Fiber laser (wavelength 1062nm) Frequency: 10kHz
  • Output 2.1W Scanning speed: 700mm / sec Scanning frequency: 5 times Irradiation interval: 70 ⁇ m
  • This laser is a single pulse and is not composed of a plurality of sub-pulses.
  • the resin member 502 is laminated on the predetermined region R of the metal member 501.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the resin member 502 is formed in a plate shape, has a length of 100 mm, a width of 25 mm, and a thickness of 3 mm.
  • the metal member 501 and the resin member 502 were joined by irradiating a laser for joining from the resin member 502 side toward the predetermined region R of the metal member 501.
  • the metal member 501 is heated by laser irradiation, and the resin member 502 is melted by the heat.
  • the resin member 502 is solidified.
  • the irradiation conditions of the laser for joining are as follows.
  • Laser Semiconductor laser (wavelength 808 nm) Oscillation mode: Continuous oscillation Output: 30W Focal diameter: 4mm Scanning speed: 1mm / sec Contact pressure: 0.6 MPa In this way, the bonded structure 500 of Example 1 was produced.
  • the groove-shaped recess was formed in a straight line.
  • the groove-shaped recess was formed in an arc shape.
  • the groove-shaped concave portions were formed in a lattice shape.
  • the remaining points of the second to fourth embodiments are the same as those of the first embodiment.
  • the irradiation conditions of the laser for forming the recesses in Examples 2 to 4 are as follows.
  • Laser Fiber laser (wavelength 1062nm) Frequency: 10kHz Output: 2.1W Scanning speed: 400mm / sec Scanning frequency: 5 times Irradiation interval: 40 ⁇ m
  • a groove-like recess was formed by connecting a plurality of dot-like recesses into a linear shape.
  • the test was performed at a tensile speed of 5 mm / min in the shear direction, and the test was terminated when the resin member was broken or the bonding interface was broken.
  • the shear direction is a direction deviating along the bonding interface (the left-right direction in FIG. 9). Further, when the resin member is broken, it can be said that the bonding strength of the bonded portion is sufficient because the bonding interface is not broken by then.
  • the perforated part 11 is formed in the surface 1a of the metal member 1
  • the example in which the protrusion part 11a was formed in the perforated part 11 was shown, not only this but the perforated part may be formed in the cylindrical shape or the mortar shape.
  • the example which forms the perforation part 11 with the laser L1 was shown, it is not restricted to this, The physical process of a plasma process, a corona discharge, a blast process, a press process, a sandpaper process, etc. is performed on the surface of a metal member. One concave portion may be formed.
  • the concave portion 12 is formed by the laser L2
  • the present invention is not limited to this, and the metal member is formed by physical processing such as plasma processing, corona discharge, blast processing, press processing, and sandpaper processing. You may make it form a 2nd recessed part in the surface of this.
  • the present invention is not limited thereto, and the perforated part and the recessed part may be formed by different processing apparatuses.
  • thermosetting resins include EP (epoxy), PUR (polyurethane), UF (urea formaldehyde), MF (melamine formaldehyde), PF (phenol formaldehyde), UP (unsaturated polyester), and SI (silicone). Is mentioned. Further, it may be FRP (fiber reinforced plastic).
  • the present invention is applicable to a method for manufacturing a bonded structure in which a metal member and a resin member are bonded, and a bonded structure.

