JP2018099713A - 金属部材と樹脂部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材と樹脂部材との接合方法を提供する。
【解決手段】所定位置にダボを形成した金属部材と、前記ダボに対応する部位に対応する形状の貫通孔を形成した樹脂部材を準備する工程と、 前記樹脂部材の前記貫通孔に、前記金属板部材の前記ダボが係合されるよう前記樹脂部材と前記金属部材とを重ね合わせる第1の工程と前記金属部材のダボの先端部に第１の電極チップを当接させると同時に前記金属部材のダボの先端部とは反対側の面に形成された凹部に第２の電極チップを当接させ、前記第１、第２の電極チップ間に通電して前記金属部材を発熱、軟化させ、さらに前記樹脂部材に伝熱させることにより前記樹脂部材を軟化または溶融する第２の工程と、前記第１、第２の電極チップ間に加圧力を付加することにより、前記ダボの先端部を潰すと同時に径方向外方へ押し広げ、かつ前記金属部材と前記樹脂部材の係合部分を変形密着させて金属部材と樹脂部材とを接合する第３の工程とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせて接合する方法に関する。

従来より、重ね合わせた金属部材と樹脂部材を接合する方法としては、リベットやボルト・ナット等を使用して締結する方法（特許文献１）などが知られており、これらの接合方法を用いることで高い接合強度を得ることができる。しかしながら、上述の接合方法では設計自由度の低下、リベットやボルト・ナットといった副資材によるコストアップ・重量アップという問題があった。

別の接合方法としては、一方の部材にダボを、他方の部材に貫通孔を形成し、ダボを貫通孔に嵌合してかしめ接合する方法（特許文献２）が知られている。この接合方法によると、リベットやボルト・ナットを必要としないために、使用する部品点数を減らすことが可能となる。

特開２００７−０６４３８６公報 特開昭６１−１２３４３０公報

しかしながら、上述の接合方法では所望する接合強度を得るためには，かしめる際に相当な加圧力が必要となるため、装置が大掛かりになり加工に要するエネルギーが大きくなるという問題があった。また、互いの拘束力を確保するため加圧力を大きくすると樹脂部材に亀裂が生じてしまうという問題もあった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、追加部品を必要とすることなく、また量産設備（スポット溶接用サーボガンなど）を用いた低い加圧力で接合強度を確保でき、接合時の加圧力に起因する樹脂部材の亀裂を防ぐ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。

請求項１に係る発明は、金属部材と樹脂部材とを接合する方法であって、所定位置にダボを形成した金属部材を準備する工程と、前記ダボに対応する部位に対応する形状の貫通孔を形成した樹脂部材を準備する工程と、前記樹脂部材の前記貫通孔に、前記金属部材の前記ダボが係合されるよう前記樹脂部材と前記金属部材とを重ね合わせる第1の工程と、前記樹脂部材の前記貫通孔と係合した前記金属部材のダボの先端部に第１の電極チップを当接させると同時に前記金属部材のダボの先端部とは反対側の面に形成された凹部に第２の電極チップを当接させ、前記第１、第２の電極チップ間に通電して前記金属部材を発熱、軟化させ、さらに前記樹脂部材に伝熱させることにより前記樹脂部材を軟化または溶融する第２の工程と、前記第１、第２の電極チップ間に加圧力を付加することにより、前記ダボの先端部を潰すと同時に径方向外方へ押し広げ、かつ前記金属部材と前記樹脂部材の係合部分を変形密着させて金属部材と樹脂部材とを接合する第３の工程とを含む。

請求項２に係る発明は請求項１の構成に加えて、前記第１、第２の電極チップ間に付加する加圧力が１．４から４．０ｋＮであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は請求項１または請求項２の構成に加えて、前記第１、第２の電極チップ間により、被加工物に通電を行う第２の工程と加圧を行う第３の工程は、スポット溶接用の通常のサーボガンにより行うことを特徴とする。

請求項４に係る発明は請求項２または請求項３の構成に加えて、前記金属部材が合金化溶融亜鉛メッキ鋼板であり、かつ前記第１、第２の電極チップ間に通電する電流値が１．７から３．５ｋＡであることを特徴とする。

