(57)【要約】【課題】金属部材と樹脂部材との間に接着剤が介在する場合であっても、より良好な接合強度が得られる金属部材と樹脂部材との接合方法および接合装置を提供すること。【解決手段】金属部材１１と樹脂部材１２とを、両者間に接着剤３を介在させた状態で、重ね合わせ、押圧部材１６により圧力および熱を金属部材側から付与することにより前記樹脂部材を溶融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による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、前記樹脂部材１２の金属部材側表面１２１が非溶融の状態で、前記圧力により、平面視において前記金属部材側表面１２１の押圧部材直下領域１２０からその外側に向けての前記接着剤３の移動を促進する、金属部材と樹脂部材との接合方法。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材と樹脂部材とを、両者間に接着剤を介在させた状態で、重ね合わせ、押圧部材により圧力および熱を金属部材側から付与することにより前記樹脂部材を溶融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による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
前記樹脂部材の金属部材側表面が非溶融の状態で、前記圧力により、平面視において前記金属部材側表面の押圧部材直下領域からその外側に向けての前記接着剤の移動を促進する、金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項２】
前記樹脂部材の金属部材側表面が非軟化の状態で、前記圧力により、前記接着剤の移動を促進する、請求項１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項３】
前記接着剤の移動促進のとき、該接着剤は、前記樹脂部材の融点以下であって、かつ該接着剤の軟化点以上の温度状態にある、請求項１または２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項４】
前記接着剤の移動を促進した後、前記圧力および前記熱により、前記樹脂部材を溶融させ、溶融した樹脂を、前記平面視において前記押圧部材直下領域からその外側に向けて、前記接着剤と共に流動させる、請求項１〜３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５】
前記熱圧式接合方法が、
金属部材と樹脂部材とを両者間に接着剤を介在させた状態で重ね合わせる第１ステップ；および
前記押圧部材として回転ツールを前記金属部材に押圧して前記接着剤の移動を促進した後、前記回転ツールの回転により摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融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である、請求項１〜４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６】
前記第２ステップにおいて位置制御方式を採用し、
前記第２ステップが、
前記回転ツールを前記金属部材に押圧して前記接着剤の移動を促進する移動促進工程；および
前記回転ツールを回転させつつ金属部材に押し込んで、前記金属部材と前記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
を含む、請求項５に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項７】
前記移動促進工程では前記回転ツールを、前記金属部材の厚みをＴとしたとき、０．２×Ｔ以下の進入量および４０００ｒｐｍ以下の回転数で、前記金属部材に押圧し、
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを、前記金属部材の厚みをＴとしたとき、０．４×Ｔ〜０．９×Ｔの進入量まで、２０００〜４０００ｒｐｍの回転数および１〜３００ｍｍ／分の進入速度で、前記金属部材に進入させる、請求項６に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項８】
前記第２ステップが、前記移動促進工程の後であって前記押込み撹拌工程の前に、
前記回転ツールを前記金属部材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
をさらに含み、
前記予熱工程では前記回転ツールを、移動促進工程で進入させたツール位置で、５秒以下の保持時間にて、１０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の回転数で保持する、請求項７に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項９】
前記第２ステップがさらに、
前記回転ツールを前記押込み撹拌工程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；
を含み、
前記撹拌維持工程では回転ツールを、前記押込み撹拌工程で進入させた位置で、１秒以上の保持時間にて、２０００〜４０００ｒｐｍの回転数で保持する、請求項６〜８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１０】
前記第２ステップにおいて圧力制御方式を採用し、
前記第２ステップが、
前記回転ツールを前記金属部材に押圧して前記接着剤の移動を促進する移動促進工程；
前記回転ツールを前記金属部材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；
前記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；および
前記回転ツールを前記押込み撹拌工程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
を含む、請求項５に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項１１】
前記移動促進工程では回転ツールを第１の加圧力および第１の回転数にて金属部材に押圧し、
前記予熱工程では回転ツールを第２の加圧力および第２の回転数にて金属部材に第２の加圧時間で押圧し、
前記第１の加圧力、前記第１の回転数、前記第２の加圧力および前記第２の回転数は、以下の条件（１）〜（３）のうち、いずれか１つの条件を満たし、
前記押込み撹拌工程では回転ツールを前記第２の加圧力より大きい第３の加圧力で押圧しつつ前記第２の加圧時間より短い第３の加圧時間だけ回転させ、
前記撹拌維持工程では回転ツールを、前記第２の加圧力より小さく、かつ前記第１の加圧力以上の第４の加圧力で押圧しつつ上記第２の加圧時間より長い第４の加圧時間だけ回転させる、請求項１０に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
（１）第１の加圧力は第２の加圧力よりも小さい；
（２）第１の回転数は第２の回転数よりも小さい；または
（３）第１の加圧力は第２の加圧力よりも小さく、かつ第１の回転数は第２の回転数よりも小さい。
【請求項１２】
前記移動促進工程において、第１の加圧力を５００Ｎ以下の範囲で調整し、
前記予熱工程において、第２の加圧力を６００Ｎ以上１３００Ｎ未満の範囲で調整し、
前記押込み撹拌工程において、第３の加圧力を１３００Ｎ以上２２００Ｎ未満の範囲で調整し、
前記撹拌維持工程において、第４の加圧力を６００Ｎ未満の範囲で調整する、請求項１１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項１３】
前記移動促進工程において、回転ツールの回転数を４０００ｒｐｍ以下の範囲で調整し、
前記予熱工程、前記押込み撹拌工程および前記撹拌維持工程において、それぞれ独立して、回転ツールの回転数を２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の範囲で調整する、請求項１２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項１４】
前記金属部材の厚みＴが０．５〜４ｍｍである、請求項１〜１３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１５】
前記金属部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、
前記樹脂部材が１３０〜３５０℃の融点Ｔｍを有する、請求項１〜１４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１６】
金属部材と樹脂部材とを、両者間に接着剤を介在させた状態で、重ね合わせ、押圧部材により圧力および熱を金属部材側から付与することにより前記樹脂部材を溶融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による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
