金屬部件與樹脂部件的接合方法、以及利用該方法接合而成的金屬部件與樹脂部件的接合體與流程

2023-05-30 15:53:27

在此公開的技術涉及金屬部件與樹脂部件的接合方法、以及利用該方法接合而成的金屬部件與樹脂部件的接合體。

背景技術：

迄今為止，在汽車、鐵路車輛、飛機等領域，要求輕量化。例如，在汽車領域，通過使用高張力鋼材料來使鋼板減薄的作法正在推進，或者，使用鋁合金來作為鋼的代替材料，並且樹脂材料的使用也正在推進。在這樣的領域中，金屬部件與樹脂部件的接合技術的開發不只是對於車身的輕量化而言是重要的，從實現接合部件的高強度化、高剛性化以及生產性的提升這樣的角度來看，上述接合技術也是重要的。至今為止，作為金屬部件與樹脂部件的接合方法，已提出了所謂的摩擦攪拌接合(FSW：friction stir welding)方法。摩擦攪拌接合方法是這樣的方法；如圖7所示，使金屬部件211與樹脂部件212疊合，並邊使旋轉工具216旋轉邊將該旋轉工具216按壓在金屬部件211上來產生摩擦熱，在利用該摩擦熱來使樹脂部件212熔融後，使熔融的樹脂部件212硬化，從而將金屬部件211與樹脂部件212接合。在圖7中，邊使旋轉工具216移動邊進行連續接合，但是也可以不使該旋轉工具216移動地進行點接合。

就這樣的摩擦攪拌接合方法而言，基於例如接合強度和簡易接合的觀點而將旋轉工具的形狀、按入量設定在特定範圍內的技術(專利文獻1)已被公開。

專利文獻1：日本公開專利公報特開2010-158885號公報

技術實現要素：

－發明要解決的技術問題－

但是，在現有的摩擦攪拌接合方法中，由於旋轉工具216按壓金屬部件211的按壓力較小，因此如圖8(A)和圖8(B)所示，按入量也較小。因此，摩擦熱不會充分地傳導至樹脂部件212，從而無法效率良好地使樹脂部件212熔融，這成為使為了獲得充分的接合強度而進行的作業的效率降低的原因。詳細而言，在金屬部件211與樹脂部件212的接合界面213處，即使在樹脂部件212上的、按壓部件216正下方的正下方區域260發生了熔融，在該正下方區域260的外周區域261也幾乎不會發生熔融，並且熔融物也幾乎不會向外周區域261流動。即使在外周區域261發生了熔融，熔融的量也很少，因此有可能無法獲得充分的接合強度。於是，為了獲得充分的接合強度，可以想到延長按壓時間的作法，但這會成為使為了完成接合而進行的作業的效率降低的原因。另一方面，還可以想到提高按壓力這樣的作法，但是有可能旋轉工具很快就貫穿金屬部件211和樹脂部件212，從而無法進行接合。

在此公開的技術的目的在於提供一種金屬部件與樹脂部件的接合方法、以及利用該方法接合而成的金屬部件與樹脂部件的接合體，其中該接合方法能夠以足夠良好的作業效率和足夠的強度將樹脂部件與金屬部件接合在一起。

－用以解決技術問題的技術方案－

在此公開的技術涉及一種金屬部件與樹脂部件的接合方法，該金屬部件與樹脂部件的接合方法是使金屬部件與樹脂部件疊合，並利用按壓部件從該金屬部件側局部地施加熱和壓力，由此使該樹脂部件軟化、熔融後，再使軟化、熔融的該樹脂部件硬化的熱壓式接合方法。所述金屬部件與樹脂部件的接合方法的特徵在於：包括按入工序，在該按入工序中，將所述按壓部件按入所述金屬部件內，使該按壓部件進入到未抵達該金屬部件與所述樹脂部件的接合界面的深度，並且使該金屬部件上的按壓部件正下方部往該樹脂部件側突出變形，從而使在接合界面處而且是在該按壓部件正下方的正下方區域中發生了熔融的該樹脂部件表面上的熔融樹脂流至該正下方區域的外周區域。

在此公開的技術還涉及一種金屬部件與樹脂部件的接合方法，其中該金屬部件與樹脂部件的接合方法是摩擦攪拌接合方法，並且包括第一步驟和第二步驟。在所述第一步驟中，使所述金屬部件與所述樹脂部件重合。在所述第二步驟中，邊使旋轉工具旋轉，邊將該旋轉工具按壓在所述金屬部件上來產生摩擦熱，在利用該摩擦熱來使所述樹脂部件軟化、熔融後，再使軟化、熔融的樹脂部件硬化，從而將該金屬部件與該樹脂部件接合。所述金屬部件與樹脂部件的接合方法的特徵在於：所述第二步驟包括按入攪拌工序，在該按入攪拌工序中，將所述旋轉工具按入所述金屬部件內，使該旋轉工具進入到未抵達該金屬部件與所述樹脂部件的接合界面的深度，並且使該金屬部件上的旋轉工具正下方部往該樹脂部件側突出變形，從而使在接合界面處而且是在該旋轉工具正下方的正下方區域中發生了熔融的該樹脂部件表面上的熔融樹脂流至該正下方區域的外周區域。