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Abstract

　接合構造体の製造方法は、金属部材と、接合用のレーザに対して透過性を有する樹脂部材とが接合された接合構造体の製造方法であり、金属部材の表面に第１凹状部を形成する工程と、第１凹状部を形成した後に、金属部材の表面に、第１凹状部に比べて浅い第２凹状部を形成する工程と、金属部材の表面に樹脂部材を配置し、樹脂部材側から金属部材の表面に向けて接合用のレーザを照射することにより、樹脂部材を第１凹状部に充填して固化させることによって、金属部材と樹脂部材とを接合する工程とを備える。

Description

接合構造体の製造方法および接合構造体
　本発明は、接合構造体の製造方法および接合構造体に関する。
　従来、金属部材と樹脂部材とを接合する接合方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
　特許文献１の接合方法は、金属部材の表面に凹凸面を形成する工程と、凹凸面上に光吸収皮膜を形成する工程と、金属部材の表面に樹脂部材を接触させた状態で、樹脂部材側から金属部材の表面にレーザ光を照射することにより、樹脂部材と金属部材とを接合する工程とを備えている。この樹脂部材と金属部材とを接合する工程では、金属部材の表面にレーザ光が照射されると、金属部材が高温になり、その熱により樹脂部材が溶融される。そして、その溶融された樹脂部材が凹凸面に入り込み、その後樹脂部材が固化されることにより、樹脂部材と金属部材とがアンカー効果によって機械的に接合される。
　この接合方法では、凹凸面上に光吸収皮膜が形成されることから、接合用のレーザ光が照射されたときに、そのレーザ光を効率的に熱に変換することができるので、接合品質の向上を図ることが可能である。なお、光吸収皮膜は、陽極酸化処理またはめっき処理により形成される。
特開２０１４－４６５９９号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された接合方法では、光吸収皮膜を形成することにより、接合品質の向上を図ることが可能であるが、陽極酸化処理またはめっき処理を施す必要があるので、製造工程が長くなり、生産性が悪化するという問題点がある。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、接合品質の向上を図りながら、生産性の悪化を抑制することが可能な接合構造体の製造方法および接合構造体を提供することである。
　本発明による接合構造体の製造方法は、金属部材と、接合用のレーザに対して透過性を有する樹脂部材とが接合された接合構造体の製造方法であり、金属部材の表面に第１凹状部を形成する工程と、第１凹状部を形成した後に、金属部材の表面に、第１凹状部に比べて浅い第２凹状部を形成する工程と、金属部材の表面に樹脂部材を配置し、樹脂部材側から金属部材の表面に向けて接合用のレーザを照射することにより、樹脂部材を第１凹状部に充填して固化させることによって、金属部材と樹脂部材とを接合する工程とを備える。
　上記接合構造体の製造方法において、第１凹状部は、金属部材と樹脂部材とを機械的に接合するために設けられ、第２凹状部は、接合用のレーザの吸収率を向上させるために設けられていてもよい。
　上記接合構造体の製造方法において、第１凹状部は、平面的に見て円形の穿孔部を含み、穿孔部の内周面には、内側に突出する突出部が形成され、第２凹状部の深さは、金属部材の表面から突出部の下端までの距離よりも短くなるように形成されていてもよい。
　上記接合構造体の製造方法において、第１凹状部および第２凹状部は、加工用のレーザにより形成されていてもよい。
　本発明による接合構造体は、上記したいずれか１つの接合構造体の製造方法によって製造されている。
　本発明の接合構造体の製造方法および接合構造体によれば、接合品質の向上を図りながら、生産性の悪化を抑制することができる。
本発明の一実施形態による接合構造体の断面の模式図である。 図１の接合構造体の金属部材に形成された凹部を平面的に見た模式図である。 接合構造体の製造方法を説明するための図であって、金属部材に穿孔部を形成する工程を示した図である。 接合構造体の製造方法を説明するための図であって、金属部材に凹部を形成する工程を示した図である。 接合構造体の製造方法を説明するための図であって、金属部材と樹脂部材とを接合する工程を示した図である。 本実施形態の第１変形例による金属部材を平面的に見た模式図である。 本実施形態の第２変形例による金属部材を平面的に見た模式図である。 本実施形態の第３変形例による金属部材を平面的に見た模式図である。 実施例１による接合構造体を示した斜視図である。
　以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
