JP2016068129A - 金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される樹脂部材 - Google Patents
金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される樹脂部材 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】金属部材11と強化繊維を含有する樹脂部材12とを重ね合わせ、押圧部材による金属部材側からの押圧により熱および圧力を付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ、接合を達成する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、樹脂部材12として、少なくとも金属部材11との接合部122に含有される強化繊維が以下に示す配向度y1/xを有する樹脂部材を用いる金属部材と樹脂部材との接合方法:1≦y1/x≦1.3(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y1は、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)である)。
【選択図】図2
Description
金属部材と強化繊維を含有する樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材による金属部材側からの押圧により熱および圧力を付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ、接合を達成する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度y1/xを有する樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y1/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y1は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。
金属部材と強化繊維を含有する樹脂部材とを重ね合わせる第1ステップ;および
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップ;
を含む摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度y1/xを有する樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y1/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y1は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。
本発明の接合方法(摩擦撹拌接合方法)について図1〜図17を用いて具体的に説明する。これらの図において、共通する符号は、特記しない限り、同じ部材、部位、寸法または領域を示すものとする。
本発明において樹脂部材12は、熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含有する複合樹脂部材であり、少なくとも金属部材11との接合部において強化繊維128が厚み方向(すなわち、回転ツール16による押圧方向A2(図1参照))に配向している。
1≦y/x≦1.3 (I)
1≦y/x≦1.2 (II)
1≦y/x≦1.1 (III)
接合部を垂直方向に研磨し、得られた断面の顕微鏡写真(SEM写真)を撮影する。この写真において、繊維断面が真円である任意の100本の繊維直径を測定し平均値を求める。xは、一般的ないわゆる平均径であるので、樹脂部材、特に接合部の製造時に使用される強化繊維の仕様データを用いてもよい。
xは通常、2〜20μmであり、好ましくは6〜15μmである。
接合部を表面から厚み方向で所定の深さまで研磨し、樹脂部材厚み方向に対する垂直断面の顕微鏡写真(SEM写真)を撮影する。この写真において、図2(B)および図3(B)の拡大図に示すように、任意の100本の強化繊維の最大直径(矢印方向の長さ)を測定し、平均値を求める。
1≦y1/x≦1.3;
好ましくは1≦y1/x≦1.2;
より好ましくは1≦y1/x≦1.1。
1≦y1/x≦1.3かつ1≦y2/x≦1.3;
より好ましくは1≦y1/x≦1.2かつ1≦y2/x≦1.2;
さらに好ましくは1≦y1/x≦1.1かつ1≦y2/x≦1.1。
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂およびその酸変性物;
ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)、ポリ乳酸(PLA)などのポリエステル系樹脂;
ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)などのポリアクリレート系樹脂;
ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンエーテル(PPE)などのポリエーテル系樹脂;
ポリアセタール(POM);
アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー系樹脂(ABS);
ポリフェニレンサルファイド(PPS);
PA6、PA66、PA11、PA12、PA6T、PA9T、MXD6などのポリアミド系樹脂(PA);
ポリカーボネート系樹脂(PC);
ポリウレタン系樹脂;
フッ素系ポリマー樹脂;および
液晶ポリマー(LCP)。
まず、樹脂部材全体を、電気炉等により、熱可塑性ポリマーの分解温度以上、強化繊維の分解温度以下で加熱することによって、熱可塑性ポリマーを取り除き、強化繊維のみを取り出す。加熱前後の重量測定により、強化繊維の含有量を加熱前の重量に対する割合として算出することができる。または、比重を測定することによっても、含有量の測定ができる。
予備成形体以外の部分における強化繊維の含有量は、予備成形体以外の部分のみを切り出して測定を行うこと以外、樹脂部材全量に対する強化繊維の含有量の測定方法と同様の方法により測定することができる。
予備成形体以外の部分に含有される強化繊維の平均繊維長および平均繊維径は、上記予備成形体以外の部分における強化繊維の含有量の測定方法において、得られる強化繊維の平均繊維長および平均繊維径を直接測定する方法によって測定することができる。
金属部材11は、図1等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、少なくとも樹脂部材12との重ね合わせ部分、特に回転ツール16の直下部分近傍、が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。
アルミニウムおよび5000系、6000系などのアルミニウム合金;
スチール;