在此公開的技術還涉及一種金屬部件與樹脂部件的接合體，該金屬部件與樹脂部件的接合體是利用上述的金屬部件與樹脂部件的接合方法所接合而成的。

－發明的效果－

根據在此公開的接合方法，能夠在足夠良好的作業效率下，以足夠的強度來將樹脂部件與金屬部件接合在一起。

附圖說明

圖1是示出摩擦攪拌接合裝置的部分結構的一個例子的示意圖，該摩擦攪拌接合裝置適合用來實施金屬部件與樹脂部件的接合方法。

圖2是在本實施方式的接合方法中使用的旋轉工具的一個例子的前端部的放大圖。

圖3是用來說明本實施方式的接合方法中的預熱工序的剖視簡圖。

圖4(A)是用來說明本實施方式的接合方法中的按入攪拌工序、攪拌維持工序和保持工序的剖視簡圖，圖4(B)是示意簡圖，其示出在透視金屬部件的情況下從上方觀察圖4(A)時看到的樹脂部件的表面狀態。

圖5(A)是利用本實施方式的接合方法獲得的接合體的剖視簡圖，圖5(B)是示意簡圖，其示出將金屬部件從圖5(A)中的接合體上強制地剝離下來時的樹脂部件的表面狀態。

圖6是用來說明實施例中的接合強度的測量方法的簡圖。

圖7是用來說明以往技術中的金屬部件與樹脂部件的接合方法的示意簡圖。

圖8(A)是用來說明以往技術中的金屬部件與樹脂部件的接合方法的剖視簡圖，圖8(B)是示意簡圖，其示出在透視金屬部件的情況下從上方觀察圖8(A)時看到的樹脂部件的表面狀態。

具體實施方式

本實施方式的接合方法是熱壓式接合方法，即：使金屬部件與樹脂部件疊合，並利用按壓部件從金屬部件側局部地施加熱和壓力，由此使樹脂部件軟化、熔融後，再使熔融的樹脂部件硬化，從而將金屬部件與樹脂部件接合。接合方法中採用的接合方式沒有特別的限制，只要是利用按壓部件從金屬部件側局部地施加熱和壓力的方法即可，例如也可以是摩擦攪拌接合方法、超音波加熱接合方法等。優選的是採用摩擦攪拌接合方法。

摩擦攪拌接合方法是利用邊使旋轉工具旋轉邊將旋轉工具按壓在金屬部件上而產生的摩擦熱進行接合的接合方法，詳細情況後述。

超音波加熱接合是邊從金屬部件側加壓，邊在金屬部件上引發超音波振動，並利用由該振動產生的金屬部件與樹脂部件之間的摩擦熱進行接合的接合方法。

以下，使用附圖來說明採用了摩擦攪拌接合方法的本實施方式的接合方法。顯然可知的是，除了下述事項以外，超音波加熱接合方法的說明與以下的說明相同，而且在該超音波加熱接合方法中也能夠獲得摩擦攪拌接合方法下的本實施方式的效果。

·不利用旋轉工具來加壓和加熱，取而代之的是利用按壓部件來加壓並且使按壓部件振動來加熱；以及

·使用按壓部件的寬度尺寸來取代旋轉工具的直徑。

[利用摩擦攪拌接合方法進行的金屬部件與樹脂部件的接合方法]

利用圖1～圖5來具體的說明本實施方式的接合方法(摩擦攪拌接合方法)。圖1是示出摩擦攪拌接合裝置的部分結構的一個例子的示意圖，該摩擦攪拌接合裝置適合用來實施本實施方式所涉及的金屬部件與樹脂部件的接合方法。圖2是本實施方式的接合方法中使用的旋轉工具的一個例子的前端部的放大圖。圖3是用來說明本實施方式的接合方法中的預熱工序的剖視簡圖。圖4(A)是用來說明本實施方式的接合方法中的按入攪拌工序、攪拌維持工序和保持工序的剖視簡圖，圖4(B)是示意簡圖，其示出在透視金屬部件的情況下從上方觀察圖4(A)時看到的樹脂部件的表面狀態。圖5(A)是利用本實施方式的接合方法獲得的接合體的剖視簡圖，圖5(B)是示意簡圖，其示出將金屬部件從圖5(A)中的接合體上強制地剝離下來時的樹脂部件的表面狀態。在這些圖中，相同的附圖標記示出相同的部件。

(1)接合裝置

首先，圖1是示意地示出摩擦攪拌接合裝置的部分結構的一個例子，該摩擦攪拌接合裝置適合用來實施本實施方式的接合方法。圖1中示出的摩擦攪拌接合裝置1構成為用來將金屬部件11與樹脂部件12摩擦攪拌接合的裝置，摩擦攪拌接合裝置1具備圓柱狀的旋轉工具16。如圖中所示，對於以金屬部件11位於上方、樹脂部件12位於下方的方式使金屬部件11與樹脂部件12疊合而成的工件10，旋轉工具16一邊被未圖示的驅動源驅動而如箭頭A1所示那樣繞著該旋轉工具16的中心軸線X(參照圖2)旋轉，一邊在按壓區域P(按壓預定區域)中如箭頭A2所示那樣朝下方按壓金屬部件11。通過該旋轉工具16的按壓產生摩擦熱，該摩擦熱傳導至樹脂部件12，從而樹脂部件12軟化、熔融後，通過進行冷卻來使軟化、熔融的樹脂部件12硬化。其結果是，金屬部件11與樹脂部件12接合在一起。

