(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、
前記金属部材と前記樹脂部材との相互の接触面それぞれに、前記金属部材および前記樹脂部材が嵌合するための嵌合形成部を設け、
該嵌合形成部により前記金属部材と前記樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行い、
前記金属部材の嵌合形成部が円柱系凸形状を有し、
前記樹脂部材の嵌合形成部が、前記金属部材の嵌合形成部の形状に対応する凹形状を有し、
前記金属部材の嵌合形成部の円柱系凸形状における高さｈおよび直径ｄが、前記金属部材の厚みＴおよび押圧部材の幅Ｄ１について、以下の関係式を満たす、金属部材と樹脂部材との接合方法：
０．１×Ｔ≦ｈ≦２×Ｔ；
０．４×Ｄ１≦ｄ≦３×Ｄ１。
【請求項２】
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、
前記金属部材と前記樹脂部材との相互の接触面それぞれに、前記金属部材および前記樹脂部材が嵌合するための嵌合形成部を設け、
該嵌合形成部により前記金属部材と前記樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行い、
前記樹脂部材の嵌合形成部が円柱系凸形状を有し、
前記金属部材の嵌合形成部が、前記樹脂部材の嵌合形成部の形状に対応する凹形状を有し、
前記樹脂部材の嵌合形成部の円柱系凸形状における高さｈ’および直径ｄ’が、前記金属部材の厚みＴおよび押圧部材の幅Ｄ１について、以下の関係式を満たす、金属部材と樹脂部材との接合方法：
０．１×Ｔ≦ｈ’≦Ｔ−０．５；
０．４×Ｄ１≦ｄ’≦３×Ｄ１。
【請求項３】
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１または２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
前記金属部材と前記樹脂部材とをそれらの嵌合形成部により嵌合させつつ、重ね合わせる第１ステップ；および
前記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。
【請求項４】
前記第２ステップが、前記回転ツールを前記金属部材に押し込んで前記金属部材と前記樹脂部材との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３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前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】
前記予熱工程では前記回転ツールを第１の加圧力で押圧しつつ第１の加圧時間だけ回転させ、
前記押込み撹拌工程では前記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】
前記第２ステップが、前記回転ツールを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、
前記撹拌維持工程では前記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前記第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ステップが、前記撹拌維持工程の後に、前記回転ツールの回転を停止し、その状態で前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７に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項９】
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、
前記金属部材と前記樹脂部材との相互の接触面それぞれに、前記金属部材および前記樹脂部材が嵌合するための嵌合形成部を設け、
該嵌合形成部により前記金属部材と前記樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行い、
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、金属部材と樹脂部材との接合方法：
前記金属部材と前記樹脂部材とをそれらの嵌合形成部により嵌合させつつ、重ね合わせる第１ステップ；および
前記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。
【請求項１０】
前記第２ステップが、前記回転ツールを前記金属部材に押し込んで前記金属部材と前記樹脂部材との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】
前記第２ステップが、前記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前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】
前記予熱工程では前記回転ツールを第１の加圧力で押圧しつつ第１の加圧時間だけ回転させ、
前記押込み撹拌工程では前記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】
前記第２ステップが、前記回転ツールを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、
前記撹拌維持工程では前記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前記第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】
前記第２ステップが、前記撹拌維持工程の後に、前記回転ツールの回転を停止し、その状態で前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１３に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項１５】
嵌合させた状態の前記金属部材および前記樹脂部材を、前記樹脂部材の嵌合形成部の少なくとも一部が該樹脂部材の溶融固化領域内に位置するように、前記接合に供する、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】
前記金属部材の嵌合形成部および前記樹脂部材の嵌合形成部の一方が、凸形状、凹形状またはそれらの複合形状を有し、
