(57)【要約】【課題】金属部材と樹脂部材とを十分な強度で接合することができる金属部材と樹脂部材との接合方法、その方法により接合された接合体およびその方法において使用される金属部材を提供すること。【解決手段】金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせ、押圧部材１６により熱および圧力を金属部材１１側から付与することにより樹脂部材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、金属部材１１として、樹脂部材１２との接合面１１ａに溝部１５が形成された金属部材を用い、押圧部材１６による熱および圧力の付与により、該溝部１５をアンダーカット形状に変形させるとともに、該溝部１５内に軟化した樹脂を流入させる金属部材と樹脂部材との接合方法、その方法により接合された接合体およびその方法において使用される金属部材。【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重ね合わせ、押圧部材により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による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
金属部材として、樹脂部材との接合面に溝部が形成された金属部材を用い、
押圧部材による熱および圧力の付与により、該溝部をアンダーカット形状に変形させるとともに、該溝部内に軟化した樹脂を流入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。
【請求項２】
溝部が、変形前において非アンダーカット形状を有する請求項１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項３】
押圧部材による熱および圧力の付与により、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる請求項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】
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる請求項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５】
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させつつ、回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる請求項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６】
金属部材の樹脂部材との接合面において、溝部の深さが金属部材の厚みＫ（ｍｍ）に対して０．０２×Ｋ〜０．８×Ｋであり、溝部の幅が０．０１ｍｍ〜１．０ｍｍである請求項１〜５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７】
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請求項５に記載の接合方法：
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
押圧部材として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た後、固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。
【請求項８】
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いる請求項７に記載の接合方法。
【請求項９】
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いる請求項８に記載の接合方法。
【請求項１０】
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請求項９に記載の接合方法。
【請求項１１】
上記第２ステップが、回転ツールを接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる撹拌維持工程をさらに備え、
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１０に記載の接合方法。
【請求項１２】
上記第２ステップが、撹拌維持工程の後に、上記回転ツールの回転を停止し、その状態で上記回転ツール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をさらに備えている請求項１１に記載の接合方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の接合方法により接合された接合体。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれかに記載の接合方法において使用される金属部材。
【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、その方法により接合された接合体およびその方法において使用される金属部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
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１３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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５８８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、近年、接合部の高強度化の要望がさらに高まっているところ、従来の摩擦撹拌接合方法においては、十分な接合強度を達成できないことがある。そこで、金属部材の樹脂部材との接合面を予め粗面化することが考えられるが、やはり十分な接合強度は達成できない。
【０００６】
本発明は、金属部材と樹脂部材とを十分な強度で接合することができる金属部材と樹脂部材との接合方法、その方法により接合された接合体およびその方法において使用される金属部材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】
【０００７】
本発明は、
金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材により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による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
金属部材として、樹脂部材との接合面に溝部が形成された金属部材を用い、
押圧部材による熱および圧力の付与により、該溝部をアンダーカット形状に変形させるとともに、該溝部内に軟化した樹脂を流入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に関する。
