KR101512888B1

KR101512888B1 - 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법

Info

Publication number: KR101512888B1
Application number: KR1020127021049A
Authority: KR
Inventors: 마사노리 엔도오; 모또시 홋따; 히사시 호리
Original assignee: 니폰게이긴조쿠가부시키가이샤
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2015-04-16
Also published as: TW201143951A; JP2011143539A; KR20120115998A; JP5577707B2; CN102712136A; WO2011086984A1

Abstract

알루미늄 합금 부재로서 그 표면 형상을 복잡화한 것을 사용해서 레이저 접합함으로써, 수지 부재와의 접합 강도를 높인 복합체를 얻는다. 피접합 알루미늄 합금 부재에 에칭 처리를 실시해서 표면에 요철을 형성한 후, 당해 알루미늄 합금 부재의 한쪽 면과 수지 부재를 중첩하고, 그 후에, 상기 알루미늄 합금 부재의 다른 쪽 면에 레이저 광을 조사시켜서 알루미늄 합금 부재에 접하고 있는 수지 부재를 연화시켜서 당해 수지로 상기 요철을 충전한다. 에칭 처리 전에 블라스트 처리를 실시해도 좋다.

Description

알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법{METHOD OF LASER JOINING OF ALUMINUM ALLOY MEMBER AND RESIN MEMBER}

본 발명은, 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 높은 접합 강도를 나타내는 레이저 접합 방법에 관한 것이다.

이종 재질인 알루미늄 부재와 합성 수지를 일체화한 알루미늄-수지 복합재는, 자동차, 가정 전기 제품, 산업 기기 등의 넓은 분야에서 사용되고 있다. 종래, 이러한 알루미늄-수지 복합재로서는, 알루미늄 부재와 수지 부재를 접착제의 개재 하에서 압착시킨 것이 사용되고 있었다.

그러나, 요즘, 접착제의 개재 없이 고강도의 엔지니어링 수지를 일체화하는 방법이 제안되어 있다. 예를 들어 특허문헌 1에서는, 금속 재료와 수지 재료의 접합 방법에 있어서, 레이저 광원을 사용함으로써, 금속 재료와 수지 재료를 접합한 상태에서 접합부의 수지 재료에 기포를 발생시키는 온도까지 접합부를 가열시킴으로써 접합하는 금속 수지 접합 방법이 제안되어 있다.

상기 접합 방법도, 금속 재료와 수지 부재가 일체적으로 접합된 복합재를 얻는다는 관점에서는 유용한 기술이지만, 이러한 복합재를, 강력한 접착력(고착력)이나 강성이 요구되는 기계적인 구조물에 적용하고자 하면 충분하지 않다.

따라서, 수지 부재로서 강도가 높은 것을 강력한 접착력으로 접착시킨 알루미늄-수지 복합체가 요구되고 있다.

예를 들어, 특허문헌 2, 3에서, 상기 요망을 충족시킨 알루미늄-수지 복합체의 제조 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 2에서는, 암모니아, 히드라진 및 수용성 아민 화합물로부터 선택되는 1종 이상의 수용액에 침지하는 공정을 거쳐서 전자 현미경 관찰로 수평균 내경 10 내지 80nm의 오목부에서 표면이 덮인 알루미늄 합금 부품과, 상기 알루미늄 합금 부품의 상기 표면에 사출 성형으로 고착되어, 주성분이 폴리아미드 수지이고 종성분이 내충격성 개량재인 수지분 조성의 열 가소성 합성 수지 조성물 부품으로 이루어진 금속 수지 복합체가 제안되어 있다.

이 복합체는, 알루미늄 합금 부품 표면을 초미세한 오목부나 구멍의 개구부로 덮는 형상으로 함으로써, 폴리아미드계 수지 조성을 견고하게 접착하고자 하는 것이다.

특허문헌 3에서는, 열 가소성 수지 재료와 금속 재료의 접합에 있어서, 접합하는 계면에 열 가소성 수지 재료와 상용성이 있는 열 가소성 필름을 개재시켜, 레이저 광을 조사함으로써 금속 재료를 발열시켜서 필름을 용융하여 용착 접합하는 것을 특징으로 하는 열 가소성 수지 재료와 금속 재료의 접합 방법이 제안되어 있다.

이 접합 방법은, 열 가소성 수지 재료와 금속 재료의 계면에 미리 열 가소성 필름을 개재시켜서, 접합시에 발생하는 응력을 완화시킴으로써 높은 접합 강도를 유지하고자 하는 것이다.

WO2007/029440호 공보 일본 특허 공개 제2007-182071호 공보 일본 특허 공개 제2009-39987호 공보

그러나, 상기 특허문헌 2, 3에서 제안되는 복합체도, 기계적인 구조물로서의 사용에 견딜 수 있을 정도의 조인트 강도는 발휘되고 있지 않다.

본 발명은, 이와 같은 과제를 해결하기 위해서 안출된 것이며, 알루미늄 합금 부재로서 그 표면 형상을 복잡화한 것을 사용함으로써, 수지 부재와의 접합 강도를 높인 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법은, 그 목적을 달성하기 위해서, 피접합 알루미늄 합금 부재에 에칭 처리를 실시해서 표면에 요철을 가진 요철부를 형성한 후, 당해 알루미늄 합금 부재의 한쪽 면과 수지 부재를 중첩하고, 그 후에, 상기 알루미늄 합금 부재의 다른 쪽 면에 레이저 광을 조사시켜서 알루미늄 합금 부재에 접하고 있는 수지 부재를 연화시켜 당해 수지로 상기 요철부를 충전하는 것을 특징으로 한다.

에칭 처리에 앞서 알루미늄 합금 부재에 블라스트 처리를 행하는 것이 바람직하다.

