(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方法であって、
前記接合中、前記押圧部材を回転させながら金属部材に押し込んで、金属部材と樹脂部材との界面まで進入させ、樹脂部材表面を加熱および撹拌することにより、前記強化繊維の短繊維化を行う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】
前記押圧部材に起因した剪断力により、前記短繊維化を行う、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】
前記押圧部材の回転力および／または押圧力に起因した剪断力により、前記短繊維化を行う、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】
前記金属部材が樹脂部材側表面に繊維切断用突起部を有し、押圧部材による初期押圧で前記金属部材の繊維切断用突起部を樹脂部材に刺衝することによっても、前記短繊維化を行う、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】
前記樹脂部材の金属部材側表面における少なくとも押圧部材直下領域の表層部において前記短繊維化を行う、請求項１〜４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６】
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、この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】
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、少なくとも金属部材内部に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、
前記押込み撹拌工程または前記撹拌維持工程の一方または両方において前記短繊維化を行う、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】
前記短繊維化された強化繊維の平均繊維長ＬＡが１ｍｍ以下である、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】
前記短繊維化前において強化繊維の平均繊維長ＬＢが１ｍｍ超５０ｍｍ以下である、請求項１〜８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１〜９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１０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。
【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１１（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１１（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（スプリングバック層）２２２が形成され、強度の低い気包層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】
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】
【０００９】
本発明は、
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方法であって、
前記接合中、前記強化繊維の短繊維化を行う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。
【００１０】
本発明はまた、
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による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
前記接合中、前記強化繊維の短繊維化を行う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。
【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十分な強度で達成することができる。
【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】本発明の第１実施態様における押込み撹拌工程の初期段階の一例を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明の第１実施態様における押込み撹拌工程の最終段階の一例を説明するための概略断面図である。
【図５】本発明の第２実施態様における押込み撹拌工程の初期段階の一例を説明するための概略断面図である。
【図６】本発明の第２実施態様における押込み撹拌工程の最終段階の一例を説明するための概略断面図である。
【図７】（Ａ）は本発明の第２実施態様において使用可能な金属部材に形成され得る一軸繊維切断用突起部の概略見取り図であり、（Ｂ）は本発明の第２実施態様において使用可能な金属部材に形成され得る二軸繊維切断用突起部の概略見取り図である。
【図８】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９】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１０】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１１】（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、後述の方法により、接合中、樹脂部材に含有される強化繊維の短繊維化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】
