(57)【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、固化させて接合を行う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、
前記熱圧式接合方法が、
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、該摩擦熱により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第２ステップを含む摩擦撹拌接合方法であり、
前記回転ツールの駆動条件を制御して前記付与する熱量をパルス変化させながら前記第２ステップを行って前記接合を行う、金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項２】
前記樹脂部材における押圧部材直下部の金属部材との界面温度が前記樹脂部材の分解温度（Ｔｄ）以下に制御されるように、前記付与する熱量をパルス変化させながら前記接合を行う、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】
前記回転ツールの駆動条件が前記回転ツールの押圧駆動条件および／または回転駆動条件である、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】
前記第２ステップにおいて荷重制御方式を採用し、
前記回転ツールの駆動条件が前記回転ツールの荷重、加圧時間および回転数からなる群から選択される１種以上の駆動条件である、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】
前記第２ステップが、
前記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
を含み、
前記回転ツールの荷重、加圧時間および回転数からなる群から選択される１種以上の駆動条件を制御して前記付与する熱量をパルス変化させながら、前記押込み撹拌工程を行う、請求項４に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項６】
前記押込み撹拌工程では回転ツールを第２の回転数（ｒ２）以下で回転させつつ前記第１の荷重（ｐ１）より大きい第２の荷重（ｐ２）以下で押圧させる駆動を第２の加圧時間（ｔ２）だけ行い、かつ以下の方法から選択される１つの方法に従う、請求項５に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
（ｉ−１）回転ツールをｒ２で回転させつつｐ２で押圧させる駆動単位ｉ−１ａと、回転ツールをｒ２で回転させつつ０．７×ｐ２以下で押圧させる駆動単位ｉ−１ｂとを、ｔ２だけ繰り返す；
（ｉ−２）回転ツールをｒ２で回転させつつｐ２で押圧させる駆動単位ｉ−２ａと、回転ツールを０．５×ｒ２以下で回転させつつｐ２で押圧させる駆動単位ｉ−２ｂとを、ｔ２だけ繰り返す；および
（ｉ−３）回転ツールをｒ２で回転させつつｐ２で押圧させる駆動単位ｉ−３ａと、回転ツールを０．７×ｒ２以下で回転させつつ０．７×ｐ２以下で押圧させる駆動単位ｉ−３ｂとを、ｔ２だけ繰り返す。
【請求項７】
前記第２の荷重（ｐ２）が１５００Ｎ以上３０００Ｎ以下の範囲で調整され、
前記第２の回転数（ｒ２）が２５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下の範囲で調整され、
前記第２の加圧時間（ｔ２）が２秒以上４秒以下の範囲で調整される、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】
前記方法（ｉ−１）〜（ｉ−３）において、
前記駆動単位ｉ−１ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉ−１ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａ、前記駆動単位ｉ−２ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉ−２ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａ、および前記駆動単位ｉ−３ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉ−３ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａが０．５〜２である、請求項６または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ステップにおいて位置制御方式を採用し、
前記回転ツールの駆動条件が前記回転ツールの進入速度、進入量、保持時間および回転数からなる群から選択される１種以上の駆動条件である、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１０】
前記第２ステップが、
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、回転ツールを回転させつつ保持する撹拌維持工程；
を含み、
前記回転ツールの進入速度、進入量、保持時間および回転数からなる群から選択される１種以上の駆動条件を制御して前記付与する熱量をパルス変化させながら、前記押込み撹拌工程を行う、請求項９に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項１１】
前記押込み撹拌工程では回転ツールを第４の回転数（ｒ４）以下で回転させつつ第１の進入速度（ｖ１）以下で第１の進入量（ｄ１）に達するまで進入させ、かつ以下の方法から選択される１つの方法に従う、請求項１０に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
（ｉｉ−１）回転ツールをｒ４で回転させつつｖ１で進入させる駆動単位ｉｉ−１ａと、回転ツールをｒ４で回転させつつ０．５×ｖ１以下で進入させる駆動単位ｉｉ−１ｂとを、進入量がｄ１に達するまで繰り返す；
（ｉｉ−２）回転ツールをｒ４で回転させつつｖ１で進入させる駆動単位ｉｉ−２ａと、回転ツールを０．８×ｒ４以下で回転させつつｖ１で進入させる駆動単位ｉｉ−２ｂとを、進入量がｄ１に達するまで繰り返す；および
（ｉｉ−３）回転ツールをｒ４で回転させつつｖ１で進入させる駆動単位ｉｉ−３ａと、回転ツールを０．８×ｒ４以下で回転させつつ０．５×ｖ１以下で進入させる駆動単位ｉｉ−３ｂとを、進入量がｄ１に達するまで繰り返す。
【請求項１２】
前記第４の回転数（ｒ４）が２５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下の範囲で調整され、
前記第１の進入速度（ｖ１）が５〜５０ｍｍ／分の範囲で調整され、
前記第１の進入量（ｄ１）が、前記金属部材の厚みをＴとしたとき、０．５×Ｔ〜０．９×Ｔの範囲で調整される、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】
前記方法（ｉｉ−１）〜（ｉｉ−３）において、