피접합 알루미늄 합금 부재로서는, 상기 에칭 처리, 또는 블라스트 처리와 에칭 처리에 의해 얻어진 요철부에 기인하여 복수의 오목 형상부가 형성된 알루미늄 합금 부재를 사용하는 것이 좋고, 바람직하게는 상기 오목 형상부는, 개구 폭이 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하의 크기인 동시에, 깊이가 0.1㎛ 이상 100㎛ 이하의 크기인 것이 좋다. 여기서, 상기 개구 폭은, 당해 알루미늄 합금 부재의 두께 방향 단면에 있어서, 이 두께 방향에 직교하고, 또한 요철부의 최고부를 통과하는 톱 라인과 최심부(最深部)를 통과하는 보텀 라인 사이의 하프 라인에 있어서, 주사형 전자 현미경 관찰에 의해 측정된 것이다.

또한, 상기 에칭 처리, 또는 블라스트 처리와 에칭 처리를 실시한 알루미늄 합금 부재로서는, 내면에 공정 실리콘 결정으로 이루어지는 볼록부를 복수 갖는 개구 폭이 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하의 오목 형상부를 표면의 일부 또는 전체면에 복수 갖는 Al-Si계 알루미늄 합금 부재이며, 상기 공정 실리콘 결정으로 이루어지는 볼록부가 구 상당 입자 직경으로 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하의 크기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 피접합 알루미늄 합금 부재가 Al-Si계 알루미늄 합금 부재로 이루어지고, 상기 에칭 처리, 또는 블라스트 처리와 에칭 처리에 의해 얻어진 요철부에 기인하여 상기와 같은 공정 실리콘 결정으로 이루어지는 볼록부를 내면에 가진 오목 형상부가, 피접합 알루미늄 합금 부재의 표면의 일부 또는 전체면에 복수 형성된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 개구 폭은, 당해 알루미늄 합금 부재의 두께 방향 단면에 있어서 이 두께 방향에 직교하고, 또한 요철부의 최고부를 통과하는 톱 라인과 최심부를 통과하는 보텀 라인 사이의 하프 라인에 있어서, 주사형 전자 현미경 관찰에 의해 측정된 것이다.

상기 공정 실리콘 결정으로 이루어진 볼록부는, 상기 오목 형상부 내면에 0.001g/m² 이상 1g/m² 이하의 양으로 돌출·석출되어 있고, 또한 상기 공정 실리콘 결정의 볼록부를 갖지 않는 개구 폭이 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하의 오목 형상부도 동시에 복수 존재하는 것이 바람직하다.

피접합 알루미늄 합금 부재에 에칭 처리를 실시할 때, 에칭액으로서, 할로겐 이온 농도를 0.1g/L 이상 300g/L 이하의 범위 내에서 포함하는 산 농도 0.1 중량％ 이상 80 중량％ 이하의 산 수용액이며, 산 수용액 중에 수용성 무기 할로겐 화합물을 첨가해서 제조된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 에칭 처리 전에 실시하는 블라스트 처리로서는, 에어 노즐 방식에 의해 실시되는 것이 바람직하다.

또한, 레이저 광 조사 전에 실시하는 에칭 처리, 또는 블라스트 처리와 에칭 처리는, 접합 강도가 높은 접합체를 얻는다는 관점에서는, 피접합 알루미늄 합금 부재의 수지 부재와의 접합면만으로 충분하지만, 전체면이라도 좋다.

본 발명의 방법에 의하면, 알루미늄-수지 복합재의 제조에 사용되는 알루미늄 합금 부재 표면에, 미리 복잡화된 요철 형상이 부여되어 있다. 이로 인해, 예를 들어 레이저 접합법으로 그 표면에 수지 부재를 접합했을 때, 상기 복잡화된 요철 형상에 의해 앵커 효과가 유효하게 작용하고, 접합 강도가 높은 알루미늄-수지 복합체가 용이하게 얻어진다.

게다가, 본 발명의 방법에서는 알루미늄 합금 소재로서, 일반적인 Al 합금 재에 사용할 수 있을 뿐만 아니라, Al-Si계 주조 합금을 사용할 수 있기 때문에, 형상적으로 자유도가 높은 복합체를 저렴하게 제조할 수 있게 된다. 또한, 이와 같이 제조된 알루미늄-수지 복합체는 알루미늄 합금 부재와 수지 성형체 사이의 계면(알루미늄/수지 계면)의 밀착 강도나 기밀성이 지극히 높고, 또한 가혹한 환경에 노출되어도 그 우수한 밀착 강도 및 기밀성을 유지할 수 있어 장기에 걸쳐 높은 신뢰성을 유지할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명 방법에 의해 얻어지는 접합 강도가 높은 알루미늄-수지 복합체는, 예를 들어 자동차용 각종 센서 부품, 가전 기기용 각종 스위치 부품, 각종 산업 기기용 콘덴서 부품 등을 비롯하여, 폭 넓은 분야에 있어서의 금속-수지 일체 성형 부품에 적절하게 사용할 수 있고, 높은 결합 강도가 요구되는 금속-수지 일체 성형 부품에 적절하게 사용된다.

도 1은 Al-Si계 합금 주물의 응고 조직을 설명하는 모식도.
도 2는 Al-Si계 합금 주물의 에칭 후의 단면 조직을 설명하는 모식도.
도 3은 Al-Si계 합금 주물의 에칭 표면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 화면.
도 4는 알루미늄 합금 부재의 표면에 형성된 오목부의 개구 폭의 측정 방법을 설명하는 도면.
도 5는 알루미늄 합금 부재의 표면에 형성된 오목부의 단면 모사도.

본 발명자들은, 상기 특허문헌 1이나 3에서 제안되어 있는 레이저 접합 방법을 채용한 알루미늄-수지 복합체의 제조법으로 충분한 접합 강도가 얻어지지 않는 원인 및 대책에 대해서 예의 검토를 거듭해 왔다.

그 과정에서, 연화된 수지 부재와 알루미늄 표면의 요철부의 맞물림이 충분하지 않다고 가정하고, 알루미늄-수지 복합체를 제조할 때, 복합화하는 수지 부재와의 접합성을 높이기 위해, 알루미늄 합금 부재의 표면 성상의 개선책에 대해서 검토했다.