　まず、図１を参照して、本発明の一実施形態による接合構造体１００について説明する。
　接合構造体１００は、図１に示すように、金属部材１および樹脂部材２を備え、金属部材１および樹脂部材２が接合されている。
　金属部材１の材料の一例としては、鉄系金属、ステンレス系金属、銅系金属、アルミ系金属、マグネシウム系金属、および、それらの合金が挙げられる。また、金属成型体であってもよく、亜鉛ダイカスト、アルミダイカスト、粉末冶金などであってもよい。
　金属部材１の表面１ａには、穿孔部１１および凹部１２が形成されている。そして、金属部材１の穿孔部１１および凹部１２には、樹脂部材２が充填されて固化されている。これにより、金属部材１と樹脂部材２とがアンカー効果によって機械的に接合されている。
　穿孔部１１は、金属部材１と樹脂部材２とをアンカー効果により機械的に接合するために設けられている。これに対して、凹部１２は、穿孔部１１に比べて浅くなるように形成されており、後述する接合用のレーザＬ３（図５参照）の吸収率を向上させるために設けられている。なお、穿孔部１１は、本発明の「第１凹状部」の一例であり、凹部１２は、本発明の「第２凹状部」の一例である。
　穿孔部１１は、平面的に見てほぼ円形の非貫通孔であり、金属部材１の表面１ａに複数形成されている。穿孔部１１の内周面には、内側に突出する突出部１１ａが形成されている。突出部１１ａは、周方向における全長にわたって形成されており、環状に形成されている。
　具体的には、穿孔部１１は、深さ方向において表面１ａ側から底部に向けて開口径が小さくなる縮径部１１ｂと、深さ方向において表面１ａ側から底部に向けて開口径が大きくなる拡径部１１ｃと、深さ方向において表面１ａ側から底部に向けて開口径が小さくなる縮径部１１ｄとが連なるように形成されている。縮径部１１ｂは、直線状に縮径するように形成され、拡径部１１ｃは、曲線状に拡径するように形成され、縮径部１１ｄは、曲線状に縮径するように形成されている。すなわち、縮径部１１ｂと拡径部１１ｃとにより突出部１１ａが構成されている。
　穿孔部１１の開放端の開口径は、３０μｍ以上、１００μｍ以下が好ましい。これは、開口径が３０μｍを下回ると、樹脂部材２の充填性が悪化してアンカー効果が低下する場合があるためである。一方、開口径が１００μｍを上回ると、単位面積あたりの穿孔部１１の数が減少してアンカー効果が低下する場合があるためである。
　また、穿孔部１１の間隔（所定の穿孔部１１の中心と、所定の穿孔部１１と隣接する穿孔部１１の中心との距離）は、２００μｍ以下であることが好ましい。これは、穿孔部１１の間隔が２００μｍを上回ると、単位面積あたりの穿孔部１１の数が減少してアンカー効果が低下する場合があるためである。
　この穿孔部１１は、たとえば加工用のレーザＬ１（図３参照）によって形成されている。すなわち、穿孔部１１は、レーザＬ１による物理的な加工によって形成されている。なお、レーザＬ１の種類としては、パルス発振が可能なものが好ましく、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザが選択でき、波長を考慮すると、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＡＧレーザの第２高調波、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザが好ましい。
　このような穿孔部１１は、１パルスが複数のサブパルスで構成されるレーザＬ１によって形成される。このレーザＬ１では、エネルギを深さ方向に集中させやすいので、穿孔部１１を形成するのに好適である。このようなレーザＬ１を照射可能な加工装置の一例としては、オムロン製のファイバレーザマーカＭＸ－Ｚ２０００またはＭＸ－Ｚ２０５０を挙げることができる。
　上記ファイバレーザマーカによる加工条件としては、サブパルスの１周期が１５ｎｓ以下であることが好ましい。これは、サブパルスの１周期が１５ｎｓを超えると、熱伝導によりエネルギが拡散しやすくなり、穿孔部１１を形成しにくくなるためである。なお、サブパルスの１周期は、サブパルスの１回分の照射時間と、そのサブパルスの照射が終了されてから次回のサブパルスの照射が開始されるまでの間隔との合計時間である。
　また、１パルスのサブパルス数は、２以上５０以下であることが好ましい。これは、サブパルス数が５０を超えると、サブパルスの単位あたりの出力が小さくなり、穿孔部１１を形成しにくくなるためである。
　凹部１２は、金属部材１の表面１ａの平坦な領域を減少させ、粗面化された領域を増加させるために形成されている。すなわち、凹部１２は、接合用のレーザＬ３が表面１ａで反射されるのを低減して、そのレーザＬ３の表面１ａでの吸収率を向上させるために設けられている。