請求項５に係る発明は請求項２または請求項３の構成に加えて、前記金属部材がアルミニウム合金であり、かつ前記第１、第２の電極チップ間に通電する電流値が４．９から１０．０ｋＡであることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項３の構成に加えて、第１の工程と第２の工程の間に、前記ダボに係合した前記樹脂部材の上部に金属製のワッシャーを更に係合させる工程を有することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、重ね合わせた樹脂部材と金属部材とを第１、第２の電極で当接して通電することで金属部材を発熱、軟化させ、さらに樹脂部材に伝熱させることにより樹脂部材を軟化または溶融する。そして、第１、第２の電極チップ間に加圧力を付加することにより、ダボの先端部を潰すと同時に径方向外方へ押し広げ、かつ金属部材と樹脂部材の係合部分を変形密着させて接合する。よって、軟化または溶融した樹脂部材の形状が当接する金属部材になじむように変形し、密着した状態で両部材が接合可能となる。また、金属部材を発熱、軟化させ、樹脂部材を軟化または溶融した後に加圧して接合するため、少ない加圧力で強固に接合することができる。

請求項２記載の発明によれば、前記第１、第２の電極チップ間に付加する加圧力が１．４から４．０ｋＮである。通電を行わずカシメ加工を行わせる場合は１０ｋN程度の加圧力が必要となるが、通電と組み合わせる本発明の構成により遥かに低い加圧力での加工が可能となり、スポット溶接用サーボガンなどの量産設備を流用することが可能となる。
なお加圧力が１．４ｋＮ以下の場合は、加圧力が小さすぎるため十分にダボを変形させることが出来ず接合強度が不十分となり、加圧力が４．０ｋＮ以上の場合は、加圧力が大きすぎるためダボが過度に変形し、かえって接合力の低下を招き樹脂部材の変形・亀裂が生じる恐れがある。請求項２記載の条件下で本発明方法を実施することにより、高い接合強度を確実に得ることができる。

請求項３記載の発明によれば、前記第１、第２の電極チップ間により、被加工物に通電を行う第２の工程と加圧を行う第３の工程は、スポット溶接用の通常のサーボガンにより行うことができ、スポット溶接用サーボガンなどの量産設備を流用することが可能となる。

請求項４記載の発明によれば、金属部材が合金化溶融亜鉛メッキ鋼板であり、かつ第１、第２の電極チップ間に通電する電流値が１．７から３．５ｋＡであることが好適である。このような条件下で本発明方法を実施することにより、高い接合強度を確実に得ることができる。

請求項５記載の発明によれば、金属部材がアルミニウム合金であり、かつ第１、第２の電極チップ間に通電する電流値が４．９から１０．０ｋＡであることが好適である。このような条件下で本発明方法を実施することにより、高い接合強度を確実に得ることができる。

請求項６記載の発明によれば、ワッシャー追加による重量アップを最小限に抑えた上で、より高い接合強度を確実に得ることができる。

第１、第２実施例の接合方法を示す模式的断面図である。 第１、第２実施例の接合部を示す断面図である。 第１実施例の接合部の傘サイズと高さの関係を示すグラフである。 第１実施例において加圧力、通電サイクルを一定にして電流値を変化させた各場合における接合部の引張せん断強度を示す表である。 第１実施例において加圧力、通電サイクルを一定にして電流値を変化させた各場合における接合部の十字剥離強度を示す表である。 第２実施例の接合部の傘サイズと高さの関係を示すグラフである。 第２実施例において加圧力、通電サイクルを一定にして電流値を変化させた各場合における接合部の引張せん断強度を示す表である。 第２実施例において加圧力、通電サイクルを一定にして電流値を変化させた各場合における接合部の十字剥離強度を示す表である。 第３実施例の接合部を示す断面図である。 第３実施例において加圧力、通電サイクル、電流値を一定にしてワッシャーを用いた場合における接合部の引張せん断強度を示す表である。 第３実施例において加圧力、通電サイクル、電流値を一定にしてワッシャーを用いた場合における接合部の十字剥離強度を示す表である。 接合部の断面をＳＥＭにより観察した画像である。 合金化溶融亜鉛メッキ鋼板の板厚を変化させた場合における加圧力を算出した表である。 アルミニウム合金の板厚を変化させた場合における加圧力を算出した表である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。尚、以下の実施形態の説明は、本質的な例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず接合しようとする金属部材１と樹脂部材２を用意する。金属部材１は板状部材であり、図１（ａ）に示すようにダボ１ａを有している。タボ１ａは金属部材１の厚さの約１０倍の高さで形成され、ダボ１ａの先端部とは反対側の面には凹部１ｂが形成されている。ダボは例えばプレス成型により周知の手法で形成できるが、ダボの大きさ、高さ、板厚、材質などにより最適な金型設計、工程設計を行う必要があり、深絞りの場合は通常２以上の工程で製作する。