マグネシウムおよびその合金;
チタンおよびその合金。
図11は、回転ツール16の先端部の拡大図である。図11において、右半分は回転ツール16の外観を示し、左半分は断面を示している。図11に示すように、円柱状の回転ツール16は、先端部(図11では下端部)にピン部16a及びショルダ部16bを有している。ショルダ部16bは、回転ツール16の円形の先端面を含む回転ツール16の先端の部分である。ピン部16aは、回転ツール16の中心軸線X上において、回転ツール16の円形の先端面から外方(図11では下方)に突設された、ショルダ部16bよりも小径の円柱状の部分である。ピン部16aは、回転している回転ツール16をワーク10に最初に接触させて押圧するときに回転ツール16を位置決めするためのものである。
本発明に係る摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法は少なくとも以下のステップ:
金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせる第1ステップ;および
押圧部材として回転ツール16を回転させつつ、金属部材11に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材12を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材11と樹脂部材12とを接合する第2ステップ:
を含むものである。
第1ステップにおいては、図1に示すように、金属部材11と樹脂部材12とを所望の接合部位で重ね合わせる。詳しくは、樹脂部材12における前記金属部材11との接合部122の表面が金属部材11と接触するように、金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせる。
第2ステップにおいては、回転ツール16を金属部材11に押し込んで、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程C2を少なくとも行う。
押込み撹拌工程の後には、回転ツール16を接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール16の回転動作を継続させる撹拌維持工程C3を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
予熱工程C1は、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図12および図15に示すように、回転ツール16の先端部のみを金属部材11の表面部(図例では上面部)に接触させた状態で回転ツール16を回転させる工程である。予熱工程C1では、回転ツール16を、第1の加圧力(例えば、900N)で、第1の加圧時間(例えば、1.00秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。図12は、図1におけるZ−Z断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、凸型樹脂部材12Aを用いた本発明の接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。図15は、平型樹脂部材12Bを用いた本発明の接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。
押込み撹拌工程C2は、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図13および図16に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む工程である。押込み撹拌工程C2を予熱工程C1に次いで行う場合には、回転ツール16と受け具17とをさらに相互に近接させることにより、図13および図16に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む。これにより、回転ツール16を金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13に達しない深さまで進入させる。このとき、金属部材11の回転ツール直下部110を樹脂部材12側に突出変形させることが好ましい。これにより、接合境界面13において回転ツールの直下領域P’で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂121を該直下領域P’の外周領域まで流動させることができる(図13および図16の矢印方向)。図13は、図1におけるZ−Z断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、凸型樹脂部材を用いた本発明の接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。図16は、平型樹脂部材を用いた本発明の接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。
撹拌維持工程C3は、回転ツール16と受け具17との相互近接を停止することにより、同じく図13および図16に示すように、上記接合境界面13に達しない深さまで進入させた位置(これを「基準位置」という)で回転ツール16の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程C3では、回転ツール16を、第1の加圧力より小さい第3の加圧力(例えば、500N)で、第1の加圧時間より長い第3の加圧時間(例えば、6.75秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
押込み撹拌工程C2または撹拌維持工程C3の後には、上記回転ツール16の回転を停止し、その状態で上記回転ツール16を所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程C4を行ってもよい。
保持工程C4は、同じく図13および図16に示すように、回転ツール16の回転を停止し、その状態で回転ツール16を所定の加圧力で所定の時間だけ保持する工程である。保持工程C4では、回転ツール16を、第3の加圧力より大きいが第2の加圧力より小さい第4の加圧力(例えば、1000N)で、第3の加圧時間より短いが第2の加圧時間より長い第4の加圧時間(例えば、5.00秒)だけ保持する。
(樹脂部材)
図4(A)および(B)に示すような凸型樹脂部材12A−1を製造した。
詳しくはまず、図4(C)に示すように、射出機150内で、強化繊維として重量平均繊維長3mmおよび平均繊維径13μmのガラス繊維を30重量%含むナイロン66ペレット(プラストロンPA66-CF30;ダイセルポリマー社製)を280℃で溶融し、溶融物を金型(40℃)151A,151B内に射出速度100mm/秒で射出注入した後、冷却・固化させ、凸型樹脂部材12A−1を得た。凸型樹脂部材12A−1の寸法は以下の通りであった。
R1(図4(B)参照);12mm;
