JP2013252648A - 締結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された複数の被締結部材をリベットを用いて好適に締結することができる、締結方法を提供することを目的とする。
【解決手段】締結方法は、第一工程と、第二工程を含む。第一工程は、繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された、第一被締結部材及び第二被締結部材を重ね合わせ、第一被締結部材にリベットの先端が接した状態で、リベットに超音波振動を付与し、リベットを、第一被締結部材から第二被締結部材の側に加圧して、第一被締結部材及び第二被締結部材に打ち込む工程である。第二工程は、第一工程によって、第一被締結部材及び第二被締結部材に打ち込まれ、第二被締結部材の側に突出したリベットの先端部分を変形して、リベットで、第一被締結部材及び第二被締結部材を締結する工程である。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された複数の被締結部材をリベットを用いて締結する締結方法に関する。

被締結部材の締結に関する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、少なくともいずれか一方が熱可塑性合成樹脂部材からなる二つの部材を連結部材を用いて接合するようにした超音波加熱溶着用連結部材が開示されている。この超音波加熱溶着用連結部材は、超音波振動が直接供与される頭部と、ねじ状の連結部材本体とからなる。連結部材本体の外周部には、軸線方向に延在するロック手段が配設される。

特許文献２には、ＦＲＰ接合構造の製造方法が開示されている。この製造方法は、少なくとも１つのＦＲＰ部材を含む複数の部材が接着剤を介して相互に重ね合わせられて接合され、複数の部材のうち最も裏側に配置された部材が、その裏側面に薄層を有するＦＲＰ部材であるＦＲＰ接合構造の製造方法である。製造方法は、第１工程と、第２工程を有する。第１工程は、ＦＲＰ部材を最も裏側に配置して、このＦＲＰ部材の表側に少なくとも１つの部材を、接着剤を介して相互に重ね合わせる。第２工程は、接着剤が未硬化の状態で、最も表側に配置された部材からセルフピアスリベットを打ち込んで、このセルフピアスリベットの先端が最も裏側に配置されたＦＲＰ部材内に留まるようにする。製造方法では、第２工程よりも前に、予め最も裏側に配置されるＦＲＰ部材の裏側面に薄層を形成する。

特許文献３には、重ね合せられたＦＲＰ板の締結方法が開示されている。この締結方法は、セルフピアスリベットを用いて、重ね合せられた２枚のＦＲＰ板を締結する。セルフピアスリベットは、リベット頭部およびそのリベット頭部に連なり、且つ先端面を開放した中空のリベット胴部を有する。締結方法では、一方のＦＲＰ板の被締結部に金属板を密着させ、次いで他方のＦＲＰ板の被締結部から両ＦＲＰ板にセルフピアスリベットを打込んでリベット頭部を他方のＦＲＰ板の被締結部に密着させ、また両ＦＲＰ板を貫通したリベット胴部の環状先端部分を金属板に食い込ませて拡径変形させる。

実開昭６１−５９０２４号公報 特許第４７１４０４０号公報 特開２００５−６９４５１号公報

自動車、船舶、鉄道、航空機等の車両の軽量化を実現するために、車両の各部を形成する材料として、繊維強化熱可塑性樹脂複合材が用いられる場合がある。前述したような車両を組み立てる場合、部材同士が接合される。各部を形成する材料が、鉄鋼材であれば、溶接によって部材同士を接合することができる。但し、繊維強化熱可塑性樹脂複合材については、溶接による接合は不可能であると考えられる。接着剤を用いた接合は可能であるが、接着剤は、完全に乾くまでは、固着力が低い。

複数の被締結部材を接合する方法として、リベットを用いた締結がある。リベットを用いた締結は、材質に関わらず安定した締結を行うことができるといった利点を有する。但し、被締結部材が繊維強化熱可塑性樹脂複合材である場合、発明者は、被締結部材へのリベットの打ち込みに伴い、繊維が曲がり、ねじれ又は折れる場合があり、被締結部材が損傷することを知得した。被締結部材が損傷すると、リベットを用いた締結後の締結構造において、締結部分の強度が低下する場合も想定され、これに対する対策が別途必要となる場合もある。繊維の変形に伴い、繊維と、繊維強化熱可塑性樹脂複合材の母材である熱可塑性樹脂が剥離する場合もある。

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された複数の被締結部材をリベットを用いて好適に締結することができる、締結方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された、第一被締結部材及び第二被締結部材を重ね合わせ、前記第一被締結部材にリベットの先端が接した状態で、前記リベットに超音波振動を付与し、前記リベットを、前記第一被締結部材から前記第二被締結部材の側に加圧して、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材に打ち込む、第一工程と、前記第一工程によって、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材に打ち込まれ、前記第二被締結部材の側に突出した前記リベットの先端部分を変形して、前記リベットで、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材を締結する、第二工程と、を含む締結方法である。

