JP2012176514A - 繊維強化樹脂と金属との接合構造、及び繊維強化樹脂と金属との接合方法 - Google Patents

繊維強化樹脂と金属との接合構造、及び繊維強化樹脂と金属との接合方法 Download PDF

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JP2012176514A
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Abstract

【課題】ステップ状接合面を多段化することはもちろん、ステップ状接合面を介して交互に重なる繊維強化樹脂層及び金属層を薄い総厚内でも多層化することが容易であり、平面や任意の曲面をもった形状を構成することもできる接合構造及び接合方法を提供する。
【解決手段】本接合構造は、ステップ状接合面を構成する端部が当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成された金属材１１と、ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材１２−１５とからなる要素１０を一枚として、ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層され、金属材と繊維強化樹脂複合材とが接着されるとともに、隣接する要素１０，１０同士が重ね合わせ面で接合されてなる。金属材１１、１１同士は溶接される。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂と金属との接合に関する。
今日、繊維強化樹脂複合材（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）は、航空機、自動車、船舶あるいは一般産業機器の構造用部材として広く用いられている。例えば、炭素繊維やガラス繊維等の無機物系強化繊維を縦横に配して織り込んだ織物にエポキシ樹脂などの樹脂を含浸硬化して形成したものが知られる。
しかし、すべてを繊維強化樹脂複合材で構成せず、一部に金属材を適用しなければならない場合も少なくない。
そこで、繊維強化樹脂複合材と金属材と高強度に接合することが課題となる。
従来、特許文献１−３にも記載されるように、繊維強化樹脂複合材と金属材とを直接接着することにより、締結具を排して軽量化等を図る技術が提案されている。
２つの部材を接着により接合するにあたっては、両部材の端面同士をつき合わせて、このつき合わせ面のみを接着面とする場合には、接着面が小さく、高強度な接合構造は期待できない。
特許文献１に記載の接合構造にあっては、両部材の接合する端部それぞれに、相補的なステップ状構造を形成し、つき合わせ面に垂直なステップ面に大面積の接着面を確保したステップ状接合面が採用される。
特許文献２記載の接合構造にあっては、チューブ材において、多段のステップ状接合面が採用される。また、特許文献２には、ステップ状接合面が２層に重なる構造が記載されている（同文献第３図参照）。これは、繊維強化樹脂複合材の端面に開口する奥狭のステップ状に形成された溝に、先細りのステップ状に形成された金属材の端部を挿入する構造である。
特許文献３記載の接合構造にあっては、シャフト材において、軸方向端を斜めにして繊維強化樹脂複合材と金属材とを一部を重ねて配置し巻回することで、その軸を通る断面において両材料を交互に重ねて多層に形成する。
実開昭６３−１７８１２６号公報 実開昭６１−００９１３５号公報 特開２００１−０３２８１９号公報
しかしながら、特許文献３に記載の技術によれば、両材料を交互に重ねて多層に形成することができても、ロール状のパイプ材しか構成できず、平面や任意の曲面をもった構造を構成することはできない。また、ステップ状、特に多段のステップ状接合面を形成できない。さらに、巻回に伴って徐々に両材料が重なる領域が軸方向にずれてしまい、同領域が長くに亘ってしまう。接合のための構造部には、他の構造を同時に形成することは難しい。接合のための構造が大きくなると、その分設計の自由度が大きく制限され、適用箇所が限られたりして好ましくない。
特許文献１に記載の技術にあっては、１層の繊維強化樹脂複合材と１層の金属材との重なりによる接合構造である。特許文献２に記載の技術にあっては、金属材は２層以上にされない。
したがって、以上の従来技術にあっては、繊維強化樹脂複合材及び金属材をそれぞれ２層以上にして交互に重ねた構造によって、平面や任意の曲面をもった形状を構成することは困難であり、要求される総厚内において各層の層厚をより薄く、より多層化するには自ずと限界が生じる。
そこで、本発明は、繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士がステップ状接合面を介して接合された繊維強化樹脂と金属との接合構造において、ステップ状接合面を多段化することはもちろん、ステップ状接合面を介して交互に重なる繊維強化樹脂層及び金属層を薄い総厚内でも多層化することが容易であり、この多層化により接合強度等の特性が向上し、十分な接合強度でありながらステップ状接合面の形成長さを短くすることや、平面や任意の曲面をもった形状を構成することもできる接合構造及び接合方法を提供することを課題とする。
