(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材と強化繊維を含有する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、
前記樹脂部材における溶融固化領域の金属部材側表面に気泡層が０（０を含まず）〜１（１を含む）ｍｍの厚みで形成されるように、前記回転ツールの駆動を制御して接合を行う、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溶融固化領域の金属部材側表面に気泡層が前記厚みで形成されるように、押圧部材の駆動および熱の付与を制御する、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】
回転ツールの押圧駆動および／または回転駆動を制御する、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ステップにおいて圧力制御方式を採用し、
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、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、
前記予熱工程では回転ツールを第１の加圧力で押圧しつつ第１の加圧時間だけ回転させ、
前記押込み撹拌工程では回転ツールを前記第１の加圧力より大きい第２の加圧力で押圧しつつ前記第１の加圧時間より短い第２の加圧時間だけ回転させ、
前記撹拌維持工程では回転ツールを前記第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】
前記予熱工程において、第１の加圧力を６００Ｎ以上１３００Ｎ未満の範囲で調整し、第１の加圧時間を０．５秒以上２．０秒未満の範囲で調整し、
前記押込み撹拌工程において、第２の加圧力を１３００Ｎ以上２２００Ｎ未満の範囲で調整し、第２の加圧時間を０．１秒以上０．５秒未満の範囲で調整し、
前記撹拌維持工程において、第３の加圧力を１００Ｎ以上１２００Ｎ未満の範囲で調整し、第３の加圧時間を２．０秒以上８．５秒未満の範囲で調整する、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ステップにおいて位置制御方式を採用し、
回転ツールの座標位置、特定位置での保持時間および回転数を制御する、請求項１〜７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９】
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を含み、
前記押込み撹拌工程では回転ツールを、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、金属部材に進入させる、請求項８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２．０秒以上８．５秒未満だけ保持し、
前記押込み撹拌工程では回転ツールを０．０５〜１ｍｍ／秒の進入速度で進入させる、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９または１０に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項１２】
前記金属部材の厚みＴが０．５〜４ｍｍである、請求項１〜１１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１３】
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１〜１２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１４】
前記回転ツールが、金属部材と接触する先端部において、該回転ツールの中心軸線上に突設されたピン部および該ピン部を支持するショルダ部を有し、前記ショルダ部がすり鉢状に窪んだ傾斜面を有する、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】
前記強化繊維の平均繊維長Ｌが１ｍｍ超５０ｍｍ以下である、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】
前記樹脂部材が該樹脂部材全量に対して１０〜５０重量％の割合で前記強化繊維を含有する、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。
【請求項１７】
前記樹脂部材が、熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含む混合物を射出成形法またはプレス成形法に供することにより、製造されたものである、請求項１〜１６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１８】
前記固化を放置冷却により行う、請求項１〜１７のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法、接合体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。
【０００４】
一方、樹脂部材に強化繊維を含有させて、樹脂部材の強度を向上させる技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、従来の摩擦撹拌接合方法において、強化繊維を含有する樹脂部材を用いた場合、接合強度が低下することがあった。
【０００７】
本発明の発明者等は、このような接合強度の低下の現象を鋭意研究した結果、当該現象は、樹脂部材に含有される強化繊維のスプリングバックに起因することを見い出した。具体的には、図９（Ａ）に示すように、押圧部材２１６を金属部材２１１に押し込んで、摩擦熱により、樹脂部材２１２の押圧部材直下領域２２１およびその外周領域を溶融させた後、固化させると、樹脂部材２１２の当該溶融固化領域においてスプリングバックが生じた。スプリングバックとは、湾曲した強化繊維が樹脂部材２１２の溶融時に拘束力から解放され、まっすぐに戻ろうと変形する現象である。このようなスプリングバックが生じると、図９（Ｂ）に示すように、樹脂部材２１２における溶融固化領域において、気泡が混入して、見掛け上、発泡したように見える気泡層（いわゆるスプリングバック層）２２２が形成され、強度の低い気泡層２２２内で層内破断が生じることで接合強度が低下するものと考えられる。
【０００８】
そこで発明者等は、気泡層の形成を防止する試みを種々検討したところ、特別な樹脂部材を用いたり、特別な冷却を行ったりする必要があり、極めて煩雑であった。
【０００９】
本発明は、樹脂部材に強化繊維を含有させた場合であっても、樹脂部材と金属部材との接合を簡便に十分な強度で達成す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】
【００１０】
本発明には以下の好適な実施態様が含まれる。
［１］金属部材と強化繊維を含有する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、
前記樹脂部材における溶融固化領域の金属部材側表面に気泡層が１ｍｍ以下の厚みで形成されるように接合を行う、金属部材と樹脂部材との接合方法。
［２］前記樹脂部材における溶融固化領域の金属部材側表面に気泡層が前記厚みで形成されるように、押圧部材の駆動および熱の付与を制御する、［１］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［３］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、
前記樹脂部材における溶融固化領域の金属部材側表面に気泡層が前記厚みで形成されるように、前記回転ツールの駆動を制御する、［１］または［２］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［４］回転ツールの押圧駆動および／または回転駆動を制御する、［３］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［５］前記第２ステップにおいて圧力制御方式を採用し、
