(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂部材の溶融および固化により、金属部材と樹脂部材とを接合する方法であって、
前記金属部材として電着塗装された金属部材を用い、
前記金属部材と前記樹脂部材とを重ね合わせ、回転ツールを回転させつつ、前記金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により前記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。
【請求項２】
前記電着塗装をカチオン電着塗装方法によって行う、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】
前記カチオン電着塗装方法が以下の工程を含む、請求項２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法：
カチオン電着塗料組成物を電着塗装して未硬化の電着塗膜を形成する、電着塗膜形成工程；および
該未硬化の電着塗膜を加熱硬化させて硬化電着塗膜を形成する、電着塗膜硬化工程。
【請求項４】
前記電着塗膜硬化工程において、１４０〜１８０℃で１０〜１００分間の焼き付けを行う、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】
前記電着塗膜硬化工程において、１４０〜１８０℃で１０〜２５分間の焼き付けを行った後、電着塗膜を室温に戻し、追加的に１４０〜１８０℃で５〜９０分間の焼き付けをさらに行う、請求項３または４に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項６】
前記樹脂部材が、熱可塑性ポリマーを含む、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】
前記樹脂部材が、導電性充填材をさらに含む、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】
前記熱可塑性ポリマーが官能基を有し、
該官能基が、酸素原子、窒素原子、フッ素原子および硫黄原子からなる群から選択される１種以上の原子を含有する基である、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９】
前記官能基が、カルボニル基、エーテル基、チオエーテル基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、カルボキシレート基、フッ素原子、エステル結合基、アミド結合基、ウレタン結合基およびカーボネート基からなる群から選択される１種以上の基である、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】
前記熱可塑性ポリマーが、ポリオレフィン、酸変性ポリオレフィン、ポリエステル、ポリ（メタ）アクリル酸アルキル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエーテル、液晶ポリマーおよびフッ素含有ポリマーからなる群から選択される１種以上のポリマーである、請求項６〜９のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項１１】
前記摩擦撹拌接合方法が以下のステップを含む、請求項１〜１０のいずれか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重ね合わせる第１ステップ；および
前記回転ツールを回転させつつ、前記金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により前記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１２】
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金属部材と樹脂部材との接合境界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程を備えている、請求項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、前記押込み撹拌工程の前に、前記回転ツールの先端部のみを前記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１３に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項１５】
前記第２ステップが、前記回転ツールを接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、前記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、
該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１４に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項１６】
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において使用される金属部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される金属部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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。
【０００３】
これまで、金属部材と樹脂部材との接合方法として、いわゆる摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｓｔｉｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ）方法が提案されている。摩擦撹拌接合方法とは、図１３に示すように、金属部材５１１と樹脂部材５１２とを重ね合わせ、回転ツール５１６を回転させつつ、金属部材５１１に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材５１２を溶融させた後、固化させて金属部材５１１と樹脂部材５１２とを接合する方法である（例えば、特許文献１）。
