JP2016144870A - 樹脂部材の接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】マトリックス樹脂中に所定長さ以上の強化繊維が一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材からなる樹脂部材同士の接合強度を向上可能な樹脂部材の接合方法を提供する。
【解決手段】熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂中に所定長さ以上の繊維が一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材からなる二つの樹脂部材を超音波スポット溶着により接合する方法であって、前記二つの樹脂部材の接合面における前記繊維の配向方向を互いに揃えて重ね合わせる工程と、一方の樹脂部材側から超音波ホーンを押し当てるとともに前記超音波ホーンに超音波振動を与え、前記超音波ホーンを他方の樹脂部材の厚さの５０％を超える位置まで進入させる工程と、を備える。
【選択図】図８
【解決手段】熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂中に所定長さ以上の繊維が一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材からなる二つの樹脂部材を超音波スポット溶着により接合する方法であって、前記二つの樹脂部材の接合面における前記繊維の配向方向を互いに揃えて重ね合わせる工程と、一方の樹脂部材側から超音波ホーンを押し当てるとともに前記超音波ホーンに超音波振動を与え、前記超音波ホーンを他方の樹脂部材の厚さの５０％を超える位置まで進入させる工程と、を備える。
【選択図】図８
Description
本発明は、マトリックス樹脂中に所定長さ以上の強化繊維が一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材からなる二つの樹脂部材を超音波スポット溶着により接合する樹脂部材の接合方法に関する。
自動車車体の構造部品は、従来、鋼材等の金属材料により構成されていた。近年、車体の軽量化のために、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）等の繊維強化樹脂材料により構成される構造部品の使用が実現されつつある。かかる繊維強化樹脂材として、繊維長が比較的長い強化繊維が一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材がある。一方向繊維強化複合材は、強化繊維の配向方向において、圧縮強度あるいは引張強度に優れている。
ところで、金属材料からなる部品同士を締結する接合方法として、大きく三つの方法がある。一つはボルト等による艤装接合であり、一つは接着剤による接着であり、一つは金属を溶融させる溶融接合である。一方向繊維強化複合材により部品を構成する場合においても、金属材料からなる部品と同様の強固な接合が求められる。一方向繊維強化複合材等の熱可塑性樹脂材料からなる部品の場合、マトリックス樹脂を溶融させて接合する溶着技術が期待される。
溶着は、ボルト等による艤装接合や、接着剤による接着のように、第三の介在物を用いる接合方法とは異なり、第三の介在物を用いることなく部品同士を強固に接合し得る接合方法である。溶着の中でも、超音波スポット溶着は、局所的に接合したい部位のみの樹脂を溶融させることができるため、部品の全体形状を考慮しなくてよいなど、応用性が高い。例えば、特許文献１には、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維材料を含む繊維強化複合材同士を、超音波ホーンを用いて溶着する方法が開示されている。
超音波ホーンを用いる超音波スポット溶着は、強化繊維を含まない樹脂部材や、ガラス繊維等の比較的繊維長が短い短繊維強化複合材からなる樹脂部材の接合にも用いられてきたが、その接合強度は決して高いものではなかった。特に、車両の構造部品として樹脂部材が用いられる場合には、樹脂部材同士の接合部が、牽引力あるいは圧縮力にも耐え得ることが必要とされる。