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士がステップ状接合面を介して接合された繊維強化樹脂と金属との接合構造であって、
前記ステップ状接合面を構成する端部が当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成された金属材と、前記ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚として、前記ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層され、
前記金属材と繊維強化樹脂複合材とが接着されるとともに、隣接する前記要素同士が重ね合わせ面で接合されてなる繊維強化樹脂と金属との接合構造である。
請求項２記載の発明は、前記ステップ状構造の形成領域において両外面に前記金属材が配置されてなる請求項１に記載の繊維強化樹脂と金属との接合構造である。
請求項３記載の発明は、隣接する前記金属材同士は、溶接により接合されてなる請求項１又は請求項２に記載の繊維強化樹脂と金属との接合構造である。
請求項４記載の発明は、前記ステップ状構造が多段である請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の繊維強化樹脂と金属との接合構造である。
請求項５記載の発明は、前記各要素の前記ステップ状構造の両端位置が略一致して配置されてなる請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の繊維強化樹脂と金属との接合構造である。
請求項６記載の発明は、繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士をステップ状接合面を介して接合する繊維強化樹脂と金属との接合方法であって、
前記ステップ状接合面を構成する金属材の端部を当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成し、
前記ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように繊維強化樹脂複合材を積層し、
一の前記金属材とそのステップ状構造上を埋めるように積層された前記繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚として、前記ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層した状態にて、前記繊維強化樹脂複合材を熱硬化させることによって、前記金属材と繊維強化樹脂複合材とを接着するとともに、隣接する前記要素同士を重ね合わせ面で接合する繊維強化樹脂と金属との接合方法である。
請求項７記載の発明は、前記熱硬化の後、隣接する前記金属材同士を溶接する請求項６に記載の繊維強化樹脂と金属との接合方法である。
請求項８記載の発明は、前記金属材同士を溶接した後、前記金属材の前記ステップ状構造の逆端で構成された端面に、金属部品を溶接する請求項７に記載の繊維強化樹脂と金属との接合方法である。
本発明によれば、ステップ状接合面を構成する端部が当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成された金属材と、ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚として、これを積層する構造又は方法によるので、ステップ状接合面を多段化することはもちろん、ステップ状接合面を介して交互に重なる繊維強化樹脂層及び金属層を薄い総厚内でも多層化することが容易である。そして、この多層化により、繊維強化樹脂と金属との総接着面積が大きく確保され、接合強度等の特性が向上する。そのため、十分な接合強度でありながらステップ状接合面の形成長さを短くすることが可能となる。また、平面はもちろん、一の金属材を成形に適した薄さとして、一の金属材とそのステップ状構造を埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚ずつ成型しつつ積層することで、任意の曲面に形成することも容易である。
本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造の断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造の一枚の要素の断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造における層間溶接の様子を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造における端面溶接の様子を示す断面図である。
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
図１に示すように本実施形態の繊維強化樹脂と金属との接合構造１は、図２に単体で示す一枚の要素１０を複数枚積層して構成されている。
