金属部件与树脂部件的接合方法、以及利用该方法接合而成的金属部件与树脂部件的接合体

摘要

一种金属部件与树脂部件的接合方法，该金属部件与树脂部件的接合方法是使金属部件(11)与树脂部件(12)叠合，并利用按压部件(160)从金属部件侧局部地施加热和压力，由此使树脂部件软化、熔融后，再使软化、熔融的树脂部件硬化的热压式接合方法，其特征在于：将所述按压部件(160)按入所述金属部件(11)内，使该按压部件(160)进入到未抵达该金属部件与该树脂部件的接合界面(13)的深度，并且使该金属部件上的按压部件正下方部(110)往该树脂部件侧突出变形，从而使在接合界面处而且是在按压部件的正下方区域(60)中发生了熔融的该树脂部件表面上的熔融树脂(121)流至该正下方区域(60)的外周区域(61)。

说明书

技术领域

在此公开的技术涉及金属部件与树脂部件的接合方法、以及利用该方法接合而成的金属部件与树脂部件的接合体。

背景技术

迄今为止，在汽车、铁路车辆、飞机等领域，要求轻量化。例如，在汽车领域，通过使用高张力钢材料来使钢板减薄的作法正在推进，或者，使用铝合金来作为钢的代替材料，并且树脂材料的使用也正在推进。在这样的领域中，金属部件与树脂部件的接合技术的开发不只是对于车身的轻量化而言是重要的，从实现接合部件的高强度化、高刚性化以及生产性的提升这样的角度来看，上述接合技术也是重要的。至今为止，作为金属部件与树脂部件的接合方法，已提出了所谓的摩擦搅拌接合(FSW：friction stir welding)方法。摩擦搅拌接合方法是这样的方法；如图7所示，使金属部件211与树脂部件212叠合，并边使旋转工具216旋转边将该旋转工具216按压在金属部件211上来产生摩擦热，在利用该摩擦热来使树脂部件212熔融后，使熔融的树脂部件212硬化，从而将金属部件211与树脂部件212接合。在图7中，边使旋转工具216移动边进行连续接合，但是也可以不使该旋转工具216移动地进行点接合。

就这样的摩擦搅拌接合方法而言，基于例如接合强度和简易接合的观点而将旋转工具的形状、按入量设定在特定范围内的技术(专利文献1)已被公开。

专利文献1：日本公开专利公报特开2010-158885号公报

发明内容

－发明要解决的技术问题－

但是，在现有的摩擦搅拌接合方法中，由于旋转工具216按压金属部件211的按压力较小，因此如图8(A)和图8(B)所示，按入量也较小。因此，摩擦热不会充分地传导至树脂部件212，从而无法效率良好地使树脂部件212熔融，这成为使为了获得充分的接合强度而进行的作业的效率降低的原因。详细而言，在金属部件211与树脂部件212的接合界面213处，即使在树脂部件212上的、按压部件216正下方的正下方区域260发生了熔融，在该正下方区域260的外周区域261也几乎不会发生熔融，并且熔融物也几乎不会向外周区域261流动。即使在外周区域261发生了熔融，熔融的量也很少，因此有可能无法获得充分的接合强度。于是，为了获得充分的接合强度，可以想到延长按压时间的作法，但这会成为使为了完成接合而进行的作业的效率降低的原因。另一方面，还可以想到提高按压力这样的作法，但是有可能旋转工具很快就贯穿金属部件211和树脂部件212，从而无法进行接合。

在此公开的技术的目的在于提供一种金属部件与树脂部件的接合方法、以及利用该方法接合而成的金属部件与树脂部件的接合体，其中该接合方法能够以足够良好的作业效率和足够的强度将树脂部件与金属部件接合在一起。

－用以解决技术问题的技术方案－

在此公开的技术涉及一种金属部件与树脂部件的接合方法，该金属部件与树脂部件的接合方法是使金属部件与树脂部件叠合，并利用按压部件从该金属部件侧局部地施加热和压力，由此使该树脂部件软化、熔融后，再使软化、熔融的该树脂部件硬化的热压式接合方法。所述金属部件与树脂部件的接合方法的特征在于：包括按入工序，在该按入工序中，将所述按压部件按入所述金属部件内，使该按压部件进入到未抵达该金属部件与所述树脂部件的接合界面的深度，并且使该金属部件上的按压部件正下方部往该树脂部件侧突出变形，从而使在接合界面处而且是在该按压部件正下方的正下方区域中发生了熔融的该树脂部件表面上的熔融树脂流至该正下方区域的外周区域。

