JP6098527B2 - Method of joining metal member and resin member - Google Patents
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Description
本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法および該方法において使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セットに関する。 The present invention relates to a method for joining a metal member and a resin member, and a joining member set including a metal member and a resin member used in the method.
従来より、自動車、鉄道車両、航空機等の分野では軽量化が求められている。例えば、自動車の分野では、ハイテン材の利用により薄鋼板化が進められ、あるいはスチール材の代替材としてアルミ合金材が用いられ、さらには樹脂材の利用も進んでいる。このような分野において金属部材と樹脂部材との接合技術の開発は、単に軽量化に留まらず、接合部材の高強度化や高剛性化、生産性の向上を実現させる観点からも重要である。これまで、金属部材と樹脂部材との接合方法として、いわゆる摩擦撹拌接合(FSW:friction stir welding)方法が提案されている。摩擦撹拌接合方法とは、図16に示すように、金属部材211と樹脂部材212とを重ね合わせ、回転ツール216を回転させつつ、金属部材211に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材212を軟化させて金属部材211と樹脂部材212とを接合する方法である。
Conventionally, weight reduction has been demanded in the fields of automobiles, railway vehicles, aircraft, and the like. For example, in the field of automobiles, the use of high-tensile materials has made it possible to reduce the thickness of steel sheets, or aluminum alloy materials have been used as substitutes for steel materials, and the use of resin materials has also advanced. In such a field, development of a joining technique between a metal member and a resin member is important not only from the viewpoint of weight reduction, but also from the viewpoint of realizing an increase in strength, rigidity, and productivity of the joining member. So far, a so-called friction stir welding (FSW) method has been proposed as a method for joining a metal member and a resin member. As shown in FIG. 16, the friction stir welding method is a method in which a
このような摩擦撹拌接合方法においては、例えば、接合強度および簡易接合の観点から、回転ツールの形状や押込み量を特定範囲内に設定する技術(特許文献1)が開示されている。 In such a friction stir welding method, for example, a technique (Patent Document 1) is disclosed in which the shape and push-in amount of the rotary tool are set within a specific range from the viewpoint of joining strength and simple joining.
しかしながら、従来の摩擦撹拌接合方法においては、図17(A)および(B)に示すように樹脂部材212における金属部材との接合表面212aは平面であるため、図17(C)に示すように、回転ツール216と金属部材211との摩擦熱により軟化した樹脂の一部が、端面において、金属部材211と樹脂部材212との間から漏れ出し、冷却後において、いわゆるバリ220が形成されることがある。このようなバリは、接合体の見栄えを悪化させるだけでなく、当該接合体を他の部材と組み付けるに際し、作業効率を悪化させる原因となる。
However, in the conventional friction stir welding method, as shown in FIGS. 17 (A) and 17 (B), since the joining
特に、金属部材211と樹脂部材212との接合強度をさらに増大させるために、回転ツール216の金属部材211への押し込み量を大きくして、金属部材と樹脂部材との界面温度を上昇させた場合において、バリ形成の問題が顕著になることがある。
Particularly, in order to further increase the bonding strength between the
本発明は、バリの形成を防止する金属部材と樹脂部材との接合方法および該方法において使用される樹脂部材を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the joining method of the metal member and resin member which prevent formation of a burr | flash, and the resin member used in this method.
本発明は、
金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、熱および圧力を金属部材側から付与することにより樹脂部材を軟化させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法であって、
樹脂部材として、金属部材との接合表面において、接合時に軟化する樹脂を流入させるための溜まり溝を有してい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に関する。
The present invention
It is a hot-pressure bonding method in which a metal member and a resin member are overlapped, the resin member is softened by applying heat and pressure from the metal member side, and the metal member and the resin member are bonded.
The present invention relates to a method for joining a metal member and a resin member, characterized in that a resin member having a retaining groove for allowing a resin softened at the time of joining to flow on a joining surface with the metal member is used as the resin member.
本発明はまた、
上記接合方法において、熱圧式接合方法が摩擦撹拌接合方法であり、
該摩擦撹拌接合方法が以下のステップを含む接合方法に関する:
金属部材と樹脂部材とを重ね合わせる第1ステップ;および
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、この摩擦熱で樹脂部材を軟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。
The present invention also provides
In the above bonding method, the hot-pressure bonding method is a friction stir welding method,
The friction stir welding method relates to a joining method including the following steps:
A first step of superimposing the metal member and the resin member; and while rotating the rotary tool, the metal member is pressed against the metal member to generate frictional heat, and the frictional heat softens the resin member to form the metal member and the resin member. Second step of joining.
本発明はまた、上記接合方法において使用される樹脂部材に関する。 The present invention also relates to a resin member used in the joining method.
本発明の接合方法によれば、樹脂部材が金属部材との接合表面において溜まり溝を有するため、接合時に軟化する樹脂を該溜まり溝に流入させることができる。このため、金属部材と樹脂部材との間からの軟化樹脂の流出が回避され、バリの形成が十分に防止される。また、併せて溜まり溝の内側において溶融した樹脂の流動状態を安定化させることで、接合強度のバラツキが低減される。 According to the joining method of the present invention, since the resin member has the accumulation groove on the joining surface with the metal member, the resin softened at the time of joining can be caused to flow into the accumulation groove. For this reason, the outflow of the softened resin from between the metal member and the resin member is avoided, and the formation of burrs is sufficiently prevented. Further, by stabilizing the flow state of the molten resin inside the accumulation groove, variation in bonding strength is reduced.
本発明の接合方法は、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、熱および圧力を、金属部材側から付与することにより、好ましくは金属部材側から局所的に付与することにより、樹脂部材を軟化させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法である。本発明の接合方法において採用される接合方式は、加圧しながら加熱を行う方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、摩擦撹拌接合方法、レーザー加熱接合方法、抵抗加熱接合方法(通電加熱接合方法)、誘導加熱接合方法、超音波加熱接合方法等であってもよい。中でも、摩擦撹拌接合方法は付与される圧力が最も大きいためにバリの発生が顕著であるところ、本発明の接合方法によりそのようなバリの発生を有効に防止することができる。このため、好ましくは摩擦撹拌接合方法が採用される。 The bonding method of the present invention softens the resin member by superimposing the metal member and the resin member and applying heat and pressure from the metal member side, preferably locally from the metal member side. This is a hot-pressure joining method for joining a metal member and a resin member. The joining method employed in the joining method of the present invention is not particularly limited as long as it is a method of heating while applying pressure. For example, a friction stir welding method, a laser heating joining method, a resistance heating joining method (electric heating) Bonding method), induction heating bonding method, ultrasonic heating bonding method and the like. Among them, the friction stir welding method has the largest applied pressure, and thus the occurrence of burrs is remarkable. However, the occurrence of such burrs can be effectively prevented by the joining method of the present invention. For this reason, the friction stir welding method is preferably employed.