【０００８】
本発明はまた、
押圧部材による熱および圧力の付与により、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる、上記した金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
【０００９】
本発明はまた、
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる、上記した金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
【００１０】
本発明はまた、
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させつつ、回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる、上記したの金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
【００１１】
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る、金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
【００１２】
本発明はまた、上記接合方法により接合された接合体に関する。
本発明はまた、上記接合方法において使用される金属部材に関する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の接合方法によれば、金属部材と樹脂部材とを十分な強度で接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明において、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材により熱および圧力を、金属部材側から付与する直前の概略断面図である。
【図２】（Ａ）は金属部材の樹脂部材との接合面を反押圧方向で見たときの概略見取り図の一例であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【図３】（Ａ）は金属部材の樹脂部材との接合面を反押圧方向で見たときの概略見取り図の一例であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【図４】アンダーカット形状を得るための突出変形機構を説明するための概略断面図である。
【図５】アンダーカット形状を得るための回転変形機構を説明するための概略断面図であって、図２（Ａ）〜（Ｂ）に示す金属部材と樹脂部材とを重ね合わせた状態で、押圧部材としての回転ツールにより熱および圧力を付与する直前の概略断面図である。
【図６】アンダーカット形状を得るための回転変形機構を説明するための概略断面図であって、（Ａ）は、図２（Ａ）〜（Ｂ）に示す金属部材と樹脂部材と回転ツールを用いて本発明の接合方法の一例を実施するときの概略断面図であり、（Ｂ）は図６（Ａ）の接合体を下方からの樹脂部材の透視により観察したときの金属部材の樹脂部材との接合面における溝部形成領域を示す概略模式図であり、（Ｃ）は図６（Ｂ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【図７】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８】本発明の接合方法に使用される回転ツールの一例の先端部の拡大図である。
【図９】アンダーカット形状を得るための突出変形機構と回転変形機構との複合機構の一例を説明するための概略断面図であって、本発明の摩擦撹拌接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。
【図１０】（Ａ）は、アンダーカット形状を得るための突出変形機構と回転変形機構との複合機構の一例を説明するための概略断面図であって、本発明の摩擦撹拌接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の接合体を下方からの樹脂部材の透視により観察したときの金属部材の樹脂部材との接合面における溝部形成領域を示す概略模式図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【図１１】アンダーカット形状を得るための突出変形機構と回転変形機構との複合機構の一例を説明するための概略断面図であって、本発明の摩擦撹拌接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。
【図１２】（Ａ）は、アンダーカット形状を得るための突出変形機構と回転変形機構との複合機構の一例を説明するための概略断面図であって、本発明の摩擦撹拌接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の接合体を下方からの樹脂部材の透視により観察したときの金属部材の樹脂部材との接合面における溝部形成領域を示す概略模式図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【図１３】従来技術における金属部材と樹脂部材との接合方法を説明するための該略見取り図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の接合方法は、例えば図１に示すように、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせ、押圧部材１６により熱および圧力を、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、好ましくは摩擦撹拌接合方法が採用される。
【００１６】
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て拘束した状態で、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。
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つつ、押圧部材で金属部材を押圧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、金属部材と樹脂部材と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つつ、押圧部材で金属部材を押圧して接合する方法である。
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つつ、押圧部材で金属部材を押圧して接合する方法である。
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て拘束した状態で、押圧部材により金属部材を加圧しながら、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。
【００１７】