在此公开的技术还涉及一种金属部件与树脂部件的接合方法，其中该金属部件与树脂部件的接合方法是摩擦搅拌接合方法，并且包括第一步骤和第二步骤。在所述第一步骤中，使所述金属部件与所述树脂部件重合。在所述第二步骤中，边使旋转工具旋转，边将该旋转工具按压在所述金属部件上来产生摩擦热，在利用该摩擦热来使所述树脂部件软化、熔融后，再使软化、熔融的树脂部件硬化，从而将该金属部件与该树脂部件接合。所述金属部件与树脂部件的接合方法的特征在于：所述第二步骤包括按入搅拌工序，在该按入搅拌工序中，将所述旋转工具按入所述金属部件内，使该旋转工具进入到未抵达该金属部件与所述树脂部件的接合界面的深度，并且使该金属部件上的旋转工具正下方部往该树脂部件侧突出变形，从而使在接合界面处而且是在该旋转工具正下方的正下方区域中发生了熔融的该树脂部件表面上的熔融树脂流至该正下方区域的外周区域。

在此公开的技术还涉及一种金属部件与树脂部件的接合体，该金属部件与树脂部件的接合体是利用上述的金属部件与树脂部件的接合方法所接合而成的。

－发明的效果－

根据在此公开的接合方法，能够在足够良好的作业效率下，以足够的强度来将树脂部件与金属部件接合在一起。

附图说明

图1是示出摩擦搅拌接合装置的部分结构的一个例子的示意图，该摩擦搅拌接合装置适合用来实施金属部件与树脂部件的接合方法。

图2是在本实施方式的接合方法中使用的旋转工具的一个例子的前端部的放大图。

图3是用来说明本实施方式的接合方法中的预热工序的剖视简图。

图4(A)是用来说明本实施方式的接合方法中的按入搅拌工序、搅拌维持工序和保持工序的剖视简图，图4(B)是示意简图，其示出在透视金属部件的情况下从上方观察图4(A)时看到的树脂部件的表面状态。

图5(A)是利用本实施方式的接合方法获得的接合体的剖视简图，图5(B)是示意简图，其示出将金属部件从图5(A)中的接合体上强制地剥离下来时的树脂部件的表面状态。

图6是用来说明实施例中的接合强度的测量方法的简图。

图7是用来说明以往技术中的金属部件与树脂部件的接合方法的示意简图。

图8(A)是用来说明以往技术中的金属部件与树脂部件的接合方法的剖视简图，图8(B)是示意简图，其示出在透视金属部件的情况下从上方观察图8(A)时看到的树脂部件的表面状态。

具体实施方式

本实施方式的接合方法是热压式接合方法，即：使金属部件与树脂部件叠合，并利用按压部件从金属部件侧局部地施加热和压力，由此使树脂部件软化、熔融后，再使熔融的树脂部件硬化，从而将金属部件与树脂部件接合。接合方法中采用的接合方式没有特别的限制，只要是利用按压部件从金属部件侧局部地施加热和压力的方法即可，例如也可以是摩擦搅拌接合方法、超音波加热接合方法等。优选的是采用摩擦搅拌接合方法。

摩擦搅拌接合方法是利用边使旋转工具旋转边将旋转工具按压在金属部件上而产生的摩擦热进行接合的接合方法，详细情况后述。

超音波加热接合是边从金属部件侧加压，边在金属部件上引发超音波振动，并利用由该振动产生的金属部件与树脂部件之间的摩擦热进行接合的接合方法。

以下，使用附图来说明采用了摩擦搅拌接合方法的本实施方式的接合方法。显然可知的是，除了下述事项以外，超音波加热接合方法的说明与以下的说明相同，而且在该超音波加热接合方法中也能够获得摩擦搅拌接合方法下的本实施方式的效果。

·不利用旋转工具来加压和加热，取而代之的是利用按压部件来加压并且使按压部件振动来加热；以及

·使用按压部件的宽度尺寸来取代旋转工具的直径。

[利用摩擦搅拌接合方法进行的金属部件与树脂部件的接合方法]

利用图1～图5来具体的说明本实施方式的接合方法(摩擦搅拌接合方法)。图1是示出摩擦搅拌接合装置的部分结构的一个例子的示意图，该摩擦搅拌接合装置适合用来实施本实施方式所涉及的金属部件与树脂部件的接合方法。图2是本实施方式的接合方法中使用的旋转工具的一个例子的前端部的放大图。图3是用来说明本实施方式的接合方法中的预热工序的剖视简图。图4(A)是用来说明本实施方式的接合方法中的按入搅拌工序、搅拌维持工序和保持工序的剖视简图，图4(B)是示意简图，其示出在透视金属部件的情况下从上方观察图4(A)时看到的树脂部件的表面状态。图5(A)是利用本实施方式的接合方法获得的接合体的剖视简图，图5(B)是示意简图，其示出将金属部件从图5(A)中的接合体上强制地剥离下来时的树脂部件的表面状态。在这些图中，相同的附图标记示出相同的部件。

