WO2017090245A1 - 金属樹脂接合方法及び金属樹脂接合体 - Google Patents

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公則 和鹿
川人　洋介
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株式会社ヒロテック
国立大学法人大阪大学
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Definitions

  • the present invention relates to a method for joining a metal material and a resin material, and a metal resin joined body in which the metal material and the resin material are joined. More specifically, the metal material and the resin are used without using an adhesive or rivet fastening.
  • the present invention relates to a method for strongly directly joining a material and a metal resin joined body having a strong joint.
  • an adhesive or rivet fastening for joining a metal material and a resin material.
  • joining is achieved by physical adsorption force or chemical adsorption force
  • rivet fastening joining is achieved by physical fastening using rivets.
  • the size and weight of the fastening portion increase the size and weight of the part, and the design flexibility also decreases, so the applicable parts are limited.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2008-213156
  • a metal material is heated by heating to a temperature at which bubbles are generated in the resin material of the joint portion in a state where the metal material and the resin material are combined using a laser light source.
  • a resin melting laser light source for heating to a temperature at which the resin material is melted
  • a resin decomposition laser light source for heating to a temperature to decompose the resin material are used as the laser light source.
  • a metal resin bonding method has been proposed.
  • the resin melt is used as a heating source. Because the laser light source for resin and the laser light source for resin decomposition are used in combination, the control of the resin heating location and temperature is extremely easy and efficient, and as a result greatly contributes to the uniform formation of high-strength metal-resin joints. It can be done.
  • Patent Document 1 requires expensive laser equipment, and there are problems related to large equipment costs and technology transfer to emerging countries. Further, since it is necessary to heat the metal surface by irradiating a laser from the resin side, it is difficult to control the bonding temperature and the like in addition to limiting the applicable resin material. Furthermore, it is desirable to remove bubbles remaining in the joining region from the viewpoint of the reliability of the joining portion.
  • an object of the present invention is to provide a method for strongly directly joining a metal material and a resin material using a generally inexpensive heat source and a strong joint portion.
  • An object of the present invention is to provide a metal resin joined body having the same.
  • the present inventor has conducted extensive research on a method for joining a metal material and a resin material. As a result, it is effective to heat a metal material using an arc heat source or a resistance spot heat source.
  • the headline, the present invention has been reached.
  • the present invention A method of directly joining a metal material and a resin material, Having a heating step of forming a heating region in at least a part of the metal material using an arc heat source; By heating at least a part of the resin material to a temperature equal to or higher than the melting temperature of the resin material by heat input from the heating region, to form a joint portion; A metal resin bonding method characterized by the above.
  • an arc heat source is used for arc welding in which metal materials are melted and joined.
  • a small current value heat input
  • a metal material and a resin material can be directly joined by using ().
  • the metal resin bonding method of the present invention it is preferable to pressurize the bonding portion immediately after forming the bonding portion. For example, compared to heating by laser irradiation, when an arc heat source is used, it becomes difficult to control heat input and to suppress thermal deformation caused by the heat input. Can be stably obtained.
  • the bubbles introduced into the resin of the bonding portion in the heating process can be moved out of the bonding portion, and the reliability is higher. A joint can be obtained. Furthermore, since the resin material softened by the pressurization spreads beyond the range of the heat-affected zone of the metal material, the bonding interface between the metal material and the resin material can be expanded.
  • the molten resin material wets and spreads to the interface to be bonded by pressurization, so that bonding can be achieved even at a site lower than the melting temperature.
  • the pressure is preferably 1.40 to 1.85 MPa, more preferably 1.70 to 1.85 MPa.
  • the pressure is preferably 1.40 to 1.85 MPa, more preferably 1.70 to 1.85 MPa.
  • the arc heat source is disposed on the metal material side in the heating step in a state where the metal material and the resin material are overlapped.
  • the resin material does not affect the heating, as the material to be bonded
  • a wide variety of resin materials can be used. Further, by heating from the metal material side, a space can be provided on the resin material side, and pressurization (details will be described later) from the resin material surface becomes easy.
  • the temperature control of the bonded interface in the heating process is facilitated.
  • the temperature distribution of the bonded interface in the heating process can be grasped.
  • the resin material is disposed so as to overlap with at least a part of the heating region. It is preferable that the temperature of a part of the resin material is raised to the melting temperature of the resin material or higher.
  • the resin material is formed so as to overlap with at least a part of the heating region after forming the heating region on at least a part of the metal material.
  • a good joined body can be obtained by abutting.
  • the arc heat input is set considering that the temperature of the metal material surface decreases from the heating to the contact with the resin material, and the temperature of the resin material is set. It must be above the melting temperature.
  • the heating step instead of using the arc heat source, one-side resistance spot welding is performed in a state where the metal material and the resin material are overlapped, and the metal It is preferable to form the heating region on at least a part of the material.
  • the heat source used in the metal resin bonding method of the present invention is not limited to an arc, and for example, one-side resistance spot welding can be suitably used.
  • a pressurization process can be achieved simultaneously with a heating process.
  • the maximum temperature of the bonded interface between the metal material and the resin material is 450 to 600 ° C. in the heating step.
  • the temperature of the resin material at the bonded interface can be set to the melting temperature or higher, and by setting it to 600 ° C. or lower, the resin material becomes brittle due to excessive heat input. Can be suppressed.
  • the temperature of the bonded interface between the metal material and the resin material is 275 to 600 ° C. in the heating step.
  • the present inventor has found that the bonding strength between the metal material and the resin material is sufficiently high in the region where the temperature of the bonded interface is 275 ° C. or higher.
  • the temperature of the bonded interface is 600 ° C. or less, embrittlement of the resin material due to excessive heat input can be suppressed.
  • the present invention also provides: A lap joint member of a resin material and a metal material, The resin material and the metal material are directly bonded, The metal material is formed with a heat affected zone by heat treatment, A bonding interface is also formed outside the heat affected zone, There is also provided a metal-resin joined body characterized by the following.
  • the metal resin bonded body of the present invention has high bonding strength and reliability because a bonding interface is also formed outside the heat affected zone of the metal material formed by heat treatment.
  • the metal material and the resin material are directly joined, and are not joined by an adhesive or rivet fastening.
  • the maximum diameter of bubbles existing in the joining region is less than 0.1 mm. Since the maximum diameter of the bubbles is less than 0.1 mm, the bubbles hardly affect the joint characteristics, and the joining member of the present invention has very good mechanical characteristics. Moreover, since the bubble of a junction part cannot be confirmed clearly visually, the fall of the image by a defect existing in a junction part can be suppressed.
  • the metal resin joining part body of this invention can be suitably obtained using the metal resin joining method of this invention.
  • a method for directly directly bonding a metal material and a resin material using a commonly used inexpensive heat source and a metal having a strong bonding portion A resin joined body can be provided.
  • FIG. 3 is a graph showing the shear strength of the metal resin bonded body obtained in Example 1.
  • FIG. 2 is an overview photograph after a shear test of the metal resin bonded body obtained in Example 1.
  • FIG. 4 is a graph showing the shear strength of the metal resin bonded body obtained in Example 2.
  • FIG. 6 is a graph showing the shear strength of the metal resin bonded body obtained in Example 3. It is a temperature distribution when the welding current is 10 A in Example 3. It is a temperature distribution when the welding current is 12 A in Example 3. It is a temperature distribution when the welding current is 22 A in Example 3. It is a graph which shows the shear strength of the implementation metal resin joining body obtained by changing joining speed in Example 3.
  • FIG. 6 is a graph showing the shear strength of the metal resin bonded body obtained in Example 4. It is a temperature distribution when the welding current is 14 A in Example 4. In Example 4, it is a temperature distribution when welding current is 20A. It is a graph which shows the shear strength of the implementation metal resin joined body obtained by changing joining speed in Example 4.
  • FIG. 6 is a graph showing the shear strength of the metal resin bonded body obtained in Example 3. It is a temperature distribution when the welding current is 10 A in Example 3. It is a temperature distribution when the welding current is 12 A in Example 3. It is a temperature distribution when the welding current is 22 A in Example 3. It
  • FIG. 6 is a graph showing the shear strength of the metal resin bonded body obtained in Example 5.
  • 6 is an overview photograph after a shear test of the metal resin bonded body obtained in Example 5.
  • FIG. It is a graph which shows the shear strength of the metal resin joined body obtained in Example 6 by setting the joining speed to 20 cm / min.
  • 6 is an overview photograph after a shear test of a metal resin bonded body obtained in Example 6.
  • FIG. 10 is a graph showing a maximum temperature change in a heating region in Example 6.
  • FIG. 7 is a TEM observation image of a typical metal / resin interface of the metal resin bonded body obtained in Example 7.
  • FIG. 10 is an overview photograph of each joint obtained in Example 8. It is the schematic which shows the arrangement
  • Example 10 It is a graph which shows the shear strength at the time of energizing current being 2.5 kA in Example 9.
  • 10 is a graph showing shear strength in Example 10.
  • 10 is a graph showing shear strength in Example 11.
  • 14 is a graph showing shear strength in Example 12.
  • 14 is a graph showing the shear strength in Example 13. It is the whole image (STEM-BF image) of the thin sample for STEM observation. It is a high magnification observation image of each area
  • FIG. 18 is a graph showing shear strength in Example 15.
  • 22 is a graph showing shear strength in Example 16.
  • Metal-resin bonding method In the metal-resin bonding method of the present invention, a method of heating the metal material in a state where the metal material and the resin material are superposed (lap heating bonding), and a resin after heating the metal material And a method of bringing the material into contact with each other (inter-plate heating bonding).
  • the arc 8 also moves, so that a desired heating region 10 can be formed.
  • a joint portion can be formed.
  • metal material 2 various conventionally known metal materials can be used as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • the metal material 2 include various steel materials, galvanized steel materials, aluminum alloys, magnesium alloys, and the like, but it is preferable to use various steel materials or galvanized steel materials.
  • the resin material 4 various conventionally known resin materials can be used as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • the resin material 4 include polyamide and PET (Polyethylene Terephthalate).
  • the conditions for generating the arc need to be set as appropriate depending on the types of metal material 2 and resin material 4, physical properties such as thermal conductivity, plate thickness, and the like. It is necessary to use conditions with a small amount of heat (conditions not used in normal arc welding).