H(図4(B)参照);10mm;
本体部124のt1(図4(B)参照);3mm。
本体部124の縦;100mm;
本体部124の横;(幅)100mm。
金属部材としては、6000系のアルミニウム合金製の平板状部材(厚さ1.2mm)を用いた。
回転ツールとしては、図11の各部の寸法がD1=10mm、D2=2mm、h=0.5mmの工具鋼製のものを用いた。
以下の方法により、金属部材11と樹脂部材12との接合体を製造した。
第1ステップ:
金属部材11と樹脂部材12A−1とを、樹脂部材12A−1のリブ125の先端平面領域が金属部材12と接触するように、重ね合わせた(図1)。
まず、図12に示すように、回転ツール16の先端部のみを金属部材11の表面部に接触させた状態で回転ツール16を回転させた(予熱工程C1:加圧力900N、加圧時間1.00秒、ツール回転数3000rpm)。このとき、樹脂部材12−1におけるリブ125の先端平面領域(円形)の中心は回転ツール16の回転軸上にあった。
次いで、図13に示すように、回転ツール16を接合境界面13に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール16の回転動作を継続させた(撹拌維持工程C3:加圧力500N、加圧時間6.75秒、ツール回転数3000rpm)。
次いで、図14に示すように、接合体20Aから回転ツール16を抜き取り、放置冷却した。
図18に示すように、金属部材11と樹脂部材12との接合体を治具100内に配置した。治具100は、該治具100を下方へ引っ張ることにより樹脂部材12の上端部に下方への力が働くように構成されたものである。治具100を固定し、かつ金属部材11を上方へ引っ張ることにより、樹脂部材12の上端部に下方への力が働き、樹脂部材12の母材強度に影響を受けることなく接合部の剪断強度Sを測定した。
◎;4.00≦S;
○;3.00≦S<4.00(実用上問題なし);
×;S<3.00。
以下に示す方法で製造された樹脂部材12A−2を用いたこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
詳しくはまず、図6に示すように、射出機150内で、強化繊維として重量平均繊維長3mmおよび平均繊維径13μmのガラス繊維を30重量%含むナイロン66ペレット(プラストロンPA66-CF30;ダイセルポリマー社製)を280℃で溶融し、溶融物を金型(40℃)151A,151B内に射出速度100mm/秒で射出注入した後、冷却・固化させ、凸型樹脂部材12A−2を得た。凸型樹脂部材12A−2の寸法は以下の通りであった。
R1(図5(C)参照);12mm;
H(図5(C)参照);10mm;
本体部124のt1;(図5(C)参照)3mm。
本体部124の縦;100mm;
本体部124の横;(幅)100mm;
分割リブ125A,125Bの幅R3;2mm;
溝部126の幅R4;1.3mm;
溝部126の深さL3;0.3mm。
以下に示す方法で製造された樹脂部材12B−1を用いたこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
詳しくはまず、以下に示す寸法を有する凸型樹脂部材12A−1を実施例1と同様の方法により製造し、当該凸型樹脂部材12A−1を、図8に示すように、予備成形体127Aとして用いて、射出成形法により平型樹脂部材12B−1を得た。
予備成形体127A:
R1(図4(B)参照);12mm;
H(図4(B)参照);10mm;
本体部124のt1;(図4(B)参照)3mm。
本体部124の縦;100mm;
本体部124の横;(幅)100mm。
t2(=H+t1)(図7(C)および図4(B)参照);13mm;
R2(=R1)(図7(C)および図4(B)参照);12mm。
Hを2mmに変更したこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材の製造、当該樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
Hを0.8mmに変更したこと以外、実施例2と同様の方法により、樹脂部材の製造、当該樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
Hを2mmに変更したこと以外、実施例3と同様の方法により、樹脂部材の製造、当該樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
樹脂部材全体および接合部における強化繊維の含有量、平均繊維長および平均繊維径を前記した方法に従って測定した。
10:ワーク
11:金属部材
12:樹脂部材
13:金属部材と樹脂部材との接合境界面
16:回転ツール
17:受け具
100:接合強度を測定するための治具
110:金属部材の回転ツール直下部
121:回転ツールの直下領域で溶融している溶融樹脂
Claims (17)
- 金属部材と強化繊維を含有する樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材による金属部材側からの押圧により熱および圧力を付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させ、接合を達成する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度y1/xを有する樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y1/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y1は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 - 前記樹脂部材が接合用柱状リブを有する凸型樹脂部材であり、該接合用柱状リブの幅R1が、押圧部材の幅をD1(mm)としたとき、0.5×D1〜5×D1であり、
前記接合部が、接合用リブの先端平面領域における表面から深さL1までの部分であり、
前記深さL1が、接合用リブの高さをH(mm)としたとき、H/5〜Hである請求項1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 前記樹脂部材が以下に示す配向度y2/xをさらに有する請求項2に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y2/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y2は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合用柱状リブの高さをH(mm)としたとき、接合部を表面から厚み方向でH/3の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 - 前記樹脂部材が平型樹脂部材であり、
前記接合部が、平型樹脂部材表面の所定の接合予定領域における表面から深さL2までの部分であり、