(1)接合装置

首先，图1是示意地示出摩擦搅拌接合装置的部分结构的一个例子，该摩擦搅拌接合装置适合用来实施本实施方式的接合方法。图1中示出的摩擦搅拌接合装置1构成为用来将金属部件11与树脂部件12摩擦搅拌接合的装置，摩擦搅拌接合装置1具备圆柱状的旋转工具16。如图中所示，对于以金属部件11位于上方、树脂部件12位于下方的方式使金属部件11与树脂部件12叠合而成的工件10，旋转工具16一边被未图示的驱动源驱动而如箭头A1所示那样绕着该旋转工具16的中心轴线X(参照图2)旋转，一边在按压区域P(按压预定区域)中如箭头A2所示那样朝下方按压金属部件11。通过该旋转工具16的按压产生摩擦热，该摩擦热传导至树脂部件12，从而树脂部件12软化、熔融后，通过进行冷却来使软化、熔融的树脂部件12硬化。其结果是，金属部件11与树脂部件12接合在一起。

图2是旋转工具16的前端部的放大图。在图2中，右半边示出旋转工具16的外观，左半边示出旋转工具16的截面。如图2所示，圆柱状旋转工具16在前端部(在图2中为下端部)具有销部16a和肩部16b。肩部16b是包括旋转工具16的圆形前端面的、旋转工具16的前端部分。销部16a是在旋转工具16的中心轴线X上从旋转工具16的圆形前端面朝外侧(在图2中为下侧)突设的、直径比肩部16b的直径小的圆柱状部分。在刚开始使旋转中的旋转工具16与工件10接触而按压在工件10上时，销部16a用来使旋转工具16定位。

旋转工具16的材料和各部位的尺寸主要根据旋转工具16所按压的金属部件11的金属种类来设定。例如，在金属部件11由铝合金制成的情况下，旋转工具16由工具钢(例如SKD61等)制成，肩部16b的直径D1被设定为10mm，销部16a的直径D2被设定为2mm，销部16a的突出长度h被设定为0.5mm。此外，在例如金属部件11由钢制成的情况下，旋转工具16由氮化硅、PCBN(聚晶立方氮化硼烧结体)等制成，肩部16b的直径D1被设定为10mm，销部16a的直径D2被设定为3mm，销部16a的突出长度h被设定为0.5mm。当然，这些说明仅是示例，本发明不受限于这些说明。例如，肩部16b的直径D1通常为5～30mm，优选的是5～15mm，但不限于此。

在旋转工具16的下方布置有直径与旋转工具16的直径相等或大于旋转工具16的直径的圆柱状托件17，该托件17与旋转工具16同轴地布置着。相对于上述工件10，托件17受未图示的驱动源驱动而如箭头A3所示朝上方移动。最迟在旋转工具16开始按压工件10之前，托件17的上端面抵接在工件10的下表面(更详细而言是树脂部件12的下表面)上。而且，托件17将工件10夹在其与旋转工具16之间，在旋转工具16进行按压的按压期间中，也就是说摩擦搅拌接合中，托件17抵抗上述按压力，从工件10的下方支承该工件10。需要说明的是，不是一定要使托件17朝箭头A3方向移动，也可以采用将工件10搁放在托件17上，然后使旋转工具16朝箭头A2的方向移动的方法。

摩擦搅拌接合装置1安装在由多关节机器人等构成的、未图示的驱动控制装置上。而且，由上述驱动控制装置适当地控制旋转工具16和托件17的座标位置、旋转工具16的转速(rpm)、加压力(N)、加压时间(秒)等。需要说明的是，摩擦搅拌接合装置1具备隔离部件、夹钳等夹具，它们用来预先将工件10固定，并且防止在利用旋转工具16进行按压时金属部件11浮起的状况，但在图1中省略了图示。

(2)接合方法

本实施方式所涉及的接合方法至少包括以下步骤。

使金属部件11与树脂部件12叠合的第一步骤；以及

边使旋转工具16旋转，边将该旋转工具16按压在金属部件11上来产生摩擦热，在利用该摩擦热来使树脂部件12软化、熔融后，再使软化、熔融的树脂部件12硬化，从而将金属部件11与树脂部件12接合的第二步骤。

需要说明的是，将在第一步骤中获得的、金属部件11与树脂部件12叠合而成的部件称为“工件”10。

第一步骤：

在第一步骤中，如图1所示，根据希望的接合部位使金属部件11与树脂部件12叠合。

第二步骤：

在第二步骤中，至少进行按入搅拌工序C2，在该按入搅拌工序C2中，将旋转工具16按入金属部件11内，使旋转工具16前进到未抵达金属部件11与树脂部件12的接合界面13的深度，并且使金属部件11上的、旋转工具16正下方的旋转工具正下方部110往树脂部件侧突出变形。