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。
【００１５】
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、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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を流すことにより生じる熱を利用して接合する方法である。
【００１８】
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を生じさせ、該電流により生じる熱を利用して接合する方法である。
【００１９】
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、後述する短繊維化を行う限り、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。
【００２０】
［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８を用いて具体的に説明する。
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
【００２３】
図２は、回転ツール１６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、先端部（図２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。
【００２４】
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、５〜３０ｍｍ、好ましくは５〜１５ｍｍであるがこれに限定されるものではない。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（２）接合方法
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。
【００２８】
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。
【００２９】
第２ステップは、回転ツール１６を金属部材１１に押し込んで、少なくとも金属部材１１の内部に進入させる押込み撹拌工程、および回転ツールを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む。
【００３０】
本発明においては、接合中、樹脂部材１２に含有される強化繊維の短繊維化を行う。「接合中」とは、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせてから、固化により金属部材１１と樹脂部材１２との接合を達成するまでの間のいずれかの時という意味である。短繊維化は、第２ステップ、特に押込み撹拌工程または撹拌維持工程の一方または両方、において行うことが好ましい。
【００３１】
短繊維化は、樹脂部材１２の金属部材側表面における少なくとも回転ツール直下領域の表層部１２１（図３〜６参照）において行われればよい。回転ツール直下領域とは、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせたとき、金属部材１１表面上における回転ツール１６の押圧領域Ｐ（図１参照）の直下に対応する樹脂部材１２表面上の領域のことである。
【００３２】
金属部材１１と樹脂部材１２との接合は、後述する図８に示すように、樹脂部材１２の金属部材側表面１２０における少なくとも回転ツール直下領域６０の表層部１２１が溶融し、その外周領域に流動した後、固化することにより達成される。本発明においては少なくともこのような表層部１２１において、接合中に強化繊維が短繊維化され、湾曲の程度が緩和された強化繊維が溶融樹脂とともに外周領域に流動するため、金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３においてスプリングバック層の形成が十分に防止される。表層部において強化繊維が短繊維化されないと、強化繊維の比較的大きな湾曲の程度が緩和されないため、スプリングバック層の形成を十分に防止できず、接合強度が低下する。図８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。
【００３３】
短繊維化が行われる表層部１２１の厚みは、当該表層部の溶融による外周領域への流動の観点から、厳密に規定できるものではないが、後述するように、接合が達成された接合体の樹脂部材において回転ツール直下領域の外周領域で短繊維化が達成されているような厚みであればよい。
【００３４】
強化繊維の短繊維化は接合中に行われる限り、あらゆる方法により達成されてよく、通常は回転ツール（押圧部材）に起因した剪断力により行われる。回転ツールに起因した剪断力とは、回転ツールの動作により発生する剪断力のことであり、例えば、回転ツールの回転力および／または押圧力に起因した剪断力が挙げられる。
【００３５】
回転ツールの回転力に起因した剪断力により短繊維化する方法として、以下の方法（Ｉ）が挙げられる：
方法（Ｉ）：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との界面１３まで進入させ、樹脂部材１２の表面を加熱および撹拌する方法。
【００３６】