圖2是旋轉工具16的前端部的放大圖。在圖2中，右半邊示出旋轉工具16的外觀，左半邊示出旋轉工具16的截面。如圖2所示，圓柱狀旋轉工具16在前端部(在圖2中為下端部)具有銷部16a和肩部16b。肩部16b是包括旋轉工具16的圓形前端面的、旋轉工具16的前端部分。銷部16a是在旋轉工具16的中心軸線X上從旋轉工具16的圓形前端面朝外側(在圖2中為下側)突設的、直徑比肩部16b的直徑小的圓柱狀部分。在剛開始使旋轉中的旋轉工具16與工件10接觸而按壓在工件10上時，銷部16a用來使旋轉工具16定位。

旋轉工具16的材料和各部位的尺寸主要根據旋轉工具16所按壓的金屬部件11的金屬種類來設定。例如，在金屬部件11由鋁合金製成的情況下，旋轉工具16由工具鋼(例如SKD61等)製成，肩部16b的直徑D1被設定為10mm，銷部16a的直徑D2被設定為2mm，銷部16a的突出長度h被設定為0.5mm。此外，在例如金屬部件11由鋼製成的情況下，旋轉工具16由氮化矽、PCBN(聚晶立方氮化硼燒結體)等製成，肩部16b的直徑D1被設定為10mm，銷部16a的直徑D2被設定為3mm，銷部16a的突出長度h被設定為0.5mm。當然，這些說明僅是示例，本發明不受限於這些說明。例如，肩部16b的直徑D1通常為5～30mm，優選的是5～15mm，但不限於此。

在旋轉工具16的下方布置有直徑與旋轉工具16的直徑相等或大於旋轉工具16的直徑的圓柱狀託件17，該託件17與旋轉工具16同軸地布置著。相對於上述工件10，託件17受未圖示的驅動源驅動而如箭頭A3所示朝上方移動。最遲在旋轉工具16開始按壓工件10之前，託件17的上端面抵接在工件10的下表面(更詳細而言是樹脂部件12的下表面)上。而且，託件17將工件10夾在其與旋轉工具16之間，在旋轉工具16進行按壓的按壓期間中，也就是說摩擦攪拌接合中，託件17抵抗上述按壓力，從工件10的下方支承該工件10。需要說明的是，不是一定要使託件17朝箭頭A3方向移動，也可以採用將工件10擱放在託件17上，然後使旋轉工具16朝箭頭A2的方向移動的方法。

摩擦攪拌接合裝置1安裝在由多關節機器人等構成的、未圖示的驅動控制裝置上。而且，由上述驅動控制裝置適當地控制旋轉工具16和託件17的座標位置、旋轉工具16的轉速(rpm)、加壓力(N)、加壓時間(秒)等。需要說明的是，摩擦攪拌接合裝置1具備隔離部件、夾鉗等夾具，它們用來預先將工件10固定，並且防止在利用旋轉工具16進行按壓時金屬部件11浮起的狀況，但在圖1中省略了圖示。

(2)接合方法

本實施方式所涉及的接合方法至少包括以下步驟。

使金屬部件11與樹脂部件12疊合的第一步驟；以及

邊使旋轉工具16旋轉，邊將該旋轉工具16按壓在金屬部件11上來產生摩擦熱，在利用該摩擦熱來使樹脂部件12軟化、熔融後，再使軟化、熔融的樹脂部件12硬化，從而將金屬部件11與樹脂部件12接合的第二步驟。

需要說明的是，將在第一步驟中獲得的、金屬部件11與樹脂部件12疊合而成的部件稱為「工件」10。

第一步驟：

在第一步驟中，如圖1所示，根據希望的接合部位使金屬部件11與樹脂部件12疊合。

第二步驟：

在第二步驟中，至少進行按入攪拌工序C2，在該按入攪拌工序C2中，將旋轉工具16按入金屬部件11內，使旋轉工具16前進到未抵達金屬部件11與樹脂部件12的接合界面13的深度，並且使金屬部件11上的、旋轉工具16正下方的旋轉工具正下方部110往樹脂部件側突出變形。

在本實施方式中，在第二步驟中，優選在按入攪拌工序之前進行預熱工序C1，但該預熱工序C1不是一定要進行，在該預熱工序C1中，在只使旋轉工具16的前端部與金屬部件11的表面部接觸的狀態下使上述旋轉工具16旋轉。

在按入攪拌工序後，優選進行攪拌維持工序C3，但該工序不是一定要進行，在該攪拌維持工序C3中，使該旋轉工具16在前進到未抵達接合界面13的深度的位置處繼續進行旋轉動作。

以下，詳細說明各工序。

(預熱工序C1)