在本实施方式中，在第二步骤中，优选在按入搅拌工序之前进行预热工序C1，但该预热工序C1不是一定要进行，在该预热工序C1中，在只使旋转工具16的前端部与金属部件11的表面部接触的状态下使上述旋转工具16旋转。

在按入搅拌工序后，优选进行搅拌维持工序C3，但该工序不是一定要进行，在该搅拌维持工序C3中，使该旋转工具16在前进到未抵达接合界面13的深度的位置处继续进行旋转动作。

以下，详细说明各工序。

(预热工序C1)

预热工序C1是这样的工序：通过使旋转工具16与托件17相互接近，从而如图3所示，在只使旋转工具16的前端部与金属部件11的表面部(在图示的例子中为上表面部)接触的状态下使旋转工具16旋转。在预热工序C1中，使旋转工具16在第一加压力(例如900N)下以规定转速(例如3000rpm)旋转第一加压时间(例如1.00秒)。

具体而言，在预热工序C1中，通过旋转工具16的按压在金属部件11的表面部(在图示的例子中为上表面部)产生摩擦热。摩擦热传导至金属部件11的内部，从而金属部件11的上述按压区域P的范围以及上述按压区域P附近的范围被预热。这样一来，在接下来的按入搅拌工序C2中，就能够容易地将旋转工具16按入金属部件11。

在预热工序C1中，摩擦热还经由金属部件11与树脂部件12的接合界面13传导至树脂部件12。摩擦热传导至树脂部件12的内部，树脂部件12上的、上述按压区域P正下方的区域60的范围以及该区域60附近的范围被预热。这样一来，在接下来的按入搅拌工序C2中，树脂部件12就变得容易软化、熔融。

预热工序C1的第一加压力和第一加压时间是基于如上所述的使旋转工具16容易按入的观点、以及使树脂部件12容易软化、熔融和生产性的观点来设定的，该第一加压力和该第一加压时间的数值取决于例如旋转工具16的转速、金属部件11的厚度和材料的种类等而发生变化。例如，在使用厚度大于等于1mm小于等于2mm的铝合金制金属部件11的情况下，优选预热工序C1中的第一加压力大于等于700N小于1200N。优选第一加压时间大于等于0.5秒小于2.0秒。优选旋转工具的转速大于等于2000rpm小于等于4000rpm。

(按入搅拌工序C2)

在按入搅拌工序C2中，通过使旋转工具16与托件17相互接近，从而如图4(A)所示那样，将旋转工具16按入金属部件11内。在预热工序C1后接着进行按入搅拌工序C2的情况下，通过使旋转工具16与托件17进一步相互接近，从而如图4所示那样，将旋转工具16按入金属部件11内。由此，使旋转工具16前进到未抵达金属部件11与树脂部件12的接合界面13的深度，并且使金属部件11上的旋转工具正下方部110往树脂部件12侧突出变形。由此，对于在接合界面13处而且是在旋转工具16正下方的区域(上述区域60)中发生了熔融的树脂部件表面上的熔融树脂121，促进其熔融以及往该区域60的外周区域61的流动。

详细而言，在按入搅拌工序C2中，使旋转工具16在比第一加压力大的第二加压力(例如1500N)下以规定转速(例如3000rpm)旋转比第一加压时间短的第二加压时间(例如0.25秒)。

在按入搅拌工序C2中，加压力大于预热工序C1中的加压力，由此旋转工具16被按入金属部件11内。也就是说，旋转工具16较深地进入到金属部件11的内部。通过按入该旋转工具16，在金属部件11上的旋转工具正下方部110，金属部件11与树脂部件12的接合界面13往托件17侧(在图示的例子中为下侧)移动，该正下方部110往树脂部件12侧突出变形。由此，在接合界面13处而且是在旋转工具16正下方的区域60中发生了熔融的树脂部件表面上的熔融树脂121的熔融得以促进，并且熔融树脂121越过该区域60流至该区域60的外周区域61。例如图4(B)所示那样，熔融树脂扩散成以旋转工具正下方的区域60为中心的大致圆形。其结果是，熔融树脂与金属部件11的接触面积扩大，在获得的接合体中，熔融树脂通过冷却而硬化成的熔融硬化区域(接合区域)也扩大，因此能够以足够良好的作业效率和足够的强度来将树脂部件12与金属部件11接合在一起。在此示出的熔融硬化区域(接合区域)包括树脂部件12在外周区域61上接触的金属表面被加热，从而树脂部件12直接发生了熔融的区域。

如果旋转工具16再进一步被按入(也就是说如果加压力过高和/或加压时间过长)，旋转工具16的肩部16b就会超过上述接合界面13。也就是说，旋转工具16贯穿金属部件11，旋转工具16的外周部与树脂部件12接触。这样一来，就会成为在金属部件11上形成有旋转工具16通过的孔的开孔状态，从而出现接合不良的问题。