前記駆動単位ｉｉ−１ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉｉ−１ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａ、前記駆動単位ｉｉ−２ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉｉ−２ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａ、および前記駆動単位ｉｉ−３ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉｉ−３ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａが０．５〜２である、請求項１１または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１５０〜３００℃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、固化させて接合を行う熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合装置であって、
前記熱圧式接合方法が、
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、該摩擦熱により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第２ステップを含む摩擦撹拌接合方法であり、
前記回転ツールの駆動条件を制御して前記付与する熱量をパルス変化させながら前記第２ステップを行って前記接合を行う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、図１５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、摩擦熱を連続的に発生させ、この摩擦熱で樹脂部材２１２を溶融させた後、固化させて金属部材２１１と樹脂部材２１２とを接合する方法である（特許文献１）。
【０００３】
また摩擦撹拌接合方法において、樹脂部材として官能基を有する樹脂部材を用いることにより、高強度に接合する技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５８８８５号公報
【特許文献２】特開２０１４−２０８４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の発明者等は、従来の摩擦撹拌接合方法において、接合強度の向上の観点から、金属部材と樹脂部材との界面における樹脂部材表面の回転ツール直下部だけでなく、その外周部も溶融させると、かえって十分な接合強度が得られないことを見い出した。
【０００６】
詳しくは、従来の摩擦撹拌接合方法においては、摩擦熱を連続的に発生させて、図１６に示すような樹脂部材２１２の回転ツール直下部２６０を溶融させると、図１７に示すように、当該直下部２６０の温度とその外周部２６１の温度との差ｄ’が比較的大きくなった。このため、外周部２６１は十分に溶融せず、十分な接合強度は得られなかった。図１６は、従来の摩擦撹拌接合方法を説明するための概略断面図である。図１７は、従来の摩擦撹拌接合方法における直下部２６０の温度（図１６におけるＫ２６０での界面温度）およびその外周部２６１の温度（図１６におけるＫ２６１での界面温度）の経時変化の一例を示すグラフである。
【０００７】
そこで、直下部２６０だけでなく、その外周部２６１も溶融させるために、摩擦熱を連続的に発生させると、図１８に示すように、直下部２６０の温度とその外周部２６１の温度との差ｄ’’がやはり比較的大きいため、直下部２６０が過熱され、十分な接合強度が得られなかった。直下部の過熱は、金属部材が比較的高い熱伝導率を有するアルミニウムからなる場合よりも、比較的低い熱伝導率を有する鋼板からなる場合において、顕著に起こった。例えば樹脂部材２１２が炭素繊維を４０重量％含有するポリプロピレン樹脂からなる場合、図１４に示すように、樹脂が約３３０℃超に過熱されると、接合強度（せん断強度）が低下した。このような過熱による接合強度の低下は、樹脂分子が過熱により分解されることに基づくものと考えられる。図１８は、従来の摩擦撹拌接合方法における直下部２６０の温度（図１６におけるＫ２６０での界面温度）およびその外周部２６１の温度（図１６におけるＫ２６１での界面温度）の経時変化の一例を示すグラフである。図１４は、実施例で使用された樹脂部材の回転ツール直下部の温度を様々に変化させて接着強度（せん断強度）を測定したときの、当該温度と接合強度との関係を示す。
【０００８】
本発明は、接合強度を十分に向上させることができる金属部材と樹脂部材との接合方法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】
【０００９】
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、固化させて接合を行う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、
前記付与する熱量をパルス変化させながら前記接合を行う、金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の接合方法によれば、接合強度を十分に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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】本発明の接合方法に使用される金属部材および樹脂部材の一例の概略断面図を示すとともに、当該接合方法における予熱工程の一例を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明の接合方法における樹脂部材の回転ツール直下部とその外周部の経時的温度変化を示すグラフの一例である。
【図５】本発明において付与する熱量をパルス変化させるときの熱量の経時的変化の一例を示すグラフである。
【図６】本発明の接合方法に使用される金属部材および樹脂部材一例の概略断面図を示すとともに、当該接合方法における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】本発明の荷重制御方式に係る接合方法において、付与する熱量をパルス変化させながら押込み撹拌工程を行うときの、回転ツールの駆動の制御方法の一例（方法（ｉ−１））を示すグラフである。
【図８】本発明の荷重制御方式に係る接合方法において、付与する熱量をパルス変化させながら押込み撹拌工程を行うときの、回転ツールの駆動の制御方法の一例（方法（ｉ−２））を示すグラフである。
【図９】本発明の荷重制御方式に係る接合方法において、付与する熱量をパルス変化させながら押込み撹拌工程を行うときの、回転ツールの駆動の制御方法の一例（方法（ｉ−３））を示すグラフである。
【図１０】本発明の位置制御方式に係る接合方法において、付与する熱量をパルス変化させながら押込み撹拌工程を行うときの、回転ツールの駆動の制御方法の一例（方法（ｉｉ−１））を示すグラフである。
【図１１】本発明の位置制御方式に係る接合方法において、付与する熱量をパルス変化させながら押込み撹拌工程を行うときの、回転ツールの駆動の制御方法の一例（方法（ｉｉ−２））を示すグラフである。
【図１２】本発明の位置制御方式に係る接合方法において、付与する熱量をパルス変化させながら押込み撹拌工程を行うときの、回転ツールの駆動の制御方法の一例（方法（ｉｉ−３））を示すグラフである。