【０００４】
一方、熱可塑性樹脂よりなる塗膜が形成された金属部材と、前記塗膜の熱可塑性樹脂と相溶可能な熱可塑性樹脂よりなる樹脂部材とを摩擦撹拌接合方法により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】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−２０８４６１号公報
【特許文献２】特開２００９−２７９８５８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、本発明の発明者等は、以下の問題が生じることを見い出した：
（１）金属部材を塗膜の形成なしに用い、かつ樹脂部材が炭素繊維等の導電性充填材を含有すると、金属部材と樹脂部材との境界面において、導電性充填材と金属部材との電気化学的特性の違いにより、ガルバニック腐食が起こり、接合強度が顕著に低下することがある；
（２）そこで金属部材に熱可塑性樹脂よりなる塗膜を形成し、当該塗膜の熱可塑性樹脂と相溶可能な熱可塑性樹脂よりなる樹脂部材と接合しても、やはり十分な接合強度は得られない；
（３）仮に金属部材を電着塗装するにしても、接合強度の観点から、電着塗膜を有する金属部材と樹脂部材との接合を達成した後で、電着塗膜を硬化させることが常套である。しかしながら、樹脂部材がポリプロピレン等の低融点樹脂を含む場合、接合後に電着塗膜を硬化させると、樹脂部材が軟化または溶融するため、接合強度が低下する；および
（４）金属部材として特に鋼材を用いると、接合強度が顕著に低下する。
【０００７】
本発明は、樹脂部材と金属部材とを十分な接合強度で接合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。
【０００８】
本発明はまた、樹脂部材を構成する樹脂の融点が比較的低くても、かつ／または樹脂部材が導電性充填材を含有しても、樹脂部材と金属部材とを十分な接合強度で接合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。
【０００９】
本発明はまた、金属部材として鋼材を用いても、樹脂部材と金属部材とを十分な接合強度で接合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】
本発明は、
樹脂部材の溶融および固化により、金属部材と樹脂部材とを接合する方法であって、
前記金属部材として電着塗装された金属部材を用いる、金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
【００１１】
本発明はまた、
上記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に関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の接合方法によれば、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。
特に、本発明の接合方法においては、電着塗装された金属部材を用い、接合後に硬化を行う必要がないので、樹脂部材を構成する樹脂の融点が比較的低くても、接合強度の低下を防止できる。
また本発明の接合方法においては、電着塗装された金属部材を用い、当該金属部材は塗膜を有するので、樹脂部材が導電性充填材を含有しても、腐食による接合強度の低下を防止できる。
また本発明の接合方法においては、金属部材として鋼材を用いる場合であって、電着塗装された鋼材を用いるので、接合強度の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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５】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６】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断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［金属部材と樹脂部材との接合方法］
本発明に係る金属部材と樹脂部材との接合方法は、樹脂部材の溶融および固化により、金属部材と樹脂部材とを接合を達成するものである。本発明に係る金属部材と樹脂部材との接合方法は、後述する特定の金属部材を用い、かつ樹脂部材の溶融部を金属部材と接触させながら固化させる限り、特に限定されない。金属部材と樹脂部材とが接触している状態で、樹脂部材を溶融および固化させてもよいし、または樹脂部材を溶融させた後、その溶融部を金属部材と接触させ、固化させてもよい。
【００１５】
本発明の接合方法としては、例えば、熱圧式接合方法が使用される。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。熱圧式接合方法の具体例として、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が挙げられる。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。
【００１６】
摩擦撹拌接合方法とは、後で詳述するように、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、後述する特定の金属部材を用いる限り、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」、「左右方向」および「表裏方向」は、図中における上下方向、左右方向および表裏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。
【００２２】
［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）について詳しく説明する。
【００２３】