摩擦撹拌接合方法とは、後で詳述するように、接合部材セットを重ね合わせて拘束した状態で、回転ツールを回転させつつ金属部材に対して押圧することにより発生する摩擦熱を利用して接合する方法である。以下、接合されるべき接合前の金属部材と樹脂部材との組み合わせを「接合部材セット」と呼ぶものとする。
レーザー加熱接合方法とは、接合部材セットを重ね合わせて拘束した状態で、レーザーを金属部材に照射することにより生じる熱を利用して接合する方法である。レーザーとしては、YAGレーザー、ファイバーレーザーまたは半導体レーザーなどが使用される。
抵抗加熱接合方法とは、接合部材セットを重ね合わせて拘束した状態で、金属部材に直接電流を流すことにより生じる熱を利用して接合する方法である。
誘導加熱接合方法とは、接合部材セットを重ね合わせて拘束した状態で、電磁誘導作用により金属部材に誘導電流を生じさせ、該電流により生じる熱を利用して接合する方法である。
超音波加熱接合方法とは、接合部材セットを重ね合わせて拘束した状態で金属部材側から加圧しながら、金属部材に超音波振動を起こさせ、該振動により生じる金属部材/樹脂部材間の摩擦熱を利用して接合する方法である。
As described in detail later, the friction stir welding method uses friction heat generated by pressing against a metal member while rotating a rotary tool in a state where the joining member sets are overlapped and restrained. It is a method of joining. Hereinafter, a combination of a metal member and a resin member before joining to be joined is referred to as a “joining member set”.
The laser heating bonding method is a method of bonding using heat generated by irradiating a metal member with a laser in a state where the bonding member sets are overlapped and restrained. As the laser, a YAG laser, a fiber laser, a semiconductor laser, or the like is used.
The resistance heating bonding method is a method of bonding using heat generated by flowing a current directly to a metal member in a state where the bonding member sets are superimposed and restrained.
The induction heating bonding method is a method in which an induction current is generated in a metal member by an electromagnetic induction action in a state where the bonding member sets are superposed and restrained, and the heat generated by the current is used for bonding.
The ultrasonic heating bonding method is a method in which ultrasonic vibration is generated in a metal member while applying pressure from the metal member side in a state where the bonding member set is superposed and restrained, and frictional heat between the metal member and the resin member generated by the vibration is generated. It is the method of joining using.
以下、摩擦撹拌接合方法を採用した本発明の接合方法について、図面を用いて説明するが、後述する樹脂部材を用いる限り、上記した他の接合方法を用いても本発明の効果が得られることは明らかである。 Hereinafter, the joining method of the present invention that employs the friction stir welding method will be described with reference to the drawings. However, as long as the resin member described later is used, the effects of the present invention can be obtained even if other joining methods described above are used. Is clear.
まず図1は、本発明の接合方法を実施するのに適した摩擦撹拌接合装置の一部の一例を模式的に示す図である。図1に示される摩擦撹拌接合装置1は、金属部材11と樹脂部材12とを摩擦撹拌接合する装置として構成されており、円柱状の回転ツール16を具備している。回転ツール16は、図示したように、金属部材11が上、樹脂部材12が下になるように重ね合わされたワーク10に対し、図外の駆動源により、矢印A1のように該回転ツール16の中心軸線X(図11A参照)回りに回転しつつ、押圧領域P(押圧予定領域)において、矢印A2のように下方に向けて金属部材11を押圧する。この回転ツール16の押圧により摩擦熱が発生し、この摩擦熱が樹脂部材12に伝導して樹脂部材12が軟化・溶融し、その結果、金属部材11と樹脂部材12とが接合される。
First, FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a part of a friction stir welding apparatus suitable for carrying out the joining method of the present invention. A friction
回転ツール16の下方には、回転ツール16と同径又は回転ツール16よりも大径の円柱状の受け具17が回転ツール16と同軸に配置されている。受け具17は、上記ワーク10に対し、図外の駆動源により、矢印A3のように上方に移動される。受け具17は、遅くとも回転ツール16がワーク10の押圧を開始するまでに、上端面がワーク10の下面(より詳しくは樹脂部材12の下面)に当接する。そして、受け具17は、回転ツール16との間にワーク10を挟んで、回転ツール16による押圧期間中、つまり摩擦撹拌接合中、上記押圧力に抗してワーク10を下方から支持する。なお、受け具17は必ずしも矢印A3方向へ移動させる必要はなく、受け具17にワーク10を載せた後に回転ツール16を矢印A2の方向に移動させる方法を採用することもできる。
Below the
摩擦撹拌接合装置1は、多関節ロボット等からなる図外の駆動制御装置に装着されている。そして、回転ツール16及び受け具17の座標位置、回転ツール16の回転数(rpm)、加圧力(N)、加圧時間(秒)等が上記駆動制御装置により適宜制御される。なお、図1には図示を省略したが、摩擦撹拌接合装置1は、予めワーク10を固定し、また回転ツール16を押圧したときの金属部材11の浮き上がりを防止するためのスペーサやクランプ等の治具を備えている。
The friction
(1)接合部材セット
本発明の接合方法において使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セットは、樹脂部材の金属部材との接合表面および/または金属部材の樹脂部材との接合表面において、接合時に軟化する樹脂を流入させるための溜まり溝が形成されている。すなわち、樹脂部材として、金属部材との接合表面において、接合時に軟化する樹脂を流入させるための溜まり溝を有している樹脂部材を用いるか、かつ/または金属部材として、樹脂部材との接合表面において、接合時に軟化する樹脂を流入させるための溜まり溝を有している金属部材を用いる。以下、特記しない限り、樹脂部材が金属部材との接合表面において溜まり溝を有する場合について説明するが、接合時に金属部材と樹脂部材との間で軟化した樹脂が溜まり溝に流入し得る限り、溜まり溝は樹脂部材の金属部材との接合表面または金属部材の樹脂部材との接合表面の一方のみに形成されていてもよいし、またはそれらの両方に形成されていてもよい。
(1) Joining member set The joining member set consisting of the metal member and the resin member used in the joining method of the present invention is on the joining surface of the resin member with the metal member and / or the joining surface of the metal member with the resin member. A reservoir groove is formed to allow a softening resin to flow during bonding. That is, as the resin member, a resin member having a retention groove for allowing a resin softened at the time of bonding to flow into the bonding surface with the metal member is used and / or the bonding surface with the resin member as the metal member The metal member which has the accumulation groove for making the resin softened at the time of joining flow in is used. Hereinafter, unless otherwise specified, the case where the resin member has a collecting groove on the bonding surface with the metal member will be described. However, the resin softened between the metal member and the resin member at the time of bonding can be collected as long as the resin can flow into the collecting groove. The groove may be formed on only one of the bonding surface of the resin member with the metal member, the bonding surface of the metal member with the resin member, or may be formed on both of them.