前記樹脂部材の金属部材側表面が非溶融の状態で、前記圧力により、平面視において前記金属部材側表面の押圧部材直下領域からその外側に向けての前記接着剤の移動が促進されるように押圧部材の駆動を制御する駆動制御装置を含む、金属部材と樹脂部材との接合装置。
【請求項１７】
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を実施するための、請求項１６に記載の金属部材と樹脂部材との接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法および接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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、また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、単に車体の軽量化に留まらず、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、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、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方法である。
【０００３】
これまで、金属部材と樹脂部材との接合方法として、摩擦撹拌接合方法のほか、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のような、加圧しながら加熱を行う熱圧式接合方法が知られている。
【０００４】
一方、Ｚｎ−Ｆｅ合金メッキ鋼板とアルミニウム合金板との間に接着剤層を介在させて重ね合わせ、回転ツールの回転および押圧により、接着剤層を粘度低下させつつ接合部の外側（例えば外周側）に押し出す、接合方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１３０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の発明者等は、従来の熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合に際し、両者間に接着剤等のような第３成分が介在すると、介在しない場合と比較して接合強度の低下が生じる課題があることを見出した。
【０００７】
例えば、摩擦撹拌接合方法においては、図９Ａに示すように、金属部材２１１と樹脂部材２１２とを、これらの間に接着層２０３を介在させて重ね合わせ、回転ツール２１６を金属部材２１１に押し込む。次いで、図９Ｂに示すように、回転ツール２１６をさらに押し込み、その回転動作を継続する。その結果、接着剤が介在しない場合と比較して、接合強度が大きく低下した。金属部材２１１と樹脂部材２１２との間に接着層２０３由来の接着剤が残存し、両者の接合を阻害するため、接合強度が大きく低下したものと考えられる。
【０００８】
摩擦撹拌接合方法以外の他の熱圧式接合方法においても、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせると共に、両者間に接着剤を介在させると、接着剤が介在しない場合と比較して、接合強度が大きく低下した。
【０００９】
そこで、従来の熱圧式接合方法により金属部材と樹脂部材とを、これらの間に接着剤を介在させて接合を行うに際し、特許文献１のＺｎ−Ｆｅ合金メッキ鋼板とアルミニウム合金板との接合方法のように、接着剤層を接合部の外側に押し出す技術を適用しても、やはり、接着剤が介在しない場合と比較して、接合強度が大きく低下した。
【００１０】
本発明は、金属部材と樹脂部材との間に接着剤が介在する場合であっても、接合強度の低下を十分に防止することができる、金属部材と樹脂部材との接合方法および接合装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、
金属部材と樹脂部材とを、両者間に接着剤を介在させた状態で、重ね合わせ、押圧部材により圧力および熱を金属部材側から付与することにより前記樹脂部材を溶融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による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
前記樹脂部材の金属部材側表面が非溶融の状態で、前記圧力により、平面視において前記金属部材側表面の押圧部材直下領域からその外側に向けての前記接着剤の移動を促進する、金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の接合方法によれば、あらゆる熱圧式接合方法において、金属部材と樹脂部材との間に接着剤が介在する場合であっても、接合強度の低下を十分に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明にかかる金属部材と樹脂部材との接合方法に好適な摩擦撹拌接合装置の一部の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の接合方法に使用される押圧部材としての回転ツールの一例の先端部の拡大図である。
【図３】本発明の第１ステップにおける重ね合わせ工程の一例を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明の第２ステップにおける接着剤の移動促進工程の一例を説明するための概略断面図である。
【図５】本発明の押込み撹拌工程および撹拌維持工程の一例を説明するための概略断面図である。
【図６】本発明の押込み撹拌工程および撹拌維持工程の一例を説明するための概略断面図である。
【図７】実施例における接合強度の測定方法を説明するための概略図である。
【図８Ａ】本発明の接合方法で得られた接合体から金属部材を強制的に剥離させ、樹脂部材の金属部材側表面を観察したときの樹脂部材の表面写真である。
【図８Ｂ】従来技術の接合方法で得られた接合体から金属部材を強制的に剥離させ、樹脂部材の金属部材側表面を観察したときの樹脂部材の表面写真である。
【図９Ａ】従来技術の第１ステップにおける重ね合わせ工程の一例を説明するための概略断面図である。
【図９Ｂ】従来技術の押込み撹拌工程および撹拌維持工程の一例を説明するための概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の接合方法は、金属部材と樹脂部材とを、これらの間に接着剤を介在させて重ね合わせ、押圧部材による金属部材側からの押圧により樹脂部材に圧力を付与するとともに、熱を付与して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熱圧式接合方法である。熱および圧力は好ましくは局所的に付与される。本発明の熱圧式接合方法は、押圧部材により圧力を付与しつつ、押圧部材または別の手段により熱を付与する方法である。熱圧式接合方法は、圧力および熱を付与して、金属部材と樹脂部材との接合を行うことができる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、超音波加熱接合方法、レーザー加熱接合方法、抵抗加熱接合方法、誘導加熱接合方法等であってもよい。好ましくは押圧部材により圧力および熱を金属部材側から局所的に付与する方法であり、より好ましくは摩擦撹拌接合方法が採用される。
【００１５】
摩擦撹拌接合方法とは、後で詳述するように、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材としての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方法である。
【００１６】
超音波加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材により金属部材を加圧しながら、超音波（熱付与手段）により押圧部材および金属部材に超音波振動を起こさせ、該振動により生じる樹脂部材／金属部材の摩擦熱で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方法である。
【００１７】
レーザー加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材による加圧によりこれらを拘束した状態で、レーザー（熱付与手段）を金属部材に照射することにより熱を発生させ、この熱で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。
【００１８】
抵抗加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材による加圧によりこれらを拘束した状態で、金属部材に、直接電流（熱付与手段）を流すことにより生じる熱を利用して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方法である。
【００１９】