樹脂部材２についても板状部材であり、図１（ａ）に示すように貫通孔２ａを有している。貫通穴はパンチ加工、ドリル加工などの周知の方法で加工できる。そして、図１（ａ）に示すように、樹脂部材２の貫通孔２ａに金属部材１のダボ１ａを係合し、ダボ１ａが貫通孔を通過して樹脂部材２の上に突出するように樹脂部材２と金属部材１を重ね合わせる。

本発明では、金属部材１として直径６ｍｍ、高さ１０ｍｍのダボ１ａを形成した厚さ１ｍｍの合金化溶融亜鉛メッキ鋼板（図中ではＧＡと略記）およびアルミニウム合金（図中ではＡＬと略記）を用意した。また、樹脂部材２として直径６．３ｍｍの貫通孔２ａを形成した厚さ２ｍｍのポリアミド（図中ではＰＡと略記）および炭素繊維強化プラスチック（図中ではＣＦＲＰと略記）を用意した。

これらの金属部材１と樹脂部材２を接合する本発明の実験においては、図示していないが量産で用いられる通常のサーボガン（インバーター直流トランス式、最大電流１５ｋA、最大加圧力３．０ｋN）を用いた。また電極としては図１に示す第１、第２の電極チップ３、４を用いた。第１の電極チップ３は直径１３ｍｍの円柱状で先端はフラットに形成されている。また、第２の電極チップ４は同様に直径１３ｍｍで先端部４ａは、ダボの凹部１ｂと係合するよう直径約６ｍｍの範囲で曲率半径Ｒが４０ｍｍの部分球面形状となるように形成されている。第２の電極チップの先端部４ａの中心部分を部分球面形状としているのは、金属部材１に当接する際にダボの凹部１ｂに当接して金属部材１の動きを規制するためである。

樹脂部材２の貫通孔２ａ内に位置する金属部材１のダボ１ａ先端部に、第１の電極チップ３を当接させ、金属部材１のダボ１ａ先端部とは反対側の面に形成された凹部１ｂに第２の電極チップを当接させる。次いでサーボガンを作動させて第１、第２の電極チップ３，４間に所定の電流パルスを印加すると、第１、第２の電極チップ３、４間に位置する金属部材１に抵抗発熱が生じて金属部材１は軟化し、ダボ１ａの接触面に沿って樹脂部材２に伝熱する。これにより、ダボ１ａ周辺の樹脂部材２が軟化または溶融する。

次にサーボガンを作動させて第１、第２の電極チップ３、４間に所定の加圧力を付加することにより、ダボ１ａの先端部が第１の電極チップ３により軸方向（図１（ａ）下方）に押圧されかしめ加工が開始する。前述の金属部材１が軟化している効果により、サーボガンの通常の加圧力にもかかわらず、図１（ｂ）に示すように、ダボ１ａの先端部が潰されると同時に、ダボ１ａの貫通孔２ａから突出している部分には、貫通孔２ａの開口周縁部で径方向外方へ拡がるように変形する負荷が生じ、ダボ１ａの先端部が樹脂部材２の表面に密着して沿うように拡径状に変形する。また前述のように樹脂部材２が軟化・溶融している効果で、樹脂が周囲の金属部材１と密着・接合し、金属部材１と樹脂部材２とを、少ない加圧力で強固に接合することができる。