これによれば、第一工程において、第一被締結部材及び第二被締結部材を形成する繊維強化熱可塑性樹脂複合材の母材である熱可塑性樹脂を溶融させながら、リベットを第一被締結部材及び第二被締結部材に打ち込むことができる。第一被締結部材及び第二被締結部材にリベットを打ち込む際、リベットの加圧を低荷重とすることができる。リベットの打ち込みに伴う、第一被締結部材及び第二被締結部材の損傷を抑制することができる。リベットの打ち込みに伴い打ち抜かれた第一被締結部材及び第二被締結部材のせん断面の近傍部分において、仮に、繊維と母材との間で剥離が発生したとしても、溶融した熱可塑性樹脂が剥離部分に浸透し、発生した剥離を修復することができる。溶融した熱可塑性樹脂によって、リベットの軸部と前述のせん断面との間が埋められる。そのため、この締結方法による締結構造の気密性を向上させることができる。

この締結方法において、前記第一工程は、前記リベットの打ち込みによって排出される打ち抜きカスを吸引しながら行われる、ようにしてもよい。これによれば、打ち抜きカスがリベットに付着することを抑制することができる。上述した通り、超音波振動を付与してリベットを加圧すると、第一被締結部材及び第二被締結部材を形成する繊維強化熱可塑性樹脂複合材の母材である熱可塑性樹脂が溶融する。熱可塑性樹脂が、溶融後、冷え固まっていない場合、打ち抜きカスを好適に吸引し、取り除くことができる。第二工程において、リベットの先端部分を、スムーズに変形させることができる。なお、溶融した熱可塑性樹脂が冷え固まり打ち抜きカスがリベットに付着した場合、冷え固まった打ち抜きカスの除去は、冷え固まる前と比較し、困難である。

また、この締結方法において、前記第一工程は、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材を重ね合わせ、前記第一被締結部材に前記リベットの先端が接し、且つ、前記リベットが打ち込まれる方向において、前記第一被締結部材の側とは反対となる前記第二被締結部材の面に接するように座金を設けた状態で行われ、前記第二工程は、前記第一工程によって、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材に打ち込まれ、前記第二被締結部材の側に突出し、且つ、前記座金を通過した前記リベットの先端部分を変形して行われる、ようにしてもよい。

これによれば、打ち込まれたリベットによって第一被締結部材及び第二被締結部材に形成される貫通孔の開口端の角部のうち、第二被締結部材の側の角部の部分での剥離を抑制することができる。座金を用いることで、第二工程で、リベットの先端部分を変形させる際の荷重は、座金に作用し、前述した角部の部分での応力集中を抑制することができる。この締結方法によって得られる締結構造では、締結強度をさらに向上させることも可能である。

さらに、この締結方法において、前記第一工程は、前記リベットを、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材に打ち込む工程で、前記第二工程は、前記リベットで、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材を締結する工程である、ようにしてもよい。これによれば、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された、第一被締結部材及び第二被締結部材にリベットを打ち込み、リベットで第一被締結部材及び第二被締結部材を締結することができる。

本発明によれば、繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された複数の被締結部材をリベットを用いて好適に締結することができる、締結方法を得ることができる。

第一形態の締結方法の第一工程を説明する図である。（Ａ）は、第一準備段階を示す断面図である。（Ｂ）は、途中段階を示す断面図である。（Ｃ）は、第一工程が完了した状態を示す断面図である。 第一形態の締結方法の第二工程と、第一形態の締結方法によって得られる締結構造を説明する図である。（Ａ）は、第二準備段階を示す断面図である。（Ｂ）は、第二工程が完了した状態を示す断面図である。（Ｃ）は、締結構造を示す断面図である。 第二形態の締結方法の第一工程を説明する図である。（Ａ）は、第一準備段階を示す断面図である。（Ｂ）は、途中段階を示す断面図である。（Ｃ）は、第一工程が完了した状態を示す断面図である。 第二形態の締結方法の第二工程と、第二形態の締結方法によって得られる締結構造を説明する図である。（Ａ）は、第二準備段階を示す断面図である。（Ｂ）は、第二工程が完了した状態を示す断面図である。（Ｃ）は、締結構造を示す断面図である。 実施例１及び実施例２の各方法によるリベットの打ち込みに伴う被締結部材の損傷に関する確認結果を示す図である。 実施例３及び実施例４の各方法によるリベットの打ち込みに伴う被締結部材の損傷に関する確認結果を示す図である。 締結方法の第一工程における打ち抜きカスの吸引を説明する図である。（Ａ）は、第一例を示す断面図である。（Ｂ）は、第二例を示す断面図である。 （Ａ）は、他のリベットを示す断面図である。（Ｂ）は、図８（Ａ）に示すリベットを被締結部材に打ち込んだ状態において、図８（Ａ）に示すＥ部に対応した位置を拡大した写真である。 （Ａ）は、さらに他のリベットを示す断面図である。（Ｂ）は、図９（Ａ）に示すリベットを被締結部材に打ち込み、被締結部材を締結した状態を示す断面図である。