  • the maximum temperature of the bonded interface between the metal material 2 and the resin material 4 is 450 to 600 ° C.
  • the temperature of the resin material 4 at the bonded interface can be set to the melting temperature or higher, and by setting it to 600 ° C. or lower, the temperature of the resin material 4 due to excessive heat input. Brittleness can be suppressed.
  • the temperature of the bonded interface between the metal material 2 and the resin material 4 is 275 to 600 ° C.
  • the bonding strength between the metal material 2 and the resin material 4 can be sufficiently increased.
  • the temperature of the bonded interface can be measured by various conventionally known methods such as a thermal image camera or a thermocouple.
  • the moving speed of the arc 8 is 20 cm /
  • the suitable joining conditions are shown in FIG. 5 to be described later, for example.
  • the moving speed of the arc 8 is 20 cm. / Min, and an arc current of 12 to 18 A, a good metal resin joined body can be obtained.
  • the suitable joining conditions are shown in FIG. 8 to be described later, for example.
  • the moving speed of the arc 8 is 20 cm / min.
  • the arc current is 12 to 20 A, a good metal resin joined body can be obtained.
  • the suitable joining conditions are shown in FIG. 9 to be described later, for example.
  • the moving speed of the arc 8 is 20 cm. / Min and an arc current of 14 to 22 A, a good metal resin bonded body can be obtained.
  • the suitable joining conditions are shown in FIG. 14 to be described later, for example.
  • the metal material 2 is heated by the arc 8, but simple one-side resistance spot welding can also be used.
  • one-side resistance spot welding is used, there is an advantage that a pressurizing step can be achieved simultaneously with a heating step.
  • FIG. 1 A conceptual diagram of inter-plate heating bonding is shown in FIG.
  • the metal material 2 is heated by the arc 8 to form the heating region 10, and then the resin material 4 is brought into contact with the heating region 10 to form a joint portion.
  • the metal material 2, the resin material 4, the plasma welding torch 6, and the maximum temperature and temperature distribution of the bonded interface that can be suitably used are the same as in the case of the above-described lap heating bonding, but the heating region 10 is formed. Therefore, it is necessary to set the joining conditions while paying attention to the temperature drop of the heating region 10 that occurs from when the resin material 4 is brought into contact therewith.
  • the moving speed of the arc 8 is 20 cm / min.
  • the arc current is 25 to 60 A, a good metal resin joined body can be obtained.
  • the suitable joining conditions are shown in FIG. 20 described later, for example.
  • the moving speed of the arc 8 is 20 cm. / Min, and an arc current of 40 to 70 A, a good metal resin joined body can be obtained.
  • the suitable joining conditions are shown in FIG. 25 described later, for example.
  • the pressure of the joint is preferably 1.40 to 1.85 MPa, more preferably 1.70 to 1.85 MPa.
  • the suitable pressurizing conditions are shown in FIG. 32 described later, for example.
  • the schematic sectional drawing of the metal-resin joined body of this invention is shown in FIG.
  • the metal resin bonded body 12 is obtained by directly bonding the metal material 2 and the resin material 4, and no adhesive or rivet is used in the bonded portion.
  • the heat affected zone 10 formed by external heating is formed on the metal material 2, and the bonding interface 14 between the metal material 2 and the resin material 4 extends to the outside of the heat affected zone 10.
  • the joined region is inside the heat-affected zone 10, but in the metal resin joined body 12, since the joining is achieved in a wider area, it is high. Bonding strength and reliability can be realized.
  • the maximum diameter of bubbles present in the bonded region is less than 0.1 mm. Since the maximum diameter of the bubbles is less than 0.1 mm, the bubbles hardly affect the joint characteristics, and the metal resin bonded body 12 has very good mechanical characteristics. Moreover, since the bubble of a junction part cannot be confirmed clearly visually, the fall of the image by a defect existing in a junction part can be suppressed.
  • the metal resin joined body 12 can be suitably obtained by using the metal resin joining method of the present invention, and in particular, the reduction of bubbles and the enlargement of the joint interface 14 are simultaneously achieved by the joining involving the pressurizing step described above. can do.
  • Example 1 Joining using arc heating ⁇
  • Example 1 Ferritic heat-resistant steel sheet: SUH409L plate (100 mm x 30 mm x 1.5 mm) as the metal material, PET plate (100 mm x 30 mm x 2 mm) as the resin material, and superposed on the state shown in Fig. 4, arc heating from the metal material side As a result, “lap heating bonding” was performed.
  • a plasma welding machine (350A) manufactured by Nippon Steel & Sumikin Welding Industry was used as the arc welding heat source, the tungsten electrode was ⁇ 3.2 mm, the insert tip was ⁇ 3.2 mm, and the operation was controlled by a 6-axis robot.
  • the pilot gas flow rate was constant at 0.4 L / min.
  • the various metal-resin joined bodies were manufactured by fixing the joining speed (moving speed of the arc heat source) at 20 cm / min and changing the welding current (arc current) at 4 to 12 A.
  • a tensile test was performed in the embodiment shown in FIG. 5 to measure the shear strength.
  • the obtained result is shown in FIG.
  • the bonded portion has a strength higher than the level at which the shear strength can be measured.
  • the welding current is set to 12A, strength reduction due to deterioration of the resin material due to excessive heat input is recognized.
  • the shear strength is less than the strength of the resin material, but under other conditions, a shear strength equivalent to the strength of the resin material is obtained.
  • FIG. 7 shows an overview photograph of the implemented metal-resin joined body in a state in which the resin material is stretched by a shear strength test, with respect to the implemented metal-resin joined body showing the same degree of shear strength as the resin material. Even after the shear test, no breakage was observed at the joint, and the elongation of the resin material in the vicinity of the joint could be confirmed.
  • the joining region is also formed outside the heating region by arc heating.
  • Example 2 Galvanized steel sheet: SPCM2-55 / 55 (100 mm x 30 mm x 1.6 mm) as metal material, PET plate (100 mm x 30 mm x 2 mm) as resin material, and welding current (arc current) varied from 5 to 12A Except for the above, “lap heating bonding” was performed in the same manner as in Example 1.
  • the shear strength was measured in the same manner as in Example 1 for the resulting metal resin bonded body. The obtained result is shown in FIG. In all of the metal resin bonded bodies, the bonded portion has a strength higher than the level at which the shear strength can be measured, but a high shear strength is stably obtained by setting the welding current to 12A. . When the welding current is 12 A, the shear strength is comparable to that of the resin material.
  • the average temperature of the highest temperature part was 300 to 450 ° C when the welding current was 12A, and there was a wide range of 275 ° C or more.
  • Example 3 Ferritic heat-resistant steel sheet: SUH409L plate (100 mm x 30 mm x 1.5 mm) as the metal material, polyamide plate (100 mm x 30 mm x 2 mm) as the resin material, welding current (arc current) of 10 to 22A, joining speed (arc) “Lamination heating joining” was performed in the same manner as in Example 1 except that the moving speed of the heat source was changed at 15 to 25 cm / min.
  • the shear strength was measured in the same manner as in Example 1 for the resulting metal resin bonded body. The obtained results are shown in FIG.
  • the joint has a strength higher than the level at which the shear strength can be measured, but when the welding current exceeds 20 A, the strength due to deterioration of the resin material due to excessive heat input. A decrease is observed.
  • the shear strength is less than the strength of the resin material, but under other conditions, a shear strength equivalent to the strength of the resin material is obtained.
  • the temperature in the vicinity of the bonding interface during each bonding process was measured with a thermal image camera.
  • the welding current was 10A and 12A
  • the average temperature of the highest temperature region was 300 to 450 ° C, and the region of 275 ° C or higher was wide. Existed.
  • 22A a temperature range exceeding 600 ° C. was recognized.
  • temperature distributions in the case of 10A, 12A, and 22A are shown in FIGS. 10, 11, and 12, respectively. The temperature distribution is at an intermediate time point from the start of heating to the end of heating, and the numerical value in the figure indicates the highest temperature reached at that time.
  • Fig. 13 shows the shear strength of the actual metal-resin joined body obtained by changing the joining speed while keeping the welding current constant at 15A.
  • the welding current is 15 A, it can be seen that a metal resin joined body having high shear strength can be obtained even if the joining speed is changed.
  • the temperature in the vicinity of the joining interface during each joining process was measured with a thermal image camera.
  • the average temperature at the highest temperature part was 300 to 450 ° C. There was a wide range of 275 ° C. or higher.
  • Example 4 Galvanized steel sheet: SPCM2-55 / 55 (100 mm x 30 mm x 1.6 mm) as the metal material, polyamide plate (100 mm x 30 mm x 2 mm) as the resin material, welding current (arc current) of 12 to 30 A, joining speed “Lap heating joining” was performed in the same manner as in Example 1 except that (the moving speed of the arc heat source) was changed at 20 to 30 cm / min.
  • the shear strength was measured in the same manner as in Example 1 for the resulting metal resin bonded body.
  • the obtained result is shown in FIG.
  • the bonded portion has a strength higher than that capable of measuring the shear strength, but a high shear strength is obtained when the welding current is in the range of 14 to 20 A.
  • the shear strength of the practical metal-resin joined body obtained at 14 to 20A is comparable to the strength of the resin material.
  • FIG. 17 shows the shear strength of the metal-metal bonded assembly obtained by changing the welding speed while keeping the welding current constant at 18A.
  • the welding current is 18 A, it can be seen that a metal resin joined body having high shear strength can be obtained even if the joining speed is changed.
  • the temperature in the vicinity of the joining interface during each joining process was measured with a thermal image camera.
  • the average temperature at the highest temperature part was 300 to 450 ° C. There was a wide range of 275 ° C. or higher.
  • Example 5 Ferritic heat-resistant steel plate as a metal material: SUH409L plate (100 mm ⁇ 30 mm ⁇ 1.5 mm), PET resin (100 mm ⁇ 30 mm ⁇ 2 mm) as a resin material, and immediately after the SUH409L plate is arc-heated, “Pressing between plates” was performed by pressurizing the bonded parts. Note that the arc heating location of the SUH409L plate and the arrangement when the SUH409L plate and the PET plate are brought into contact with each other are in the state shown in FIG. The pressure was 6 MPa.