于是，在本实施方式中，在该按入搅拌工序C2中，在旋转工具16的肩部16b进入到未抵达上述接合界面13的深度的时间点，就停止按入旋转工具16。换句话说，使旋转工具16进入到未抵达上述接合界面13的深度。由此，在接下来的搅拌维持工序C3中，就会在靠近树脂部件12的基准位置产生摩擦热，大量的摩擦热传导至树脂部件12，树脂部件12的软化、熔融得以促进。

当设金属部件11的厚度为T(mm)时，在按入搅拌工序C2中达成的旋转工具16的按入深度d(参照图4(A))通常为0.5T～0.9T，优选为0.5T～0.7T。如果按入深度d太小，则金属部件11上的旋转工具正下方部110不会发生突出变形，或者即使发生了突出变形，该突出变形也会是微小的变形，因此熔融树脂与金属部件11的接触面积不会充分地扩大，从而无法得到希望的接合强度。需要说明的是，能够从最终获得的接合体20的剖面照片容易地测量得到按入深度d。在本说明书中，剖面是指通过旋转工具痕迹16’(参照图5(A))的、与金属部件11垂直的垂直剖面。

按入搅拌工序C2中的第二加压力和第二加压时间是根据如上所述的回避金属部件11的开孔的观点、以及尽量使旋转工具16靠近树脂部件12的观点来设定的，第二加压力和第二加压时间的数值取决于例如旋转工具16的转速、金属部件11的厚度和材料的种类等而发生变化。例如，在使用厚度大于等于1mm小于等于2mm的铝合金制金属部件11的情况下，优选按入搅拌工序C2中的第二加压力的数值大于等于1200N小于1800N。优选第二加压时间大于等于0.1秒小于0.5秒。优选旋转工具16的转速大于等于2000rpm小于等于4000rpm。

(搅拌维持工序C3)

搅拌维持工序C3是这样的工序：使旋转工具16与托件17停止相互接近，从而亦如图4所示那样，使旋转工具16在进入到未抵达上述接合界面13的深度的位置(将该位置称为“基准位置”)处继续进行旋转动作。在搅拌维持工序C3中，使旋转工具16在比第一加压力小的第三加压力(例如500N)下以规定转速(例如3000rpm)旋转比第一加压时间长的第三加压时间(例如5.75秒)。

在搅拌维持工序C3中，加压力变得小于预热工序C1中的加压力(当然变得小于按入搅拌工序C2中的加压力)，从而旋转工具16几乎被维持在上述基准位置。由于旋转工具16在靠近该树脂部件12的基准位置处继续进行旋转动作，因此会产生大量的摩擦热，产生的摩擦热中的大部分摩擦热会往树脂部件12传导。由此，越过上述按压区域P正下方的区域60的范围，在较广的范围中树脂部件12充分地软化、熔融。

搅拌维持工序C3中的第三加压力和第三加压时间是基于如上所述的在较广的范围中使树脂部件12充分软化、熔融以及生产性的观点来设定的，第三加压力和第三加压时间的数值取决于例如旋转工具16的转速、金属部件11的厚度和材料的种类等而发生变化。例如，在使用厚度大于等于1mm小于等于2mm的铝合金制金属部件11的情况下，优选搅拌维持工序C3中的第三加压力大于等于100N小于700N。优选第三加压时间大于等于1.0秒小于20秒，特别优选大于等于3.0秒小于等于10秒。优选旋转工具16的转速大于等于2000rpm小于等于4000rpm。

(保持工序C4)

也可以在搅拌维持工序C3后接着进行保持工序C4，在该保持工序C4中，使上述旋转工具16停止旋转，并在该状态下，在规定的加压力下将上述旋转工具16保持规定的加压时间。

保持工序C4是这样的工序：亦如图4所示那样，使旋转工具16停止旋转，并在该状态下，在规定的加压力下将旋转工具16保持规定的时间。在保持工序C4中，在比第三加压力大但比第二加压力小的第四加压力(例如1000N)下将旋转工具16保持比第三加压时间短但比第二加压时间长的第四加压时间(例如5.00秒)。

在保持工序C4中，旋转工具16停止旋转，从而结束产生摩擦热。也就是说，作为摩擦搅拌接合的实质上的动作结束，工件10开始冷却。在工件10的冷却期间中，加压力比按入搅拌工序C2中的加压力小，但比搅拌维持工序C3中的加压力大，从而已停止进行旋转的旋转工具16将金属部件11和树脂部件12夹紧在其与托件17之间。这样一来，在冷却期间中的、金属部件11与树脂部件12间的紧密接合力得以提高，从而得以提高冷却、硬化结束后的接合强度。