回転ツールの押圧力に起因した剪断力により短繊維化する方法として、以下の方法（ＩＩ）が挙げられる：
方法（ＩＩ）：回転ツール１６による初期押圧で金属部材１１の繊維切断用突起部５０を樹脂部材１２に刺衝する方法。
【００３７】
短繊維化の観点からは、方法（Ｉ）よりも方法（ＩＩ）の方が、より確実性が高い。方法（Ｉ）と方法（ＩＩ）とを組み合わせ、回転ツールの回転力および押圧力に起因した剪断力により短繊維化する方法（ＩＩＩ）を採用してもよい。
【００３８】
上記方法（Ｉ）〜（ＩＩ）をそれぞれ第１〜第２実施態様において、以下、詳しく説明する。なお、後述するように、第１実施態様において短繊維化は撹拌維持工程において行われる。第２実施態様において短繊維化は押込み撹拌工程において行われる。
【００３９】
＜第１実施態様＞
本実施態様においては、押込み撹拌工程Ａ１において、図３および図４に示すように、回転ツール１６を回転させながら金属部材１１に押し込んで、金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３まで進入させる。これにより、金属部材１１の回転ツール直下部１１０が分離される。図３は、第１実施態様における押込み撹拌工程の初期段階の一例を説明するための概略断面図である。図４は、第１実施態様における押込み撹拌工程の最終段階の一例を説明するための概略断面図である。
【００４０】
本実施態様においては、前記押込み撹拌工程Ａ１の後に、回転ツール１６を前記押込撹拌工程Ａ１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Ａ２を行う。これにより、後で詳述するように、押込み撹拌工程Ａ１で分離された金属部材１１の回転ツール直下部１１０もまた回転するため、樹脂部材１２の表面が撹拌される。その結果、樹脂部材１２に含まれる強化繊維が直接剪断力を加えられることで短繊維化が達成される。
【００４１】
本実施態様における各工程は、回転ツールの押圧力（加圧力）及び押圧時間を制御する圧力制御方式によって成されても良いし、回転ツールの押圧方向の挿入量（金属部材に接触してからの金属部材への挿入量）及びその移動時間を制御する位置制御方式によって成されても良いし、または、それらの組み合わせによって成されても良い。
【００４２】
以下、本実施態様の工程について詳しく説明する。
【００４３】
（押込み撹拌工程Ａ１）
押込み撹拌工程Ａ１では、図３に示すように、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、回転ツール１６を回転させながら金属部材１１に押し込んで、結果として図４に示すように、金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３まで進入させる。本明細書中、回転ツール１６を金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３まで進入させるとは、図４に示すように、回転ツール１６の先端部におけるショルダ部１６ｂの外周部を界面１３まで進入させるという意味である。
【００４４】
具体的には回転ツール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。その後、回転ツール１６を金属部材１１にさらに押し込むと、図４に示すように、回転ツール１６の先端部におけるショルダ部１６ｂの外周部が界面１３に達し、金属部材１１の回転ツール直下部１１０が金属部材１１から分離される。
【００４５】
回転ツール１６の挿入量は、金属部材１１の厚みをＴ（ｍｍ）としたとき、Ｔの近傍であればよく、強化繊維の短繊維化のし易さの観点から、好ましくはＴ〜Ｔ＋０．５（ｍｍ）である。本明細書中、回転ツール１６の挿入量は、回転ツール１６のショルダー部１６ｂにおける外周部の金属部材表面から厚み方向への挿入量のことである。回転ツール１６の挿入量は、回転ツールの位置（挿入量）制御装置を用いると、より精密に制御することができる。
【００４６】
押込み撹拌工程Ａ１では、上記のように、回転ツール１６を金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３まで進入させ、金属部材１１の回転ツール直下部１１０を樹脂部材１２側に突出変形させた後、金属部材１１から分離させる。このため、本実施態様においては、金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３における回転ツール直下領域は金属部材１１と樹脂部材１２との接合にほとんど寄与しない。しかし、後述の撹拌維持工程Ａ２において、強化繊維の短繊維化を行いながら、発生した摩擦熱により、樹脂部材１２における少なくとも回転ツール直下領域の表層部１２１が溶融し、該直下領域を超えて、その外周領域まで流動する（図４の矢印方向）。このとき、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。このため、本実施態様においては、樹脂部材と金属部材との接合は、金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３における回転ツール直下領域の外周領域のみにおいて十分な強度で達成することができる。
【００４７】
本工程が位置制御方式によって行われる場合において、押込み撹拌工程Ａ１でのツール挿入量及び挿入速度、もしくは挿入時間は、上記挿入量が達成されるように、制御されればよい。
【００４８】
