(57)【要約】【目的】接合界面にある樹脂塗膜１ｂ，２ｂを超音波振動エネルギーで昇温して熱融合部４を形成し、被接合材１，相手材２を接合する。【構成】表面粗さＲａ：１μｍ以上に調整された熱可塑性樹脂塗膜１ｂが少なくとも接合界面に設けられた塗装鋼板を被接合材１に使用する。被接合材１を同種又は異種の相手材２と重ね合わせ、超音波振動子３で加圧しながら被接合材１，相手材２を超音波加振する。導入された超音波振動エネルギーが接合界面の樹脂塗膜１ｂに集中し、生成した熱融合部４を介して被接合材１に相手材２が接合される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも被接合面側に熱可塑性樹脂塗膜が設けられ、該熱可塑性樹脂塗膜の表面粗さがＲａ：１μｍ以上に調整されていることを特徴とする超音波接合可能な塗装鋼板。
【請求項２】
表面粗さＲａ：１μｍ以上の熱可塑性樹脂塗膜が少なくとも被接合面側の下地鋼板に設けられた塗装鋼板を被接合材とし、熱可塑性樹脂に対する親和性のある相手材と重ね合わせ、接合個所の被接合材又は相手材に超音波振動子を接触させ、超音波振動子で加圧しながら被接合材，相手材を超音波加振することを特徴とする塗装鋼板の超音波接合方法。
【請求項３】
請求項２記載の超音波加振で導入された超音波振動エネルギーにより昇温した熱可塑性樹脂の熱融合部を介して被接合材，相手材が接合されていることを特徴とする接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超音波加振によって短時間接合できる塗装鋼板，超音波を利用した塗装鋼板の接合方法及び接合構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所定サイズに裁断した塗装鋼板を製品形状に組み立てる際、熱融着，接着，カシメ，ビス止め等で塗装鋼板相互を、或いは塗装鋼板を異種材と接合している。
熱融着では、誘導加熱，高周波加熱，抵抗加熱，ホットプレス等で塗装鋼板を接合温度に加熱して相手材に加圧することにより、相手材の塗膜と熱融合させている。接合温度は、塗膜の種類によって異なるが最低でも１００℃以上の高温を必要とする。そのため、接合された塗装鋼板に熱変形が生じやすく、塗膜も劣化しやすい。接合された塗装鋼板が常温まで冷却するのにも時間がかかる。
【０００３】
接着法で塗装鋼板を組み立てる場合、鋼板表面に形成している塗膜に適した接着剤の選択が必要で、多種の接着剤を用意しておくことが余儀なくされる。高い接着強度を発現する接着剤も市販されているが、高接着強度が発現するまでに長い硬化時間を要する接着剤が大半である。
カシメ，ビス止め等の機械的方法では、接合部の表面側にある塗膜が変形し、或いはビスの一部が塗装鋼板表面に露呈しやすい。そのため、外観が重視される用途にあっては、製品表面側からずれた接合個所の設定，接合強度を考慮した製品形状の設計等に工夫を要する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
熱融着，接着，カシメ，ビス止め等は何れも一長一短があり、所定の接合強度をもち、良好な外観を維持した製品形態を得るのに適した方法が実用化されていない。そこで、本発明者等は、熱融着，接着，カシメ，ビス止め等に代わる方法を模索した。
ところで、熱可塑性樹脂塗膜を設けたアルミニウム材や熱可塑性樹脂でできたフィルム，シート，成形体等の接合に超音波加振を利用する方法が一部で採用されている（特開平１０−２９１０８１号公報，特開２００２−２８９９３号公報）。この方法では、超音波振動エネルギーで発熱した熱可塑性樹脂が溶着剤となってフィルム，シート，成形体等を接合する。超音波加振された個所だけで熱可塑性樹脂が発熱するため接合個所以外にある樹脂表面の劣化が抑えられ、接合に要する時間も大幅に短縮される。