誘導加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材による加圧によりこれらを拘束した状態で、電磁誘導作用により金属部材に、誘導電流（熱付与手段）を生じさせ、該電流により生じる熱を利用して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方法である。
【００２０】
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、図面を用いて詳しく説明するが、後述するような接着剤の移動促進工程を含む方法により、接合を行う限り、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。図面に示す各種の要素は、本発明の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比や外観などは実物と異なり得ることに留意されたい。尚、本明細書で直接的または間接的に用いる「上下方向」は、図中における上下方向に対応した方向に相当する。また特記しない限り、これらの図において、共通する符号は同じ部材、部位、寸法または領域を示すものとする。
【００２１】
［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］
本発明の接合方法（摩擦撹拌接合方法）について図１〜図６を用いて具体的に説明する。
【００２２】
（１）接合装置
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、押圧部材としての円柱状の回転ツール１６を具備している。
【００２３】
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２参照）回りに回転しつつ、矢印Ａ２のように下方に向けて移動する。このとき、回転ツール１６は金属部材１１表面における押圧領域Ｐ（押圧予定領域）において圧力を付与する。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が軟化および溶融し、その後、溶融樹脂が固化する。その結果、金属部材１１と樹脂部材１２とが接合される。
【００２４】
図２は、回転ツール１６の一例の先端部の拡大図である。図２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２に示すように、円柱状の回転ツール１６は、金属部材と接触する先端部（図２では下端部）にピン部１６ａおよび該ピン部を支持するショルダ部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２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。
【００２５】
回転ツール１６の素材および各部の寸法は、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０．３〜０．５ｍｍ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０．３〜０．５ｍｍ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。
【００２６】
回転ツール１６は、ピン部１６ａを必ずしも有さなければならないというわけではない。本発明においては、接着剤の移動のさらなる促進およびこれによる溶融固化領域６０および６１（特に回転ツールの直下領域の溶融固化領域６０）内に存在する接着剤のさらなる低減、ならびに接合強度の低下のより十分な防止の観点から、回転ツールは、ピン部１６ａを有さないことが好ましい。ピン部１６ａを有さない回転ツール（「フラットツール」ともいう）は、例えば、Ｄ２＝０ｍｍおよびｈ＝０ｍｍの寸法を有すること以外、図２の回転ツール１６と同様の回転ツールである。
【００２７】
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。
【００２８】
摩擦撹拌接合装置１は、樹脂部材の金属部材側表面が非溶融の状態で、圧力により、平面視において金属部材側表面の押圧部材直下領域からその外側（例えば外周方向）に向けての接着剤の移動を促進するように、押圧部材としての回転ツールの駆動、特に押圧駆動および／または回転駆動、好ましくは押圧駆動および回転駆動、を制御する駆動制御装置（図示せず）を含む。本明細書中、平面視とは、金属部材１１と樹脂部材１２との重ね合わせ方向に基づくそれらの厚み方向に沿って金属部材１１および樹脂部材１２を上側または下側からみたときの状態（上面図または下面図）のことである。
【００２９】
駆動制御装置は、後で詳述するように、回転ツールの座標位置（例えば進入量）とその座標位置までの移動速度、および回転数を制御する位置制御方式を採用してもよいし、または回転ツールの金属部材への加圧力および加圧時間および回転数を制御する圧力制御方式を採用してもよい。
【００３０】
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。
【００３１】
（２）接合方法
本発明の接合方法によれば、金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３において、樹脂部材１２の溶融および固化により溶融固化領域６０および６１（図６参照；斜線領域６０および網線領域６１）が形成され、当該溶融固化領域６０および６１が金属部材１１と樹脂部材１２との接合に寄与する。溶融固化領域６０（斜線領域）は、接合境界面１３において回転ツールの直下領域で溶融していた樹脂部材表面の溶融樹脂１２０が当該直下領域内で固化した領域である。溶融固化領域６１（網線領域）は、接合境界面１３において回転ツールの直下領域で溶融していた樹脂部材表面の溶融樹脂１２０が当該直下領域を超えて、その外周側領域（すなわちその外側領域）まで流動し、固化した領域である。本発明においては、このような溶融固化領域６０および６１（特に回転ツールの直下領域の溶融固化領域６０）内に存在する接着剤が低減されるように接合を行う。詳しくは、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１が非溶融の状態で、圧力により、平面視において金属部材側表面１２１の押圧部材直下領域１２０からその外側（例えば外周方向）に向けての接着剤の移動を促進するように接合を行う。これにより、樹脂部材と金属部材との接合強度の低下を十分に防止することができる。樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が溶融している状態で、圧力により、平面視において金属部材側表面１２１の押圧部材直下領域１２０からその外側（例えば外周方向）に向けての接着剤の移動を促進するように接合を行っても、接合強度の低下を十分に防止できない場合がある。溶融固化領域６０および６１（特に回転ツールの直下領域の溶融固化領域６０）内の接着剤が十分に低減されないためである。
【００３２】
本発明においては、圧力のみにより、上記のように接着剤の移動を促進してもよいが、より好ましい態様においては、圧力だけでなく、圧力と摩擦熱との組み合わせにより、接着剤の移動をより一層、十分に促進することができる。摩擦熱は、接着剤の移動促進のとき、接着剤が特定の温度状態にあるように生じさせる摩擦熱である。詳しくは、接着剤は、当該接着剤の移動促進のとき、樹脂部材の融点以下であって、かつ当該接着剤の軟化点以上の温度状態にあることがより好ましい。これにより、接着剤の移動をより一層、十分に促進することができる。
【００３３】
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具体的には、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
回転ツール１６を金属部材１１に押圧して接着剤の移動を促進した後、回転ツール１６の回転により摩擦熱を発生させ、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。
【００３４】
第１ステップにおいては、図１および図３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にて両者間に接着剤３を介在させた状態で重ね合わせる。図３は、図１におけるＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【００３５】
接着剤３は、図３等において、流動性を有し接着層を形成しているが、本発明は、接着剤３が塗布および乾燥により流動性を消失していることを妨げるものではない。本発明においては、溶融固化領域６０および６１（特に回転ツールの直下領域の溶融固化領域６０）内に存在する接着剤の低減の観点から、後述する金属部材１１と樹脂部材１２との重ね合わせ時において、流動性を有することが好ましい。
【００３６】
接着剤３は、金属部材１１と樹脂部材１２との重ね合わせ時において、両者間に介在する限り、樹脂部材１２における金属部材１１との対向面に塗布されていてもよいし、または金属部材１１における樹脂部材１２との対向面に塗布されていてもよい。接着剤３は、金属部材１１および樹脂部材１２のいずれの対向面にも形成されず、これらの対向面から独立して、接着剤シートの形態で金属部材１１と樹脂部材１２との間に介在してもよい。