  • a plasma welding machine (for 350A) manufactured by Nippon Steel & Sumikin Welding Industries was used as the arc welding heat source, the tungsten electrode was ⁇ 3.2 mm, the insert tip was ⁇ 3.2 mm, and the operation was controlled by a 6-axis robot.
  • the pilot gas flow rate was constant at 0.4 L / min.
  • the metal resin joined body was manufactured by fixing the joining speed (moving speed of the arc heat source) at 20 cm / min and setting the welding current (arc current) to 30 A or 50 A.
  • the shear strength was measured in the same manner as in Example 1. The obtained result is shown in FIG. It turns out that high shear strength is acquired in all the implementation metal resin joined bodies.
  • the shear strength of the practical metal-resin joined body is comparable to the strength of the resin material.
  • FIG. 19 shows an overview photograph of the implemented metal-resin joined body in a state in which the resin material is stretched by a shear strength test with respect to the implemented metal-resin joined body showing the same degree of shear strength as the resin material. Even after the shear test, no breakage was observed at the joint, and the elongation of the resin material in the vicinity of the joint could be confirmed.
  • the joining region is also formed outside the heating region by arc heating.
  • Example 6 Ferritic heat-resistant steel plate: SUH409L plate (100 mm x 30 mm x 1.5 mm) as the metal material, polyamide plate (100 mm x 30 mm x 2 mm) as the resin material, welding current (arc current) of 30-60A, joining speed (arc) “Inter-plate heating joining” was performed in the same manner as in Example 5 except that the moving speed of the heat source was changed at 20 to 55 cm / min.
  • the shear strength was measured in the same manner as in Example 1 for the resulting metal resin bonded body.
  • the shear strength when the joining speed is 20 cm / min and 30 cm / min is shown in FIGS. 20 and 21, respectively. Although the value varies at 25 A for 20 cm / min and 30 A for 30 cm / min, high shear strength is obtained under any conditions. Here, the obtained shear strength is comparable to the strength of the resin material.
  • the shear strength of the resin-metal bonded body obtained by changing the bonding speed with a welding current of 60 A is shown in FIG.
  • the welding current is 60 A
  • high shear strength is obtained even when the joining speed is increased to 55 cm / min.
  • FIG. 23 shows an overview photograph of the implemented metal-resin joined body in a state in which the resin material has been stretched by a shear strength test with respect to the implemented metal-resin joined body that showed a shear strength equivalent to that of the resin material. Even after the shear test, no breakage was observed at the joint, and the elongation of the resin material in the vicinity of the joint could be confirmed.
  • the joining region is also formed outside the heating region by arc heating.
  • FIG. 24 shows the maximum temperature change in the heating start part, the heating intermediate part, and the heating end part (joining conditions: 25 A, 20 cm / min). Since the contact of the resin material with the heating region is about 1 second after the heating is completed, the maximum temperature portion during the bonding seems to be about 400 ° C.
  • Example 7 Galvanized steel plate: SPCM2-55 / 55 (100 mm x 30 mm x 1.6 mm) as the metal material, polyamide plate (100 mm x 30 mm x 2 mm) as the resin material, welding current (arc current) of 30 to 70 A, joining speed “Inter-plate heating joining” was performed in the same manner as in Example 1 except that (the moving speed of the arc heat source) was changed at 20 to 40 cm / min.
  • the shear strength was measured in the same manner as in Example 1 for the resulting metal resin bonded body.
  • the shear strength when the bonding speed is 20 cm / min and 30 cm / min is shown in FIGS. 25 and 26, respectively.
  • a welding current of 30 A is used at a joining speed of 20 cm / min, a resin-metal joined body having a slightly low shear strength is included, but other resin-metal joined bodies have a good shear strength.
  • the shear strength of the implementation metal resin bonded body obtained on conditions other than 20 cm / min and 30 A is comparable to the strength of the resin material.
  • the shear strength when the welding current is 50 A and 60 A is shown in FIGS. 27 and 28, respectively. All the resin-metal bonded bodies have good shear strength equivalent to that of the resin material.
  • the temperature change of the surface of the metal material heated by arc was measured with a thermal image camera.
  • the maximum temperature change in the heating start part, the heating intermediate part, and the heating end part is shown in FIG. 29 (joining conditions: 40 A, 20 cm / min). Since the contact of the resin material with the heating region is about 1 second after the heating is completed, it is considered that the maximum temperature portion during bonding is about 300 ° C.
  • the temperature in the vicinity of the bonding interface is 275 ° C. or more in a wide range, but at the heating start portion, the temperature becomes lower than the melting point of the resin with time.
  • FIG. 30 and FIG. 31 show typical SEM observation images and TEM observation images of the metal / resin interface with respect to the implemented metal resin bonded body. In any observation, the metal and the resin were directly bonded, and no defects such as peeling were observed.
  • SMI3050SE manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd. was used, and for TEM observation, JEM-2100F manufactured by JEOL Ltd. was used.
  • the acceleration voltage of SEM observation and TEM observation was 5 kV and 200 kV, respectively.
  • Example 8 Example 5 and Example 5 except that the pressure applied to the joint was changed in the range of 0.3 to 1.7 MPa (pressure area: 450 mm 2 ), and the joining speed and welding current were 20 cm / min and 8 A, respectively. In the same manner, an implementation metal resin bonded body was obtained.
  • FIG. 1 An overview photograph of each obtained joint is shown in FIG. It can be seen that when the applied pressure is 1.4 MPa, bubbles in the resin material at the joint are reduced. Further, the bubbles are almost disappeared by the pressurization of 1.7 MPa, and are not visually confirmed. In addition, no significant reduction in the thickness of the resin material was observed at any joint, and the joint area was also formed outside the heating area by arc heating.
  • Example 9 Joining Using One-Side Resistance Spot Heating ⁇
  • a galvanized steel sheet SPCM2-55 / 55 (100 mm x 25 mm x 0.8 mm) as the metal material, a polyamide plate (100 mm x 25 mm x 2 mm) as the resin material, and a stationary electrode equipped with a dedicated electrode designed for resin metal bonding “One-side resistance spot welding” using “one-side resistance spot welding” was performed by applying one-side current with a resistance spot welder.
  • FIG. 33 shows the arrangement of the galvanized steel plate and the polyamide plate.
  • the galvanized steel plate is placed on the upper side, the polyamide plate is placed on the lower side, energization was performed from the upper side of the lap member (galvanized steel plate side), and pressurization was performed from the lower side of the lap member (resin side). Was placed).
  • FIGS. 34 and 35 A schematic diagram and an appearance photograph showing the situation at the time of joining are shown in FIGS. 34 and 35, respectively.
  • An electrode is placed on the upper side of the galvanized steel sheet, and the members to be bonded are brought into close contact with each other by pressing the electrode against the surface of the galvanized steel sheet, and then resistance heating is conducted to the bonded interface between the electrodes.
  • pressure applied by being placed in the apparatus the upper electrode was set to load range 0.4kgf / cm 2 ⁇ 1.2kgf / cm 2.
  • the jig arranged at the lower part of the apparatus applies a constant pressure to the bonding interface immediately after completion of energization, and a pressure of 1.84 MPa at the maximum was set.
  • the energizing current at the time of joining was set to 0.5 to 4.0 kA, the number of energizing times was set to once, and the energizing time (Cycle) was changed to manufacture various metal resin joined bodies.
  • FIG. 36 shows the shear strength of the metal-metal bonded assembly obtained by changing the energization time with an energization current of 1.0 kA.
  • the shear strength of the implementation metal resin joined body obtained by making an energization current into 1.5 kA and changing an energization time is shown in FIG.
  • FIG. 38 shows the shear strength of the practical metal-resin joined body obtained by setting the energization current to 2.0 kA and changing the energization time.
  • any of the metal resin bonded bodies a relatively good shear strength is shown.
  • 2500 N A high shear strength equal to or greater than the bonding area (25 mm width) is obtained.
  • an extremely high shear strength of 3000 N or more is obtained under the joining conditions of an energization current of 1.5 kA and an energization time of 180 cycles or more, and an energization current of 2.0 kA and an energization time of 90 cycles or more.
  • FIG. 39 shows the shear strength of the metal-metal bonded assembly obtained by changing the secondary energization condition with the energization frequency set to 2 times, the primary energization condition as energization current: 2.5 kA, and the energization time: 15 Cycle.
  • the upslope from the primary energization to the secondary energization was 9 cycles, and the secondary energization conditions were energization current: 3.0 to 3.5 kA and energization time: 10 to 15 cycles.
  • the other conditions were the same as in Example 9.
  • the shear strength decreases as the amount of heat generated by secondary energization (joule heat generation) increases.
  • the amount of heat generated by energization heating is increased, the bonding temperature becomes equal to or higher than the decomposition temperature of the resin, which may be caused by the decomposition of the resin and the decrease in crystallinity.
  • an extremely high shear strength of about 3000 N is obtained in a short time compared to the case where the number of energizations is one.
  • Example 11 The primary energization conditions are energization current: 2.5 kA, energization time: 20 cycles, the secondary energization conditions are energization current: 2.0 kA, energization time: 40 cycles, and a constant pressure is applied immediately after completion of energization using a pressurizing jig. The effect of the applied pressure on the shear strength was examined by applying to the joint interface from the side. The other conditions were the same as in Example 9. The shear strength of the implementation metal resin joined body obtained on each pressurizing condition is shown in FIG.
  • the shear strength becomes substantially constant at a high value of 3000 N or more, and a stable metal / metal bonded body having a stable quality is obtained.
  • an increase in shear strength by increasing the applied pressure is not recognized, but in resistance spot welding, the reason is that sufficient pressure has already been applied by the electrodes to bring the materials to be joined into close contact during energization. I think that the.
  • Example 12 Next, without performing the pressurization with a pressing jig, changing the load due to energization time of the electrodes in the range of 0.4kgf / cm 2 ⁇ 1.2kgf / cm 2.
  • the primary energization conditions were energization current: 2.5 kA, energization time: 20 cycles, and the secondary energization conditions were energization current: 2.0 kA, energization time: 40 cycles.
  • the other conditions were the same as in Example 9.