前記金属部材の嵌合形成部および前記樹脂部材の嵌合形成部の他方が、前記一方の嵌合形成部の形状に対応する相補的形状を有する、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。
【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その方法で使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セットに関する。
【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１３に示すように、平板状金属部材２１１と平板状樹脂部材２１２とをそのまま重ね合わせ、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（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、平板状金属部材および平板状樹脂部材をそのまま用いて得られた接合体を部材として自動車車体に用いた場合、その製造過程（塗装乾燥炉での最高温度１８０℃）および車の苛酷な使用環境（例えば極寒地域および灼熱地域）において、図１４に示すように、金属部材２１１と樹脂部材２１２との熱膨張率の差により、接合部２１３にせん断方向の応力（２１１’および２１２’）が発生し、せん断方向の接合強度が不足する場合があることを見出した。
【０００６】
本発明は、せん断方向の接合強度が十分に向上す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】
【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、
前記金属部材と前記樹脂部材との相互の接触面それぞれに、前記金属部材および前記樹脂部材が嵌合するための嵌合形成部を設け、
該嵌合形成部により前記金属部材と前記樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行う、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、上記の金属部材と樹脂部材との接合方法において使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セットに関する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の後述する実施態様ＩおよびＩＩに係る接合方法によれば、せん断方向の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】
【００１０】
【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３Ａ】本発明の実施態様Ｉ−１に係る接合方法に使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セット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３Ｂ】図３Ａに示す接合部材セットを用いた実施態様Ｉ−１に係る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の一例を説明するための概略断面図である。
【図４Ａ】本発明の実施態様Ｉ−２に係る接合方法に使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セット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４Ｂ】図４Ａに示す接合部材セットを用いた実施態様Ｉ−２に係る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の一例を説明するための概略断面図である。
【図５Ａ】本発明の実施態様Ｉ−３に係る接合方法に使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セット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５Ｂ】図５Ａに示す接合部材セットを用いた実施態様Ｉ−３に係る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の一例を説明するための概略断面図である。
【図６Ａ】本発明の実施態様ＩＩ−１に係る接合方法に使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セット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６Ｂ】図６Ａに示す接合部材セットを用いた実施態様ＩＩ−１に係る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の一例を説明するための概略断面図である。
【図７Ａ】本発明の実施態様ＩＩ−２に係る接合方法に使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セット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７Ｂ】図７Ａに示す接合部材セットを用いた実施態様ＩＩ−２に係る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の一例を説明するための概略断面図である。
【図８Ａ】本発明の実施態様ＩＩ−３に係る接合方法に使用される金属部材と樹脂部材とからなる接合部材セット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８Ｂ】図８Ａに示す接合部材セットを用いた実施態様ＩＩ−３に係る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の一例を説明するための概略断面図である。
【図９】本発明の実施態様Ｉ−１に係る接合方法により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との接触面を正面から観察したときの樹脂部材の概略模式図である。
【図１０】本発明の接合方法の一例により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との接触面を正面から観察したときの樹脂部材の概略模式図である。
【図１１】本発明の接合方法の一例により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との接触面を正面から観察したときの樹脂部材の概略模式図である。
【図１２】実施例におけるせん断方向の接合強度の測定方法を説明するための概略図である。
