JP2016043366A - 繊維強化樹脂部材と金属部材との接合方法及びその接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用性が高く、かつ、接合に手間・工数を要することなく低コストで接合強度を向上できる繊維強化樹脂と金属部材との接合方法および接合体の提供【解決手段】繊維強化樹脂に導通部を設け、繊維強化樹脂部材を導通部ごと金属部材で挟んで抵抗溶接する。また、導通部の幅（負荷荷重方向の長さ）をＬ［ｍｍ］、上記金属部材の厚さをｔ［ｍｍ］、上記金属部材の縦弾性係数をＥ［Ｇｐａ］とするとき、以下の式１及び式２の関係を同時に満たす。【数１】【選択図】図３

Description

本発明は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）部材と金属部材との接合方法及び接合体に関し、特に、上記両者が板材やシート材により構成される場合に好適な繊維強化樹脂部材と金属部材との接合方法および接合体に関するものである。

従来から繊維強化樹脂部材と金属部材部材とを接合させることが検討されており、化学的に接合することや機械的に接合することが行われている。

化学的な接合としては、例えば、特許文献１の特開２００１−３２８１９号公報には、接着剤を用いて繊維強化樹脂部材と金属部材とを接合することが開示されている。

一方、機械的な接合としては、特許文献２の特開２０００−１２０６４９号公報には、金属部品のセレーションの歯をＦＲＰ製筒体に圧入することが開示されている。また、特許文献３の特許第３８４９５６７号公報には、繊維強化樹脂を構成することになる繊維の孔に金属部材の爪を貫通させ、爪が貫通した繊維の繊維間に樹脂を射出して繊維強化樹脂形成し、金属部材と繊維強化樹脂とを接合することが開示されている。さらに、特許文献４の特開２００７-１８２０７１号公報には、アルミニウム材表面の凹部に特定樹脂を射出し接合することが開示されている。

また、摩擦接合するものとしては、特許文献５の特開平６−１７４８７号公報にボルトを用いる方法が開示され、特許文献６の特開平６−１０９４０号公報には、リベットを用いる方法が開示されている。

特開２００１−３２８１９号公報 特開２０００−１２０６４９号公報 特許第３８４９５６７号公報 特開２００７-１８２０７１号公報 特開平６−１７４８７号公報 特開平６−１０９４０号公報

しかし、特許文献１に記載の方法にあっては、長期に亘る信頼性を担保できず、また、接着剤で高い接合強度を得るには粗面化等の加工が必要であり、コスト増が避けられない。また、特許文献２〜４に記載の方法にあっては、適用形状が限定されて汎用性がないのに加え、繊維強化樹脂部材形状ごとに型を作製する必要があり、コストが高くなってしまう。さらに、特許文献５、６に記載の方法にあっては、金属部材及び繊維強化樹脂の双方に穿孔する必要があり、接合に当たっては両者の孔を位置合わせし、さらに、ボルト又はリベットを孔に貫通させた後にねじ締め・カシメ等の締結する必要がある。したがって、接合 に多数の手間・工数を必要とし、コストが高くなるのに加えて、ボルトやリベットによる凸部形成が避けられない。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、汎用性が高く、接合に手間・工数を要することなく、高い接合強度が得られる繊維強化樹脂と金属部材との接合方法及びこれにより接合された接合体を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、繊維強化樹脂部材に貫通した導通部を設け、繊維強化樹脂部材を導通部ごと両側から金属部材で挟んで抵抗溶接することで、上記導通部周囲に応力が生じて繊維強化樹脂部材と金属部材とを接合することができ、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の接合方法は、導通部を有する繊維強化樹脂を上記導通部ごと金属部材で挟み、抵抗溶接することを特徴とする。

また、本発明の接合体においては、金属部材同士が繊維強化樹脂部材を貫通した中間部材との抵抗溶接によって接合されると共に、上記繊維強化樹脂部材が上記金属部材同士で押圧されており、上記押圧によって上記繊維強化樹脂部材に生じる反力が、上記中間部材に近接するほど大きいことを特徴とする。