  • the shear strength of the obtained metal-metal bonded body is shown in FIG.
  • Example 13 Primary energization condition: energization current: 0.7 kA, energization time: 99 cycle, secondary energization condition: energization current: 1.8 kA or 2.0 kA, energization time: 40 cycle, tertiary energization condition: energization current: 1.0 kA, energization time : The shear strength of the implementation metal-resin joined body obtained as 99Cycle is shown in FIG. The other conditions were the same as in Example 9.
  • the bonding interface of the metal resin bonded body was observed with a STEM.
  • the thin slice sample for observation was cut out from the area
  • An overall image (STEM-BF image) of the observation thin piece sample is shown in FIG. 43, and high-magnification observation images of the respective regions ((1) to (7)) shown in FIG. 43 are shown in FIG.
  • Example 14 Metal resin bonding was evaluated when the resin material was GFRP (polyamide resin with 30% glass fiber addition strengthening) and the metal material was a galvanized steel sheet.
  • the size and shape of the materials to be joined are the same as in Example 9.
  • the primary energization conditions are energization current: 2.5 kA, energization time: 30 cycles, the secondary energization conditions are energization current: 2.0 kA, energization time: 40 cycles, and a constant pressure is applied immediately after completion of energization using a pressurizing jig.
  • the effect of the applied pressure on the shear strength was examined by applying to the joint interface from the side.
  • the other conditions were the same as in Example 9.
  • the shear strength of the implementation metal resin joined body obtained on each pressurizing condition is shown in FIG.
  • the resin material is a polyamide resin
  • a practical metal-resin bonded body having high shear strength is stably obtained.
  • the influence of the applied pressure on the shear strength is hardly recognized.
  • Example 15 An aluminum metal alloy: 5000 series (100 mm ⁇ 25 mm ⁇ 0.9 mm) was used as the metal material, and a polyamide plate (100 mm ⁇ 25 mm ⁇ 2 mm) was used as the resin material.
  • FIG. 46 shows the shear strength of the practical metal-resin bonded body obtained with an energization current of 2.5 kA and an energization time of 175 to 275 Cycle. The other conditions were the same as in Example 9.
  • Example 16 Aluminum alloy: 5000 series (100 mm x 25 mm x 0.9 mm) as metal material, GFRP (polyamide resin with 30% glass fiber addition strengthening, 100 mm x 25 mm x 2 mm) as resin material, conducted once with energization Metal resin bonding The body was manufactured.
  • FIG. 47 shows the shear strength of the practical metal-resin bonded body obtained with an energization current of 2.5 to 3.5 kA and an energization time of 138 to 275 Cycle. The other conditions were the same as in Example 9.

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Abstract

【課題】一般的に使用されている安価な熱源を用いて金属材と樹脂材とを強固に直接接合する方法及び強固な接合部を有する金属樹脂接合体を提供する。 【解決手段】金属材と樹脂材とを直接接合する方法であって、アーク熱源を用いて金属材の少なくとも一部に加熱領域を形成させる加熱工程を有し、加熱領域からの入熱によって、樹脂材の少なくとも一部を樹脂材の溶融温度以上に昇温し、接合部を形成すること、を特徴とする金属樹脂接合方法。

Description

金属樹脂接合方法及び金属樹脂接合体
　本発明は金属材と樹脂材とを接合する方法及び金属材と樹脂材とが接合された金属樹脂接合体に関し、より具体的には、接着剤やリベット締結等を用いることなく金属材と樹脂材とを強固に直接接合する方法及び強固な接合部を有する金属樹脂接合体に関する。
　従来、金属材と樹脂材との接合には、接着剤やリベット締結を用いるのが一般的である。接着剤を用いる場合は物理的吸着力や化学的吸着力により接合が達成され、リベット締結を用いる場合はリベットによる物理的な締結によって接合が達成される。
　しかしながら、接着剤を用いる場合、接着剤が濡れ広がるために接合領域が限定される精密な接合には不向きであることに加え、接合強度が被接合面の状態（表面粗さ等）に大きく影響されるという問題がある。更に、接着剤の硬化に必要な時間が生産性を律速すると共に、接着剤の状態維持や管理が難しい等の課題が存在する。
　また、リベット締結を用いる場合、締結部の大きさや重量によって部品が大型化・重量化することに加え、設計の自由度も低下することから、適用できる部品が限定されてしまう。
　これに対し、近年、レーザを用いて金属材と樹脂材を直接接合する技術が検討されている。例えば、特許文献１（特開２００８－２１３１５６号公報）においては、レーザ光源を用いて金属材料と樹脂材料を合わせた状態で接合部の樹脂材料に気泡を発生させる温度まで加熱することにより金属材料と樹脂材料を接合する方法において、レーザ光源として、樹脂材料を溶融させる温度に加熱する樹脂溶融用レーザ光源と樹脂材料を分解させる温度に加熱する樹脂分解用レーザ光源を使用することを特徴とする金属樹脂接合方法、が提案されている。
　前記特許文献１に記載の金属樹脂接合方法では、接合部の樹脂材料に特定の大きさの気泡を発生させる温度まで加熱することにより金属材料と樹脂材料を接合する方法において、加熱源として樹脂溶融用レーザ光源と樹脂分解用レーザ光源を併用しているので、樹脂の加熱場所及び加熱温度の制御が極めて容易かつ効率的であり、結果として高い強度の金属樹脂接合部の均一な形成に大きく寄与することができる、としている。
特開２００８－２１３１５６号公報
　しかしながら、前記特許文献１に記載の金属樹脂接合方法では高価なレーザ設備が必須であり、多額の設備費用及び新興国等への技術移転に関して問題がある。また、樹脂側からレーザを照射して金属表面を加熱する必要があるため、適用できる樹脂材が制限されることに加えて接合温度等の制御が困難である。更には、接合部の信頼性等の観点から、接合領域に残存する気泡を除去することが望まれる。
　以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、一般的に使用されている安価な熱源を用いて金属材と樹脂材とを強固に直接接合する方法及び強固な接合部を有する金属樹脂接合体を提供することにある。
　本発明者は上記目的を達成すべく、金属材と樹脂材の接合方法について鋭意研究を重ねた結果、アーク熱源や抵抗スポット熱源を用いて金属材を加熱すること等が効果的であることを見出し、本発明に到達した。
　即ち、本発明は、
　金属材と樹脂材とを直接接合する方法であって、
　アーク熱源を用いて前記金属材の少なくとも一部に加熱領域を形成させる加熱工程を有し、
　前記加熱領域からの入熱によって、前記樹脂材の少なくとも一部を前記樹脂材の溶融温度以上に昇温し、接合部を形成すること、
　を特徴とする金属樹脂接合方法、を提供する。
　一般的に、アーク熱源は金属材を溶かして接合するアーク溶接に用いられるが、本発明の接合方法においては、通常のアーク溶接で設定される電流値からは大きくかけ離れた小さな電流値（入熱）を用いることで、金属材と樹脂材とを直接接合できることを見出した。
　本発明の金属樹脂接合方法においては、前記接合部の形成過程又は形成直後に前記接合部を加圧すること、が好ましい。例えば、レーザ照射による加熱と比較して、アーク熱源を用いる場合は入熱制御や当該入熱に起因する熱変形の抑制等が困難となるが、接合部の形成過程又は形成直後に当該接合部を加圧することで、良好な接合部を安定して得ることができる。
　また、接合部の形成過程又は形成直後に当該接合部を加圧することにより、加熱工程において接合部の樹脂中に導入される気泡を当該接合部外に移動させることができ、より信頼性の高い接合部を得ることができる。更に、当該加圧によって軟化した樹脂材が金属材の熱影響部の範囲を超えて広がることから、金属材と樹脂材との接合界面を拡大することができる。
