(57)【要約】【課題】簡易な方法で接合強度が大きな接合体を得る。【解決手段】接合体１０は、アルミニウム合金板１と樹脂体２とが接合されて形成されている。アルミニウム合金板１の表面には、アルカリ交流電解処理にて酸化皮膜３が形成されており、この酸化皮膜３と樹脂体２とが当接するようにアルミニウム合金板１と樹脂体２とが重ね合わされる。この状態で、駆動機構により駆動された工具６をアルミニウム合金板１側から押し付けることにより、酸化皮膜３をバルク状に破壊して、アルミニウム合金１と樹脂体２とが接合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属体と樹脂体とを接合する接合方法であって、
前記金属体の表面に形成されている酸化皮膜が前記樹脂体と当接するように前記金属体と前記樹脂体とを重ね合わせ、前記酸化皮膜を破壊することによって前記金属体と前記樹脂体とを接合することを特徴とする金属体と樹脂体との接合方法。
【請求項２】
前記金属体の表面に形成されている酸化皮膜をバルク状に破壊することによって前記金属体と前記樹脂体とを接合することを特徴とする請求項１に記載の金属体と樹脂体との接合方法。
【請求項３】
駆動機構により駆動された工具を前記金属体に当接させて該金属体に摩擦による発熱と塑性流動とを生じさせ、該金属体の酸化皮膜を破壊することを特徴とする請求項１又は２に記載の金属体と樹脂体との接合方法。
【請求項４】
前記金属体の酸化皮膜は、アルカリ交流電解処理により生成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の金属体と樹脂体との接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属体と樹脂体との接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車、航空機等の輸送機器や電気電子機器類に樹脂と金属の接合体が用いられる場合がある。現在、樹脂と金属との接合技術としては、接着剤を用いる接着接合法、射出成形（インサート成形）、加熱圧着、超音波接合、レーザ接合および摩擦エネルギーを利用した工法が挙げられる（例えば特許文献１〜８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１８６８３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５４７９３号公報
【特許文献３】特開２００８−１６２１１５号公報
【特許文献４】特開２００５−９６４６７号公報
【特許文献５】特許平１０−２９１０８１号公報
【特許文献６】特開２０１０−８９１０２号公報
【特許文献７】特開２００９−３９９８７号公報
【特許文献８】特開２００９−２７９８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、２に開示されているように、接着剤によって金属と樹脂とを接合する工法の多くは、有機溶剤に溶解された樹脂成分を低粘度の状態で接着面に塗布して接合し、その後、乾燥させて樹脂成分を固化させる。したがって固化させる間は被接合材を固定し続ける必要がある。また、多くの場合、乾燥は数百度に加熱するため乾燥炉を必要し、接合部位が小さい場合も全てを炉内に入れる必要がある。したがって、大型の製品の場合は大型の炉が必要となり設備導入費用および運用費用がかかってくる。さらに、この方法は有機溶剤が大気中に排出されるため、大気汚染や地球温暖化の防止等の観点から好ましくない。また、ホットメルト型の接着剤は有機溶剤を使わず、乾燥も炉に入れずに済む利点があるが、接着強度があまり高くないこと、接着剤が冷えないうちに塗布から接合までを完了する必要があるため大面積の接合が困難などの難点がある。
【０００５】
特許文献３には、熱可塑性樹脂材料を加熱溶融させて接合する方法として、樹脂自体を溶融成形する際に溶融状態の樹脂と金属のような無機材料を接触させる射出成形（インサート成形）が開示されている。射出成形は接着接合法に比べ界面強度、耐熱性および耐水性に優れた工法であり、小型の電子部品等の製造に多く用いられている。しかし、射出成形は高圧で溶融樹脂を射出するために成形金型内に無機質材料を配置する一体成形法であり、形状や大きさの制約があることと、面接合が困難であるなどの難点がある。
【０００６】