第１の実施形態では、金属部材１として、合金化溶融亜鉛メッキ鋼板を、樹脂部材２として、ポリアミドおよび炭素繊維強化プラスチックを用いて、通電サイクル数（２０サイクル・６０Hz）と電極チップ間に印加する加圧力（２．５ＫＮ）を一定にし、電極チップ間に通電する電流を２．０ＫＡから３．０ＫＡに変化させた場合における接合部の形状の観察と接合部の強度を計測する実験を行った。

図２は、接合部の断面形状を図示している。本実験では図２に示す傘サイズと高さを計測して評価した。図３は、金属部材１として合金化溶融亜鉛メッキ鋼板を、樹脂部材２としてポリアミドを用いた場合の各電流値における接合後の金属部材１の傘サイズと高さの関係を示したグラフである。図３によると、電流が高いほどかしめ高さは低くなり、傘サイズは拡がることが示されている。

図４は各接合条件における引張りせん断強度の結果を示した表であり、各電流値において引張りせん断強度の計測を３回ずつ行った。図４によると、どちらの樹脂部材２においても、電流値が高いほど引張せん断強度が高くなっていることが示されている。

また、図５は各接合条件における十字剥離強度の結果を示した表であり、各電流値において剥離強度の計測を３回ずつ行った。図５によると、樹脂部材２にポリアミドを使用した場合、剥離強度は電流値が２．０ＫＡの時と比較すると３．０ＫＡで低下している。これは、接合時の温度がポリアミドの分解点を越える高温になって結晶性が低下するため、樹脂部材２の構造強度が低下するものと考えられ、特に剥離方向への力に影響を与えるものと考えられる。但し引張りせん断強度は電流値が３．０ＫＡにおいて低下は見られず、継手の構造を工夫してせん断方向で荷重を受けるようにすれば３．０ＫＡでかしめ加工を行った継手も実用上問題ないと考えられる。

従来のかしめ接合方法では、本実施形態で使用した金属部材１と樹脂部材２とを接合して好ましい接合部の形状と接合強度を得るためには、加圧力が９．８ＫＮ必要であった。本発明の第１の実施形態によれば、溶接条件に設定したどの電流値においても、前記の通常のサーボガンを用いた２．５ＫＮ（従来の約１／４）という低い加圧力で、適切な接合部の形状と接合強度を得ることができる。本実施例では、電極チップ間に付加する加圧力を２．５ＫＮという一定条件のもと実験を行ったが、加圧力を２．０ＫＮから３．０ＫＮの間で変化させても好適な接合強度を得ることができる。

第２の実施形態では、サーボガンおよび電極は第１の実施例と同一の構成を用い、金属部材１としてアルミニウム合金を、樹脂部材２としてポリアミドおよび炭素繊維強化プラスチックを用いて、通電サイクル数（２０サイクル・６０Hz）と電極チップ間に印加する加圧力（２．５ＫＮ）を一定にし、電極チップ間に通電する電流を６．５ＫＡから７．５ＫＡに変化させた場合における接合部の形状の観察と接合部の強度を計測する実験を行った。

図６は、金属部材１としてアルミニウム合金を、樹脂部材２としてポリアミドを用いた場合の各電流値における接合後の金属部材１の傘サイズと高さの関係を示したグラフである。図６によると、電流が高いほどかしめ高さは低くなったが、傘サイズはあまり変化が見られないことが分かる。

また図１２はポリアミドとアルミニウム合金でかしめ加工を行った場合の断面をＳＥＭにより観察した画像である。かしめ加工を行ったダボ周辺部分のかなりの部位で樹脂と金属が密着・接合していることがわかる。またＳＣＡＮＣＯ社製μＣＴ３５を用いた解析により、当該部位のポリアミドとアルミの接触率が４１％であることが判った。これによりダボかしめ加工による機械的な接合に加えて、ダボ周囲で樹脂と金属が密着・接合することによる接合効果によってより強固な接合が実現していることが確認できる。

