JP6788782B2 - 異種材料の接合方法 - Google Patents

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本発明は、異種材料の接合、特に板状炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材またはガラス繊維強化熱可塑性樹脂部材と板状金属部材とを互いに隣接して接合する異種材料の接合方法に関する。
近年では種々の機能を有する樹脂部材料が開発されており、機構部品として広く使用されている金属部材料との接合に対する需要が高まっている。このような樹脂部材料と金属部材料との接合に関しては、従来も多くの技術が提案されている。一般的な接合方法としては接着剤の使用が考えられるが、接着剤の場合塗布する必要があるため、接合できる箇所が限定される。また、塗布装置の管理に相応の労力が必要となる。さらに接着剤は化学的な反応を利用しているため、化学薬品との接触に注意が必要となる。
接着剤以外の接合方法としては、例えば特許文献１では、大径部と中径部と小径部とからなる熱可塑性樹脂製の樹脂管用予備成形品にフランジを備えた金属管を挿入し、中径部に溶融圧縮手段を当接させることにより熱可塑性樹脂を溶融変形して接合する方法が開示されている。しかし、この方法は管状製品に対して適用できるものであって、板状製品に応用することは困難である。
また特許文献２には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミ基材の表面に酸素含有皮膜を形成し、この皮膜上に熱可塑性樹脂の射出成形により樹脂成形体を形成する接合方法が開示されている。しかし、この方法では金属部材料は酸素含有皮膜が形成可能なアルミニウム又はアルミニウム合金でなければならず、他の金属部材料に適用することは難しい。
さらに特許文献３においては、間隔周期が５ｎｍ以上５００ｎｍ以下である凸部が林立した微細凹凸表面を有する金属部材上に、樹脂成形物を射出することにより金属／樹脂複合構造体を製造する方法が開示されている。特許文献２の場合も同様であるが、この方法では金属部材上に射出成形により樹脂成形物を形成するため、金型が必要となる。従って、大量生産品ではコスト的に見合うかもしれないが、少量生産品ではコストが高くなってしまうという問題点がある。
特開２０１１−１５８９５号公報 再公表特許ＷＯ２０１３／０４７３６５号公報 特開２０１６−７４１１６号公報
上述の問題点に鑑みて本発明による接合方法では、加熱という物理的な手段を用いることにより、材料の汎用性が高く、用途範囲が広く、また経時的及び化学的耐久性の高い板状炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材またはガラス繊維強化熱可塑性樹脂部材と金属部材との接合方法を提供することを課題とする。
上記の課題を解決するため本発明による異種材料の接合方法においては、板状炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材またはガラス繊維強化熱可塑性樹脂部材と板状金属部材とを互いに隣接して接合する異種材料の接合方法において、前記金属部材の接合側端面に凹状部を設け、前記凹状部に前記熱可塑性樹脂部材の接合端面を挿入して前記凹状部底面に接触させた状態で加熱処理することを特徴とする。
前記加熱処理においては、前記板状金属部材のみを加熱することが好適であり、前記加熱処理が、前記熱可塑性樹脂の融点以上であることが望ましい。
本発明による異種材料の接合方法によれば、金属部材に熱可塑性樹脂部材との接合部となる凹状部を形成する必要はあるが、金属部材を加熱して熱可塑性樹脂部材と接触させるだけで接合できるため、工程が容易であり、接着剤の必要がないためそのコストや管理費用も不要となる。また、金属の種類を選ばないため、用途に応じて種々の金属が使用できる。さらに、溶融により物理的に接合しているため、経時的及び化学的耐久性が高い。金属部材により熱可塑性樹脂部材の表面及び裏面を挟み込む形で接合しているため、接合面に垂直な方向の引っ張り強度だけでなく、両方の部材の表面に垂直な方向の応力に対しても高い強度が得られる。一方、片方の材質が熱可塑性樹脂であるため、必要であれば再加熱することにより、金属部材と樹脂部材を再分離することも可能である。
以下、実施例に基づいて本発明の好適な実施態様について説明する。
図１に本発明による異種材料の接合方法の説明図を示した。（ａ）は構成部材であり、凹状部１１を形成した金属部材１０と板状の熱可塑性部材２０を使用する。（ｂ）において、金属部材１０のみを熱可塑性部材２０の融点以上の温度に加熱する。（ｃ）において、加熱した金属部材１０の溝部１１内に熱可塑性部材２０の端部を凹状部底面１４まで挿入し両部材を一体化する。（ｄ）において、一体化した部材を冷却することにより、熱可塑性部材２０が一部溶融変形して金属部材１０と接合される。