수지 부재와의 접합성을 높이기 위해서는, 알루미늄 합금 부재의 표면에 앵커 효과가 높은 요철부를 형성하는 것이 유효하다. 그러나, 금속 조성 범위가 넓고 금속 조직이 복잡한 Al 주조용 합금에 대하여는, 일반적인 에칭 처리로는 앵커 효과를 발휘시키는 것은 어렵다.

따라서, 본 발명은, Al-Si계 주조용 합금에 있어서도, 효과적인 에칭 처리를 실시함으로써, 그 표면에 앵커 효과가 높은 요철을 형성할 수 있는 것을 발견하고 있다.

이하에 그 상세를 설명한다.

우선, Al-Si계 합금 부재의 표면에 복잡화된 요철부가 형성되기 쉬운 것에 관한 기본적인 원리를 설명한다.

실용적으로 다용되는 아공정-공정 근방 조성을 갖는 Al-Si계 합금의 용탕을 주형 내에서 응고시켰을 때, 도 1에 나타낸 바와 같이, 초정 α-Al(1) 사이를 라멜라 형상의 Al-Si 공정부(2)가 매립되는 형태로 되어 있다. 그리고, Al-Si 공정부(2)는 공정 α-Al(3)과 공정Si(4)로 구성되는 형태가 된다.

이러한 금속 조직을 갖는 Al-Si계 합금 부재를, 염산 등의 산 액으로 화학적으로 에칭 처리하면, Al-Si 공정부의 공정 α-Al(3)이 선택적으로 용해된다. 공정α-Al이 초정 α-Al(1)보다도 Al 순도가 낮기 때문이다.

그 결과, 초정 α-Al(1) 사이를 매립하고 있는 라멜라 형상의 공정부에서 공정 Si(4)만이 잔존하게 되고, 오목부가 된 초정 α-Al 사이의 공극부(5)에 잔존 Si가 상기 오목부 벽에 돌출된 형태가 된다(도 2 참조).

도 3은, 후술하는 실시예에서 사용한 시료의 표면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 결과를 나타내는 것이다. 초정 α-Al 사이에 형성된 오목 형상부의 내부에 Si 결정이 돌출되어, 볼록부를 형성하고 있는 것을 안다.

Al-Si계 Al 합금에 대한 본 발명의 방법에서는, 초정 α-Al 사이의, 잔존 Si가 벽면에 돌출된 오목 형상부에, 레이저 광 조사에 의해 수지 부재를 접합할 때의 앵커 기능을 다 하도록 하는 것이다.

상기 앵커 효과를 유효하게 발현시키기 위해서는, 형성되는 오목 형상부를 미세하고, 돌출된 Si 결정이 구성하는 볼록부를 미세하고 또한 많게 하는 것이 유효하며, 화학 에칭 조건을 조정하는 것이 필요해진다. 바람직한 에칭 조건에 대해서는 후기한다.

특히, Al-Si계 합금인 Al 주조용 합금에 있어서 돌출된 Si 결정이 구성하는 볼록부를 미세하고 또한 많게 하기 위해서는, 에칭 처리 전의 전 처리로서 블라스트 처리하는 것이 바람직하다. 특히 블라스트 방식으로서는 에어 노즐식 블라스트가 바람직하다. 에칭 처리 전에 블라스트 처리를 권장하는 이유로서는 이하를 들 수 있다. 금속 조직이 복잡한 Al-Si계 Al 주조용 합금에서는, 블라스트 처리를 하지 않을 경우, 경우에 따라 에칭의 불균일이 발생해서 균일한 에칭 처리는 곤란해진다. 블라스트 처리에서는, 샷 미디어의 충돌에 의해 금속 최표면에 있어서 급열, 급냉이 반복되어, 표면 조직이 미세화, 균일화된다. 따라서, 블라스트 처리 후에 에칭 처리를 함으로써 균일한 처리가 가능하게 된다.

또한, 블라스트 처리 후의 알루미늄 표면은 조면화되기 때문에, 그 후에 오목부 구조를 형성시키는 에칭 처리를 실시함으로써 이중 조면화 구조에 의한 수지 접합성의 향상을 바랄 수 있다. 블라스트 처리 방식으로서, 에어 노즐식이 특히 바람직한 이유로서, 예를 들어 샷식과 비교하여, 미디어의 분사 압력이 높은 것을 들 수 있고, 예를 들어 분사 압력이 낮은 샷식 블라스트와 비교하여, 보다 강한 압력으로 미디어를 표면에 충돌시키는 것이 가능하기 때문에, 결과적으로 균일한 에칭 처리에 바람직한 표면 조직을 형성할 수 있다. 또한, 에칭 처리와 조합함으로써 수지 접합성에 효과적인 이중 조면화 구조를 형성할 수 있다.

한편, 전 처리로서 블라스트 처리하지 않는 경우에는, 에칭 처리 후에 초음파 처리를 하는 것이 바람직하다. 상기 기재와 같이, 특히 초기의 에칭 거동에 있어서 에칭 불균일이 발생한다. 이것을 방지하기 위해서는, 에칭시의 욕온을 높게 하거나 또는 침지 시간을 길게 함으로써, 에칭 처리에 의한 용해량을 크게 할 필요가 있지만, 이 경우, 알루미늄 용해량의 증가에 수반해, 공정 Si 결정이 최표면에 퇴적된다고 하는 문제가 발생한다. 공정 Si 결정의 퇴적층은 다공성 구조이기 때문에 수지가 인입되기 쉽지만,한편으로 Al-Si계 Al 합금과의 밀착성은 매우 작기 때문에 접합 강도를 얻는 것은 곤란하다. 에칭 처리 후에 초음파 처리함으로써, 최표층에 존재하는 퇴적된 공정 Si 결정을 선택적으로 제거하고, 수지 접합성에 기여하는 표면 오목부 내의 공정 Si 결정만 잔존시키는 것이 가능하게 된다.