(1.1)樹脂部材
樹脂部材は、金属部材との接合表面において、溜まり溝を有している。溜まり溝とは、接合時において軟化・溶融する樹脂を流入させ、収容するための窪みである。本発明において使用されるこのような樹脂部材の実施態様を示す図2〜図7を用いて詳しく説明する。図2〜図7は溜まり溝120の形状または/および後で詳述する凸部122、誘導溝125Aおよび誘導孔125Bの有無が異なる樹脂部材12の概略図である。図2〜図7において、(A)は各実施態様の樹脂部材における金属部材との接合表面を示す概略見取り図であり、(B)は(A)における樹脂部材のA−A断面を矢印方向で見たときの概略断面見取り図であり、(C)は(B)の樹脂部材を用いて本発明の接合方法を実施したときの概略断面図である。図6(D)は得られた接合体を図6(C)のB方向で見たときの概略断面見取り図である。図2〜図7ならびに他の図面(図1、図8〜図10、図11A〜図11Dおよび図12〜図15)において、同じ符号で示される部材、領域および寸法等は部材の形状が異なること以外、それぞれ同じ部材、領域および寸法を指すものとする。
(1.1) Resin member The resin member has a retention groove on the surface joined to the metal member. The reservoir groove is a recess for allowing a resin that is softened and melted during bonding to flow in and accommodate. The embodiment of such a resin member used in the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 7 are schematic views of the
本発明において、接合表面12aに溜まり溝120を有する樹脂部材12は、接合時において、図2(C)、図3(C)、図4(C)、図5(C)、図6(C)および図7(C)に示すように、軟化した樹脂121を該溜まり溝120内に流入させ得るので、バリの形成を十分に防止することができる。
In the present invention, the
樹脂部材12が溜まり溝120を有する金属部材11との接合表面12aとは、接合のために金属部材11と重ね合わせたとき、当該金属部材11と接触する樹脂部材12の表面領域という意味である。
The joining
接合表面12a上における溜まり溝120の全体形状は、接合時に金属部材11と樹脂部材12との間において軟化した樹脂を流入させ得るような形状であれば特に限定されない。例えば、溜まり溝120は接合表面12a上において、図2(A)、図3(A)、図4(A)、図5(A)、図6(A)および図7(A)に示すように環状に形成されてもよいし、Cの字形状に形成されてもよいし、または単に線状もしくは点状に形成されてもよい。溜まり溝内に軟化樹脂を効率よく収容させることにより、バリの形成をより一層十分に防止する観点から、溜まり溝120は接合表面12a上、環状に形成されることが好ましく、同観点からより好ましくは、当該環状溜まり溝120の内側領域126内において熱および圧力が局所的に付与されることである。環状溜まり溝120の内側領域126は、環状溜まり溝120により規定される島状領域である。このような内側領域126内において熱および圧力が局所的に付与されるとは、金属部材11上における回転ツール16の押圧領域P(図1参照)の直下に対応する接合表面12a上の領域P’(破線で示される斜線領域;図2〜図7参照)が当該内側領域126内に位置するように、樹脂部材12を金属部材11とを重ね合わせ、該金属部材11に対して回転ツールを押圧する、という意味である。
The overall shape of the
接合表面12a上における溜まり溝120の具体的な全体形状のうち、好ましい環形状としては特に限定されるものではなく、例えば、図2(A)、図4(A)、図5(A)、図6(A)および図7(A)に示すような略円形状であってもよいし、図3(A)に示すような略四角形状であってもよい。好ましくは略円形状である。溜まり溝120の全体形状が略円形状の場合、当該略円形状は、バリの形成をより一層十分に防止する観点から、接合表面12a上における熱および圧力の局所的付与領域(すなわち、斜線領域P’)を略中心とする略円形状であることが好ましい。すなわち、該略円形状の略中心に、熱および圧力が局所的に付与されることが好ましい。
Of the specific overall shape of the
溜まり溝120の断面形状は、接合時に軟化した樹脂を収容できる形状であれば特に限定されず、例えば、図2(B)、図3(B)、図5(B)、図6(B)および図7(B)に示すような略四角形状であってもよいし、図4(B)に示すような略半円形状であってもよいし、略三角形状であってもよい。
The cross-sectional shape of the
樹脂部材12は、接合時における溶融樹脂の流動を促進して高強度な接合を安定して達成する観点から、接合表面12aにおいて凸部122(例えば図5参照)を有することが好ましい。特に、接合表面12a上における溜まり溝120の全体形状が環状の場合、樹脂部材12は、当該環状溜まり溝120の内側領域126内に凸部122を有することが、上記と同様の観点から、より好ましい。最も好ましくは、図5(A)および(B)に示すように、内側領域126内における熱および圧力の局所的付与領域(すなわち、斜線領域P’)に凸部122を有する。樹脂部材12が環状溜まり溝120の内側領域126内に凸部122を有する場合、環状溜まり溝120の内側領域126内の全域にわたって凸部が有されていてもよい。
The
溜まり溝120の深さ、幅および長さ等の寸法は、樹脂部材12が溜まり溝を有さなかった場合にバリを形成する軟化樹脂を収容できる程度の容積が確保され、かつ樹脂部材12自体の強度が確保される限り特に制限されない。溜まり溝120の容積V(mm3)は通常、回転ツール16の金属部材11に対する押し込み体積v1(mm3)と凸部122の体積v2(mm3)(凸部を有さない場合はv2=0)に応じて決定され、通常はv1+v2〜(v1+v2)×2.0mm3、好ましくはv1+v2〜(v1+v2)×1.4mm3である。回転ツール16の金属部材11に対する押し込み体積v1(mm3)は、得られた接合体におけるツール痕容積に相当する体積であり、例えば図11Dにおいて破線で示される領域の体積である。
The dimensions, such as the depth, width, and length, of the
具体的には、溜まり溝120の深さt1は、樹脂部材12の厚みをT(mm)としたとき、通常、0.05T〜0.7Tであり、好ましくは0.1T〜0.5Tである。同様のとき、溜まり溝120の幅w1は通常、0.5T〜1.5Tであり、好ましくは0.6T〜1.2Tである。
凸部122の高さh1は特に制限されるものではない。
Specifically, the depth t1 of the
The height h1 of the
樹脂部材12は、接合時に溜まり溝120内に流入する軟化樹脂を系外に誘導するための誘導溝および/または誘導孔をさらに有していてもよい。
The
誘導溝は、例えば図6(A)〜(D)において125Aで示され、樹脂部材12における金属部材11との接合表面12aにおいて、溜まり溝120に連続して形成される。誘導溝125Aは、接合時に溜まり溝120内に流入する軟化樹脂121を端面から系外に誘導する。誘導溝125Aの断面形状は特に限定されず、例えば、略半円形状、略四角形状、略三角形状等であってよい。誘導溝125Aの深さt2および幅w2は軟化樹脂121を系外に誘導できる限り特に制限されない。