　なお、被接合界面において、溶融した樹脂材が僅かにでも存在する場合、当該溶融樹脂材が加圧によって被接合界面に濡れ広がることで、溶融温度よりも低い部位についても接合が達成される。
　更に、本発明の金属樹脂接合方法においては、前記加圧を１．４０～１．８５ＭＰａとすることが好ましく、１．７０～１．８５ＭＰａとすることがより好ましい。加圧を０．２５ＭＰａ以上とすることで、気泡の低減（移動）に効果があり、１．８５ＭＰａ以下とすることで、接合部における樹脂材が薄くなり過ぎることを抑制することができる。
　また、本発明の金属樹脂接合方法においては、前記加熱工程において、前記金属材と前記樹脂材とを重ね合わせた状態で、前記アーク熱源を前記金属材の側に配置すること、が好ましい。金属材側からアーク加熱することで、金属材と樹脂材との被接合界面の温度を好適に制御することができることに加え、当該加熱に対して樹脂材が影響しないことから、被接合材として多種多様な樹脂材を用いることができる。また、金属材側から加熱することにより、樹脂材側に空間を設けることができ、当該樹脂材表面からの加圧（詳細は後述）が容易となる。
　また、金属材と樹脂材とを重ね合わせた状態で加熱することにより、当該加熱工程における被接合界面の温度管理が容易となる。例えば、熱画像カメラ等を用いることで、加熱工程における被接合界面の温度分布を把握することができる。
　また、本発明の金属樹脂接合方法においては、前記加熱工程で前記金属材の少なくとも一部に前記加熱領域を形成させた後に、前記加熱領域の少なくとも一部と重畳するように前記樹脂材を配置し、前記樹脂材の一部を前記樹脂材の溶融温度以上に昇温すること、が好ましい。
　金属材と樹脂材とを重ね合わせた状態でアーク加熱を施す態様以外にも、金属材の少なくとも一部に加熱領域を形成させた後に、当該加熱領域の少なくとも一部と重畳するように樹脂材を当接させることで、良好な接合体を得ることができる。ここで、エネルギー効率等の観点から、アーク加熱は金属材の被接合界面となる側から行うことが好ましい。
　また、金属材の加熱後に樹脂材を当接させる場合、加熱から樹脂材を当接させるまでに金属材表面の温度が低下することを考慮してアーク入熱を設定し、樹脂材の温度を溶融温度以上とする必要がある。
　また、本発明の金属樹脂接合方法においては、前記加熱工程において、前記アーク熱源の使用に代えて、前記金属材と前記樹脂材とを重ね合わせた状態でワンサイド抵抗スポット溶接を施し、前記金属材の少なくとも一部に前記加熱領域を形成させること、が好ましい。
　本発明の金属樹脂接合方法で用いる熱源はアークに限られず、例えば、ワンサイド抵抗スポット溶接を好適に用いることができる。当該態様においては、加熱工程と同時に加圧工程を達成できるという利点が存在する。
　また、本発明の金属樹脂接合方法においては、前記加熱工程において、前記金属材と前記樹脂材との被接合界面の最高温度を４５０～６００℃とすること、が好ましい。被接合界面の最高温度を４５０℃以上とすることで、被接合界面における樹脂材の温度を溶融温度以上とすることができ、６００℃以下とすることで、入熱過多による樹脂材の脆化を抑制することができる。
　また、本発明の金属樹脂接合方法においては、前記加熱工程において、前記金属材と前記樹脂材との前記被接合界面の温度を２７５～６００℃とすること、が好ましい。本発明者は系統的な実験の結果、被接合界面の温度が２７５℃以上となる領域において、金属材と樹脂材との接合強度が十分に高くなることを見出した。一方で、被接合界面の温度を６００℃以下とすることで、入熱過多による樹脂材の脆化を抑制することができる。
　また、本発明は、
　樹脂材と金属材との重ね接合部材であって、
　前記樹脂材と前記金属材とは直接接合されており、
　前記金属材には加熱処理による熱影響部が形成され、
　前記熱影響部の外側にも接合界面が形成されていること、
　を特徴とする金属樹脂接合体、も提供する。
　本発明の金属樹脂接合体は、加熱処理によって形成される金属材の熱影響部の外側にも接合界面が形成されるため、高い接合強度及び信頼性を有している。なお、金属材と樹脂材は直接接合されており、接着剤やリベット締結によって接合されたものではない。
　また、本発明の金属樹脂接合体においては、前記接合領域に存在する気泡の最大直径が０．１ｍｍ未満であること、が好ましい。気泡の最大直径が０．１ｍｍ未満であることから、当該気泡は継手特性に殆ど影響を及ぼすことがなく、本発明の接合部材は極めて良好な機械的特性を有している。また、目視では接合部の気泡を明瞭に確認することができないことから、接合部に欠陥が存在することによるイメージの低下を抑制することができる。
　なお、本発明の金属樹脂接合部体は、本発明の金属樹脂接合方法を用いて好適に得ることができる。
　本発明の金属樹脂接合方法及び金属樹脂接合体によれば、一般的に使用されている安価な熱源を用いて金属材と樹脂材とを強固に直接接合する方法及び強固な接合部を有する金属樹脂接合体を提供することができる。
本発明の金属樹脂接合方法の一態様（重ね加熱接合）を示す概念図である。 本発明の金属樹脂接合方法の一態様（板間加熱接合）を示す概念図である。 本発明の金属樹脂接合体の概略断面図である。 金属材と樹脂材とを重ね合わせた状態を示す模式図である。 せん断強度測定の状態を示す模式図及び写真である。 実施例１で得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例１で得られた金属樹脂接合体のせん断試験後の概観写真である。 実施例２で得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例３で得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例３において溶接電流を１０Ａとした場合の温度分布である。 実施例３において溶接電流を１２Ａとした場合の温度分布である。 実施例３において溶接電流を２２Ａとした場合の温度分布である。 実施例３において接合速度を変化させて得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例４で得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例４において溶接電流を１４Ａとした場合の温度分布である。 実施例４において溶接電流を２０Ａとした場合の温度分布である。 実施例４において接合速度を変化させて得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例５で得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例５で得られた金属樹脂接合体のせん断試験後の概観写真である。 実施例６において接合速度を２０ｃｍ／分として得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例６において接合速度を３０ｃｍ／分として得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例６において溶接電流を６０Ａとして得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例６で得られた金属樹脂接合体のせん断試験後の概観写真である。 実施例６における加熱領域の最高温度変化を示すグラフである。 実施例７において接合速度を２０ｃｍ／分として得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例７において接合速度を３０ｃｍ／分として得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例７において溶接電流を５０Ａとして得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例７において溶接電流を６０Ａとして得られた金属樹脂接合体のせん断強度を示すグラフである。 実施例７における加熱領域の最高温度変化を示すグラフである。 実施例７で得られた金属樹脂接合体の代表的な金属／樹脂界面のＳＥＭ観察像である。 実施例７で得られた金属樹脂接合体の代表的な金属／樹脂界面のＴＥＭ観察像である。 実施例８で得られた各接合部の概観写真である。 被接合材の配置状況を示す概略図である。 ワンサイド抵抗スポット溶接を用いた接合時の状況を示す模式図である。 ワンサイド抵抗スポット溶接を用いた接合時の状況を示す外観写真である。 実施例９で通電電流を１．５ｋＡとした場合のせん断強度を示すグラフである。 実施例９で通電電流を２．０ｋＡとした場合のせん断強度を示すグラフである。 実施例９で通電電流を２．５ｋＡとした場合のせん断強度を示すグラフである。 実施例１０におけるせん断強度を示すグラフである。 実施例１１におけるせん断強度を示すグラフである。 実施例１２におけるせん断強度を示すグラフである。 実施例１３におけるせん断強度を示すグラフである。 ＳＴＥＭ観察用薄片試料の全体像（ＳＴＥＭ－ＢＦ像）である。 図４３に示す各領域の高倍率観察像である。 実施例１４におけるせん断強度を示すグラフである。 実施例１５におけるせん断強度を示すグラフである。 実施例１６におけるせん断強度を示すグラフである。
　以下、図面を参照しながら本発明の樹脂金属接合方法及び樹脂金属接合体の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。
（１）金属樹脂接合方法
　本発明の金属樹脂接合方法においては、金属材と樹脂材とを重ね合わせた状態で当該金属材を加熱する方法（重ね加熱接合）と、金属材を加熱した後に樹脂材を当接させる方法（板間加熱接合）と、が存在する。
（１－１）重ね加熱接合
　重ね加熱接合の概念図を図１に示す。重ね加熱接合においては、金属材２と樹脂材４を重ね合わせた状態で、金属材２の側にプラズマ溶接トーチ６を配置し、アーク８によって金属材２を加熱する。ここで、プラズマ溶接トーチ６は特に限定されず、従来公知の種々のプラズマ溶接トーチを用いることができる。
　プラズマ溶接トーチ６の移動に伴ってアーク８も移動するため、所望の加熱領域１０を形成することができる。加熱領域１０からの入熱によって、樹脂材４の少なくとも一部を樹脂材４の溶融温度以上に昇温することで、接合部を形成することができる。
　金属材２としては、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の金属材を用いることができる。金属材２としては、各種鋼材、亜鉛めっき鋼材、アルミニウム合金、マグネシウム合金等を例示することができるが、各種鋼材又は亜鉛めっき鋼材を用いることが好ましい。
　また、樹脂材４としては、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の樹脂材を用いることができる。樹脂材４としては、例えば、ポリアミドやＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ　Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）等を例示することができる。
　アークを発生させる条件は、金属材２及び樹脂材４の種類や熱伝導率等の物性、及び板厚等によって適宜設定する必要があるが、従来実施されているアーク溶接と比較すると大幅に入熱量が小さな条件（通常のアーク溶接では用いられない条件）を用いる必要がある。