このため、上述した一方向繊維強化複合材からなる部品同士の溶着方法として、高い接合強度が得られる溶着方法が望まれる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、マトリックス樹脂中に所定長さ以上の強化繊維が一方向に配向して配置された一方向樹脂強化複合材からなる樹脂部材同士の接合強度を向上させることが可能な、樹脂部品の接合方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂中に所定長さ以上の繊維が一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材からなる二つの樹脂部材を超音波スポット溶着により接合する方法であって、前記二つの樹脂部材の接合面における前記繊維の配向方向を互いに揃えて重ね合わせる工程と、一方の樹脂部材側から超音波ホーンを押し当てるとともに前記超音波ホーンに超音波振動を与え、前記超音波ホーンを他方の樹脂部材の厚さの５０％を超える位置まで進入させる工程と、を備える、樹脂部材の接合方法が提供される。
前記繊維の長さが、前記他方の樹脂部材における前記超音波ホーンの進入量の１．０倍以上であってもよい。
前記繊維が連続繊維又は長繊維であってもよい。
前記樹脂部材が、１．０〜４．０ｍｍの範囲内の厚さを有する板材であってもよい。
前記一方向繊維強化複合材に含まれる前記繊維の体積含有率（Ｖｆ）が４０〜７０％の範囲内であってもよい。
前記超音波ホーンを押し当てる際の圧力が、１００〜８００Ｎの範囲内であってもよい。
前記繊維が、炭素繊維又は炭素含有繊維であってもよい。
以上説明したように本発明の樹脂部材の接合方法によれば、マトリックス樹脂中に所定長さ以上の強化繊維が一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材からなる樹脂部材同士の接合強度を向上させることができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。
＜１．樹脂部材＞
まず、本発明の実施の形態にかかる樹脂部材の接合方法により互いに接合される樹脂部材について説明する。樹脂部材は、超音波スポット溶着によって互いに接合される部材である。超音波スポット溶着は、例えば、図１に示すように、第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとを、互いの接合面を当接させて支持した状態で、接合位置Ｓに対して、超音波溶着装置の超音波ホーン３０を第２の樹脂部材１０Ｂにおける接合面の反対側の面から押し当てることにより行われる。かかる第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂは、以下に説明する樹脂部材により構成される。
まず、本発明の実施の形態にかかる樹脂部材の接合方法により互いに接合される樹脂部材について説明する。樹脂部材は、超音波スポット溶着によって互いに接合される部材である。超音波スポット溶着は、例えば、図１に示すように、第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとを、互いの接合面を当接させて支持した状態で、接合位置Ｓに対して、超音波溶着装置の超音波ホーン３０を第２の樹脂部材１０Ｂにおける接合面の反対側の面から押し当てることにより行われる。かかる第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂは、以下に説明する樹脂部材により構成される。
（１−１．全体構成）
樹脂部材１０Ａ，１０Ｂは、例えば、自動車車体用部品に使用される部材である。ただし、樹脂部材１０Ａ，１０Ｂの用途は、特に限定されるものではない。樹脂部材１０Ａ，１０Ｂは、マトリックス樹脂Ｐ中に、所定以上の長さの強化繊維Ｆが一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材からなる樹脂部材であれば、特に限定されない。例えば、樹脂部材１０Ａ，１０Ｂは、一方向に配向して配置した強化繊維Ｆに、熱可塑性樹脂を含浸させて成形した部材（一方向繊維強化部材）とすることができる。あるいは、一方向に配向した配置した強化繊維Ｆに、熱可塑性樹脂を含浸させ、加熱又は乾燥してシート状にしたプリプレグ（一方向繊維強化部材）を積層して成形した部材であってもよい。
樹脂部材１０Ａ，１０Ｂは、例えば、自動車車体用部品に使用される部材である。ただし、樹脂部材１０Ａ，１０Ｂの用途は、特に限定されるものではない。樹脂部材１０Ａ，１０Ｂは、マトリックス樹脂Ｐ中に、所定以上の長さの強化繊維Ｆが一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材からなる樹脂部材であれば、特に限定されない。例えば、樹脂部材１０Ａ，１０Ｂは、一方向に配向して配置した強化繊維Ｆに、熱可塑性樹脂を含浸させて成形した部材（一方向繊維強化部材）とすることができる。あるいは、一方向に配向した配置した強化繊維Ｆに、熱可塑性樹脂を含浸させ、加熱又は乾燥してシート状にしたプリプレグ（一方向繊維強化部材）を積層して成形した部材であってもよい。