　凹部１２は、平面的に見てほぼ円形の非貫通孔であり、金属部材１の表面１ａに複数形成されている。この凹部１２は、深さ方向において表面１ａ側から底部に向けて開口径が徐々に小さくなるように、すり鉢状に形成されている。
　また、凹部１２の深さは、表面１ａから突出部１１ａの下端（拡径部１１ｃと縮径部１１ｄとの境界部分）までの距離よりも短くなるように形成されている。好ましくは、凹部１２の深さは、表面１ａから突出部１１ａの頂点（縮径部１１ｂと拡径部１１ｃとの境界部分）までの距離よりも短くなるように形成されている。たとえば、凹部１２の深さは４０μｍ以下である。
　凹部１２は、平面的な位置関係において穿孔部１１と重ならない領域に設けられている。なお、複数の凹部１２のうちの一部が穿孔部１１と重なっていてもよい。たとえば、凹部１２は、図２に示すように、ドット状（マトリクス状）に配置されている。なお、図２では、見やすさを考慮して、凹部１２のみを示し、穿孔部１１の図示を省略した。
　この凹部１２は、たとえば加工用のレーザＬ２（図４参照）によって形成されている。すなわち、凹部１２は、レーザＬ２による物理的な加工によって形成されている。なお、レーザＬ２の種類としては、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザを挙げることができる。凹部１２は、１パルスが単パルスで構成されるレーザＬ２によって形成される。なお、穿孔部１１および凹部１２は、同じ加工装置を用いて形成され、表面１ａに対して穿孔部１１が形成された後に凹部１２が形成される。
　樹脂部材２は、たとえば、接合用のレーザＬ３に対して透過性を有する熱可塑性樹脂であり、その一例としては、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＡＳ（アクリロニトリル・スチレン）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ｍ－ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）、ＰＡ６（ポリアミド６）、ＰＡ６６（ポリアミド６６）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＶＤＣ（ポリ塩化ビニリデン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、および、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が挙げられる。また、ＴＰＥ（熱可塑性エラストマ）であってもよく、ＴＰＥの一例としては、ＴＰＯ（オレフィン系）、ＴＰＳ（スチレン系）、ＴＰＥＥ（エステル系）、ＴＰＵ（ウレタン系）、ＴＰＡ（ナイロン系）、および、ＴＰＶＣ（塩化ビニル系）が挙げられる。
　なお、樹脂部材２には、充填剤が添加されていてもよい。充填剤の一例としては、無機系充填剤（ガラス繊維、無機塩類など）、金属系充填剤、有機系充填剤、および、炭素繊維などが挙げられる。
　－接合構造体の製造方法－
　次に、図１～図５を参照して、本実施形態による接合構造体１００の製造方法について説明する。
　まず、図３に示すように、金属部材１の表面１ａに加工用のレーザＬ１を照射することにより、穿孔部１１を形成するとともに、その内周面に突出部１１ａを形成する。すなわち、物理的な加工で穿孔部１１を形成する。このレーザＬ１は、たとえばファイバレーザであり、１パルスが複数のサブパルスで構成されている。なお、この穿孔部１１は、金属部材１と樹脂部材２とをアンカー効果により機械的に接合するために形成される。
　その後、図４に示すように、金属部材１の表面１ａに加工用のレーザＬ２を照射することにより、穿孔部１１に比べて浅い凹部１２を形成する。すなわち、物理的な加工で凹部１２を形成する。このレーザＬ２は、たとえばファイバレーザであり、１パルスが単パルスで構成されている。なお、この凹部１２は、後述する接合用のレーザＬ３の吸収率を向上させるために形成される。凹部１２は、図２に示すように、ドット状に配置されている。また、レーザＬ１およびＬ２は同じ加工装置で照射可能であり、穿孔部１１および凹部１２は同じ加工装置を用いて形成される。
　次に、図５に示すように、金属部材１の表面１ａに樹脂部材２が積層され、樹脂部材２側から金属部材１の表面１ａに向けて接合用のレーザＬ３を照射することにより、金属部材１が高温になり、その熱により樹脂部材２が溶融される。そして、その溶融された樹脂部材２が穿孔部１１および凹部１２に充填され、その後樹脂部材２が固化される。これにより、金属部材１と樹脂部材２とがアンカー効果によって機械的に接合される。このレーザＬ３は、たとえば半導体レーザである。
　このようにして、図１に示す接合構造体１００が製造される。
　－効果－
