(57)【要約】【課題】容易かつ確実に接合強度および接合品質を向上させることができる、金属部材と樹脂部材との接合に適した接合方法を提供する。【解決手段】互いに重ね合わせた金属部材１と熱可塑性を有する強化樹脂部材２とを接合する部材の接合方法であって、金属部材１と強化樹脂部材２とを重ね合わせた接合箇所をセルフピアスリベット３により締結する第１の工程（Ａ）と、第１の工程（Ａ）でセルフピアスリベット３により締結された接合箇所にレーザー４を照射して強化樹脂部材２を溶融させて金属部材１と強化樹脂部材２とを溶着させる第２の工程（Ｂ）とを有し、第２の工程（Ｂ）において、接合箇所のセルフピアスリベット３により締結された締結部を含む領域にレーザー４を照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに重ね合わせた金属部材と熱可塑性を有する樹脂部材とを接合する部材の接合方法であって、
前記金属部材と前記樹脂部材とを重ね合わせた接合箇所をセルフピアスリベットにより締結する第１の工程と、前記第１の工程でセルフピアスリベットにより締結された前記接合箇所にレーザーを照射して前記樹脂部材を溶融させて前記金属部材と前記樹脂部材とを溶着させる第２の工程とを有し、
前記第２の工程において、前記接合箇所の前記セルフピアスリベットにより締結された締結部を含む領域に前記レーザーを照射する
ことを特徴とする部材の接合方法。
【請求項２】
前記第１の工程において、所定の間隔をおいて並んだ複数の位置で前記接合箇所を前記セルフピアスリベットにより締結し、
前記第２の工程において、前記接合箇所の前記セルフピアスリベットによる締結部および前記セルフピアスリベット間の領域に前記レーザーを照射する
ことを特徴とする請求項１に記載の部材の接合方法。
【請求項３】
前記第２の工程において、前記セルフピアスリベットによる締結部と前記セルフピアスリベット間の領域の全体に亘って線状に繋がるように前記レーザーを連続的に照射する
ことを特徴とする請求項２に記載の部材の接合方法。
【請求項４】
前記第１の工程において、前記セルフピアスリベットを前記樹脂部材側から打ち込み、
前記第２の工程において、前記レーザーを前記金属部材側から照射することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の部材の接合方法。
【請求項５】
前記第１の工程において、前記セルフピアスリベットを前記金属部材側から打ち込み、
前記第２の工程において、前記レーザーを前記金属部材側から照射することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の部材の接合方法。
【請求項６】
前記第２の工程において、前記セルフピアスリベットによる締結部と前記セルフピアスリベットの間の領域とで、前記接合箇所に照射する前記レーザーの出力または単位面積当たりの照射時間を変更させる
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属と樹脂の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば自動車の製作において、金属と樹脂のように異なる部材を接合する方法としては、ボルトによる締結や接着剤による接着等が用いられている。近年では、短時間で接合可能であるとともに、接合強度を比較的強く確保できるセルフピアスリベットによる接合方法が開発されている。
また、特許文献１では、セルフピアスリベットにより樹脂部材同士を接合するとともに、当該接合部分を加熱して樹脂部材を溶融させながら加圧し、接合強度を向上させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４４７６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、２つの部材を比較的長い区間で接合する場合、上記のようにセルフピアスリベット（またはボルトなどの機械締結）を用いると、複数の箇所でセルフピアスリベットにより締結しなければならず、セルフピアスリベット自体の重量により重量増加を招くといった問題点がある。
また、金属部材と樹脂部材とをセルフピアスリベットによって接合した際に、樹脂部材にクラックが入る場合があり、程度によっては、接合強度が低下して接合品質が悪くなる虞がある。
【０００５】