また、本発明の接合体においては、上記接合方法で作製されたものであることを特徴とする。

本発明によれば、繊維強化樹脂部材の導通部を金属部材で挟んで抵抗溶接することとしたため、汎用性が高く、低コストで高い接合強度が得られる、繊維強化樹脂部材と金属部材との接合方法及びこれにより接合された接合体を提供することができる。
即ち、本発明によれば、繊維強化樹脂部材を導通部ごと両側から金属部材で挟み、該導通部と金属部材とを抵抗溶接することで生じる導通部周囲の応力によって、繊維強化樹脂部材と金属部材とを接合させるものであるため、従来の圧接機による接合が可能となり、接合に手間・工数を要することなく低コストで汎用性が高く、かつ信頼性の高い接合方法を提供することができる。

本発明の接合方法で接合する部材の一例を示す図である。 繊維強化樹脂部材を金属部材で挟んだ状態の一例を示す断面図である。 本発明の接合方法で接合する箇所の例を示す図である。 本発明の接合方法で接合された状態の一例を示す図である。 繊維強化樹脂部材に応力がかかった状態を示す模式図である。 繊維強化樹脂部材を正面から見たときの導電部の形状の一例を示す図である。 引張試験の状態を示す模式図である。

本発明の繊維強化樹脂部材と金属部材との接合方法について説明する。
一般に、金属材料の溶接方法としては、熱間溶接や摩擦溶接等の固相溶接法、ガス溶接やアーク溶接等の非加圧融接法、スポット溶接やプロジェクション溶接等の抵抗溶接が知られている。

繊維強化樹脂部材と金属部材とを接合する場合、繊維強化樹脂の樹脂成分は、金属の融点よりもはるかに低い温度で溶融・分解し易く、熱により劣化し易いものである。
したがって、金属同士を接合する上記溶接方法のすべてを採用することはできない。
本発明では、局所的に発熱・溶融させて接合でき、繊維強化樹脂部材の劣化を防止できる抵抗溶接を選択採用した。

本発明の接合方法を、板状の繊維強化樹脂部材と板状の金属部材とを抵抗スポット溶接する場合を例に説明する。

図１に示すように、導通部２を有する繊維強化樹脂部材１を金属部材３ａ、３ｂで両側から挟む。繊維強化樹脂部材を挟んだ状態の部分断面図を図２に示す。そして、図３に示すように、上記導通部２と接触している箇所を金属部材３ａ、３ｂの外側から、図示しない電源に接続された一対の電極４により挟持する。
このとき、電極４が互いに近づく方向に押圧し、電極４を介して金属部材３ａ、３ｂが互いに近づく方向に加圧する。そして、金属部材３ａ、３ｂへの加圧を維持した状態で、電極４に電流を供給する。
なお、上記金属部材及び／又は導通部には、金属部材と導通部とが接触する箇所に突起を設け、電流及び加圧力を集中させてもよい。

電極４へ電流が供給されると、金属部材３ａ、３ｂと繊維強化樹脂部材の導通部２は、自身の材料抵抗および部材同士の接触抵抗により、電極４に挟まれている接触部分を中心として発熱する。すなわち、電極４への電流の供給に伴い、金属部材３ａ、３ｂと繊維強化樹脂部材の導通部２とが加熱される。

加熱されることで、図４に示すように、繊維強化樹脂部材の導通部２及び金属部材３ａ、３ｂが溶融し、金属部材３ａ、３ｂと繊維強化樹脂部材の導通部２との接触部を中心とするナゲット５が形成されて、導通部２と金属部材３ａ、３ｂとが接合される。