保持工序C4中的第四加压力和第四加压时间是根据如上所述的提高冷却期间中的按压区域P的紧密接合力的观点来设定的，第四加压力和第四加压时间的数值取决于例如金属部件11的材料的种类等而发生变化。例如，在使用铝合金制金属部件11的情况下，优选保持工序C4中的第四加压力例如大于等于700N小于1200N。优选第四加压时间例如大于等于1秒。

在本实施方式中，至少经由所述工序C2、优选经由所述工序C1和C2、更优选经由所述工序C1～C3、根据需求再经由工序C4而最终如图5(A)所示，获得金属部件11与树脂部件12在较广的范围中高强度地接合而成的、金属部件11与树脂部件12的接合体20。

在第二步骤中进行了规定的工序后，通常进行冷却，使熔融树脂硬化。冷却方法没有特别的限制，例如能够举出放置冷却法、空气冷却法等。

以上，说明了不使旋转工具在金属部件的接触面上沿着面方向连续地移动，而是点状地进行金属部件与树脂部件的接合的情况(点接合)，但显然可知的是，在边使旋转工具沿着上述面方向连续地移动，边线状地进行金属部件与树脂部件的接合的情况(线接合)下，也能够获得本实施方式的效果。

(3)接合体

就利用本实施方式的接合方法接合而成的、金属部件11与树脂部件12的接合体20而言，金属部件11与树脂部件12是在接合界面13处的、树脂部件12上的旋转工具16正下方的区域60和其外周区域61中接合在一起的。这能够通过对熔融树脂硬化成的熔融硬化区域在接合体20的接合界面13上扩展成以旋转工具16正下方的区域60为中心的大致圆形这一情况进行确认来检测。

具体而言，若将金属部件11强制地从接合体20上剥离下来，则能够观察到例如图5(B)所示那样的、树脂部件12上的与金属部件11接触的接触面12a。在这样的树脂部件12上的接触面12a中，熔融硬化区域是由位于旋转工具16正下方的区域60的树脂熔融区域121A(斜线区域)、以及位于该旋转工具16正下方的区域60的外周区域61的熔融树脂流动区域121B(格线区域)构成的。

在树脂熔融区域121A的表面上形成有直径与旋转工具16的直径相等的凹陷形状，该凹陷形状是由金属部件11的突出变形所造成的。此外，由于金属部件11表面上的微小形状会转印到树脂熔融区域121A的表面上，而且根据接合强度有时候会发生变色，因此能够通过与原本的树脂部件12的表面性状(表面粗糙度、颜色等)进行比较，从而容易地利用目测来识别出该树脂熔融区域121A。这里所做的单纯是与树脂部件12的表面性状之间的比较，本发明中不特别对于会因为树脂种类、成形方法而出现明显差异的表面粗糙度、颜色做出规定。此外，就利用连续纤维强化了的树脂部件12来说，会有这样的情况：发生了熔融的表面附近的树脂成分从树脂熔融区域121A被排向熔融树脂流动区域121B侧，从而成为在树脂熔融区域121A的表面上几乎只有强化用连续纤维露出的状态。

由于金属部件11表面上的微小形状会转印到熔融树脂流动区域121B的表面上，而且根据接合强度有时候会发生变色，因此能够通过与原本的树脂部件12的表面性状(表面粗糙度、颜色等)进行比较，从而容易地以目测的方式识别出该熔融树脂流动区域121B。这里所做的单纯是与树脂部件12的表面性状之间的比较，本发明中不特别对于会因为树脂种类、成形方法而出现明显差异的表面粗糙度、颜色做出规定。该熔融树脂流动区域121B不只包括从树脂熔融区域121A流过来的熔融树脂所构成的区域，还包括因为树脂所接触的金属表面被加热，从而在外周区域61上树脂直接发生熔融而构成的区域。

就在树脂部件12上的与金属部件11接触的接触面12a而言，未发生熔融的区域122只是因为受到加压而与金属部件11的表面紧密接合，在剥离后仍然保留有原本的树脂部件12的表面性状(表面粗糙度、颜色等)。因此，如上所述，能够通过目测的方式容易地判断出表面性状与原本的树脂部件12明显不同的熔融树脂流动区域121B与该区域122之间的差异。

当设熔融硬化区域(121A、121B)的最大直径为R(mm)、旋转工具16的直径为D1(mm)时，本实施方式的接合体20满足以下的关系：

1＜R/D1≤9；

优选的是1.5≤R/D1≤7；

更优选的是2≤R/D1≤5。

一旦R/D1太小，接合强度就不充分。此外，如果使R/D1变大，就会导致接合时间增长(生产性降低)，有时也会出现熔融树脂从熔融树脂可流动范围(例如施工的凸缘宽度)往外流，从而产生毛刺的问题。因此，重要的是根据施工部位的必要强度和环境来将R/D1调整到适当的范围。需要说明的是，熔融硬化区域(121A、121B)的最大直径通常是熔融树脂流动区域121B的最大直径。