本発明の目的は、容易かつ確実に接合強度および接合品質を向上させることができる、金属部材と樹脂部材との接合に適した接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために請求項１の部材の接合方法は、互いに重ね合わせた金属部材と熱可塑性を有する樹脂部材とを接合する部材の接合方法であって、前記金属部材と前記樹脂部材とを重ね合わせた接合箇所をセルフピアスリベットにより締結する第１の工程と、前記第１の工程でセルフピアスリベットにより締結された前記接合箇所にレーザーを照射して前記樹脂部材を溶融させて前記金属部材と前記樹脂部材とを溶着させる第２の工程とを有し、前記第２の工程において、前記接合箇所の前記セルフピアスリベットにより締結された締結部を含む領域に前記レーザーを照射することを特徴とする。
【０００７】
また、好ましくは、前記第１の工程において、所定の間隔をおいて並んだ複数の位置で前記接合箇所を前記セルフピアスリベットにより締結し、前記第２の工程において、前記接合箇所の前記セルフピアスリベットによる締結部および前記セルフピアスリベット間の領域に前記レーザーを照射するとよい。
また、好ましくは、前記第２の工程において、前記セルフピアスリベットによる締結部と前記セルフピアスリベット間の領域の全体に亘って線状に繋がるように前記レーザーを連続的に照射するとよい。
【０００８】
また、好ましくは、前記第１の工程において、前記セルフピアスリベットを前記樹脂部材側から打ち込み、前記第２の工程において、前記レーザーを前記金属部材側から照射するとよい。
また、好ましくは、前記第１の工程において、前記セルフピアスリベットを前記金属部材側から打ち込み、前記第２の工程において、前記レーザーを前記金属部材側から照射するとよい。
【０００９】
また、好ましくは、前記第２の工程において、前記セルフピアスリベットによる締結部と前記セルフピアスリベットの間の領域とで、前記接合箇所に照射する前記レーザーの出力または単位面積当たりの照射時間を変更させるとよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の部材の接合方法によれば、金属部材と樹脂部材との接合箇所においてセルフピアスリベットにより締結した後、セルフピアスリベットによる締結部とその周囲を含む領域をレーザーにより溶融させて溶着するので、容易かつ確実に接合強度を向上させることができる。
しかもセルフピアスリベットにより締結する際に、樹脂部材にクラックが発生したとしても、レーザーの照射によりクラックを補修することができるので、セルフピアスリベットによる締結部の強度および品質を向上させることができる。
【００１１】
また、セルフピアスリベットにより締結してからレーザーにより溶着させるので、セルフピアスリベットによる締結によって金属部材と樹脂部材との密着度合いを高めてからレーザーによって溶着させることができるため、溶着不良を起こしにくく溶着による接合品質を向上させることができるので、結果、接合強度を向上させることができる。
また、例えば金属材料と樹脂材料との間の溶着域が破壊されたとしても、セルフピアスリベットが、クラックの進展を抑制するクラックアレスター効果を得ることができる。
以上、金属材料と樹脂材料との接合箇所における接合強度および接合品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る金属部材と強化樹脂部材との第１の接合方法を説明する説明図である。
【図２】第１の接合方法において補修効果を高めた状態を示すセルフピアスリベット周りの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る金属部材と強化樹脂部材との第２の接合方法を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
本発明に係る接合方法は、金属部材と熱可塑性を有する樹脂部材との接合方法である。以下の実施形態では、板状の金属部材１及び繊維強化熱可塑性樹脂部材（以下、強化樹脂部材２という、本発明の樹脂部材に該当する）を重ね合わせた接合箇所を、セルフピアスリベット３による締結及びレーザー４による溶着によって接合している。