【図１３】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１４】本発明の実施例で使用される樹脂部材を用いて、回転ツール直下部の温度を様々に変化させて接着強度（せん断強度）を測定したときの、当該温度と接合強度との関係を示す。
【図１５】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。
【図１６】従来技術において接合強度が低下するメカニズムを説明するための、金属部材および樹脂部材の一例の概略断面図である。
【図１７】従来技術における樹脂部材の回転ツール直下部とその外周部の経時的温度変化を示すグラフの一例である。
【図１８】従来技術における樹脂部材の回転ツール直下部とその外周部の経時的温度変化を示すグラフの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、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、後述するように、付与する熱量をパルス変化させながら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熱および圧力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。
【００１３】
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、金属部材側から樹脂部材を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。
【００１４】
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側から樹脂部材を加圧しながら、超音波（熱付与手段）により押圧部材及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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、付与する熱量をパルス変化させながら接合を行う限り、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。
【００１９】
［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１４を用いて具体的に説明する。
【００２０】
（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。
【００２１】
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。
【００２２】
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及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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
摩擦撹拌接合装置１は、押圧部材としての回転ツール１６の駆動により、付与する熱量をパルス変化させることができるように、回転ツールの駆動条件、特に押圧駆動条件および／または回転駆動条件、好ましくは押圧駆動条件および回転駆動条件、を制御する駆動制御装置（図示せず）を含む。
【００２６】
駆動制御装置は、後で詳述するように、回転ツールに加える荷重、加圧時間および回転数を制御する荷重制御方式を採用してもよいし、または回転ツールの進入速度、進入量、特定位置での保持時間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。
【００２７】
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。
【００２８】
（２）接合方法
本発明においては、金属部材１１および樹脂部材１２に付与する熱量を制御しながら接合を行う。詳しくは、付与する熱量をパルス変化させながら接合を行う。付与する熱量をパルス変化させながら接合を行うとは、付与する熱量の大／小の切り替えを繰り返しながら接合を行う、という意味であり、具体的には、圧力および熱を付与して接合を行うに際して、比較的大きい熱量と、比較的小さい熱量とを繰り返し付与する、という意味である。このような熱量の制御により、接合時において、図３に示すような金属部材１１と樹脂部材１２との境界面１３における樹脂部材１２の回転ツール直下部６０とその外周部６１との温度差ｄを、図４に示すように、減小させることができる。その結果として、直下部６０の過熱が抑制され、当該直下部６０の温度を樹脂部材１２の分解温度（Ｔｄ（℃））以下に制御しつつ、金属部材１１中での熱伝導が十分に達成され、外周部６１も溶融させることができる。このため、直下部６０における樹脂分子の分解が抑制されつつ、当該直下部６０およびその外周部６１の溶融が十分に起こり、これらの両方が金属部材１１と接合し、接合強度を十分に向上させることができる。図３は、本発明の接合方法に使用される金属部材および樹脂部材の一例の概略断面図を示す。図４は、本発明の摩擦撹拌接合方法における直下部６０の温度Ｔ６０（図３におけるＰ６０での界面温度）およびその外周部６１の温度Ｔ６１（図３におけるＰ６１での界面温度）の経時変化の一例を示すグラフである。
【００２９】
図４において、直下部６０の温度Ｔ６０およびその外周部６１の温度Ｔ６１は、熱量の制御により、接合寄与範囲（約２００〜３００℃）に制御されているが、このような接合寄与範囲は使用される樹脂部材１２の融点Ｔｍ（℃）および分解温度Ｔｄ（℃）に基づいて決定される。接合寄与範囲とは、樹脂分子の分解なしに、接合に寄与する溶融が可能な温度範囲という意味である。接合寄与範囲は通常、樹脂部材１２の融点Ｔｍ以上分解温度Ｔｄ以下、であり、好ましくはＴｍ＋３０（℃）〜Ｔｍ＋１３０（℃）である。なお、直下部６０およびその外周部６１と、熱量を付与する回転ツール１６との位置関係より、外周部６１の温度Ｔ６１が直下部６０の温度Ｔ６０を超えることはない。
【００３０】
本発明においては、直下部６０の温度Ｔ６０も、その外周部６１の温度Ｔ６１も、早期に接合寄与範囲に到達し、かつ到達後は最終の冷却工程まで当該接合寄与範囲内で推移することが好ましい。接合強度のさらなる向上の観点からは、直下部６０の温度Ｔ６０およびその外周部６１の温度Ｔ６１が接合寄与範囲で推移する時間は長いほど好ましい。
【００３１】
本発明において、熱量のパルス変化の波形（比較的大きい熱量と比較的小さい熱量との繰り返しの形態）は、樹脂部材における回転ツール直下部６０の温度をＴｄ以下に制御できる限り、特に限定されず、例えば、図５に示すように周期的であってもよいし、または非周期的であってもよい。熱量制御の容易性の観点から好ましくは、付与する熱量は周期的にパルス変化させる。図５は、本発明において付与する熱量をパルス変化させるときの熱量の経時的変化の一例を示すグラフである。図５において、「７０」は比較的大きい熱量を付与している時を示し、「７１」は比較的小さい熱量を付与している時を示す。
【００３２】
図５において、熱量のパルス波形は矩形波で示されているが、比較的大きい熱量と比較的小さい熱量が繰り返し付与される限り、その波形は特に限定されるものではなく、例えば、正弦波、三角波、のこぎり波であってもよい。
【００３３】