Al-Si계의 Al 주조용 합금에 있어서 앵커 기능을 효과적으로 발휘하는 볼록부의 크기, 분포 상태에 대해서 설명한다. 알루미늄 합금 부재의 표면 구조를 주사형 전자 현미경(히타치제 FE-SEM, S-4500형태)로 관찰했을 때, 공정 Si 결정으로 이루어진 볼록부의 크기는 구 상당 입자 직경으로 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. Si 결정 크기가 0.1㎛ 이하의 크기에 미치지 않으면 공정 Si 결정으로 이루어진 볼록부 자체가 꺾이기 쉬워 앵커 작용을 발휘할 수 없는 경우가 있다. 한편, Si 결정 크기가 10㎛를 초과하는 크기의 경우에도 크기가 지나치게 커서 앵커 작용을 발휘할 수 없는 경우가 있다.

또한, 잔존 Si가 벽면에 돌출된 오목 형상부는, 알루미늄 합금 부재의 두께 방향 단면에 있어서 이 두께 방향에 직교하고, 또한 요철부의 최고부를 통과하는 톱 라인과 최심부를 통과하는 보텀 라인 사이의 하프 라인에 있어서, 주사형 전자 현미경 관찰에 의해 측정되는 개구 폭이 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하, 바람직하게는 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하, 보다 바람직하게는 1㎛ 이상 10㎛ 이하의 크기이며, 톱 라인부터 보텀 라인까지의 깊이가 0.1㎛ 이상 100㎛ 이하, 바람직하게는 0.5㎛ 이상 50㎛ 이하의 크기인 것이 좋다.

이 오목 형상부의 개구 폭이 0.1㎛보다 좁으면, 수지 접합시에 용융 수지가 진입하기 어려워지고, 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 계면에 미소한 공극이 발생하여, 우수한 밀착 강도나 기밀성이 얻어지기 어려운 경우가 있고, 반대로, 30㎛ 보다 넓게 하고자 하면, 알루미늄 성형체의 표면 처리(에칭 처리)시에 용해 반응이 과잉으로 진행하여, 재료 표면의 결락 혹은 재료의 판 두께 감소량의 증대라는 문제가 발생하는 경우가 있으며, 재료 강도 부족인 제품이 발생해서 생산성 저하의 원인이 된다. 또한, 깊이에 대해서도, 0.1㎛보다 얕으면, 충분한 수지 성형체의 감입부가 얻어지기 어려운 경우가 있고, 반대로, 100㎛보다 깊게 하고자 하면, 알루미늄 성형체의 표면 처리(에칭 처리)시에 용해 반응이 과잉 진행되어, 재료 표면의 결락 혹은 재료의 판 두께 감소량의 증대라는 문제가 발생하는 경우가 있다.

본 발명에 있어서, Al-Si계 Al 합금의 잔존 Si가 벽면에 돌출된 복수의 오목 형상부의 밀도에 대해서는, 0.1mm 사방당 개구 폭 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하 및 깊이 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하의 범위 내의 1종 또는 2종 이상의 크기인 것이 5개 이상 200개 이하 정도의 범위로 존재하는 것이 좋다.

또한, 상기 Al-Si계 알루미늄 합금 부재의 표면 구조를 에너지 분산형 X선 분석 장치(호리바 세이사꾸쇼제 EMAX-7000)의 맵핑 분석에 의해 실리콘 원소 및 알루미늄 원소 분석을 행했을 때, 공정 부분에 존재하는 Si만이 분포하는 부위가 5％ 이상 80％ 이하를 차지하도록 하는 것이 바람직하다. Si 분포 부위가 5％ 미만에서는 유효한 앵커 효과는 발현되지 않는 경우가 있다. 반대로 80％를 초과하면 오목 형상부 벽면을 형성하는 초정 α-Al의 용해도 무시할 수 없고, 상기 벽면이 용해하여, Si 결정이 오목 형상부 내에 퇴적되는 상태로 되고, 수지 성분에 대하여 앵커 효과가 작용하지 않게 되는 경우가 있다.

공정 Si 결정으로 이루어진 볼록부의 돌출량은, 상기 오목 형상부 내면에 0.001 이상 1g/m² 이하의 양으로 돌출·석출되어 있는 것이 바람직하다. 0.001g/m²에 미치지 않으면 유효한 앵커 효과가 발현되기 어려운 경우가 있다. 반대로 1g/m²를 초과하면 오목 형상부 벽면을 형성하는 초정 α-Al의 용해도 무시할 수 없고, 상기 벽면이 용해하여, Si 결정이 오목 형상부 내에 퇴적되는 상태로 되어, 수지 성분에 대하여 앵커 효과가 작용하지 않게 되는 경우가 있다.

또한, 볼록부의 돌출량은, Al-Si계 알루미늄 합금 부재의 표면에 형성된 Si 결정을, 브러시를 사용해서 깎아 떨어뜨린 후, 0.1㎛ PC 멤브레인 필터를 사용해서 채취한 결정 입자를 중량법에 의해 측정한 것이다.

여기에서는, 상기 공정 α-Al의 선택적 용해에 의해 형성된 공정 Si 결정의 돌출부를 갖는 오목 형상부와 함께 앵커 기능을 효과적으로 발휘하는 초정 α-Al에 형성되는 오목 형상부에 대해서 설명한다. 알루미늄 부재의 표면의 요철부에 기인해서 형성되는 복수의 오목 형상부는, 도 4에 도시한 바와 같이, 알루미늄 합금 부재의 두께 방향 단면에 있어서 이 두께 방향에 직교하고, 또한 요철부의 최고부를 통과하는 톱 라인과 최심부를 통과하는 보텀 라인 사이의 하프 라인에 있어서, 주사형 전자 현미경 관찰에 의해 측정된다. 그 개구 폭이 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하, 바람직하게는 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하, 보다 바람직하게는 1㎛ 이상 10㎛ 이하의 크기이며, 톱 라인부터보텀 라인까지의 깊이가 0.1㎛ 이상 100㎛ 이하, 바람직하게는 0.5㎛ 이상 50㎛ 이하의 크기인 것이 좋다.