　本実施形態では、上記のように、金属部材１の表面１ａに穿孔部１１を形成する工程と、穿孔部１１を形成した後に、金属部材１の表面１ａに、穿孔部１１に比べて浅い凹部１２を形成する工程と、接合用のレーザＬ３を照射することにより金属部材１と樹脂部材２とを接合する工程とが設けられている。このように構成することによって、金属部材１の表面１ａに凹部１２を形成することにより、レーザＬ３の吸収率を向上させることができるので、レーザＬ３を効率的に熱に変換するとともに、金属部材１の加熱状態にばらつきが発生するのを抑制することができる。これにより、熱により溶融される樹脂部材２の溶融状態を均等化することができるので、金属部材１と樹脂部材２との接合状態にばらつきが発生するのを抑制することができる。したがって、接合品質の向上を図ることができる。また、レーザＬ３の吸収率を向上させるための凹部１２は、物理的な加工により形成することができるので、陽極酸化処理またはめっき処理を施す場合に比べて、製造工程を短くすることができる。その結果、接合品質の向上を図りながら、生産性の悪化を抑制することができる。
　また、本実施形態では、穿孔部１１の内部に突出部１１ａを形成することによって、アンカー効果の向上を図ることができる。
　また、本実施形態では、加工用のレーザＬ２により凹部１２を形成することによって、金属部材１の表面１ａに形成される凹部１２の位置を制御することができるので、凹部１２を穿孔部１１とは重ならない位置に形成しやすくすることができる。
　また、本実施形態では、凹部１２の深さを、表面１ａから突出部１１ａの頂点までの距離よりも短くすることによって、凹部１２が穿孔部１１と重なる位置に形成されたとしても、突出部１１ａが潰れないので、接合強度が低下するのを抑制することができる。
　また、本実施形態では、加工用のレーザＬ１により穿孔部１１を形成するとともに、加工用のレーザＬ２により凹部１２を形成することによって、同じ加工装置を用いて穿孔部１１および凹部１２を連続的に形成することができるので、製造工程をより短くすることができる。
　－凹部の変形例－
　次に、図６～図８を参照して、金属部材１の表面１ａに形成される凹部１２の変形例について説明する。
　図６は、本実施形態の第１変形例による凹部１２ａを平面的に見た模式図である。図６に示す凹部１２ａは、溝状に形成され、平面的に見て直線状に延びるように形成されている。直線状の凹部１２ａは、複数設けられており、所定の間隔を隔ててほぼ平行に配置されている。
　図７は、本実施形態の第２変形例による凹部１２ｂを平面的に見た模式図である。図７に示す凹部１２ｂは、溝状に形成され、平面的に見て円弧状に形成されている。円弧状の凹部１２ｂは、複数設けられており、一方方向（図７における左右方向）に連なるように配置されている。また、一方方向に連なる凹部１２ｂは、他方方向（図７における上下方向）において間隔を隔てて配置されている。
　図８は、本実施形態の第３変形例による凹部１２ｃを平面的に見た模式図である。図８に示す凹部１２ｃは、溝状に形成され、平面的に見て格子状に形成されている。格子状の凹部１２ｃは、縦方向に延びる複数の凹部と、横方向に延びる複数の凹部とを含み、縦方向に延びる凹部と横方向に延びる凹部とが直交するようになっている。
　－実験例－
　次に、図９を参照して、上記した本実施形態の効果を確認するために行った実験例について説明する。
　この実験例では、実施例１～４による試料と比較例による試料とを作製し、それぞれについての接合評価を行った。その結果を表１に示す。なお、実施例１～４および比較例の試料は２０個ずつ作製した。また、実施例１は、本実施形態に対応するものであり、円形の凹部がドット状（マトリクス状）に形成されている。実施例２は、第１変形例に対応するものであり、溝状の凹部が直線状に形成されている。実施例３は、第２変形例に対応するものであり、溝状の凹部が円弧状に形成されている。実施例４は、第３変形例に対応するものであり、溝状の凹部が格子状に形成されている。これに対して、比較例では、接合用のレーザの吸収率を向上させるための凹部が形成されていない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　まず、実施例１による接合構造体５００の作製方法について説明する。
　実施例１の接合構造体５００では、金属部材５０１の材料としてＳＵＳ３０４を用いた。この金属部材５０１は、図９に示すように、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
　そして、金属部材５０１の表面の所定領域Ｒに加工用のレーザを照射して穿孔部を形成した。この穿孔部は、金属部材５０１と樹脂部材５０２とをアンカー効果により機械的に接合するためのものである。なお、所定領域Ｒは、接合構造体５００が接合される面積であり、２０ｍｍ×２０ｍｍとした。このレーザの照射は、オムロン製のファイバレーザマーカＭＸ－Ｚ２０００を用いて行った。レーザの照射条件は、以下のとおりである。