本工程が圧力制御方式によって行われる場合において、押込み撹拌工程Ａ１では、回転ツール１６を、第１の加圧力で、第１の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。押込み撹拌工程Ａ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、本方式においても上記挿入量が達成されるように制御されればよく、回転ツール１６を金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３まで進入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Ａ１における第１の加圧力は、１２００Ｎ以上１８００Ｎ未満の値が好ましい。第１の加圧時間は、０．１秒以上３秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【００４９】
（撹拌維持工程Ａ２）
撹拌維持工程Ａ２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４に示すように、回転ツール１６を上記押込み撹拌工程Ａ１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工程である。
【００５０】
このような撹拌維持工程Ａ２では、回転ツール１６は上記押込み撹拌工程Ａ１で進入させた位置にほぼ維持されるとともに、押込み撹拌工程Ａ１で分離された金属部材１１の回転ツール直下部１１０を回転させる。これにより、当該直下部１１０が、樹脂部材１２における回転ツール直下領域の表層部１２１の表面を摺擦し、樹脂部材１２に含まれる強化繊維に剪断力を付与するため、強化繊維が切断され、結果として強化繊維の短繊維化が達成される。本工程では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における少なくとも回転ツール直下領域の表層部１２１が溶融し、該直下領域を超えて、その外周領域まで流動する（図４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。
【００５１】
本工程が位置制御方式によって行われる場合において、撹拌維持工程Ａ２でのツール挿入量及び挿入速度、もしくは挿入時間は、上記位置で回転動作が継続される限り特に限定されない。
【００５２】
本工程が圧力制御方式によって行われる場合において、撹拌維持工程Ａ２では、回転ツール１６を、第２の加圧力で、第２の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。第２の加圧力及び第２の加圧時間は、上記のような強化繊維の十分な短繊維化、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Ａ２における第２の加圧力は、１００Ｎ以上７００Ｎ未満の値が好ましい。第２の加圧時間は、１．０秒以上２０秒未満の値、特に３．０秒以上１０秒以下の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【００５３】
本実施態様においては、押込み撹拌工程Ａ１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Ａ０を行ってもよい。
【００５４】
（予熱工程Ａ０）
予熱工程Ａ０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。
【００５５】
具体的には、予熱工程Ａ０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１１１（回転ツール１６による押圧領域）の範囲及び押圧領域１１１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Ａ１で、回転ツール１６を金属部材１１に押込み易くなる。
【００５６】
本工程が位置制御方式によって行われる場合において、予熱工程Ａ０でのツール挿入量及び挿入速度、もしくは挿入時間は、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を回転させ得る限り特に限定されない。
【００５７】
本工程が圧力制御方式によって行われる場合において、予熱工程Ａ０の加圧力及び加圧時間は、上記のような回転ツール１６の押込み易さの観点、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、予熱工程Ａ０における加圧力は、５００Ｎ以上１０００Ｎ未満の値が好ましい。加圧時間は、０．１秒以上３．０秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【００５８】
（樹脂部材）
本実施態様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。
【００５９】
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）。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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および図５参照）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。
【００６５】
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。
【００６６】
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ＬＢ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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
（金属部材）
本実施態様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。