本発明の接合方法について、図１〜図１２を用いて説明するが、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し、これらは形状が異なっていてもよい。
【００１８】
（１）金属部材
金属部材１１には、樹脂部材との接合面１１ａにおいて、溝部１５が形成されている。溝部１５は、接合前において、通常、非アンダーカット形状を有する。非アンダーカット形状とは、当該溝部１５によって規定される溝内部の全体形状に関するものであり、金属部材１１の樹脂部材との接合面１１ａを押圧方向Ｉの反対方向Ｊ（以下、単に「反押圧方向Ｊ」という）で見たとき、当該溝部の内部全体を観察することができる形状のことである。非アンダーカット形状は、反押圧方向Ｊに平行に彫り込むことにより形成することができるので、金属部材に直接、いわゆるアンダーカット形状の溝部を形成する場合と比較して、加工が容易である。
【００１９】
例えば、金属部材１１の接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たときの概略見取り図の一例を図２（Ａ）に示す。図２（Ａ）においてはドット形状を有する複数の溝部１５が形成されている。当該溝部１５は、図２（Ｂ）に示されるように、反押圧方向Ｊに平行に形成されているので、接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たとき、当該溝部１５の内部全体を観察することができる非アンダーカット形状を有している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【００２０】
また例えば、金属部材１１の接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たときの概略見取り図の別の一例を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）においてはライン形状を有する複数の溝部１５が形成されている。当該溝部１５は、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に示されるように、反押圧方向Ｊに平行に形成されているので、接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たとき、当該溝部１５の内部全体を観察することができる非アンダーカット形状を有している。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＹ−Ｙ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【００２１】
溝部１５は、反押圧方向Ｊに平行に彫り込んで形成される非アンダーカット形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。押圧方向に対して垂直な断面における溝部１５の形状としては、例えば、図２（Ａ）に示すようなドット形状、図３（Ｂ）に示すようなライン形状、格子形状が挙げられる。それらの形状が混在していてもよい。ドット形状としては、図２（Ａ）において円形状を有しているが、三角形状、四角形状等の多角形状、楕円形状を有していてもよい。
【００２２】
溝部１５は、図２（Ａ）および図３（Ａ）において破線で示される領域Ｐ’内に形成されているが、接合時において軟化した樹脂が流入できる領域内に形成される限り、特に制限されるものではない。領域Ｐ’とは、図１において押圧部材１６により直接的に押圧される金属部材１１表面上の押圧領域Ｐの直下に対応する接合面１１ａ上の領域である。
【００２３】
溝部１５の幅Ｗおよび深さＤｐ等の寸法は特に制限されるものではないが、幅Ｗは、通常、０．０１ｍｍ〜１．０ｍｍであり、好ましくは０．０２ｍｍ〜０．５ｍｍである。深さＤｐは、金属部材１１の厚みＫ（ｍｍ）に対して、通常、０．０２×Ｋ〜０．８×Ｋであり、好ましくは０．０２×Ｋ〜０．０６×Ｋである。溝部１５の幅Ｗとは、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）に示すように、円形ドット形状のときの直径、ライン形状のときのライン幅のことである。
溝部１５がライン形状のときのライン長Ｌも特に制限されるものではなく、通常、０．０５ｍｍ〜５０．０ｍｍであり、好ましくは０．０５ｍｍ〜７．５ｍｍである。
接合面１１ａにおける溝部１５の総開口面積Ｓｐは、特に制限されるものではないが、押圧部材１６による押圧面積Ｓ（ｍｍ２）に対して、通常、０．１×Ｓ〜０．５×Ｓであり、好ましくは０．２×Ｓ〜０．４×Ｓである。押圧面積Ｓとは押圧領域Ｐの面積のことである。
【００２４】
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。
【００２５】
金属部材１１の厚みＫ（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。
【００２６】
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；および
チタンおよびその合金。
【００２７】
（２）樹脂部材
樹脂部材１２は熱可塑性ポリマーおよび所望の添加剤からなっている。
樹脂部材１２を構成する熱可塑性ポリマーは、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）；
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）。
【００２８】
熱可塑性ポリマーの分子量は、接合時に軟化・溶融可能な限り、特に限定されるものではなく、通常はメルトフローレート（ＭＦＲ）が２〜２００、好ましくは２〜５５の熱可塑性ポリマーが使用される。
【００２９】
本明細書中、ＭＦＲはメルトフローレートであって、ＪＩＳ  Ｋ７２１０に基づいて２３０℃で測定された値（ｇ／１０分間）を用いている。
【００３０】
樹脂部材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。
【００３１】
樹脂部材の厚みＴは特に制限されず、通常、０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、好ましくは２ｍｍ〜５ｍｍである。
【００３２】
樹脂部材は全体形状として略平板形状を有しているが、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と重な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。
【００３３】
（３）金属部材と樹脂部材との接合方法
本発明においては、押圧部材１６による熱および圧力の付与により、該溝部１５をアンダーカット形状に変形させるとともに、該溝部１５内に軟化した樹脂を流入させる。このため、溝部１５内で固化した樹脂が、樹脂部材１２の押圧方向Ｉでの移動を阻害するため、金属部材１１と樹脂部材１２との接合強度が向上する。
【００３４】