（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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が鋼材（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、これは例示に過ぎず、これ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。
【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、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。
【００２９】
（２）金属部材
金属部材１１を構成する金属材料としては、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材料が好ましく使用される：
アルミニウムおよびアルミニウム合金（５０００系、６０００系）；
鋼材；
マグネシウムおよびその合金；および
チタンおよびその合金。
【００３０】
本発明においては金属部材１１の金属材料は鋼材であることがより好ましい。鋼材を使用する場合、一般的には、接合強度は低下するが、本発明においては十分な接合強度を達成できるためである。鋼材は、特に限定されず、例えば、炭素鋼、合金鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、マンガン鋼が使用される。好ましくは、低炭素鋼である。鋼材はメッキ層を有してもよい。メッキ層としては、従来から鋼材のメッキ層として使用されているあらゆる亜鉛系メッキ層が使用可能であり、亜鉛メッキ層、亜鉛−鉄合金メッキ層等が挙げられる。メッキ層の形成方法は特に限定されず、例えば、溶融メッキ法、電気メッキ法等が挙げられる。
【００３１】
本発明においては電着塗装された金属部材１１を用いる。電着塗装は、硬化した樹脂膜が形成される限り特に限定されず、例えば、カチオン電着塗装方法によって行われてもよいし、またはアニオン電着塗装方法によって行われてもよい。接着強度のさらなる向上の観点からは、カチオン電着塗装方法が好ましい。
【００３２】
カチオン電着塗装方法は以下に示す電着塗膜形成工程および電着塗膜硬化工程を含む。
【００３３】
（電着塗膜形成工程）
本工程では、カチオン電着塗料組成物を電着塗装して未硬化の電着塗膜を形成する。詳しくはカチオン電着塗料組成物中に所望の金属材料を陰極として浸漬し、陽極との間に電圧を印加することにより行われる。
【００３４】
電着が実施される条件は一般的に他の型の電着塗装に用いられるものと同様である。印加電圧は大きく変化してもよく、１ボルト〜数百ボルトの範囲であってよい。電流密度は通常約１０アンペア/ｍ２〜１６０アンペア/ｍ２であり、電着中に減少する傾向にある。
【００３５】
電着塗膜は、硬化後の膜厚が５〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍになるように、形成されればよい。
【００３６】
カチオン電着塗料組成物は、カチオン性エポキシ樹脂、硬化剤および必要に応じて顔料および添加剤を含むものが挙げられる。
【００３７】
・カチオン性エポキシ樹脂
カチオン性エポキシ樹脂には、アミンで変性されたエポキシ樹脂が含まれる。カチオン性エポキシ樹脂は、典型的には、ビスフェノール型エポキシ樹脂のエポキシ環の全部を、カチオン性基を導入し得る活性水素化合物で開環するか、または一部のエポキシ環を他の活性水素化合物で開環し、残りのエポキシ環を、カチオン性基を導入し得る活性水素化合物で開環して製造される。
【００３８】
ビスフェノール型エポキシ樹脂の典型例はビスフェノールＡ型またはビスフェノールＦ型エポキシ樹脂である。前者の市販品としてはエピコート８２８（油化シェルエポキシ社製、エポキシ当量１８０〜１９０）、エピコート１００１（同、エポキシ当量４５０〜５００）、エピコート１０１０（同、エポキシ当量３０００〜４０００）などがある。後者の市販品としてはエピコート８０７、（同、エポキシ当量１７０）などがある。
【００３９】
特開平５−３０６３２７号公報に記載されるオキサゾリドン環含有エポキシ樹脂をカチオン性エポキシ樹脂に用いてもよい。耐熱性及び耐食性に優れた塗膜が得られるからである。
【００４０】
特開平５−３０６３２７号公報に記載される、下記式で示されるオキサゾリドン環含有エポキシ樹脂をカチオン性エポキシ樹脂に用いてもよい。耐熱性及び耐食性に優れた塗膜が得られるからである。
【００４１】
【化１】
0006319352.tif 000002
【００４２】
［式中、Ｒはジグリシジルエポキシ化合物のグリシジルオキシ基を除いた残基、Ｒ’はジイソシアネート化合物のイソシアネート基を除いた残基、ｎは正の整数を意味する。］
【００４３】
エポキシ樹脂にオキサゾリドン環を導入する方法としては、例えば、メタノールのような低級アルコールでブロックされたブロックポリイソシアネートとポリエポキシドを塩基性触媒の存在下で加熱保温し、副生する低級アルコールを系内より留去することで得られる。
【００４４】
二官能エポキシ樹脂とモノアルコールでブロックしたジイソシアネート（すなわち、ビスウレタン）とを反応させるとオキサゾリドン環を含有するエポキシ樹脂が得られることは公知である。このオキサゾリドン環含有エポキシ樹脂の具体例及び製造方法は、例えば、特開２０００−１２８９５９号公報第００１２〜００４７段落に記載されており、公知である。
【００４５】
これらのエポキシ樹脂は、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、および単官能性のアルキルフェノールのような適当な樹脂で変性しても良い。また、エポキシ樹脂はエポキシ基とジオール又はジカルボン酸との反応を利用して鎖延長することができる。
【００４６】
これらのエポキシ樹脂は、開環後０．３〜４．０ｍｅｑ／ｇのアミン当量となるように、より好ましくはそのうちの５〜５０％が１級アミノ基が占めるように活性水素化合物で開環するのが望ましい。
【００４７】