【００７３】
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および図５参照）は通常、０．５〜４ｍｍであるがこれに限定されるものではない。
【００７４】
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。
【００７５】
＜第２実施態様＞
本実施態様においては、図５に示すように、樹脂部材側表面に繊維切断用突起部５０を有する金属部材１１を用い、押込み撹拌工程Ｂ１において、回転ツール１６による初期押圧で金属部材１１の繊維切断用突起部５０を樹脂部材１２に刺衝する。これにより、短繊維化を達成する。図５は、第２実施態様における押込み撹拌工程の初期段階の一例を説明するための概略断面図である。
【００７６】
本実施態様においては、前記押込み撹拌工程Ｂ１の後に、回転ツール１６を前記押込撹拌工程Ｂ１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Ｂ２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。
【００７７】
本実施態様における各工程は回転ツールの押圧力（加圧力）及び押圧時間を制御する圧力制御方式によって成されても良いし、回転ツールの押圧方向の挿入量（金属部材に接触してからの金属部材への挿入量）及びその移動時間を制御する位置制御方式によって成されても良いし、または、それらの組み合わせによって成されても良い。
【００７８】
以下、本実施態様の工程について詳しく説明する。
【００７９】
（押込み撹拌工程Ｂ１）
押込み撹拌工程Ｂ１では、図５に示すように、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、まず、金属部材１１の繊維切断用突起部５０を樹脂部材１２に刺衝する。このように回転ツールの押圧力に起因して、強化繊維に剪断力を付与するため、強化繊維が切断され、結果として強化繊維の短繊維化が達成される。その後、さらに回転ツール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。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。このため、発生した摩擦熱により、樹脂部材１２における少なくとも回転ツール直下領域の表層部１２１が溶融し、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）。図６は、第２実施態様における押込み撹拌工程の最終段階の一例を説明するための概略断面図である。
【００８０】
本工程が位置制御方式によって行われる場合において、回転ツール１６の挿入量は、金属部材１１の厚みをＴ（ｍｍ）としたとき、通常は０．２×Ｔ〜０．９×Ｔであり、好ましくは０．５×Ｔ〜０．８×Ｔ（ｍｍ）である。
【００８１】
本工程が圧力制御方式によって行われる場合において、押込み撹拌工程Ｂ１では、回転ツール１６を、第１の加圧力で、第１の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。押込み撹拌工程Ｂ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、回転ツール１６を金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３に達しない深さまで進入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Ｂ１における第１の加圧力は、１２００Ｎ以上１８００Ｎ未満の値が好ましい。第１の加圧時間は、０．１秒以上３秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【００８２】
（撹拌維持工程Ｂ２）
撹拌維持工程Ｂ２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、回転ツール１６を上記押込み撹拌工程Ｂ１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工程である。
【００８３】
このような撹拌維持工程Ｂ２では、回転ツール１６は上記押込み撹拌工程Ｂ１で進入させた位置にほぼ維持される。本工程では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における少なくとも回転ツール直下領域の表層部１２１が溶融し、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、本実施態様においては、樹脂部材と金属部材との接合は、金属部材１１と樹脂部材１２との界面１３における回転ツール直下領域とその外周領域において十分な強度で達成することができる。
【００８４】
本工程が位置制御方式によって行われる場合において、撹拌維持工程Ｂ２でのツール挿入量及び挿入速度、もしくは挿入時間は、上記位置で回転動作が継続される限り特に限定されない。
【００８５】
本工程が圧力制御方式によって行われる場合において、撹拌維持工程Ｂ２では、回転ツール１６を、第２の加圧力で、第２の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。撹拌維持工程Ｂ２の第２の加圧力及び第２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Ｂ２における第２の加圧力は、１００Ｎ以上７００Ｎ未満の値が好ましい。第２の加圧時間は、１．０秒以上２０秒未満の値、特に３．０秒以上１０秒以下の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【００８６】
（保持工程Ｂ３）