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、［３］または［４］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［６］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、
前記予熱工程では回転ツールを第１の加圧力で押圧しつつ第１の加圧時間だけ回転させ、
前記押込み撹拌工程では回転ツールを前記第１の加圧力より大きい第２の加圧力で押圧しつつ前記第１の加圧時間より短い第２の加圧時間だけ回転させ、
前記撹拌維持工程では回転ツールを前記第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、［５］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［７］前記予熱工程において、第１の加圧力を６００Ｎ以上１３００Ｎ未満の範囲で調整し、第１の加圧時間を０．５秒以上２．０秒未満の範囲で調整し、
前記押込み撹拌工程において、第２の加圧力を１３００Ｎ以上２２００Ｎ未満の範囲で調整し、第２の加圧時間を０．１秒以上０．５秒未満の範囲で調整し、
前記撹拌維持工程において、第３の加圧力を１００Ｎ以上１２００Ｎ未満の範囲で調整し、第３の加圧時間を２．０秒以上８．５秒未満の範囲で調整する、［６］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［８］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、［７］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［９］前記第２ステップにおいて位置制御方式を採用し、
回転ツールの座標位置、特定位置での保持時間および回転数を制御する、［３］または［４］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［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を含み、
前記押込み撹拌工程では回転ツールを、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、金属部材に進入させる、［９］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［１１］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２．０秒以上８．５秒未満だけ保持し、
前記押込み撹拌工程では回転ツールを０．０５〜１ｍｍ／秒の進入速度で進入させる、［１０］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［１２］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、［１０］または［１１］に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［１３］前記金属部材の厚みＴが０．５〜４ｍｍである、［１］〜［１２］のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［１４］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、［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。
［１５］前記回転ツールが、金属部材と接触する先端部において、該回転ツールの中心軸線上に突設されたピン部および該ピン部を支持するショルダ部を有し、前記ショルダ部がすり鉢状に窪んだ傾斜面を有する、［３］〜［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。
［１６］前記強化繊維の平均繊維長Ｌが１ｍｍ超５０ｍｍ以下である、［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。
［１７］前記樹脂部材が該樹脂部材全量に対して１０〜５０重量％の割合で前記強化繊維を含有する、［１］〜［１６］のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［１８］前記樹脂部材が、熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含む混合物を射出成形法またはプレス成形法に供することにより、製造されたものである、［１］〜［１７］のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［１９］前記固化を放置冷却により行う、［１］〜［１８］のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
［２０］金属部材と強化繊維を含有する樹脂部材とが、該樹脂部材の一部の溶融および固化により接合された接合体であって、
前記樹脂部材における溶融固化領域の金属部材側表面において厚み１ｍｍ以下の気泡層を有する、ことを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合体。
［２１］［１］〜［１９］のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法により接合された、［２０］に記載の金属部材と樹脂部材との接合体。
［２２］金属部材と強化繊維を含有する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、熱により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、
前記樹脂部材における溶融固化領域の金属部材側表面に気泡層が１ｍｍ以下の厚みで形成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。
［２３］［１］〜［１９］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、［２２］に記載の金属部材と樹脂部材との接合装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の接合方法によれば、樹脂部材に強化繊維を含有させた場合であっても、樹脂部材と金属部材との接合を簡便に十分な強度で達成することができる。また本発明の接合方法は、特別な樹脂部材を用いたり、特別な冷却を行ったりしなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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押圧部材としての回転ツールの別の一例の先端部の拡大図である。
【図４】本発明の予熱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状態を示す概略模式図である。
【図７】本発明の接合方法により得られた接合体における金属部材と樹脂部材との接合境界面の拡大図である。
【図８】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９】（Ａ）は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概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の方法により得られた接合体における金属部材と樹脂部材との接合境界面の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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、金属部材と樹脂部材との接合体において樹脂部材における溶融固化領域の金属部材側表面に気泡層が所定の範囲内の厚みで形成されるように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。
【００１４】