特許文献４には、加熱圧着により金属板と熱可塑性樹脂を張り合わせる工法が開示されている。予め所定の形状に成形し加熱させた金属板に、その接合面を金属板と相似形に成形した熱可塑性樹脂板を直接接触させ、その接触面を溶かした後、冷却し、樹脂が硬化する際の収縮を利用して接合するものである。金属板の加熱合法は高周波誘導加熱による渦電流を利用している。一般的に金属部材を加熱させる方法は鋼管の継手などに利用されるがコイルの大きさに制約があることや、金属部材全てを加熱する必要があり、熱効率の観点から形状がパイプや板などの単純形状に限定され、かつ、板厚も制約されてしまうなどの難点がある。
【０００７】
特許文献５には、超音波接合を用いた方法が開示されている。一般的に超音波接合は同材質の金属接合だけでなく、異材質同士の金属接合や熱可塑性樹脂同士および金属との接合が可能な工法である。接合するワーク同士の片側を治具により固定し、もう一方をホーンと呼ばれる超音波振動子により加圧しながら水平方向へ20kHz以上の超音波振動を与えて接合が完了する。この方法は、点接合には適しているが連続的に延びた接合部（線接合）を形成することが困難であった。また、金属材料と樹脂材料を接合する際は樹脂部材にホーンを加圧させて超音波振動を接合部に伝達させるため、樹脂部材の厚さが厚い場合には適用できないといった問題があった。
【０００８】
特許文献６、７には、レーザを用いた方法が開示されている。特許文献６に記載の方法では、樹脂材料を溶融させる温度に加熱するレーザ光源と樹脂材料を分解させる温度に加熱するレーザ光源の少なくとも二つ以上のレーザ光源を照射することで金属材料と樹脂材料を接合する。ここでは樹脂材料はレーザ加熱により気泡を発生させることが必須となっている。熱伝導率が低く局所的に加熱が行え、かつ、融点の高い鉄鋼材料のような金属材料の場合はその樹脂材料が気泡を発生させるための温度管理は比較的容易ではあるが、アルミニウム合金のような熱伝導率が高く、熱放散しやすい金属材料においてはその温度管理（溶接条件）はやや困難な場合がある。一方、特許文献７に記載の方法では、金属材料と樹脂材料の接合境界に熱可塑性フィルムを介在させ、金属材料側からレーザを照射、加熱することで上記フィルムを溶融させ接合させる。したがって、一種の接着剤として用いているため熱可塑性フィルムが必須であり、また、金属材料と樹脂材料とを直接接合しておらず、その接合強度は上記フィルムと樹脂材料の結合強度に依存する。
【０００９】
特許文献８には、固相接合の一例であって熱歪みや変形が少ないといわれている、摩擦エネルギーを利用した摩擦撹拌接合法（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ、以下「ＦＳＷ」と記す）が開示されている。特許文献８に記載の方法では、金属材料表面に予め熱可塑性樹脂層を形成させ、その樹脂層と樹脂材料を重ね合わせ金属材料側から円柱状の回転工具を回転させ押しつけることで摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂層と樹脂材料との境界面が溶融し接合する。したがって、金属材料と樹脂材料とを接合前に金属材料表面に樹脂層を形成する工程が必要であり、また、金属材料と樹脂材料とを直接接合しておらず、さらに、その接合強度は金属材料表面の樹脂層と樹脂材料との結合強度に依存する。
【００１０】
本願発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、簡易な方法で接合強度が大きい接合体を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る金属体と樹脂体との接合方法は、
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属体と樹脂体とを接合する接合方法であって、
前記金属体の表面に形成されている酸化皮膜が前記樹脂体と当接するように前記金属体と前記樹脂体とを重ね合わせ、前記酸化皮膜を破壊することによって前記金属体と前記樹脂体とを接合することを特徴とする。
【００１２】
また、前記金属体の表面に形成されている酸化皮膜をバルク状に破壊することによって前記金属体と前記樹脂体とを接合してもよい。
【００１３】
また、駆動機構により駆動された工具を前記金属体に当接させて該金属体に摩擦による発熱と塑性流動とを生じさせ、該金属体の酸化皮膜を破壊してもよい。
【００１４】
また、前記金属体の酸化皮膜は、アルカリ交流電解処理により生成されてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡易な方法で接合強度が大きい接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１に係る接合体を示す断面図である。