このとき、繊維強化樹脂部材１を挟んでいる金属部材３ａ、３ｂは、電極４により押圧されて撓んだ状態で導通部２と接合している。したがって、繊維強化樹脂部材１は、図５に示すように、繊維強化樹脂部材１の導通部２の周囲が、金属部材３ａ、３ｂにより圧縮されて繊維強化樹脂部材に反力が生じ、金属部材３ａ、３ｂと接合される。
すなわち、 上記金属部材３ａ、３ｂが、上記繊維強化樹脂部材を貫通した導通部２との抵抗溶接によって接合されるともに、上記繊維強化樹脂部材が上記金属部材３ａ、３ｂで押圧され、繊維強化樹脂部材に反力が生じ接合される。
なお、上記押圧によって上記繊維強化樹脂部材に生じる反力は、上記導通部２に近接するほど大きい。

一般的に、金属と金属とを接合するときのスポット溶接結合の強度は、溶接部の直径と金属板の厚みによって変わる。しかし、繊維強化樹脂部材と金属部材との接合においては、繊維強化樹脂部材と金属部材とが溶融して分子的な結合が行われるのではないため、金属と金属との接合強度とは異なる。

本発明の接合方法のおける繊維強化樹脂部材と金属部材との接合は、上記のように、加圧された状態で接合箇所が溶融し、金属部材が撓んだ状態で接合され、これに挟まれ圧縮された繊維強化樹脂に生じる反力によって接合するものである。
したがって、本発明の接合方法においては、金属材料のたわみによって繊維強化樹脂の導通部周辺のブリッジ効果（反力）が得られ充分な接合強度が得られるよう、下記式１及び式２を同時に満たすことが好ましい。

但し、式１、式２中、Ｌは導通部の幅（負荷荷重方向の長さ）ｍｍ］、
ｔは金属部材の厚さ［ｍｍ］、Ｅは、金属部材の縦弾性係数［Ｇｐａ］を表す。

次に接合部材について説明する。
上記金属部材としては、鉄鋼、アルミニウム合金、ステンレス鋼、鋳鉄 銅合金、ニッケル合金等溶接が可能な金属材料から成る金属部材を使用することができるが、例えば、高張力鋼板や５０００系アルミニウム（アルミマグネシウム合金）が用いられる。

金属部材の導通部と接触する箇所の厚さは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍ未満では実用的でなく、また３ｍｍを超えると溶接箇所の強度が低下することがある。

本発明の繊維強化樹脂部材は導通部を有する。該導通部は、繊維強化樹脂部材に穴をあけ、該穴に導電性を有する中間部材を挿入することで形成することができる。また、予め繊維強化樹脂部材を形成する際に導電材を含有させて導通部を設けてもよい。
上記繊維強化樹脂の繊維としては、特に制限はなく、炭素繊維、ケブラー繊維、ガラス繊維等、従来公知の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）に用いているものを使用することができる。
また、繊維強化樹脂の樹脂としては、特に制限はなく、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂等、従来公知の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）に用いているものを使用することができる。

上記中間部材としては、金属材料、導電材含有樹脂等、導通性を有するものであれば使用することができる。上記金属材料としては、上記金属部材と同様な材料を使用することができ、導電材含有樹脂としては、上記樹脂中に導電性フィラーを分散したもの等を使用できる。

上記導通部は、ナゲットを形成できる大きさを有すればどのような形状であってもよく、例えば、円形、楕円形、長方形等があげられるが円形であることが好ましい。導通部の形状が楕円形や長方形等、短径と長径とを有する場合は、図６に示すように、負荷荷重方向と短径方向とが実質的に同じになるように設けることが好ましい。ナゲット近傍ほど大きな反力が得られるため、負荷荷重方向が短径方向であることにより、繊維強化樹脂部材の非連続箇所が短くなると共に、該非連続性が大きな反力によって補完され、接合強度が向上する。