カチオン性基を導入し得る活性水素化合物としては１級アミン、２級アミン、３級アミンの酸塩、スルフィド及び酸混合物がある。１級、２級又は／及び３級アミノ基含有エポキシ樹脂を調製するためには１級アミン、２級アミン、３級アミンの酸塩をカチオン性基を導入し得る活性水素化合物として用いる。
【００４８】
具体例としては、ブチルアミン、オクチルアミン、ジエチルアミン、ジブチルアミン、メチルブチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、Ｎ−メチルエタノールアミン、トリエチルアミン塩酸塩、Ｎ，Ｎ−ジメチルエタノールアミン酢酸塩、ジエチルジスルフィド・酢酸混合物などのほか、アミノエチルエタノールアミンのケチミン、ジエチレントリアミンのジケチミンなどの１級アミンをブロックした２級アミンがある。アミン類は複数のものを併用して用いてもよい。
【００４９】
・硬化剤
硬化剤は、ポリイソシアネートをブロック剤でブロックして得られたブロックポリイソシアネートが好ましく、ここでポリイソシアネートとは、１分子中にイソシアネート基を２個以上有する化合物をいう。ポリイソシアネートとしては、例えば、脂肪族系、脂環式系、芳香族系および芳香族−脂肪族系等のうちのいずれのものであってもよい。
【００５０】
ポリイソシアネートの具体例には、トリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）、ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）、ｐ−フェニレンジイソシアネート、及びナフタレンジイソシアネート等のような芳香族ジイソシアネート；ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）、２，２，４−トリメチルヘキサンジイソシアネート、及びリジンジイソシアネート等のような炭素数３〜１２の脂肪族ジイソシアネート；１，４−シクロヘキサンジイソシアネート（ＣＤＩ）、イソホロンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）、４，４’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート（水添ＭＤＩ）、メチルシクロヘキサンジイソシアネート、イソプロピリデンジシクロヘキシル−４，４’−ジイソシアネート、及び１，３−ジイソシアナトメチルシクロヘキサン（水添ＸＤＩ）、水添ＴＤＩ、２，５−もしくは２，６−ビス（イソシアナートメチル）−ビシクロ［２．２．１］ヘプタン（ノルボルナンジイソシアネートとも称される。）等のような炭素数５〜１８の脂環式ジイソシアネート；キシリレンジイソシアネート（ＸＤＩ）、及びテトラメチルキシリレンジイソシアネート（ＴＭＸＤＩ）等のような芳香環を有する脂肪族ジイソシアネート；これらのジイソシアネートの変性物（ウレタン化物、カーボジイミド、ウレトジオン、ウレトイミン、ビューレット及び／又はイソシアヌレート変性物）；等があげられる。これらは、単独で、または２種以上併用することができる。
【００５１】
ポリイソシアネートをエチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオールなどの多価アルコールとＮＣＯ／ＯＨ比２以上で反応させて得られる付加体ないしプレポリマーも硬化剤として使用してよい。
【００５２】
ポリイソシアネートは、脂肪族ポリイソシアネート又は脂環式ポリイソシアネートであることが好ましい。形成される塗膜が耐候性に優れるからである。
【００５３】
脂肪族ポリイソシアネート又は脂環式ポリイソシアネートの好ましい具体例には、ヘキサメチレンジイソシアネート、水添ＴＤＩ、水添ＭＤＩ、水添ＸＤＩ、ＩＰＤＩ、ノルボルナンジイソシアネート、それらの二量体（ビウレット）、三量体（イソシアヌレート）等が挙げられる。
【００５４】
ブロック剤は、ポリイソシアネート基に付加し、常温では安定であるが解離温度以上に加熱すると遊離のイソシアネート基を再生し得るものである。
【００５５】
ブロック剤としては、低温硬化（１６０℃以下）を望む場合には、ε−カプロラクタム、δ−バレロラクタム、γ−ブチロラクタムおよびβ−プロピオラクタムなどのラクタム系ブロック剤、及びホルムアルドキシム、アセトアルドキシム、アセトキシム、メチルエチルケトオキシム、ジアセチルモノオキシム、シクロヘキサンオキシムなどのオキシム系ブロック剤を使用するのが良い。
【００５６】
カチオン性エポキシ樹脂と硬化剤とを含むバインダーは、一般に、カチオン電着塗料組成物の全固形分の２５〜８５質量％、好ましくは４０〜７０質量％を占める量で電着塗料組成物に含有される。
【００５７】
・顔料
カチオン電着塗料組成物は、通常用いられる顔料を含んでもよい。使用できる顔料の例としては、通常使用される無機顔料、例えば、チタンホワイト、カーボンブラック及びベンガラのような着色顔料；カオリン、タルク、ケイ酸アルミニウム、炭酸カルシウム、マイカおよびクレーのような体質顔料；リン酸亜鉛、リン酸鉄、リン酸アルミニウム、リン酸カルシウム、亜リン酸亜鉛、シアン化亜鉛、酸化亜鉛、トリポリリン酸アルミニウム、モリブデン酸亜鉛、モリブデン酸アルミニウム、モリブデン酸カルシウム及びリンモリブデン酸アルミニウム、リンモリブデン酸アルミニウム亜鉛のような防錆顔料等、が挙げられる。
【００５８】
顔料は、一般に、カチオン電着塗料組成物の全固形分の１〜３５質量％、好ましくは１０〜３０質量％を占める量でカチオン電着塗料組成物に含有される。
【００５９】
顔料をカチオン電着塗料組成物の成分として用いる場合、一般に顔料を顔料分散樹脂と呼ばれる樹脂と共に予め高濃度で水性媒体に分散させてペースト状にすることが好ましい。顔料は粉体状であるため、電着塗料組成物で用いる低濃度均一状態に一工程で分散させるのは困難だからである。一般にこのようなペーストを顔料分散ペーストという。
【００６０】
顔料分散ペーストは、顔料を顔料分散樹脂ワニスと共に水性媒体中に分散させて調製する。顔料分散樹脂ワニスとしては、一般に、カチオン性又はノニオン性の低分子量界面活性剤や４級アンモニウム基及び／又は３級スルホニウム基を有する変性エポキシ樹脂等のようなカチオン性重合体を用いる。水性媒体としてはイオン交換水や少量のアルコール類を含む水等を用いる。一般に、顔料分散樹脂ワニスは５〜４０質量部、顔料は１０〜３０質量部の固形分比で用いる。