【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。
【図１４】従来技術においてせん断方向の接合強度が低下するメカニズムを説明するための概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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、固化させて接合を行う熱圧式接合方法に関するものである。本発明の接合方法において採用される接合方式は、熱を付与しつつ、圧力を局所的に付与して接合す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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、押圧部材及び樹脂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。
【００１４】
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、押圧部材により金属部材を加圧した状態で、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。
【００１５】
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。本方法で使用される樹脂部材としては、炭素繊維強化樹脂からなる樹脂部材が好ましい。
【００１６】
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】
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、後述する金属部材と樹脂部材とを嵌合状態で用いる限り、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。
【００１８】
＜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）について図面を用いて具体的に説明する。
【００１９】
［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、円柱状の回転ツール１６を具備している。
【００２０】
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、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
［２］回転ツール
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】
［３］金属部材および樹脂部材
図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８Ａ（以下、「図３Ａ等」ということがある）に示すように、金属部材１１は樹脂部材１２との接触面１１０に、樹脂部材１２と嵌合するための嵌合形成部１１１を有し、かつ樹脂部材１２は金属部材１１との接触面１２０に、金属部材１１と嵌合するための嵌合形成部１２１を有している。嵌合形成部とは、嵌合を形成するための部材という意味である。本発明においては、このような嵌合形成部により金属部材と樹脂部材とを嵌合させた状態で接合を行うため、せん断方向の接合強度が向上する。せん断方向とは、金属部材と樹脂部材との界面内のあらゆる方向を意味する。
【００２６】
金属部材の嵌合形成部１１１および樹脂部材の嵌合形成部１２１は、互いに嵌合可能な限り、いかなる形状を有していてもよい。例えば、金属部材の嵌合形成部１１１または樹脂部材の嵌合形成部１２１の一方は、凸形状、凹形状またはそれらの複合形状を有し、他方は、前記一方の嵌合形成部の形状に対応する相補的形状を有する。前記一方の嵌合形成部の形状に対応する相補的形状とは、前記一方の嵌合形成部と、例えば適度なクリアランスで嵌合可能な形状のことである。クリアランスは部材同士の重ね合わせが可能なレベルに適宜設定される。例えば、一方の嵌合形成部が凸形状を有する場合、他方の嵌合形成部は凹形状を有する。凸形状の具体的形状としては、例えば、円柱形状、楕円柱形状、多角柱形状（四角柱形状等）等の柱形状が挙げられる。凹形状としては、上記凸形状の具体的形状に相補的に対応する凹形状が挙げられる。
【００２７】
以下、金属部材および樹脂部材を、実施態様Ｉおよび実施態様ＩＩにより詳しく説明する。
【００２８】
（実施態様Ｉについて）
実施態様Ｉは、金属部材１１の嵌合形成部１１１が凸形状を有し、かつ樹脂部材１２の嵌合形成部１２１が金属部材１１の嵌合形成部１１１の形状に相補的に対応する凹形状を有する実施態様である（例えば図３Ａ、図４Ａおよび図５Ａ）。これらの図において、金属部材１１の嵌合形成部１１１は特に円柱系凸形状を有しているが、凸形状を有する限り、これに限定されるものではない。
【００２９】
実施態様Ｉは、金属部材１１の凸形状の嵌合形成部１１１の幅（例えば嵌合形成部１１１が円柱系凸形状を有するときの直径）ｄおよび押圧部材の幅（例えば回転ツール１６の直径）Ｄ１について、ｄ＝Ｄ１のとき、図３Ａに示す実施態様Ｉ−１に対応し、ｄ＞Ｄ１のとき、図４Ａに示す実施態様Ｉ−２に対応し、ｄ＜Ｄ１のとき、図５Ａに示す実施態様Ｉ−３に対応する。特記しない限り、実施態様Ｉは、実施態様Ｉ−１〜Ｉ−３を包含して意味するものとする。実施態様Ｉ−１〜Ｉ−３は、金属部材１１の嵌合形成部の寸法（凸部の幅、特に円柱系凸部の直径）が異なること以外、互いに同様である。
【００３０】
実施態様Ｉにおいて、金属部材１１の嵌合形成部１１１の高さｈは、せん断方向の接合強度が向上する限り特に限定されない。当該高さｈは通常、金属部材１１の厚みＴについて、以下の関係式（ｉ−１）を満たす。当該高さｈは、金属部材凸部下面への樹脂溶着の観点からは、以下の関係式（ｉ−２）を満たすことが好ましく、以下の関係式（ｉ−３）を満たすことがより好ましい：
０．１×Ｔ≦ｈ≦２×Ｔ          （ｉ−１）；
０．２×Ｔ≦ｈ≦１×Ｔ          （ｉ−２）；
０．３×Ｔ≦ｈ≦０．６×Ｔ          （ｉ−３）。）
なお、ｈは通常、上記関係式を満たしつつ、概ねｔ未満であって０．５ｍｍ以上である。
【００３１】
実施態様Ｉにおいて、金属部材１１の嵌合形成部１１１の幅（例えば嵌合形成部１１１が円柱系凸形状を有するときの直径）ｄは、せん断方向の接合強度が向上する限り特に限定されない。当該嵌合形成部１１１の幅（例えば直径）ｄは通常、押圧部材の幅（例えば回転ツールの直径）Ｄ１について、以下の関係式（ｉｉ−１）を満たす。当該ｄは、せん断方向の接合強度のさらなる向上観点から、以下の関係式（ｉｉ−２）を満たすことが好ましく、以下の関係式（ｉｉ−３）を満たすことがより好ましい：