また、繊維強化樹脂部材が繊維方向に異方性を有するものである場合は、該繊維方向を導通部の幅方向（負荷荷重方向）にすることが好ましい。繊維方向が導通部の幅方向であることで、負荷荷重方向と繊維方向とが揃い、繊維の非連続性をブリッジ効果でつなぐことができ、接合強度を向上できる。
なお、繊維方向が導通部の幅方向とは、繊維方向と導通部の幅方向とが実質的に同じ方向であれば足り、繊維強化樹脂部材中の繊維が平行でない場合等、複数の繊維の方向を合成した方向と実質的に平行であればよい。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
ウォータジェットを用いて、炭素繊維強化エポキシ樹脂（厚さ１．０ｍｍ、トレカプリプレグ：Ｆ６３４３Ｂ−０５Ｐ：東レ株式会社製）に幅１０ｍｍの円形の穴を開けた。別途用意した、接合する金属部材と同じ金属材料から成る中間体（１００Ｋｇ級高張力鋼板）を上記穴に挿入し、導通部を有する繊維強化樹脂部材を得た。
次に、上記繊維強化樹脂部材を厚さ２ｍｍの金属材料（１００Ｋｇ級高張力鋼板：縦弾性係数２１０［ＧＰａ］）で挟み、以下の条件で、繊維強化樹脂部材の導通部と金属材料とをスポット溶接した。

（溶接条件）
６ｍｍ径の電極を用い、溶接電流：１０ｋＡ、サイクル数：１５サイクル、加圧力：５０００ｋＮｆの一段通電でのスポット溶接。

図７に示すように、接合した接合体を、繊維方向が負荷方向になるように治具にピンで留め、矢印の方向に引張り、接合部の引張り強さを評価した。評価結果を表１に示す。
繊維強化樹脂の導通部周辺のブリッジ効果（反力）が得られない接合体の接合強度に対して、
◎：接合強度が２０％〜以上向上。
○：接合強度が５％以上２０％未満の向上。
▲：接合強度が±５％の範囲。

［実施例２乃至１８］
金属材料及び中間体形状を表１のように変える他は実施例１と同様にして接合し評価した。評価結果を表１に示す。

表１の結果より、本発明の接合方法によれば、繊維強化樹脂部材と金属部材とを接合することができ、さらに式１、２を同時に満たすと強固に接合できることがわかる。

１ 繊維強化樹脂
２ 導通部
３ 金属部材
４ 電極
５ ナゲット
６ 治具
７ ピン

Claims (9)

1. 繊維強化樹脂部材と金属部材との接合方法であって、
   上記繊維強化樹脂部材は該樹脂部材を貫通した導通部を有するものであり、
   該繊維強化樹脂部材を上記導通部ごと上記金属部材で挟み、該導通部と該金属部材とを抵抗溶接することを特徴とする接合方法。
2. 上記導通部の幅（負荷荷重方向の長さ）をＬ［ｍｍ］、
   上記金属部材の厚さをｔ［ｍｍ］、
   上記金属部材の縦弾性係数をＥ［Ｇｐａ］とするとき、
   以下の式１及び式２を同時に満たすことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
   

   
3. 上記導通部は、繊維強化樹脂部材に設けた貫通孔に導通性を有する中間部材を挿入したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
4. 上記導通部は、金属材料又は導電材含有樹脂部材で形成されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の接合方法。
5. 上記金属部材は、上記繊維強化樹脂部材の導通部と接触する箇所の厚さが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の接合方法。
6. 上記導通部の平面形状が、円形、楕円形又は長方形であり、導通部が楕円形又は長方形である場合、該導通部の幅が、短軸又は短辺方向であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つの項に記載の接合方法。
7. 上記繊維強化樹脂部材が繊維方向に異方性を有するものであり、該繊維方向が導通部の幅方向であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つの項に記載の接合方法。
8. 繊維強化樹脂部材と金属部材と導通性を有する中間部材を備え、上記繊維強化樹脂部材を上記中間部材を介して上記金属部材で挟持して成る接合体であって、
   上記金属部材同士が上記繊維強化樹脂部材を貫通した上記中間部材との抵抗溶接によって接合されるともに、上記繊維強化樹脂部材が上記金属部材同士で押圧されており、
   上記押圧によって上記繊維強化樹脂部材に生じる反力が、上記中間部材に近接するほど大きい、ことを特徴とする接合体。
9. 請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の接合方法で接合されたことを特徴とする繊維強化樹脂と金属との接合体。

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