JP2016130003A - Joint method of member using laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属とプラスチックの機械的結合による直接接合に関するものである。 The present invention relates to direct bonding by mechanical bonding of metal and plastic.
金属とプラスチックを中間材の使用なく直接接合する場合において、その機械的結合強度を得るためには、金属表面に微細構造を形成する必要がある。例えば、インサート成型による金属と熱可塑性樹脂の直接接合においては、ブラスト処理や特開２００１−９８６２号にみられるような陽極酸化処理やエッチング処理による金属表面内部にむけての微細構造形成が実用に供されている。微細構造を金属表面に対し鉛直から傾きをもつ立体的な複雑形状に形成することにより強力な接合強度を得ることができる。 In the case of directly joining metal and plastic without using an intermediate material, it is necessary to form a microstructure on the metal surface in order to obtain the mechanical bond strength. For example, in the direct bonding of a metal and a thermoplastic resin by insert molding, it is practical to form a fine structure inside the metal surface by blasting or anodizing treatment or etching treatment as seen in JP-A-2001-9862. It is provided. Strong bonding strength can be obtained by forming the microstructure into a three-dimensional complex shape having an inclination from the vertical to the metal surface.
しかし、金属の微細構造中に十分にプラスチックを入り込ませ強靭な機械的接合強度を確保するためには、溶融したプラスチックを100MPa近い高圧で押し込む必要がある。射出成型時において金属との一体成型を行う場合には、本方式は有用であるが成型済みのプラスチック部材と金属基材との直接接合を行う場合には、このような高い押圧下での施工を行うことはできない。 However, in order to sufficiently insert the plastic into the metal microstructure and secure a strong mechanical joint strength, it is necessary to push the molten plastic at a high pressure close to 100 MPa. This method is useful when performing integral molding with metal during injection molding, but when directly joining a molded plastic member and a metal substrate, construction under such high pressure is required. Can not do.
また、陽極酸化処理やエッチング処理は、薬液中で電気化学反応により処理を行う必要があることから、局所的な接合のための局所的な微細構造形成のためには非接合部位へのマスキング処理や、エッチング処理後の薬液の廃液処理等が必要となり、作業が煩雑で高価な工法となる。 In addition, anodizing treatment and etching treatment need to be performed by chemical reaction in chemical solution. Therefore, masking treatment for non-joined parts is necessary to form a local microstructure for local joining. In addition, it is necessary to perform a waste liquid treatment of the chemical solution after the etching process, which makes the work complicated and expensive.
ブラスト処理による微細構造形成は、粒径の異なるブラスト材の選択により金属表面の微細構造の形状を制御可能であるが、等方性を有する微細構造が形成されるため、せん断方向での接合強度は確保できるものの、剥離方向の接合強度を確保することは困難であった。 Microstructural formation by blasting can control the shape of the microstructure on the metal surface by selecting blasting materials with different particle sizes, but since an isotropic microstructure is formed, joint strength in the shear direction However, it was difficult to ensure the bonding strength in the peeling direction.
表面に微細構造を有する金属とプラスチックの成形品同士を局所的に接合する場合には、レーザによる接合界面の局所加熱による直接接合が可能であるが、接合界面同士の押圧が十分に行えないため、レーザ加熱により溶融したプラスチックの流動性が低い場合など、これを十分に微細構造内部へ入り込ませることが困難となり、強靭な接合強度を得ることが困難であった。 When joining metal and plastic moldings with fine structures on the surface locally, direct bonding by local heating of the bonding interface by laser is possible, but the bonding interfaces cannot be pressed sufficiently. When the fluidity of the plastic melted by laser heating is low, it is difficult to sufficiently enter the inside of the fine structure, and it is difficult to obtain a strong bonding strength.
さらに、接合におけるアンカー効果を高める、ブリッジ形状又はオーバーハング形状を有する微細構造の形成方法として、ある走査方向に、数１００μｍに集光されたビーム径のレーザによりレーザスキャニング加工した後、当該走査方向とクロスする別の走査方向にレーザスキャニング加工することにより、これを形成する技術が特許文献５において開示されている。しかし、加工時間を短縮するためにはスキャン回数を減らす必要があるものの、そうすると前記微細構造の形成が困難になるというトレードオフを有しており、接合工程の効率化が困難である。 Further, as a method of forming a microstructure having a bridge shape or an overhang shape, which enhances the anchor effect in bonding, a laser scanning process is performed with a laser having a beam diameter focused to several hundred μm in a certain scanning direction, and then the scanning direction. Patent Document 5 discloses a technique for forming a laser scanning process in another scanning direction that crosses the line. However, although it is necessary to reduce the number of scans in order to shorten the processing time, there is a trade-off that it becomes difficult to form the fine structure, and it is difficult to increase the efficiency of the bonding process.
その他、金属基材表面に樹脂との接合においてアンカー効果を増大させる凹凸形状の形成方法として、本発明において用いる金属粉末（粒子）ではなく、金属基材との合金化が不可能な粒子を用いる方法がある。この場合、プラズマ溶射やコールドスプレー等の手法により当該粒子を高温流体中に投じて高速にて金属基材に衝突させ、予め当該金属基材に形成した凹凸形状内に当該粒子を捕獲させ機械的結合を得ることにより、アンカー効果が増大された隆起を伴う微細粒子構造を形成させることができる。しかし、そのコストが高く、金属基材との密着力・接合強度が実用化に耐えうる程度に強くない。さらに、使用される材料等の中には環境的にその使用が好ましくないものもある。 Other than the metal powder (particles) used in the present invention, particles that cannot be alloyed with the metal substrate are used as a method for forming an uneven shape that increases the anchor effect in joining the resin to the surface of the metal substrate. There is a way. In this case, the particles are thrown into a high-temperature fluid by a technique such as plasma spraying or cold spray to collide with the metal substrate at a high speed, and the particles are captured in the uneven shape formed on the metal substrate in advance. By obtaining a bond, it is possible to form a fine particle structure with ridges with increased anchoring effect. However, the cost is high and the adhesion and bonding strength with the metal substrate are not strong enough to withstand practical use. In addition, some of the materials used are environmentally undesirable.
全方位に機械的結合効果を発揮する微細構造を金属表面に形成し、成形済みプラスチック部材との低コストなレーザ接合を目的とする。 The objective is to form a microstructure that exerts a mechanical bonding effect in all directions on a metal surface and to perform low-cost laser bonding with a molded plastic member.
第一の発明は、金属基材とプラスチックの接合方法であって、重畳的微細粒子構造を有する金属基材の接合予定面と、プラスチックの接合予定面とを押圧する工程と、当該押圧された界面に対しレーザ光を照射し加熱する工程と、当該加熱の結果溶融した前記プラスチックが前記重畳的微細粒子構造に入り込み及び包み込むことで互いに係合する工程と、を含む金属基材とプラスチックの接合方法である。 A first invention is a method for joining a metal base material and a plastic, the step of pressing the planned joining surface of the metal base material having a superimposed fine particle structure and the planned joining surface of the plastic, and the pressed Joining the metal substrate and the plastic, including the step of irradiating the interface with laser light and heating, and the step of engaging the plastic by melting and enclosing the superposed fine particle structure as a result of the heating. Is the method.