預熱工序C1是這樣的工序：通過使旋轉工具16與託件17相互接近，從而如圖3所示，在只使旋轉工具16的前端部與金屬部件11的表面部(在圖示的例子中為上表面部)接觸的狀態下使旋轉工具16旋轉。在預熱工序C1中，使旋轉工具16在第一加壓力(例如900N)下以規定轉速(例如3000rpm)旋轉第一加壓時間(例如1.00秒)。

具體而言，在預熱工序C1中，通過旋轉工具16的按壓在金屬部件11的表面部(在圖示的例子中為上表面部)產生摩擦熱。摩擦熱傳導至金屬部件11的內部，從而金屬部件11的上述按壓區域P的範圍以及上述按壓區域P附近的範圍被預熱。這樣一來，在接下來的按入攪拌工序C2中，就能夠容易地將旋轉工具16按入金屬部件11。

在預熱工序C1中，摩擦熱還經由金屬部件11與樹脂部件12的接合界面13傳導至樹脂部件12。摩擦熱傳導至樹脂部件12的內部，樹脂部件12上的、上述按壓區域P正下方的區域60的範圍以及該區域60附近的範圍被預熱。這樣一來，在接下來的按入攪拌工序C2中，樹脂部件12就變得容易軟化、熔融。

預熱工序C1的第一加壓力和第一加壓時間是基於如上所述的使旋轉工具16容易按入的觀點、以及使樹脂部件12容易軟化、熔融和生產性的觀點來設定的，該第一加壓力和該第一加壓時間的數值取決於例如旋轉工具16的轉速、金屬部件11的厚度和材料的種類等而發生變化。例如，在使用厚度大於等於1mm小於等於2mm的鋁合金制金屬部件11的情況下，優選預熱工序C1中的第一加壓力大於等於700N小於1200N。優選第一加壓時間大於等於0.5秒小於2.0秒。優選旋轉工具的轉速大於等於2000rpm小於等於4000rpm。

(按入攪拌工序C2)

在按入攪拌工序C2中，通過使旋轉工具16與託件17相互接近，從而如圖4(A)所示那樣，將旋轉工具16按入金屬部件11內。在預熱工序C1後接著進行按入攪拌工序C2的情況下，通過使旋轉工具16與託件17進一步相互接近，從而如圖4所示那樣，將旋轉工具16按入金屬部件11內。由此，使旋轉工具16前進到未抵達金屬部件11與樹脂部件12的接合界面13的深度，並且使金屬部件11上的旋轉工具正下方部110往樹脂部件12側突出變形。由此，對於在接合界面13處而且是在旋轉工具16正下方的區域(上述區域60)中發生了熔融的樹脂部件表面上的熔融樹脂121，促進其熔融以及往該區域60的外周區域61的流動。

詳細而言，在按入攪拌工序C2中，使旋轉工具16在比第一加壓力大的第二加壓力(例如1500N)下以規定轉速(例如3000rpm)旋轉比第一加壓時間短的第二加壓時間(例如0.25秒)。

在按入攪拌工序C2中，加壓力大於預熱工序C1中的加壓力，由此旋轉工具16被按入金屬部件11內。也就是說，旋轉工具16較深地進入到金屬部件11的內部。通過按入該旋轉工具16，在金屬部件11上的旋轉工具正下方部110，金屬部件11與樹脂部件12的接合界面13往託件17側(在圖示的例子中為下側)移動，該正下方部110往樹脂部件12側突出變形。由此，在接合界面13處而且是在旋轉工具16正下方的區域60中發生了熔融的樹脂部件表面上的熔融樹脂121的熔融得以促進，並且熔融樹脂121越過該區域60流至該區域60的外周區域61。例如圖4(B)所示那樣，熔融樹脂擴散成以旋轉工具正下方的區域60為中心的大致圓形。其結果是，熔融樹脂與金屬部件11的接觸面積擴大，在獲得的接合體中，熔融樹脂通過冷卻而硬化成的熔融硬化區域(接合區域)也擴大，因此能夠以足夠良好的作業效率和足夠的強度來將樹脂部件12與金屬部件11接合在一起。在此示出的熔融硬化區域(接合區域)包括樹脂部件12在外周區域61上接觸的金屬表面被加熱，從而樹脂部件12直接發生了熔融的區域。

如果旋轉工具16再進一步被按入(也就是說如果加壓力過高和/或加壓時間過長)，旋轉工具16的肩部16b就會超過上述接合界面13。也就是說，旋轉工具16貫穿金屬部件11，旋轉工具16的外周部與樹脂部件12接觸。這樣一來，就會成為在金屬部件11上形成有旋轉工具16通過的孔的開孔狀態，從而出現接合不良的問題。

於是，在本實施方式中，在該按入攪拌工序C2中，在旋轉工具16的肩部16b進入到未抵達上述接合界面13的深度的時間點，就停止按入旋轉工具16。換句話說，使旋轉工具16進入到未抵達上述接合界面13的深度。由此，在接下來的攪拌維持工序C3中，就會在靠近樹脂部件12的基準位置產生摩擦熱，大量的摩擦熱傳導至樹脂部件12，樹脂部件12的軟化、熔融得以促進。