本発明を実施するための実施形態について、図面を用いて説明する。本発明は、以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に示す構成の一部は、省略し又は他の構成等に置換してもよい。また、他の構成を含むようにしてもよい。

＜締結方法＞
本実施形態の締結方法について、２つの形態を説明する。本実施形態の締結方法によれば、何れの形態であっても、繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された複数の被締結部材を、リベット１０によって締結することができる。繊維強化熱可塑性樹脂複合材としては、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics）等が例示される。以下では、締結対象となる繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された被締結部材が、２枚の板（薄板）状の第一被締結部材（以下、「第一ＦＲＰ材」という）２１及び第二被締結部材（以下、「第二ＦＲＰ材」という）２２である場合を例に説明する。なお、繊維の配置に関し、一定の方向に整列して配置された繊維強化熱可塑性樹脂複合材と、ランダムに配置された繊維強化熱可塑性樹脂複合材がある。一定の方向に整列して配置された繊維強化熱可塑性樹脂複合材においては、繊維が複数の層をなして配置される場合もある。締結方法で用いられるリベット１０は、例えば、クロム・モリブデン鋼材（ＳＣＭ材）等のような合金鋼材の焼入材、又は、チタンのような非鉄金属によって形成される。なお、リベット１０としては、公知のリベットを採用することができる。

本実施形態では、リベット１０を打ち込む方向を、「打ち込み方向」といい、打ち込み方向と反対の方向を、「かしめ方向」という。打ち込み方向は、例えば、鉛直方向を上側から下側に向かう方向とされる。この場合、かしめ方向は、鉛直方向を下側から上側に向かう方向とされる。本実施形態では、打ち込み方向及びかしめ方向が、鉛直方向に沿った方向であるとした場合、鉛直方向の上側となる側を「第一側」といい、鉛直方向の下側となる側を「第二側」という。

＜第一形態＞
第一形態の締結方法について、図１及び図２を参照して説明する。第一形態の締結方法では、打ち込み方向におけるリベット１０の軸部１５の寸法Ｌ１が、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２を重ね合わせた際の厚みＬ２より長いリベット１０が用いられる。締結方法は、第一工程（図１参照）と、第二工程（図２参照）を含む。第一工程は、図１に示すように、リベット１０を、重ね合わされた第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に打ち込む工程である。第一工程は、リベット１０に超音波振動を付与し、且つ、リベット１０を打ち込み方向に加圧しながら実施される。第一工程では、図１に示すような第一金型３０と、超音波振動を発生しながら加圧する加圧装置（加圧装置の全体については不図示 以下、「超音波加圧装置」という）が用いられる。超音波加圧装置は、リベット１０に付与される超音波振動を発生する構成と、リベット１０を加圧するための構成を備える。

リベット１０を加圧するための構成には、押圧部４０が含まれる。押圧部４０は、リベット１０を第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に打ち込むに際し、打ち込み方向に移動する。超音波加圧装置からの超音波振動は、押圧部４０を介して、リベット１０に付与される。リベット１０に付与される超音波振動は、１５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度とされる。加圧力は、６００Ｎ〜７００Ｎ程度とされる。例えば、超音波振動が１９．１５ｋＨｚで、加圧力が６８７Ｎ（後述する、「実施例１」及び「実施例２」参照）とされる。なお、超音波加圧装置は、既に実用化された超音波溶着装置と同様の装置である。そのため、超音波加圧装置に関するこの他の説明は省略する。

第一工程では、締結対象である第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２は、重ね合わされた状態で、第一金型３０にセットされる（図１の「（Ａ）第一準備段階」参照）。第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２は、重ね合わされた状態で、所定の構成によって、クランプされる。第一金型３０は、リベット１０によって第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２を打ち抜くためのダイスとして機能する。そのため、第一金型３０には、リベット１０の打ち込み位置に対応した位置に、穴部３３が形成される。リベット１０は、図１の「（Ａ）第一準備段階」に示すように、打ち込み方向の第一側となる先端が第一ＦＲＰ材２１に接し、打ち込み方向の第二側となる後端が押圧部４０に接する。

押圧部４０を介してリベット１０を振動及び加圧すると、リベット１０に接している第一ＦＲＰ材２１の部分が溶融する。これによって、リベット１０は、第一ＦＲＰ材２１を貫通し、第二ＦＲＰ材２２に接するようになる。この場合も、振動及び加圧されているリベット１０に接している第二ＦＲＰ材２２の部分が溶融する。このようにして、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に対するリベット１０の打ち込みが進行し（図１の「（Ｂ）途中段階」参照）、最終的に、リベット１０は、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２を貫通し、リベット１０の先端部分１５Ｔは、第二ＦＲＰ材２２の側に突出する（図１の「（Ｃ）完了」参照）。なお、リベット１０の先端部分１５Ｔは、軸部１５に含まれる。リベット１０の先端部分１５Ｔは、リベット１０の先端の部分であると共に、軸部１５の先端の部分でもある。第一工程において、リベット１０の打ち込みは、打ち込み方向の第一側となるリベット１０の鍔部１３が、第一ＦＲＰ材２１に接触し、係合する位置まで行われる。