０．４×Ｄ１≦ｄ≦３×Ｄ１          （ｉｉ−１）；
０．５×Ｄ１≦ｄ≦２×Ｄ１          （ｉｉ−２）；
１．１×Ｄ１≦ｄ≦１．８×Ｄ１          （ｉｉ−３）。）
なお、ｄは通常、上記関係式を満たしつつ、概ね５ｍｍ以上である。
【００３２】
実施態様Ｉにおいて、後述する金属部材１１の厚みＴおよび樹脂部材１２の厚みｔはそれぞれ特に限定されない。
【００３３】
（実施態様ＩＩについて）
実施態様ＩＩは、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１が凸形状を有し、かつ金属部材１１の嵌合形成部１１１が樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の形状に相補的に対応する凹形状を有する実施態様である（例えば図６Ａ、図７Ａおよび図８Ａ）。これらの図において、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１は特に円柱系凸形状を有しているが、凸形状を有する限り、これに限定されるものではない。
【００３４】
実施態様ＩＩは、樹脂部材１２の凸形状の嵌合形成部１２１の幅（例えば嵌合形成部１２１が円柱系凸形状を有するときの直径）ｄ’および押圧部材の幅（例えば回転ツール１６の直径）Ｄ１について、ｄ’＝Ｄ１のとき、図６Ａに示す実施態様ＩＩ−１に対応し、ｄ’＞Ｄ１のとき、図７Ａに示す実施態様ＩＩ−２に対応し、ｄ’＜Ｄ１のとき、図８Ａに示す実施態様ＩＩ−３に対応する。特記しない限り、実施態様ＩＩは実施態様ＩＩ−１〜ＩＩ−３を包含して意味するものとする。実施態様ＩＩ−１〜ＩＩ−３は、樹脂部材１２の嵌合形成部の寸法（凸部の幅、特に円柱系凸部の直径）が異なること以外、同様である。
【００３５】
実施態様ＩＩにおいて、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の高さｈ’は、せん断方向の接合強度が向上する限り特に限定されない。当該高さｈ’は通常、金属部材１１の厚みＴについて、以下の関係式（ｉｉｉ−１）を満たす。当該高さｈ’は、ツールの押し込み量の観点からは、以下の関係式（ｉｉｉ−２）を満たすことが好ましく、以下の関係式（ｉｉｉ−３）を満たすことがより好ましい：
０．１×Ｔ≦ｈ’≦Ｔ−０．５          （ｉｉｉ−１）；
０．２×Ｔ≦ｈ’≦Ｔ−１．０          （ｉｉｉ−２）；
０．３×Ｔ≦ｈ’≦Ｔ−１．５          （ｉｉｉ−３）。
【００３６】
実施態様ＩＩにおいて、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の幅（例えば嵌合形成部１２１が円柱系凸形状を有するときの直径）ｄ’は、せん断方向の接合強度が向上する限り特に限定されない。当該嵌合形成部１２１の幅（例えば直径）ｄ’は通常、押圧部材の幅（例えば回転ツールの直径）Ｄ１について、以下の関係式（ｉｖ−１）を満たす。当該ｄ’は、せん断方向の接合強度のさらなる向上の観点からは、以下の関係式（ｉｖ−２）を満たすことが好ましく、以下の関係式（ｉｖ−３）を満たすことがより好ましい：
０．４×Ｄ１≦ｄ’≦３×Ｄ１          （ｉｖ−１）；
０．５×Ｄ１≦ｄ’≦２×Ｄ１          （ｉｖ−２）；
１．１×Ｄ１≦ｄ’≦１．８×Ｄ１          （ｉｖ−３）。）
なお、ｄ’は通常、上記関係式を満たしつつ、概ね５ｍｍ以上である。
【００３７】
実施態様ＩＩにおいて、後述する金属部材１１の厚みＴおよび樹脂部材１２の厚みｔはそれぞれ特に限定されない。
【００３８】
（実施態様Ｉおよび実施態様ＩＩについて）
前記した実施態様のうち、せん断方向の接合強度のさらなる向上の観点から好ましい実施態様は、実施態様Ｉ（実施態様Ｉ−１、Ｉ−２、Ｉ−３）および実施態様ＩＩ−２、特に実施態様Ｉ−１およびＩ−２である。これらの実施態様においては、凸形状を有する嵌合形成部でのせん断破壊が十分に抑制される。
【００３９】
せん断方向の接合強度のさらなる向上と剥離方向の確保(溶着面積)の観点から好ましい実施態様は、実施態様Ｉ、特に実施態様Ｉ−１およびＩ−２であり、より好ましくは実施態様Ｉ−２である。これらの実施態様においては、金属部材１１における凸形状を有する嵌合形成部１１１の存在により、金属部材の熱容量が上がる。このため、回転ツール１６の直下領域における樹脂部材表面の樹脂の過熱が抑制され、溶融樹脂の分解が十分に抑制される。
【００４０】
図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８Ａにおいて、金属部材１１は、嵌合形成部１１１の形状および寸法が異なること以外、互いに同様であり、また樹脂部材１２は、嵌合形成部１２１の形状および寸法が異なること以外、互いに同様である。
【００４１】
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：
アルミニウムおよび５０００系、６０００系などの展伸材および鋳造用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。
【００４２】
金属部材１１は、例えばダイカスト法により、所望の形状に製造可能である。
【００４３】
金属部材１１の厚みＴは特に制限されるものではなく、通常、1〜１０ｍｍであり、好ましくは２〜５ｍｍである。金属部材１１の厚みＴは、樹脂部材１２との重ね合わせ部分の厚みであって、嵌合形成部１１１を有さない略平板形状部分の厚みのことである。
【００４４】
樹脂部材１２は熱可塑性ポリマーを含むものであり、さらに強化繊維を含んでもよい。
【００４５】
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）、ポリスチレン（ＰＳ）などのスチレン系樹脂；
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）。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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る。強化繊維は、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、連続繊維であってもよいし、不連続繊維であってもよいし、またはそれらの混合繊維であってもよい。本発明において強化繊維は、特に不連続繊維が好ましい。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。