6A to 6D, the guide groove is indicated by 125A, for example, and is continuously formed in the
誘導孔は、例えば図7(A)〜(C)において125Bで示され、樹脂部材12の厚さ方向において貫通して形成される。誘導孔125Bは、接合時に溜まり溝120内に流入する軟化樹脂121を、接合表面12aとは反対側の面から系外に誘導する。誘導孔125Bの断面形状は特に限定されず、例えば、略円形状、略四角形状、略三角形状等であってよい。誘導孔125Bの幅(略円形状の場合は直径)r1および長さs1は軟化樹脂121を系外に誘導できる限り特に制限されない。
The guide hole is indicated by 125B in FIGS. 7A to 7C, for example, and is formed through the
樹脂部材12が上記のような誘導溝125Aおよび/または誘導孔125Bを有することにより、溜まり溝120内での軟化樹脂121の流入を検知・検査することができる。すなわち、外部からの観察により誘導溝125Aおよび誘導孔125B内に樹脂の存在が検知された接合体は、少なくとも溜まり溝120に軟化樹脂が流入しているため、溜まり溝120の内側領域126内の良好な接合を保証することができる。一方、外部からの観察により誘導溝125Aおよび誘導孔125B内に樹脂を検知できない接合体は、金属部材11と樹脂部材12との間における樹脂の軟化が不十分な可能性があるため、良好な接合を保証することができない。また、溶融樹脂が誘導溝125Aおよび/または誘導孔125Bから排出されバリが発生した場合でも、溜まり溝120がない場合に発生しうるバリと比較して少量であり、その除去は容易である。
Since the
以上、樹脂部材12は全体形状として略平板形状を有するものについて説明したが、これに限定されるものではなく、接合のために金属部材11と重ね合わせたときに、金属部材11と接触する面が前記したような接合表面12aを有する限り、いかなる形状を有していてもよい。
As described above, the
樹脂部材における接合表面12aを有する部分の厚みTは通常、2〜5mmであるがこれに限定するものではない。
Although the thickness T of the part which has the joining
樹脂部材12はあらゆる公知の方法により製造可能である。例えば、熱可塑性ポリマーおよびその他所望の添加剤を含むポリマー組成物を、熱可塑性ポリマーが溶融する溶融成形法に供することにより、樹脂部材12を成形することができる。溶融成形法とは、加熱して溶融もしくは軟化させた樹脂部材を後に冷却固化させて部品形状を得る成形方法全てを含むものであり、例えば、射出成形法、プレス成形法、押出成形法、引抜成形法、オートクレーブ成形法等が挙げられる。
The
樹脂部材12の溜まり溝120、凸部122、誘導溝125Aおよび誘導孔125Bは、例えば、上記成形方法において、使用される金型の成形面を転写させることにより形成することができる。特に溜まり溝120、誘導溝125Aおよび誘導孔125Bは、樹脂部材12の平面状表面を、切削工具等を用いて切削することにより形成することもできる。
The retaining
樹脂部材12は射出成形法により成形されてなり、該射出成形方法において使用される金型の成形面を転写させることにより溜まり溝120が形成されることが好ましい。
The
樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーとしては、熱可塑性を有するあらゆるポリマーが使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている熱可塑性ポリマーが好ましく使用される。そのような熱可塑性ポリマーの具体例として、例えば、以下のポリマーおよびそれらの混合物が挙げられる:
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;
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);
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)。
As the thermoplastic polymer constituting the
Polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene;
Polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polytrimethylene terephthalate (PTT), polylactic acid (PLA));
Polyacrylate resins such as polymethyl methacrylate resin (PMMA);
Polyether resins such as polyether ether ketone (PEEK) and polyphenylene ether (PPE);
Polyacetal (POM);
Polyphenylene sulfide (PPS);
PA6, PA66, PA11, PA12, PA6T, PA9T, MXD6 and other polyamide-based resins (PA);
Polycarbonate resin (PC);
Polyurethane resin;
A fluoropolymer resin; and a liquid crystal polymer (LCP).
樹脂部材12に含まれる添加剤としては、タルク等のフィラー、炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維が挙げられる。
Examples of the additive contained in the
(1.2)金属部材
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、接合のために樹脂部材12と重ね合わせる部分のみが少なくとも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。
(1.2) Metal member Although the
金属部材11において樹脂部材12と重ね合わせる略平板形状部分の厚み(K)は通常、0.5〜4mmであるがこれに限定するものではない。
The thickness (K) of the substantially flat plate-shaped portion that overlaps the
金属部材11を構成する金属としては、融点が、樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーよりも高いあらゆる金属が使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている以下の金属および合金が好ましく使用される:
アルミニウム;
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。
As the metal constituting the
aluminum;
Aluminum alloys such as 5000 series and 6000 series;
steel;
Magnesium and its alloys;
Titanium and its alloys.