気泡層が所定の範囲内の厚みで形成されるように接合を行うとは、後で詳述するように、気泡層の厚みが所定の範囲内になるように、押圧部材の駆動および熱の付与を制御する、という意味であり、特に摩擦撹拌接合方法においては回転ツールの駆動を制御することである。
【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。
【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、樹脂部材における溶融固化領域の金属部材側表面に気泡層が所定の範囲内の厚みで形成されるように接合を行う限り、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。
【００２５】
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。
【００２６】
図３に示す回転ツール１６’を用いてもよい。図３は、回転ツールの別の一例の先端部の拡大図である。図３において、回転ツール１６’はショルダ部１６ｂがすり鉢状（円錐状）に窪んだ傾斜面１６ｃを有すること以外、図２の回転ツール１６と同様である。図３において、ショルダ部１６ｂの外周からピン部１６ａに近づくほど当該窪みの深さは深くなっている。これにより、回転ツール１６’のショルダ部１６ｂは、接合時において、外周部から金属部材と接触するようになるので、後述する溶融固化領域の最大径を拡大でき、接合強度のさらなる向上を達成できる。傾斜面１６ｃの傾斜角θは通常、１５°以下であり、好ましくは１〜１５°、より好ましくは５〜１０°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、金属部材と樹脂部材との接合体において樹脂部材における溶融固化領域の金属部材側表面に気泡層が所定の範囲内の厚みで形成されるように、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。
【００２９】
駆動制御装置は、後で詳述するように、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し、または回転ツールの座標位置、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。
【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６１（図６参照；斜線領域）が形成され、当該溶融固化領域６１が金属部材１１と樹脂部材１２との接合に寄与する。本発明においては、このような溶融固化領域６１の金属部材側表面において気泡層６２（図６参照；格子領域）が所定の厚みで形成されるように接合を行う。詳しくは樹脂部材１２の溶融固化領域６１における金属部材側表面に形成される気泡層６２の厚みが１ｍｍ以下にな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を簡便に十分な強度で達成することができる。本発明の接合方法においては、気泡層が形成されない条件まで入熱を小さくした場合、溶融固化領域が小さくなりすぎ、十分な接合強度が得られない場合がある。一方で、気泡層の厚みが１ｍｍを超えるような条件下で接合を行った場合においても、十分な接合強度は得られない。
【００３２】
本発明において気泡層の厚みは、後述する各工程での入熱量に影響を受ける。例えば、入熱量が大きいほど、気泡層の厚みは厚くなる傾向がある。また例えば、入熱量が小さいほど、気泡層の厚みは薄くなる傾向がある。
【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。
【００３４】
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。
【００３５】
第２ステップにおいては、気泡層の厚みが所定の範囲内になるように、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、回転ツールの加圧力、加圧時間および回転数を制御する圧力制御方式、または回転ツールの座標位置、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、圧力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。
【００３６】
＜第１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、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
（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４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、９００〜１２００Ｎ）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。
【００４１】
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。
【００４２】
予熱工程Ｃ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、気泡層の厚さの観点、上記のような回転ツール１６の押込み易さの観点及び樹脂部材１２の軟化・溶融し易さの他、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、予熱工程Ｃ１における第１の加圧力は、６００Ｎ以上１３００Ｎ未満が好ましい。第１の加圧時間は、０．５秒以上２．０秒未満が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下が好ましい。
【００４３】
本工程における入熱量は、第１の加圧力の大きさ、第１の加圧時間の長さ、および回転ツールの回転数の大きさによって決まる。
【００４４】
（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５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５の矢印方向）を促進させることができる。図５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。
【００４５】
詳しくは、押込み撹拌工程Ｃ２では、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〜２０００Ｎ）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。
【００４６】
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、その外周領域まで流動する（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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、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の加圧力は、１３００Ｎ以上２２００Ｎ未満が好ましい。第２の加圧時間は、０．１秒以上０．５秒未満が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下が好ましい。
【００５０】
本工程における入熱量は、第２の加圧力の大きさ、第２の加圧時間の長さ、および回転ツールの回転数の大きさによって決まる。
【００５１】
（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５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、５００〜８００Ｎ）で、第１の加圧時間より長い第３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。特に第３の加圧時間は、気泡層の厚さが厚くなり過ぎない程度の時間とする。
【００５２】
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、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。