이 오목 형상부의 개구 폭이 0.1㎛보다 좁으면, 수지 접합시에 용융 수지가 진입하기 어려워져 알루미늄 합금 부재와 수지 성형체의 계면에 미소한 공극이 발생하여 우수한 밀착 강도나 기밀성이 얻어지기 어려운 경우가 있고, 반대로, 30㎛보다 넓게 하고자 하면, 알루미늄 성형체의 표면 처리(에칭 처리)시에 용해 반응이 과잉 진행하여, 재료 표면의 결락 혹은 재료의 판 두께 감소량의 증대라는 문제가 발생하며, 재료 강도 부족인 제품이 발생해서 생산성 저하의 원인이 되는 경우가 있다. 또한, 깊이에 대해서도, 0.1㎛보다 얕으면, 충분한 수지 성형체의 감입부가 얻어지기 어려운 경우가 있고, 반대로, 30㎛보다 깊게 하고자 하면, 알루미늄 성형체의 표면 처리(에칭 처리)시에 용해 반응이 과잉으로 진행하여, 재료 표면의 결락 혹은 재료의 판 두께 감소량의 증대라는 문제가 발생하는 경우가 있다.

본 발명에 있어서, 알루미늄 합금 부재의 표면의 요철부에 기인해서 형성되는 복수의 오목 형상부의 밀도에 대해서는, 0.1mm 사방당 개구 폭 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하 및 깊이 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하의 범위 내의 1종 또는 2종 이상의 크기인 것이 5개 이상 200개 이하 정도의 범위로 존재하는 것이 좋다.

또한, 알루미늄 합금 부재의 복수의 오목 형상부는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 개구 테두리부의 일부분으로부터 개구 폭 방향 중심을 향해서 적설 형상으로 돌출된 돌출부를 갖는 오목 형상부[도 5의 (a) 참조]나, 개구 테두리부의 전체에서 개구 폭 방향 중심을 향해서 적설 형상으로 돌출된 돌출부를 갖는 오목 형상부[도 5의 (b) 참조]라도 좋지만, 내부에 오목 형상부가 더 형성된 이중 오목 형상부 구조를 갖는 오목 형상부[도 5의 (c) 참조], 또는 내부의 벽면에 내부 돌기부가 형성된 내부 요철 구조를 갖는 오목 형상부[도 5의 (d) 참조]인 것이 바람직하다. 또한, 이들 이중 오목 형상부 구조나 내부 요철 구조가 병존하고 있어도 좋다. 알루미늄 합금 부재의 복수의 오목 형상부의 일부 또는 전부에 있어서, 이러한 이중 오목 형상부 구조나 내부 요철 구조가 존재함으로써, 알루미늄 합금 부재의 오목 형상부와 수지 성형체의 감입부는 서로 더욱 견고하게 결합하여, 알루미늄 합금 부재와 수지 성형체 사이의 더욱 우수한 밀착 강도나 기밀성이 발휘된다.

이어서, 알루미늄 합금 부재의 수지 접합 표면에 원하는 요철부를 형성하는 방법에 대해서 설명한다.

구체적으로는, 알루미늄 합금재를 염산, 인산, 황산, 아세트산, 옥살산, 아스코르브산, 벤조산, 부티르산, 시트르산, 포름산, 락트산, 이소부틸산, 말산, 프로비온산, 타르타르산 등의 산 용액으로 이루어진 에칭액에 침지하고, 이 알루미늄 합금재의 표면에 소정의 요철부를 형성하는 에칭 처리 방법을 들 수 있다.

이 목적으로 사용되는 에칭액으로서는, 산 용액으로 하고, 산 농도 0.1 중량％ 이상 80 중량％ 이하, 바람직하게는 10 중량％ 이상 50 중량％ 이하의 염산 용액, 인산 용액, 희류산 용액, 아세트산 용액 등이나, 산 농도 0.1 중량％ 이상 30 중량％ 이하, 바람직하게는 10 중량％ 이상 20 중량％ 이하의 옥살산 용액 등을 들 수 있다.

또한, Al 주조용 합금에 있어서는 공정 α-Al의 용해를 더욱 촉진한다고 하는 목적에서, 이들 산 용액 중에 할로겐화물을 첨가해도 좋다. 할로겐화물로서는, 예를 들어 염화나트륨, 염화칼륨, 염화마그네슘, 염화알루미늄 등의 염화물이나, 불화칼슘 등의 불화물, 또한 브롬화칼륨 등의 브롬화물 등을 들 수 있다.

바람직하게는 안전성 등을 고려해서 염화물이며, 또한 에칭액 중에 있어서의 할로겐 이온 농도가, 0.1그램/리터(g/L) 이상 300g/L 이하, 바람직하게는 1g/L 이상 100g/L 이하인 것이 바람직하다. 0.1g/L 미만이라면 할로겐 이온의 효과가 작기 때문에, 공정 α-Al의 용해가 일어나기 어렵고, Si 결정의 돌출부를 갖는 오목 형상부가 형성되지 않는다는 문제가 발생하는 경우가 있으며, 300g/L를 초과하는 경우에는 알루미늄 성형체의 표면 처리(에칭 처리)시에 용해 반응이 급격하게 진행되기 때문에, 공정 α-Al의 선택 용해에 의해 형성되는 오목 형상부 및 Si 결정의 돌출부 제어가 곤란해진다고 하는 문제가 발생하는 경우가 있다.