金属部材11は、樹脂部材12が溜まり溝120を有する代わりに、または誘導溝125Aおよび/または誘導孔125Bを有する代わりに、溜まり溝120、誘導溝125Aおよび/または誘導孔125Bを有していてもよい。なお、溜まり溝120は樹脂部材の金属部材との接合表面または金属部材の樹脂部材との接合表面の少なくとも一方に形成されていればよい。また誘導溝125Aおよび/または誘導孔125Bが形成される場合、誘導溝125Aおよび/または誘導孔125Bは樹脂部材の金属部材との接合表面または金属部材の樹脂部材との接合表面の少なくとも一方に形成されていればよい。金属部材11の誘導溝125Aは金属部材11における樹脂部材12との接合表面11aにおいて、金属部材11および/または樹脂部材12の溜まり溝120に連続して形成される。金属部材11の誘導孔125Bは金属部材11の厚さ方向において貫通して形成される。金属部材11が溜まり溝120を有する樹脂部材12との接合表面11aとは、接合のために樹脂部材12と重ね合わせたとき、当該樹脂部材12と接触する金属部材11の表面領域という意味である。
The
金属部材11が樹脂部材との接合表面11aにおいて溜まり溝120を有する場合における、金属部材の実施態様を図8〜図9に示す。図8〜図9は、誘導溝125Aの有無が異なる金属部材11の概略図である。図8〜図9において、(A)は各実施態様の金属部材11における樹脂部材との接合表面11aを示す概略見取り図であり、(B)は(A)における樹脂部材のA−A断面を矢印方向で見たときの概略断面見取り図であり、(C)は(B)の金属部材を用いて本発明の接合方法を実施したときの概略断面図である。図8(C)および図9(C)において樹脂部材12は溜まり溝120も誘導溝125Aも誘導孔125Bも有さない。図8〜図9において領域P''(破線で示される斜線領域)は、金属部材11上における回転ツール16の押圧領域P(図1参照)の直下に対応する樹脂部材との接合表面11a上の領域である。
The embodiment of the metal member in the case where the
また金属部材11が溜まり溝を有さず、誘導孔125Bを有する場合における、金属部材の実施態様を図10に示す。図10において、(A)は第3実施態様の金属部材11における樹脂部材との接合表面11aを示す概略見取り図であり、(B)は(A)における樹脂部材のA−A断面を矢印方向で見たときの概略断面見取り図であり、(C)は(B)の金属部材を用いて本発明の接合方法を実施したときの概略断面図である。図10(C)において樹脂部材12は溜まり溝120を有する前記第1実施態様の樹脂部材である。図10において領域P''(破線で示される斜線領域)は図8〜図9においてと同様である。
FIG. 10 shows an embodiment of the metal member in the case where the
金属部材11に形成される溜まり溝120、誘導溝125Aおよび誘導孔125Bはそれぞれ、樹脂部材12に形成される前記した溜まり溝120、誘導溝125Aおよび誘導孔125Bと同様の全体形状、断面形状および寸法を有する。なお、樹脂部材12の厚みT(mm)に対する割合で表す寸法は、厚みTを金属部材11の厚みKに置き換えて適用するものとする。金属部材11における溜まり溝120の形成位置は、金属部材11と樹脂製部材12とを重ね合わせたとき、前記した樹脂部材12における溜まり溝120の形成位置に対応する位置である。誘導溝125Aおよび誘導孔125Bの形成位置は、接合時に溜まり溝120内に流入する軟化樹脂を系外に誘導できる位置であれば特に制限されない。
The
金属部材11の溜まり溝120、凸部122、誘導溝125Aおよび誘導孔125Bは、例えば、金属部材11を、切削工具等を用いて切削することにより形成することができる。
The
(2)回転ツール
図11Aは、回転ツール16の先端部の拡大図である。図11A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11Aに示すように、円柱状の回転ツール16は、先端部(図11A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11A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。
(2) Rotating Tool FIG. 11A is an enlarged view of the tip portion of the
回転ツール16の素材及び各部の寸法は、主として、回転ツール16が押圧する金属部材11の金属の種類に応じて設定される。例えば、金属部材11がアルミニウム合金よりなる場合、回転ツール16は工具鋼(例えばSKD61等)で作製され、ショルダ部16bの直径D1は10mm、ピン部16aの直径D2は2mm、ピン部16aの突出長さhは0.5mmに設定される。また、例えば、金属部材11がスチールよりなる場合、回転ツール16は窒化珪素やPCBN(立方晶窒化ホウ素焼結体)等で作製され、ショルダ部16bの直径D1は10mm、ピン部16aの直径D2は3mm、ピン部16aの突出長さhは0.5mmに設定される。もっとも、これらは例示に過ぎず、これらに限定されないことはいうまでもない。例えば、ショルダ部16bの直径D1は通常、5〜30mm、好ましくは5〜15mmであるがこれに限定されるものではない。
The material of the
(3)本発明に係る接合方法の一実施態様(摩擦撹拌接合方法)
上記摩擦撹拌接合装置1を用いて実施される本発明の接合方法(摩擦撹拌接合方法)について具体的に説明する。
(3) One embodiment of the joining method according to the present invention (friction stir welding method)
The joining method (friction stir welding method) of the present invention performed using the friction
本実施態様に係る接合方法は少なくとも以下のステップを含むものであり、前記した溜まり溝を有する樹脂部材12および/または金属部材11を使用することを特徴とする:
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
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、この摩擦熱で樹脂部材12を軟化させて金属部材11と樹脂部材12とを接合する第2ステップ。
なお、第1ステップにおいて得られる金属部材11と樹脂部材12とが重ね合わされたものを「ワーク」10と呼ぶ。
The joining method according to the present embodiment includes at least the following steps, and is characterized by using the
A first step of superimposing the
The
第1ステップにおいては、樹脂部材12が接合表面12aにおいて、図2(A)〜図7(A)に示されるように、環状の溜まり溝120を有する場合、該環状溜まり溝120の内側領域126内に破線の斜線領域P’が位置するように、金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせることが好ましい。破線の斜線領域P’とは、前記したように、金属部材11における回転ツール16の押圧領域P(押圧予定領域;図1参照)の直下に対応する領域である。また金属部材11が接合表面11aにおいて、図8(A)〜図9(A)に示されるように、環状の溜まり溝120を有する場合は、該環状溜まり溝120の内側領域126と樹脂部材12の所望の接合部位とが接触するように、金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせることが好ましい。
In the first step, when the
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。
本実施態様においては、第2ステップにおいて、押込み撹拌工程の前に、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上記回転ツール16を回転させる予熱工程C1を行うことが好ましい。
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。
In the second step, at least a push-in stirring step C2 is performed in which the
In the present embodiment, in the second step, the preheating step C1 for rotating the
After the indentation stirring step, it is preferable to perform an agitation maintaining step C3 in which the rotation operation of the
以下、図2に示す第1実施態様の樹脂部材12と、溜まり溝120も誘導溝125Aも誘導孔125Bも有さない金属部材11とを用いた場合を例にとり、各工程について詳しく説明する。
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11B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。
In the following, each step will be described in detail, taking as an example the case of using the