【００５３】
撹拌維持工程Ｃ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、気泡層の厚さの観点、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の加圧力は、１００Ｎ以上１２００Ｎ未満が好ましい。第３の加圧時間は、２．０秒以上８．５秒未満が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下が好ましい。
【００５４】
本工程における入熱量は、第３の加圧力の大きさ、第３の加圧時間の長さ、および回転ツールの回転数の大きさによって決まる。
特に第３の加圧時間は上記範囲内で長いほど、気泡層の厚みは大きくなる。第３の加圧時間は上記範囲内で短いほど、気泡層の厚みは小さくなる。
【００５５】
本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３を行った後は、通常、放置冷却することにより、固化を行う。即ち、外部から強制的に冷却を行わずに固化させる。
【００５６】
＜第２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。
【００５７】
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、行わなくてもよい。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２は、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５に示すように、回転ツール１６を、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させつつ、所定の深さ（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まで進入させる。
【００６１】
押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を所定の深さ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。
【００６２】
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。
【００６３】
押込み撹拌工程Ｃ２の回転ツールの進入量（進入深さ）は、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、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における回転ツールの進入量は、金属部材の厚みをＴ（ｍｍ）としたとき、０．４×Ｔ〜０．９×Ｔ（ｍｍ）、好ましくは０．５×Ｔ〜０．９×Ｔ（ｍｍ）である。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。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下が好ましい。
【００６４】
本工程における入熱量は、回転ツールの進入時間および回転ツールの回転数によって決まり、当該回転ツールの進入時間は回転ツールの進入量及び進入速度で決まる。
【００６５】
本工程において回転ツールの進入速度は特に限定されず、例えば、０．０５〜１ｍｍ／秒、特に０．１〜０．５ｍｍ／秒が好ましい。
【００６６】
（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。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５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。
【００６７】
撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１６を上記所定の位置で所定の時間（例えば、３〜８秒）だけ保持しつつ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。特に保持時間は、気泡層の厚さが厚くなり過ぎない程度の時間とする。
【００６８】
撹拌維持工程Ｃ３の保持時間は、気泡層の厚さの観点、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における保持時間は、０秒以上８．５秒未満が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ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における回転ツールの進入時間だけでも、入熱量を調整できるためである。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８．５秒未満である。
【００６９】
本工程における入熱量は、保持時間の長さ、および回転ツールの回転数の大きさによって決まる。
特に、上記保持時間は上記範囲内で長いほど、気泡層の厚みは大きくなる。保持時間は上記範囲内で短いほど、気泡層の厚みは小さくなる。
【００７０】
本実施態様においても撹拌維持工程Ｃ３を行った後は、通常、放置冷却することにより、固化を達成する。即ち、外部から強制的に冷却を行わずに固化させる。
【００７１】
（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。
【００７２】
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４参照）は通常、０．５〜４ｍｍであるがこれに限定されるものではない。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
（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および強化繊維を含むものである。
【００７６】
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）。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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４参照）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。
【００８２】
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、特に不連続繊維を意味するものとする。不連続繊維は、スプリングバックが起こりやすいものと考えられているところ、本発明においてはそのような不連続繊維が含有される場合であっても、スプリングバックを十分に防止できるためである。
【００８３】
強化繊維は樹脂部材中、ランダム配向形態で含有され、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。
【００８４】
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。
【００８５】
強化繊維の含有量は、樹脂部材の製造時における各材料の使用量に基づく値を使用することができるし、以下の方法により測定される値を使用することもできる。まず、樹脂部材またはその一部（試料）を、電気炉等により、熱可塑性ポリマー（樹脂成分）の分解温度以上、強化繊維の分解温度以下で加熱することによって、熱可塑性ポリマーを取り除き、強化繊維のみを取り出す。このとき、樹脂部材またはその一部（試料）を、熱可塑性ポリマーが溶解し得る溶剤に溶解させ、強化繊維を濾別することによっても強化繊維のみを取り出すことができる。加熱前後または溶解前後の重量測定により、強化繊維の含有量を試料の重量に対する割合として算出することができる。または、比重を測定することによっても、含有量の測定ができる。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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℃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。