撹拌維持工程Ｂ２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Ｂ３を行ってもよいし、行わなくても良い。
保持工程Ｂ３は、同じく図６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を第３の加圧力で第３の時間だけ保持する工程である。保持工程Ｂ３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し、ワーク１０の冷却が開始する。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。
【００８７】
保持工程Ｂ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、上記のような冷却期間中の金属部材１１と樹脂部材１２と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Ａ３における第３の加圧力は、例えば７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第３の加圧時間は、例えば１秒以上の値が好ましい。
【００８８】
本実施態様においては、押込み撹拌工程Ｂ１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Ｂ０を行ってもよい。もし予熱工程Ｂ０を行う場合、金属部材１１に形成された繊維切断用突起部５０による短繊維化は予熱工程Ｂ０もしくは押込み撹拌工程Ｂ１のどちらかの間で完了する。
【００８９】
（予熱工程Ｂ０）
予熱工程Ｂ０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。具体的には、予熱工程Ｂ０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１１１（回転ツール１６による押圧領域）の範囲及び押圧領域１１１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Ｂ１で、回転ツール１６を金属部材１１に押込み易くなる。
【００９０】
本実施態様における予熱工程Ｂ０は第１実施態様における予熱工程Ａ０と同様である。予熱工程Ｂ０の加圧力および加圧時間の説明はそれぞれ、予熱工程Ａ０の加圧力および加圧時間の説明と同様であるため、これらの詳しい説明は省略する。
【００９１】
（樹脂部材）
本実施態様において使用される樹脂部材１２は第１実施形態において使用される樹脂部材１２と同様である。
【００９２】
（金属部材）
本実施態様において使用される金属部材１１は、樹脂部材１２と重ね合わせる部分における樹脂部材側表面に繊維切断用突起部５０を有すること以外、第１実施形態において使用される金属部材１１と同様である。例えば、図５に示すような繊維切断用突起部５０を有する金属部材１１が使用される。
【００９３】
繊維切断用突起部５０は、樹脂部材１２における回転ツール直下領域の表層部１２１への刺衝により強化繊維を切断可能な強化繊維の切断手段であり、例えば、いわゆるカッター、特に格子状カッターが使用される。
【００９４】
繊維切断用突起部５０の全体形状は、短繊維化後の平均繊維長が所定の範囲内になるような形状であればよく、例えば、図７（Ａ）に示すような一軸突起部５０１であってもよいし、または図７（Ｂ）に示すように二軸が互いに直行する二軸突起部５０２であってもよい。一軸突起部５０１を使用する場合は、繊維の配向度の高い樹脂材料を使用し、その配向方向に対して当該突起部の軸方向が直角をなすように突起部を当てるようにするのが好ましい。
【００９５】
突起部５０のピッチ（例えば、図７（Ａ）のｘ、図７（Ｂ）のｘ１およびｘ２）は通常、０．１〜１ｍｍであり、好ましくは０．３〜０．８ｍｍである。当該ピッチが狭いほど、短繊維化後の平均繊維長は短くなる。
突起部５０の高さ（例えば、図７（Ａ）のｙ、図７（Ｂ）のｙ１およびｙ２）は通常、０．３〜２ｍｍであり、好ましくは０．５〜１ｍｍである。
突起部５０の頂角は、強化繊維を切断可能であれば特に限定されず、通常は３０°以下である。
【００９６】
突起部５０は、金属部材１１の樹脂部材側表面における少なくとも回転ツール直下領域に形成されればよい。
【００９７】
突起部５０は、金属部材１１と一体的に形成されてもよいし、または金属部材１１とは別部材として形成されたものを、金属部材１１の樹脂部材側表面における所定の領域に固定することにより形成されてもよい。
【００９８】
突起部５０を金属部材１１と一体的に形成する場合、当該突起部５０は、いかなる方法により形成されてよく、例えば、所望形状に対応する型により金属部材１１に対して型押しすることにより形成可能である。
【００９９】
突起部５０の構成材料としては、例えば、金属部材１１と同様の構成金属が使用可能である。
【０１００】
以上、各実施態様においては、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。
【０１０１】
（３）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、それらの接合境界面１３における少なくとも回転ツール直下領域の外周領域において接合が達成されている。
【０１０２】
詳しくは第１実施態様における接合体は、接合境界面における回転ツール直下領域の外周領域のみにおいて接合が達成されている。
第２実施態様における接合体は、接合境界面における回転ツール直下領域およびその外周領域において接合が達成されている。
【０１０３】
これらのことは、樹脂部材１２の金属部材側表面１２０において、溶融樹脂が固化してなる溶融固化域を確認すること、および金属部材において回転ツール直下部１１０の分離を確認することにより、検知できる。
【０１０４】