In the preheating step C1, as shown in FIG. 11B, only the distal end portion of the
予熱工程C1の次の押込み撹拌工程C2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11Cに示すように、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との接合境界面に達しない深さまで進入させる工程である。押込み撹拌工程C2では、回転ツール16を、第1の加圧力より大きい第2の加圧力(例えば、1500N)で、第1の加圧時間より短い第2の加圧時間(例えば、0.25秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
In the indentation stirring process C2 next to the preheating process C1, the rotating
押込み撹拌工程C2の次の撹拌維持工程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11Cに示すように、上記接合境界面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、5.75秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
In the stirring maintaining process C3 subsequent to the indentation stirring process C2, the mutual approach between the
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11C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。
After the stirring maintaining step C3, a holding step C4 may be performed in which the rotation of the
Similarly, as shown in FIG. 11C, the holding step C4 is a step in which the rotation of the
上で例示した加圧力、加圧時間、及びツール回転数は、あくまで一例であって、適宜変更が可能である。ただし、例えば、1mm以上2mm以下の厚みの金属部材11と2mm以上4mm以下の厚みの樹脂部材12とを接合する場合の、主として生産性(時間短縮と歩留まりとのバランス)の観点から、予熱工程C1における第1の加圧力は、700N以上1200N未満の値、第1の加圧時間は、0.5秒以上2.0秒未満の値が好ましく、押込み撹拌工程C2における第2の加圧力は、1200N以上1800N未満の値、第2の加圧時間は、0.1秒以上0.5秒未満の値が好ましく、撹拌維持工程C3における第3の加圧力は、100N以上700N未満の値、第3の加圧時間は、1.0秒以上10秒未満の値が好ましい。また、保持工程C4における第4の加圧力は、例えば700N以上1200N未満の値、第4の加圧時間は、例えば1秒以上の値が好ましい。
The pressurizing force, pressurizing time, and tool rotation speed exemplified above are merely examples, and can be appropriately changed. However, for example, in the case of joining the
具体的には、予熱工程C1では、回転ツール16の押圧により金属部材11の表面部(図例では上面部)で摩擦熱が発生する。摩擦熱は金属部材11の内部に伝わり、金属部材11の上記押圧領域Pの範囲及び上記押圧領域Pの近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程C2で、回転ツール16を金属部材11に押し込み易くなる。
Specifically, in the preheating step C <b> 1, frictional heat is generated at the surface portion (upper surface portion in the illustrated example) of the
予熱工程C1では、摩擦熱は、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面を介して、樹脂部材12にも伝わる。摩擦熱は樹脂部材12の内部に伝わり、樹脂部材12における上記押圧領域P直下の対応領域P’の範囲及び当該領域P’の近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程C2で、樹脂部材12が軟化・溶融し易くなる。
In the preheating step C <b> 1, the frictional heat is also transmitted to the
予熱工程C1の第1の加圧力及び第1の加圧時間は、上記のような回転ツール16の押込み易さの観点及び樹脂部材12の軟化・溶融し易さの観点から設定され、その値は、例えば回転ツール16の回転数や金属部材11及び樹脂部材12の素材の種類等に依存して変化する。
The first pressurizing force and the first pressurizing time in the preheating step C1 are set from the viewpoint of ease of pushing in the
押込み撹拌工程C2では、加圧力が予熱工程C1よりも大きくなることにより、回転ツール16が金属部材11に押し込まれる。すなわち、回転ツール16が金属部材11の内部に深く進入する。この回転ツール16の押込みにより、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面が受け具17側(図例では下側)に移動する。
In the indentation stirring step C2, the rotating
仮に、回転ツール16がさらに押し込まれると(つまり加圧力が高過ぎ及び/又は加圧時間が長過ぎると)、回転ツール16のショルダ部16bが上記接合境界面を超える。すなわち、回転ツール16が金属部材11を貫通し、樹脂部材12に接触する。すると、金属部材11に回転ツール16が通過した孔が開いた孔開き状態となり、接合不良が起きる。
If the
そこで、本実施態様では、この押込み撹拌工程C2において、回転ツール16のショルダ部16bが上記接合境界面に達しない深さまで進入した時点で、回転ツール16の押込みを停止する。換言すれば、回転ツール16を上記接合境界面に達しない深さまで進入させる。これにより、次の撹拌維持工程C3で、樹脂部材12に近い基準位置で摩擦熱が発生し、多量の摩擦熱が樹脂部材12に伝わり、樹脂部材12の軟化・溶融が促進される。
Therefore, in this embodiment, when the
押込み撹拌工程C2の第2の加圧力及び第2の加圧時間は、上記のような金属部材11の孔開き回避の観点及び回転ツール16をできるだけ樹脂部材12に近接させる観点から設定され、その値は、例えば回転ツール16の回転数や金属部材11及び樹脂部材12の素材の種類等に依存して変化する。
The second pressing force and the second pressurizing time in the indentation stirring step C2 are set from the viewpoint of avoiding the opening of the
押込み撹拌工程C2では、樹脂部材12が上記押圧領域P直下の対応領域P’の範囲及び当該領域P’の近傍の範囲で軟化・溶融し、かつ金属部材11と樹脂部材12との接合境界面が変形するため、当該軟化樹脂が端面に向かって流動する。しかしながら、樹脂部材12は前記したように金属部材11との接合表面12aにおいて溜まり溝120を有するため、軟化樹脂は該溜まり溝120内に流入する。このため、金属部材11と樹脂部材12との接合体の端面において、金属部材11と樹脂部材12との間からの軟化樹脂の流出が回避され、バリの形成が十分に防止される。
In the indentation stirring step C2, the
撹拌維持工程C3では、加圧力が予熱工程C1よりも小さくなることにより(もちろん押込み撹拌工程C2よりも小さくなることにより)、回転ツール16が上記基準位置に維持される。この樹脂部材12に近い基準位置で回転ツール16の回転動作が継続されるため、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱の大部分が樹脂部材12に移動する。そのため、樹脂部材12は、上記押圧領域P直下の対応領域P’の範囲及び上当該領域P’の近傍の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化・溶融する。
In the stirring maintaining step C3, the rotating
撹拌維持工程C3の第3の加圧力及び第3の加圧時間は、上記のような樹脂部材12の広い範囲での十分な軟化・溶融の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール16の回転数や金属部材11及び樹脂部材12の素材の種類等に依存して変化する。
