金属と樹脂のレーザ接合における接合面微細構造と接合強度の関係

摘要

自動車の軽量化に対する強い要求などを背景として異種材料接合が注目を集めている。各種の金属や樹脂を適材適所に用いるという意味でマルチマテリアルという用語がさかhに使われるようになり，とくにアルミニウム，チタン，マグネシウムなどの軽金属や炭素繊維強化樹脂(CFRP)が重要な材料として取り上げられている。金属と樹脂を直接接合する方法としてインサート成形などさまざまな技術が開発されている中で，レーザ加熱による接合法が筆者らや片山ら，水戸岡らなどによって考案されている。そのうち筆者らの方法の特徴は金属側の接合面に微細な凹凸構造を形成する前処理を行うことであり，これによりレーザ光吸収率が増大するとともにアンカー効果が発現することで異種材料の直接接合が実現している。とくに金属がアルミニウムの場合は前処理として陽極酸化が有効であり，細くて深い無数の微細孔に樹脂が流入して櫛の歯がかみ合うようにして強固な接合が達成されている。一方，片山らの方法の特徴は高出力のレーザを使用して樹脂が発泡する程度まで接合面を高温にすることであり，接合面の前処理を行わずに強固な接合が達成されている。また，水戸岡らは金属と樹脂の間にエラストマーを挟むことで接着剤のような機能をもたせている。金属と樹脂のレーザ接合はこのようにいくつかの方式に分類されるが，他の異種材料接合法と比較した場合のレーザ接合法の特徴は接合部のみを局所的に短時間に加熱できることである。その熱によって材料が軟化または溶融してアンカー効果が発現したり，化学結合が促進されたりすることで異種材料の接合が行われる。前工程で成形された部品の接合（組立て）に利用することが想定されるが，組立後の製品からみれば局所的な内部発熱であるため，外観に熱的損傷がなく，熱変形も小さいことが利点として挙げられる。アンカー効果を生じさせるために接合面を粗面化する方法として，化学的な表面処理法などさまざまな方法が考案されているが，その多くはインサート成形や接着剤などと共通するといえる。本稿では筆者らが行っているアルミニウムの陽極酸化を事例として，樹脂の局所的な軟化·溶融によるアンカー効果で大きな接合強度を得るための条件について紹介する。