【００５０】
強化繊維の含有量は特に限定されるものではなく、通常は樹脂部材１２の全量に対して、５０重量％以下、特に１０〜５０重量％であり、好ましくは２０〜５０重量％である。
【００５１】
樹脂部材１２は、例えば射出成形法により、所望の形状に製造可能である。
【００５２】
樹脂部材１２の厚みｔは特に制限されるものではなく、通常、1〜１０ｍｍであり、好ましくは２〜５ｍｍである。樹脂部材１２の厚みｔは、金属部材１１との重ね合わせ部分の厚みであって、嵌合形成部１２１を有さない略平板形状部分の厚みのことである。
【００５３】
樹脂部材１２は、例えば安定剤、難燃剤、着色材などの添加剤をさらに含有してもよい。
【００５４】
以上、実施態様Ｉおよび実施態様ＩＩについて説明した。このような実施態様Ｉおよび実施態様ＩＩの説明より、これら以外の実施態様（例えば、金属部材の嵌合形成部および樹脂部材の嵌合形成部の一方が凸形状と凹形状との複合形状を有し、他方は、前記一方の嵌合形成部の形状に相補的に対応する形状を有する実施態様）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。
【００５５】
［４］本発明に係る接合方法の一実施態様（摩擦撹拌接合方法）
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とをそれらの嵌合形成部により嵌合させつつ、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。
【００５６】
第１ステップ：
第１ステップにおいては、例えば、図１、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８Ａに示すように、金属部材１１および樹脂部材１２の嵌合形成部１１１および１２１により金属部材１１と樹脂部材１２とを嵌合させた状態で重ね合わせる。詳しくは、金属部材１１の嵌合形成部１１１と樹脂部材１２の嵌合形成部１２１とが嵌合するように、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせる。
【００５７】
このとき、嵌合させた状態の金属部材１１および樹脂部材１２は好ましくは、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の少なくとも一部が樹脂部材１２の溶融固化領域内に位置するように、回転ツール１６と受け具１７との間に供給され、第２ステップの接合を行う。樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の少なくとも一部が樹脂部材１２の溶融固化領域内に位置するとは、図９に示すように、最終的に得られる接合体から金属部材１１を剥離したとき、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の少なくとも一部が樹脂部材１２の溶融固化領域１２５内に位置するという意味である。樹脂部材１２の溶融固化領域１２５は、金属部材１１との接触面１２０において、接合時に樹脂部材１２の溶融および固化により形成された領域であり、溶融が生じていない領域に対し、当該溶融固化領域の外周１２６で目視により区別可能な段差（数ミクロンの段差）が存在する領域のことである。具体的には、金属部材１１の剥離後、樹脂部材１２の金属部材１１との接触面１２０を正面から観察したとき、溶融固化領域１２５の外周１２６内に、嵌合形成部１２１領域の少なくとも一部が包含されていればよい。図９は、実施態様Ｉ−１に係る接合方法により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との接触面を正面から観察したときの樹脂部材の概略模式図である。
【００５８】
せん断方向の接合強度のさらなる向上および厚み方向の接合強度の向上の観点からは、図１０に示すように、樹脂部材１２の金属部材１１との接触面１２０において、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の一部が樹脂部材１２の溶融固化領域１２６内に位置していればよい。同様の観点から好ましくは、図９に示すように、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の全部が樹脂部材１２の溶融固化領域１２６内に位置している。例えば、金属部材１１または樹脂部材１２が有する凸状の嵌合形成部が円柱形状を有する場合、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の全部が樹脂部材１２の溶融固化領域１２６内に位置するためには、当該円柱形状の軸が回転ツール１６の軸上に配置されるように、嵌合状態の金属部材１１および樹脂部材１２を、回転ツール１６と受け具１７との間に供給すればよい。
【００５９】
本発明においては、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の少なくとも一部が必ずしも樹脂部材１２の溶融固化領域１２６内に位置していなければならないというわけではなく、例えば図１１に示すように、樹脂部材１２の金属部材１１との接触面１２０において、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１が樹脂部材１２の溶融固化領域１２６外に位置していてもよい。せん断方向の接合強度の向上効果が十分に得られるためである。樹脂部材１２の金属部材１１との接触面１２０とは、金属部材１１の剥離前まで当該金属部材１１と接触していた面のことである。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
以下、各工程について詳しく説明する。
【００６３】
（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３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８Ａ（以下、「図３Ａ等」ということがある）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３Ａ等は、図１におけるＺ−Ｚ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【００６４】
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。
【００６５】