當設金屬部件11的厚度為T(mm)時，在按入攪拌工序C2中達成的旋轉工具16的按入深度d(參照圖4(A))通常為0.5T～0.9T，優選為0.5T～0.7T。如果按入深度d太小，則金屬部件11上的旋轉工具正下方部110不會發生突出變形，或者即使發生了突出變形，該突出變形也會是微小的變形，因此熔融樹脂與金屬部件11的接觸面積不會充分地擴大，從而無法得到希望的接合強度。需要說明的是，能夠從最終獲得的接合體20的剖面照片容易地測量得到按入深度d。在本說明書中，剖面是指通過旋轉工具痕跡16』(參照圖5(A))的、與金屬部件11垂直的垂直剖面。

按入攪拌工序C2中的第二加壓力和第二加壓時間是根據如上所述的迴避金屬部件11的開孔的觀點、以及儘量使旋轉工具16靠近樹脂部件12的觀點來設定的，第二加壓力和第二加壓時間的數值取決於例如旋轉工具16的轉速、金屬部件11的厚度和材料的種類等而發生變化。例如，在使用厚度大於等於1mm小於等於2mm的鋁合金制金屬部件11的情況下，優選按入攪拌工序C2中的第二加壓力的數值大於等於1200N小於1800N。優選第二加壓時間大於等於0.1秒小於0.5秒。優選旋轉工具16的轉速大於等於2000rpm小於等於4000rpm。

(攪拌維持工序C3)

攪拌維持工序C3是這樣的工序：使旋轉工具16與託件17停止相互接近，從而亦如圖4所示那樣，使旋轉工具16在進入到未抵達上述接合界面13的深度的位置(將該位置稱為「基準位置」)處繼續進行旋轉動作。在攪拌維持工序C3中，使旋轉工具16在比第一加壓力小的第三加壓力(例如500N)下以規定轉速(例如3000rpm)旋轉比第一加壓時間長的第三加壓時間(例如5.75秒)。

在攪拌維持工序C3中，加壓力變得小於預熱工序C1中的加壓力(當然變得小於按入攪拌工序C2中的加壓力)，從而旋轉工具16幾乎被維持在上述基準位置。由於旋轉工具16在靠近該樹脂部件12的基準位置處繼續進行旋轉動作，因此會產生大量的摩擦熱，產生的摩擦熱中的大部分摩擦熱會往樹脂部件12傳導。由此，越過上述按壓區域P正下方的區域60的範圍，在較廣的範圍中樹脂部件12充分地軟化、熔融。

攪拌維持工序C3中的第三加壓力和第三加壓時間是基於如上所述的在較廣的範圍中使樹脂部件12充分軟化、熔融以及生產性的觀點來設定的，第三加壓力和第三加壓時間的數值取決於例如旋轉工具16的轉速、金屬部件11的厚度和材料的種類等而發生變化。例如，在使用厚度大於等於1mm小於等於2mm的鋁合金制金屬部件11的情況下，優選攪拌維持工序C3中的第三加壓力大於等於100N小於700N。優選第三加壓時間大於等於1.0秒小於20秒，特別優選大於等於3.0秒小於等於10秒。優選旋轉工具16的轉速大於等於2000rpm小於等於4000rpm。

(保持工序C4)

也可以在攪拌維持工序C3後接著進行保持工序C4，在該保持工序C4中，使上述旋轉工具16停止旋轉，並在該狀態下，在規定的加壓力下將上述旋轉工具16保持規定的加壓時間。

保持工序C4是這樣的工序：亦如圖4所示那樣，使旋轉工具16停止旋轉，並在該狀態下，在規定的加壓力下將旋轉工具16保持規定的時間。在保持工序C4中，在比第三加壓力大但比第二加壓力小的第四加壓力(例如1000N)下將旋轉工具16保持比第三加壓時間短但比第二加壓時間長的第四加壓時間(例如5.00秒)。

在保持工序C4中，旋轉工具16停止旋轉，從而結束產生摩擦熱。也就是說，作為摩擦攪拌接合的實質上的動作結束，工件10開始冷卻。在工件10的冷卻期間中，加壓力比按入攪拌工序C2中的加壓力小，但比攪拌維持工序C3中的加壓力大，從而已停止進行旋轉的旋轉工具16將金屬部件11和樹脂部件12夾緊在其與託件17之間。這樣一來，在冷卻期間中的、金屬部件11與樹脂部件12間的緊密接合力得以提高，從而得以提高冷卻、硬化結束後的接合強度。

保持工序C4中的第四加壓力和第四加壓時間是根據如上所述的提高冷卻期間中的按壓區域P的緊密接合力的觀點來設定的，第四加壓力和第四加壓時間的數值取決於例如金屬部件11的材料的種類等而發生變化。例如，在使用鋁合金制金屬部件11的情況下，優選保持工序C4中的第四加壓力例如大於等於700N小於1200N。優選第四加壓時間例如大於等於1秒。