【図２】実施形態１に係る接合工程を示す図である。
【図３】バルク状に破壊された酸化皮膜を模式的に示す図である。
【図４】実施形態２に係る接合工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
［実施形態１］
以下、本発明に係る実施形態１の詳細を説明する。図１に示すように、実施形態１に係る接合体１０は、アルミニウム合金板（金属体）１と樹脂体２とが接合されて構成されている。図２に示すように、駆動機構により回転駆動された工具６をアルミニウム合金板１に押付けることにより、摩擦エネルギーによる発熱と、金属材料の塑性流動とを生じさせて、アルミニウム合金板１と樹脂体２とが接合される。これにより、アルミニウム合金板１の表面の酸化皮膜がバルク状にかつ島状に破壊されて、金属材料が樹脂体２内にくさび状に入り込み、エッジ効果が得られる。実施形態１に係る接合体１０は、単純なアンカー効果とは異なり、せん断方向にも強固になっている。
【００１９】
１．アルミニウム合金板
アルミニウム合金板１としては、純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられる。アルミニウム合金板１は、押出形材などの展伸材が望ましいが、必要に応じて鋳物材、鍛造材を用いることも可能である。ただし、工具６を押し付けて摩擦エネルギーを付加する部位を有する形態が望ましい。アルミニウム合金板１の厚みについては構造材、軽量化を考慮すると、０．５〜１０ｍｍが好ましく、１．０〜５．０ｍｍが更に好ましい。その理由は０．５ｍｍより薄い場合は塑性流動を起こさせる際に材料自体が破断する可能性があるためと、１０ｍｍより厚くなると表面近傍まで塑性流動をさせることがやや困難になるためである。また、アルミニウム合金板１として、純アルミニウムまたは所定の組成の合金とするかは適宜選択することができ、ＪＩＳに規定されている１０００系から７０００系合金を用いることができる。
【００２０】
２．樹脂体
樹脂体２としては、既存の樹脂材料が用いられる。ポリエチレン、ポリエチレンテフタラート、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリアセタール、アクリル樹脂、ポリカーボネイト、フッ素樹脂、超高分子量ポリエチレンなどである。樹脂体２の形状は板状が望ましいが、アルミニウム合金板１との接合部が平滑な部分を有していれば如何なる形状としてもよい。また、樹脂体２の厚みについては０．５〜１０ｍｍが好ましく、１．０〜５．０ｍｍが更に好ましい。その理由は０．５ｍｍより薄い場合は摩擦エネルギーを付加した場合、樹脂体２に変形、破断などが生じる可能性があるためと、１０ｍｍより厚くなると接合強度が確保し難くなるためである。
【００２１】
３．酸化皮膜の破壊形態
図３に示すように、アルミニウム合金板１の酸化皮膜３は、アルミニウム合金板１の表面にバルク状にかつ島状に破壊されることが好ましい。これにより、接合強度、特にせん断方向の接合強度向上に効果がある。その理由は、アルミニウム合金板１の金属材料が樹脂体２内にくさび状に入り込み、単純なアンカー効果とは異なりエッジ効果も得られるためと考えられる。アルミニウム合金表面から剥離するような凝集破壊では、アルミニウム合金素地が多く出ることになってしまい、その結果、アルミニウム合金板１と樹脂体２とのせん断方向の接合強度が低くなってしまう。
【００２２】
４．酸化皮膜の破壊方法
酸化皮膜３の破壊は、駆動機構によって回転させた工具６をアルミニウム合金板１側から押付けることによって行う。これにより、摩擦エネルギーによる発熱と金属材料の塑性流動とによってアルミニウム合金板１の参加皮膜３を破壊することができ、アルミニウム合金板１と樹脂体２との接合強度を大きくすることが可能となる。工具６を回転させて摩擦エネルギーを付加する方法は摩擦攪拌接合方法を用いてもよい。工具６は通常用いる一般的な形状でよいが、先端部に形成されているプローブは、アルミニウム合金板１側から工具６を押し付けた際に、樹脂体２にまで到達すると接合が行えなくなるため、その大きさ、長さは接合する部材の形状、材料などに応じて設定するか、もしくは、アルミニウム合金板１に押し付ける端部が平坦なもの（プローブが無いもの）を用いることができる。また、工具６の移動軌跡は直線状、曲線状、点状等、接合体１０の形状に合わせて適宜選択すればよい。工具６は、工具鋼やダイス鋼などアルミニウム合金より硬質な材質で形成されていればよい。