予熱工程Ｃ１では、摩擦熱は、金属部材１１と樹脂部材１２との境界面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の境界面１３における上記押圧領域Ｐ直下のＱ領域の範囲及び当該Ｑ領域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が軟化および溶融し易くなる。
【００６６】
予熱工程Ｃ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、例えば、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の軟化および溶融し易さ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、第１の加圧時間は０．５秒以上２．０秒未満の値、回転ツールの回転数は５００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【００６７】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
押込み撹拌工程Ｃ２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３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂおよび図８Ｂ（以下、「図３Ｂ等」ということがある）に示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む工程である。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３Ｂ等に示すように、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との境界面１３に達しない深さまで進入させる。
【００６８】
回転ツール１６の押し込み量ｋは、回転ツール１６の直下領域における樹脂部材表面の溶融樹脂の分解抑制による剥離方向の接合強度の向上の観点から、金属部材１１の厚みＴについて、以下の関係式（ｖ−１）を満たすことが好ましい。当該押し込み量ｋは、剥離方向の接合強度のさらなる向上(溶着面積)の観点から、以下の関係式（ｖ−２）を満たすことが好ましく、以下の関係式（ｖ−３）を満たすことがより好ましい：
０．１×Ｔ≦ｋ≦０．６×Ｔ          （ｖ−１）；
０．２×Ｔ≦ｋ≦０．５×Ｔ          （ｖ−２）；
０．３×Ｔ≦ｋ≦０．４×Ｔ          （ｖ−３）。）
なお、実施態様Ｉにおいては、ｋは通常、上記関係式を満たしつつ、概ねＴ未満であって０．５ｍｍ以上である。
実施態様ＩＩにおいては、ｋは通常、上記関係式を満たしつつ、概ねＴ−ｈ’未満であって０．５ｍｍ以上である。
【００６９】
図４Ｂに示す実施態様Ｉ−２および図７Ｂに示す実施態様ＩＩ−２においては、本工程で金属部材１１の回転ツール直下部を樹脂部材１２側に突出変形させてもよい。これにより、境界面１３において回転ツールの直下領域Ｑ（図４Ａおよび図７Ａ参照）で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂を該領域Ｑの外周領域まで流動させてもよい。
【００７０】
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）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。
【００７１】
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。進入深さは前記押し込み量ｋの範囲が好ましい。図４Ｂに示す実施態様Ｉ−２および図７Ｂに示す実施態様ＩＩ−２においては、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において、金属部材１１と樹脂部材１２との境界面１３が受け具１７側（図例では下側）に移動し、当該直下部が樹脂部材１２側に突出変形してもよい。これにより、境界面１３において回転ツールの直下領域Ｑ（図４Ａおよび図７Ａ参照）で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂が該直下領域Ｑを超えて、その外周領域まで流動してもよい。このとき溶融樹脂は回転ツール直下領域Ｑ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、また、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）も拡大されるため、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る。
【００７２】
仮に、回転ツール１６が過度に押し込まれると（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、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。
【００７３】
そこで、本発明では、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の境界面１３における回転ツールの直下領域Ｑおよびその外周領域の軟化および溶融が促進される。場合によっては、直下領域Ｑの溶融樹脂がその外周領域に流動してもよい。
【００７４】
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、例えば、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、第２の加圧時間は０．１秒以上０．５秒未満の値、回転ツールの回転数は５００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【００７５】
（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３Ｂ等に示すように、上記境界面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、６．７５秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。
【００７６】
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Ｑの範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化および溶融してもよい。図３Ｂ等において、「×」印は樹脂の溶融を示す。
【００７７】