アンダーカット形状とは、当該溝部１５によって規定される溝内部の全体形状に関するものであり、金属部材１１の樹脂部材との接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たとき、当該溝部の内部全体を観察することができない形状のことである。詳しくは、接合後において、金属部材１１の溝部１５から、流入した軟化樹脂を取り除いて、金属部材１１の接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たとき、当該溝部１５内に観察できない部分が存在するとき、当該形状はアンダーカット形状である。例えば、前記した図１に示すような状態で、金属部材１１に、押圧部材１６により押圧方向で熱と圧力を付与して、図４に示すような接合状態になったとき、図４の一部拡大図に示す斜線領域１５０が「観察できない部分」である。図４は後述するアンダーカット形状を得るための突出変形機構を説明するための概略断面図である。
【００３５】
アンダーカット形状の具体例を、当該アンダーカット形状を得るための変形機構とともに詳しく説明する。
【００３６】
＜突出変形機構＞
本機構では、押圧部材１６による熱および圧力により、図４に示すように、金属部材１１の押圧部材直下部１１０を樹脂部材側に突出変形させる。これにより、溝部１５は傾斜し、アンダーカット形状に変形する。溝部１５が変形後においてアンダーカット形状を有していることは、図４における一部拡大図に示すように、接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たときに、溝部１５内に、観察できない斜線領域部分１５０が存在することから明らかである。
【００３７】
このように無回転の押圧部材により熱と圧力を付与することにより、金属部材１１の押圧部材直下部１１０を樹脂部材側に突出変形させて、溝部１５をアンダーカット形状に変形させる突出変形機構は、前記した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により達成できる。
【００３８】
＜回転変形機構＞
本機構では、押圧部材１６として回転ツールを図５に示すように回転させつつ、金属部材１１に押圧して熱および圧力を付与することにより、図６に示すように、金属部材１１の押圧部材直下部１１０を回転ツールの回転方向に回転従動させる。回転従動とは、直下部が回転ツールからから受けた摩擦力により回転ツールの回転方向に回転移動することである。図５〜図６はアンダーカット形状を得るための回転変形機構を説明するための概略断面図である。詳しくは、図５は、図２（Ａ）〜（Ｂ）に示す金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせた状態で、回転ツール１６により熱および圧力を付与する直前の概略断面図である。図６（Ａ）は、図２（Ａ）〜（Ｂ）に示す金属部材１１と樹脂部材１２と回転ツール１６を用いて本発明の接合方法の一例を実施するときの概略断面図である。図６（Ｂ）は図６（Ａ）の接合体を下方からの樹脂部材の透視により観察したときの金属部材の樹脂部材１２との接合面１１ａにおける溝部形成領域を示す概略模式図である。図６（Ｃ）は図６（Ｂ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。図６（Ｂ）および（Ｃ）において破線で示される溝部１５’は、金属部材１１が本来的に有していた変形前の溝部の位置を示す。
【００３９】
回転ツール１６を回転させつつ、金属部材１１に押圧して熱および圧力を付与することにより、金属部材１１の回転ツール直下部１１０を回転ツールの回転に従動させる。これにより、金属部材１１の回転ツール直下部１１０は、図６（Ｂ）に示すように、回転ツールの回転方向に回転移動する。このとき、直下部１１０の回転移動は、回転ツール１６に近いほど、大きい。このため、溝部１５は、図６（Ｃ）に示すように、傾斜するようになり、アンダーカット形状に変形する。溝部１５が変形後においてアンダーカット形状を有していることは、図６（Ｃ）における一部拡大図に示すように、接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たときに、溝部１５内に、観察できない斜線領域部分１５０が存在することから明らかである。
【００４０】
このように回転ツールにより熱と圧力を付与することにより、金属部材１１の回転ツール直下部１１０を回転方向に回転移動させて、溝部１５をアンダーカット形状に変形させる回転変形機構は、前記した摩擦撹拌接合方法により達成できる。摩擦撹拌接合方法においては、後述する突出変形機構と回転変形機構との複合機構による変形も可能である。回転変形機構は、そのような複合機構よりも、圧力を小さくすることにより、達成することができる。
【００４１】
＜突出変形機構と回転変形機構との複合機構＞
本機構は、前記した突出変形機構と回転変形機構とを組み合わせることにより、溝部をアンダーカット形状に変形するものである。詳しくは、押圧部材として回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して熱および圧力を付与することにより、金属部材の押圧部材直下部を樹脂部材側に突出変形させつつ、回転ツールの回転方向に回転従動させ、これにより、溝部をアンダーカット形状に変形させる。
【００４２】
本変形機構を、以下に示す摩擦撹拌接合方法を用いた好ましい第１実施態様および第２実施態様において詳しく説明する。なお、第１実施態様においては図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す金属部材１１を、第２実施態様においては図２（Ａ）〜（Ｂ）に示す金属部材１１を用いているが、前記した金属部材１１であれば特に限定されるものではない。またこれらの実施態様実施態様において、樹脂部材１２は前記したものと同様のものである。
【００４３】
［第１実施態様］
図７は、本実施態様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７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８参照）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・溶融した後、冷却により固化を行う。その結果、金属部材１１と樹脂部材１２とが接合される。
【００４４】
図８は、回転ツール１６の先端部の拡大図である。図８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８に示すように、円柱状の回転ツール１６は、先端部（図８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８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。
【００４５】
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、５〜１００ｍｍ、好ましくは５〜１５ｍｍである。
【００４６】
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。
【００４７】
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７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。