【０００５】
超音波接合法を塗装鋼板に適用しても、熱可塑性樹脂塗膜が接合に必要な溶融状態に至らず、或いは溶融状態に達するまでに長時間がかかる。超音波加振が及ぼす影響が熱可塑性樹脂製品，塗装鋼板で異なる原因を調査・検討した結果、塗装鋼板に加えられた超音波振動エネルギーの大半が下地鋼板を伝播して放散し、熱可塑性樹脂塗膜の昇温に寄与していないと推測した。この推測を前提にすると、熱可塑性樹脂塗膜の昇温に消費される超音波振動エネルギーの割合を高めることにより、塗装鋼板の超音波接合が可能なことが予想される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相手材に押し当てた塗装鋼板に加わる超音波振動の挙動を考察した知見をベースに案出されたものであり、熱可塑性樹脂塗膜の摩擦係数を高くすることにより、超音波振動エネルギーを熱可塑性樹脂の昇温に効率よく消費し、短時間で高い接合強度を発現し、接合部の外観劣化も抑えた塗装鋼板を得ることを目的とする。
【０００７】
本発明の塗装鋼板は、下地鋼板の表面に形成されている熱可塑性樹脂塗膜の表面粗さをＲａ：１μｍ以上に調整している。塗膜は、ポリビニルアルコール，ポリビニルブチラール，ポリビニルアセタール，ポリ酢酸ビニル，ポリ塩化ビニル，ポリビニルピロリドン，ポリスチレン等のビニル系樹脂、ポリメチル（メタ）クリレート，ポリブチル（メタ）クリレート，ポリアクリルアミド，ポリアクリロニトリル等のアクリレート樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、尿素樹脂、ポリカプロラクタン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリスルホン樹脂、シリコーンポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の熱可塑性樹脂をベースにする塗料で成膜される。Ｒａ：１μｍ以上の表面粗さは、樹脂塗膜への顔料配合，形成した塗膜の粗面化処理等により達成される。
【０００８】
粗面化された塗装鋼板を相手材と組み合わせて被接合部を超音波加振すると、塗膜表面が相手材と擦れ合うことにより生じる摩擦熱で被接合部の熱可塑性樹脂塗膜が昇温するが、下地鋼板を伝播して放散される超音波振動エネルギーもある。このとき、塗膜表面をＲａ：１μｍ以上の表面粗さに調整しておくと、静摩擦係数が０．５を超える塗膜表面となる。その結果、摩擦、ひいては熱可塑性樹脂塗膜の昇温に消費される超音波振動エネルギーの割合が高くなり、下地鋼板への伝播で超音波振動エネルギーが放散される前に被接合部が熱溶着される。
【０００９】
【作用及び実施の形態】
超音波接合される塗装鋼板１は、下地鋼板１ａの上に設けた熱可塑性樹脂塗膜１ｂをＲａ：１μｍ以上の表面粗さに調整している（図１）。樹脂塗膜１ｂのベース樹脂は、熱可塑性である限り樹脂種が拘束されるものではないが、ポリビニルアルコール，ポリビニルブチラール，ポリビニルアセタール，ポリ酢酸ビニル，ポリ塩化ビニル，ポリビニルピロリドン，ポリスチレン等のビニル系樹脂、ポリメチル（メタ）クリレート，ポリブチル（メタ）クリレート，ポリアクリルアミド，ポリアクリロニトリル等のアクリレート樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、尿素樹脂、ポリカプロラクタン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリスルホン樹脂、シリコーンポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等が使用可能である。