【００２３】
５．酸化皮膜
酸化皮膜３は、樹脂体２と接合する個所に形成されている必要がある。この実施形態では、酸化皮膜３は、電解処理で生成されている１０〜５００ｎｍの厚みを有する多孔質状のものである。また、その表層から深さ方向に複数の小孔を有する。この複数の小孔の直径は１０〜１５０ｎｍ程度である。酸化皮膜３の厚みは、１０〜５００ｎｍが好ましく、２０〜３００ｎｍが更に好ましい。これは、酸化皮膜３の厚みが２０ｎｍを下回ると、摩擦エネルギーを付加した際、酸化皮膜３が破壊されすぎ、アルミニウム合金素地が多く出てしまいアルミニウム合金板１と樹脂体２との接合強度が低くなってしまうためである。また、酸化皮膜３の厚みが３００ｎｍを超えると酸化皮膜３の破壊が困難となり、アルミニウム合金板１と樹脂体２との接合強度が低くなる可能性があるためである。更に深さ方向にあいている小孔の直径は１０〜１５０ｎｍが好ましく、２０〜１２０ｎｍが更に好ましい。これは、小孔の直径が２０ｎｍを下回ると摩擦エネルギーを付加した際、酸化皮膜３が破壊されすぎ、アルミニウム合金素地が多く出てしまいアルミニウム合金板１と樹脂体２との接合強度が低くなってしまうためである。また、小孔の直径が１２０ｎｍを超えると酸化皮膜３のバルク状で島状の破壊が困難となるためである。
【００２４】
アルミニウム合金板１の表面に生成される自然酸化皮膜を酸化皮膜３として用いることによっても樹脂体２との接合は可能である。ただし、自然酸化皮膜を酸化皮膜３として用いる場合、酸化皮膜３の厚みが状況に応じて不均一であり、また、酸化皮膜３の小孔も直径、および深さが不均一のため、酸化皮膜３を破壊すべく付加する摩擦エネルギーの適正条件が選定し難くなる。
【００２５】
また、陽極酸化皮膜を用いる場合についても、同様に皮膜を破壊して樹脂体２と接合することは可能であるが、一般的に陽極酸化皮膜は、電解処理で形成されるものに対して厚さ数μｍと厚くなる傾向があり、破壊自体が困難となる可能性がある。また、表面に小孔も存在するが、その径が大きく、皮膜の厚み同様に深いため、エッジ効果が得られるようなバルク状で島状な破壊が難しい。
【００２６】
６．酸化皮膜形成方法
アルミニウム合金板１の酸化皮膜３は、アルミニウム合金板１を電極として、以下の条件を適宜調整することで様々な合金種、板厚、形状においても形成することができる。すなわち、ｐｈ９〜１３で液温３５〜８０℃のアルカリ水溶液を電解溶液とし、周波数２０〜１００Hz、電流密度４〜５０Ａ／ｄｍ２および電解時間５〜６０秒の条件で交流電解処理を施した後に、温度８０℃以下の水で水洗し、さらに温度８０℃以下の温度で乾燥させることで形成できる。
【００２７】
［実施形態２］
以下、本発明に係る実施形態２の詳細を説明する。実施形態２に係る接合体１０は、実施形態１に係る接合体１０と同様に、アルミニウム合金板１と樹脂体２とが接合されて構成されている。図４に示すように、工具７を押付け振動させることにより、摩擦エネルギーによる発熱と、金属材料の塑性流動とを生じさせて、アルミニウム合金板１と樹脂体２とが接合される。これにより、アルミニウム合金板１の表面の酸化皮膜がバルク状にかつ島状に破壊されて、金属材料が樹脂体２内にくさび状に入り込み、エッジ効果も得られている。接合体１０は、単純なアンカー効果とは異なり、せん断方向にも強固になっている。
【００２８】
６．アルミニウム合金
アルミニウム合金板１としては、上述の実施形態１のアルミニウム合金１と同じものを用いることができる。
【００２９】
７．樹脂材料
樹脂体２としては、上述の実施形態１の樹脂体２と同じものを用いることができる。
【００３０】
８．酸化皮膜の破壊形態
アルミニウム合金板１の表面に形成された酸化皮膜３の破壊形態についても、図３に示すように上述の実施形態１と同じ形態とすることができる。
【００３１】
９．酸化皮膜の破壊方法
酸化皮膜３の破壊は、駆動機構によって振動させた工具７をアルミニウム合金板１側から押付けることによって行った。これにより、摩擦エネルギーによる発熱と、金属材料の塑性流動によりアルミニウム合金板１の酸化皮膜３を破壊することができ、アルミニウム合金板１と樹脂体２との接合強度を大きくすることがが可能となる。工具７を振動させて摩擦エネルギーを付加する方法は、アルミニウム合金板１と樹脂体２とを全体に上下から挟み、アルミニウム合金板１側を摺動させる方法を用いることができる。アルミニウム合金板１と樹脂体２とを上下から挟む機構として、圧延ロール、プレス金型などのような形状の機構を用いてもよい。また、工具７の振動は超音波振動のような高速な振動に限らない。工具７は、工具鋼やダイス鋼などアルミニウム合金より硬質な材質で形成されていればよい。