The third pressurizing force and the third pressurizing time in the stirring maintaining step C3 are set from the viewpoint of sufficient softening and melting of the
保持工程C4では、回転ツール16の回転が停止されることにより、摩擦熱の発生が終了する。すなわち、摩擦撹拌接合としての実質的な動作が終了し、ワーク10の冷却が開始する。ワーク10の冷却期間中、加圧力が押込み撹拌工程C2よりも小さいが撹拌維持工程C3よりも大きくなることにより、回転が停止された回転ツール16が金属部材11と樹脂部材12との押圧領域Pを受け具17との間に挟んでクランプする。これにより、金属部材11と樹脂部材12との間の冷却中の密着力が高められ、冷却完了後の接合強度が高められる。
In the holding step C4, the rotation of the
保持工程C4の第4の加圧力及び第4の加圧時間は、上記のような冷却期間中の押圧領域Pの密着力向上の観点から設定され、その値は、例えば金属部材11及び樹脂部材12の素材の種類等に依存して変化する。
The fourth pressurizing force and the fourth pressurizing time in the holding step C4 are set from the viewpoint of improving the adhesion of the pressing region P during the cooling period as described above, and the values thereof are, for example, the
本実施態様では、少なくとも前記した工程C2を経て、好ましくは以上のような工程C1,C2およびC3ならびに所望により工程C4を経て、最終的に、図11Dに示すように、回転ツール16の回転及び押圧で発生した摩擦熱により樹脂部材12が軟化・溶融して金属部材11と樹脂部材12とが広い範囲で高強度に接合された金属部材11と樹脂部材12との接合体20が得られる。接合体20においては、軟化・溶融した樹脂は溜まり溝120内に流入しており、冷却されて固化しているので、当該軟化樹脂121が金属部材11と樹脂部材12との接合に寄与しつつ、バリの発生が防止される。
In this embodiment, at least through the above-described step C2, preferably through the above-described steps C1, C2 and C3 and optionally through step C4, finally, as shown in FIG. The
以上、回転ツールを金属部材の接触面上、面方向で連続的に移動させることなく、点状に金属部材と樹脂部材との接合を行う場合(点接合)について説明したが、上記面方向において回転ツールを連続的に移動させながら、線状に金属部材と樹脂部材との接合を行う場合(線接合)においても本発明の効果が得られることは明らかである。 As described above, the case where the metal member and the resin member are joined to each other in a dotted manner without continuously moving the rotating tool in the surface direction on the contact surface of the metal member (point joining) has been described. It is clear that the effect of the present invention can be obtained even when the metal member and the resin member are joined linearly (line joining) while continuously moving the rotary tool.
[実施例1]
(樹脂部材)
図12(A)および(B)に示すような寸法および形状の溜まり溝120を端部に有する平板状樹脂部材12をPA66(旭化成ケミカルズ社製)から射出成形法により製造した。溜まり溝120は射出成形法において使用される金型の成形面の転写により形成した。
(金属部材)
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)
回転ツールとしては、図11A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。
[Example 1]
(Resin member)
A
(Metal member)
As the metal member, a flat plate member (thickness: 1.2 mm) made of a 6000 series aluminum alloy was used.
(Rotation tool)
As the rotating tool, a tool made of tool steel having dimensions of each part in FIG. 11A of D1 = 10 mm, D2 = 2 mm, and h = 0.5 mm was used.
(接合方法)
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の端部と樹脂部材12の端部とを図1に示すように重ね合わせた。詳しくは、樹脂部材12における環状溜まり溝120の内側領域126の中心部に押圧領域P直下の対応領域P’が位置するように、金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせた。
(Joining method)
The joined body of the
First step:
The end of the
第2ステップ:
図11B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3000r)。
次いで、図11Cに示すように、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との接合境界面に達しない深さまで進入させた(押込み撹拌工程C2:加圧力1500N、加圧時間0.25秒、ツール回転数3000rpm)。
次いで、図11Cに示すように、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た(撹拌維持工程C3:加圧力500N、加圧時間5.75秒、ツール回転数3000rpm)。
次いで、図11Dに示すように、接合体20から回転ツール16を抜き取り、放置冷却した。
Second step:
As shown in FIG. 11B, the
Next, as shown in FIG. 11C, the
Next, as shown in FIG. 11C, the rotation operation of the
Next, as shown in FIG. 11D, the
(接合強度)
JIS Z 3136に規定されている方法により、金属部材と樹脂部材とが接合された接合体を図1の矢印Y,Yに示す方向に引っ張り、せん断引張試験を行った。
(Joint strength)
The joined body in which the metal member and the resin member were joined by a method defined in JIS Z 3136 was pulled in the directions indicated by arrows Y and Y in FIG.
(バリの発生)
接合体の端面における外観を目視により観察したところ、バリは全く発生していなかった。
(Burr generation)
When the appearance on the end face of the joined body was visually observed, no burrs were generated.
[比較例1]
樹脂部材に溜まり溝を形成しなかったこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材の製造ならびに接合強度およびバリ発生についての評価を行った。
接合強度は実施例1と同等であったが、バリが著しく発生していた。
[Comparative Example 1]
The resin member was manufactured and the bonding strength and the occurrence of burrs were evaluated by the same method as in Example 1 except that the reservoir groove was not formed in the resin member.
The bonding strength was equivalent to that of Example 1, but burrs were remarkably generated.
[実施例2]
樹脂部材を、図13(A)および(B)に示すような溜まり溝120および凸部122を端部に有する樹脂部材12としたこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材の製造ならびに接合強度およびバリ発生についての評価を行った。
バリは全く発生していなかった。
[Example 2]
The resin member was manufactured by the same method as in Example 1 except that the resin member was the
There were no burrs.