一枚の要素１０は、金属箔１１と、繊維強化樹脂複合材１２〜１５とからなる。金属箔１１と、繊維強化樹脂複合材１２〜１５とがステップ状接合面を介して接着され、各要素１０，１０間がその重ね合わせ面で接合されたものである。
ここで、製造過程に沿って説明する。
まず、図２に示すように金属箔１１の端部１１ａを、その端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成する。
次に、金属箔１１のステップ状構造の端部１１ａに、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグの状態の繊維強化樹脂複合材１２〜１５を順次積層していく。
繊維強化樹脂複合材１２〜１５は、端部１１ａの各段に対応する部分で便宜的に分けたものである。繊維強化樹脂複合材１２〜１５は、それぞれ一枚又は複数枚のプリプレグによって構成される。
積層するにはまず、繊維強化樹脂複合材１２を、端部１１ａの端面につき合わせる。繊維強化樹脂複合材１３の端を、繊維強化樹脂複合材１２の端より金属箔１１の最厚部１１ｂ側にずれた位置に配置し、繊維強化樹脂複合材１３の端部で１段面１１ｃ上をフラットに埋めるように積層する。同様に、繊維強化樹脂複合材１４の端を、繊維強化樹脂複合材１３の端より金属箔１１の最厚部１１ｂ側にずれた位置に配置し、繊維強化樹脂複合材１４の端部で２段面１１ｄ上をフラットに埋めるように積層する。同様に、繊維強化樹脂複合材１５の端を、繊維強化樹脂複合材１４の端より金属箔１１の最厚部１１ｂ側にずれた位置に配置し、繊維強化樹脂複合材１５の端部で３段面１１ｅ上をフラットに埋めるように積層する。なお、繊維強化樹脂複合材１２〜１５に接触する金属箔１１のステップ状構造の表面にペースト接着剤を塗布もしくはフィルム接着剤を積層してから、繊維強化樹脂複合材１２〜１５を積層するようにしても良い。
以上のような要素１０を、図１に示すようにステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層した状態を得る。また、要素１０を必要枚数作製し、図１に示すようにステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層した状態を得てもよい。
図１にステップ状接合面の形成長さＬが示される。
要素１０を積層する際に、要素１０の表裏を適宜変えてもよいが、図１に示すようにステップ状構造の形成領域において金属箔１１，１１を、全体の表裏、すなわち両外面に配置することが好ましい。金属面を外面とした方が外部からの衝撃に対して強いからである。
また、各要素１０，１０，１０・・・のステップ状構造の両端位置が一致して配置されていることが好ましい。ステップ状接合面の形成長さＬを短くするためである。
要素１０を複数枚積層した状態にて、各要素１０の繊維強化樹脂複合材１２〜１５を熱硬化させる。
これによって、金属箔１１と繊維強化樹脂複合材１２〜１５とが接着するとともに、すべての繊維強化樹脂複合材１２〜１５が一体化する。
次に、図３に示すように、隣接する金属箔１１，１１同士を溶接する。これには、矢印１６で示すように端面から金属箔１１，１１の接合面に向けて接合面と平行に、レーザ等の溶接熱源を入射させて接合面毎に深い位置まで溶着部１７を形成する。
必要により、溶着部１７を形成した端面を研削等により整形した後、その整形した端面に図４に示すように金属部品１８の端面を合わせて溶接により接合する。このときも、矢印１９で示すように金属箔１１と金属部品１８の接合面に向けて接合面と平行に、レーザ等の溶接熱源を入射させて深い位置まで溶着部２０を形成する。
以上の製造過程からわかるように、本実施形態の繊維強化樹脂と金属との接合構造１は、繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士がステップ状接合面を介して接合された繊維強化樹脂と金属との接合構造であって、ステップ状接合面を構成する端部が当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成された金属箔１１と、このステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材１２〜１５とからなる要素１０を一枚として、ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層され、金属箔１１と繊維強化樹脂複合材１２〜１５とが接着されるとともに、隣接する要素１０，１０同士が重ね合わせ面で接合されてなる繊維強化樹脂と金属との接合構造を構成する。
以上の実施形態においては、各ステップ状構造を３段としたが、これは一例である。ステップ状構造は、２段以上の多段とすることが好ましい。ステップ状接合面を介した接合構造にあっては、応力が各ステップの端部に集中する。ステップ状構造をより多い段数とすることで応力集中を分散し、最大応力を低減することができるからである。
以上の実施形態においては、要素１０の積層枚数を５枚としたが、これは一例である。３枚以上で上述したように金属面を両外面に配置することが好ましい。