図７は各接合条件における引張りせん断強度の結果を示した表であり、各電流値において引張せん断強度の計測を３回ずつ行った。図７によると、どちらの樹脂部材２においても、電流値が高いほど引張せん断強度も高くなっていることが示されている。

図８は各接合条件における十字剥離強度の結果を示した表であり、各電流値において剥離強度の計測を３回ずつ行った。図８によると、樹脂部材２にポリアミドを使用した場合、剥離強度は電流値が６．５ＫＡの時と比較すると７．５ＫＡでは低下している。これは、金属部材１に合金化溶融亜鉛メッキ鋼板を用いた場合と同様、接合時の温度がポリアミドの分解点を越える高温になって結晶性が低下するため、ポリアミドの構造強度が低下するものと考えられ、特に剥離方向への力に影響を与えるものと考えられる。また同様に引張りせん断強度は電流値が７．５ＫＡにおいても低下はないため、この電流値での接合も実用上問題ないと考えられる。

第２の実施形態によれば、溶接条件に設定したどの電流値においても通常のサーボガンを用いた２．５ＫＮ（従来の約１／４）という低い加圧力で、適切な接合部の形状と接合強度を得ることができる。本実施例では、電極チップ間に付加する加圧力を２．５ＫＮという一定条件のもと実験を行ったが、加圧力を２．０ＫＮから３．０ＫＮの間で変化させても好適な接合強度を得ることができる。

第３の実施形態においては、サーボガンおよび電極は第１、第２の実施例と同一の構成を用い、金属部材１として、合金化溶融亜鉛メッキ鋼板を、樹脂部材２として、ポリアミドおよび炭素繊維強化プラスチックを用いて、通電サイクル数（２０サイクル・６０Hz）、電極チップ間に印加する加圧力（２．５ＫＮ）、及び電極チップ間に通電する電流値（２．５ＫＡ）を一定とし、図９に示すように金属製のワッシャー５を樹脂部材２の上に配置した場合の接合部の接合強度を計測する実験を行った。

図１０は各接合条件における引張せん断強度を、図１１は各接合条件における十時剥離強度の結果を示している。各樹脂部材において引張せん断強度の計測を３回ずつ、剥離強度については計測を１回ずつ行った。図１０、図１１によれば、引張せん断強度及び十字剥離強度ともにワッシャー５を用いない場合と比較すると強度が上昇する結果となった。これは、ワッシャー５を用いることにより、広い面積で接合する部材を押えることができたためと考えられる。本実験で使用したワッシャー５の重量はわずか０．６９ｇであり、ほとんど重量増大を招くことなく、高強度な接合が可能となる。

図１３は、金属部材１として板厚１．０ｍｍの合金化溶融亜鉛メッキ鋼板を用い、電極チップ間に通電する電流を２．５ＫＡ、電極チップ間に印加する加圧力を２．５ＫＮ、通電サイクル数を２０サイクル・６０Hzとして第１の実施形態で行った実験結果に基づき、合金化溶融亜鉛メッキ鋼板の板厚を変化させた場合における接合時の電流値および加圧力を算出した表である。

算出方法としては、まずジュールの法則より固有抵抗をＲ、電流値をＩ、通電時間をｔ、電極接触径をｒとすると、発生するジュール熱ＱはＱ＝ＲＩ^２ｔ／ｒ^４であり、板厚１．０ｍｍの合金化亜鉛メッキ鋼板を用いた場合のジュール熱Ｑは１４０３４Ｊとなる。また板厚１．０ｍｍの合金化亜鉛メッキ鋼板を用いた場合の圧力（Ｐａ）は、無通電時加圧力とダボの断面積により算出され、圧力は６２４．２ＭＰａとなる。圧力（６２４．２ＭＰａ）と各板厚のダボ断面積により各板厚の無通電時加圧力を算出し、板厚１．０ｍｍの合金化亜鉛メッキ鋼板を用いた場合の無通電時加圧力（９．８ＫＮ）から板厚１．０ｍｍに対する荷重比を求めた。無通電時と通電時の接合時の荷重比は同じであるという前提条件のもと、ジュール熱１４０３４Ｊ時の各板厚の合金化溶融亜鉛メッキ鋼板を接合するのに必要な加圧力を算出した。