【００３７】
接着剤３は、従来から金属部材１１と樹脂部材１２との接着に寄与し得るあらゆる接着剤を包含する。従って、接着剤３は、接着剤として使用される材料だけでなく、金属部材１１と樹脂部材１２との間のシーリングに使用されているシール材（またはシーラント）も包含する概念で用いるものとする。接着剤３を構成する材料として、例えば、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂およびこれらの混合物等の熱硬化性樹脂、合成ゴム系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂およびこれらの混合物等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００３８】
接着剤３の軟化点は通常、４０〜１０℃、特に５０〜８０℃である。
【００３９】
接着剤（層）の厚みｋ（図３参照）は通常、金属部材１１と樹脂部材１２との重ね合わせ時において、０．１〜２ｍｍであり、溶融固化領域６０および６１（特に回転ツールの直下領域の溶融固化領域６０）内に存在する接着剤の低減の観点から、好ましくは０．１〜１．０ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。
【００４０】
第２ステップにおいては、回転ツール１６を金属部材１１に押圧して、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融の状態で、接着剤の移動を促進した後、回転ツール１６の回転により摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材１２を軟化および溶融させるように、回転ツールの駆動を制御する。第２ステップにおいては、上記したように、回転ツールの座標位置（例えば進入量）とその座標位置までの移動速度、および回転数を制御する位置制御方式、または回転ツールの加圧力、加圧時間および回転数を制御する圧力制御方式を採用する。以下、位置制御方式を採用する第２ステップを第１実施態様として説明し、圧力制御方式を採用する第２ステップを第２実施態様として説明する。
【００４１】
＜第１実施態様：位置制御方式＞
本実施態様の第２ステップにおいては、接着剤の移動を促進する移動促進工程Ｃ０、および回転ツール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押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行うことが好ましい。
【００４２】
本実施態様の第２ステップにおいては、移動促進工程Ｃ０の後であって、押込み撹拌工程Ｃ２の前に、後述する圧力制御方式における予熱工程Ｃ１を行ってもよいが、位置制御方式を採用するため、行わなくてもよい。
【００４３】
前記押込撹拌工程Ｃ２の後に、回転ツール１６を前記押込み撹拌工程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を必要に応じて行う。
【００４４】
以下、本実施態様におけるこれらの工程について詳しく説明する。
【００４５】
（移動促進工程Ｃ０）
本実施態様の移動促進工程Ｃ０においては、図４に示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押圧して、接着剤３の移動を促進する。接着剤の移動とは、図４に示すように、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１の押圧部材直下領域１２０からその外側に向けて（図４の矢印方向）の接着剤３の移動のことである。接着剤の移動を、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１の押圧部材直下領域１２０からの接着剤の排出と捉えると、本工程は接着剤の排出促進工程とも称することができる。本実施態様においては、接着剤３の移動促進を、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融の状態で行う。換言すると、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融の状態にあるときに、回転ツール１６を金属部材１１に押圧して、接着剤３の移動を促進する。樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が溶融状態にあるときに、回転ツール１６を金属部材１１に押圧して、接着剤３の移動を促進すると、接着剤３の移動が十分に促進されないため、押圧部材直下領域１２０に存在する接着剤の量が十分に低減されない。このため、接合強度の低下を十分に防止できない。
【００４６】
接合強度のさらなる向上の観点から、接着剤３の移動促進は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特にその押圧部材直下領域１２０）が非軟化の状態にあるときに行うことが好ましい。
【００４７】
樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融の状態にあるとは、溶融していない状態にあるという意味であり、非溶融の状態は、軟化している状態および軟化さえもしていない状態（すなわち、非軟化の状態）を包含する。
具体的には、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融または非軟化の状態にあるとは、それぞれ樹脂部材１２における当該表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）の温度が樹脂部材（特に樹脂部材を構成する熱可塑性ポリマー）の融点未満の温度または軟化点未満の温度であるという意味である。
【００４８】
具体的には、本実施態様の移動促進工程Ｃ０において、回転ツールの回転数、進入量および進入速度は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）を非溶融状態（好ましくは非軟化状態）としつつ、接着剤の移動をさらに促進する観点から、金属部材１１の厚みおよび素材の種類および樹脂部材１２の融点等に依存して決定される。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１および１５０〜１９０℃の融点の樹脂部材１２を使用する場合、回転ツールの回転数、進入量および進入速度は例えば、以下の通りである。本実施態様の移動促進工程Ｃ０において、回転ツールは回転させなくてもよいし（回転数０）、または回転させてもよい。好ましくは、接着剤が、樹脂部材の融点以下であって、かつ当該接着剤の軟化点以上の温度状態にあるように、回転ツールを回転させる。回転ツールを回転させる場合、回転ツールの回転数は、例えば、４０００ｒｐｍ以下（特に１０〜４０００ｒｐｍ）であり、接着剤の移動のさらなる促進の観点から、好ましくは１０〜２０００ｒｐｍであり、より好ましくは１０〜５００ｒｐｍである。本実施態様の移動促進工程Ｃ０において、達成される回転ツールの進入量は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融状態（好ましくは非軟化状態）のときに接着剤の移動が促進される限り、特に限定されず、０ｍｍではない進入量を設定し、圧力、もしくは圧力と樹脂溶融を起こさない範囲での摩擦熱を発生させる。回転ツールの進入量は、接着剤の移動のさらなる促進の観点から、好ましくは０．２×Ｔ以下（特に０．０１×Ｔ以上０．２×Ｔ以下）、より好ましくは０．１×Ｔ以下（特に０．０１×Ｔ以上０．１×Ｔ以下）である。本明細書中、回転ツールの進入量は、回転ツールが進入した量であって、回転ツール先端と金属表面の接触位置からの回転ツールの移動量のことである。回転ツールの進入量は、回転ツールがピン部を有する場合、ピン部の先端が進入した量のことである。回転ツールがピン部を有さない場合、回転ツールの進入量は、ショルダ部１６ｂが進入した量のことである。なお、以降の工程において、回転ツールの進入量は、各工程でのその時点での総進入量のことであり、換言すると、累積（または積算）進入量である。本実施態様の移動促進工程Ｃ０において、回転ツールが金属部材１１に進入するときの、進入速度は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融状態（好ましくは非軟化状態）のときに接着剤の移動が促進される限り、特に限定されない。回転ツールの進入速度は、接着剤の移動のさらなる促進の観点から、好ましくは１００ｍｍ／分以下（特に１〜１００ｍｍ／分）、より好ましくは５０ｍｍ／分以下（特に１〜５０ｍｍ／分）である。本工程において、回転数、進入量および進入速度はそれぞれ上記範囲内で調整されてもよい。
【００４９】
（予熱工程Ｃ１）