ここで、重畳的微細粒子構造とは、機械的結合効果であるアンカー効果を発揮する微細凹凸形状面に対し、さらなる微細凹凸形状を重畳的に有する微細構造をいう。図１に、当該重畳的微細粒子構造を模擬的に示す。 Here, the superimposed fine particle structure refers to a fine structure having a further fine irregular shape superimposed on a fine irregular shape surface exhibiting an anchor effect which is a mechanical coupling effect. FIG. 1 schematically shows the superposed fine particle structure.
この図においては、凸形状１１に対し重畳的に形成された凸−凹形状１３及び凸−凸形状１４が模擬的に示されている。同様に、凹形状１２に対し重畳的に形成された凹−凸形状１５が示されている。さらに、クラッディングによる隆起形状１６が形状される場合もある。 In this figure, a convex-concave shape 13 and a convex-convex shape 14 formed in a superimposed manner on the convex shape 11 are schematically shown. Similarly, a concave-convex shape 15 formed to overlap the concave shape 12 is shown. Furthermore, the raised shape 16 by cladding may be formed.
また、前記レーザ光を照射し加熱する工程においては、プラスチック側からレーザ光を入射する方法が一般的であるが、レーザ光がプラスチックを吸収する場合であって、他方の金属基材が当該レーザ光を吸収する場合は、一般的な場合と逆に当該金属基材側からのレーザ光照射で金属の伝熱によりプラスチックとの接触界面を加熱することができる。 Further, in the step of irradiating and heating the laser beam, a method in which the laser beam is incident from the plastic side is general. However, the laser beam absorbs the plastic, and the other metal substrate is the laser beam. In the case of absorbing light, contrary to the general case, the contact interface with the plastic can be heated by the heat transfer of the metal by laser light irradiation from the metal substrate side.
第二の発明は、第一の発明において、前記重畳的微細粒子構造が、前記金属基材面上に、一以上の金属粉末を付着する工程と、当該金属粉末の付着した面にレーザクラッディングを施す工程と、を含む方法により、隆起した形状を基礎として形成された重畳的微細粒子構造であることを特徴とする接合方法である。 According to a second invention, in the first invention, the superposed fine particle structure has a step of attaching one or more metal powders on the surface of the metal substrate, and laser cladding on the surface to which the metal powder is attached. And a superimposing fine particle structure formed on the basis of a raised shape.
ここで、前記金属基材面上に金属粉末を付着する工程とは、塗布、吹付を含むものとし、また、これらに限られない。 Here, the process of attaching the metal powder on the surface of the metal substrate includes application and spraying, and is not limited thereto.
さらに、レーザクラッディング法により隆起形状１６の上に形成される前記重畳的微細粒子構造には、共晶、固溶体又は金属間化合物のいずれによる合金層を形成している場合も含まれる。 Further, the superposed fine particle structure formed on the raised shape 16 by the laser cladding method includes a case where an alloy layer of any of eutectic, solid solution, or intermetallic compound is formed.
第三の発明は、第二の発明において、前記金属粉末が、金属基材と同一の金属からなる粉末と、これとは異なる金属を含む混合金属粉末であることを特徴とする接合方法である。 A third invention is the joining method according to the second invention, wherein the metal powder is a mixed metal powder containing a powder made of the same metal as the metal substrate and a metal different from the metal .
例えば、前記混合金属粉末に含まれる金属としては、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、シリコン、ステライト、バナジウム、カーボンを用いることができ、これらに限られない。 For example, as the metal contained in the mixed metal powder, aluminum, nickel, copper, titanium, silicon, stellite, vanadium, and carbon can be used, but are not limited thereto.
第四の発明は、第三の発明において、前記混合金属粉末が、カーボンの粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする接合方法である。 A fourth invention is a joining method according to the third invention, wherein the mixed metal powder is a mixed metal powder containing carbon powder.
第五の発明は、第四の発明において、前記混合金属粉末は、さらにチタンの粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする接合方法である。 A fifth invention is a joining method according to the fourth invention, wherein the mixed metal powder is a mixed metal powder further containing titanium powder.
第一の発明によれば、前記重畳的微細粒子構造のうち、重畳的に形成された凹凸形状に溶融したプラスチックが入り込み及び包み込むことにより得られるアンカー効果に加え、当該重畳的に形成された凹凸形状のベースとなっている凹凸形状に対しても、前記溶融したプラスチックが入り込み及び包み込むことにより、せん断及び剥離のいずれの方向に対しても機械的結合強度を有する効果を発揮する。本明細書においては、当該効果をポジティブアンカー効果という。 According to the first invention, in addition to the anchor effect obtained by enveloping and enveloping the plastic melted into the concavo-convex shape formed in the superposed fine particle structure, the superposed concavo-convex Even with respect to the concave and convex shape which is the base of the shape, the melted plastic enters and wraps, thereby exhibiting the effect of having mechanical bond strength in both the shearing and peeling directions. In the present specification, this effect is referred to as a positive anchor effect.
第二の発明によれば、重畳的微細粒子構造を再現よく、且つ効率よく形成することができる。また、当該重畳的微細粒子構造は、一般的なレーザクラッディング法を用いることで、例えば接合面の押圧に適した隆起状をなす合金層に形成される。この場合、接合には１ＭＰａ程度での押圧でポジティブアンカー効果を得ることが可能であり、成型品同士の接合を容易にする効果も発揮する。 According to the second invention, the superimposed fine particle structure can be formed with good reproducibility and efficiency. Further, the superposed fine particle structure is formed in an alloy layer having a raised shape suitable for pressing of the joint surface, for example, by using a general laser cladding method. In this case, it is possible to obtain a positive anchor effect by pressing at about 1 MPa for joining, and the effect of facilitating joining of molded products is also exhibited.
第三ないし第五の発明によれば、重畳的微細粒子構造の数、すなわち、凹凸の数を安定して増加させる効果を発揮する。 According to the third to fifth inventions, the effect of stably increasing the number of superposed fine particle structures, that is, the number of irregularities is exhibited.
以下、本発明の好適な実施形態をステップに分けて図とともに説明する。なお、本明細書において特に言及している以外の事項であって本発明の実施に必要な事項は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in steps with reference to the drawings. Note that matters that are not particularly mentioned in the present specification and are necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
Ｓ１）金属基材の用意
本実施例においては、金属基材１として、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２）の板材を用意した。この金属基材の長さ方向の一端から２０ｍｍの位置に接合予定面２を設定した。図２にその様子を示す。
S1) Preparation of Metal Substrate In this example, as the metal substrate 1, a plate of aluminum alloy (A5052) having a width of 20 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 1 mm was prepared. The joining planned surface 2 was set at a position 20 mm from one end in the length direction of the metal base material. This is shown in FIG.
なお、金属基材としてはアルミニウム合金以外の、アルミダイキャスト、ステンレススチール、ＳＰＣＣ等の他の金属材料からなる基材を用いることができる。また、金属材料には、単一の金属元素からなる金属や二以上の金属元素を含む合金からなる金属も含まれる。 In addition, as a metal base material, the base material which consists of other metal materials, such as aluminum die-casting, stainless steel, SPCC other than an aluminum alloy, can be used. The metal material also includes a metal made of a single metal element or a metal made of an alloy containing two or more metal elements.