第一工程では、リベット１０が打ち込まれると、打ち抜きカス２３が形成され排出される（図１の「（Ｂ）途中段階」及び「（Ｃ）完了」参照）。打ち抜きカス２３は、溶融し、リベット１０によって打ち抜かれた第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２の部分によって形成される。

第二工程は、図２に示すように、第一工程において第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に打ち込まれたリベット１０によって、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２を締結する工程である。第一工程が完了した後、第二工程による締結が具体的に開始される前に、次のような作業が実施される。即ち、第一工程で用いられた第一金型３０が、第二工程のための第二金型５０とされる（図２の「（Ａ）第二準備段階」参照）。第二金型５０は、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２を貫通して、第二ＦＲＰ材２２の側に突出したリベット１０の先端部分１５Ｔを変形（塑性変形）させるためのダイスである。具体的に、第二金型５０は、図２に示すように、リベット１０の内部空間１４の形状に対応した形状の突起部５１と、突起部５１を囲むように凹部５２とが、押圧部４０と対向する端面に形成されたダイスである。

第二金型５０がセットされた後、超音波加圧装置を駆動し、押圧部４０又は第二金型５０の少なくとも何れか一方を移動する。これによって、押圧部４０及び第二金型５０が、漸次、接近する。第二金型５０が移動する場合、第二金型５０は、かしめ方向に移動する（図２参照）。押圧部４０が移動する場合、押圧部４０は、第一工程の場合と同じ方向（打ち抜き方向（第一側から第二側に向かう方向） 図１参照）に移動する。本実施形態では、図２に示すように、第二金型５０がかしめ方向に移動することとする。押圧部４０及び第二金型５０は、リベット１０が打ち込まれた第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に対して、図２の「（Ａ）第二準備段階」に示す状態となる。第二金型５０の突起部５１は、リベット１０の内部空間１４に挿入された状態となる。図２の「（Ａ）第二準備段階」に示す状態に移行した後、続けて、超音波加圧装置が駆動し、第二金型５０又は押圧部４０が、さらに接近するように、第二金型５０がかしめ方向に移動する。

第二金型５０の移動に伴い、リベット１０の内部空間１４に挿入された状態の突起部５１が、かしめ方向に移動すると、第二ＦＲＰ材２２の側に突出したリベット１０の先端部分１５Ｔは、凹部５２の傾斜面に沿って変形し、拡径された状態となる（図２の「（Ｂ）完了」参照）。第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２は、第一ＦＲＰ材２１に係合した鍔部１３と、拡径されたリベット１０の先端部分１５Ｔによって挟み込まれ、締結される。これによって、第二工程は完了する。

第二工程が完了した後、押圧部４０又は第二金型５０の少なくとも何れか一方を、第二工程の際とは反対の方向に移動させる。上記に基づけば、第二金型５０を、かしめ方向とは反対の方向（第一側から第二側へ向かう方向）に移動させる。これによって、第二金型５０及び押圧部４０が、離間する。その後、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２をリベット１０で締結した締結構造６０が、超音波加圧装置から取り外される。これによって、図２の「（Ｃ）締結構造」に示すような締結構造６０が得られる。締結構造６０では、リベット１０の先端部分１５Ｔは、貫通孔２４の直径φ５より大きくなるように、直径φ４から直径φ６に拡径されている。貫通孔２４は、リベット１０の打ち込みによって第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に形成される、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２を貫通する孔である。貫通孔２４の直径φ５は、拡径前の、軸部１５の直径φ４（図１の「（Ａ）第二準備段階」参照）に対応する。

第二工程の完了によって、締結方法は終了する。なお、第二工程では、超音波振動は付与されない。そのため、上述したようにして実施される第二工程は、超音波加圧装置とは別の加圧装置によって行うようにしてもよい。この加圧装置は、超音波振動を発生する構成を備えない。加圧装置には、押圧部４０及び第二金型５０が取り付けられる。第一工程が完了した後、リベット１０が打ち込まれた第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２は、超音波加圧装置から取り外され、その後、前述したような加圧装置に、上記同様の状態でセットされる。

＜第二形態＞
第二形態の締結方法について、図３及び図４を参照して説明する。第二形態の締結方法では、座金２５が用いられる。第二形態の締結方法は、座金２５を用いる点を除き、第一形態の締結方法と同様に実施される。以下では、第一形態の締結方法と相違する点を中心に説明することとし、共通する点については説明を適宜省略する。第二形態の締結方法では、打ち込み方向における軸部１５の寸法Ｌ１が、第一ＦＲＰ材２１、第二ＦＲＰ材２２及び座金２５を重ね合わせた際の厚みＬ３より長いリベット１０が用いられる。

