Elucidation of laser direct joining mechanism between thermoplastic engineering plastic and metal

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K14147
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 川人 洋介 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (70379105)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川上 博士 三重大学, 工学研究科, 准教授 (00252338) ; 西本 浩司 阿南工業高等専門学校, 創造技術工学科, 准教授 (40501169) ; Dino Wilson 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60379146)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: レーザ / 樹脂 / 金属 / 接合 / 酸化皮膜 / 熱可塑性 / ナノ / 異材

Outline of Annual Research Achievements

本年度、フーリエ変換型赤外分光-全反射法（FT-IR-ATR）を用いて樹脂金属レーザ直接接合部を評価した結果、接合界面付近では、ナイロン表面と比較してアミド結合（-CO-NH-）由来のC=O結合が減少し、カルボン酸塩が増加した（理由：ナイロンの熱変性・熱分解による）。これは従来研究であるMetal-O-Cの結合が主であることを示す結果である。また、Cs-corrected STEM観察結果から、樹脂と金属とを繋ぐ金属酸化物がFe3O4およびFeO等の複数の結晶構造があることがわかった。これは新しい興味深い結果である。つまり、本樹脂金属レーザ直接接合時にレーザ加熱によって金属酸化物の価数が変化している可能性を示唆している。そこで、得られた原子レベル構造解析結果に基づいた第一原理電子軌道計算による接合界面のエネルギー安定性を評価した。数値計算したFe、FeO、Fe3O4表面の中でFe表面が最もエネルギー的に安定すると考えていたが、数値計算結果では表面構造に強く依存し、Fe、FeO、Fe3O4表面でエネルギーの安定性に大差がないことが判明した。さらに、着目する点を変えてみた。レーザ出力、移動速度、焦点はずし位置及び雰囲気等の種々の接合条件について検討した結果、400度よりも少し高い温度で、母材樹脂が伸びる高強度な接合継手が得られている事実に注目した。金属試料表面を温度変化させてTPD-MS（加熱発生ガス分析）とFT-IR-ATRで分析した結果をまとめると、金属試料表面の有機物（汚れ）が300度から400度で金属表面から離れ、最も離れ難い有機物のひとつがカルボン酸塩であることを見出した。つまり、樹脂金属レーザ直接接合機構としては、レーザにより加熱することで金属表面の汚れが除去され、温度が低下する時にナイロンの熱変性・熱分解によるカルボン塩が付着することで化学結合されることが考えられる。