Ｓ２）金属粉末の用意
金属粉末として、アルミ金属粉末、チタン金属粉末、及びカーボンを混錬し、混合金属粉末とした。混合の割合は適宜接合強度との関係で最適化を図った。なお、各図及び以下においては、この混合金属粉末を「ＴＡＣ」との記号で示した。
S2) Preparation of metal powder Aluminum metal powder, titanium metal powder, and carbon were kneaded as metal powder to obtain mixed metal powder. The mixing ratio was optimized as appropriate in relation to the bonding strength. In each figure and the following, this mixed metal powder is indicated by the symbol “TAC”.
なお、上記金属粉末のほか、ニッケル、銅、チタン、シリコン、ステライト、バナジウム及びこれらを合金化した金属粉末を用いることが可能であり、金属基材との合金化が可能な金属粉末を選択し組み合わせるとよい。 In addition to the above metal powder, nickel, copper, titanium, silicon, stellite, vanadium and metal powders obtained by alloying them can be used, and metal powders that can be alloyed with a metal substrate are selected. It is good to combine.
金属粉末の粒子形状としては、１０μmから１００μm程度の粒子径の粉末を用いることが望ましい。 As the particle shape of the metal powder, it is desirable to use a powder having a particle diameter of about 10 μm to 100 μm.
さらに、表面に多孔質構造を形成したい場合には、二種類以上の金属粉末を混合させるとよい。この場合に選択する混合金属粉末としては、融点が異なる二種以上の金属粉末を選択し、これらを加熱により金属粉末同士反応させ、これら金属粉末同市の熱化学反応を利用することで、形成を促す結果を得られる場合がある。 Furthermore, when it is desired to form a porous structure on the surface, two or more kinds of metal powders may be mixed. As the mixed metal powder to be selected in this case, two or more kinds of metal powders having different melting points are selected, these are reacted with each other by heating, and the thermochemical reaction of these metal powders is used to form the metal powder. You may get results that prompt you.
Ｓ３）金属基材への金属粉末の付着
ステップＳ２において用意したＴＡＣ混合金属粉末３を前記金属基材面上の接合予定面に厚さが均一になるよう塗布の方法にて付着させた。図３にその様子示す。塗布厚は概ね１２５μｍとしたが、接合強度との関係において最適化すべき数値である。なお、塗布においては混合金属粉末を水やアルコールにより混錬しスラリー状にしてから塗布してもよい。
S3) Adhesion of metal powder to metal substrate The TAC mixed metal powder 3 prepared in step S2 was adhered to the planned joining surface on the metal substrate surface by a coating method. This is shown in FIG. Although the coating thickness is approximately 125 μm, it is a numerical value that should be optimized in relation to the bonding strength. In application, the mixed metal powder may be kneaded with water or alcohol to form a slurry, and then applied.
Ｓ４）レーザクラッディング
ステップＳ３において金属基材の接合予定面に付着させた混合金属粉末に対し、レーザクラッディングを行った。本実施例では、光学系を用いて直径２ｍｍのスポットビーム４に整形した波長９７０ｎｍの半導体レーザ光を用いた。スポットビーム４の走査速度は、得たい重畳的微細粒子の形状と数により１０ｍｍ/ｓから５０ｍｍ/ｓまで可変させ、最適値として３０ｍｍ／ｓを選択した。図４はその様子を示す。なお、本実施例においては、スポットビーム４を幅２０ｍｍにわたり走査し、４０ｍｍ２以上領域をクラッディングした。
S4) Laser Cladding Laser cladding was performed on the mixed metal powder adhered to the joining surface of the metal base material in step S3. In this example, a semiconductor laser beam having a wavelength of 970 nm shaped into a spot beam 4 having a diameter of 2 mm using an optical system was used. The scanning speed of the spot beam 4 was varied from 10 mm / s to 50 mm / s depending on the shape and number of superposed fine particles to be obtained, and 30 mm / s was selected as the optimum value. FIG. 4 shows such a state. In this example, the spot beam 4 was scanned over a width of 20 mm, and an area of 40 mm 2 or more was clad.
レーザクラッディングに用いるレーザは、本実施例において用いた半導体レーザのほか、ファイバーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザなど混合金属粉末を加熱できるものであればこれらに限定されない。 The laser used for laser cladding is not limited to these as long as it can heat mixed metal powder, such as a fiber laser, an Nd: YAG laser, a carbon dioxide gas laser, in addition to the semiconductor laser used in this embodiment.
ステップＳ４により得られた重畳的微細粒子構造５の写真を示す。この表面写真ではレーザ照射した部位が変色し金属基材とは異なる合金領域が形成されていることが確認できる。 A photograph of the superimposed fine particle structure 5 obtained in step S4 is shown. In this surface photograph, it can be confirmed that the laser-irradiated site is discolored and an alloy region different from the metal substrate is formed.
図５に示す拡大倍率を３０倍とした写真では、前記変色した領域中に数１０μｍから数百μｍ程度の微細粒子が多数形成されていることが確認できる。 In the photograph shown in FIG. 5 with an enlargement ratio of 30, it can be confirmed that a large number of fine particles of several tens to several hundreds of μm are formed in the discolored region.
拡大倍率を１００倍とした図６では、クラッディングされた合金層の全面に重畳的微細粒子構造５が形成されていることがわかる。 In FIG. 6 where the magnification is 100, it can be seen that the superposed fine particle structure 5 is formed on the entire surface of the clad alloy layer.
拡大倍率１０００倍とした図７では、微細粒子構造が約１μm以下のポーラス及び粒子構造がその全面に形成されていることがわかる。 In FIG. 7 where the magnification is 1000, it can be seen that a porous and particle structure having a fine particle structure of about 1 μm or less is formed on the entire surface.
Ｓ５）プラスチック部材の用意
プラスチック部材として、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚み１ｍｍのナイロン６からなるシートを用意した。なお、本実施例においては、プラスチック部材上に接合予定面を厳格に定めていないが、プラスチック部材が成型品である場合は、これを定める必要がある。
S5) Preparation of plastic member A sheet made of nylon 6 having a width of 20 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 1 mm was prepared as a plastic member. In the present embodiment, the surface to be joined is not strictly defined on the plastic member, but it is necessary to determine this when the plastic member is a molded product.
Ｓ６）金属基材とプラスチック部材との当接及び押圧
ステップＳ４により金属基材の接合予定面上に形成された重畳的微細粒子構造面５と、前記プラスチック部材７を重ね合わせて当接し、押圧した。押圧は図８に示すように、金属基材側から金属製の裏当てプレート６により裏当てし、樹脂部材をガラス８（テンパックス、厚さ５ｍｍ）で挟み込み、油圧ポンプにてその表示上で１．４ＭＰａの圧力を加えた。
S6) Abutting and pressing of the metal base material and the plastic member The superposed fine particle structure surface 5 formed on the planned joining surface of the metal base material in step S4 and the plastic member 7 are brought into contact with each other and pressed. did. As shown in FIG. 8, the pressing is supported by a metal backing plate 6 from the metal substrate side, the resin member is sandwiched between glass 8 (Tempax, thickness 5 mm), and on the display by a hydraulic pump. A pressure of 1.4 MPa was applied.