比較的大きい熱量Ｈａおよびその単位付与時間Ｔａ、比較的小さい熱量Ｈｂおよびその単位付与時間Ｔｂ、ならびにそれらの比率および周期Ｔｃは、樹脂部材１２における回転ツール直下部６０とその外周部６１との温度差ｄの減小により当該直下部の温度をＴｄ以下に制御できる限り、特に限定されない。
【００３４】
熱量Ｈｂは通常、０．７×Ｈａ以下であり、好ましくは０．５×Ｈａ以下であり、より好ましくは０．３×Ｈａ以下であり、さらに好ましくは０である。
比率Ｈｂ／Ｈａは通常、０．７以下であり、好ましくは０．５以下、より好ましくは０．３以下であり、さらに好ましくは０である。
比率Ｔｂ／Ｔａは通常、０．５〜２であり、好ましくは０．８〜１．２、より好ましくは１である。
ＴａおよびＴｂはそれぞれ独立して通常、０．１〜１秒間であり、好ましくは０．１〜０．５秒間、より好ましくは０．１〜０．３秒間である。
Ｔｃは通常、０．２〜２秒間であり、好ましくは０．２〜１秒間、より好ましくは０．２〜０．６秒間である。
【００３５】
比較的大きい熱量Ｈａと比較的小さい熱量Ｈｂとの繰り返しにおいて、比率Ｈｂ／Ｈａおよび／またはＨｂを小さくする、または比率Ｔｂ／Ｔａおよび／またはＴｂを大きくすると、樹脂部材における回転ツール直下部とその外周部との温度差ｄが減少し、当該回転ツール直下部の温度が低下する傾向を示す。他方、当該繰り返しにおいて、比率Ｈｂ／Ｈａおよび／またはＨｂを大きくする、または比率Ｔｂ／Ｔａおよび／またはＴｂを小さくすると、樹脂部材における回転ツール直下部とその外周部との温度差ｄが増加し、当該回転ツール直下部の温度が増加する傾向を示す。
【００３６】
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においては、上記した熱量の制御は、回転ツール１６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、を制御することにより行うことができる。具体的な、制御因子およびその制御方法は荷重制御方式と位置制御方式とで異なるため、後で詳述する。
【００３７】
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、この摩擦熱により樹脂部材１２を軟化および溶融させた後、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：
を含むものである。
【００３８】
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においては、上記したように熱量をパルス変化させながら第２ステップを行えばよい。
【００３９】
第１ステップにおいては、図１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。
【００４０】
第２ステップにおいては、回転ツールの駆動条件を制御して、上記のように熱量をパルス変化させる。第２ステップにおいては、回転ツールに加える荷重、加圧時間および回転数を制御する荷重制御方式、または回転ツールの進入速度、進入量、特定位置での保持時間および回転数を制御する位置制御方式を採用する。以下、荷重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、位置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：荷重制御方式＞
本実施態様においては、回転ツールの駆動条件として、回転ツールに加える荷重、加圧時間および回転数からなる群から選択される１種以上の駆動条件を制御して、上記のように熱量をパルス変化させながら、第２ステップを行えばよい。
【００４２】
本実施態様の第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押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行うことが好ましい。
【００４３】
本実施態様の第２ステップにおいては、前記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。
【００４４】
本実施態様の第２ステップにおいては、前記押込撹拌工程の後に、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。
【００４５】
本実施態様の第２ステップにおいては、予熱工程、押込み撹拌工程および撹拌維持工程のうち、少なくとも押込み撹拌工程を行うに際し、上記のように熱量をパルス変化させればよい。
【００４６】
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。
【００４７】
（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３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の荷重ｐ１（例えば、９００〜１２００Ｎ）で、第１の加圧時間ｔ１（例えば、（１〜２秒）だけ、第１の回転数ｒ１（例えば、２５００〜３５００ｒｐｍ）で回転させる。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。
【００４８】
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の押圧領域Ｐ（回転ツール１６による押圧領域）の範囲及び押圧領域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。
【００４９】
本工程において付与される熱量は、主として、第１の荷重ｐ１の大きさ、第１の加圧時間ｔ１の長さ、および回転ツールの第１の回転数ｒ１の大きさによって決まる。
【００５０】
本予熱工程Ｃ１の第１の荷重ｐ１及び第１の加圧時間ｔ１は、上記熱量の制御、次工程での回転ツールの押込み易さ、樹脂部材の軟化・溶融のし易さ、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、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ればよい。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および後述の融点の樹脂部材１２を使用する場合、予熱工程Ｃ１における第１の荷重ｐ１は、１３００Ｎ未満が好ましい。第１の加圧時間ｔ１は０．５秒以上が好ましい。回転ツールの回転数ｒ１は４０００ｒｐｍ以下が好ましい。
【００５１】
（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周領域への流動（図６の矢印方向）を促進させることができる。図６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。
【００５２】
詳しくは、押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を、第１の荷重ｐ１より大きい第２の荷重ｐ２（例えば、１５００Ｎ〜３０００Ｎ）で、第２の加圧時間ｔ２（例えば、２〜４秒）だけ、第２の回転数ｒ２（例えば、２５００〜３５００ｒｐｍ）で回転させる。
【００５３】