前記深さL2が、樹脂部材の厚みをt2(mm)としたとき、t2/5〜t2/2である請求項1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 前記樹脂部材が以下に示す配向度y2/xをさらに有する請求項4に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y2/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y2は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、樹脂部材の厚みをt2(mm)としたとき、接合部を表面から厚み方向でt2/5の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 - 金属部材と強化繊維を含有する樹脂部材とを重ね合わせる第1ステップ;および
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップ;
を含む摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
樹脂部材として、少なくとも金属部材との接合部に含有される強化繊維が以下に示す配向度y1/xを有する樹脂部材を用いることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y1/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y1は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合部を表面から厚み方向で500μmの深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 - 前記樹脂部材が接合用柱状リブを有する凸型樹脂部材であり、該接合用柱状リブの幅R1が、回転ツールの直径をD1(mm)としたとき、0.5×D1〜5×D1であり、
前記接合部が、接合用柱状リブの先端平面領域における表面から深さL1までの部分であり、
前記深さL1が、接合用柱状リブの高さをH(mm)としたとき、H/5〜Hである請求項6に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 前記樹脂部材が以下に示す配向度y2/xをさらに有する請求項7に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y2/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y2は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、接合用柱状リブの高さをH(mm)としたとき、接合部を表面から厚み方向でH/3の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 - 前記樹脂部材が平型樹脂部材であり、
前記接合部が、回転ツールによる金属部材の押圧領域Pと同心円形状の、樹脂部材表面上の接合予定領域Eにおける表面から深さL2までの部分であり、
前記領域Eの直径R2が、回転ツールの直径をD1(mm)としたとき、D1超5×D1以下であり、
前記深さL2が、樹脂部材の厚みをt2(mm)としたとき、t2/5〜t2/2である請求項6に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 前記樹脂部材が以下に示す配向度y2/xをさらに有する請求項9に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法:
1≦y2/x≦1.3
(式中、xは強化繊維の軸方向に対する垂直断面の平均径(μm)である;y2は、接合部の樹脂部材厚み方向に対する垂直断面における強化繊維の最大直径の平均値(μm)であって、樹脂部材の厚みをt2(mm)としたとき、接合部を表面から厚み方向でt2/5の深さまで研磨したときの垂直断面における最大直径の平均値である)。 - 前記第2ステップが、回転ツールを金属部材に押し込んで金属部材と樹脂部材との接合境界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程を備えている請求項6〜10のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 前記第2ステップが、押込み撹拌工程の前に、回転ツールの先端部のみを金属部材の表面部に接触させた状態で前記回転ツールを回転させる予熱工程をさらに備えている請求項11に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 前記予熱工程では前記回転ツールを第1の加圧力で押圧しつつ第1の加圧時間だけ回転させ、
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より大きい第2の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より短い第2の加圧時間だけ回転させる請求項12に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 前記第2ステップが、回転ツールを接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる撹拌維持工程をさらに備え、
前記撹拌維持工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より小さい第3の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より長い第3の加圧時間だけ回転させる請求項13に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 - 前記第2ステップが、撹拌維持工程の後に、前記回転ツールの回転を停止し、その状態で前記回転ツールを所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程をさらに備えている請求項14に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 前記樹脂部材における接合部に含有される強化繊維が1〜50mmの平均繊維長および2〜20μmの平均繊維径を有し、該接合部に含有される強化繊維の量が接合部全量に対して10〜50重量%である請求項1〜15のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
- 請求項1〜16のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法において使用される樹脂部材。
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