なお、押圧の程度は、一般的に、０．１〜３ＭＰａの圧力範囲で最適な条件を選択するとよい。選択した押圧の程度が適切で、かつその初期圧力を保持することにより、後述する溶融したプラスチックが金属基材に形成された重畳的微細粒子構造にまんべんなく入り込み、両者の接合強度が十分に高められる。逆に一部の隆起形状に押圧による圧力が集中する場合、ガラス８が破損する点に留意し最適化を図るとよい。 In general, it is preferable to select an optimum condition for the degree of pressing in a pressure range of 0.1 to 3 MPa. When the selected pressure is appropriate and the initial pressure is maintained, the molten plastic described later uniformly enters the superposed fine particle structure formed on the metal substrate, and the joint strength between the two is sufficiently increased. . Conversely, when pressure due to pressing concentrates on a part of the raised shape, it is preferable to optimize by noting that the glass 8 is broken.
Ｓ７）レーザ照射
ステップＳ６により金属基材の接合予定面に押圧されたプラスチック側からスポット状に整形した半導体レーザのレーザスポット９を照射しレーザ接合を行った。図９はその様子を示す。レーザスポット９の照射条件は平均出力を１５０Ｗ、繰返し周波数を１０００Ｈｚ、Ｄｕｔｙを５０％、走査速度１０ｍｍ／ｓとした。なお、ビームの整形は、円形のスポット形状に限定されず、接合予定面の形状や総面積により、さらに使用するレーザの出力により適宜最適化することができる。なお、レーザクラッディング同様、レーザの種類は半導体レーザに限定されない。
S7) Laser irradiation Laser bonding was performed by irradiating the laser spot 9 of the semiconductor laser shaped into a spot shape from the plastic side pressed to the bonding planned surface of the metal substrate in step S6. FIG. 9 shows such a state. The irradiation conditions of the laser spot 9 were an average output of 150 W, a repetition frequency of 1000 Hz, a duty of 50%, and a scanning speed of 10 mm / s. The beam shaping is not limited to a circular spot shape, and can be optimized as appropriate depending on the shape and total area of the surface to be joined and the output of the laser to be used. Similar to laser cladding, the type of laser is not limited to a semiconductor laser.
本実施例においては、ステップＳ４においてクラッディングに用いたレーザ光を用いた。この波長９７０ｎｍは、前記プラスチックを透過する波長である。なお、使用するプラスチックに対し透過性を有する波長であれば、他のレーザを用いることも可能である。 In this embodiment, the laser beam used for the cladding in step S4 is used. This wavelength of 970 nm is a wavelength that transmits the plastic. It should be noted that other lasers can be used as long as the wavelength is transparent to the plastic used.
ステップＳ４のクラッディングにより形成された重畳的微細粒子構造５を有する合金層は、前記レーザ光の波長に対し透過性を有しないため、接合予定面に照射された当該レーザ光を吸収し熱に変換される。変換された熱は、当接し押圧されたプラスチック部材の接合予定面に伝搬し、これを溶融する。溶融したプラスチックは前記重畳的微細粒子構造５に入り込み及び包み込み、その結果、金属基材１とプラスチックを強固に接合する。 Since the alloy layer having the superimposed fine particle structure 5 formed by the cladding in step S4 is not transmissive to the wavelength of the laser beam, it absorbs the laser beam irradiated on the planned bonding surface and generates heat. Converted. The converted heat propagates to the joining surface of the pressed plastic member that is pressed against and melts it. The molten plastic enters and wraps up the superposed fine particle structure 5, and as a result, the metal substrate 1 and the plastic are firmly bonded.
以上のステップにより接合された金属基材とプラスチック部材からなる複合部材を図１０に示す。複合部材をせん断引張強度試験に供した結果、１９ＭＰａの接合強度を得た。
FIG. 10 shows a composite member composed of a metal base material and a plastic member joined by the above steps. As a result of subjecting the composite member to a shear tensile strength test, a bonding strength of 19 MPa was obtained.
図１１に前記複合部材を剥離させた後の様子を示す。剥離により金属基材が折れ曲がりその一部に金属破断が発生してた。これにより、十分な剥離強度が得られたことを視覚的にも確認した。 FIG. 11 shows a state after the composite member is peeled off. The metal base material was bent by peeling and a metal fracture occurred in a part thereof. Thereby, it was also confirmed visually that sufficient peel strength was obtained.
実施例１と同一の金属基材とプラスチック部材のレーザ接合において、実施例１とは異なる金属粉末の組み合わせからなる混合金属粉末を用いて接合試験を行った。 In laser joining of the same metal substrate and plastic member as in Example 1, a joining test was performed using a mixed metal powder made of a combination of metal powders different from that in Example 1.
ここでは、アルミ金属粉末、ニッケル金属粉末、及びチタン金属粉末を混錬した混合金属粉末とした。混合の割合は適宜接合強度との関係で最適化を図った。なお、各図及び以下においては、この混合金属粉末を「ＮＡＴ」との記号で示した。次の表１に、その結果を示す。 Here, a mixed metal powder obtained by kneading aluminum metal powder, nickel metal powder, and titanium metal powder was used. The mixing ratio was optimized as appropriate in relation to the bonding strength. In each figure and the following, this mixed metal powder is indicated by the symbol “NAT”. The results are shown in Table 1 below.
本実施例においても、実施例１と同様、接合部分を剥離した結果、剥離時に金属基材が折れ曲がり、一部に金属破断が発生する程度の接合強度が得られた。
Also in this example, as in Example 1, as a result of peeling off the joint portion, the metal base material was bent at the time of peeling, and a joining strength to such an extent that metal breakage occurred in part was obtained.
１ 金属基材
１１ 凸形状
１２ 凹形状
１３ 重畳的凸−凹形状
１４ 重畳的凸−凸形状
１５ 重畳的凹−凸形状
２ 接合予定面
３ 混合金属粉末
４ クラッディング用レーザスポット
５ 重畳的微細粒子構造
６ 裏当てプレート
７ プラスチック部材
８ ガラス
９ 接合用レーザスポット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal substrate 11 Convex shape 12 Concave shape 13 Superposition convex-concave shape 14 Superposition convex-convex shape 15 Superposition concave-convex shape 2 Planned joining surface 3 Mixed metal powder 4 Cladding laser spot 5 Superposition superfine particle Structure 6 Backing plate 7 Plastic member 8 Glass 9 Laser spot for bonding
本発明は、金属とプラスチックの機械的結合による直接接合に関するものである。 The present invention relates to direct bonding by mechanical bonding of metal and plastic.
金属とプラスチックを中間材の使用なく直接接合する場合において、その機械的結合強度を得るためには、金属表面に微細構造を形成する必要がある。例えば、インサート成型による金属と熱可塑性樹脂の直接接合においては、ブラスト処理や特開２００１−９８６２号にみられるような陽極酸化処理やエッチング処理による金属表面内部にむけての微細構造形成が実用に供されている。微細構造を金属表面に対し鉛直から傾きをもつ立体的な複雑形状に形成することにより強力な接合強度を得ることができる。 In the case of directly joining metal and plastic without using an intermediate material, it is necessary to form a microstructure on the metal surface in order to obtain the mechanical bond strength. For example, in the direct bonding of a metal and a thermoplastic resin by insert molding, it is practical to form a fine structure inside the metal surface by blasting or anodizing treatment or etching treatment as seen in JP-A-2001-9862. It is provided. Strong bonding strength can be obtained by forming the microstructure into a three-dimensional complex shape having an inclination from the vertical to the metal surface.