押込み撹拌工程Ｃ２では、荷重が予熱工程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、その外周領域まで流動する（図６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領域（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接合が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きる。
【００５４】
仮に、回転ツール１６がさらに押し込まれると（つまり荷重が高過ぎ及び／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、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。
【００５５】
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の固化が促進される。
【００５６】
本工程において付与される熱量は、主として、第２の荷重ｐ２の大きさ、第２の加圧時間ｔ２の長さ、および回転ツールの第２の回転数ｒ２の大きさによって決まる。
【００５７】
本押込み撹拌工程Ｃ２において、特に上記のように熱量をパルス変化させるためには、回転ツールを第２の回転数（ｒ２）以下で回転させつつ前記第１の荷重（ｐ１）より大きい第２の荷重（ｐ２）以下で押圧させる駆動を第２の加圧時間（ｔ２）だけ行い、かつ以下の方法から選択される１つの方法に従う：
（ｉ−１）図７に示すように、回転ツールをｒ２で回転させつつｐ２で押圧させる駆動単位ｉ−１ａと、回転ツールをｒ２で回転させつつ０．７×ｐ２以下で押圧させる駆動単位ｉ−１ｂとを、ｔ２だけ繰り返す；駆動単位ｉ−１ｂにおいて、荷重は０．５×ｐ２以下が好ましく、より好ましくは０．３×ｐ２以下であり、さらに好ましくは０Ｎである；
（ｉ−２）図８に示すように、回転ツールをｒ２で回転させつつｐ２で押圧させる駆動単位ｉ−２ａと、回転ツールを０．５×ｒ２以下で回転させつつｐ２で押圧させる駆動単位ｉ−２ｂとを、ｔ２だけ繰り返す；駆動単位ｉ−２ｂにおいて、回転数は０．３×ｒ２以下が好ましく、より好ましくは０．１×ｒ２以下であり、さらに好ましくは０ｒｐｍである；
（ｉ−３）図９に示すように、回転ツールをｒ２で回転させつつｐ２で押圧させる駆動単位ｉ−３ａと、回転ツールを０．７×ｒ２以下で回転させつつ０．７×ｐ２以下で押圧させる駆動単位ｉ−３ｂとを、ｔ２だけ繰り返す；駆動単位ｉ−３ｂにおいて、荷重は０．６×ｐ２以下が好ましく、より好ましくは０．５×ｐ２以下であり、さらに好ましくは０Ｎである；駆動単位ｉ−３ｂにおいて、回転数は０．６×ｒ２以下が好ましく、より好ましくは０．５×ｒ２以下であり、さらに好ましくは０ｒｐｍである；および
（ｉ−４）前記（ｉ−１）〜（ｉ−３）の駆動単位から選択され、荷重および／または回転数が異なる２種以上の駆動単位を組み合わせてｔ２だけ繰り返す。
【００５８】
上記方法（ｉ−１）、（ｉ−２）または（ｉ−３）、特に方法（ｉ−１）および（ｉ−３）が好ましい。
【００５９】
本押込み撹拌工程Ｃ２の第２の荷重ｐ２及び第２の加圧時間ｔ２は、上記熱量の制御、上記のような金属部材１１の孔開き回避、回転ツール１６の樹脂部材１２への近接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、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および後述の融点の樹脂部材１２を使用する場合、押込み撹拌工程Ｃ２における第２の荷重ｐ２は、３０００Ｎ以下が好ましい。第２の加圧時間ｔ２は、４秒以下が好ましい。回転ツールの第２の回転数ｒ２は３５００ｒｐｍ以下が好ましい。
【００６０】
本工程において付与される熱量は、方法（ｉ−１）〜（ｉ−３）における各駆動単位の駆動単位時間の比率によっても変化し得る。例えば、前記駆動単位ｉ−１ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉ−１ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａ、前記駆動単位ｉ−２ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉ−２ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａ、および前記駆動単位ｉ−３ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉ−３ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａは通常、０．５〜２であり、好ましくは０．８〜１．２、より好ましくは１である。本工程においてｔａおよびｔｂはそれぞれ独立して通常、０．１〜１秒間であり、好ましくは０．１〜０．５秒間、より好ましくは０．１〜０．３秒間である。
【００６１】
（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６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の荷重ｐ１より小さい第３の荷重ｐ３（例えば、５００〜８００Ｎ）で、第３の加圧時間ｔ３（例えば、２〜４秒）だけ、第３の回転数（例えば、１５００〜２５００ｒｐｍ）で回転させる。
【００６２】
撹拌維持工程Ｃ３では、荷重ｐ３が押込み撹拌工程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が、ツールに加わる荷重が小さいため、発生する摩擦熱が少なく、溶融した樹脂が十分に固化する。
【００６３】
本工程において付与される熱量は、主として、第３の荷重ｐ３の大きさ、第３の加圧時間ｔ３の長さ、および回転ツールの第３の回転数ｒ３の大きさによって決まる。
【００６４】
本撹拌維持工程Ｃ３の第３の荷重ｐ３及び第３の加圧時間ｔ３は、上記熱量の制御、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、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および後述の融点の樹脂部材１２を使用する場合、撹拌維持工程Ｃ３における第３の荷重ｐ３は８００Ｎ未満が好ましい。第３の加圧時間ｔ３は、２．０秒以上が好ましい。回転ツールの第３の回転数ｒ３は２５００ｒｐｍ以下が好ましい。
【００６５】
本実施態様において最終工程を行った後は、通常、冷却することにより、固化を促進しても良い。冷却方法は特に限定されず、放置冷却を行ってもよいし、または外部から強制的に冷却を行ってもよい。
【００６６】
＜第２実施態様：位置制御方式＞
本実施態様においては、回転ツールの駆動条件として、回転ツールの進入速度、進入量、保持時間および回転数からなる群から選択される１種以上の駆動条件を制御して、上記のように熱量をパルス変化させながら、第２ステップを行えばよい。
【００６７】
本実施態様の第２ステップにおいても、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押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行うことが好ましい。
【００６８】
本実施態様の第２ステップにおいては、前記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を行ってもよいが、位置制御方式を採用するため、通常は行わない。