第二形態の締結方法は、第一形態の場合と同じく、第一工程（図３参照）と、第二工程（図４参照）を含む。第一工程では、第一形態の場合と同様、締結対象である第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２は、重ね合わされた状態で、第一金型３１にセットされる（図３の「（Ａ）第一準備段階」参照）。第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２は、重ね合わされた状態で、所定の構成によって、クランプされる。このとき、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２と共に、座金２５が、第二ＦＲＰ材２２に隣接した状態で、第一金型３１にセットされる。

第一金型３１は、第一形態の第一金型３０に対応する金型である。第一金型３１には、収容部３４と、穴部３５が形成される。収容部３４は、座金２５の外形に対応した凹状部である。収容部３４には、座金２５が収容される。収容部３４に座金２５が収容され、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２が第一金型３１にセットされると、座金２５は、上述したように、第二ＦＲＰ材２２に隣接した状態となる。このとき、収容部３４に収容された座金２５は、第一金型３１にセットされた第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に打ち込まれるリベット１０対して位置決めされた状態となる。座金２５の貫通孔２６の直径（座金２５の内径）φ７は、諸条件を考慮して設定される。例えば、貫通孔２６の直径φ７は、軸部１５の直径φ４より小径とされる。貫通孔２６の直径φ７は、軸部１５の直径φ４に等しい寸法とされてもよい。穴部３５には、第一ＦＲＰ材２１、第二ＦＲＰ材２２及び座金２５を貫通した、リベット１０の先端部分１５Ｔ等が挿入される。そのため、穴部３５の直径φ８は、軸部１５の直径φ４より大径である。

第二形態の締結方法において、第一工程は、第一形態と同様に行われる。即ち、第一工程では、図３の「（Ｂ）途中段階」に示すように、リベット１０が一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に打ち込まれ、図３の「（Ｃ）完了」に示すような状態となる。「直径φ７＜直径φ４」である場合、貫通孔２６の外周部である座金２５の部分は、リベット１０（軸部１５）によって、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２と共に、打ち抜かれる。これによって、座金２５に形成された貫通孔２６の直径は、軸部１５の直径φ４に対応した寸法となる。貫通孔２６の直径φ７を、軸部１５の直径φ４以下とすれば、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２にリベット１０を打ち込む際、座金２５が、打ち抜きのためのダイスとして機能する。リベット１０は、第一ＦＲＰ材２１、第二ＦＲＰ材２２及び座金２５を貫通する。リベット１０の先端部分１５Ｔは、第二ＦＲＰ材２２の側に突出し、座金２５を通過した状態となる（図３の「（Ｃ）完了」参照）。

第一工程では、リベット１０が打ち込まれると、打ち抜きカス２３が形成され排出される（図３の「（Ｃ）完了」参照）。「直径φ７＜直径φ４」である場合、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２と共に打ち抜かれた貫通孔２６の外周部である座金２５の部分は、打ち抜きカス２３と共に排出される。

第一形態の場合と同様、第一工程が完了すると、第二工程が実施される。第二形態の締結方法においても、第一形態の場合と同様、第二工程による締結が具体的に開始される前に、第一工程で用いられた第一金型３１が、第二工程のための第二金型５０とされる（図４の「（Ａ）第二準備段階」参照）。貫通孔２６の直径φ７を、軸部１５の直径φ４以下としておくと、軸部１５は、貫通孔２６に圧入又はガタのない状態で挿入されることとなる。軸部１５が、貫通孔２６に圧入又はガタのない状態で挿入されていると、リベット１０（軸部１５）からの座金２５の脱落を防止することができる。そのため、第一ＦＲＰ材２１、第二ＦＲＰ材２２及び座金２５を一体的なまとまった状態とすることが可能となり、第二準備工程をスムーズに行うことができる。

第二準備工程後も第二工程は、第一形態の場合と同様にして実施され、これによって、座金２５を通過した、リベット１０の先端部分１５Ｔは、凹部５２の傾斜面に沿って変形され、拡径された状態となる（図４の「（Ｂ）完了」参照）。第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２と、座金２５は、第一ＦＲＰ材２１に係合した鍔部１３と、拡径されたリベット１０の先端部分１５Ｔによって挟み込まれ、締結される。これによって、第二工程は完了する。

第二工程が完了した後、押圧部４０又は第二金型５０の少なくとも何れか一方を、第二工程の際とは反対の方向に移動させ、押圧部４０及び第二金型５０を離間させる。その後、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２をリベット１０で締結した締結構造６１が、超音波加圧装置から取り外される。これによって、図４の「（Ｃ）締結構造」に示すような締結構造６１が得られる。