しかし、金属の微細構造中に十分にプラスチックを入り込ませ強靭な機械的接合強度を確保するためには、溶融したプラスチックを１００ＭＰａ近い高圧で押し込む必要がある。射出成型時において金属との一体成型を行う場合には、本方式は有用であるが成型済みのプラスチック部材と金属基材との直接接合を行う場合には、このような高い押圧下での施工を行うことはできない。 However, in order to sufficiently insert the plastic into the metal microstructure and ensure a strong mechanical joint strength, it is necessary to push the molten plastic at a high pressure close to 100 MPa. This method is useful when performing integral molding with metal during injection molding, but when directly joining a molded plastic member and a metal substrate, construction under such high pressure is required. Can not do.
また、陽極酸化処理やエッチング処理は、薬液中で電気化学反応により処理を行う必要があることから、局所的な接合のための局所的な微細構造形成のためには非接合部位へのマスキング処理や、エッチング処理後の薬液の廃液処理等が必要となり、作業が煩雑で高価な工法となる。 In addition, anodizing treatment and etching treatment need to be performed by chemical reaction in chemical solution. Therefore, masking treatment for non-joined parts is necessary to form a local microstructure for local joining. In addition, it is necessary to perform a waste liquid treatment of the chemical solution after the etching process, which makes the work complicated and expensive.
ブラスト処理による微細構造形成は、粒径の異なるブラスト材の選択により金属表面の微細構造の形状を制御可能であるが、等方性を有する微細構造が形成されるため、せん断方向での接合強度は確保できるものの、剥離方向の接合強度を確保することは困難であった。 Microstructural formation by blasting can control the shape of the microstructure on the metal surface by selecting blasting materials with different particle sizes, but since an isotropic microstructure is formed, joint strength in the shear direction However, it was difficult to ensure the bonding strength in the peeling direction.
表面に微細構造を有する金属とプラスチックの成形品同士を局所的に接合する場合には、レーザによる接合界面の局所加熱による直接接合が可能であるが、接合界面同士の押圧が十分に行えないため、レーザ加熱により溶融したプラスチックの流動性が低い場合など、これを十分に微細構造内部へ入り込ませることが困難となり、強靭な接合強度を得ることが困難であった。 When joining metal and plastic moldings with fine structures on the surface locally, direct bonding by local heating of the bonding interface by laser is possible, but the bonding interfaces cannot be pressed sufficiently. When the fluidity of the plastic melted by laser heating is low, it is difficult to sufficiently enter the inside of the fine structure, and it is difficult to obtain a strong bonding strength.
さらに、接合におけるアンカー効果を高める、ブリッジ形状又はオーバーハング形状を有する微細構造の形成方法として、ある走査方向に、数１００μｍに集光されたビーム径のレーザによりレーザスキャニング加工した後、当該走査方向とクロスする別の走査方向にレーザスキャニング加工することにより、これを形成する技術が特許文献５において開示されている。しかし、加工時間を短縮するためにはスキャン回数を減らす必要があるものの、そうすると前記微細構造の形成が困難になるというトレードオフを有しており、接合工程の効率化が困難である。 Further, as a method of forming a microstructure having a bridge shape or an overhang shape, which enhances the anchor effect in bonding, a laser scanning process is performed with a laser having a beam diameter focused to several hundred μm in a certain scanning direction, and then the scanning direction. Patent Document 5 discloses a technique for forming a laser scanning process in another scanning direction that crosses the line. However, although it is necessary to reduce the number of scans in order to shorten the processing time, there is a trade-off that it becomes difficult to form the fine structure, and it is difficult to increase the efficiency of the bonding process.
その他、金属基材表面に樹脂との接合においてアンカー効果を増大させる凹凸形状の形成方法として、本発明において用いる金属粉末（粒子）ではなく、金属基材との合金化が不可能な粒子を用いる方法がある。この場合、プラズマ溶射やコールドスプレー等の手法により当該粒子を高温流体中に投じて高速にて金属基材に衝突させ、予め当該金属基材に形成した凹凸形状内に当該粒子を捕獲させ機械的結合を得ることにより、アンカー効果が増大された隆起を伴う微細粒子構造を形成させることができる。しかし、そのコストが高く、金属基材との密着力・接合強度が実用化に耐えうる程度に強くない。さらに、使用される材料等の中には環境的にその使用が好ましくないものもある。 Other than the metal powder (particles) used in the present invention, particles that cannot be alloyed with the metal substrate are used as a method for forming an uneven shape that increases the anchor effect in joining the resin to the surface of the metal substrate. There is a way. In this case, the particles are thrown into a high-temperature fluid by a technique such as plasma spraying or cold spray to collide with the metal substrate at a high speed, and the particles are captured in the uneven shape formed on the metal substrate in advance. By obtaining a bond, it is possible to form a fine particle structure with ridges with increased anchoring effect. However, the cost is high and the adhesion and bonding strength with the metal substrate are not strong enough to withstand practical use. In addition, some of the materials used are environmentally undesirable.
全方位に機械的結合効果を発揮する微細構造を金属表面に形成し、成形済みプラスチック部材との低コストなレーザ接合を目的とする。 The objective is to form a microstructure that exerts a mechanical bonding effect in all directions on a metal surface and to perform low-cost laser bonding with a molded plastic member.
第一の発明は、重畳的微細粒子構造を有する金属基材の接合予定面と、プラスチックの接合予定面とを押圧する工程と、当該押圧された界面に対しレーザ光を照射し加熱する工程と、当該加熱の結果溶融した前記プラスチックが前記重畳的微細粒子構造に入り込み及び包み込むことで互いに係合する工程により、金属基材とプラスチックを接合する方法であって、前記重畳的微細粒子構造は、前記金属基材面上に、一以上の金属粉末を付着する工程と、当該金属粉末の付着した面にレーザクラッディングを施す工程と、を含む方法により形成され、且つ、前記レーザクラッディングにより隆起した形状を基礎として形成された重畳的微細粒子構造であることを特徴とする金属基材とプラスチックの接合方法である。The first invention includes a step of pressing a planned joining surface of a metal base material having a superposed fine particle structure and a planned joining surface of a plastic, and a step of irradiating and heating the pressed interface with a laser beam. , by a process in which the plastic that results melting of the heat engage each other in enters and wraps it to the superimposing fine grain structure, a method of bonding a metal base and plastic, said superimposed fine grain structure, Formed by a method including a step of attaching one or more metal powders on the surface of the metal substrate and a step of applying laser cladding to the surface to which the metal powders are attached, and is raised by the laser cladding. This is a method for joining a metal base material and a plastic, characterized in that it has a superposed fine particle structure formed on the basis of the shape .