【００６１】
上記顔料分散用樹脂ワニスおよび顔料を、樹脂固形分１００質量部に対し１０〜１０００質量部混合した後、その混合物中の顔料の粒径が所定の均一な粒径となるまで、ボールミルやサンドグラインドミル等の通常の分散装置を用いて分散させて、顔料分散ペーストを得る。
【００６２】
・電着塗料組成物の調製
カチオン電着塗料組成物は、カチオン性エポキシ樹脂、硬化剤、及び顔料分散ペーストを水性媒体中に分散することによって調製される。通常、水性媒体にはカチオン性エポキシ樹脂の分散性を向上させるために中和剤を含有させる。中和剤は塩酸、硝酸、リン酸、ギ酸、酢酸、乳酸のような無機酸または有機酸である。その量は少なくとも２０％、好ましくは３０〜６０％の中和率を達成する量である。
【００６３】
硬化剤の量は、硬化時にカチオン性エポキシ樹脂中の１級、２級又は／及び３級アミノ基、水酸基等の活性水素含有官能基と反応して良好な硬化塗膜を与えるのに十分でなければならず、一般にカチオン性エポキシ樹脂の硬化剤に対する固形分質量比で表して一般に９０／１０〜５０／５０、好ましくは８０／２０〜６５／３５の範囲である。
【００６４】
電着塗料組成物は、ジラウリン酸ジブチルスズ、ジブチルスズオキサイドのようなスズ化合物や、通常のウレタン開裂触媒を含むことができる。鉛を実質的に含まないものが好ましいため、その量はブロックポリイソシアネート化合物の０．１〜５質量％とすることが好ましい。
【００６５】
電着塗料組成物は、水混和性有機溶剤、界面活性剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、及び顔料などの常用の塗料用添加剤を含むことができる。
【００６６】
（電着塗膜硬化工程）
本工程では、前工程で得られた未硬化の電着塗膜を加熱硬化させて、硬化電着塗膜を形成する。詳しくは、未硬化の電着塗膜を、昇温下に通常の方法、例えば焼付炉中、焼成オーブン中あるいは赤外ヒートランプ中で焼き付けて硬化させる。
【００６７】
焼き付けについては、本発明の発明者等の当初の予想では、本工程で達成される硬化の程度が小さいほど、金属部材と樹脂部材との接合強度は向上するものと考えられていた。例えば、樹脂部材と、硬化を行っていない電着塗膜を有する金属部材とを、当該電着塗膜を介して接合すると、樹脂部材が溶融するとともに、電着塗膜の硬化は進行するため、それらの境界面が分子レベルで混然一体化され、接合強度が向上するものと考えられていた。他方、樹脂部材と、硬化が完了した電着塗膜を有する金属部材とを、当該電着塗膜を介して接合すると、樹脂部材が溶融するだけで、電着塗膜に分子レベルでの変化はないため、十分な接合強度は得られないものと考えられていた。
【００６８】
本発明の発明者等は、上記当初の予想に反して、本工程で達成される電着塗膜の硬化の程度が大きいほど、金属部材と樹脂部材との接合強度は向上することを見い出した。
【００６９】
本発明においては、本工程で硬化を十分に行う。詳しくは、焼き付けを、１４０〜１８０℃、好ましくは１４０〜１６０℃で、１０〜１００分間、好ましくは３０〜１００分間、より好ましくは５０〜１００分間行う。焼き付け時間は上記範囲内で長いほど、接合強度が向上する。
【００７０】
本発明において、上記電着塗膜硬化工程を実施するに際しては、１段階法を採用してもよいし、または２段階以上の多段階法を採用してもよい。接合強度のさらなる向上の観点からは、電着塗装における通常の焼き付けを行った後、追加的に焼き付けをさらに行う２段階法を採用することが好ましい。多段階法において、各段階の焼き付け温度はそれぞれ独立して上記と同様の範囲内であり、各段階の焼き付け時間は合計時間が上記範囲内であればよい。
【００７１】
詳しくは、１段階法においては上記焼き付け温度で上記焼き付け時間だけ連続的に焼き付けを行う。
２段階法においては、上記焼き付け温度（１４０〜１８０℃、好ましくは１４０〜１６０℃）で１０〜２５分間の焼き付けを行った後（第１ベーク）、電着塗膜を室温に戻し、追加的に上記焼き付け温度（１４０〜１８０℃、好ましくは１４０〜１６０℃）で５〜９０分間、好ましくは２５〜９０分間の焼き付けをさらに行う（追加ベーク）。
【００７２】
電着塗膜が形成される領域は、金属部材１１における樹脂部材１２との接合領域を含んでいればよく、金属部材１１における樹脂部材１２側表面の全面であってもよいし、金属部材１１の全表面であってもよい。金属部材１１における樹脂部材１２との接合領域とは、樹脂部材１２との接合（結合）が達成されている領域という意味である。具体的には、当該接合領域は通常、後述する図４に示すように、樹脂部材１２の回転ツール直下領域で溶融している溶融樹脂１２０と接触する領域を含み、好ましくは当該回転ツール直下領域の溶融樹脂１２０およびその外周領域に流動する溶融樹脂と接触する領域を含む。図４は後述する押込み撹拌工程の一例を説明するための概略断面図であって、図１におけるＸ−Ｘ断面を矢印方向で見たときの断面図である。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
（３）樹脂部材
樹脂部材１２は熱可塑性ポリマーを含む。
【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、特に官能基を有する熱可塑性ポリマーが好ましく使用される。樹脂部材１２を構成する熱可塑性ポリマーが官能基を有することにより、接合時において樹脂部材１２と金属部材１１の硬化された電着塗膜との間で相互作用がさらに働くようになり、接着強度をさらに向上させることができる。
【００７７】
熱可塑性ポリマーが有することが好ましい官能基は、酸素原子、窒素原子、フッ素原子および硫黄原子からなる群から選択される１種以上の原子を含有する基である。より好ましい官能基は少なくとも酸素原子および／または窒素原子を含み、さらに好ましくは少なくとも酸素原子を含む。
【００７８】