座金２５を用いない場合、第二工程で、リベット１０の先端部分１５Ｔを拡径させると、第二ＦＲＰ材２２では、貫通孔２４の開口端の角部の周辺（図４の「（Ａ）第二準備段階」に示す「Ｄ」部参照）に、拡径のために付与される荷重が作用する。そのため、第二ＦＲＰ材２２では、貫通孔２４の開口端の角部の周辺に、剥離が生じるおそれがある。従って、剥離に対する対策が必要となる場合もある。座金２５を用いた第二形態の締結方法によれば、拡径のための荷重は、直接的には、座金２５に作用する。そのため、このような剥離に対する対策を、別途、講じる必要がなく、好適な締結を行うことができる。また、拡径のための荷重が、直接、第二ＦＲＰ材２２に作用せず、貫通孔２４の開口端の角部の周辺における応力集中を抑制することができる。締結構造６１では、締結強度をさらに向上させることも可能である。

＜打ち込みに伴う損傷に関する確認結果＞
リベット１０の打ち込みに伴う、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２の損傷について確認した。この確認結果の説明では、上述した各部と同一又は対応する構成には、上記で用いた符号を付すこととする。損傷の発生は、実施例１〜実施例４の各方法で確認した。実施例１の方法は、第一形態の締結方法に対応する。実施例２の方法は、第二形態の締結方法に対応する。実施例３及び実施例４の各方法は、リベット１０への超音波振動の付与を省略した打ち込みによる締結方法に対応する。実施例３の方法では、座金２５は用いられない。実施例４の方法では、座金２５が用いられる。実施例１〜実施例４の各方法において、リベット１０の打ち込み（実施例１及び実施例２の各方法については、図１及び図３にそれぞれ示す「第一工程」参照）は、次のような条件で行った。実施例３及び実施例４の各方法における加圧力は、実施例１及び実施例２の場合と比較し、５８倍程度大きい。

実施例１及び実施例２
超音波振動の付与：あり
振動数 ：１９．１５ｋＨｚ
加圧力 ：６８７Ｎ
実施例３及び実施例４
超音波振動の付与：なし
振動数 ：−
加圧力 ：４０ｋＮ
リベット１０と、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に関し、実施例１〜実施例４の各方法は、同一条件とした。締結に用いたリベット１０は、クロム・モリブデン鋼材によって形成されたリベット（軸部１５の直径φ４：５ｍｍ）とした。締結対象である第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２は、炭素繊維が一定の方向に整列し且つ複数の層をなして配置されたＣＦＲＰ板とした。第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２を形成するＣＦＲＰ板の板厚は、２ｍｍ（２枚合計：４ｍｍ）である。母材は、熱可塑性樹脂である。なお、実施例１〜実施例４の各方法では、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２へのリベット１０の打ち込みは、後述するような方法（「＜変形例＞」の「（２）」、図７参照）によって、打ち抜きカス２３を吸引しながら行った。

＜結果＞
実施例１〜実施例４の各方法による確認結果について、図５を参照して説明する。実施例１及び実施例２の各方法によれば、リベット１０の打ち込みに伴い打ち抜かれた第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２のせん断面の近傍部分において、炭素繊維の変形（曲がり、ねじれ又は折れ）は認められない。また、実施例１及び実施例２の各方法では、前述した部分において、炭素繊維と母材との間に、剥離の発生も認められない。

これに対して、実施例３及び実施例４の各方法では、上述したせん断面の近傍部分に、炭素繊維の変形が認められる。この変形は、リベット１０の打ち込みの際、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に作用した加圧力が影響していると考えられる。また、実施例１及び実施例２の各方法では、内部空間１４に打ち抜きカス２３は認められない。一方、実施例３及び実施例４の各方法では、内部空間１４は、打ち抜きカス２３が充填された状態となっている。

＜考察＞
実施例１及び実施例２の各方法によれば、炭素繊維の変形を抑制することができる。これは、実施例１及び実施例２の各方法では、超音波振動を付与しながら、リベット１０を第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に打ち込むこととしたためであると考えられる。リベット１０を介して、リベット１０が打ち込まれる第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に超音波振動を付与すると、リベット１０が接する部分において、繊維強化熱可塑性樹脂複合材の母材である熱可塑性樹脂を溶融させることができる。そのため、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２にリベット１０を打ち込む際、リベット１０の加圧を低荷重とすることができる。従って、リベット１０の打ち込みに伴う、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２の損傷を抑制することが可能となると考えられる。

実施例１及び実施例２の各方法によれば、炭素繊維と母材との間の剥離を抑制することができる。これも、リベット１０の打ち込みを低荷重で行うことができるためであると考えられる。実施例１及び実施例２の各方法によれば、リベット１０の打ち込みに伴い打ち抜かれた第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２のせん断面の近傍部分において、仮に、炭素繊維と母材との間で剥離が発生したとしても、溶融した熱可塑性樹脂が剥離部分に浸透し、発生した剥離を修復することができると考えられる。なお、実施例３及び実施例４の各方法のように、炭素繊維が変形した場合、この変形に伴い、炭素繊維と母材は、剥離した状態になっていると考えられる。