【００４８】
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・溶融させた後、固化させて金属部材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。
【００４９】
第１ステップ：
第１ステップにおいては、図７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で重ね合わせる。
【００５０】
第２ステップ：
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１３に達しない深さまで進入させると共に、金属部材１１の回転ツール直下部１１０を樹脂部材側に突出変形させる押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行う。
【００５１】
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が、必ずしも行わなければならないというわけではない。
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。
【００５２】
以下、各工程について詳しく説明する。
【００５３】
（予熱工程Ｃ１）
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９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。図９は、本実施態様の接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図であり、図３（Ａ）から（Ｃ）に示す金属部材１１を用いている。
【００５４】
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に押込み易くなるとともに、溝部１５をアンダーカット形状に変形させ易くなる。
【００５５】
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１３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直下の領域６０の範囲及び当該領域６０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。その結果、溝部１５が前記した突出変形機構および回転変形機構により変形し易くなる。
【００５６】
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、樹脂部材１２の軟化・溶融し易さ、生産性の観点および溝部１５の変形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の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。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を使用する場合、予熱工程Ｃ１における第１の加圧力は、７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第１の加圧時間は、０．５秒以上２．０秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は５００回転/分以上  １００００回転/分以下の値が好ましい。
【００５７】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
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１０（Ａ）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とにより、図１０（Ａ）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と共に、金属部材１１の回転ツール直下部１１０を樹脂部材１２側に突出変形させる。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６０で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂１２１について、溝部１５内への流入と該直下領域６０の外周領域６１までの流動を促進させる。図１０（Ａ）は、本実施態様の接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図であり、図３（Ａ）から（Ｃ）に示す金属部材１１を用いている。
【００５８】
金属部材１１の回転ツール直下部１１０の突出変形により、溝部１５は図１０（Ａ）に示すように傾斜し、突出変形機構に基づいてアンダーカット形状に変形する。溝部１５が変形後においてアンダーカット形状を有していることは、図１０（Ａ）における一部拡大図に示すように、接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たときに、溝部１５内に、観察できない斜線領域部分１５０が存在することから明らかである。
【００５９】
具体的には、図１０（Ａ）に示される溝部１５の傾斜角度θは通常、１〜３０°、好ましくは３〜２０°である。
【００６０】
さらに金属部材１１の回転ツール直下部１１０は回転ツール１６の回転に従動する。これにより、金属部材１１の回転ツール直下部１１０は、図１０（Ｂ）に示すように、回転ツールの回転方向に回転移動する。このとき、直下部１１０の回転移動は、回転ツール１６に近いほど、大きい。このため、溝部１５は、図１０（Ｃ）に示すように、傾斜するようになり、回転変形機構に基づいてアンダーカット形状に変形する。溝部１５が変形後においてアンダーカット形状を有していることは、図１０（Ｃ）における一部拡大図に示すように、接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たときに、溝部１５内に、観察できない斜線領域部分１５０が存在することからも明らかである。図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の接合体を下方からの樹脂部材の透視により観察したときの金属部材１１の樹脂部材１２との接合面１１ａにおける溝部形成領域を示す概略模式図である。図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。図１０（Ｂ）および（Ｃ）において破線で示される溝部１５’は、金属部材１１が本来的に有していた変形前の溝部の位置を示す。
【００６１】
図１０（Ｂ）に示される金属部材１１の接合面１１ａにおける溝部１５の、溝部１５’からの回転角度（α）は通常、１〜３０°、好ましくは３〜２０°である。
図１０（Ｃ）に示される溝部１５の頂部１５１の、溝部１５’の頂部１５１’からの回転角度は通常、１〜３０°である。
【００６２】
押込み撹拌工程Ｃ２では、詳しくは、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。
【００６３】