在本實施方式中，至少經由所述工序C2、優選經由所述工序C1和C2、更優選經由所述工序C1～C3、根據需求再經由工序C4而最終如圖5(A)所示，獲得金屬部件11與樹脂部件12在較廣的範圍中高強度地接合而成的、金屬部件11與樹脂部件12的接合體20。

在第二步驟中進行了規定的工序後，通常進行冷卻，使熔融樹脂硬化。冷卻方法沒有特別的限制，例如能夠舉出放置冷卻法、空氣冷卻法等。

以上，說明了不使旋轉工具在金屬部件的接觸面上沿著面方向連續地移動，而是點狀地進行金屬部件與樹脂部件的接合的情況(點接合)，但顯然可知的是，在邊使旋轉工具沿著上述面方向連續地移動，邊線狀地進行金屬部件與樹脂部件的接合的情況(線接合)下，也能夠獲得本實施方式的效果。

(3)接合體

就利用本實施方式的接合方法接合而成的、金屬部件11與樹脂部件12的接合體20而言，金屬部件11與樹脂部件12是在接合界面13處的、樹脂部件12上的旋轉工具16正下方的區域60和其外周區域61中接合在一起的。這能夠通過對熔融樹脂硬化成的熔融硬化區域在接合體20的接合界面13上擴展成以旋轉工具16正下方的區域60為中心的大致圓形這一情況進行確認來檢測。

具體而言，若將金屬部件11強制地從接合體20上剝離下來，則能夠觀察到例如圖5(B)所示那樣的、樹脂部件12上的與金屬部件11接觸的接觸面12a。在這樣的樹脂部件12上的接觸面12a中，熔融硬化區域是由位於旋轉工具16正下方的區域60的樹脂熔融區域121A(斜線區域)、以及位於該旋轉工具16正下方的區域60的外周區域61的熔融樹脂流動區域121B(格線區域)構成的。

在樹脂熔融區域121A的表面上形成有直徑與旋轉工具16的直徑相等的凹陷形狀，該凹陷形狀是由金屬部件11的突出變形所造成的。此外，由於金屬部件11表面上的微小形狀會轉印到樹脂熔融區域121A的表面上，而且根據接合強度有時候會發生變色，因此能夠通過與原本的樹脂部件12的表面性狀(表面粗糙度、顏色等)進行比較，從而容易地利用目測來識別出該樹脂熔融區域121A。這裡所做的單純是與樹脂部件12的表面性狀之間的比較，本發明中不特別對於會因為樹脂種類、成形方法而出現明顯差異的表面粗糙度、顏色做出規定。此外，就利用連續纖維強化了的樹脂部件12來說，會有這樣的情況：發生了熔融的表面附近的樹脂成分從樹脂熔融區域121A被排向熔融樹脂流動區域121B側，從而成為在樹脂熔融區域121A的表面上幾乎只有強化用連續纖維露出的狀態。

由於金屬部件11表面上的微小形狀會轉印到熔融樹脂流動區域121B的表面上，而且根據接合強度有時候會發生變色，因此能夠通過與原本的樹脂部件12的表面性狀(表面粗糙度、顏色等)進行比較，從而容易地以目測的方式識別出該熔融樹脂流動區域121B。這裡所做的單純是與樹脂部件12的表面性狀之間的比較，本發明中不特別對於會因為樹脂種類、成形方法而出現明顯差異的表面粗糙度、顏色做出規定。該熔融樹脂流動區域121B不只包括從樹脂熔融區域121A流過來的熔融樹脂所構成的區域，還包括因為樹脂所接觸的金屬表面被加熱，從而在外周區域61上樹脂直接發生熔融而構成的區域。

就在樹脂部件12上的與金屬部件11接觸的接觸面12a而言，未發生熔融的區域122隻是因為受到加壓而與金屬部件11的表面緊密接合，在剝離後仍然保留有原本的樹脂部件12的表面性狀(表面粗糙度、顏色等)。因此，如上所述，能夠通過目測的方式容易地判斷出表面性狀與原本的樹脂部件12明顯不同的熔融樹脂流動區域121B與該區域122之間的差異。

當設熔融硬化區域(121A、121B)的最大直徑為R(mm)、旋轉工具16的直徑為D1(mm)時，本實施方式的接合體20滿足以下的關係：

1＜R/D1≤9；

優選的是1.5≤R/D1≤7；

更優選的是2≤R/D1≤5。

一旦R/D1太小，接合強度就不充分。此外，如果使R/D1變大，就會導致接合時間增長(生產性降低)，有時也會出現熔融樹脂從熔融樹脂可流動範圍(例如施工的凸緣寬度)往外流，從而產生毛刺的問題。因此，重要的是根據施工部位的必要強度和環境來將R/D1調整到適當的範圍。需要說明的是，熔融硬化區域(121A、121B)的最大直徑通常是熔融樹脂流動區域121B的最大直徑。

能夠通過以上述那樣的方法來觀察樹脂部件12上的與金屬部件11接觸的接觸面12a來容易地測量熔融硬化區域(121A、121B)的直徑R。

本實施方式的接合體20還在金屬部件11上的與樹脂部件12接觸的接觸面上具有突出部110A。當設金屬部件11的厚度為T(mm)時，突出部110A的高度k(參照圖5(A))通常為0.2T～1.0T，優選為0.3T～0.8T。