【００１０】
熱可塑性樹脂塗膜１ｂの表面粗さは、比較的粒径の大きな艶消し剤，着色顔料，骨材，体質顔料等を配合した塗料を塗装原板に塗布焼成することによりＲａ：１μｍ以上に調整される。或いは、塗装鋼板１にエンボス加工，エッチング，ショット又はサンドブラスティング処理等の粗面化処理を施すことにより、樹脂塗膜１ｂの表面粗さをＲａ：１μｍ以上に調整できる。
粗面化された塗装鋼板１を被接合材とし、同様な表面粗さをもつ塗装鋼板２（相手材）と重ね合わせる。超音波加振中に塗装鋼板１，２の位置ズレがないように適宜の治具で塗装鋼板１，２の重合せ状態を固定し、被接合部に超音波振動子３を押し当て、被接合部を加圧しながら超音波加振する（図２）。
【００１１】
超音波加振で被接合部の樹脂塗膜１ｂ，２ｂが互いに擦れ合い、摩擦熱で樹脂塗膜１ｂ，２ｂが昇温して熱融合部４を形成する。熱融合部４で双方の樹脂塗膜１ｂ，２ｂが一体化され、被接合材１に相手材２が接合される。熱融合部４の形成には、樹脂塗膜１ｂ，２ｂの表面粗さ，超音波振動子３で加えられる押圧力Ｐ，超音波振動の周波数が重要な因子となる。
【００１２】
樹脂塗膜１ｂ，２ｂの表面粗さがＲａ：１μｍ未満では、下地鋼板１ａ，２ａを伝播して被接合部から放散される超音波振動エネルギーが多くなり、十分な熱融合部４の形成に必要な摩擦発熱を期待できない。その結果、後述の実施例にもみられるように十分な接合強度が得られない。
熱融合部４の形成には、０．５ＭＰａ以上の押圧力Ｐを加えることが好ましい。押圧力Ｐが０．５ＭＰａ未満では、樹脂塗膜１ｂ，２ｂの昇温に必要な摩擦発熱が不足し、下地鋼板１ａ，２ａに伝播する超音波振動エネルギーが多くなる。超音波振動は通常工業的に使用されている範囲であれば特に制約されるものではないが、具体的には周波数１５〜３０ｋＨｚ，出力１００〜２０００Ｗの超音波が使用される。
【００１３】
熱融合部４は、０．５ＭＰａ以上の押圧力Ｐで周波数１５〜３０ｋＨｚ，出力１００〜２０００Ｗの超音波振動が加えられた被接合部にある表面粗さＲａ：１μｍ以上の樹脂塗膜１ｂ，２ｂに局部的に生じる。押圧力Ｐの作用が及ばない被接合部以外の個所にある樹脂塗膜１ｂ，２ｂは、熱融合部４を生じることなく当初の表面状態に維持される。超音波振動子３を押し当てた樹脂塗膜２ｃも、視認できない程度の圧痕が残ることを除き、良好な軽微な表面状態に維持される。
【００１４】
超音波振動エネルギーを利用した接合法は、少なくとも一方の被接合材１の接合界面に熱可塑性樹脂塗膜１ｂが形成されている限り、両面に樹脂塗膜１ｂ，１ｃ及び２ｂ，２ｃが形成された塗装鋼板１，２の接合以外にも種々の適用が可能である。たとえば、熱融合部４と親和性のある表面処理が施された金属板，樹脂成形体等を相手材２に使用した場合でも同様に接合される。
熱融合部４の形成部が押圧力Ｐを加えた個所に特定され、熱融合部４の形成に必要なエネルギー量も少ないことから、超音波加振を解除すると塗装鋼板１，２の接合部は短時間で常温まで降温する。そのため、接合に要する時間も短時間で済む。接合された塗装鋼板１，２を観察すると、接合個所にある樹脂塗膜１ｃ，２ｃでも膜面性状に実質的な劣化がなく、樹脂塗膜１ｃ，２ｃの何れをも製品表面に使用できる。
【００１５】
【実施例１】
ポリオレフィン樹脂を樹脂ベースとする塗料を使用し、膜厚１０μｍの樹脂塗膜１ｂ，１ｃを下地鋼板１ａの両面に設けた塗装鋼板１を用意した。樹脂塗膜１ｂ，１ｃの表面粗さは、塗料に配合する艶消し顔料の粒径によってＲａ：０．４〜５．０μｍの範囲で変化させた。
塗装鋼板１を被接合材とし、同様な樹脂塗膜２ｂ，２ｃを両面に設けた塗装鋼板２（相手材）と重ね合わせ、超音波加振中の位置ズレを防止するため塗装鋼板１，２の重ね合わせ状態を治具で固定した。