このような官能基の具体例として、例えば、カルボニル基（Ｃ＝Ｏ）、エーテル基（−Ｏ−）、チオエーテル基（−Ｓ−）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、カルボキシレート基（−ＣＯＯＲ（式中、Ｒは炭素原子数１〜３のアルキル基である））、フッ素原子（−Ｆ）、エステル結合基（−ＣＯ−Ｏ−）、アミド結合基（−ＣＯ−ＮＨ−）、ウレタン結合基（−ＮＨ−ＣＯ−Ｏ−）およびカーボネート基（−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−）が挙げられる。官能基はこれらの基からなる群から選択される１種以上の基であってよい。好ましい官能基はカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、エステル結合基（−ＣＯ−Ｏ−）、アミド結合基（−ＣＯ−ＮＨ−）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）である。
【００７９】
電着塗膜は通常、当該塗膜を構成する樹脂ポリマーの主鎖および／または側鎖に、酸素原子、窒素原子および水素原子からなる群から選択される１種以上の原子を含む。このため、樹脂部材を構成する熱可塑性ポリマーが上記官能基を有すると、水素結合により、金属部材１１の電着塗膜と樹脂部材１２との間で相互作用が働き、接合強度がさらに向上する。
【００８０】
例えば、樹脂部材１２を構成する熱可塑性ポリマーが有する官能基としてのカルボキシル基は、電着塗膜の酸素原子、窒素原子および水素原子との間で、水素結合を形成することにより、金属部材１１の電着塗膜と樹脂部材１２との間で相互作用が働く。
【００８１】
また例えば、当該官能基としてのエステル結合基は、電着塗膜の酸素原子、窒素原子および水素原子との間で、水素結合を形成することにより、金属部材１１の電着塗膜と樹脂部材１２との間で相互作用が働く。
【００８２】
また例えば、当該官能基としてのアミド結合基は、電着塗膜の酸素原子、窒素原子および水素原子との間で、水素結合を形成することにより、金属部材１１の電着塗膜と樹脂部材１２との間で相互作用が働く。
【００８３】
たとえ熱可塑性ポリマーが後述のポリオレフィンなどの官能基を有さないポリマーであっても、当該ポリオレフィンの水素原子が、電着塗膜の酸素原子および窒素原子との間で、水素結合を形成することにより、金属部材１１の電着塗膜と樹脂部材１２との間で相互作用が働く。
【００８４】
樹脂部材１２を構成する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。なお、当該ポリマーが官能基を有する場合、当該官能基を併記する。
【００８５】
・ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン；
・酸変性ポリエチレン、酸変性ポリプロピレンなどの酸変性ポリオレフィン：カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）；
・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：エステル結合基（−ＣＯ−Ｏ−）；
・ポリ（メタ）アクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリ（メタ）アクリル酸エチルなどのポリ（メタ）アクリル酸アルキル：カルボキシレート基；
・ポリカーボネート（ＰＣ）：カーボネート基（−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−）；
・ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＭＸＤ６などのポリアミド：アミド結合基（−ＣＯ−ＮＨ−）；
・ポリウレタン：ウレタン結合基（−ＮＨ−ＣＯ−Ｏ−）；
・ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのポリエーテル：エーテル結合（−Ｏ−）、チオエーテル結合（−Ｓ−）、カルボニル基（Ｃ＝Ｏ）；
・液晶ポリマー（ＬＣＰ）：カルボニル基（Ｃ＝Ｏ）；
・フッ素樹脂などのフッ素含有ポリマー：フッ素（−Ｆ）。
【００８６】
酸変性ポリオレフィンはポリオレフィンの酸変性物という意味である。酸変性ポリオレフィンの具体例として、エチレン、プロピレンなどのポリオレフィンの構成モノマーとともに、マレイン酸、無水マレイン酸等のカルボキシル基含有モノマーを共重合またはグラフト重合させてなる共重合体が挙げられる。
【００８７】
樹脂部材１２を構成する好ましい熱可塑性ポリマーの具体例としては、上記した酸変性ポリオレフィン、ポリエステル、ポリ（メタ）アクリル酸アルキル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエーテル、液晶ポリマー、フッ素含有ポリマーが挙げられる。接着強度のさらなる向上と製造コストの向上の観点から、樹脂部材１２を構成するより好ましい熱可塑性ポリマーの具体例としては、酸変性ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミドが挙げられる。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
樹脂部材１２には、例えば充填材、安定剤、難燃剤、着色材、発泡剤などの添加剤がさらに含有されてもよい。本発明において、充填材とは、樹脂部材中に補強、剛性向上等の目的で添加される添加剤であり、特に導電性充填材が含有されることが好ましい。
【００９３】
導電性充填材として、例えば、炭素繊維、タルク等が挙げられる。本発明において樹脂部材１２は導電性充填材の中でも腐食電位が金属部材より高い導電性充填材を含むことが好ましい。そのような導電性充填材を含む樹脂部材を用いると、ガルバニック腐食が発生し、一般的には、接合強度は低下するが、本発明においてはそのような場合であっても、当該腐食を有効に防止することができ、十分な接合強度を達成できるためである。例えば、炭素繊維は、アルミニウム、マグネシウム、鋼材等を腐食させる作用を有する。
【００９４】
非導電性充填材として、例えば、ガラス繊維等が挙げられる。
【００９５】
樹脂部材１２は充填材、特に導電性充填材を全量に対して、好ましくは１０〜６０重量％、より好ましくは２０〜６０重量％、さらに好ましくは３０〜６０重量％の含有率で含有している。このような含有率は樹脂部材全体を樹脂成分が溶解し得る溶剤に溶解させ、充填材を濾別し、該充填材重量の全量に対する割合を算出することにより求めることができる。