図１３に示すように、合金化溶融亜鉛メッキ鋼板の板厚を０．５から２．０ｍｍの間で、また第１、第２の電極チップ間に通電する電流値を１．７から３．５ｋＡの間で変化させても、通常のサーボガンを用いた１．４から４．０ＫＮという低い加圧力で、適切な接合部の形状と接合強度を得ることができる。

図１４は、金属部材１として板厚１．０ｍｍのアルミニウム合金を用い、電極チップ間に通電する電流を７．０ＫＡ、電極チップ間に印加する加圧力を２．５ＫＮ、通電サイクル数を２０サイクル・６０Hzとして第２の実施形態で行った実験結果に基づき、アルミニウム合金の板厚を変化させた場合における接合時の電流値および加圧力を算出した表である。

上述と同様の算出方法で、通電時の各板厚のアルミニウム合金を接合するのに必要な加圧力を算出した。

図１４に示すように、アルミニウム合金の板厚を０．５から２．０ｍｍの間で、また第１、第２の電極チップ間に通電する電流値を４．９から１０．０ｋＡの間で変化させても、通常のサーボガンを用いた１．４から４．０ＫＮという低い加圧力で、適切な接合部の形状と接合強度を得ることができる。

上記の実施形態では、金属部材１として、合金化溶融亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金を使用する場合を例示したが、これに限定されず、本発明は、アルミニウムや亜鉛めっき処理を施していない鋼板等にも適用可能である。

１ 金属部材
１ａ ダボ
２ 樹脂部材
２ａ 貫通孔
３ 第１の電極チップ
４ 第２の電極チップ

Claims (6)

1. 金属部材と樹脂部材とを接合する方法であって、
   所定位置にダボを形成した金属部材を準備する工程と、
   前記ダボに対応する部位に対応する形状の貫通孔を形成した樹脂部材を準備する工程と、
   前記樹脂部材の前記貫通孔に、前記金属部材の前記ダボが係合されるよう前記樹脂部材と前記金属部材とを重ね合わせる第1の工程と、
   前記樹脂部材の前記貫通孔と係合した前記金属部材のダボの先端部に第１の電極チップを当接させると同時に前記金属部材のダボの先端部とは反対側の面に形成された凹部に第２の電極チップを当接させ、前記第１、第２の電極チップ間に通電して前記金属部材を発熱、軟化させ、さらに前記樹脂部材に伝熱させることにより前記樹脂部材を軟化または溶融する第２の工程と、
   前記第１、第２の電極チップ間に加圧力を付加することにより、前記ダボの先端部を潰すと同時に径方向外方へ押し広げ、かつ前記金属部材と前記樹脂部材の係合部分を変形密着させて金属部材と樹脂部材とを接合する第３の工程と
   を含む、金属部材と樹脂部材との接合方法。
2. 前記第１、第２の電極チップ間に付加する加圧力が１．４から４．０ｋＮであることを特徴とする請求項１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
3. 前記第１、第２の電極チップ間により、被加工物に通電を行う第２の工程と加圧を行う第３の工程は、スポット溶接用の通常のサーボガンにより行うことを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
4. 前記金属部材が合金化溶融亜鉛メッキ鋼板であり、かつ前記第１、第２の電極チップ間に通電する電流値が１．７から３．５ｋＡであることを特徴とする
   請求項２または請求項３に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
5. 前記金属部材がアルミニウム合金であり、かつ前記第１、第２の電極チップ間に通電する電流値が４．９から１０．０ｋＡであることを特徴とする、
   請求項２または請求項３に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
6. 第1の工程と第２の工程の間に、前記ダボに係合した前記樹脂部材の上部に金属製のワッシャーを更に係合させる工程を有することを特徴とする、
   請求項１乃至請求項３に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
   

Images