　加熱工程において、金属材２と樹脂材４との被接合界面の最高温度は４５０～６００℃とすること、が好ましい。被接合界面の最高温度を４５０℃以上とすることで、被接合界面における樹脂材４の温度を溶融温度以上とすることができ、６００℃以下とすることで、入熱過多による樹脂材４の脆化を抑制することができる。
　また、加熱工程において、金属材２と樹脂材４との被接合界面の温度は２７５～６００℃とすること、が好ましい。被接合界面の温度を２７５℃以上とすることで、金属材２と樹脂材４との接合強度を十分に高くすることができる。一方で、被接合界面の温度を６００℃以下とすることで、入熱過多による樹脂材４の脆化を抑制することができる。なお、被接合界面の温度は熱画像カメラや熱電対等の従来公知の種々の方法で測定することができる。
　ここで、金属材２としてフェライト系耐熱鋼板：ＳＵＨ４０９Ｌ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ）、樹脂材４としてＰＥＴ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用いる場合は、アーク８の移動速度を２０ｃｍ／分とし、アーク電流を４～１０Ａとすることで良好な金属樹脂接合体を得ることができる。なお、当該好適な接合条件については、例えば後述の図５に示されている。
　また、金属材２として亜鉛めっき鋼板：ＳＰＣＭ２－５５／５５（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．６ｍｍ）、樹脂材４としてＰＥＴ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用いる場合は、アーク８の移動速度を２０ｃｍ／分とし、アーク電流を１２～１８Ａとすることで良好な金属樹脂接合体を得ることができる。なお、当該好適な接合条件については、例えば後述の図８に示されている。
　また、金属材２としてフェライト系耐熱鋼板：ＳＵＨ４０９Ｌ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ）、樹脂材４としてポリアミド板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用いる場合は、アーク８の移動速度を２０ｃｍ／分とし、アーク電流を１２～２０Ａとすることで良好な金属樹脂接合体を得ることができる。なお、当該好適な接合条件については、例えば後述の図９に示されている。
　更に、金属材２として亜鉛めっき鋼板：ＳＰＣＭ２－５５／５５（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．６ｍｍ）、樹脂材４としてポリアミド板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用いる場合は、アーク８の移動速度を２０ｃｍ／分とし、アーク電流を１４～２２Ａとすることで良好な金属樹脂接合体を得ることができる。なお、当該好適な接合条件については、例えば後述の図１４に示されている。
　なお、本実施形態においてはアーク８によって金属材２を加熱しているが、簡便なワンサイド抵抗スポット溶接を用いることもできる。ワンサイド抵抗スポット溶接を用いる場合は、加熱工程と同時に加圧工程を達成できるという利点が存在する。
（１－２）板間加熱接合
　板間加熱接合の概念図を図２に示す。板間加熱接合においては、アーク８によって金属材２を加熱して加熱領域１０を形成させた後、加熱領域１０に樹脂材４を当接させることで接合部が形成される。
　ここで、好適に用いることができる金属材２、樹脂材４、プラズマ溶接トーチ６及び被接合界面の最高温度及び温度分布は上述の重ね加熱接合の場合と同様であるが、加熱領域１０の形成から樹脂材４を当接させるまでに生じる加熱領域１０の温度低下に留意して接合条件を設定する必要がある。
金属材２としてフェライト系耐熱鋼板：ＳＵＨ４０９Ｌ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ）、樹脂材４としてＰＥＴ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用いる場合は、アーク８の移動速度を２０ｃｍ／分とし、アーク電流を３０～４０Ａとすることで良好な金属樹脂接合体を得ることができる。なお、当該好適な接合条件については、例えば後述の図１８に示されている。
　また、金属材２として亜鉛めっき鋼板：ＳＰＣＭ２－５５／５５（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．６ｍｍ）、樹脂材４としてＰＥＴ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用いる場合は、アーク８の移動速度を２０ｃｍ／分とし、アーク電流を５０～６０Ａとすることで良好な金属樹脂接合体を得ることができる。
　また、金属材２としてフェライト系耐熱鋼板：ＳＵＨ４０９Ｌ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ）、樹脂材４としてポリアミド板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用いる場合は、アーク８の移動速度を２０ｃｍ／分とし、アーク電流を２５～６０Ａとすることで良好な金属樹脂接合体を得ることができる。なお、当該好適な接合条件については、例えば後述の図２０に示されている。
　更に、金属材２として亜鉛めっき鋼板：ＳＰＣＭ２－５５／５５（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．６ｍｍ）、樹脂材４としてポリアミド板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用いる場合は、アーク８の移動速度を２０ｃｍ／分とし、アーク電流を４０～７０Ａとすることで良好な金属樹脂接合体を得ることができる。なお、当該好適な接合条件については、例えば後述の図２５に示されている。
（１－３）加圧工程
　上述の重ね加熱接合及び板間加熱接合においては、加圧工程を付加することで接合部の強度や信頼性等を向上させることができる。
　より具体的には、接合部の樹脂材４は高温に加熱されるため、樹脂材４の分解温度を超えた領域では気泡が発生し、冷却後も当該領域に留まって欠陥となる。これに対し、接合部の形成過程又は形成直後に接合部を加圧することで、加熱工程において接合部の樹脂中に導入される気泡を除去することができ、より信頼性の高い接合部を得ることができる。更に、当該加圧によって軟化した樹脂材が金属材の熱影響部の範囲を超えて広がることから、金属材と樹脂材との接合界面を拡大することができる。
　接合部の加圧は１．４０～１．８５ＭＰａとすることが好ましく、１．７０～１．８５ＭＰａとすることがより好ましい。加圧を１．４０ＭＰａ以上とすることで、気泡の低減（移動）に効果があり、１．８５ＭＰａ以下とすることで、接合部における樹脂材が薄くなり過ぎることを抑制することができる。なお、当該好適な加圧条件については、例えば後述の図３２に示されている。
　板間加熱接合の場合は、金属材２の加熱領域１０に樹脂材４を当接させた後、単純に金属材２及び樹脂材４の両側から圧力を印加すればよい。また、重ね加熱接合の場合は、例えば金属材２と樹脂材４を重ね合わせた状態で、金属材２を固定し、樹脂材４の側からシリンダー等で圧力を印加してもよい。なお、重ね加熱接合においては、加熱工程終了後、板間加熱接合の場合と同様に、単純に金属材２及び樹脂材４の両側から圧力を印加してもよい。
（２）金属樹脂接合体
　本発明の金属樹脂接合体の概略断面図を図３に示す。金属樹脂接合体１２は、金属材２と樹脂材４とが直接接合されたものであり、接合部に接着剤やリベット等は使用されていない。
　金属材２には、外部加熱によって形成された熱影響部１０が形成され、金属材２と樹脂材４との接合界面１４は熱影響部１０の外側にまで広がっている。従来の金属材と樹脂材の直接接合体においては、接合されている領域は熱影響部１０の内側であるが、金属樹脂接合体１２においてはより広い面積で接合が達成されているため、高い接合強度及び信頼性を実現することができる。
　金属樹脂接合体１２の接合部においては、接合領域に存在する気泡の最大直径が０．１ｍｍ未満であること、が好ましい。気泡の最大直径が０．１ｍｍ未満であることから、当該気泡は継手特性に殆ど影響を及ぼすことがなく、金属樹脂接合体１２は極めて良好な機械的特性を有している。また、目視では接合部の気泡を明瞭に確認することができないことから、接合部に欠陥が存在することによるイメージの低下を抑制することができる。
　なお、金属樹脂接合体１２は、本発明の金属樹脂接合方法を用いて好適に得ることができ、特に、上述の加圧工程を伴った接合によって気泡の低減と接合界面１４の拡大を同時に達成することができる。
　以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。
１．アーク加熱を用いた接合
≪実施例１≫
　金属材としてフェライト系耐熱鋼板：ＳＵＨ４０９Ｌ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ）、樹脂材としてＰＥＴ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用い、図４に示す状態に重ね合わせて金属材側からアーク加熱することで、「重ね加熱接合」を施した。アーク溶接熱源には日鉄住金溶接工業製のプラズマ溶接機（３５０Ａ用）を用い、タングステン電極をφ３．２ｍｍ、インサートチップをφ３．２ｍｍとし、６軸ロボットにより動作制御を行った。なお、パイロットガス流量は０．４Ｌ／分で一定とした。
　接合速度（アーク熱源の移動速度）を２０ｃｍ／分で固定し、溶接電流（アーク電流）を４～１２Ａで変化させて種々の実施金属樹脂接合体を製造した。図５に示す態様で引張試験を行い、せん断強度を測定した。得られた結果を図６に示す。全ての実施金属樹脂接合体において、接合部はせん断強度の測定が可能な程度以上の強度を有しているが、溶接電流を４～１０Ａとすることで、高いせん断強度が安定して得られていることが分かる。なお、溶接電流を１２Ａとした場合、入熱過多に起因する樹脂材の劣化による強度低下が認められる。ここで、１２Ａの場合はせん断強度が樹脂材の強度未満となるが、それ以外の条件では樹脂材の強度と同等程度のせん断強度が得られている。
　樹脂材と同等程度のせん断強度を示した実施金属樹脂接合体に関し、せん断強度試験によって樹脂材が伸長した状態における実施金属樹脂接合体の概観写真を図７に示す。せん断試験後も接合部における破断は認められず、接合部近傍の樹脂材の伸長が確認できる。加えて、接合領域はアーク加熱による加熱領域の外側にも形成されている。
　各接合工程中の接合界面近傍の温度を熱画像カメラ（日本アビオニクス株式会社製，Ｒ３００ＳＲ－Ｈ）にて測定したところ、溶接電流が４～１０Ａの場合は最高温度部位の平均温度が３００～４５０℃であり、２７５℃以上の領域が広範囲に存在していた。一方で、１２Ａの場合は６００℃を超える温度領域が認められた。
≪実施例２≫
　金属材として亜鉛めっき鋼板：ＳＰＣＭ２－５５／５５（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．６ｍｍ）、樹脂材としてＰＥＴ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用い、溶接電流（アーク電流）を５～１２Ａで変化させた以外は実施例１と同様にして「重ね加熱接合」を施した。