또한, 본 발명에 있어서는, 알루미늄 합금 부재의 표면에 원하는 오목 형상부를 형성하기 위한 에칭액으로서, 질산이나 80 중량％를 초과하는 농도의 농황산 등의 산화력이 강한 산 용액이나 수산화나트륨이나 수산화칼륨 등의 알칼리 용액은 적당하지 않다. 농황산 등의 비교적 산화력이 강한 산 용액은, 알루미늄 합금에 대하여 피막 생성 능력을 갖고, 오히려 알루미늄 합금 부재의 표면에 견고한 산화 피막을 형성하여, 산화 피막의 용해가 곤란해진다.

본 발명에 있어서, 상기 에칭액을 사용해서 알루미늄 합금 부재의 표면을 에칭 처리할 때의 처리 조건에 대해서는, 사용하는 에칭액의 종류, 산 농도, 할로겐 이온 농도 등이나, 알루미늄 합금 부재에 형성해야 할 복수의 오목 형상부의 수나 크기 등에 따라서도 상이하다. 통상, 염산 용액의 경우에는 욕온 20℃ 이상 80℃ 이하에서, 침지 시간 1분간 이상 40분간 이하, 인산 용액의 경우에는 욕온 20℃ 이상 60℃ 이하에서 침지 시간 1분간 이상 60분간 이하, 황산 용액의 경우에는 욕온 20℃ 이상 70℃ 이하에서 침지 시간 1분간 이상 50분간 이하, 질산 수용액의 경우에는 욕온 20℃ 이상 60℃ 이하에서 침지 시간 1분간 이상 60분간 이하, 옥살산 용액의 경우에는 욕온 20℃ 이상 50℃ 이하에서 침지 시간 1분간 이상 20분간 이하, 아세트산 용액의 경우에는 욕온 20℃ 이상 80℃ 이하에서 침지 시간 1분간 이상 30분간 이하의 범위인 것이 좋다. 사용하는 에칭액의 산 농도나 욕온이 높을수록 에칭 처리의 효과가 현저해지고, 단시간 처리가 가능하게 되지만, 욕온에 대해서는, 20도 미만에서는 용해 속도가 늦기 때문에, 생산성이 나쁘고, 또한 80℃를 초과하는 욕온에서는 용해 반응이 급격하게 진행되어 제어가 곤란해진다. 침지 시간에 대해서는, 1분 미만에서는 용해의 제어가 어렵고, 반대로 60분을 초과하는 침지 시간에서는 생산성 저하의 원인이 된다.

본 발명에 있어서, 상기와 같이 알루미늄 합금재에 에칭 처리를 실시해서 오목 형상부를 갖는 알루미늄 합금 부재를 형성할 때, 필요에 따라, 이 에칭 처리 전의 알루미늄 합금재의 표면에, 탈지나 표면 조정, 표면 부착물·오염물 등의 제거를 목적으로 하고, 산 용액에 의한 산 처리 및/또는 알칼리 용액에 의한 알칼리 처리로 이루어진 전처리를 실시해도 좋다.

여기서, 이 전처리에 사용하는 산 용액으로서는, 예를 들어 시판되는 산성 탈지제로 제조한 것, 황산, 질산, 불산, 인산 등의 무기산이나 아세트산, 시트르산 등의 유기산이나, 이들 산을 혼합해서 얻어진 혼합 산 등의 산 시약을 사용해서 제조한 것 등을 사용할 수 있고, 또한 알칼리 용액으로서는, 예를 들어 시판되는 알칼리성 탈지제로 제조한 것, 가성 소다 등의 알칼리 시약으로 제조한 것, 또는 이들을 혼합해서 제조한 것 등을 사용할 수 있다.

상기 산 용액 및/또는 알칼리 용액을 사용해서 행하는 전처리의 조작 방법 및 처리 조건에 대해서는, 종래 이러한 종류의 산 용액 또는 알칼리 용액을 사용해서 행해지고 있는 전 처리의 조작 방법 및 처리 조건과 마찬가지라도 되고, 예를 들어 침지법, 스프레이법 등의 방법으로 행할 수 있다.

그리고, 알루미늄 합금재의 표면에 상기 전처리를 실시한 후나, 오목 형상부를 형성하기 위한 에칭 처리를 실시한 후에, 필요에 따라 수세 처리해도 좋고, 이 수세 처리에는 공업용수, 지하수, 수돗물, 이온 교환수 등을 사용할 수 있으며, 제조되는 알루미늄 합금 부재에 따라서 적절히 선택된다. 또한, 전 처리나 에칭 처리가 실시된 알루미늄 합금재에 대해서는, 필요에 따라 건조 처리되지만, 이 건조 처리에 대해서도, 실온에 방치하는 자연 건조도 좋고, 에어 블로우, 드라이어, 오븐 등을 사용해서 행하는 강제 건조도 좋다.

실시예

계속해서, 실제로, 표면 처리를 실시한 알루미늄 합금 부재에 수지 부재를 접합한 사례를 소개한다.

시험에는, 알루미늄 합금 부재로서, i) 두께 2mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 JISADC12 합금판과 ii) 두께 2mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 A5052 합금판의 2종류를 사용하고, 수지 부재로서, 두께 10mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 PBT(폴리부틸렌테레프탈레이트)를 사용했다. JISADC12 합금판은 다이캐스트 공법으로 제작했다. 또한, A5052 합금판은 A5052-H34이다. 접합 강도에 미치는 표면 상태의 영향을 조사하기 위해서, 알루미늄 합금 부재마다 표면 처리 방법을 바꾸어 5종류의 시험재를 준비했다.

5종류의 시험재의 제조 방법에 대해서는 후기한다.

그리고, 표면 처리를 실시한 시험재에 대해서는, 후술하는 방법으로 그 표면 상태를 관찰했다. 그 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

2종류의 알루미늄 합금 부재에 대하여 각각 5종류의 방법으로 처리한 시험재(전부 10장)를, 1매씩 PBT 위에 겹치고, 알루미늄 합금 시험재의 상방으로부터 레이저 광을 조사시켜, 알루미늄 합금 시험재와 PBT를 접합했다. 그 때, 표 3에 나타낸 바와 같이 레이저 용접 조건을 여러 가지 바꾸어 행하였다.