以下、本発明の第１の実施形態である第１の接合方法について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る金属部材１と強化樹脂部材２との第１の接合方法を説明する説明図である。図１は、接合箇所における縦断面図であり、（Ａ）は第１工程、（Ｂ）は第２工程、（Ｃ）は接合後の状態を示す。図２は、第１の接合方法において補修効果を高めた状態を示すセルフピアスリベット３周りの断面図である。なお、図１、２中の斜線部がレーザー４による溶着域である。
【００１５】
第１の接合方法では、図１（Ａ）に示すように、始めに一方向（図１中の左右方向）に連続する接合箇所において、所定の間隔をおいて並んだ複数の位置でセルフピアスリベット３を打ち込み、セルフピアスリベット３により金属部材１及び強化樹脂部材２を締結する。
セルフピアスリベット３は、例えば特許文献１（特許第５４４７６６４号公報）に記載されているように公知であり、詳細な説明は省略するが、円板状の頭部１０と、頭部１０から延出された脚部１１を有している。セルフピアスリベット３による締結は、図１（Ａ）の右側に示すように、まず金属部材１と強化樹脂部材２とを重ねた接合箇所においてセルフピアスリベット３によって締結する位置を筒状のレシーバ１２とダイ１３によって挟む。このとき、ダイ１３側に金属部材１を配置する。レシーバ１２内には脚部１１を強化樹脂部材２側に向けてセルフピアスリベット３が装填され、レシーバ１２内を移動するパンチ１４によってセルフピアスリベット３の頭部１０を押して、脚部１１を強化樹脂部材２に圧入する。これにより、セルフピアスリベット３の脚部１１は、強化樹脂部材２を貫通し、金属部材１内でダイ１３の底面に沿って外側に変形し、金属部材１と強化樹脂部材２とを締結する（第１の工程）。
【００１６】
次に、図１（Ｂ）に示すように、接合箇所に金属部材１側からレーザー４を照射しつつ、レーザー４の照射位置を移動する。レーザー４の照射は、例えば図中の左から右方向に向かって連続的に行なわれ、セルフピアスリベット３により締結された締結部とその周囲を含むように照射される。より具体的には、セルフピアスリベット３による締結部と、セルフピアスリベット３（締結部）とセルフピアスリベット３（締結部）の間（以降セルフピアスリベット３間）の領域の全体に亘って、セルフピアスリベット３（締結部）とセルフピアスリベット３（締結部）とを線状に繋ぐように連続して照射される。レーザー４は、金属部材１で熱に変換される。そして、レーザー４によって発生した熱によって強化樹脂部材２の金属部材１との接合面が溶融され、溶融された強化樹脂部材２が金属部材１の表面の凹凸等に入り込み冷却固化することで、金属部材１と強化樹脂部材２とが接合箇所で溶着される（第２の工程）。なお、レーザー４の照射により、金属部材１だけでなくセルフピアスリベット３も発熱されるので、セルフピアスリベット３の周りの強化樹脂部材２が溶融され、セルフピアスリベット３と強化樹脂部材２とが溶着される。
【００１７】
なお、上記の第２の工程では、複数のセルフピアスリベット３による締結部とともにセルフピアスリベット３間を繋ぐようにレーザー４を連続的に照射して溶着させているが、セルフピアスリベット３間の領域は、必ずしも連続的に溶着（照射）させる必要はなく、例えば、間欠的に溶着されていてもよいし、セルフピアスリベット３間の中間部のみを溶着するような構成にしてもよい。
【００１８】
そして、接合箇所へのレーザー照射を完了して、冷却することで、図１（Ｃ）に示すように、金属部材１と強化樹脂部材２とが接合される。本方法では、金属部材１と強化樹脂部材２との溶着域は、セルフピアスリベット３間だけでなく、セルフピアスリベット３による締結部においても溶着される。
以上のように、第１の接合方法では、セルフピアスリベット３による締結の後にレーザー４により溶着することで、容易かつ確実に金属部材１と強化樹脂部材２とを接合することが可能となり、セルフピアスリベット３だけで接合する場合よりも、接合強度を向上させることが可能となる。また、複数のセルフピアスリベット３で締結する場合には、全体の接合強度を低下させずにセルフピアスリベット３の締結位置の間隔を広げることができる。これにより、セルフピアスリベット３の締結個数を少なくすることができ、接合箇所における重量を低減させることができる。また、セルフピアスリベット３により締結してからレーザー４により溶着させるので、セルフピアスリベット３による締結によって金属部材１と強化樹脂部材２との密着度合いを高めてからレーザー４によって溶着させることができるので、溶着不良を起こしにくく、レーザー４による溶着の品質を安定させることができ、その結果、接合強度を向上させることができる。