具体的には、接合体から金属部材１１を強制的に剥離させると、例えば、図８に示すような、樹脂部材１２の金属部材側表面１２０が観察できる。
例えば第２実施態様の接合体の場合、樹脂部材１２の金属部材側表面１２０において、溶融固化域が回転ツール直下領域６０（斜線領域）およびその外周領域６１（格子領域）に形成されている。しかも金属部材１１の回転ツール直下部１１０は分離されていない。このため、回転ツール直下領域６０（斜線領域）およびその外周領域６１のいずれの領域も接合に寄与していることが明らかである。
【０１０５】
また例えば第１実施態様の接合体の場合も、第２実施態様の接合体と同様に、樹脂部材１２の金属部材側表面１２０において、溶融固化域が回転ツール直下領域６０（斜線領域）およびその外周領域６１（格子領域）に形成されている。しかし金属部材１１の回転ツール直下部１１０は分離されている。このため、回転ツール直下領域６０（斜線領域）の外周領域６１のみが接合に寄与していることが明らかである。
【０１０６】
溶融固化域６０（斜線領域），６１（格子領域）は、図８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１２０における溶融が生じていない領域１２２に対し、溶融固化域の外周で目視により区別可能な段差（数ミクロンの段差）が存在する領域である。このような溶融固化域には金属部材における対応領域の表面が転写されるか、もしくは、溶融固化樹脂層内部で破断することにより、金属部材側表面へ溶融固化樹脂が全面、もしくは部分的に付着した状態となる。
【０１０７】
本発明の接合体は、溶融固化域（６０，６１）の直径をＲ（ｍｍ）、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、以下の関係を満たしている：
１＜Ｒ／Ｄ１≦５；
好ましくは２≦Ｒ／Ｄ１≦５；
より好ましくは３≦Ｒ／Ｄ１≦５。
Ｒ／Ｄ１が小さすぎると、接合強度が十分ではない。
【０１０８】
溶融固化域（６０，６１）における直径Ｒは、樹脂部材１２の金属部材側表面１２０における溶融固化域の外周の段差に基づいて、容易に測定することができる。なお、当該直径Ｒは、溶融固化域（６０，６１）の最大寸法である。
【０１０９】
本発明の方法により接合が達成された接合体においては、回転ツール直下領域６０の外周領域６１において短繊維化が達成されている。詳しくは、図８に示すように、樹脂部材１２の金属部材側表面１２０におけるドーナツ型領域１２１Ｃにおいて、短繊維化が達成されている。ドーナツ型領域１２１Ｃとは、回転ツール直下領域６０（直径Ｄ１（ｍｍ））と同心の少なくとも直径１．５×Ｄ１の円形領域６２（破線）から、当該回転ツール直下領域６０を除いた領域のことである。このようなドーナツ型領域１２１Ｃにおける表面から少なくとも０．１ｍｍ、好ましくは少なくとも０．５ｍｍ、より好ましくは少なくとも１ｍｍの厚み（深さ）までの表層部で短繊維化が達成されていればよい。
【０１１０】
短繊維化された強化繊維の平均繊維長ＬＡ、すなわち少なくともドーナツ型領域１２１Ｃにおける上記厚みの表層部に含まれる強化繊維の平均繊維長ＬＡ、は通常、１ｍｍ以下（０ｍｍは含まない）である。
【０１１１】
（他の実施態様）
本発明においては、樹脂部材に含有される強化繊維の短繊維化を、接合のプロセスの一環として金属部材に接触する樹脂部材表面に対して、金属部材との接触前に予め行っても、スプリングバック層の発生を十分に防止することができる。短繊維化を、金属部材との接触前に予め行う場合において、短繊維化の方法としては、樹脂部材１２における少なくとも回転ツール直下領域の表層部１２１に対してレーザーを照射するか、または格子状カッターを刺衝する方法が挙げられる。短繊維化が達成された樹脂部材１２における回転ツール直下領域の表層部１２１においては、強化繊維は上記平均繊維長ＬＡを有している。
【実施例】
【０１１２】
［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。
【０１１３】
［金属部材］
金属部材Ｘとしては、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材（厚さ１．２ｍｍ）の樹脂部材側表面に図７（Ａ）に示すような一軸突起部５０１を形成したものを用いた。突起部５０１の形成領域は、金属部材の樹脂部材側表面における回転ツール直下領域であった。突起部５０１のピッチｘは１ｍｍ、高さｙは０．５ｍｍ、頂角は２０°であった。突起部５０１は、所定形状に対応する型により金属部材１１に対して型押しすることにより形成した。
【０１１４】
金属部材Ｙとしては、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材（厚さ１．２ｍｍ）の樹脂部材側表面に図７（Ｂ）に示すような二軸突起部５０２を形成したものを用いた。突起部５０２の形成領域は、金属部材の樹脂部材側表面における回転ツール直下領域であった。突起部５０２のピッチｘ１およびｘ２は１ｍｍ、高さｙ１およびｙ２は０．５ｍｍ、頂角は２０°であった。突起部５０２は、突起部５０１と同様の方法により形成した。
【０１１５】
金属部材Ｚとしては、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材（厚さ１．２ｍｍ、突起部なし）をそのまま用いた。
【０１１６】
［回転ツール］
回転ツールとしては、図２の各部の寸法がＤ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍの工具鋼製のものを用いた。
【０１１７】
［実施例１］（第１実施態様）
金属部材１１として金属部材Ｚを用いた。
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。
【０１１８】