그리고, 각 알루미늄 합금 시험재와 PBT의 접합체에 대해서, 인장 전단 강도를 측정했다. 또한, 인장 전단 강도의 측정 방법도 후기한다.

접합 재의 인장 전단 강도(N/mm)의 측정 결과를 표 4에 나타낸다.

비교예인 에어 노즐식 블라스트 처리나 에칭 처리를 하지 않는 알루미늄 합금판(시험재 5)에서는, 모든 레이저 용접 조건에서 PBT와는 접합되지 않았다. 또한, 에어 노즐식 블라스트 처리재에서는 접합되는 것의 접합 강도가 낮다. 한편, 본 발명의 에칭 처리재는 비교예에 비하여 높은 접합 강도가 얻어지고 있다. 또한, 에어 노즐식 블라스트 처리와 에칭 처리를 조합함으로써, 가장 높은 접합 강도가 얻어졌다.

[시험재의 조정 방법]

상기 JISADC12 합금판과 A5052 합금판의 2종류의 알루미늄 합금판에 대하여, 각각 이하의 조건의 시험재 1 내지 5를 준비했다.

(시험재 1)

알루미늄 합금판을, 에어 노즐식 블라스트 처리에 의해 표면 거칠기를 Rz:40㎛로 조정한 후, 1.2 wt％ 염산 용액 중에 90g/L(염화물 이온 농도: 61g/L)의 염화알루미늄육수화물을 첨가해서 제조한 에칭액 중에 40℃에서 1분간 침지한 후에 수세하는 에칭 처리를 실시한 후, 120℃의 열풍으로 5분간 건조시켜, 알루미늄 합금 시험재 1로 했다.

(시험재 2)

알루미늄 합금판을, 에어 노즐식 블라스트 처리에 의해 표면 거칠기를 Rz:40로 조정한 후, 1.2 wt％ 염산 용액 중에 90g/L(염화물 이온 농도: 61g/L)의 염화알루미늄육수화물을 첨가해서 제조한 에칭액 중에 40℃에서 4분간 침지한 후에 수세하는 에칭 처리를 실시한 후, 120℃의 열풍으로 5분간 건조시켜, 알루미늄 주물 합금 시험재 2로 했다.

(시험재 3)

알루미늄 합금판을, 에어 노즐식 블라스트 처리에 의해 표면 거칠기를 Rz:40로 조정한 후에 수세하고, 그 후, 120℃의 열풍으로 5분간 건조시켜, 알루미늄 합금 시험재 3으로 했다.

(시험재 4)

알루미늄 합금판을, 블라스트 처리를 행하지 않고, 그대로 1.2 wt％ 염산 용액 중에 90g/L(염화물 이온 농도: 61g/L)의 염화알루미늄육수화물을 첨가해서 제조한 에칭액 중에 40℃에서 4분간 침지한 후에 수세하는 에칭 처리를 실시한 후, 120℃의 열풍으로 5분간 건조시켜, 알루미늄 합금 시험재 4로 했다.

(시험재 5)

알루미늄 합금판을, 블라스트 처리나 에칭 처리를 행하지 않고, 그대로 수세하고, 그 후 120℃의 열풍으로 5분간 건조시켜, 알루미늄 합금 시험재 5로 했다.

[각 시험재의 표면 관찰 방법]

JISADC12 합금판을 처리해서 얻어진 각 알루미늄 합금 시험재의 표면을, 주사형 전자 현미경(히타치제 FE-SEM, S-4500형태)을 사용해서 관찰하고, 실리콘 결정의 크기를 관찰하며, 또한 그 석출량을 중량법에 의해 측정했다. 또한, 석출량은, Al 합금 시험편 표면에 형성된 실리콘 결정을, 브러시를 사용해 깎아 낸 후, 채취한 결정 입자를, 0.1㎛ PC 멤브레인 필터를 사용한 중량법으로 계측했다.

또한, 2종류의 알루미늄 합금판으로 얻어진 각 알루미늄 합금 시험재에 대해서, 그 두께 방향 단면 중 어떤 영역의 단면을, 주사형 전자 현미경(히타치제 FE-SEM, S-4500형태)을 사용해서 배율 1000배로 관찰하고, 얻어진 단면 관찰 사진(측정 시야수 3)에 기초하여 이하와 같이 계측했다.

우선, 알루미늄 합금 시험재의 두께 방향 단면에 있어서 이 두께 방향에 직교하고, 또한 요철부의 최고부를 통과하는 톱 라인(TL)을 결정하며, 다음에 상기와 대강 마찬가지로, 알루미늄 합금 시험재의 두께 방향에 직교하고, 또한 요철부의 최심부를 통과하는 보텀 라인을 결정하며, 또한 톱 라인(TL)부터 보텀 라인(BL)에 대하여 수직 방향으로 선분을 긋고, 이 선분의 중간부를 통과하며, 또한 톱 라인(TL) 혹은 보텀 라인(BL)과 평행하게 그어진 하프 라인(HL) 상의 알루미늄 합금 시험재와 알루미늄 합금 시험재 사이에 존재하는 공극 간의 거리를 오목 형상부의 개구 폭(d)으로 하여(도 4 참조), 알루미늄 합금 시험재의 표면의 요철부에 기인해서 형성된 오목 형상부의 형상과 크기(개구 폭)를 관찰했다. 동일한 알루미늄 합금 시험재의 2시야에 대해서도 마찬가지로 관찰을 행하고, 계 3시야로부터 관찰된 모든 개구 폭에 대해서 전체 측정 점수로 나눈 값을 평균 개구 폭으로서 측정했다. 한편, 상기톱 라인(TL)부터 보텀 라인(BL)까지의 거리로 정의되는 오목 형상부의 깊이에 대해서도 마찬가지로 관찰하여 평균 깊이를 측정했다. 또한, 오목 형상부의 밀도에 대해서는, EDX에 의해 배율 1000배로 원소 맵핑 분석을 행하고, 미처리 경우와 비교하며, 알루미늄 원소의 형광 X선 강도가 낮은 영역을 오목 형상부라고 정의하여, 측정된 맵핑 사진에 대해서 화상 처리 소프트(ImageJ)를 사용해서 오목 형상부의 밀도를 측정했다.