本発明による異種材料の接合方法の第１の実施例を図２に示した。（ｃ）に示したのが金属部材１０としての１０ｍｍ厚のアルミニウム板で、片側端部に幅方向に沿って幅２．３ｍｍ、深さ５．２ｍｍの凹状部１１が形成してある。（ｄ）に示したのが熱可塑性樹脂部材２０としての厚さ２ｍｍの炭素繊維強化ナイロン板である。アルミニウム板１０を４００℃で５分間加熱し、凹状部１１にナイロン板２０を凹状部底面１４まで挿入した後、室温中で冷却した。（ｂ）に接合後の断面図を示す。ナイロン板２０が溶融変形して凹状部１１内に充填されるため、接合部２１においてアルミニウム板１０とナイロン板２０とが接合される。（ａ）はその正面図である。
図３及び図４に本発明による異種材料の接合方法の第２の実施例を示した。図３（ｃ）に示したアルミニウム板１０と（ｄ）に示したナイロン板２０は実施例１と同じであるが、凹状部１２の形状が異なり、アルミニウム板１０端面より奥に行くに従って幅が広くなるテーパー形状とした。凹状部開口部の幅は２．３ｍｍに対し、最深部の幅は３ｍｍとした。水部の深さは実施例１と同じである。アルミニウム板１０を４００℃で５分間加熱し、凹状部１１にナイロン板２０を凹状部底面１４まで挿入した後、室温中で冷却した。（ｂ）は、挿入直後の断面図であり、凹状部１１最深部では、ナイロン板２０の両側に広い空隙部が見られる。その拡大図を図４に接合後の断面図を示す。（ａ）がナイロン板２０挿入直後、（ｂ）が冷却後である。ナイロン板２０が溶融変形して凹状部１１内に充填され空隙部にも充満して接合部２１においてアルミニウム板１０とナイロン板２０とが接合される。図３（ａ）はその正面図である。
上記実施例１及び２に従って作製した接合板の引っ張り強度試験結果を表１に示す。比較例として、１０ｍｍ厚のアルミニウム板２枚により厚さ２ｍｍの炭素繊維強化ナイロン板を挟み込んで加熱接合（アルミニウム板を５００℃５分間加熱）した場合の数値を使用した。
表１からわかるように、コの字状凹状部の場合、加熱温度が３５０℃以上になると単純な挟み込みによる接合よりも高い引っ張り強度が得られる。また、テーパー凹状部にすることにより、引っ張り強度が格段に高くなる。
図５には、上述の実施例とは異なる第３の実施例を示した。アルミ板１０の一部を切り起こしてＬ字突起部１３を形成し、このＬ字突起部１３とアルミニウム板１０本体との間にナイロン板２０を底部１４まで挿入したものである。（ｃ）がＬ字突起部１３を形成したアルミニウム板１０、（ｄ）がナイロン板２０、（ｂ）が両者を合体した場合の断面図、（ａ）がその正面図である。
上記実施例においては便宜的にアルミニウム板と炭素繊維強化ナイロン板を使用したが、金属部材と炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材またはガラス繊維強化熱可塑性樹脂部材であればその種類は問わない。
以上述べたように、本発明による異種材料の接合方法では、簡便な方法で板状金属部材と板状炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材またはガラス繊維強化熱可塑性樹脂部材という異種材料同士を接合することができ、所定の強度を確保できるため、種々の産業分野において有用となる。
本発明による異種材料の接合方法についての説明図である。 本発明による異種材料の接合方法の第１の実施例を示す図である。 本発明による異種材料の接合方法の第２の実施例を示す図である。 図３に示した第２の実施例の要部を示す断面図である。 本発明による異種材料の接合方法の第３の実施例を示す図である。
１０ 金属部材
１１ 凹状部
１２ テーパー凹状部
１３ Ｌ字突起部
１４ 底面
２０ 熱可塑性樹脂部材
２１ 接合部

Claims (3)

  1. 板状炭素繊維強化熱可塑性樹脂部材またはガラス繊維強化熱可塑性樹脂部材と板状金属部材とを互いに隣接して接合する異種材料の接合方法において、前記金属部材の接合側端面に凹状部を設け、前記凹状部に前記熱可塑性樹脂部材の接合端面を挿入して前記凹状部底面に接触させた状態で加熱処理することを特徴とする異種材料の接合方法。
  2. 前記加熱処理において、前記板状金属部材のみを加熱することを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
  3. 前記加熱処理が、前記熱可塑性樹脂の融点以上であることを特徴とする請求項１または２記載の異種材料の接合方法。
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