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。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６０で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂１２１の溶融が促進されると共に、該直下領域６０を超えて、その外周領域６１まで流動するだけでなく、溝部１５内へも流入する。溶融樹脂は回転ツール直下領域６０を中心とする略円形状で広がっている。その結果、溶融樹脂と金属部材１１との接触面積が拡大され、得られる接合体において冷却により溶融樹脂が固化してなる溶融固化域（接合領域）もまた拡大されるため、樹脂部材と金属部材との熱的接合も十分に良好な作業効率かつ十分な強度で達成することがでる。ここで示す溶融固化域（接合領域）とは、外周領域６１において接触した金属表面が加熱されることで直接溶融した領域を含む。
【００６４】
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１３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。
【００６５】
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１３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。
【００６６】
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、上記のような溝部１５の突出変形機構および回転変形機構に基づく変形の観点、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の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。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を使用する場合、押込み撹拌工程Ｃ２における第２の加圧力は、１２００Ｎ以上１８００Ｎ未満の値が好ましい。第２の加圧時間は、０．１秒以上０．５秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は５００回転/分以上  １００００回転/分以下の値が好ましい。
【００６７】
（撹拌維持工程Ｃ３）
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１０（Ａ）に示すように、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。
【００６８】
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、上記押圧領域Ｐ直下の領域６０の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化・溶融する。
【００６９】
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・溶融および生産性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の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。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を使用する場合、撹拌維持工程Ｃ３における第３の加圧力は、１００Ｎ以上７００Ｎ未満の値が好ましい。第３の加圧時間は、１．０秒以上２０秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は５００回転/分以上  １００００回転/分以下の値が好ましい。
【００７０】
（保持工程Ｃ４）
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１０（Ａ）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。
【００７１】
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・固化完了後の接合強度が高められる。
【００７２】
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の素材の種類等に依存して変化する。例えば、アルミニウム合金製金属部材１１を使用する場合、保持工程Ｃ４における第４の加圧力は、例えば７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第４の加圧時間は、例えば１秒以上の値が好ましい。
【００７３】
本実施態様では、少なくとも前記した工程Ｃ２を経て、好ましくは前記した工程Ｃ１およびＣ２を経て、より好ましくは前記した工程Ｃ１〜Ｃ３を経て、また、必要に応じて工程Ｃ４を経て、最終的に、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。
【００７４】
第２ステップにおいて所定の工程を行った後、通常は冷却を行い、溶融樹脂を固化させる。冷却方法は特に限定されず、例えば、放置冷却法、空冷、水冷等が挙げられる。
【００７５】
［第２実施態様］
第２実施態様に係る接合方法では、金属部材１１として図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す金属部材に代えて図２（Ａ）〜（Ｂ）に示す金属部材を用いること以外、第１実施態様と同様の方法により、第１ステップおよび第２ステップを行う。
【００７６】
特に、本実施態様における第２ステップにおいては、少なくとも以下に示す工程Ｃ２を、好ましくは以下に示す工程Ｃ１およびＣ２を、より好ましくは以下に示す工程Ｃ１〜Ｃ３を）行う。必要に応じて工程Ｃ４を行っても良い。
【００７７】
（予熱工程Ｃ１）
予熱工程Ｃ１は、図１１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を回転させること以外、第１実施態様の予熱工程と同様である。図１１は、本実施態様の接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図であり、図２（Ａ）から（Ｂ）に示す金属部材１１を用いている。
【００７８】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
押込み撹拌工程Ｃ２は、図１２（Ａ）に示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込むこと以外、第１実施態様の押込撹拌工程と同様である。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と共に、金属部材１１の回転ツール直下部１１０を樹脂部材１２側に突出変形させる。図１２（Ａ）は、本実施態様の接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図であり、図２（Ａ）から（Ｂ）に示す金属部材１１を用いている。