　得られた実施金属樹脂接合体に関し、実施例１と同様にしてせん断強度を測定した。得られた結果を図８に示す。全ての実施金属樹脂接合体において、接合部はせん断強度の測定が可能な程度以上の強度を有しているが、溶接電流を１２Ａとすることで、高いせん断強度が安定して得られている。なお、溶接電流を１２Ａとした場合、樹脂材の強度と同等程度のせん断強度となっている。
　各接合工程中の接合界面近傍の温度を熱画像カメラにて測定したところ、溶接電流が１２Ａの場合は最高温度部位の平均温度が３００～４５０℃であり、２７５℃以上の領域が広範囲に存在していた。
≪実施例３≫
　金属材としてフェライト系耐熱鋼板：ＳＵＨ４０９Ｌ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ）、樹脂材としてポリアミド板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用い、溶接電流（アーク電流）を１０～２２Ａ、接合速度（アーク熱源の移動速度）を１５～２５ｃｍ／分
で変化させた以外は実施例１と同様にして「重ね加熱接合」を施した。
　得られた実施金属樹脂接合体に関し、実施例１と同様にしてせん断強度を測定した。得られた結果を図９に示す。全ての実施金属樹脂接合体において、接合部はせん断強度の測定が可能な程度以上の強度を有しているが、溶接電流が２０Ａを超える場合、入熱過多に起因する樹脂材の劣化による強度低下が認められる。ここで、２０Ａを超える場合はせん断強度が樹脂材の強度未満となるが、それ以外の条件では樹脂材の強度と同等程度のせん断強度が得られている。
　各接合工程中の接合界面近傍の温度を熱画像カメラにて測定したところ、溶接電流が１０Ａ及び１２Ａの場合は最高温度部位の平均温度が３００～４５０℃であり、２７５℃以上の領域が広範囲に存在していた。一方で、２２Ａの場合は６００℃を超える温度領域が認められた。測定結果の例として、１０Ａ、１２Ａ及び２２Ａの場合の温度分布を図１０、図１１及び図１２にそれぞれ示す。なお、当該温度分布は加熱開始～加熱終了の中間時点におけるものであり、図中の数値は当該時点における最高到達温度を示している。
　溶接電流を１５Ａで一定とし、接合速度を変化させて得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図１３に示す。溶接電流を１５Ａとした場合、接合速度を変化させても高いせん断強度を有する金属樹脂接合体が得られることが分かる。
　なお、溶接電流を１５Ａで一定とし、接合速度を変化させた場合において、各接合工程中の接合界面近傍の温度を熱画像カメラにて測定したところ、最高温度部位の平均温度は３００～４５０℃であり、２７５℃以上の領域が広範囲に存在していた。
≪実施例４≫
　金属材として亜鉛めっき鋼板：ＳＰＣＭ２－５５／５５（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．６ｍｍ）、樹脂材としてポリアミド板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用い、溶接電流（アーク電流）を１２～３０Ａ、接合速度（アーク熱源の移動速度）を２０～３０ｃｍ／分
で変化させた以外は実施例１と同様にして「重ね加熱接合」を施した。
　得られた実施金属樹脂接合体に関し、実施例１と同様にしてせん断強度を測定した。得られた結果を図１４に示す。全ての実施金属樹脂接合体において、接合部はせん断強度の測定が可能な程度以上の強度を有しているが、溶接電流が１４～２０Ａの範囲において高いせん断強度が得られている。ここで、１４～２０Ａで得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度は樹脂材の強度と同等程度になっている。
　各接合工程中の接合界面近傍の温度を熱画像カメラにて測定したところ、溶接電流が１４～２０Ａの場合は最高温度部位の平均温度が３００～４５０℃であり、２７５℃以上の領域が広範囲に存在していた。測定結果の例として、１４Ａ及び２０Ａの場合の温度分布を図１５及び図１６にそれぞれ示す。なお、当該温度分布は加熱開始～加熱終了の中間時点におけるものであり、図中の数値は当該時点における最高到達温度を示している。
　溶接電流を１８Ａで一定とし、接合速度を変化させて得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図１７に示す。溶接電流を１８Ａとした場合、接合速度を変化させても高いせん断強度を有する金属樹脂接合体が得られることが分かる。
　なお、溶接電流を１８Ａで一定とし、接合速度を変化させた場合において、各接合工程中の接合界面近傍の温度を熱画像カメラにて測定したところ、最高温度部位の平均温度は３００～４５０℃であり、２７５℃以上の領域が広範囲に存在していた。
≪実施例５≫
　金属材としてフェライト系耐熱鋼板：ＳＵＨ４０９Ｌ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ）、樹脂材としてＰＥＴ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用い、ＳＵＨ４０９Ｌ板をアーク加熱した直後にＰＥＴ板を当接させ、被接合部を加圧することで「板間加熱接合」を施した。なお、ＳＵＨ４０９Ｌ板のアーク加熱箇所及びＳＵＨ４０９Ｌ板とＰＥＴ板を当接させる際の配置は、「重ね加熱接合」の場合と同様に、図４に示す状態とし、接合部への加圧は０．６ＭＰａとした。
　アーク溶接熱源には日鉄住金溶接工業製のプラズマ溶接機（３５０Ａ用）を用い、タングステン電極をφ３．２ｍｍ、インサートチップをφ３．２ｍｍとし、６軸ロボットにより動作制御を行った。なお、パイロットガス流量は０．４Ｌ／分で一定とした。
　接合速度（アーク熱源の移動速度）を２０ｃｍ／分で固定し、溶接電流（アーク電流）を３０Ａ又は５０Ａとして実施金属樹脂接合体を製造した。得られた実施金属樹脂接合体に関し、実施例１と同様にしてせん断強度を測定した。得られた結果を図１８に示す。全ての実施金属樹脂接合体において、高いせん断強度が得られていることが分かる。ここで、実施金属樹脂接合体のせん断強度は樹脂材の強度と同等程度になっている。
　樹脂材と同等程度のせん断強度を示した実施金属樹脂接合体に関し、せん断強度試験によって樹脂材が伸長した状態における実施金属樹脂接合体の概観写真を図１９に示す。せん断試験後も接合部における破断は認められず、接合部近傍の樹脂材の伸長が確認できる。加えて、接合領域はアーク加熱による加熱領域の外側にも形成されている。
≪実施例６≫
　金属材としてフェライト系耐熱鋼板：ＳＵＨ４０９Ｌ板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ）、樹脂材としてポリアミド板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用い、溶接電流（アーク電流）を３０～６０Ａ、接合速度（アーク熱源の移動速度）を２０～５５ｃｍ／分
で変化させた以外は実施例５と同様にして「板間加熱接合」を施した。
　得られた実施金属樹脂接合体に関し、実施例１と同様にしてせん断強度を測定した。接合速度を２０ｃｍ／分及び３０ｃｍ／分とした場合のせん断強度を図２０及び図２１にそれぞれ示す。２０ｃｍ／分の場合は２５Ａ、３０ｃｍ／分の場合は３０Ａで値がばらついているものの、何れの条件においても高いせん断強度が得られている。ここで、得られたせん断強度は樹脂材の強度と同程度となっている。
　溶接電流を６０Ａとし、接合速度を変化させて得られた実施樹脂金属接合体のせん断強度を図２２に示す。溶接電流を６０Ａとした場合、接合速度を５５ｃｍ／分まで増加させても高いせん断強度が得られている。
　樹脂材と同等程度のせん断強度を示した実施金属樹脂接合体に関し、せん断強度試験によって樹脂材が伸長した状態における実施金属樹脂接合体の概観写真を図２３に示す。せん断試験後も接合部における破断は認められず、接合部近傍の樹脂材の伸長が確認できる。加えて、接合領域はアーク加熱による加熱領域の外側にも形成されている。
　アーク加熱された金属材表面の温度変化を熱画像カメラにて測定した。加熱開始部、加熱中間部及び加熱終了部における最高温度変化を図２４に示す（接合条件：２５Ａ，２０ｃｍ／分）。当該加熱領域への樹脂材の当接は、加熱終了後約１秒であることから、接合中の最高温度部位は約４００℃であると思われる。
≪実施例７≫
　金属材として亜鉛めっき鋼板：ＳＰＣＭ２－５５／５５（１００ｍｍ×３０ｍｍ×１．６ｍｍ）、樹脂材としてポリアミド板（１００ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）を用い、溶接電流（アーク電流）を３０～７０Ａ、接合速度（アーク熱源の移動速度）を２０～４０ｃｍ／分
で変化させた以外は実施例１と同様にして「板間加熱接合」を施した。
　得られた実施金属樹脂接合体に関し、実施例１と同様にしてせん断強度を測定した。接合速度を２０ｃｍ／分及び３０ｃｍ／分とした場合のせん断強度を図２５及び図２６にそれぞれ示す。接合速度を２０ｃｍ／分として３０Ａの溶接電流を用いた場合はやや低いせん断強度を有する樹脂金属接合体が含まれているが、それ以外の樹脂金属接合体は良好なせん断強度を有している。ここで、２０ｃｍ／分、３０Ａ以外の条件で得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度は、樹脂材の強度と同等程度になっている。
　溶接電流を５０Ａ及び６０Ａとした場合のせん断強度を図２７及び図２８にそれぞれ示す。全ての樹脂金属接合体は樹脂材の強度と同等程度の良好なせん断強度を有している。
　アーク加熱された金属材表面の温度変化を熱画像カメラにて測定した。加熱開始部、加熱中間部及び加熱終了部における最高温度変化を図２９に示す（接合条件：４０Ａ，２０ｃｍ／分）。当該加熱領域への樹脂材の当接は、加熱終了後約１秒であることから、接合中の最高温度部位は約３００℃であると思われる。ここで、接合界面近傍の温度は広範囲で２７５℃以上となるが、加熱開始部においては時間の経過と共に樹脂の融点を下回る温度となっている。融点以下の領域では加圧による樹脂材の流動が損なわれるが、溶融部の樹脂材が加圧によって接合界面に濡れ広がることにより、低温部においても接合が達成されていると思われる。
　実施金属樹脂接合体に関し、代表的な金属／樹脂界面のＳＥＭ観察像及びＴＥＭ観察像を図３０及び図３１にそれぞれ示す。何れの観察においても金属と樹脂は直接接合されており、剥離等の欠陥は認められなかった。なお、ＳＥＭ観察には株式会社日立ハイテクサイエンス製のＳＭＩ３０５０ＳＥを用い、ＴＥＭ観察には日本電子株式会社製のＪＥＭ－２１００Ｆを用いた。また、ＳＥＭ観察及びＴＥＭ観察の加速電圧は、それぞれ５ｋＶ及び２００ｋＶとした。
≪実施例８≫
　接合部へ印加する加圧力を０．３～１．７ＭＰａ（加圧部面積：４５０ｍｍ2）の範囲で変化させ、接合速度及び溶接電流をそれぞれ２０ｃｍ／分及び８Ａとした以外は実施例５と同様にして、実施金属樹脂接合体を得た。
　得られた各接合部の概観写真を図３２に示す。加圧力が１．４ＭＰａの場合、接合部の樹脂材における気泡が低減されていることが分かる。また、１．７ＭＰａの加圧によって、気泡はほぼ消失しており、目視においては確認されない状態となっている。加えて、何れの接合部においても樹脂材厚さの顕著な減少は認められず、接合領域はアーク加熱による加熱領域の外側にも形成されていた。
２．ワンサイド抵抗スポット加熱を用いた接合
≪実施例９≫