本実施態様において予熱工程Ｃ１は行ってもよいし、または行わなくてもよい。本実施態様において予熱工程Ｃ１を行う場合、予熱工程Ｃ１は、回転ツール１６（例えば先端部）を金属部材１１に接触させた状態で回転ツールを回転させる。これにより、回転ツール１６と金属部材１１との間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の押圧領域Ｐ（回転ツール１６による押圧領域）の範囲および押圧領域Ｐの近傍の範囲が予熱される。その結果として、次の押込み撹拌工程Ｃ２で、回転ツール１６を金属部材１１に押込み易くなる。
【００５０】
具体的には、本実施態様の予熱工程Ｃ１において、回転ツールの回転数、進入量および進入速度は、回転ツール１６の押込み易さ、樹脂部材１２の軟化・溶融し易さおよび生産性の観点から、金属部材１１の厚みおよび素材の種類および樹脂部材１２の融点等に依存して決定される。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１および１５０〜１９０℃の融点の樹脂部材１２を使用する場合、回転ツール１６の押込み易さの観点から、回転ツールを、移動促進工程で進入させたツール位置で、５秒以下（特に０．１〜５秒）の保持時間にて、１０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の回転数で保持することが好ましい。本工程において、回転数および保持時間はそれぞれ上記範囲内で調整されてもよい。
【００５１】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２では、図５および図６に示すように、回転ツール１６を、所定回転数で回転させつつ、所定の深さまで進入させる。
【００５２】
押込み撹拌工程Ｃ２では、詳しくは、図５および図６に示すように、回転ツール１６を回転させつつ、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。回転ツール１６を所定の深さまで進入した時点で、回転ツール１６の押込み移動を停止する。回転ツール１６を当該深さまで進入させることにより、回転ツール直下領域で樹脂部材表面１２０が溶融するとともに、金属部材１１の回転ツール直下部１１０において、金属部材１１と樹脂部材１２との接合境界面が受け具側（図例では下側）に移動し、当該直下部１１０が樹脂部材１２側に突出変形する。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で樹脂部材表面の溶融樹脂１２０の溶融が促進されると共に、該直下領域を超えて、その外側に向けて（図５および図６の矢印方向へ）流動する。溶融樹脂は回転ツール直下領域を中心とする略円形状で広がる。このとき、移動促進工程Ｃ０で外側に移動していた接着剤は、溶融した樹脂１２０と共に、さらに外側に向けて流動する。その結果、押圧部材直下領域１２０に存在する接着剤の量が十分に低減され、接合強度の低下を十分に防止できる。
【００５３】
仮に、回転ツール１６がさらに押し込まれると（つまり回転ツールの進入量が金属部材１１の厚みＴ超になると）、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、回転ツール１６の外周部が樹脂部材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、接合不良が起きる場合があるため、回転ツールの進入量が金属部材１１の厚みＴ超になることは避けるのが好ましい。
【００５４】
具体的には、本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツールの回転数、進入量および進入速度は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）を溶融状態とする観点から、金属部材１１の厚みおよび素材の種類および樹脂部材１２の融点等に依存して決定される。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１および１５０〜１９０℃の融点の樹脂部材１２を使用する場合、回転ツールの回転数、進入量および進入速度は例えば、以下の通りである。回転ツールの回転数は、例えば、２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下である。本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２において、達成される回転ツールの進入量は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）の溶融および接着剤のさらなる移動の観点から、金属部材の厚みをＴ（ｍｍ）としたとき、好ましくは０．４×Ｔ〜０．９×Ｔ（ｍｍ）、より好ましくは０．５×Ｔ〜０．９×Ｔ（ｍｍ）、さらに好ましくは０．７×Ｔ〜０．９×Ｔ（ｍｍ）である。本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツールが金属部材１１に進入するときの、進入速度は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）の溶融および接着剤のさらなる移動の観点から、好ましくは１ｍｍ／分以上である。回転ツールの進入速度は、接着剤の移動のさらなる促進の観点から、好ましくは１〜３００ｍｍ／分、より好ましくは１０〜３００ｍｍ／分、さらに好ましくは１０〜１００ｍｍ／分である。本工程において、回転数、進入量および進入速度はそれぞれ上記範囲内で調整されてもよい。
【００５５】
（撹拌維持工程Ｃ３）
本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３は行ってもよいし、または行わなくてもよい。本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３を行う場合、撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１を金属部材１１にさらに押し込むことなく、回転ツール１６を前記押込み撹拌工程Ｃ２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。これにより、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱がより多く樹脂部材１２に移動する。そのため、樹脂部材１２は、押圧領域Ｐ直下の領域の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化および溶融し、接合強度のさらなる向上が達成される。
【００５６】
具体的には、本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３において、回転ツールの進入量は上記押込み撹拌工程Ｃ２で達成された進入量が維持され、このため回転ツールの進入速度は０ｍｍ／秒である。本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３において、回転ツールの回転数および保持時間は、樹脂部材１２のより広い範囲での十分な軟化および溶融の観点から、金属部材１１の厚みおよび素材の種類および樹脂部材１２の融点等に依存して決定される。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１および１５０〜１９０℃の融点の樹脂部材１２を使用する場合、回転ツールの回転数および保持時間は例えば、以下の通りである。回転ツールの回転数は、例えば、２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下である。本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３において、保持時間は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）の溶融の観点から、好ましくは１秒間以上（特に１〜５秒）、より好ましくは２〜５秒間である。保持時間が０秒であることは、本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３は行わないことを意味する。本工程において、回転数および保持時間はそれぞれ上記範囲内で調整されてもよい。
【００５７】
本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３を行う場合、撹拌維持工程Ｃ３を行った後は、通常、放置冷却することにより、固化が達成される。
本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３を行わない場合、押込み撹拌工程Ｃ２を行った後、通常、放置冷却することにより、固化が達成される。
【００５８】
＜第２実施態様：圧力制御方式＞
本実施態様の第２ステップにおいては、接着剤の移動を促進する移動促進工程Ｃ０、および回転ツール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押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行うことが好ましい。
【００５９】
本実施態様の第２ステップにおいては、移動促進工程Ｃ０の後であって押込み撹拌工程Ｃ２の前に、回転ツール１６を金属部材１１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が、必ずしも行わなければならないというわけではない。