　＜穿孔部形成用のレーザ照射条件＞
　レーザ：ファイバレーザ（波長１０６２ｎｍ）
　周波数：１０ｋＨｚ
　出力：３．８Ｗ
　走査速度：６５０ｍｍ／ｓｅｃ
　走査回数：２０回
　照射間隔：６５μｍ
　サブパルス数：２０
　なお、周波数は、複数（この例では２０）のサブパルスによって構成されるパルスの周波数である。つまり、この照射条件では、１秒間に６５０ｍｍ移動しながら６５μｍの間隔で１万回レーザ（パルス）を照射し、そのパルスが２０のサブパルスによって構成されている。なお、走査回数は、レーザが同じ箇所に繰り返し照射される回数である。
　このように、１パルスが複数のサブパルスで構成されるレーザを照射することにより、金属部材５０１の表面の所定領域Ｒには穿孔部が形成されるとともに、その穿孔部の内周面に突出部が形成される。
　次に、金属部材５０１の表面の所定領域Ｒに加工用のレーザを照射してドット状の凹部を形成した。なお、凹部は、穿孔部に比べて浅くなるように形成され、後述する接合用のレーザの吸収率を向上させるためのものである。このレーザの照射は、オムロン製のファイバレーザマーカＭＸ－Ｚ２０００を用いて行った。すなわち、穿孔部および凹部は、同じ加工装置を用いて形成した。レーザの照射条件は、以下のとおりである。
　＜凹部形成用のレーザ照射条件＞
　レーザ：ファイバレーザ（波長１０６２ｎｍ）
　周波数：１０ｋＨｚ
　出力：２．１Ｗ
　走査速度：７００ｍｍ／ｓｅｃ
　走査回数：５回
　照射間隔：７０μｍ
　なお、このレーザは、単パルスであり、複数のサブパルスによって構成されるものではない。
　その後、金属部材５０１の所定領域Ｒに樹脂部材５０２が積層される。この樹脂部材５０２としてはＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いた。樹脂部材５０２は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２５ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
　そして、樹脂部材５０２側から金属部材５０１の所定領域Ｒに向けて接合用のレーザを照射することにより、金属部材５０１と樹脂部材５０２とを接合した。具体的には、レーザの照射により金属部材５０１を加熱し、その熱により樹脂部材５０２を溶融する。そして、溶融された樹脂部材５０２が穿孔部および凹部に充填された後に、樹脂部材５０２が固化される。また、接合用のレーザの照射条件は、以下のとおりである。
　＜接合用のレーザ照射条件＞
　レーザ：半導体レーザ（波長８０８ｎｍ）
　発振モード：連続発振
　出力：３０Ｗ
　焦点径：４ｍｍ
　走査速度：１ｍｍ／ｓｅｃ
　密着圧力：０．６ＭＰａ
　このようにして、実施例１の接合構造体５００を作製した。
　次に、実施例２～４の接合構造体の作製方法について説明する。実施例２の接合構造体では、溝状の凹部を直線状に形成した。実施例３の接合構造体では、溝状の凹部を円弧状に形成した。実施例４の接合構造体では、溝状の凹部を格子状に形成した。なお、実施例２～４のその他の点については実施例１と同様である。実施例２～４での凹部形成用のレーザの照射条件は、以下のとおりである。
　＜凹部形成用のレーザ照射条件＞
　レーザ：ファイバレーザ（波長１０６２ｎｍ）
　周波数：１０ｋＨｚ
　出力：２．１Ｗ
　走査速度：４００ｍｍ／ｓｅｃ
　走査回数：５回
　照射間隔：４０μｍ
　なお、実施例２～４では、複数の点状の凹部を繋いで線状にすることにより、溝状の凹部を形成した。
　次に、比較例の接合構造体の作製方法について説明する。比較例の接合構造体では、接合用のレーザの吸収率を向上させるための凹部を形成しなかった。なお、比較例のその他の点については実施例１と同様である。
　そして、実施例１～４および比較例の試料についての接合評価を行った。
　具体的には、インストロン製の電気機械式万能試験機５９００を用いて、せん断方向に引張速度５ｍｍ／ｍｉｎで試験を行い、樹脂部材の破壊または接合界面の破壊で試験を終了した。なお、せん断方向とは、接合界面に沿ってずれる方向（図９における左右方向）である。また、樹脂部材が破壊した場合には、それまでに接合界面が破壊されないことから、接合部の接合強度が十分にあるといえる。
　上記した表１に示すように、比較例では、界面破壊した試料が５個であり、材料破壊した試料が１５個であった。これに対して、実施例１～４では、界面破壊した試料が０個であり、材料破壊した試料が２０個であった。すなわち、比較例では、接合強度にばらつきがあるのに対し、実施例１～４では、接合強度がばらつくのを抑制することができた。したがって、実施例１～４では、比較例に比べて、接合品質の向上を図ることができた。