【００６９】
前記押込撹拌工程の後に、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を行うことが好ましいが、当該工程は必ずしも行わなければならないというわけではない。
【００７０】
本実施態様の第２ステップにおいては、押込み撹拌工程および撹拌維持工程から選択される少なくとも１つの工程を行うに際し、上記のように熱量をパルス変化させればよい。樹脂部材における回転ツール直下部６０の温度をより十分に低下させる観点からは、押込み撹拌工程を行うに際し、上記のように熱量をパルス変化させることが好ましい。
【００７１】
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。
【００７２】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２は、以下の方法により位置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。詳しくは、本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２では、図６に示すように、回転ツール１６を、第４の回転数ｒ４（例えば、２５００〜３５００ｒｐｍ）で回転させつつ、第１の進入速度ｖ１（例えば、５〜５０ｍｍ／分）で第１の進入量（進入深さ）ｄ１（例えば、前記金属部材の厚みをＴ（ｍｍ）としたとき０．５×Ｔ〜０．９×Ｔ）に達するまで進入させる。
【００７３】
押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を第１の進入速度で第１の進入量まで進入させることにより、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、第１実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２においてと同様に、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、その外周領域まで流動する（図６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領域（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接合が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きる。
【００７４】
本工程において付与される熱量は、主として、回転ツールの第１の進入速度ｖ１の大きさ、第１の進入量ｄ１の大きさおよび第４の回転数ｒ４の大きさによって決まる。
【００７５】
本押込み撹拌工程Ｃ２において、特に上記のように熱量をパルス変化させるためには、第４の回転数（ｒ４）以下で回転させつつ第１の進入速度（ｖ１）以下で第１の進入量（ｄ１）に達するまで進入させ、かつ以下の方法から選択される１つの方法に従う：
（ｉｉ−１）図１０に示すように、回転ツールをｒ４で回転させつつｖ１で進入させる駆動単位ｉｉ−１ａと、回転ツールをｒ４で回転させつつ０．５×ｖ１以下で進入させる駆動単位ｉｉ−１ｂとを、進入量がｄ１に達するまで繰り返す；駆動単位ｉｉ−１ｂにおいて、進入速度は０．３×ｖ１以下が好ましく、より好ましくは０．１×ｖ１以下であり、さらに好ましくは０ｍｍ／分である；
（ｉｉ−２）図１１に示すように、回転ツールをｒ４で回転させつつｖ１で進入させる駆動単位ｉｉ−２ａと、回転ツールを０．８×ｒ４以下で回転させつつｖ１で進入させる駆動単位ｉｉ−２ｂとを、進入量がｄ１に達するまで繰り返す；駆動単位ｉｉ−２ｂにおいて、回転数は０．６×ｒ４以下が好ましく、より好ましくは０．５×ｒ４以下であり、さらに好ましくは０．４×ｒ４以下である；
（ｉｉ−３）図１２に示すように、回転ツールをｒ４で回転させつつｖ１で進入させる駆動単位ｉｉ−３ａと、回転ツールを０．８×ｒ４以下で回転させつつ０．５×ｖ１以下で進入させる駆動単位ｉｉ−３ｂとを、進入量がｄ１に達するまで繰り返す；駆動単位ｉｉ−３ｂにおいて、進入速度は０．３×ｖ１以下が好ましく、より好ましくは０．１×ｖ１以下であり、さらに好ましくは０ｍｍ／分である；駆動単位ｉｉ−３ｂにおいて、回転数は０．６×ｒ４以下が好ましく、より好ましくは０．５×ｒ４以下であり、さらに好ましくは０．４×ｒ４以下である；および
（ｉｉ−４）前記（ｉｉ−１）〜（ｉｉ−３）の駆動単位から選択され、進入速度および／または回転数が異なる２種以上の駆動単位を組み合わせて進入量がｄ１に達するまで繰り返す。
【００７６】
接合強度のさらなる向上および接合時間の短縮の観点から、上記方法（ｉｉ−１）、（ｉｉ−２）または（ｉｉ−３）、特に方法（ｉｉ−１）、が好ましい。
【００７７】
本押込み撹拌工程Ｃ２の回転ツールの第１の進入速度ｖ１および第１の進入量ｄ１は、上記熱量の制御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、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および後述の融点の樹脂部材１２を使用する場合、押込み撹拌工程Ｃ２における第１の進入速度ｖ１は１０〜３０ｍｍ／分が好ましい。第１の進入量ｄ１は、金属部材の厚みをＴ（ｍｍ）としたとき、０．４×Ｔ〜０．９５×Ｔが好ましい。進入量は、金属部材の表面からその厚み方向での進入深さである。回転ツールの第４の回転数ｒ４は２５００ｒｐｍ以上が好ましい。
【００７８】
本工程において付与される熱量は、方法（ｉｉ−１）〜（ｉｉ−３）における各駆動単位の駆動単位時間の比率によっても変化し得る。例えば、前記駆動単位ｉｉ−１ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉｉ−１ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａ、前記駆動単位ｉｉ−２ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉｉ−２ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａ、および前記駆動単位ｉｉ−３ａの駆動単位時間ｔａと前記駆動単位ｉｉ−３ｂの駆動単位時間ｔｂとの比率ｔｂ／ｔａは通常、０．５〜２であり、好ましくは０．８〜１．２、より好ましくは１である。本工程においてｔａおよびｔｂはそれぞれ独立して通常、０．１〜１秒間であり、好ましくは０．１〜０．５秒間、より好ましくは０．１〜０．３秒間である。
【００７９】
本工程において回転ツール１６が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。
【００８０】
（撹拌維持工程Ｃ３）
本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３は、位置制御方式を採用するため金属部材に対して圧力を付与しないこと以外、第１実施態様の撹拌維持工程Ｃ３と同様である。詳しくは回転ツール１６により金属部材１１に対して圧力を付与することなく、図６に示すように、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、回転ツールを第５の回転数（ｒ５）で回転させつつ、第１の保持時間（ｊ１）だけ保持する。これにより、摩擦熱の発生が抑制され、樹脂部材１２は十分に固化する。