　金属材として亜鉛めっき鋼板：ＳＰＣＭ２－５５／５５（１００ｍｍ×２５ｍｍ×０．８ｍｍ）、樹脂材としてポリアミド板（１００ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍ）を用い、樹脂金属接合用に設計した専用電極を備えた定置抵抗スポット溶接機にてワンサイド通電することでワンサイド抵抗スポット溶接を用いた「重ね加熱接合」を施した。図３３に亜鉛めっき鋼板とポリアミド板の配置状況を示す。亜鉛めっき鋼板は上側、ポリアミド板は下側に配置され、通電は重ね部材上側（亜鉛めっき鋼板側）から、加圧は重ね部材下側（樹脂側）から行った（溶接機の下部に加圧用の治具を配置した）。
　接合時の状況を示す模式図及び外観写真を図３４及び図３５にそれぞれ示す。亜鉛めっき鋼板の上側に電極を配置し、当該電極を亜鉛めっき鋼板の表面に押し当てることで被接合部材同士を密着させた後、電極間に通電して抵抗発熱を被接合界面に伝導させることにより接合が達成される。なお、装置上部に配置された電極による加圧力は０．４ｋｇｆ／ｃｍ2～１．２ｋｇｆ／ｃｍ2の荷重範囲に設定した。これに対し、装置下部に配置した治具は通電完了後直ちに一定圧力を接合界面に印加するものであり、最大で１．８４ＭＰａの圧力を設定した。
　接合時の通電電流を０．５～４．０ｋＡ、通電回数を１回に設定し、通電時間（Ｃｙｃｌｅ）を変化させて種々の実施金属樹脂接合体を製造した。通電電流を１．０ｋＡとし、通電時間を変化させて得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図３６に示す。また、通電電流を１．５ｋＡとし、通電時間を変化させて得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図３７に示す。更に、通電電流を２．０ｋＡとし、通電時間を変化させて得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図３８に示す。
　何れの実施金属樹脂接合体においても比較的良好なせん断強度を示しているが、通電電流１．５ｋＡかつ通電時間１５０Ｃｙｃｌｅ以上、及び通電電流２．０ｋＡかつ通電時間７０Ｃｙｃｌｅ以上の接合条件において、２５００Ｎ（接合領域２５ｍｍ幅）以上の高いせん断強度が得られている。更に、通電電流１．５ｋＡかつ通電時間１８０Ｃｙｃｌｅ以上、及び通電電流２．０ｋＡかつ通電時間９０Ｃｙｃｌｅ以上の接合条件において、３０００Ｎ以上の極めて高いせん断強度が得られている。
≪実施例１０≫
　通電回数を２回とし、一次通電条件を通電電流：２．５ｋＡ、通電時間：１５Ｃｙｃｌｅとして二次通電条件を変化させて得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図３９に示す。なお、一次通電から二次通電へのアップスロープは９Ｃｙｃｌｅとし、二次通電条件は通電電流：３．０～３．５ｋＡ、通電時間：１０～１５Ｃｙｃｌｅとした。なお、その他の条件は実施例９と同様とした。
　図３９において、二次通電による発熱量（ジュール発熱）の増加に伴いせん断強度が低下している。通電加熱による発熱量が増加すると接合温度が樹脂の分解温度以上となり、樹脂の分解及び結晶性の低下が生じることが原因であると思われる。一方で、通電回数が１回の場合と比較して、短時間で３０００Ｎ程度の極めて高いせん断強度が得られている。
≪実施例１１≫
　一次通電条件を通電電流：２．５ｋＡ、通電時間：２０Ｃｙｃｌｅ、二次通電条件を通電電流：２．０ｋＡ、通電時間：４０Ｃｙｃｌｅとし、加圧用治具を用いて通電完了後直ちに一定圧力をポリアミド板側から接合界面に印加することで、せん断強度に及ぼす加圧力の影響を検討した。なお、その他の条件は実施例９と同様とした。各加圧力条件で得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図４０に示す。
　加圧力の印加により、せん断強度が３０００Ｎ以上の高い値で略一定となっており、安定した品質の実施金属樹脂接合体が得られている。一方で、加圧力を大きくすることによるせん断強度の増加は認められないが、抵抗スポット溶接では通電時に被接合材同士を密着させるに十分な圧力が電極によって既に印加されていることが理由であると思われる。
≪実施例１２≫
　次に、加圧用治具を用いた加圧を行うことなく、通電時の電極による荷重を０．４ｋｇｆ／ｃｍ2～１．２ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲で変化させた。なお、一次通電条件は通電電流：２．５ｋＡ、通電時間：２０Ｃｙｃｌｅ、二次通電条件は通電電流：２．０ｋＡ、通電時間：４０Ｃｙｃｌｅとした。なお、その他の条件は実施例９と同様とした。得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図４１に示す。
　３０００Ｎ前後のせん断強度が得られているが、印加荷重の増加に伴う強度上昇は認められない。ここで、図４０と図４１の比較により、加圧用治具を用いて通電完了後直ちに一定圧力をポリアミド板側から接合界面に印加することで、より信頼性の高い金属樹脂接合体が得られることが分かる。
≪実施例１３≫
　一次通電条件を通電電流：０．７ｋＡ、通電時間：９９Ｃｙｃｌｅ、二次通電条件を通電電流：１．８ｋＡ又は２．０ｋＡ、通電時間：４０Ｃｙｃｌｅ、三次通電条件を通電電流：１．０ｋＡ、通電時間：９９Ｃｙｃｌｅとして得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図４２に示す。なお、その他の条件は実施例９と同様とした。
　加圧用治具を用いた加圧を印加していないが、三次通電まで行ったものは非常に安定したせん断強度を示している。つまり、ワンサイド抵抗スポット溶接で得られる金属樹脂接合体の品質を安定させるためには、通電完了後直ちに一定圧力を接合界面に印加することや、通電回数を増加させることが効果的である。
　実施金属樹脂接合体（亜鉛めっき鋼板／ポリアミド樹脂）の接合界面をＳＴＥＭにより観察した。なお、観察用薄片試料はＦＩＢを用い、電極直下における接合界面を含む領域から切出した。観察用薄片試料の全体像（ＳＴＥＭ－ＢＦ像）を図４３に、図４３に示す各領域（（１）～（７））の高倍率観察像を図４４にそれぞれ示す。
　ポリアミド樹脂と亜鉛めっき鋼板の接合領域に剥離やポア等の欠陥は認められず、良好な接合が達成されている。また、図４４において、亜鉛めっき鋼板の表面に形成された酸化物層を介して、亜鉛めっき鋼板とポリアミド樹脂が強固に接合されていることが分かる。なお、ＳＴＥＭ－ＥＤＳ分析の結果、酸化物層からはアルミニウムが検出された。
≪実施例１４≫
　樹脂材をＧＦＲＰ（３０％ガラス繊維添加強化によるポリアミド樹脂）、金属材を亜鉛めっき鋼板とした場合の金属樹脂接合について評価を行った。なお、被接合材のサイズ及び形状は実施例９と同様である。一次通電条件を通電電流：２．５ｋＡ、通電時間：３０Ｃｙｃｌｅ、二次通電条件を通電電流：２．０ｋＡ、通電時間：４０Ｃｙｃｌｅとし、加圧用治具を用いて通電完了後直ちに一定圧力をＧＦＲＰ板側から接合界面に印加することで、せん断強度に及ぼす加圧力の影響を検討した。なお、その他の条件は実施例９と同様とした。各加圧力条件で得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図４５に示す。
　樹脂材がポリアミド樹脂の場合と同様に、高いせん断強度を有する実施金属樹脂接合体が安定して得られている。なお、せん断強度に及ぼす加圧力の影響は殆ど認められない。
≪実施例１５≫
　金属材としてアルミニウム合金：５０００系（１００ｍｍ×２５ｍｍ×０．９ｍｍ）、樹脂材としてポリアミド板（１００ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍ）を用い、通電回数１回で実施金属樹脂接合体を製造した。通電電流を２．５ｋＡ、通電時間を１７５～２７５Ｃｙｃｌｅとして得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図４６に示す。なお、その他の条件は実施例９と同様とした。
　アルミニウム合金／ポリアミド樹脂の組合せにおいても良好な接合体が得られており、２５００Ｎ以上のせん断強度を示している。また、通電時間を長くすることでせん断強度が増加すると共に、より安定した接合体が得られている。
≪実施例１６≫
　金属材としてアルミニウム合金：５０００系（１００ｍｍ×２５ｍｍ×０．９ｍｍ）、樹脂材としてＧＦＲＰ（３０％ガラス繊維添加強化によるポリアミド樹脂，１００ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍ）用い、通電回数１回で実施金属樹脂接合体を製造した。通電電流を２．５～３．５ｋＡ、通電時間を１３８～２７５Ｃｙｃｌｅとして得られた実施金属樹脂接合体のせん断強度を図４７に示す。なお、その他の条件は実施例９と同様とした。
　その他の組合せと同様に、アルミニウム合金／ＧＦＲＰにおいても良好な接合体が得られており、３５００Ｎ前後の高いせん断強度を示している。
２・・・金属材、
４・・・樹脂材、
６・・・プラズマ溶接トーチ、
８・・・アーク、
１０・・・加熱領域、
１２・・・金属樹脂接合体、
１４・・・接合界面。

Claims (10)

  1. 　金属材と樹脂材とを直接接合する方法であって、
    　アーク熱源を用いて前記金属材の少なくとも一部に加熱領域を形成させる加熱工程を有し、
    　前記加熱領域からの入熱によって、前記樹脂材の少なくとも一部を前記樹脂材の溶融温度以上に昇温し、接合部を形成すること、
    　を特徴とする金属樹脂接合方法。
  2. 　前記接合部の形成過程又は形成直後に前記接合部を加圧すること、
    　を特徴とする請求項１に記載の金属樹脂接合方法。
  3. 　前記加熱工程において、前記金属材と前記樹脂材とを重ね合わせた状態で、前記アーク熱源を前記金属材の側に配置すること、
    　を特徴とする請求項１又は２に記載の金属樹脂接合方法。
  4. 　前記加熱工程で前記金属材の少なくとも一部に前記加熱領域を形成させた後に、前記加熱領域の少なくとも一部と重畳するように前記樹脂材を配置し、前記樹脂材の一部を前記樹脂材の溶融温度以上に昇温すること、
    　を特徴とする請求項１又は２に記載の金属樹脂接合方法。
  5. 　前記加熱工程において、前記アーク熱源の使用に代えて、前記金属材と前記樹脂材とを重ね合わせた状態でワンサイド抵抗スポット溶接を施し、前記金属材の少なくとも一部に前記加熱領域を形成させること、
    　を特徴とする請求項１又は２に記載の金属樹脂接合方法。
  6. 　前記加熱工程において、前記金属材と前記樹脂材との被接合界面の最高温度を４５０～６００℃とすること、
    　を特徴とする請求項１～５のうちのいずれかに記載の金属樹脂接合方法。
  7. 　前記加熱工程において、前記金属材と前記樹脂材との前記被接合界面の温度を２７５～６００℃とすること、
    　を特徴とする請求項１～６のうちのいずれかに記載の金属樹脂接合方法。
  8. 　前記加圧を１．４０～１．８５ＭＰａとすること、
    　を特徴とする請求項２～７のうちのいずれかに記載の金属樹脂接合方法。
  9. 　樹脂材と金属材との重ね接合部材であって、
    　前記樹脂材と前記金属材とは直接接合されており、
    　前記金属材には加熱処理による熱影響部が形成され、
    　前記熱影響部の外側にも接合界面が形成されていること、
    　を特徴とする金属樹脂接合体。
  10. 　前記接合領域に存在する気泡の最大直径が０．１ｍｍ未満であること、
    　を特徴とする請求項９に記載の金属樹脂接合体。
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