【００１９】
また、セルフピアスリベット３の締結により、締結場所の強化樹脂部材２にクラックが発生する可能性があるが、本接合方法では、レーザー４の照射により金属部材１とともにセルフピアスリベット３も発熱されるので、セルフピアスリベット３の周りの強化樹脂部材２も溶融され、強化樹脂部材２に発生したクラックをなくすように補修することができる。また、例えば、金属部材１と強化樹脂部材２の間の溶着域が破壊され、クラックが発生したとしても、セルフピアスリベット３により、クラックの進展を抑制するクラックアレスター効果を得ることができる。
【００２０】
なお、レーザー４の照射を行なう際に、セルフピアスリベット３による締結部においてレーザー出力を高めたり、単位面積当たりの照射時間を長くしたりするようにしてもよい。これにより、図２に示すように、セルフピアスリベット３による締結部において、斜線部で示す溶着域が大きくなり、クラックの補修効果を高めることができる。
以下、本発明の第２の実施形態である第２の接合方法について説明する。
【００２１】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る金属部材１と強化樹脂部材２との第２の接合方法を説明する説明図である。図３は、接合箇所の縦断面図であり、（Ａ）は第１工程、（Ｂ）は第２工程、（Ｃ）は接合後の状態を示す。なお、図３中の斜線部がレーザー４による溶着域である。
第２の接合方法では、第１の接合方法と同様に、始めに接合箇所の所定の間隔をおいて並んだ複数の位置にセルフピアスリベット３を打ち込んで金属部材１と強化樹脂部材２とを締結する。しかし、第２の接合方法では、金属部材１と強化樹脂部材２とを重ねてレシーバ１２とダイ１３によって挟む際に、図３（Ａ）に示すように、ダイ１３側が強化樹脂部材２となるように配置する。これにより、セルフピアスリベット３の脚部１１は、金属部材１側から打ち込まれ、強化樹脂部材２内で外側に変形して、金属部材１と強化樹脂部材２とを締結する（第１の工程）。
【００２２】
次に、図３（Ｂ）に示すように、接合箇所に金属部材１側からレーザー４を照射しつつ、照射位置を移動する。このとき、セルフピアスリベット３による締結部と、セルフピアスリベット３間の領域にレーザー４を連続的に照射するが、金属部材１側にセルフピアスリベット３の頭部１０が位置するので、セルフピアスリベット３による締結部においては、セルフピアスリベット３の頭部１０側からレーザーを照射することになる（第２の工程）。
【００２３】
したがって、セルフピアスリベット３による締結部では、金属部材１及びセルフピアスリベット３を介して熱がセルフピアスリベット３の脚部１１の周囲の強化樹脂部材２にも伝達されて溶融される。
そして、レーザー４の照射が終了してから冷却固化することで、図３（Ｃ）に示すように、金属部材１およびセルフピアスリベット３と強化樹脂部材２とが接合箇所で溶着される。本方法では、セルフピアスリベット３による締結によって、脚部１１の周囲の強化樹脂部材２にはクラックが発生し易くなるが、レーザー４がセルフピアスリベット３の頭部１０側から照射され、セルフピアスリベット３がより確実に加熱されるので、セルフピアスリベット３の周囲の強化樹脂部材２が溶融し易くなり、クラックがより確実に補修され、十分な接合強度を確保することができる。
【００２４】
以上のように、本方法では、セルフピアスリベット３を強化樹脂部材２側から打ち込む第１の接合方法とは反対に金属部材１側から打ち込むが、セルフピアスリベット３による締結とレーザー４による溶着によって、第１の接合方法と同様に、複数のセルフピアスリベット３で締結する場合、セルフピアスリベット３による締結箇所を減らして重量を低減しつつ接合強度を確保することができる。また、第１の接合方法と同様に、セルフピアスリベット３の締結部でのクラックを補修するとともに、セルフピアスリベット３によりクラックアレスター効果を得ることができるので、接合強度および接合品質を向上させることができる。
【００２５】
そして、第２の接合方法は、第１の接合方法とは反対に金属部材１側からセルフピアスリベット３の打ち込みが行なわれるので、例えば周囲の他の部品や機器との干渉により、第１の接合方法ではセルフピアスリベット３の締結が困難である場合に接合を可能にすることができ、本発明の適用範囲を広げることができる。