【００３２】
１０．酸化皮膜
酸化皮膜３に関しては、上述の実施形態１の酸化皮膜３と同じものを用いることができる。
【００３３】
１１．酸化皮膜形成方法
酸化皮膜３の形成方法に関しては、上述の実施形態１と同じ方法を用いることができる。
【００３４】
［実施例］
以下に実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に基づいて限定されるものではない。
【００３５】
表１、表２に示すアルミニウム合金板１、樹脂体２を種々組合せ、第１実施形態を利用して接合体１０を作製し、評価を行った結果を実施例１〜１０、比較例１〜５として表３に示す。接合体１０は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１３６（抵抗スポット及びプロジェクション溶接継手のせん断試験に対する試験片寸法及び試験方法）に規定された板厚さｔ（ｍｍ）に対して所定の幅ｗ（ｍｍ）×長さＬ（ｍｍ）のサイズのものを準備した。接合体１０は、所定の重ね代を設けて点摩擦攪拌接合により接合を行っている。接合形態は何れも点接合とし、接合条件は表３に示すように各々の組合せにおいて調整した。この接合体１０に対し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により断面観察を実施した。具体的には酸化皮膜３の厚さ、小孔、ならびに接合部の状態を観察した。また、接合強度は同じくＪＩＳ  Ｚ  ３１３６に規定されている引張せん断試験を行い、破断荷重およびその破断形態を求めたが、本工法は異材を接合して構成されているため、数値での評価は行わず、破断形態を評価基準とした。すなわち、樹脂体２の母材で破断（ボタン破断含む）した場合を○（好ましい例）とし、界面破断したものおよび接合時に剥離したものを×（好ましくない例）とした。
【００３６】
【表１】
2014180776.tif 000003
【００３７】
【表２】
2014180776.tif 000004
【００３８】
【表３】
2014180776.tif 000005
【００３９】
表３から明らかなように、実施形態で説明した基準を満たす実施例１〜１０は、いずれも良好な結果となった。一方、実施形態で説明した基準を満たしていない比較例１〜５は、いずれも好ましくない結果となった。
【００４０】
次に、表１、２に示すアルミニウム合金板１、樹脂体２を種々組合せ、第１実施形態を利用して接合体１０を作製し、評価を行った結果を実施例１〜１０、比較例１〜５として表４に示す。接合体１０は厚さｔ（ｍｍ）、幅１５０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの板材を５０ｍｍ重ね、第２実施形態で説明した接合条件により接合を行っている（図４参照）。接合形態は何れも面接合とし、接合条件は表４に示すように各々の組合せにおいて調整した。この接合体１０に対し、ＳＥＭおよびＴＥＭにより断面観察を実施した。具体的には酸化皮膜３の厚さ、小孔、ならびに接合部の状態を観察した。また、接合強度は幅３０ｍｍ×長さ１２０ｍｍの短冊状の試験片を作製し、引張せん断試験を行い、破断荷重およびその破断形態を求めたが、本工法は異材を接合して構成されているため、数値での評価は行わず、破断形態を評価基準とした。すなわち、樹脂体２の母材で破断した場合を○（好ましい例）とし、界面破断したものおよび接合時に剥離したものを×（好ましくない例）とした。
【００４１】
【表４】
2014180776.tif 000006
【００４２】
表４から明らかなように、実施形態で説明した基準を満たす実施例１１〜２０は、いずれも良好な結果となった。一方、実施形態で説明した基準を満たしていない比較例６〜１０は、いずれも好ましくない結果となった。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更（構成要素の削除等を含む）をなし得ることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１  アルミニウム合金板
２  樹脂体
３  酸化皮膜
４  塑性流動領域
５  接合部
６、７  工具
１０  接合体
【図１】
2014180776.tif 000007
【図２】
2014180776.tif 000008
【図３】
2014180776.tif 000009
【図４】
2014180776.tif 000010