能够通过以上述那样的方法来观察树脂部件12上的与金属部件11接触的接触面12a来容易地测量熔融硬化区域(121A、121B)的直径R。

本实施方式的接合体20还在金属部件11上的与树脂部件12接触的接触面上具有突出部110A。当设金属部件11的厚度为T(mm)时，突出部110A的高度k(参照图5(A))通常为0.2T～1.0T，优选为0.3T～0.8T。

(4)树脂部件

在本实施方式的接合方法中使用的树脂部件12是由热塑性聚合物构成的。作为构成树脂部件12的热塑性聚合物，能够使用具有热塑性的任何聚合物。其中又优选使用在汽车领域中使用的热塑性聚合物。作为这种热塑性聚合物的具体例，例如能够举出以下的聚合物和它们的混合物：

聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃系树脂和其酸改性物；

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚乳酸(PLA)等聚酯系树脂；

聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)等聚丙烯酸酯系树脂；

聚醚醚酮(PEEK)、聚苯醚(PPE)等聚醚系树脂；

聚缩醛(POM)；

聚苯硫醚(PPS)；

PA6、PA66、PA11、PA12、PA6T、PA9T、MXD6等聚酰胺系树脂(PA)；

聚碳酸酯系树脂(PC)；

聚氨酯系树脂；

氟系聚合物树脂；以及

液晶聚合物(LCP)。

作为构成树脂部件12的热塑性聚合物，优选使用廉价且机械特性良好的聚烯烃系树脂。从提高接合强度的观点来看，优选使用羧酸改性聚烯烃系树脂。从同时做到进一步提高树脂部件12本身的强度和提高接合强度的观点来看，优选混合使用羧酸改性聚烯烃系树脂和未改性聚烯烃系树脂。优选羧酸改性聚烯烃系树脂和未改性聚烯烃系树脂的配合比例按重量比计为15/85～45/55，特别优选为20/80～40/60。

羧酸改性聚烯烃系树脂是在聚烯烃分子链的主链和/或支链上引入了羧基的聚合物。作为羧酸改性聚烯烃，优选使用在聚烯烃的主链上接枝有不饱和羧酸的接枝共聚物。

构成羧酸改性聚烯烃系树脂的聚烯烃是选自由乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、己烯、庚烯、辛烯等α-烯烃组成的组的一种以上的烯烃单体的均聚物或共聚物、或者它们的混合物。优选聚烯烃为聚丙烯。

作为构成羧酸改性聚烯烃系树脂的不饱和羧酸，使用丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、富马酸、马来酸、顺丁烯二酸酐或它们的混合物。优选的不饱和羧酸是马来酸、顺丁烯二酸酐或它们的混合物，更优选的是顺丁烯二酸酐。

羧酸改性聚烯烃的改性量没有特别的限制，优选为0.01～1％。

改性量是作为不饱和羧酸相对于整体聚合物的重量比例计算得到的值。

羧酸改性聚烯烃系树脂的分子量没有特别的限制，例如优选使用在230℃下的MFR(熔体流动速率值)为2.0克/10分钟以上、特别优选使用在230℃下的MFR为5.0克/10分钟以上的羧酸改性聚烯烃。

在本说明书中，聚合物的MFR使用根据JIS K 7210测量得到的值。

能够取得的羧酸改性聚烯烃系树脂例如有市面上出售的MODICP565(三菱化学公司制)、MODICP553A(三菱化学公司制)。

作为未改性聚烯烃系树脂，使用与作为构成羧酸改性聚烯烃系树脂的聚烯烃进行了说明的聚合物同样的聚合物。优选的未改性聚烯烃是聚丙烯。

未改性聚烯烃的分子量没有特别的限制，例如优选使用在230℃下的MFR(熔体流动速率值)为2～200克/10分钟、特别优选使用在230℃下的MFR为2～55克/10分钟的未改性聚烯烃。

能够取得的未改性聚烯烃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)。

作为优选的羧酸改性聚烯烃系树脂/未改性聚烯烃系树脂的优选组合的具体例，能够举出的例如有以下的组合：

羧酸改性聚丙烯/均聚聚丙烯。

以上，对具有大致平板形的整体形状的树脂部件12进行了说明，但本发明不限于此，只要在为了进行接合而与金属部件11叠合时，位于金属部件11正下方的部分呈大致平板形，树脂部件12可以是任何形状。

树脂部件12上的、金属部件11正下方的部分的厚度t(接合处理前的厚度；参照图3)通常为2～5mm，但不限于此。

树脂部件12中可以含有强化用纤维材料、稳定剂、阻燃剂、着色材、发泡剂等其它希望的添加剂，其中特别优选含有强化用纤维材料。这是因为接合界面13处的树脂部件12的熔融效率会提高，其结果是为了获得充分的接合强度而进行的作业的效率会进一步提高。