なお、第２の接合方法においても、セルフピアスリベット３の締結部において、レーザー４の出力や単位面積当たりの照射時間を増加して、十分に脚部１１の周囲の強化樹脂部材２を溶融させ、クラックの補修効果を高めてもよい。
【００２６】
以上、上記本発明に係る第１、第２の実施形態によれば、このように本発明の接合方法によれば、金属部材と樹脂部材との接合において、容易かつ確実に接合強度および接合品質を向上させることができる。
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の形態は上記実施形態に限定されるものではない。
【００２７】
例えば、上記実施形態では、セルフピアスリベット３による複数の締結部と、複数のセルフピアスリベット３間の領域の全体に亘って、連続的にレーザー４を照射しているが、例えばセルフピアスリベット３による複数の締結部のみレーザー４を照射してから、セルフピアスリベット３間の領域にレーザー４を照射して溶着させてもよい。あるいは、セルフピアスリベット３による複数の締結部のみレーザー４を照射した後に、締結部とセルフピアスリベット３間の領域の全体に亘って連続してレーザー４を照射してもよいし、締結部とセルフピアスリベット３間の領域の全体に亘って連続してレーザー４を照射した後に、締結部のみレーザー４を照射してもよい。このように、セルフピアスリベット３による締結部及びセルフピアスリベット３間の連続照射と、締結部のみの照射とを行なうことで、締結部において二回照射されることになり、上記のように締結部においてレーザー４の出力や単位面積当たりの照射時間を増加した場合と同様に、締結部におけるクラックの補修効果を高めることができる。
【００２８】
また、強化樹脂部材２が導電性を有する場合には、電食を防止するために金属部材１と強化樹脂部材２との間に絶縁体を備えるとよい。金属部材１と強化樹脂部材２との間に絶縁体を備えるには、例えば金属部材１と強化樹脂部材２との当接面の強化樹脂部材２側にガラス繊維を含む樹脂層（絶縁体）を前もって形成させてから重ね合わせるようにすればよい。好ましくは、ガラス繊維を含む樹脂層（絶縁体）の樹脂は強化樹脂部材２の樹脂と同一であることが望ましい。更にガラス繊維を含む樹脂層（絶縁体）を強化樹脂部材２の成形と同時若しくは同工程内で行うことが好ましい。また、金属部材１側にガラス繊維を含む樹脂層（絶縁体）を事前に貼り付けても良い。勿論、上記の例に限らず、金属部材１と強化樹脂部材２の少なくとも一方に絶縁体を備える方法を用いることができる。このように、絶縁体を挟んだ金属部材１と強化樹脂部材２においても、上記実施形態のようにセルフピアスリベット３による締結の後にレーザー４によって溶着させることで、容易に接合強度の優れた接合が可能となる。
【００２９】
また上記実施形態では、金属部材１と強化樹脂部材２を例としたが、本発明は熱可塑性を有する樹脂部材全般に適用可能なものであり、例えば、強化材料を含まない熱可塑性樹脂として、PP、PE、PC、ABS、PA、PMMA、PET、PPS、PES、PEEK、PEKK、PEK、PEI、PI等を用いることができる。また、粒状強化材料、例えば、タルク等を添加した樹脂部材にも用いることができる。また、強化樹脂材料には強化繊維材料として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、セルロースナノファイバー等を用いることができる。以上にあげた例は樹脂部材の一部であって、例にない樹脂部材も用いることができる。
【００３０】
また上記実施形態での金属部材１とは、例えば、非めっき鋼板、亜鉛めっき鋼板、アルミめっき鋼板、ホットスタンプ鋼板、ステンレス鋼板等に代表される鉄鋼材料、アルミ、マグネシウム、チタン、ニッケル等の非鉄金属材料及びその合金材料が挙げられる。以上挙げた例は金属部材の一部であって、例にない金属部材も用いることができる。
また、セルフピアスリベット３の締結やレーザー４による溶着に関する詳細については、適宜変更可能である。本発明は、自動車以外にも金属部材と樹脂部材との接合箇所に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  金属部材
２  強化樹脂部材（樹脂部材）
３  セルフピアスリベット
４  レーザー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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