撹拌維持工程Ｃ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、例えば、上記のような樹脂部材１２の広い範囲での十分な軟化および溶融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、特に１００Ｎ以上６００Ｎ以下の値が好ましい。第３の加圧時間は１．０秒以上１０秒未満の値、回転ツールの回転数は５００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【００７８】
（保持工程Ｃ４）
最後には、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３Ｂ等に示すように、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。
【００７９】
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とを押圧領域Ｐで受け具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。
【００８０】
保持工程Ｃ４の第４の加圧力及び第４の加圧時間は、例えば、上記のような冷却期間中の少なくとも領域Ｑで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、第４の加圧時間は、例えば１秒以上の値が好ましい。
【００８１】
本発明では、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、その後、必要に応じてさらに工程Ｃ４を経て、最終的に、せん断方向の接合強度が十分に向上した接合体が得られる。
【００８２】
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、空冷等が挙げられる。
【００８３】
以上、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】
【００８４】
＜実験例Ｉ＞
実験例Ｉは実施態様Ｉに関する実験例である。詳しくは実施例Ａ１は実施態様Ｉ−１（図３Ａおよび図３Ｂ）に関し、実施例Ｂ１は実施態様Ｉ−２（図４Ａおよび図４Ｂ）に関し、実施例Ｃ１は実施態様Ｉ−３（図５Ａおよび図５Ｂ）に関する。
【００８５】
［実施例Ａ１］
（金属部材）
ＪＩＳ  ＡＤＣ１２を用いて、ダイカスト法により、図３Ａに示す金属部材１１を製造した。金属部材１１は、幅３０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚みＴ（表１参照）の全体形状を有する平板に、表１に示す寸法の円柱形状を有する凸部（嵌合形成部）１１１が備わったものであった。
【００８６】
（樹脂部材）
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いて、射出成形法により、図３Ａに示す樹脂部材１２を製造した。樹脂部材１２は、幅３０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚みｔ（表１参照）の全体形状を有する平板に、表１に示す寸法の円柱形状を有する凹部（嵌合形成部）１２１が備わったものであった。ＣＦＲＰはポリプロピレンに４０重量％の不連続炭素繊維が含有されたものであった。
【００８７】
（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。
【００８８】
（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：
図３Ａに示すように、金属部材１１の嵌合形成部１１１と樹脂部材１２の嵌合形成部１２１とが嵌合し、かつ金属部材の嵌合形成部（円柱形状）１１１の軸が回転ツール１６の軸上に配置されるように、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部とを重ね合わせた（図１）。
【００８９】
第２ステップ：
まず、図３Ａ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）。
【００９０】
その後、図３Ｂ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との境界面１３に達しない深さ（押し込み量ｋ）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３Ｂに示すように、回転ツール１６を境界面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６．７５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、金属部材１１から回転ツール１６を抜き取り、放置冷却し、接合体を得た。
【００９１】
［比較例Ａ１］
金属部材１１および樹脂部材１２にそれぞれ嵌合形成部１１１および１２１を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ１で、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、接合体を得た。
【００９２】
［実施例Ｂ１］
金属部材１１および樹脂部材１２を構成する材料および金属部材１１の嵌合形成部１１１および樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の寸法を表２に示すように変更したこと、図４Ａに示すように、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部との重ね合わせおよび予熱工程Ｃ１を行ったこと、および図４Ｂに示すように、押込み撹拌工程Ｃ２および撹拌維持工程Ｃ３を行ったこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、接合体を得た。
【００９３】
［比較例Ｂ１］
金属部材１１および樹脂部材１２にそれぞれ嵌合形成部１１１および１２１を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ１で、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例Ｂ１と同様の方法により、接合体を得た。
【００９４】
［実施例Ｃ１］