【００６０】
前記押込撹拌工程Ｃ２の後に、回転ツール１６を前記押込み撹拌工程Ｃ２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。
【００６１】
以下、本実施態様におけるこれらの工程について詳しく説明する。
【００６２】
（移動促進工程Ｃ０）
本実施態様の移動促進工程Ｃ０では、以下に示すように圧力制御方式を採用すること以外、第１実施態様の移動促進工程Ｃ０と同様である。本実施態様の移動促進工程Ｃ０では、図４に示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押圧して、接着剤３の移動を促進する。本実施態様の移動促進工程Ｃ０においても、第１実施態様の移動促進工程Ｃ０と同様に、接着剤３の移動促進を、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融の状態、好ましくは非軟化の状態で行う。樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が溶融状態にあるときに、回転ツール１６を金属部材１１に押圧して、接着剤３の移動を促進すると、接着剤３の移動が十分に促進されないため、押圧部材直下領域１２０に存在する接着剤の量が十分に低減されない。このため、接合強度の低下を十分に防止できない。図４は、図１におけるＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【００６３】
本実施態様の移動促進工程Ｃ０では、回転ツール１６を、第１の加圧力および第１の回転数で、第１の加圧時間だけ金属部材１１に押圧する。本工程の第１の加圧力および第１の回転数は、本実施態様の後述の予熱工程Ｃ１の第２の加圧力および第２の回転数との関係で通常、以下の条件（１）〜（３）のうち、いずれか１つの条件を満たし、接着剤の移動のさらなる促進の観点から、条件（３）を満たすことが好ましい。
（１）第１の加圧力は第２の加圧力よりも小さい；
（２）第１の回転数は第２の回転数よりも小さい；または
（３）第１の加圧力は第２の加圧力よりも小さく、かつ第１の回転数は第２の回転数よりも小さい。
第１の加圧時間は、本実施態様の後述の予熱工程Ｃ１の第２の加圧時間と同等であってもよい。
【００６４】
具体的には、本実施態様の移動促進工程Ｃ０において、回転ツールの回転数（すなわち第１の回転数）、第１の加圧力および第１の加圧時間は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）を非溶融状態（好ましくは非軟化状態）としつつ、接着剤の移動をさらに促進する観点から、金属部材１１の厚みおよび素材の種類および樹脂部材１２の融点等に依存して決定される。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１および１５０〜１９０℃の融点の樹脂部材１２を使用する場合、回転ツールの第１の回転数、第１の加圧力および第１の加圧時間は例えば、以下の通りである。本実施態様の移動促進工程Ｃ０において、回転ツールは回転させなくてもよいし（回転数０ｒｐｍ）、または回転させてもよい。好ましくは、接着剤が、樹脂部材の融点以下であって、かつ当該接着剤の軟化点以上の温度状態にあるように、回転ツールを回転させる。回転ツールの第１の回転数は、例えば、４０００ｒｐｍ以下（０ｒｐｍを含む）であり、接着剤の移動のさらなる促進の観点から、好ましくは１０〜２０００ｒｐｍ、より好ましくは１０ｒｐｍ以上５００ｒｐｍ未満である。本実施態様の移動促進工程Ｃ０において、第１の加圧力は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融状態（好ましくは非軟化状態）のときに接着剤の移動が促進される限り、特に限定されず、例えば５００Ｎ以下（特に１０〜５００Ｎ）であり、接着剤の移動のさらなる促進の観点から、好ましくは１０〜２００Ｎである。本実施態様の移動促進工程Ｃ０において、第１の加圧時間は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１（特に押圧部材直下領域１２０）が非溶融状態（好ましくは非軟化状態）のときに接着剤の移動が促進される限り、特に限定されず、通常は０．５秒以上２．０秒未満であり、接着剤の移動のさらなる促進の観点から、好ましくは０．５秒以上１．５秒以下である。本工程において、回転数、加圧力および加圧時間はそれぞれ上記範囲内で調整されてもよい。
【００６５】
（予熱工程Ｃ１）
本実施態様において予熱工程Ｃ１は行ってもよいし、または行わなくてもよい。本実施態様において予熱工程Ｃ１を行う場合、予熱工程Ｃ１は、回転ツール１６（例えば先端部）を金属部材１１に接触させた状態で回転ツールを回転させる。これにより、回転ツール１６と金属部材１１との間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の押圧領域Ｐ（回転ツール１６による押圧領域）の範囲および押圧領域Ｐの近傍の範囲が予熱される。その結果として、次の押込み撹拌工程Ｃ２で、回転ツール１６を金属部材１１に押込み易くなる。
【００６６】
本実施態様において予熱工程Ｃ１は、以下に示すように圧力制御方式を採用すること以外、第１実施態様の予熱工程Ｃ１と同様である。
【００６７】
本実施態様の予熱工程Ｃ１は、回転ツール１６を、第２の加圧力および第２の回転数で、第２の加圧時間だけ金属部材１１に押圧する。本工程の第２の加圧力および第２の回転数は、本実施態様の前述の移動促進工程Ｃ０の第１の加圧力および第１の回転数との関係で通常、上記した条件（１）〜（３）のうち、いずれか１つの条件を満たし、接着剤の移動のさらなる促進の観点から、上記した条件（３）を満たすことが好ましい。
【００６８】
本実施態様の予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６の金属部材１１との接着により金属部材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の押圧領域Ｐ（回転ツール１６による押圧領域）の範囲および押圧領域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に押込み易くなる。
【００６９】
具体的には、本実施態様の予熱工程Ｃ１において、回転ツールの回転数（すなわち第２の回転数）、第２の加圧力および第２の加圧時間は、金属部材１１の厚みおよび素材の種類および樹脂部材１２の融点等に依存して決定される。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１および１５０〜１９０℃の融点の樹脂部材１２を使用する場合、回転ツールの第２の回転数、第２の加圧力および第２の加圧時間は例えば、以下の通りである。回転ツールの第２の回転数は、例えば、２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下であり、回転ツール１６の押込み易さの観点から、好ましくは２５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下である。本実施態様の予熱工程Ｃ１において、第２の加圧力は通常、６００Ｎ以上１３００Ｎ未満であり、次の押込み撹拌工程Ｃ２での回転ツール１６の押込み易さの観点から、好ましくは８００Ｎ以上１１００Ｎ以下である。本実施態様の予熱工程Ｃ１において、第２の加圧時間は通常、０．５秒以上２．０秒未満であり、次の押込み撹拌工程Ｃ２での回転ツール１６の押込み易さの観点から、好ましくは０．５秒以上１．５秒以下である。本工程において、回転数、加圧力および加圧時間はそれぞれ上記範囲内で調整されてもよい。
【００７０】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
本実施態様において押込み撹拌工程Ｃ２は、以下に示すように圧力制御方式を採用すること以外、第１実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２と同様である。本実施態様においても、押込み撹拌工程Ｃ２では、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５および図６に示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む。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５および図６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、図５および図６に示すように、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、回転ツールの直下領域で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂１２０について、その溶融と該直下領域から外側に向けて（図５および図６の矢印方向へ）の流動を促進させ、移動促進工程Ｃ０で外側に移動していた接着剤をさらに外側に向けて流動させ得る。その結果、押圧部材直下領域１２０に存在する接着剤の量が十分に低減され、接合強度の低下を十分に防止できる。