実施例１及び実施例２の各方法によれば、内部空間１４への打ち抜きカス２３の充填を抑制することができる。なお、吸引を省略する等して、打ち抜きカス２３がリベット１０の内部空間１４に充填され、及び／又は、リベット１０の先端部分１５Ｔに付着したとする。このよう状態において、打ち抜きカス２３の除去は、実施例１及び実施例２の各方法より、実施例３及び実施例４の各方法による場合の方が、困難であった。

実施例１及び実施例２の各方法は、リベット１０を第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に打ち込む際、熱可塑性樹脂が溶融する。そのため、実施例１及び実施例２の各方法と、実施例３及び実施例４の各方法では、打ち抜きカス２３の除去に関し、上述したような差異が生じるものと考えられる。

実施例１及び実施例２の各方法によれば、溶融した熱可塑性樹脂によって、軸部１５と、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２のせん断面との間が埋められる。そのため、本実施形態の締結方法（第一形態の締結方法及び第二形態の締結方法）によれば、締結構造６０，６１の気密性を向上させることができる。なお、今回の確認結果では、実施例１及び実施例２の何れの方法についても、第二ＦＲＰ材２２において、貫通孔２４の開口端の角部の周辺に、剥離が生じるといったことはなかった。但し、剥離の発生をより好適に抑制するという点においては、実施例２の方法がより好ましいと考えられる。上述した通り、座金２５を用いた場合、締結強度をさらに向上させることも可能である。

＜変形例＞
本実施形態は、次のようにしてもよい。以下に記載の各構成を、適宜組み合わせて採用することもできる。

（１）上記では、締結対象となる繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された被締結部材が、２枚の第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２である場合を例に説明した。被締結部材の枚数は、３枚以上であってもよい。被締結部材が３枚以上である場合、締結方法の第一工程では、上記同様、全ての被締結部材は、重ね合わされた状態で、所定の構成によって、クランプされ、第一金型３０，３１にセットされる。締結には、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２の場合と同様、打ち抜き方向の寸法Ｌ１（図１又は図３参照）が全ての被締結部材を重ね合わせた際の厚み、又は、全ての被締結部材及び座金２５を重ね合わせた際の厚みより長いリベット１０が用いられる。

（２）上述した本実施形態の締結方法における第一工程は、打ち抜きカス２３を吸引しながら行うようにしてもよい。打ち抜きカス２３の吸引は、例えば、図７（Ａ）に示すように、所定のバキューム装置（不図示）に接続されたダクト３６を、第一金型３０の内部にセットして行われる。この他、第一金型３０を、図７（Ｂ）のような第一金型３２とし、所定のバキューム装置に接続されたダクト３６を、この第一金型３２に接続するようにしてもよい。第一金型３２では、第一金型３２の内部に、穴部３３に連続した排出路３７が形成される。ダクト３６は、この排出路３７に接続される。なお、図７（Ａ）及び（Ｂ）は、上述した図１に示す第一形態の締結方法の第一工程における「（Ｃ）完了」に対応した図である。

例えば、リベット１０の内部空間１４の全部又は大部分が打ち抜きカス２３で充填され、及び／又は、リベット１０の先端部分１５Ｔに多くの打ち抜きカス２３が付着したとする。この場合、締結方法の第二工程で、リベット１０の先端部分１５Ｔの変形を好適に行うためには、第二工程の実施前に、前述したリベット１０の各位置に存在する打ち抜きカス２３を除去しなければならなくなる場合もある。図７（Ａ）による構成によれば、打ち抜きカス２３は、ダクト３６に吸引され、第一金型３０の外部に排出される。図７（Ｂ）による構成によれば、打ち抜きカス２３は、排出路３７を介してダクト３６に吸引され、第一金型３２の外部に排出される。そのため、打ち抜きカス２３を、より好適に除去することができる。第一工程が完了した状態において、前述した各位置に存在する打ち抜きカス２３の量を、より少なくすることができる。その結果、打ち抜きカス２３を除去する作業を省略し、又は、除去作業を容易に行えるため、締結方法を効率よく実施することができる。

上述したように、超音波振動を付与してリベット１０を加圧すると、熱可塑性樹脂が溶融する。熱可塑性樹脂が、溶融後、冷え固まっていない場合、吸引によって、打ち抜きカス２３を好適に取り除くことができる。一方、溶融した熱可塑性樹脂が冷え固まり、打ち抜きカス２３がリベット１０に付着した場合、冷え固まった打ち抜きカス２３の除去は、冷え固まる前と比較し、困難となる。但し、打ち抜きカス２３が冷え固まったとしても、その除去は、上述した通り、打ち込みが超音波振動を付与せずに行われた場合（上述した実施例３及び実施例４の各方法参照）と比較すると、容易に行うことができる。