【００７９】
金属部材１１の回転ツール直下部１１０の突出変形により、溝部１５は図１２（Ａ）に示すように傾斜し、突出変形機構に基づいてアンダーカット形状に変形する。溝部１５が変形後においてアンダーカット形状を有していることは、図１２（Ａ）における一部拡大図に示すように、接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たときに、溝部１５内に、観察できない斜線領域部分１５０が存在することから明らかである。
【００８０】
さらに金属部材１１の回転ツール直下部１１０は回転ツール１６の回転に従動する。これにより、金属部材１１の回転ツール直下部１１０は、図１２（Ｂ）に示すように、回転ツールの回転方向に回転移動する。このとき、直下部１１０の回転移動は、回転ツール１６に近いほど、大きい。このため、溝部１５は、図１２（Ｃ）に示すように、傾斜するようになり、回転変形機構に基づいてアンダーカット形状に変形する。溝部１５が変形後においてアンダーカット形状を有していることは、図１２（Ｃ）における一部拡大図に示すように、接合面１１ａを反押圧方向Ｊで見たときに、溝部１５内に、観察できない斜線領域部分１５０が存在することからも明らかである。図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の接合体を下方からの樹脂部材の透視により観察したときの金属部材１１の樹脂部材１２との接合面１１ａにおける溝部形成領域を示す概略模式図である。図１２（Ｃ）は図１２（Ｂ）のＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。図１２（Ｂ）および（Ｃ）において破線で示される溝部１５’は、金属部材１１が本来的に有していた変形前の溝部の位置を示す。
【００８１】
（撹拌維持工程Ｃ３）
撹拌維持工程Ｃ３は、図１２（Ａ）に示すように、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こと以外、第１実施態様の撹拌維持工程と同様である。
【００８２】
（保持工程Ｃ４）
保持工程Ｃ４は、図１２（Ａ）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こと以外、第１実施態様の保持工程と同様である。
【実施例】
【００８３】
［実施例１］
実施例１は前記第１実施態様に相当する実施例である。
【００８４】
（金属部材）
図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すような金属部材１１を用いた。
詳しくは、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材）に対して、表に示す寸法の溝部１５を図３に示す形状で形成した。本体部１１７の寸法は縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み（Ｋ）１．２ｍｍであった。
【００８５】
（樹脂部材）
マレイン酸変性ポリプロピレンペレット（商品名；モディックＰ５６５、三菱化学社製、ＭＦＲ５．７）３０重量部およびブロックポリプロピレン（商品名；ノバテックＦＹ６、日本ポリプロ社製、ＭＦＲ２．５）７０重量部を用いて射出成形法により、縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み３ｍｍ寸法の平板形状を有する樹脂部材を製造した。
【００８６】
（回転ツール）
回転ツールとしては、図８に示す回転ツール１６を用いた。各部の寸法はＤ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍｍｍであり、工具鋼製のものであった。
【００８７】
（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と樹脂部材１２とを図７および図９に示すように重ね合わせた。
【００８８】
第２ステップ：
図９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３０００ｒｐｍ）。
次いで、図１０（Ａ）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１０（Ａ）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、接合体２０から回転ツール１６を抜き取り、放置冷却した。
【００８９】
図１０（Ａ）に示される溝部１５の傾斜角度θは１０°であった。
図１０（Ｂ）に示される金属部材１１の樹脂部材１２との接合面１１ａにおいて、溝部１５は、回転ツールの回転方向について、変形前の溝部１５’から約１０°だけ回転していた（角度α）。
【００９０】
（接合境界面１３Ａの接合強度）
ＪＩＳ  Ｚ  ３１３６に規定されている方法により、金属部材１１と樹脂部材１２とが接合された接合体を図７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。せん断強度を接合強度として測定した。
【００９１】
［実施例２］
実施例２は前記第２実施態様に相当する実施例である。
金属部材として、図２（Ａ）〜（Ｂ）に示すような金属部材１１を用いたこと、図１１に示すように予熱工程Ｃ１を行ったこと、および図１２（Ａ）に示すように押込み撹拌工程Ｃ２、撹拌維持工程Ｃ３を行ったこと以外、実施例１と同様の方法により、接合体の製造および評価を行った。
本実施例で使用した金属部材１１は、詳しくは、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材に対して、表に示す寸法の溝部１５を図２に示す形状で形成したものである。
【００９２】
図１２（Ａ）に示される溝部１５の傾斜角度θは１０°であった。
図１２（Ｂ）に示される金属部材１１の樹脂部材１２との接合面１１ａにおいて、溝部１５は、回転ツールの回転方向について、変形前の溝部１５’から約１０°だけ回転していた（角度α）。
【００９３】
［比較例１］
比較例１は従来技術に相当する実施例である。
金属部材に溝部１５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、接合体の製造および評価を行った。
【００９４】
【表１】
2015189172.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００９５】
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】
【００９６】
１：摩擦撹拌接合装置
１０：ワーク
１１：金属部材
１１ａ：金属部材の樹脂部材との接合面
１２：樹脂部材
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の直下に対応する金属部材接合面１１ａ上の領域
【図１】
2015189172.tif 000004
【図２】
2015189172.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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