金属部材１１および樹脂部材１２を構成する材料および金属部材１１の嵌合形成部１１１および樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の寸法を表３に示すように変更したこと、図５Ａに示すように、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部との重ね合わせおよび予熱工程Ｃ１を行ったこと、および図５Ｂに示すように、押込み撹拌工程Ｃ２および撹拌維持工程Ｃ３を行ったこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、接合体を得た。
【００９５】
［比較例Ｃ１］
金属部材１１および樹脂部材１２にそれぞれ嵌合形成部１１１および１２１を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ１で、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例Ｃ１と同様の方法により、接合体を得た。
【００９６】
＜実験例ＩＩ＞
実験例ＩＩは実施態様ＩＩに関する実験例である。詳しくは実施例Ｄ１は実施態様ＩＩ−１（図６Ａおよび図６Ｂ）に関し、実施例Ｅ１は実施態様ＩＩ−２（図７Ａおよび図７Ｂ）に関する。
【００９７】
［実施例Ｄ１］
金属部材１１および樹脂部材１２を以下に示すものに変更したこと、図６Ａに示すように、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部との重ね合わせおよび予熱工程Ｃ１を行ったこと、および図６Ｂに示すように、押込み撹拌工程Ｃ２および撹拌維持工程Ｃ３を行ったこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、接合体を得た。
【００９８】
（金属部材）
ＪＩＳ  ＡＤＣ１２を用いて、ダイカスト法により、図６Ａに示す金属部材１１を製造した。金属部材１１は、幅３０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚みＴ（表４参照）の全体形状を有する平板に、表４に示す寸法の円柱形状を有する凹部（嵌合形成部）１１１が備わったものであった。
【００９９】
（樹脂部材）
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いて、射出成形法により、図６Ａに示す樹脂部材１２を製造した。樹脂部材１２は、幅３０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚みｔ（表４参照）の全体形状を有する平板に、表４に示す寸法の円柱形状を有する凸部（嵌合形成部）１２１が備わったものであった。ＣＦＲＰはポリプロピレンに４０重量％の不連続炭素繊維が含有されたものであった。
【０１００】
［比較例Ｄ１］
金属部材１１および樹脂部材１２にそれぞれ嵌合形成部１１１および１２１を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ１で、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例Ｄ１と同様の方法により、接合体を得た。
【０１０１】
［実施例Ｅ１］
金属部材１１および樹脂部材１２を構成する材料および金属部材１１の嵌合形成部１１１および樹脂部材１２の嵌合形成部１２１の寸法を表５に示すように変更したこと、図７Ａに示すように、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部との重ね合わせおよび予熱工程Ｃ１を行ったこと、および図７Ｂに示すように、押込み撹拌工程Ｃ２および撹拌維持工程Ｃ３を行ったこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、接合体を得た。
【０１０２】
［比較例Ｅ１］
金属部材１１および樹脂部材１２にそれぞれ嵌合形成部１１１および１２１を形成しなかったこと、および接合方法におけるステップ１で、金属部材１１の端部と樹脂部材１２の端部とをそのまま重ね合わせたこと以外、実施例Ｅ１と同様の方法により、接合体を得た。
【０１０３】
＜せん断方向の接合強度（せん断強度）＞
図１２に示すように、金属部材１１と樹脂部材１２との接合体２０を長手方向で引っ張ることにより、接合部のせん断強度を測定した。
実施例Ａ１、Ｂ１、Ｃ１およびＥ１では、樹脂部材の母材（本体）自体が破断することにより、測定が終了した。
実施例Ｄ１では、樹脂部材の凸部自体が破断することにより、測定が終了した。
比較例Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１およびＥ１では、金属部材１１と樹脂部材１２との間の接合部界面の樹脂が凝集破壊することにより、測定が終了した。
【０１０４】
＜樹脂部材の嵌合形成部と樹脂部材の溶融固化領域との関係＞
実施例Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１およびＥ１において、樹脂部材１２を金属部材１１から剥離したところ、樹脂部材１２の嵌合形成部１２１は図９に示すように樹脂部材１２の溶融固化領域１２５内に位置していた。
【０１０５】
【表１】
0006319341.tif 000002
【０１０６】
【表２】
0006319341.tif 000003
【０１０７】
【表３】
0006319341.tif 000004
【０１０８】
【表４】
0006319341.tif 000005
【０１０９】
【表５】
0006319341.tif 000006
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
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】
【０１１１】
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境界面
１６：回転ツール
１７：受け具
１１０：金属部材の樹脂部材との接触面
１１１：金属部材の嵌合形成部
１２０：樹脂部材の金属部材との接触面
１２２：樹脂部材の嵌合形成部
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
0006319341.tif 000009
【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
0006319341.tif 000019
【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
0006319341.tif 000022
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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