打ち抜きカス２３の吸引は、第二形態の締結方法においても、第一形態の場合と同様にして採用することができる。第二形態の締結方法で採用した場合の具体的な説明は省略する。第二形態の締結方法では、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２と共に打ち抜かれた貫通孔２６の外周部である座金２５の部分も、打ち抜きカス２３と共に排出することができる。

（３）上記では、軸部１５の外周側面が凹凸のない滑らかな曲面であるリベット１０を例に説明した。この他、本実施形態の締結方法で用いられるリベットは、上述したようなリベット１０とは異なり、図８（Ａ）に示すような、リベット１１としてもよい。リベット１１は、軸部１５の外周側面に環状の溝１６が打ち込み方向に複数形成されたリベットである。本実施形態の締結方法によって、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２をリベット１１で締結した場合、溝１６を形成する凸部は、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２にくい込んだ状態となり、溝１６を形成する凹部には、第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２が充填される（図８（Ｂ）参照）。本実施形態の締結方法では、付与される超音波振動によって、リベット１１に接した第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２の各部分が溶融する。そのため、前述した状態を好適に形成することができる。リベット１１を用いた締結方法は、上記同様にして実施される。そのため、これらに関する説明は省略する。

（４）上記では、内部空間１４が形成された中空のリベット１０，１１を例に説明した。リベット１０，１１は、内部空間１４が形成されていない、中実のリベットであってもよい。本実施形態の締結方法において中実のリベットを用いる場合、中実のリベットは、例えば、図９（Ａ）に示すようなリベット１２としてもよい。リベット１２では、鍔部１３の第一ＦＲＰ材２１と対向する面のうち、第一形態及び第二形態の各締結方法の第一工程で形成される貫通孔２４の第一ＦＲＰ材２１の側の開口端の角部に対応した領域が凹状に形成される（図９（Ａ）に示す「Ｆ」部参照）。

中実のリベットを第一ＦＲＰ材２１及び第二ＦＲＰ材２２に打ち込むと、第一ＦＲＰ材２１では、貫通孔２４の開口端の角部の周辺が盛り上がる場合がある。これは、第一ＦＲＰ材２１において、打ち抜かれた部分が前述した部分の側に逃げるためであると考えられる。リベット１２によれば、図９（Ｂ）の上段に示すように、盛り上がった部分を鍔部１３に形成した凹状の部分に収容することが可能で、好適な締結を実現することができる。締結方法の第二工程では、上述した第二金型５０とは異なる金型が用いられ、この金型によって、リベット１２の先端部分１５Ｔが変形される（図９（Ｂ）の下段参照）。

リベット１０，１１のような中空のリベットでは、打ち抜かれた部分は、内部空間１４の側にも逃げることが可能であると考えられる。そのため、上述したリベット１０，１１のように、鍔部１３を凹状としなくても、好適な締結を実現することが可能である。但し、リベット１０，１１のような中空のリベットであっても、諸条件を考慮し、鍔部１３に凹状の部分を形成するようにしてもよい。

１０，１１，１２ リベット
１３ 鍔部
１４ 内部空間
１５ 軸部
１５Ｔ 先端部分
１６ 溝
２１ 第一被締結部材（第一ＦＲＰ材）
２２ 第二被締結部材（第二ＦＲＰ材）
２３ 打ち抜きカス
２４ 貫通孔
２５ 座金
２６ 貫通孔
３０，３１，３２ 第一金型
３３，３５ 穴部
３４ 収容部
３６ ダクト
３７ 排出路
４０ 押圧部
５０ 第二金型
５１ 突起部
５２ 凹部
６０，６１ 締結構造

Claims (4)

1. 繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された、第一被締結部材及び第二被締結部材を重ね合わせ、前記第一被締結部材にリベットの先端が接した状態で、前記リベットに超音波振動を付与し、前記リベットを、前記第一被締結部材から前記第二被締結部材の側に加圧して、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材に打ち込む、第一工程と、
   前記第一工程によって、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材に打ち込まれ、前記第二被締結部材の側に突出した前記リベットの先端部分を変形して、前記リベットで、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材を締結する、第二工程と、を含む締結方法。
2. 前記第一工程は、前記リベットの打ち込みによって排出される打ち抜きカスを吸引しながら行われる、請求項１に記載の締結方法。
3. 前記第一工程は、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材を重ね合わせ、前記第一被締結部材に前記リベットの先端が接し、且つ、前記リベットが打ち込まれる方向において、前記第一被締結部材の側とは反対となる前記第二被締結部材の面に接するように座金を設けた状態で行われ、
   前記第二工程は、前記第一工程によって、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材に打ち込まれ、前記第二被締結部材の側に突出し、且つ、前記座金を通過した前記リベットの先端部分を変形して行われる、請求項１又は請求項２に記載の締結方法。
4. 前記第一工程は、前記リベットを、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材に打ち込む工程で、
   前記第二工程は、前記リベットで、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材で形成された、前記第一被締結部材及び前記第二被締結部材を締結する工程である、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の締結方法。