第２ステップ：
まず回転ツールを回転させつつ、位置制御方式により、金属部材に押し込んで、金属部材内部に進入させた。詳しくは、図４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との界面１３まで進入させた（押込み撹拌工程）。回転ツールの回転数、挿入量および挿入速度は表に示す通りであった。
【０１１９】
次いで、位置制御方式により、図４に示すように、回転ツール１６を界面１３に達する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）。回転数、継続時間（撹拌時間）は表に示す通りであった。
【０１２０】
次いで、回転ツール１６を金属部材１１から離間させ、放置冷却を行った。
【０１２１】
（接合強度）
図９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。
◎◎；５．０≦Ｓ；
◎；４．０≦Ｓ＜５．０；
○；３．０≦Ｓ＜４．０（実用上問題なし）；
×；Ｓ＜３．０（実用上問題あり）。
【０１２２】
（溶融固化域）
溶融固化域の直径Ｒを前記した方法により測定し、Ｒ／Ｄ１を算出した。
【０１２３】
（スプリングバック層）
スプリングバック層の厚みを以下の方法により測定した。
金属部材と樹脂部材が接合されたままの状態で、測定したい部位の板厚方向の断面観察により行う。スプリングバック層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。この時、スプリングバックが生じずに溶融後固化した樹脂層は、段差を有すること以外、非溶融樹脂層と同様である。
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において、スプリングバック層の最大厚みを求めた。
【０１２４】
（強化繊維）
樹脂部材１２から金属部材１１を強制的に剥ぎ取った。図８に示すように、樹脂部材１２の金属部材側表面１２０における回転ツール直下領域６０と同心の直径１５ｍｍの円形領域６２（破線）から、当該回転ツール直下領域６０を除いたドーナツ型領域１２１Ｃにおいて、任意の１０箇所で深さ０．１ｍｍまでの試料を削り取り、秤量した（ｗ１；ｍｇ）。次いで、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、強化繊維のみを濾別した。最後に、濾別した強化繊維を秤量し（ｗ２；ｍｇ）、以下の式により含有率を算出した：
強化繊維の含有率（重量％）＝（ｗ２／ｗ１）×１００
強化繊維の平均繊維長は、含有量測定の際に得られた強化繊維を撮影した写真より、任意の１００本の強化繊維の長さを直接的に測定することにより求めた。
【０１２５】
［実施例２および比較例１〜２］
接合条件を表に記載のように変更したこと以外、実施例１と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合体の整合およびその評価を行った。
実施例２は、第１実施態様に相当する。
【０１２６】
［実施例３（参考例）］（第２実施態様）
金属部材１１として金属部材Ｘを用いた。
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。
【０１２７】
第２ステップ：
まず回転ツールを回転させつつ、位置制御方式により、金属部材に押し込んで、金属部材内部に進入させた。詳しくは、図５に示すように、回転ツール１６による初期押圧で金属部材１１の繊維切断用突起部５０を樹脂部材１２に刺衝した。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との界面１３まで進入させた（押込み撹拌工程）。回転ツールの回転数、挿入量および進入速度は表に示す通りであった。
【０１２８】
次いで、位置制御方式により、図６に示すように、回転ツール１６を界面１３に達する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）。回転数、継続時間（撹拌時間）は表に示す通りであった。
【０１２９】
次いで、回転ツール１６を金属部材１１から離間させ、放置冷却を行った。
【０１３０】
実施例１と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合体の評価を行った。
【０１３１】
［実施例４（参考例）］（第２実施態様）
接合条件を表に記載のように変更したこと以外、実施例２と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合体の整合およびその評価を行った。
【０１３２】
【表１】
0006314935.tif 000002
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
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】
【０１３４】
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
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）
１１１：押圧領域（押圧後）
１２１：樹脂部材における回転ツール直下領域の表層部
【図１】
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【図２】
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【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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