【００９６】
樹脂部材１２は、熱可塑性ポリマーおよび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。
【００９７】
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。
【００９８】
（４）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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
第２ステップにおいては、前記押込み撹拌工程Ｃ２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。
前記押込み撹拌工程Ｃ２の後に、回転ツール１６を接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール１６の回転動作を継続させる撹拌維持工程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。
【０１０２】
本発明における各工程は回転ツールの押圧力（加圧力）及び押圧時間の制御によって成されていても良いし、また、回転ツールの押圧方向の移動量（接合部材に接触してからの接合部材への挿入量）及びその移動時間の制御によって成されていても良い。
【０１０３】
以下、これらの工程について詳しく説明する。
【０１０４】
（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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
予熱工程Ｃ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、上記のような回転ツール１６の押込み易さの観点及び樹脂部材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、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下の厚みの前記金属部材１１を使用する場合、予熱工程Ｃ１における第１の加圧力は、７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第１の加圧時間は、０．５秒以上２．０秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【０１０７】
（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４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４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４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４の矢印方向）を促進させることができる。その結果、冷却による固化後において、金属部材１１と樹脂部材１２との間のより広い領域で相互作用が働くようになる。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は、樹脂部材１２の金属部材側表面１２１における少なくとも回転ツール直下領域の表層部の溶融樹脂のことであり、好ましくはその外周部へ流動する。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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４では下側）に移動し、当該直下部１１０が樹脂部材１２側に突出変形する。これにより、接合境界面１３において回転ツールの直下領域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。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、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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下の厚みの前記金属部材１１を使用する場合、押込み撹拌工程Ｃ２における第２の加圧力は、１２００Ｎ以上１８００Ｎ未満の値が好ましい。第２の加圧時間は、０．１秒以上０．５秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。
【０１１３】
（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４に示すように、上記接合境界面１３に達しない深さまで進入させた位置（これを「基準位置」という）で回転ツール１６の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１６を、第１の加圧力より小さい第３の加圧力（例えば、５００Ｎ）で、第１の加圧時間より長い第３の加圧時間（例えば、５．７５秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。
【０１１４】
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。
【０１１５】
撹拌維持工程Ｃ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、上記のような樹脂部材１２の広い範囲での十分な軟化・溶融および生産性の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や金属部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下の厚みの前記金属部材１１を使用する場合、撹拌維持工程Ｃ３における第３の加圧力は、１００Ｎ以上７００Ｎ未満の値が好ましい。第３の加圧時間は、１．０秒以上２０秒未満の値、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。