【００８１】
撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１６を上記所定の位置で第５の回転数（ｒ５）にて回転させつつ、第１の保持時間（例えば、２〜４秒）だけ保持する。
【００８２】
本工程において付与される熱量は、主として、回転ツールの第５の回転数ｒ５の大きさおよび第１の保持時間ｊ１の長さによって決まる。
【００８３】
本撹拌維持工程Ｃ３の回転ツールの第１の保持時間ｊ１は、上記熱量の制御、上記のような樹脂部材１２の広い範囲での十分な固化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、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および後述の融点の樹脂部材１２を使用する場合、撹拌維持工程Ｃ３における保持時間ｊ１は、４秒以下が好ましい。回転ツールの第５の回転数ｒ５は２５００ｒｐｍ以下が好ましい。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は行わなくてもよいことを意味する。上記押込み撹拌工程Ｃ２工程だけでも、熱量を制御して樹脂部材における回転ツール直下部６０の温度をより十分に低下させ得るためである。特に、上記押込み撹拌工程Ｃ２において回転ツールの進入量、進入速度および回転数が上記範囲内であるとき、本撹拌維持工程Ｃ３における保持時間は通常、２秒以上４秒以下である。
【００８４】
本実施態様においても最終工程を行った後は、通常、冷却することにより、固化を促進しても良い。冷却方法は特に限定されず、放置冷却を行ってもよいし、または外部から強制的に冷却を行ってもよい。
【００８５】
（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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
（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。
【００９０】
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）。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
樹脂部材１２に含有される強化繊維は、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ればよい。強化繊維は連続繊維であってもよいし、または不連続繊維であってもよいが、本発明において強化繊維は、特に不連続繊維であることが好ましい。
【００９７】
強化繊維は樹脂部材中、ランダム配向形態で含有されることが好ましく、平均繊維長Ｌが通常、５０ｍｍ以下、特に１ｍｍ超５０ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ超３０ｍｍ以下である。強化繊維の平均繊維径は特に制限されるものではなく、例えば、２〜２０μｍであり、好ましくは６〜１５μｍである。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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
樹脂部材１２は、熱可塑性ポリマー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。
【０１０１】
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、１５０〜３００℃である。
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。
【０１０２】
（５）接合体
本発明の接合方法により接合された金属部材１１と樹脂部材１２との接合体は、樹脂部材１２における回転ツール直下部６０とその外周部６１との両方が金属部材１１と十分に接合しているため、より高い接合強度を有している。
【０１０３】
樹脂部材１２における回転ツール直下部６０とその外周部６１との両方が金属部材１１と十分に接合していることは、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１２の金属部材側表面１２１を観察することにより、知見できる。詳しくは、金属部材の剥離後、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１において、直下部６０の表面もその外周部の表面も、樹脂の凝集破壊の状態にあるため、これらの表面は金属部材１１と十分に接合していたことが明らかである。凝集破壊は、剥離面の金属側に樹脂の表層部が残った状態である。他方、樹脂部材１２の直下部６０において樹脂分子が過熱により分解されていると、直下部のみ界面剥離の状態にあるため、当該表面は金属部材１１と十分に接合していなかったことが明らかである。界面剥離は金属側に樹脂表層部が残存せず、金属と樹脂の界面で剥離することである。
【０１０４】
以上、押圧部材（特に回転ツール）を金属部材の表面上、面方向で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。本発明は、上記面方向において回転ツールを移動させながら、線状に金属部材と樹脂部材との接合を行う場合（線接合）に適用されることを妨げるものではないが、本発明においては、三次元形状をした部材への施工性の向上の観点から、点接合を行うことが好ましい。
【実施例】
【０１０５】
［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。
【０１０６】
［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。
【０１０７】
［回転ツール］
図２に示す回転ツール１６（Ｄ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍ；工具鋼製）を用いた。
【０１０８】
［実施例Ａ１］（荷重制御方式）
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に示すように重ね合わせた。
【０１０９】
第２ステップ：
まず、図３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）。ｒ１＝２５００ｒｐｍ、ｐ１＝９００Ｎ、時間＝１秒。
【０１１０】
その後、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（押込み撹拌工程Ｃ２）。このとき、前記方法（ｉ−１）に従い、図７に示すように、回転ツールを３０００ｒｐｍ（ｒ２）で回転させつつ３０００Ｎ（ｐ２）で押圧させる駆動単位ｉ−１ａ（ｔａ＝０．２秒）と、回転ツールを３０００ｒｐｍで回転させつつ１５００Ｎで押圧させる駆動単位ｉ−１ｂ（ｔｂ＝０．２秒）とを、４秒（ｔ２）だけ周期的に繰り返した。
【０１１１】
次いで、図６に示すように、回転ツール１６を接合境界面１３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）。ｒ３＝２０００ｒｐｍ、ｐ３＝５００Ｎ、時間＝２秒。
【０１１２】