【００１６】
この状態で相手材２の樹脂塗膜２ｃに径１０ｍｍの超音波振動子３を接触させ、押圧力Ｐ：１ＭＰａで相手材２を被接合材１に加圧しながら周波数：２８．５ｋＨｚの超音波振動を塗装鋼板１，２に加えた。超音波加振を０．５秒継続した後で、塗装鋼板１，２から超音波振動子３を離したところ、接合部は瞬時に常温まで降温した。
【００１７】
接合断面を観察したところ、樹脂塗膜１ｂ，２ｂが融合した熱融合部４が接合界面に形成されていた。
塗装鋼板１，２の接合体から試験片を切り出し、材料試験機（オートグラフＡＧ−２０００Ｄ：株式会社島津製作所製）を用い引張り速度１ｍｍ／分で剪断強度を測定した。表１の測定結果にみられるように、樹脂塗膜１ｂ，２ｂの表面粗さをＲａ：１μｍ以上の調整した塗装鋼板１，２で６２０Ｎ以上の剪断強度が得られ、表面粗さが小さくなるほど剪断強度が低下する結果が得られた。
６２０Ｎ以上の剪断強度は、カシメによる剪断強度が約５００Ｎであることを考慮すると、十分に高い値といえる。しかも、超音波振動子３が押し当てられた樹脂塗膜１ｃに肉眼で識別できる圧痕が検出されず、接合に要した時間も１秒以内の短時間であった。
【００１８】
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【００１９】
【実施例２】
塗料に配合した艶消し剤による粗面化に代え、ショットブラスト，サンドブラストにより膜面を粗面化した塗装鋼板１，２を実施例１と同じ条件下で超音波接合した。
ショットブラストでは、粒径１００μｍの鉄粒を投射速度１５ｍ／秒で樹脂塗膜１ｂ，２ｂに衝突させ、樹脂塗膜１ｂ，２ｂの表面粗さをＲａ：３．２μｍに調整した。サンドブラストでは、粒径２００μｍのセラミック粒を投射速度１０ｍ／秒で樹脂塗膜１ｂ，２ｂに衝突させ、樹脂塗膜１ｂ，２ｂの表面粗さをＲａ：４．５μｍに調整した。
【００２０】
ショットブラスト，サンドブラストにより粗面化した塗装鋼板１，２を超音波加振した場合でも、表２に示すように高い接合強度が得られた。この方法は、熱可塑性樹脂である限り樹脂塗膜１ｂ，２ｂの材質変更を必要とせず、被接合部にある樹脂塗膜１ｂ，２ｂの粗面化だけで通常の塗装鋼板１，２に超音波接合性を付与できる。
【００２１】
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【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、表面粗さがＲａ：１μｍ以上に調整された塗装鋼板を相手材に押圧した状態で超音波加振すると、超音波振動子の接触個所で熱可塑性樹脂塗膜が局部的に昇温し、接合に必要な熱融合部が瞬時に形成され、カシメ接合を凌駕する高強度の接合部が形成される。この方法によるとき、接合に要する時間は短時間で済み、製品状態で外側に配置される塗膜や基材表面の劣化も抑えられる。このようにして得られた接合構造体は、家電製品筐体，住宅役物等、広範な分野で使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波接合可能な塗装鋼板の表面状態を説明する図
【図２】超音波加振で形成される熱融合部の説明図
【符号の説明】
１：塗装鋼板（被接合材）    １ａ：下地鋼板    １ｂ，１ｃ：熱可塑性樹脂塗膜
２：塗装鋼板（相手材）    ２ａ：下地鋼板    ２ｂ，２ｃ：熱可塑性樹脂塗膜
３：超音波振動子    ４：熱融合部    Ｐ：押圧力
【図１】
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【図２】
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