【０１１６】
（保持工程Ｃ４）
撹拌維持工程Ｃ３の後には、上記回転ツール１６の回転を停止し、その状態で上記回転ツール１６を所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程Ｃ４を行ってもよいし、行わなくても良い。
保持工程Ｃ４は、同じく図４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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
保持工程Ｃ４の第４の加圧力及び第４の加圧時間は、上記のような冷却期間中の押圧領域Ｐ直下の領域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、前記金属部材１１を使用する場合、保持工程Ｃ４における第４の加圧力は、例えば７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第４の加圧時間は、例えば１秒以上の値が好ましい。
【０１１９】
上記接合方法は、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】
【０１２０】
［実施例１］
（金属部材）
非メッキ軟鋼板（ＳＰＣ、低炭素鋼；縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み（Ｔ）０．７ｍｍ）の全表面に以下のカチオン電着塗料を、硬化後の膜厚が１０μｍとなるように、電着塗装し、未硬化の電着塗膜を形成した。その後、未硬化の電着塗膜の焼き付けを１５０℃で２０分間行い、硬化させ、硬化電着塗膜を形成した。
カチオン電着塗料は市販のパワーニックス（日本ペイント社製）であり、カチオン性エポキシ樹脂、硬化剤および顔料を含む硬化性塗料組成物である。
【０１２１】
（樹脂部材）
ポリマーＡとして、ポリアミドのみからなるポリアミドペレット（商品名；ユニチカナイロンＡ１０２０、ユニチカ社製）に炭素繊維を配合したペレットを用いた。当該ペレットの炭素繊維含有率は４０重量％であった。ポリアミドのＭＦＲは２０であった。
【０１２２】
ポリマーＡを用いて射出成形法により、（縦１００ｍｍ×横５０ｍｍ×厚み３ｍｍ）寸法の樹脂部材１２を製造した。詳しくは１００重量部のポリマーＡを２５０℃に加熱して、溶融物を得た。溶融物を、５０℃に加熱された金型内に、射出速度１００ｍｍ／秒で射出注入した後、冷却・固化させ、樹脂部材を得た。
【０１２３】
（回転ツール）
回転ツールとしては、図２に示す回転ツール１６を用いた。各部の寸法はＤ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍｍｍであり、回転ツールは窒化珪素製のものであった。
【０１２４】
（接合方法）
以下の方法により、金属部材１１と樹脂部材１２との接合体を製造した。
第１ステップ：
金属部材１１と樹脂部材１２とを図１に示すように重ね合わせた。
【０１２５】
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Ｃ１：加圧力９００Ｎ、加圧時間１．００秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、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との接合境界面に達しない深さまで進入させた（押込み撹拌工程Ｃ２：加圧力１５００Ｎ、加圧時間０．２５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、図４に示すように、回転ツール１６を接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール１６の回転動作を継続させた（撹拌維持工程Ｃ３：加圧力５００Ｎ、加圧時間５．７５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、接合体２０から回転ツール１６を抜き取り、放置冷却した。
【０１２６】
上記方法において、金属部材と樹脂部材との界面における回転ツールの直下領域の最高温度を接合温度として追跡したところ、１９２℃であった。
【０１２７】
［比較例１］
以下の金属部材を用いたこと以外、実施例１と同様の方法により、接合体を得た。
【０１２８】
（金属部材）
実施例１で使用した非メッキ軟鋼板（ＳＰＣ；縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み（Ｔ）１．２ｍｍ）を、電着塗装することなく、そのまま用いた。
【０１２９】
［実施例２〜４］
実施例１と同様の方法により、鋼板に硬化電着塗膜を形成した。この電着塗膜を、室温に戻した後、追加的に１５０℃で表１に記載の時間の焼き付けをさらに行い（追加ベーク）、硬化電着塗膜を形成した。
得られた金属部材を用いたこと以外、実施例１と同様の方法により、接合体を得た。
【０１３０】
［接合強度］
図５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接合強度（剪断応力）を測定した。
各実施例／比較例において接合体は２つずつ製造し、これらの接合強度の平均値を示した。
【０１３１】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【０１３２】
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】
【０１３３】
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
１１１：金属部材の樹脂部材側表面
Ｐ：押圧領域（押圧予定領域）
１２０：樹脂部材における回転ツール直下領域の表層部
１２１：樹脂部材の金属部材側表面
【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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