[比較例2]
樹脂部材に溜まり溝を形成しなかったこと以外、実施例2と同様の方法により、樹脂部材の製造ならびに接合強度およびバリ発生についての評価を行った。
接合強度は実施例2と同等であったが、バリが著しく発生していた。
[Comparative Example 2]
The resin member was manufactured and the bonding strength and the occurrence of burrs were evaluated by the same method as in Example 2 except that the reservoir groove was not formed in the resin member.
The bonding strength was equivalent to that of Example 2, but burrs were remarkably generated.
[実施例3]
樹脂部材を、図14(A)および(B)に示すような溜まり溝120および凸部122を端部に有する樹脂部材12としたこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材の製造ならびに接合強度およびバリ発生についての評価を行った。
バリは全く発生していなかった。
[Example 3]
The resin member was manufactured by the same method as in Example 1 except that the resin member was the
There were no burrs.
[比較例3]
樹脂部材に溜まり溝を形成しなかったこと以外、実施例3と同様の方法により、樹脂部材の製造ならびに接合強度およびバリ発生についての評価を行った。
接合強度は実施例3と同等であったが、バリが著しく発生していた。
[Comparative Example 3]
The resin member was manufactured and the bonding strength and the occurrence of burrs were evaluated by the same method as in Example 3 except that the reservoir groove was not formed in the resin member.
The bonding strength was equal to that in Example 3, but burrs were remarkably generated.
[実施例4]
樹脂部材を、図15(A)および(B)に示すような溜まり溝120および誘導溝125Aを端部に有する樹脂部材12としたこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材の製造ならびに接合強度およびバリ発生についての評価を行った。
バリは全く発生していなかった。
図15(C)は得られた接合体を図15(B)のB方向で見たときの概略断面見取り図である。
[Example 4]
The resin member was manufactured by the same method as in Example 1 except that the resin member was the
There were no burrs.
FIG. 15C is a schematic cross-sectional view when the obtained bonded body is viewed in the B direction of FIG. 15B.
[比較例4]
樹脂部材に溜まり溝および誘導溝を形成しなかったこと以外、実施例4と同様の方法により、樹脂部材の製造ならびに接合強度およびバリ発生についての評価を行った。
接合強度は実施例4と同等であったが、バリが著しく発生していた。
[Comparative Example 4]
The production of the resin member and the evaluation of the bonding strength and the occurrence of burrs were performed by the same method as in Example 4 except that the reservoir groove and the guide groove were not formed in the resin member.
The bonding strength was the same as in Example 4, but burrs were remarkably generated.
本発明に係る接合方法は、自動車、鉄道車両、航空機、家電製品等の分野における金属部材と樹脂部材との接合に有用である。 The joining method according to the present invention is useful for joining a metal member and a resin member in the fields of automobiles, railway vehicles, aircraft, home appliances, and the like.
1:摩擦撹拌接合装置
10:ワーク
11:金属部材
11a:金属部材表面における樹脂部材との接触領域
12:樹脂部材
12a:樹脂部材表面における金属部材との接触領域
16:回転ツール
17:受け具
20:接合体
P:金属部材表面における回転ツールによる押圧領域(押圧予定領域)
P’:押圧領域Pの直下に対応する樹脂部材表面の領域
P’’:押圧領域Pの直下に対応する金属部材表面の領域
120:溜まり溝
121:溜まり溝に流入した軟化樹脂
125A:誘導溝
125B:誘導孔
126:環状溜まり溝の内側領域
1: Friction stir welding apparatus 10: Workpiece 11:
P ′: Resin member surface region corresponding directly below the pressing region P P ″: Metal member surface region corresponding immediately below the pressing region P 120: Reservoir groove 121: Softened resin flowing into the reserving
Claims (6)
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て、熱および圧力を金属部材側から付与することにより、この摩擦熱で樹脂部材を軟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基づく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、
樹脂部材の金属部材との接合表面および/または金属部材の樹脂部材との接合表面において、接合時に軟化する樹脂を流入させるための溜まり溝が形成されており、
上記第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おり、
前記回転ツールが先端部に、該回転ツールの円形の先端面を含むショルダ部、および該回転ツールの円形の先端面から外方に突設された、前記ショルダ部よりも小径の円柱状のピン部を有し、
上記第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における前記ピン部および前記ショルダ部のみを金属部材の表面部に接触させた状態で上記回転ツールを回転させる予熱工程をさらに備えており、
上記予熱工程では上記回転ツールを第1の加圧力で押圧しつつ第1の加圧時間だけ回転させ、
上記押込み撹拌工程では上記回転ツールを上記第1の加圧力より大きい第2の加圧力で押圧しつつ上記第1の加圧時間より短い第2の加圧時間だけ回転させることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。 The first step that overlay the metal member and the resin member; and
While rotating the rotary tool, the metal member is pressed to generate frictional heat, and by applying heat and pressure from the metal member side , the resin member is softened by this frictional heat, and the metal member and the resin member are separated. A joining method of a metal member and a resin member by a hot-pressure joining method based on a friction stir welding method including a second step of joining,
In the bonding surface of the resin member with the metal member and / or the bonding surface of the metal member with the resin member, a reservoir groove is formed to allow the resin softened at the time of bonding to flow .
The second step includes a pushing and stirring step of pushing the rotating tool into the metal member to enter a depth not reaching the joining interface between the metal member and the resin member,
The rotary tool has a shoulder portion including a circular tip surface of the rotary tool at the tip portion, and a cylindrical pin having a smaller diameter than the shoulder portion, which protrudes outward from the circular tip surface of the rotary tool. Part
The second step further includes a preheating step of rotating the rotating tool in a state where only the pin portion and the shoulder portion at the tip portion of the rotating tool are in contact with the surface portion of the metal member before the pushing and stirring step. And
In the preheating step, the rotary tool is rotated by a first pressurizing time while being pressed with a first pressing force,
In the indentation stirring step, the rotating tool is rotated by a second pressurization time shorter than the first pressurization time while pressing the rotary tool with a second pressurization force larger than the first pressurization force. A method of joining a member and a resin member.
上記撹拌維持工程では上記回転ツールを上記第1の加圧力より小さい第3の加圧力で押圧しつつ上記第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1〜4のいずれかに記載の接合方法。 The second step further comprises an agitation maintaining step of continuing the rotating operation of the rotating tool at a position where the rotating tool has entered to a depth that does not reach the joining boundary surface,
In the stirring step of maintaining of claims 1 to 4 for rotating only between the rotary tool while pressing in the first pressure is less than the third pressure greater than between the first pressurization third pressurization The joining method according to any one of the above.
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