强化用纤维材料的含量没有特别的限制，相对于构成树脂部件12的热塑性聚合物100重量份，优选强化用纤维材料为1～400重量份，特别优选为1～150重量份。

(5)金属部件

在图1等中，金属部件11具有大致平板形的整体形状，但本发明不限于此，只要为了进行接合而与树脂部件12叠合的部分至少呈大致平板形，金属部件11可以是任何形状。

金属部件11上的与树脂部件12叠合的大致平板形部分的厚度T(接合处理前的厚度；参照图3)通常为0.5～4mm。

作为构成金属部件11的金属，能够使用熔点高于构成树脂部件12的热塑性聚合物的熔点的任何金属。其中又优选使用在汽车领域中使用的以下的金属和合金：

铝；

5000系列、6000系列等的铝合金；

钢；

镁和其合金；

钛和其合金。

【实施例】

[实施例1A]

(树脂部件)

作为聚合物A使用了顺丁烯二酸酐改性聚丙烯(MFR5.7)。改性量约为0.5％。

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

使用聚合物A和B，利用射出成形法制造了尺寸为纵向长度100mm×横向长度30mm×厚度3mm的树脂部件12。详细而言，将50重量份的聚合物A和50重量份的聚合物B加热到230℃，得到混合熔融物。以50mm/秒的射出速度将混合熔融物注射到温度调节为40℃的模具内，然后使其冷却、硬化，得到树脂部件12。

(金属部件)

作为金属部件，使用了6000牌号的铝合金制的平板状部件(厚度1.2mm)。

(旋转工具)

作为旋转工具16，使用了图2中的各部位的尺寸为D1＝10mm、D2＝2mm、h＝0.5mm的工具钢制旋转工具。

(接合方法)

利用以下的方法，制造了金属部件11与树脂部件12的接合体。

第一步骤：

使金属部件11的端部与树脂部件12的端部如图1所示那样叠合。

第二步骤：

如图3所示，在只使旋转工具16的前端部与金属部件11的表面部接触的状态下使旋转工具16进行了旋转(预热工序C1：加压力900N，加压时间1.00秒，工具转速3000rpm)。

接着，如图4所示，将旋转工具16按入金属部件11内，使旋转工具16进入到未抵达金属部件11与树脂部件12的接合界面13的深度(按入搅拌工序C2：加压力1500N，加压时间0.25秒，工具转速3000rpm)。

接着，如图4所示，使旋转工具16在进入到未抵达接合界面13的深度的位置处继续进行了旋转动作(搅拌维持工序C3：加压力500N，加压时间0.75秒，工具转速3000rpm)。

接着，如图5(A)所示，将旋转工具16从接合体20中拔出，对接合体20进行了放置冷却。

(接合强度)

如图6所示，将金属部件11与树脂部件12的接合体布置在夹具100内。夹具100构成为：通过将该夹具100往下方拉，从而朝向下方的力作用在树脂部件12的上端部。将夹具100固定，并且将金属部件11往上方拉，从而朝向下方的力作用在树脂部件12的上端部，由此在不受到树脂部件12的母材强度的影响的状况下测量了接合部的抗剪强度。

(其它测量)

利用前述的方法测量熔融硬化区域的直径R，计算出了R/D1。

利用前述的方法测量了按入深度d，计算出了d/T。

利用前述的方法测量突出部高度k，计算出了k/T。

[其它实施例和比较例]

如表中记载那样变更了工序条件，除此以外，按照与实施例1A同样的方法制造了树脂部件并进行了评价。

【表1】

就实施例1A～6A来说，相对于接合时间，熔融硬化区域明显变宽，树脂部件与金属部件以足够的强度和足够良好的作业效率被接合在一起。

就比较例1A～6A来说，相对于接合时间，熔融硬化区域较狭窄。

就比较例3B来说，工具很快就往树脂侧贯穿，从而无法进行接合。

－产业实用性－

在此公开的接合方法对于汽车、铁路车辆、飞机、家电产品等领域中的金属部件与树脂部件的接合是有用的。

－符号说明－

1：摩擦搅拌接合装置

10：工件

11：金属部件

12：树脂部件

13：金属部件与树脂部件的接合界面

16：旋转工具

17：托件

20：接合体

60：旋转工具的正下方区域

61：旋转工具正下方区域的外周区域

100：用于测量接合强度的夹具

110：金属部件上的旋转工具正下方部

121：在接合界面处而且是在旋转工具的正下方区域中发生了熔融的熔融树脂

121A：构成熔融树脂硬化而成的熔融硬化区域的树脂熔融区域

121B：构成熔融树脂硬化而成的熔融硬化区域的熔融树脂流动区域

P：金属部件表面上的、被旋转工具按压的按压区域(按压预定区域)