ここで、重畳的微細粒子構造とは、機械的結合効果であるアンカー効果を発揮する微細凹凸形状面に対し、さらなる微細凹凸形状を重畳的に有する微細構造をいう。図１に、当該重畳的微細粒子構造を模擬的に示す。 Here, the superimposed fine particle structure refers to a fine structure having a further fine irregular shape superimposed on a fine irregular shape surface exhibiting an anchor effect which is a mechanical coupling effect. FIG. 1 schematically shows the superposed fine particle structure.
この図においては、凸形状１１に対し重畳的に形成された重畳的凸−凹形状１３及び重畳的凸−凸形状１４が模擬的に示されている。同様に、凹形状１２に対し重畳的に形成された重畳的凹−凸形状１５が示されている。さらに、当該重畳的微細粒子構造は、クラッディングによる隆起形状１６上に形成されている。 In this figure, a superimposed convex-concave shape 13 and a superimposed convex-convex shape 14 formed in a superimposed manner on the convex shape 11 are schematically shown. Similarly, a superimposed concave-convex shape 15 formed so as to be superimposed on the concave shape 12 is shown. Further, the superimposed fine particle structure is formed on the raised shape 16 by the cladding .
また、前記レーザ光を照射し加熱する工程においては、プラスチック側からレーザ光を入射する方法が一般的であるが、レーザ光がプラスチックを吸収する場合であって、他方の金属基材が当該レーザ光を吸収する場合は、一般的な場合と逆に当該金属基材側からのレーザ光照射で金属の伝熱によりプラスチックとの接触界面を加熱することができる。 Further, in the step of irradiating and heating the laser beam, a method in which the laser beam is incident from the plastic side is general. However, the laser beam absorbs the plastic, and the other metal substrate is the laser beam. In the case of absorbing light, contrary to the general case, the contact interface with the plastic can be heated by the heat transfer of the metal by laser light irradiation from the metal substrate side.
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また、前記金属基材面上に金属粉末を付着する工程とは、塗布、吹付を含むものとし、また、これらに限られない。 Further , the step of attaching the metal powder on the metal substrate surface includes application and spraying, and is not limited thereto.
さらに、レーザクラッディング法により隆起形状１６の上に形成される前記重畳的微細粒子構造には、共晶、固溶体又は金属間化合物のいずれによる合金層を形成している場合も含まれる。 Further, the superposed fine particle structure formed on the raised shape 16 by the laser cladding method includes a case where an alloy layer of any of eutectic, solid solution, or intermetallic compound is formed.
第二の発明は、第一の発明において、前記金属粉末が、金属基材と同一の金属からなる粉末と、これとは異なる金属を含む混合金属粉末であることを特徴とする接合方法である。 A second invention is the joining method according to the first invention, wherein the metal powder is a mixed metal powder containing a powder made of the same metal as the metal substrate and a metal different from the powder. .
例えば、前記混合金属粉末に含まれる金属としては、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、シリコン、ステライト、バナジウム、カーボンを用いることができ、これらに限られない。 For example, as the metal contained in the mixed metal powder, aluminum, nickel, copper, titanium, silicon, stellite, vanadium, and carbon can be used, but are not limited thereto.
第三の発明は、第二の発明において、前記混合金属粉末が、カーボンの粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする接合方法である。 A third invention is the bonding method according to the second invention, wherein the mixed metal powder is a mixed metal powder containing carbon powder.
第四の発明は、第三の発明において、前記混合金属粉末は、さらにチタンの粉末を含む混合金属粉末であることを特徴とする接合方法である。 A fourth invention is a joining method according to the third invention, wherein the mixed metal powder is a mixed metal powder further containing titanium powder.
第一の発明によれば、前記重畳的微細粒子構造のうち、重畳的に形成された凹凸形状に溶融したプラスチックが入り込み及び包み込むことにより得られるアンカー効果に加え、当該重畳的に形成された凹凸形状のベースとなっている凹凸形状に対しても、前記溶融したプラスチックが入り込み及び包み込むことにより、せん断及び剥離のいずれの方向に対しても機械的結合強度を有する効果を発揮する。本明細書においては、当該効果をポジティブアンカー効果という。 According to the first invention, in addition to the anchor effect obtained by enveloping and enveloping the plastic melted into the concavo-convex shape formed in the superposed fine particle structure, the superposed concavo-convex Even with respect to the concave and convex shape which is the base of the shape, the melted plastic enters and wraps, thereby exhibiting the effect of having mechanical bond strength in both the shearing and peeling directions. In the present specification, this effect is referred to as a positive anchor effect.
さらに、重畳的微細粒子構造を再現よく、且つ効率よく形成することができる。また、当該重畳的微細粒子構造は、一般的なレーザクラッディング法を用いることで、例えば接合面の押圧に適した隆起状をなす合金層に形成される。この場合、接合には１ＭＰａ程度での押圧でポジティブアンカー効果を得ることが可能であり、成型品同士の接合を容易にする効果も発揮する。 Furthermore , a superposed fine particle structure can be formed with good reproducibility and efficiency. Further, the superposed fine particle structure is formed in an alloy layer having a raised shape suitable for pressing of the joint surface, for example, by using a general laser cladding method. In this case, it is possible to obtain a positive anchor effect by pressing at about 1 MPa for joining, and the effect of facilitating joining of molded products is also exhibited.
第二ないし第四の発明によれば、重畳的微細粒子構造の数、すなわち、凹凸の数を安定して増加させる効果を発揮する。 According to the second to fourth inventions, the effect of stably increasing the number of superposed fine particle structures, that is, the number of irregularities is exhibited.
以下、本発明の好適な実施形態をステップに分けて図とともに説明する。なお、本明細書において特に言及している以外の事項であって本発明の実施に必要な事項は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in steps with reference to the drawings. Note that matters that are not particularly mentioned in the present specification and are necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
Ｓ１）金属基材の用意
本実施例においては、金属基材１として、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２）の板材を用意した。この金属基材の長さ方向の一端から２０ｍｍの位置に接合予定面２を設定した。図２にその様子を示す。S1) Preparation of Metal Substrate In this example, as the metal substrate 1, a plate of aluminum alloy (A5052) having a width of 20 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 1 mm was prepared. The joining planned surface 2 was set at a position 20 mm from one end in the length direction of the metal base material. This is shown in FIG.
なお、金属基材としてはアルミニウム合金以外の、アルミダイキャスト、ステンレススチール、ＳＰＣＣ等の他の金属材料からなる基材を用いることができる。また、金属材料には、単一の金属元素からなる金属や二以上の金属元素を含む合金からなる金属も含まれる。 In addition, as a metal base material, the base material which consists of other metal materials, such as aluminum die-casting, stainless steel, SPCC other than an aluminum alloy, can be used. The metal material also includes a metal made of a single metal element or a metal made of an alloy containing two or more metal elements.
Ｓ２）金属粉末の用意
金属粉末として、アルミ金属粉末、チタン金属粉末、及びカーボンを混錬し、混合金属粉末とした。混合の割合は適宜接合強度との関係で最適化を図った。なお、各図及び以下においては、この混合金属粉末を「ＴＡＣ」との記号で示した。S2) Preparation of metal powder Aluminum metal powder, titanium metal powder, and carbon were kneaded as metal powder to obtain mixed metal powder. The mixing ratio was optimized as appropriate in relation to the bonding strength. In each figure and the following, this mixed metal powder is indicated by the symbol “TAC”.