【００７１】
詳しくは、本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を、第２の加圧力より大きい第３の加圧力で、第２の加圧時間より短い第３の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。
【００７２】
本実施態様において押込み撹拌工程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。好ましくは、この回転ツール１６の押込みにより、金属部材１１の回転ツール直下部１１０において、金属部材１１と樹脂部材１２との接合境界面１３が受け具１７側（図例では下側）に移動し、当該直下部１１０が樹脂部材１２側に突出変形する。本押込み撹拌工程Ｃ２およびこの後に好ましく行われる撹拌維持工程Ｃ３により、接合境界面１３において回転ツールの直下領域で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂１２０の溶融が促進されると共に、該直下領域を超えて、その外側領域まで流動する（図５の矢印方向）。溶融樹脂は回転ツール直下領域を中心とする略円形状で広がり、移動促進工程Ｃ０で外側に移動していた接着剤をさらに外側に流動させ得る。
【００７３】
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および／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、回転ツール１６の外周部が樹脂部材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。
【００７４】
そこで、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の軟化および溶融が促進される。
【００７５】
具体的には、本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツールの回転数（すなわち第３の回転数）、第３の加圧力および第３の加圧時間は、金属部材１１の厚みおよび素材の種類および樹脂部材１２の融点等に依存して決定される。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１および１５０〜１９０℃の融点の樹脂部材１２を使用する場合、回転ツールの第３の回転数、第３の加圧力および第３の加圧時間は例えば、以下の通りである。回転ツールの第３の回転数は、例えば、２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下であり、回転ツール１６の押込み易さの観点から、好ましくは２５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下である。本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２において、第３の加圧力は通常、１３００Ｎ以上２２００Ｎ未満であり、回転ツール１６の押込み易さの観点から、好ましくは１４００Ｎ以上２０００Ｎ以下である。本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２において、第３の加圧時間は通常、０．１秒以上０．５秒未満であり、回転ツール１６の押込み易さの観点から、好ましくは０．１秒以上０．４秒以下である。本工程において、回転数、加圧力および加圧時間はそれぞれ上記範囲内で調整されてもよい。
【００７６】
（撹拌維持工程Ｃ３）
本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３は、以下に示すように圧力制御方式を採用すること以外、第１実施態様の撹拌維持工程Ｃ３と同様である。本実施態様においても、撹拌維持工程Ｃ３では、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、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２の加圧力より小さい第４の加圧力（例えば、６００Ｎ未満）で、第２の加圧時間より長い第４の加圧時間（例えば、２．７５〜６．７５秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。
【００７７】
詳しくは本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツールを、第２の加圧力より小さく、かつ第１の加圧力以上の第４の加圧力で押圧しつつ第２の加圧時間より長い第４の加圧時間だけ回転させる。本撹拌維持工程Ｃ３において加圧力（すなわち第４の加圧力）が予熱工程Ｃ１の加圧力（すなわち第２の加圧力）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が上記基準位置にほぼ維持される。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、押圧領域Ｐ直下の領域の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化および溶融する。本撹拌維持工程Ｃ３では、加圧力（すなわち第４の加圧力）は通常、移動促進工程Ｃ０の加圧力（すなわち第１の加圧力）以上である。
【００７８】
具体的には、本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３において、回転ツールの回転数（すなわち第４の回転数）、第４の加圧力および第４の加圧時間は、金属部材１１の厚みおよび素材の種類および樹脂部材１２の融点等に依存して決定される。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１および１５０〜１９０℃の融点の樹脂部材１２を使用する場合、回転ツールの第４の回転数、第４の加圧力および第４の加圧時間は例えば、以下の通りである。回転ツールの第４の回転数は、例えば、２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下であり、樹脂部材１２の溶融の観点から、好ましくは２５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下である。本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３において、第４の加圧力は通常、６００Ｎ未満（特に１００Ｎ以上６００Ｎ未満）であり、樹脂部材１２の溶融の観点から、好ましくは２００Ｎ以上５００Ｎ以下である。本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３において、第４の加圧時間は通常、２．０秒以上８．５秒未満であり、樹脂部材１２の溶融の観点から、好ましくは２．０秒以上８．０秒以下である。本工程において、回転数、加圧力および加圧時間はそれぞれ上記範囲内で調整されてもよい。
【００７９】
本実施態様においても、撹拌維持工程Ｃ３を行う場合、撹拌維持工程Ｃ３を行った後は、通常、放置冷却することにより、固化が達成される。
本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３を行わない場合、押込み撹拌工程Ｃ２を行った後、通常、放置冷却することにより、固化が達成される。
【００８０】
本実施態様（圧力制御方式）において、特に各工程の加圧力は、好ましくは、以下の関係を有する。
第１の加圧力（移動促進工程）≦第４の加圧力（撹拌維持工程）＜第２の加圧力（予熱工程）＜第３の加圧力（押込み撹拌工程）
【００８１】
（３）金属部材
本発明において使用される金属部材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と重ね合わせる部分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。金属部材１１における樹脂部材１２と重ね合わせる部分は両面ともに通常、平面から構成されている。
【００８２】
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Ｔ（接合処理前の厚み；図３参照）は通常、０．５〜４ｍｍであるがこれに限定されるものではない。
【００８３】
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。
【００８４】
金属部材１１を構成する好ましい金属はアルミニウムおよびアルミニウム合金である。
【００８５】
（４）樹脂部材
本発明において使用される樹脂部材１２は熱可塑性ポリマーを含み、強化繊維をさらに含んでもよい。
【００８６】
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）。
【００８７】
樹脂部材１２を構成する熱可塑性ポリマーとしては、安価で機械特性に優れるポリオレフィン系樹脂、特にポリプロピレンが好ましく使用される。