(4)樹脂部件

在本實施方式的接合方法中使用的樹脂部件12是由熱塑性聚合物構成的。作為構成樹脂部件12的熱塑性聚合物，能夠使用具有熱塑性的任何聚合物。其中又優選使用在汽車領域中使用的熱塑性聚合物。作為這種熱塑性聚合物的具體例，例如能夠舉出以下的聚合物和它們的混合物：

聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴系樹脂和其酸改性物；

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚乳酸(PLA)等聚酯系樹脂；

聚甲基丙烯酸甲酯樹脂(PMMA)等聚丙烯酸酯系樹脂；

聚醚醚酮(PEEK)、聚苯醚(PPE)等聚醚系樹脂；

聚縮醛(POM)；

聚苯硫醚(PPS)；

PA6、PA66、PA11、PA12、PA6T、PA9T、MXD6等聚醯胺系樹脂(PA)；

聚碳酸酯系樹脂(PC)；

聚氨酯系樹脂；

氟系聚合物樹脂；以及

液晶聚合物(LCP)。

作為構成樹脂部件12的熱塑性聚合物，優選使用廉價且機械特性良好的聚烯烴系樹脂。從提高接合強度的觀點來看，優選使用羧酸改性聚烯烴系樹脂。從同時做到進一步提高樹脂部件12本身的強度和提高接合強度的觀點來看，優選混合使用羧酸改性聚烯烴系樹脂和未改性聚烯烴系樹脂。優選羧酸改性聚烯烴系樹脂和未改性聚烯烴系樹脂的配合比例按重量比計為15/85～45/55，特別優選為20/80～40/60。

羧酸改性聚烯烴系樹脂是在聚烯烴分子鏈的主鏈和/或支鏈上引入了羧基的聚合物。作為羧酸改性聚烯烴，優選使用在聚烯烴的主鏈上接枝有不飽和羧酸的接枝共聚物。

構成羧酸改性聚烯烴系樹脂的聚烯烴是選自由乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、己烯、庚烯、辛烯等α-烯烴組成的組的一種以上的烯烴單體的均聚物或共聚物、或者它們的混合物。優選聚烯烴為聚丙烯。

作為構成羧酸改性聚烯烴系樹脂的不飽和羧酸，使用丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、富馬酸、馬來酸、順丁烯二酸酐或它們的混合物。優選的不飽和羧酸是馬來酸、順丁烯二酸酐或它們的混合物，更優選的是順丁烯二酸酐。

羧酸改性聚烯烴的改性量沒有特別的限制，優選為0.01～1％。

改性量是作為不飽和羧酸相對於整體聚合物的重量比例計算得到的值。

羧酸改性聚烯烴系樹脂的分子量沒有特別的限制，例如優選使用在230℃下的MFR(熔體流動速率值)為2.0克/10分鐘以上、特別優選使用在230℃下的MFR為5.0克/10分鐘以上的羧酸改性聚烯烴。

在本說明書中，聚合物的MFR使用根據JIS K 7210測量得到的值。

能夠取得的羧酸改性聚烯烴系樹脂例如有市面上出售的MODICP565(三菱化學公司制)、MODICP553A(三菱化學公司制)。

作為未改性聚烯烴系樹脂，使用與作為構成羧酸改性聚烯烴系樹脂的聚烯烴進行了說明的聚合物同樣的聚合物。優選的未改性聚烯烴是聚丙烯。

未改性聚烯烴的分子量沒有特別的限制，例如優選使用在230℃下的MFR(熔體流動速率值)為2～200克/10分鐘、特別優選使用在230℃下的MFR為2～55克/10分鐘的未改性聚烯烴。

能夠取得的未改性聚烯烴例如有市面上出售的NOVATECFY6(Japan Polypropylene Corporation制，均聚聚丙烯，MFR2.5)、NOVATECMA3(Japan Polypropylene Corporation制，均聚聚丙烯，MFR11)、NOVATECMA1B(Japan Polypropylene Corporation制，均聚聚丙烯，MFR21)。

作為優選的羧酸改性聚烯烴系樹脂/未改性聚烯烴系樹脂的優選組合的具體例，能夠舉出的例如有以下的組合：

羧酸改性聚丙烯/均聚聚丙烯。

以上，對具有大致平板形的整體形狀的樹脂部件12進行了說明，但本發明不限於此，只要在為了進行接合而與金屬部件11疊合時，位於金屬部件11正下方的部分呈大致平板形，樹脂部件12可以是任何形狀。

樹脂部件12上的、金屬部件11正下方的部分的厚度t(接合處理前的厚度；參照圖3)通常為2～5mm，但不限於此。

樹脂部件12中可以含有強化用纖維材料、穩定劑、阻燃劑、著色材、發泡劑等其它希望的添加劑，其中特別優選含有強化用纖維材料。這是因為接合界面13處的樹脂部件12的熔融效率會提高，其結果是為了獲得充分的接合強度而進行的作業的效率會進一步提高。