なお、上記金属粉末のほか、ニッケル、銅、チタン、シリコン、ステライト、バナジウム及びこれらを合金化した金属粉末を用いることが可能であり、金属基材との合金化が可能な金属粉末を選択し組み合わせるとよい。 In addition to the above metal powder, nickel, copper, titanium, silicon, stellite, vanadium and metal powders obtained by alloying them can be used, and metal powders that can be alloyed with a metal substrate are selected. It is good to combine.
霞が関
金属粉末の粒子形状としては、１０μｍから１００μｍ程度の粒子径の粉末を用いることが望ましい。As the particle shape of Kasumigaseki metal powder, it is desirable to use a powder having a particle diameter of about 10 μm to 100 μm.
さらに、表面に多孔質構造を形成したい場合には、二種類以上の金属粉末を混合させるとよい。この場合に選択する混合金属粉末としては、融点が異なる二種以上の金属粉末を選択し、これらを加熱により金属粉末同士反応させ、これら金属粉末同市の熱化学反応を利用することで、形成を促す結果を得られる場合がある。 Furthermore, when it is desired to form a porous structure on the surface, two or more kinds of metal powders may be mixed. As the mixed metal powder to be selected in this case, two or more kinds of metal powders having different melting points are selected, these are reacted with each other by heating, and the thermochemical reaction of these metal powders is used to form the metal powder. You may get results that prompt you.
Ｓ３）金属基材への金属粉末の付着
ステップＳ２において用意したＴＡＣ混合金属粉末３を前記金属基材面上の接合予定面に厚さが均一になるよう塗布の方法にて付着させた。図３にその様子示す。塗布厚は概ね１２５μｍとしたが、接合強度との関係において最適化すべき数値である。なお、塗布においては混合金属粉末を水やアルコールにより混錬しスラリー状にしてから塗布してもよい。S3) Adhesion of metal powder to metal substrate The TAC mixed metal powder 3 prepared in step S2 was adhered to the planned joining surface on the metal substrate surface by a coating method. This is shown in FIG. Although the coating thickness is approximately 125 μm, it is a numerical value that should be optimized in relation to the bonding strength. In application, the mixed metal powder may be kneaded with water or alcohol to form a slurry, and then applied.
Ｓ４）レーザクラッディング
ステップＳ３において金属基材の接合予定面に付着させた混合金属粉末に対し、レーザクラッディングを行った。本実施例では、光学系を用いて直径２ｍｍのスポットビーム４に整形した波長９７０ｎｍの半導体レーザ光を用いた。スポットビーム４の走査速度は、得たい重畳的微細粒子の形状と数により１０ｍｍ／ｓから５０ｍｍ／ｓまで可変させ、最適値として３０ｍｍ／ｓを選択した。図４はその様子を示す。なお、本実施例においては、スポットビーム４を幅２０ｍｍにわたり走査し、４０ｍｍ２以上領域をクラッディングした。S4) Laser Cladding Laser cladding was performed on the mixed metal powder adhered to the joining surface of the metal base material in step S3. In this example, a semiconductor laser beam having a wavelength of 970 nm shaped into a spot beam 4 having a diameter of 2 mm using an optical system was used. The scanning speed of the spot beam 4 was varied from 10 mm / s to 50 mm / s depending on the shape and number of superposed fine particles to be obtained, and 30 mm / s was selected as the optimum value. FIG. 4 shows such a state. In this example, the spot beam 4 was scanned over a width of 20 mm, and an area of 40 mm 2 or more was clad.
レーザクラッディングに用いるレーザは、本実施例において用いた半導体レーザのほか、ファイバーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザなど混合金属粉末を加熱できるものであればこれらに限定されない。 The laser used for laser cladding is not limited to these as long as it can heat mixed metal powder, such as a fiber laser, an Nd: YAG laser, a carbon dioxide gas laser, in addition to the semiconductor laser used in this embodiment.
ステップＳ４により得られた重畳的微細粒子構造５の写真を示す。この表面写真ではレーザ照射した部位が変色し金属基材とは異なる合金領域が形成されていることが確認できる。 A photograph of the superimposed fine particle structure 5 obtained in step S4 is shown. In this surface photograph, it can be confirmed that the laser-irradiated site is discolored and an alloy region different from the metal substrate is formed.
図５に示す拡大倍率を３０倍とした写真では、前記変色した領域中に数１０μｍから数百μｍ程度の微細粒子が多数形成されていることが確認できる。 In the photograph shown in FIG. 5 with an enlargement ratio of 30, it can be confirmed that a large number of fine particles of several tens to several hundreds of μm are formed in the discolored region.
拡大倍率を１００倍とした図６では、クラッディングされた合金層の全面に重畳的微細粒子構造５が形成されていることがわかる。 In FIG. 6 where the magnification is 100, it can be seen that the superposed fine particle structure 5 is formed on the entire surface of the clad alloy layer.
拡大倍率１０００倍とした図７では、微細粒子構造が約１μｍ以下のポーラス及び粒子構造がその全面に形成されていることがわかる。 In FIG. 7 where the magnification is 1000, it can be seen that a porous and particle structure having a fine particle structure of about 1 μm or less is formed on the entire surface.
Ｓ５）プラスチック部材の用意
プラスチック部材として、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚み１ｍｍのナイロン６からなるシートを用意した。なお、本実施例においては、プラスチック部材上に接合予定面を厳格に定めていないが、プラスチック部材が成型品である場合は、これを定める必要がある。S5) Preparation of plastic member A sheet made of nylon 6 having a width of 20 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 1 mm was prepared as a plastic member. In the present embodiment, the surface to be joined is not strictly defined on the plastic member, but it is necessary to determine this when the plastic member is a molded product.
Ｓ６）金属基材とプラスチック部材との当接及び押圧
ステップＳ４により金属基材の接合予定面上に形成された重畳的微細粒子構造面５と、前記プラスチック部材７を重ね合わせて当接し、押圧した。押圧は図８に示すように、金属基材側から金属製の裏当てプレート６により裏当てし、樹脂部材をガラス８（テンパックス、厚さ５ｍｍ）で挟み込み、油圧ポンプにてその表示上で１．４ＭＰａの圧力を加えた。S6) Abutting and pressing of the metal base material and the plastic member The superposed fine particle structure surface 5 formed on the planned joining surface of the metal base material in step S4 and the plastic member 7 are brought into contact with each other and pressed. did. As shown in FIG. 8, the pressing is supported by a metal backing plate 6 from the metal substrate side, the resin member is sandwiched between glass 8 (Tempax, thickness 5 mm), and on the display by a hydraulic pump. A pressure of 1.4 MPa was applied.
なお、押圧の程度は、一般的に、０．１〜３ＭＰａの圧力範囲で最適な条件を選択するとよい。選択した押圧の程度が適切で、かつその初期圧力を保持することにより、後述する溶融したプラスチックが金属基材に形成された重畳的微細粒子構造にまんべんなく入り込み、両者の接合強度が十分に高められる。逆に一部の隆起形状に押圧による圧力が集中する場合、ガラス８が破損する点に留意し最適化を図るとよい。 In general, it is preferable to select an optimum condition for the degree of pressing in a pressure range of 0.1 to 3 MPa. When the selected pressure is appropriate and the initial pressure is maintained, the molten plastic described later uniformly enters the superposed fine particle structure formed on the metal substrate, and the joint strength between the two is sufficiently increased. . Conversely, when pressure due to pressing concentrates on a part of the raised shape, it is preferable to optimize by noting that the glass 8 is broken.