【００８８】
熱可塑性ポリマーの分子量は特に限定されるものではなく、例えば２３０℃でのＭＦＲ（メルトフローレート値）が２〜２００ｇ／１０分間、特に２〜５５ｇ／１０分間となるような分子量であればよい。
【００８９】
本明細書中、ポリマーのＭＦＲはＪＩＳ  Ｋ  ７２１０により測定された値を用いている。
【００９０】
樹脂部材１２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、接合のために金属部材１１と重ね合わせたときに、金属部材１１直下の部分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。樹脂部材１２における金属部材１１直下の部分は両面ともに通常、平面から構成されている。
【００９１】
樹脂部材１２における金属部材１１直下の部分の厚みｔ（接合処理前の厚み；図３参照）は通常、２〜１０ｍｍ、特に２〜５ｍｍであるがこれに限定されるものではない。
【００９２】
樹脂部材１２に含有されてもよい強化繊維の種類としては、特に制限されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維等が挙げられる。強化繊維は、ポリマー含有複合材料の分野で、強度向上のために、ポリマー中に均一に含有および分散される繊維であり、一般に、連続繊維と不連続繊維とに大別されるが、本発明において強化繊維は、いずれの繊維であってもよい。
【００９３】
強化繊維の含有量は通常、樹脂部材全量に対して１重量％以上、特に１０〜５０重量％であり、好ましくは２０〜５０重量％、より好ましくは３０〜５０重量％である。
【００９４】
樹脂部材１２には、強化繊維以外の添加剤、例えば安定剤、難燃剤、着色材、発泡剤などがさらに含有されてもよい。
【００９５】
樹脂部材１２は、熱可塑性ポリマーおよび強化繊維ならびに所望の添加剤を含む混合物を、射出成形法、プレス成形法などの成形法に供することにより、製造することができる。
【００９６】
樹脂部材１２の融点Ｔｍは樹脂部材１２の種類によって異なり、通常、１３０〜３５０℃、特に１５０〜２００℃である。樹脂部材１２の融点Ｔｍは樹脂部材１２を構成する熱可塑性ポリマーの融点であってもよい。
樹脂部材１２の融点Ｔｍは、ＪＩＳ７１２１により測定された値を用いている。
【実施例】
【００９７】
［樹脂部材］
炭素繊維を４０重量％含むポリプロピレンペレット（ＰＰ−ＣＦ４０−１１；ダイセルポリマー社製）を用いて射出成形法により、縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み３ｍｍ寸法の樹脂部材１２を製造した。樹脂部材において炭素繊維の平均繊維長は３ｍｍ、平均繊維径は７μｍであった。樹脂部材の融点Ｔｍは１７０℃であった。樹脂部材において炭素繊維はランダムに配向していた。
【００９８】
［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（縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ１．２ｍｍ）を用いた。
【００９９】
［回転ツール］
回転ツールは、ピン部１６ａを有さない回転ツール、詳しくは、図２においてＤ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝０ｍｍおよびｈ＝０ｍｍの寸法を有する回転ツール１６（工具鋼製）を用いた。
【０１００】
［実施例Ａ１］（位置制御方式）
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および図３に示すようにそれらの間に接着剤３を介在させた状態で、重ね合わせた。このとき、接着剤（層）３の厚みは０．３ｍｍであった。接着剤３として、エポキシ系加熱硬化型接着剤（硬化温度：約１５０℃、最軟化点：５０℃）を使用した。
【０１０１】
第２ステップ：
まず、回転ツール１６で金属部材１１を押圧して、接着剤３の移動促進工程Ｃ０を行った。詳しくは、図４に示すように、回転ツール１６で金属部材１１を押圧して、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１の押圧部材直下領域１２０からその外側に向けて（図４の矢印方向へ）接着剤３の移動を促進した。金属部材側表面１２１は非軟化状態であった。移動促進工程Ｃ０：進入量０．１ｍｍ、進入速度３０ｍｍ／秒、ツール回転数１００ｒｐｍ。
【０１０２】
次いで、予熱工程Ｃ１を行うことなく、図５および図６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１３に達しない深さまで進入させた。このとき、回転ツールの直下領域で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂１２０が、押圧部材直下領域１２０からその外側に向けて（図５および図６の矢印方向へ）、接着剤と共に流動した。押込み撹拌工程Ｃ２：進入量１．８ｍｍ、進入速度３０ｍｍ／秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ。
その後、回転ツール１６を金属部材１１から離間させ、放置冷却を行い、接合体を得た。
【０１０３】
［実施例Ａ２〜Ａ４および比較例Ａ１〜Ａ４］
接合条件を表１に記載のように変更したこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合を行った。
【０１０４】
［接合強度Ｓ］
図７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引張強度Ｓを測定した。なお、接合強度（剪断引張強度）の測定は、各実施例／比較例の接合操作終了後、１０分以内に行った。本実施例／比較例には加熱硬化型接着剤を使用しているが、接合中の加熱では接着剤の硬化には至らない。また、常温硬化型接着剤を使用する場合でも本試験方法により接着剤の硬化前の接合強度を測定することができる。このため、当該接合強度にとって、接着剤の介在による効果は悪影響のみに基づいている。しかしながら、いずれの実施例においても、接着剤を追加熱もしくは室温放置により十分に硬化させた後に測定した接合強度は、溶融固化領域６１外に排出された接着剤による接合強度が発現することにより、硬化前の接合強度より大きな値となり、結果として接着剤が介在しない場合の接合強度よりも大きな値を示した。これらの結果より、接着剤と他の接合手法を組み合わせて使用する場合に大きな問題となる、接着剤が十分硬化しない状態における接合への接着剤の悪影響に対し、本発明が効果を発揮することが明らかである。
【０１０５】
【表１】
2020138455.tif 000003
【０１０６】
表１において、一見すると、実施例の中には、比較例よりも接合強度が低い実施例が存在する。しかし、実施例は押込み撹拌工程Ｃ２の工程時間が近似する比較例と比較するべきである。すなわち、実施例Ａ１およびＡ３は比較例Ａ１と比較するべきであり、実施例Ａ２およびＡ４は比較例Ａ２と比較するべきである。従って、実施例Ａ１およびＡ３の接合強度を比較例Ａ１の接合強度に対する割合（上昇率）で示した。実施例Ａ２およびＡ４の接合強度Ｓを比較例Ａ２の接合強度に対する割合（上昇率）で示した。これらの上昇率について評価した。
◎：１４０％以上（最良）；
〇：１３０％以上１４０％未満（良好）；
△：１１０％以上１３０％未満（合格）；
×：１１０％未満（不合格）。
【０１０７】
実施例Ａ１で得られた接合体から金属部材を強制的に剥離させ、樹脂部材の金属部材側表面を観察したときの樹脂部材の表面写真を図８Ａに示す。
比較例Ａ１で得られた接合体から金属部材を強制的に剥離させ、樹脂部材の金属部材側表面を観察したときの樹脂部材の表面写真を図８Ｂに示す。
図８Ａおよび図８Ｂにおいて、中央の白変色領域(樹脂凝集破壊領域)が接合領域Ａであり、樹脂溶融範囲の中で白変色が生じていない外周領域が、接着剤成分が残存し、接合強度が低い領域Ｂである。図８Ａおよび図８Ｂより、本発明の接合方法により、領域Ｂの範囲が小さくなり、領域Ａの範囲が拡大していることが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
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。
【符号の説明】
【０１０９】
１：摩擦撹拌接合装置
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
Ｐ：押圧領域（押圧予定領域）
１２０：樹脂部材における回転ツール直下領域の表層部
１２１：樹脂部材の金属部材側表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020138455.tif 000009
【図７】
2020138455.tif 000010
【図８Ａ】
2020138455.tif 000011
【図８Ｂ】
2020138455.tif 000012
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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