표 1에 나타내는 수치는, 이들의 계측값을 나타내고 있다.

[인장 전단 강도의 측정 방법]

상기 5종류의 방법으로 처리한 두께 2mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 알루미늄 합금 시험재와, 두께 10mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 PBT(폴리부틸렌테레프탈레이트) 수지판을, 길이 방향으로 15mm씩 중첩되도록 세트하고, 알루미늄 합금 시험재의 상방으로부터 레이저 광을 조사시켜서 폭 방향으로 레이저 용접했다. 레이저 용접 후, 폭 100mm의 시험편의 단부로부터 30mm의 위치에서 폭 10mm로 절단 가공한 인장 시험편을 3개 채취하고, 이 인장 시험편에 대해서, 인장 시험기로 인장 시험을 행하여, 얻어진 하중 (N)을 시험편의 폭으로 나눈 값을 인장 전단 강도로 했다. 또한, 인장 속도는 8×10^-3m/초로 했다.

Claims

피접합 알루미늄 합금 부재에 에칭 처리, 또는 블라스트 처리와 에칭 처리를 실시하여 표면에 요철을 가진 요철부를 형성한 후, 당해 알루미늄 합금 부재의 한쪽 면과 수지 부재를 중첩하고, 그 후에, 상기 알루미늄 합금 부재의 다른 쪽 면에 레이저 광을 조사시켜서 알루미늄 합금 부재에 접하고 있는 수지 부재를 연화시켜 당해 수지로 상기 요철부를 충전하는 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법에 있어서,
피접합 알루미늄 합금 부재로서, 상기 에칭 처리, 또는 블라스트 처리와 에칭 처리에 의해 얻어진 요철부에 기인해서 복수의 오목 형상부가 형성된 알루미늄 합금 부재를 사용하고, 상기 오목 형상부는, 개구 폭이 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하의 크기인 동시에, 깊이가 0.1㎛ 이상 100㎛ 이하의 크기이며, 상기 개구 폭은, 당해 알루미늄 합금 부재의 두께 방향 단면에 있어서, 이 두께 방향에 직교하고, 또한 요철부의 최고부를 통과하는 톱 라인과 최심부(最深部)를 통과하는 보텀 라인 사이의 하프 라인에 있어서, 주사형 전자 현미경 관찰에 의해 측정된 것인, 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법.
피접합 알루미늄 합금 부재에 에칭 처리, 또는 블라스트 처리와 에칭 처리를 실시하여 표면에 요철을 가진 요철부를 형성한 후, 당해 알루미늄 합금 부재의 한쪽 면과 수지 부재를 중첩하고, 그 후에, 상기 알루미늄 합금 부재의 다른 쪽 면에 레이저 광을 조사시켜서 알루미늄 합금 부재에 접하고 있는 수지 부재를 연화시켜 당해 수지로 상기 요철부를 충전하는 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법에 있어서,
피접합 알루미늄 합금 부재가 Al-Si계 알루미늄 합금 부재로 이루어지고, 상기 에칭 처리, 또는 블라스트 처리와 에칭 처리에 의해 얻어진 요철부에 기인하여 복수의 오목 형상부가 표면의 일부 또는 전체면에 형성되어 있고, 상기 오목 형상부는, 개구 폭이 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하의 크기이며, 또한 내면에 공정 실리콘 결정으로 이루어지는 볼록부를 복수 갖고, 상기 개구 폭은, 당해 알루미늄 합금 부재의 두께 방향 단면에 있어서, 이 두께 방향에 직교하고, 또한 요철부의 최고부를 통과하는 톱 라인과 최심부를 통과하는 보텀 라인 사이의 하프 라인에 있어서, 주사형 전자 현미경 관찰에 의해 측정된 것이며, 또한 상기 공정 실리콘 결정으로 이루어지는 볼록부가 구 상당 입자 직경으로 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하의 크기를 갖는, 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법.
제2항에 있어, 상기 공정 실리콘 결정으로 이루어지는 볼록부는, 상기 오목 형상부 내면에 0.001g/m²이상 1g/m² 이하의 양으로 석출한 상태로 돌출하고 있고, 또한 상기 공정 실리콘 결정의 볼록부를 갖지 않는 개구 폭이 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하의 오목 형상부도 동시에 복수 존재하는, 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법.
피접합 알루미늄 합금 부재에 에칭 처리, 또는 블라스트 처리와 에칭 처리를 실시하여 표면에 요철을 가진 요철부를 형성한 후, 당해 알루미늄 합금 부재의 한쪽 면과 수지 부재를 중첩하고, 그 후에, 상기 알루미늄 합금 부재의 다른 쪽 면에 레이저 광을 조사시켜서 알루미늄 합금 부재에 접하고 있는 수지 부재를 연화시켜 당해 수지로 상기 요철부를 충전하는 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법에 있어서,
피접합 알루미늄 합금 부재에 에칭 처리를 실시할 때, 에칭액으로서, 할로겐 이온 농도를 0.1g/L 이상 300g/L 이하의 범위 내에서 포함하는 산 농도 0.1 중량％ 이상 80 중량％ 이하의 산 수용액이며, 산 수용액 중에 수용성 무기 할로겐 화합물을 첨가해서 제조된 것을 사용하는, 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 에칭 처리 전에 실시하는 블라스트 처리가, 에어 노즐 방식에 의해 실시되는, 알루미늄 합금 부재와 수지 부재의 레이저 접합 방법.
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