要素１０の積層枚数を多くしていくことによって、繊維強化樹脂複合材と金属材との接着面積が拡大し、ステップ状接合面の形成長さＬを短くしても、十分な接合強度を確保することができる。図４に示すように、１００％金属の端部の寸法Ｌ１が上述した溶接等の都合上で一定距離あれば足りる場合は、ステップ状接合面の形成長さＬを短くすることで、繊維強化樹脂複合材の容積占有率を高め、軽量化等を追及することができる。
また、繊維強化樹脂複合材と金属材との接着面積が拡大するので、繊維強化樹脂複合材と金属材との間の電気伝導性も向上する。
従来のステップ状接合面を有した接合構造にあっては、ステップ状接合面が１層又は２層であるので、衝撃荷重や、引張・圧縮、曲げ等の繰り返し荷重を受けて１層のステップ状接合面に剥離が進展すると、完全分断又はほぼ半分まで剥離破壊されることとなる。
これに対し、本接合構造１によると、多層化され、接着面が広くされ、外面から浅い位置から深い位置まで外面に平行なステップ面による接着面が分散配置されているため、同荷重条件でも剥離が生じないか、外面の一部の剥離にとどめることができる。そのため、要素１０を３層、４層、５層・・・と、その積層数を多くすることが好ましい。
適用する繊維強化樹脂複合材に関しては、炭素繊維強化樹脂複合材、ガラス繊維強化樹脂複合材などを挙げることができるが、その種類を問わない。
適用する金属材の材質に関しても、Ｔｉ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金などを挙げることができるが、その種類を問わない。適用する樹脂に関しても、熱硬化樹脂であればその種類を問わない。
１ 接合構造
１０ 一枚の要素
１１ 金属箔
１１ａ ステップ状構造の端部
１１ｂ 最厚部
１１ｃ １段面
１１ｄ ２段面
１１ｅ ３段面
１２ 繊維強化樹脂複合材
１３ 繊維強化樹脂複合材
１４ 繊維強化樹脂複合材
１５ 繊維強化樹脂複合材
１７ 溶着部
１８ 金属部品
２０ 溶着部
Ｌ ステップ状接合面の形成長さ
Ｌ１ １００％金属で溶接可能な端部長さ

Claims (8)

  1. 繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士がステップ状接合面を介して接合された繊維強化樹脂と金属との接合構造であって、
    前記ステップ状接合面を構成する端部が当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成された金属材と、前記ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚として、前記ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層され、
    前記金属材と繊維強化樹脂複合材とが接着されるとともに、隣接する前記要素同士が重ね合わせ面で接合されてなる繊維強化樹脂と金属との接合構造。
  2. 前記ステップ状構造の形成領域において両外面に前記金属材が配置されてなる請求項１に記載の繊維強化樹脂と金属との接合構造。
  3. 隣接する前記金属材同士は、溶接により接合されてなる請求項１又は請求項２に記載の繊維強化樹脂と金属との接合構造。
  4. 前記ステップ状構造が多段である請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の繊維強化樹脂と金属との接合構造。
  5. 前記各要素の前記ステップ状構造の両端位置が略一致して配置されてなる請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の繊維強化樹脂と金属との接合構造。
  6. 繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士をステップ状接合面を介して接合する繊維強化樹脂と金属との接合方法であって、
    前記ステップ状接合面を構成する金属材の端部を当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成し、
    前記ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように繊維強化樹脂複合材を積層し、
    一の前記金属材とそのステップ状構造上を埋めるように積層された前記繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚として、前記ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層した状態にて、前記繊維強化樹脂複合材を熱硬化させることによって、前記金属材と繊維強化樹脂複合材とを接着するとともに、隣接する前記要素同士を重ね合わせ面で接合する繊維強化樹脂と金属との接合方法。
  7. 前記熱硬化の後、隣接する前記金属材同士を溶接する請求項６に記載の繊維強化樹脂と金属との接合方法。
  8. 前記金属材同士を溶接した後、前記金属材の前記ステップ状構造の逆端で構成された端面に、金属部品を溶接する請求項７に記載の繊維強化樹脂と金属との接合方法。
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