Ｓ７）レーザ照射
ステップＳ６により金属基材の接合予定面に押圧されたプラスチック側からスポット状に整形した半導体レーザのレーザスポット９を照射しレーザ接合を行った。図９はその様子を示す。レーザスポット９の照射条件は平均出力を１５０Ｗ、繰返し周波数を１０００Ｈｚ、Ｄｕｔｙを５０％、走査速度１０ｍｍ／ｓとした。なお、ビームの整形は、円形のスポット形状に限定されず、接合予定面の形状や総面積により、さらに使用するレーザの出力により適宜最適化することができる。なお、レーザクラッディング同様、レーザの種類は半導体レーザに限定されない。S7) Laser irradiation Laser bonding was performed by irradiating the laser spot 9 of the semiconductor laser shaped into a spot shape from the plastic side pressed to the bonding planned surface of the metal substrate in step S6. FIG. 9 shows such a state. The irradiation conditions of the laser spot 9 were an average output of 150 W, a repetition frequency of 1000 Hz, a duty of 50%, and a scanning speed of 10 mm / s. The beam shaping is not limited to a circular spot shape, and can be optimized as appropriate depending on the shape and total area of the surface to be joined and the output of the laser to be used. Similar to laser cladding, the type of laser is not limited to a semiconductor laser.
本実施例においては、ステップＳ４においてクラッディングに用いたレーザ光を用いた。この波長９７０ｎｍは、前記プラスチックを透過する波長である。なお、使用するプラスチックに対し透過性を有する波長であれば、他のレーザを用いることも可能である。 In this embodiment, the laser beam used for the cladding in step S4 is used. This wavelength of 970 nm is a wavelength that transmits the plastic. It should be noted that other lasers can be used as long as the wavelength is transparent to the plastic used.
ステップＳ４のクラッディングにより形成された重畳的微細粒子構造５を有する合金層は、前記レーザ光の波長に対し透過性を有しないため、接合予定面に照射された当該レーザ光を吸収し熱に変換される。変換された熱は、当接し押圧されたプラスチック部材の接合予定面に伝搬し、これを溶融する。溶融したプラスチックは前記重畳的微細粒子構造５に入り込み及び包み込み、その結果、金属基材１とプラスチックを強固に接合する。 Since the alloy layer having the superimposed fine particle structure 5 formed by the cladding in step S4 is not transmissive to the wavelength of the laser beam, it absorbs the laser beam irradiated on the planned bonding surface and generates heat. Converted. The converted heat propagates to the joining surface of the pressed plastic member that is pressed against and melts it. The molten plastic enters and wraps up the superposed fine particle structure 5, and as a result, the metal substrate 1 and the plastic are firmly bonded.
以上のステップにより接合された金属基材とプラスチック部材からなる複合部材を図１０に示す。複合部材をせん断引張強度試験に供した結果、１９ＭＰａの接合強度を得た。 FIG. 10 shows a composite member composed of a metal base material and a plastic member joined by the above steps. As a result of subjecting the composite member to a shear tensile strength test, a bonding strength of 19 MPa was obtained.
図１１に前記複合部材を剥離させた後の様子を示す。剥離により金属基材が折れ曲がりその一部に金属破断が発生してた。これにより、十分な剥離強度が得られたことを視覚的にも確認した。 FIG. 11 shows a state after the composite member is peeled off. The metal base material was bent by peeling and a metal fracture occurred in a part thereof. Thereby, it was also confirmed visually that sufficient peel strength was obtained.
実施例１と同一の金属基材とプラスチック部材のレーザ接合において、実施例１とは異なる金属粉末の組み合わせからなる混合金属粉末を用いて接合試験を行った。 In laser joining of the same metal substrate and plastic member as in Example 1, a joining test was performed using a mixed metal powder made of a combination of metal powders different from that in Example 1.
ここでは、アルミ金属粉末、ニッケル金属粉末、及びチタン金属粉末を混錬した混合金属粉末とした。混合の割合は適宜接合強度との関係で最適化を図った。なお、各図及び以下においては、この混合金属粉末を「ＮＡＴ」との記号で示した。次の表１に、その結果を示す。 Here, a mixed metal powder obtained by kneading aluminum metal powder, nickel metal powder, and titanium metal powder was used. The mixing ratio was optimized as appropriate in relation to the bonding strength. In each figure and the following, this mixed metal powder is indicated by the symbol “NAT”. The results are shown in Table 1 below.
本実施例においても、実施例１と同様、接合部分を剥離した結果、剥離時に金属基材が折れ曲がり、一部に金属破断が発生する程度の接合強度が得られた。 Also in this example, as in Example 1, as a result of peeling off the joint portion, the metal base material was bent at the time of peeling, and a joining strength to such an extent that metal breakage occurred in part was obtained.
１ 金属基材
１１ 凸形状
１２ 凹形状
１３ 重畳的凸−凹形状
１４ 重畳的凸−凸形状
１５ 重畳的凹−凸形状
１６ 隆起形状
２ 接合予定面
３ 混合金属粉末
４ クラッディング用レーザスポット
５ 重畳的微細粒子構造
６ 裏当てプレート
７ プラスチック部材
８ ガラス
９ 接合用レーザスポットDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal substrate 11 Convex shape 12 Concave shape 13 Superimposing convex-concave shape 14 Superimposing convex-convex shape 15 Superimposing concave-convex shape
16 Raised shape 2 Planned joining surface 3 Mixed metal powder 4 Laser spot for cladding 5 Superposed fine particle structure 6 Backing plate 7 Plastic member 8 Glass 9 Laser spot for joining
Claims (5)
重畳的微細粒子構造を有する金属基材の接合予定面と、プラスチックの接合予定面とを押圧する工程と、
当該押圧された界面に対しレーザ光を照射し加熱する工程と、
当該加熱の結果溶融した前記プラスチックが前記重畳的微細粒子構造に入り込み及び包み込むことで互いに係合する工程と、
を含む金属基材とプラスチックの接合方法。 A method of joining a metal substrate and plastic,
A step of pressing the planned joining surface of the metal base material having a superposed fine particle structure and the joining planned surface of the plastic,
Irradiating the heated interface with laser light and heating;
The plastics melted as a result of the heating enter and wrap in the superposed fine particle structure and engage each other;
A method of joining a metal base material and plastic.
前記金属基材面上に、一以上の金属粉末を付着する工程と、
当該金属粉末の付着した面にレーザクラッディングを施す工程と、
を含む方法により、
隆起した形状を基礎として形成された重畳的微細粒子構造であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。 The superposed fine particle structure is
Attaching one or more metal powders on the metal substrate surface;
Applying laser cladding to the surface to which the metal powder is adhered;
By methods including
The joining method according to claim 1, wherein the joining method is a superposed fine particle structure formed on the basis of a raised shape.
The joining method according to claim 4, wherein the mixed metal powder is a mixed metal powder further containing titanium powder.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2015002531 | 2015-01-08 | ||
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