強化用纖維材料的含量沒有特別的限制，相對於構成樹脂部件12的熱塑性聚合物100重量份，優選強化用纖維材料為1～400重量份，特別優選為1～150重量份。

(5)金屬部件

在圖1等中，金屬部件11具有大致平板形的整體形狀，但本發明不限於此，只要為了進行接合而與樹脂部件12疊合的部分至少呈大致平板形，金屬部件11可以是任何形狀。

金屬部件11上的與樹脂部件12疊合的大致平板形部分的厚度T(接合處理前的厚度；參照圖3)通常為0.5～4mm。

作為構成金屬部件11的金屬，能夠使用熔點高於構成樹脂部件12的熱塑性聚合物的熔點的任何金屬。其中又優選使用在汽車領域中使用的以下的金屬和合金：

鋁；

5000系列、6000系列等的鋁合金；

鋼；

鎂和其合金；

鈦和其合金。

【實施例】

[實施例1A]

(樹脂部件)

作為聚合物A使用了順丁烯二酸酐改性聚丙烯(MFR5.7)。改性量約為0.5％。

作為聚合物B使用了NOVATECFY6(Japan Polypropylene Corporation制，均聚聚丙烯，MFR2.5)。

使用聚合物A和B，利用射出成形法製造了尺寸為縱向長度100mm×橫向長度30mm×厚度3mm的樹脂部件12。詳細而言，將50重量份的聚合物A和50重量份的聚合物B加熱到230℃，得到混合熔融物。以50mm/秒的射出速度將混合熔融物注射到溫度調節為40℃的模具內，然後使其冷卻、硬化，得到樹脂部件12。

(金屬部件)

作為金屬部件，使用了6000牌號的鋁合金制的平板狀部件(厚度1.2mm)。

(旋轉工具)

作為旋轉工具16，使用了圖2中的各部位的尺寸為D1＝10mm、D2＝2mm、h＝0.5mm的工具鋼製旋轉工具。

(接合方法)

利用以下的方法，製造了金屬部件11與樹脂部件12的接合體。

第一步驟：

使金屬部件11的端部與樹脂部件12的端部如圖1所示那樣疊合。

第二步驟：

如圖3所示，在只使旋轉工具16的前端部與金屬部件11的表面部接觸的狀態下使旋轉工具16進行了旋轉(預熱工序C1：加壓力900N，加壓時間1.00秒，工具轉速3000rpm)。

接著，如圖4所示，將旋轉工具16按入金屬部件11內，使旋轉工具16進入到未抵達金屬部件11與樹脂部件12的接合界面13的深度(按入攪拌工序C2：加壓力1500N，加壓時間0.25秒，工具轉速3000rpm)。

接著，如圖4所示，使旋轉工具16在進入到未抵達接合界面13的深度的位置處繼續進行了旋轉動作(攪拌維持工序C3：加壓力500N，加壓時間0.75秒，工具轉速3000rpm)。

接著，如圖5(A)所示，將旋轉工具16從接合體20中拔出，對接合體20進行了放置冷卻。

(接合強度)

如圖6所示，將金屬部件11與樹脂部件12的接合體布置在夾具100內。夾具100構成為：通過將該夾具100往下方拉，從而朝向下方的力作用在樹脂部件12的上端部。將夾具100固定，並且將金屬部件11往上方拉，從而朝向下方的力作用在樹脂部件12的上端部，由此在不受到樹脂部件12的母材強度的影響的狀況下測量了接合部的抗剪強度。

(其它測量)

利用前述的方法測量熔融硬化區域的直徑R，計算出了R/D1。

利用前述的方法測量了按入深度d，計算出了d/T。

利用前述的方法測量突出部高度k，計算出了k/T。

[其它實施例和比較例]

如表中記載那樣變更了工序條件，除此以外，按照與實施例1A同樣的方法製造了樹脂部件並進行了評價。

【表1】

就實施例1A～6A來說，相對於接合時間，熔融硬化區域明顯變寬，樹脂部件與金屬部件以足夠的強度和足夠良好的作業效率被接合在一起。

就比較例1A～6A來說，相對於接合時間，熔融硬化區域較狹窄。

就比較例3B來說，工具很快就往樹脂側貫穿，從而無法進行接合。

－產業實用性－

在此公開的接合方法對於汽車、鐵路車輛、飛機、家電產品等領域中的金屬部件與樹脂部件的接合是有用的。

－符號說明－

1：摩擦攪拌接合裝置

10：工件

11：金屬部件

12：樹脂部件

13：金屬部件與樹脂部件的接合界面

16：旋轉工具

17：託件

20：接合體

60：旋轉工具的正下方區域

61：旋轉工具正下方區域的外周區域

100：用於測量接合強度的夾具

110：金屬部件上的旋轉工具正下方部

121：在接合界面處而且是在旋轉工具的正下方區域中發生了熔融的熔融樹脂

121A：構成熔融樹脂硬化而成的熔融硬化區域的樹脂熔融區域

121B：構成熔融樹脂硬化而成的熔融硬化區域的熔融樹脂流動區域

P：金屬部件表面上的、被旋轉工具按壓的按壓區域(按壓預定區域)