押込み撹拌工程において、樹脂部材１２の回転ツール直下部６０の温度Ｔ６０（図３におけるＰ６０での界面温度）およびその外周部６１の温度Ｔ６１（図３におけるＰ６１での界面温度）を測定したところ、図４に示す経時変化を示した。直下部６０の温度Ｔ６０は押込み撹拌工程の初期に接合寄与範囲（２００〜３００℃）に到達し、外周部６１の温度Ｔ６１は押込み撹拌工程の終期に接合寄与範囲に到達し、いずれの温度も到達後は撹拌維持工程まで当該接合寄与範囲内で推移した。なお、Ｐ６０は回転ツール１６の軸上の測定点であり、Ｐ６１はＰ６０からの距離が１０ｍｍの測定点である。
【０１１３】
次いで、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。
【０１１４】
（接合強度）
ＪＩＳ  Ｚ３１４０「スポット溶接部の検査方法」で規定されているＡ級せん断強度（特に強さを要求する部材に適用可能）に基づいて測定した。詳しくは、図１３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強度Ｓを測定した。
◎；６．０ｋＮ≦Ｓ；
○；３．５ｋＮ≦Ｓ＜６．０ｋＮ；
△；２．５ｋＮ≦Ｓ＜３．５Ｎ；（実用上問題なし）
×；Ｓ＜２．５ｋＮ（実用上問題あり）。
【０１１５】
（分解温度）
樹脂部材の分解温度を以下の方法により測定したところ、３３５℃であった。樹脂の分解は、温度とその温度に晒された時間で決まる。ポリプロピレン（ＰＰ）の分解温度は概ね２８８℃であるが、短時間であれば３３５℃までは許容できる。
以下の方法により第２ステップを行ったこと以外、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および接合強度の測定を行った。その際、以下の第２ステップにおいて、押込み撹拌工程での荷重や回転数を調整することにより、樹脂部材１２の回転ツール直下部６０の温度Ｔ６０（図３におけるＰ６０での界面温度）を様々な温度に制御し、当該温度と接着強度との関係を図１４に示した。図１４におけるピーク温度を分解温度とする。Ｔ６０は経時変化における最高温度である。
【０１１６】
第２ステップ： 
図３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：荷重９００Ｎ、加圧時間１．００秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
その後、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（押込み撹拌工程：荷重１５００〜２５００Ｎ、加圧時間４秒、ツール回転数５００〜３０００ｒｐｍ。
次いで、図６に示すように、回転ツール１６を接合境界面１３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：荷重５００Ｎ、加圧時間２．７５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、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。
【０１１７】
［比較例Ａ１］
以下の方法により第２ステップを行ったこと以外、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および接合体の評価を行った。
【０１１８】
第２ステップ：
実施例Ａ１と同様の方法により、予熱工程を行った。
熱量を制御することなく、押込み撹拌工程を行った。詳しくは、荷重を３０００Ｎに一定に維持したこと、回転数を３０００ｒｐｍに一定に維持したこと、および加圧時間を４秒としたこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、押込み撹拌工程を行った。
実施例Ａ１と同様の方法により、撹拌維持工程を行った。
【０１１９】
［実施例Ｂ１］（位置制御方式）
以下の方法により第２ステップを行ったこと以外、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および接合体の評価を行った。
【０１２０】
第２ステップ：
予熱工程Ｃ１を行うことなく、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（押込み撹拌工程Ｃ２）。このとき、前記方法（ｉｉ−１）に従い、図１０に示すように、回転ツールを３０００ｒｐｍ（ｒ４）で回転させつつ２０ｍｍ／分（ｖ１）で進入させる駆動単位ｉｉ−１ａ（ｔａ＝０．３秒）と、回転ツールを３０００ｒｐｍで回転させつつ進入速度５ｍｍ／分で進入させる駆動単位ｉｉ−１ｂ（ｔｂ＝０．３秒）とを、進入量が０．８ｍｍ（ｄ１）に達するまで周期的に繰り返した。
【０１２１】
次いで、図６に示すように、回転ツール１６を接合境界面１３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：保持時間１．０秒、ツール回転数２０００ｒｐｍ）。
【０１２２】
［比較例Ｂ１］
以下の方法により第２ステップを行ったこと以外、実施例Ｂ１と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合および接合体の評価を行った。
【０１２３】
第２ステップ：
熱量を制御することなく、押込み撹拌工程を行った。詳しくは、進入速度を２０ｍｍ／分に一定に維持したこと、および回転数を３０００ｒｐｍに一定に維持したこと以外、実施例Ｂ１と同様の方法により、押込み撹拌工程を行った。
実施例Ｂ１と同様の方法により、撹拌維持工程を行った。
【０１２４】
【表１】
0006327268.tif 000002
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
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】
【０１２６】
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
６０：金属部材と樹脂部材との境界面における樹脂部材の回転ツール直下部
６１：樹脂部材における回転ツール直下部の外周部
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）
１２１：樹脂部材の金属部材側表面
【図１】
0006327268.tif 000003
【図２】
0006327268.tif 000004
【図３】
0006327268.tif 000005
【図４】
0006327268.tif 000006
【図５】
0006327268.tif 000007
【図６】
0006327268.tif 000008
【図７】
0006327268.tif 000009
【図８】
0006327268.tif 000010
【図９】
0006327268.tif 000011
【図１０】
0006327268.tif 000012
【図１１】
0006327268.tif 000013
【図１２】
0006327268.tif 000014
【図１３】
0006327268.tif 000015
【図１４】
0006327268.tif 000016
【図１５】
0006327268.tif 000017
【図１６】
0006327268.tif 000018
【図１７】
0006327268.tif 000019
【図１８】
0006327268.tif 000020