【００８９】
（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の溶融固化領域６１において接合が達成されている。
【００９０】
溶融固化領域６１（斜線領域）は、図６に示すように、接合時において、樹脂部材１２の溶融および固化により形成された領域であって、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１における溶融が生じていない領域１２２に対し、その外周で区別可能な段差が存在する領域である。溶融固化領域６１は通常、図６に示すように、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１における回転ツール直下領域６０およびその外周領域において形成されている。図６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を観察したときの樹脂部材１２の表面状態を示す概略模式図である。
【００９１】
本発明の接合体は、溶融固化領域６１の直径をＲ（ｍｍ）、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、Ｒ／Ｄ１は通常、１〜５であり、好ましくは２〜５であり、より好ましくは３〜５である。
【００９２】
本発明においては、溶融固化領域６１の金属部材側表面において気泡層形成領域６２（格子領域）が１ｍｍ以下、即ち０（０を含まず）〜１（１を含む）ｍｍ、の厚みで形成される。本発明において、気泡層の形成を防止するための特別な樹脂部材および／または特別な冷却を用いないとき、気泡層が形成されない条件まで入熱を小さくした場合、溶融固化領域が小さくなりすぎ、十分な接合強度が得られない場合がある。厚み１ｍｍ超の気泡層が形成されても、十分な接合強度が得られない。気泡層６２の厚みは、接合強度のさらなる向上の観点から、０．９ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ以下である。なお、本明細書中、特記しない限り、数値範囲はその下限値または上限値としての値を含むものとする。
【００９３】
気泡層形成領域６２は、気泡の存在により、図６において目視により容易にその存在を確認できる。
【００９４】
気泡層形成領域６２の厚みは以下の方法により測定することができる。
図７のように金属部材１１と樹脂部材１２が接合されたままの状態で、測定したい部位（すなわち、回転ツールの直下部分の近傍）の板厚方向の断面観察により厚みの測定を行う。気泡層２０は空気を取り込み発泡した状態であるため、目視によりその他の部位との差異は容易に確認できる。図７は、本発明の接合方法により得られた接合体における金属部材と樹脂部材との接合境界面の拡大図である。
具体的には、接合体の断面画像における回転ツール直下領域およびその周囲（溶融固化領域）において、気泡層の最大厚みを求める。
【００９５】
以上、本発明においては、回転ツールを金属部材の接触面上、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）について説明したが、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）においても本発明の効果が得られることは明らかである。
【実施例】
【００９６】
［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。
【００９７】
［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。
【００９８】
［回転ツール］
図２に示す回転ツール１６（Ｄ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍ、θ＝０°；工具鋼製）または図３に示す回転ツール１６’（Ｄ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍ、θ＝７°；工具鋼製）を用いた。
【００９９】
［実施例Ａ１］（圧力制御方式）
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。
【０１００】
第２ステップ：
まず、図４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）。
【０１０１】
その後、図５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：加圧力１５００Ｎ、加圧時間０．２５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、図５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：加圧力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。
【０１０２】
［接合強度］
図８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。
◎；４．０≦Ｓ；
○；３．０≦Ｓ＜４．０；
×；Ｓ＜３．０（実用上問題あり）。
【０１０３】
［溶融固化領域］
溶融固化領域６１の直径Ｒを、その外周の段差に基づいて、測定した。当該直径Ｒは、溶融固化領域６１の最大直径である。
【０１０４】
［気泡層］
気泡層（いわゆるスプリングバック層）の厚みを前記した方法により測定した。
【０１０５】
［実施例Ａ２〜Ａ４および比較例Ａ１〜Ａ３］
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および接合体の評価を行った。
【０１０６】
【表１】
0006330760.tif 000002
【０１０７】
［実施例Ｂ１］（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に示すように重ね合わせた。
【０１０８】
第２ステップ：
まず、予熱工程Ｃ１を行うことなく、図５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：進入量０．８ｍｍ、進入速度０．２ｍｍ／秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、図５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３．００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。
【０１０９】
その後、実施例Ａ１と同様の方法により、接合体の評価を行った。
【０１１０】
［実施例Ｂ２〜Ｂ６および比較例Ｂ１〜Ｂ４］
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および接合体の評価を行った。
【０１１１】
【表２】
0006330760.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
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】
【０１１３】
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
２０：気泡層
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：樹脂部材における回転ツール直下領域の表層部
【図１】
0006330760.tif 000004
【図２】
0006330760.tif 000005
【図３】
0006330760.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006330760.tif 000010
【図８】
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【図９】
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