　これは、実施例１～４では、接合用のレーザの吸収率を向上させるための凹部を形成することによって、レーザの吸収率を向上させ、レーザを効率的に熱に変換し、金属部材の加熱状態のばらつきを抑制することにより、熱により溶融される樹脂部材の溶融状態を均等化することができたので、金属部材と樹脂部材との接合状態にばらつきが発生するのを抑制することができたためであると考えられる。
　－他の実施形態－
　なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
　たとえば、本実施形態では、金属部材１の表面１ａに穿孔部１１が形成される例を示したが、これに限らず、金属部材の表面に溝状の第１凹状部が形成されていてもよい。また、穿孔部１１に突出部１１ａが形成される例を示したが、これに限らず、穿孔部が円筒状またはすり鉢状に形成されていてもよい。また、レーザＬ１によって穿孔部１１を形成する例を示したが、これに限らず、プラズマ処理、コロナ放電、ブラスト処理、プレス加工およびサンドペーパ処理などの物理的な加工により、金属部材の表面に第１凹状部を形成するようにしてもよい。
　また、本実施形態では、レーザＬ２によって凹部１２を形成する例を示したが、これに限らず、プラズマ処理、コロナ放電、ブラスト処理、プレス加工およびサンドペーパ処理などの物理的な加工により、金属部材の表面に第２凹状部を形成するようにしてもよい。
　また、本実施形態では、穿孔部１１および凹部１２が同じ加工装置により形成される例を示したが、これに限らず、穿孔部および凹部が異なる加工装置により形成されていてもよい。
　また、本実施形態では、樹脂部材２が熱可塑性樹脂である例を示したが、これに限らず、樹脂部材が熱硬化性樹脂であってもよい。熱硬化性樹脂の一例としては、ＥＰ（エポキシ）、ＰＵＲ（ポリウレタン）、ＵＦ（ユリアホルムアルデヒド）、ＭＦ（メラミンホルムアルデヒド）、ＰＦ（フェノールホルムアルデヒド）、ＵＰ（不飽和ポリエステル）、および、ＳＩ（シリコーン）が挙げられる。また、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）であってもよい。
　本発明は、金属部材と樹脂部材とが接合された接合構造体の製造方法および接合構造体に利用可能である。
　１　　　金属部材
　１ａ　　表面
　２　　　樹脂部材
　１１　　穿孔部（第１凹状部）
　１１ａ　突出部
　１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ　凹部（第２凹状部）
　１００　接合構造体

Claims (5)

  1. 　金属部材と、接合用のレーザに対して透過性を有する樹脂部材とが接合された接合構造体の製造方法であって、
    　前記金属部材の表面に第１凹状部を形成する工程と、
    　前記第１凹状部を形成した後に、前記金属部材の表面に、前記第１凹状部に比べて浅い第２凹状部を形成する工程と、
    　前記金属部材の表面に前記樹脂部材を配置し、前記樹脂部材側から前記金属部材の表面に向けて接合用のレーザを照射することにより、前記樹脂部材を前記第１凹状部に充填して固化させることによって、前記金属部材と前記樹脂部材とを接合する工程とを備えることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  2. 　請求項１に記載の接合構造体の製造方法において、
    　前記第１凹状部は、前記金属部材と前記樹脂部材とを機械的に接合するために設けられ、
    　前記第２凹状部は、接合用のレーザの吸収率を向上させるために設けられていることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  3. 　請求項１または２に記載の接合構造体の製造方法において、
    　前記第１凹状部は、平面的に見て円形の穿孔部を含み、
    　前記穿孔部の内周面には、内側に突出する突出部が形成され、
    　前記第２凹状部の深さは、前記金属部材の表面から前記突出部の下端までの距離よりも短くなるように形成されていることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  4. 　請求項１～３のいずれか１つに記載の接合構造体の製造方法において、
    　前記第１凹状部および前記第２凹状部は、加工用のレーザにより形成されることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  5. 　請求項１～４のいずれか１つに記載の接合構造体の製造方法によって製造されたことを特徴とする接合構造体。
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