プリプレグを積層して樹脂部材１０Ａ，１０Ｂを成形する場合、各プリプレグにおける強化繊維の配向方向は、例えば同一方向に揃えられてよい。ただし、樹脂部材１０Ａ，１０Ｂの接合面から離れた位置のプリプレグ１５の強化繊維Ｆの配向方向が、接合面側のプリプレグ１５の強化繊維Ｆの配向方向と異なっていてもよい。すなわち、第２の樹脂部材１０Ｂについては、超音波スポット溶着によって、強化繊維Ｆが第１の樹脂部材１０Ａ中に入り込む範囲のプリプレグ１５の強化繊維Ｆの配向方向が一方向に揃っていればよい。また、第１の樹脂部材１０Ａについては、超音波スポット溶着によって、第２の樹脂部材１０Ｂ中の強化繊維Ｆが入り込む範囲の強化繊維Ｆの配向方向が一方向に揃っていればよい。
例えば、樹脂部材１０Ａ，１０Ｂは、マトリックス樹脂Ｐ中に、配向方向に沿って連続する連続繊維Ｆｃが配置された一方向繊維強化複合材からなる樹脂部材１０とすることができる。図２は、連続繊維Ｆｃを含む樹脂部材１０の斜視図である。図２に示す樹脂部材１０は、長手方向に沿って配向された連続繊維Ｆｃを含む。
ただし、樹脂部材１０Ａ，１０Ｂは、配向方向に不連続とされた、所定長さ以上の不連続繊維Ｆｓが配置された一方向繊維強化複合材を含む樹脂部材１０’であってもよい。図３は、不連続繊維Ｆｓを含むプリプレグ（一方向繊維強化複合材）１５を積層して成形した樹脂部材１０’の断面図である。かかる樹脂部材１０’では、一方向に配向して配置した不連続繊維Ｆｓを含むプリプレグ１５が、不連続繊維Ｆｓの配向方向を同一方向に揃えた状態で積層されている。
かかる樹脂部材１０Ａ，１０Ｂの形状は、特に制限されるものではないが、例えば板材とすることができる。一方向繊維強化複合材からなる樹脂部材１０Ａ，１０Ｂは強度に優れるため、板材であっても所定の強度を得ることができる。また、かかる樹脂部材１０Ａ，１０Ｂが板材であれば、軽量化にも有効である。樹脂部材１０Ａ，１０Ｂが板材である場合、樹脂部材の厚さが薄すぎると強度が低下するおそれがある。また、樹脂部材１０Ａ，１０Ｂの厚さが厚すぎると重量が増加する。樹脂部材１０Ａ，１０Ｂの厚さは、例えば、１．０〜４．０ｍｍの範囲内とすることができる。
（１−２．構成材料）
一方向繊維強化複合材において使用される強化繊維Ｆは、特に限定されるものではなく、例えば、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維等、さらにはこれらを組み合わせた強化繊維を使用することができる。中でも、高い機械特性や強度設計の行いやすさ等の観点から、炭素繊維を含むことが好ましい。
一方向繊維強化複合材において使用される強化繊維Ｆは、特に限定されるものではなく、例えば、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維等、さらにはこれらを組み合わせた強化繊維を使用することができる。中でも、高い機械特性や強度設計の行いやすさ等の観点から、炭素繊維を含むことが好ましい。
一方向繊維強化複合材に含まれる強化繊維Ｆの体積含有率Ｖｆは、４０〜７０％の範囲内とすることができる。強化繊維Ｆの体積含有率Ｖｆが低すぎると、強化繊維Ｆ同士の絡み度合いが低くなって、接合強度が低下する場合がある。一方、強化繊維Ｆの体積含有率Ｖｆが高すぎると、マトリックス樹脂の割合が低下し、強度が低下する場合がある。したがって、一方向繊維強化複合材に含まれる強化繊維Ｆの体積含有率Ｖｆは、４２〜６５％の範囲内とすることがより好ましく、４５〜６２％の範囲内とすることがさらに好ましい。なお、強化繊維Ｆの体積含有率Ｖｆは、ＪＩＳ Ｋ ７０５２、Ｋ７０７５に準じて測定される値である。
上述のとおり、強化繊維Ｆは、所定長さ以上の繊維長を有する強化繊維であれば、連続繊維であってもよく、あるいは、不連続な長繊維であってもよい。強化繊維Ｆが不連続繊維Ｆｓである場合、強化繊維Ｆの長さは、超音波ホーンを押し当てる樹脂部材とは反対側の樹脂部材における、超音波ホーンの進入量の１．０倍以上の長さであることが好ましい。かかる長さの強化繊維Ｆを含むことにより、接合される樹脂部材１０Ａ，１０Ｂ中の強化繊維Ｆ同士が絡み合って、接合強度の向上に寄与しやすくなる。樹脂部材１０Ａ，１０Ｂを構成する強化繊維Ｆの長さは、例えば、２．０ｍｍ以上とすることができるが、この長さに制限されるものではない。
なお、長繊維及びその端材等を機械によって細かく裁断して得られるいわゆる短繊維以外の所定の長さを有する長繊維は、所定長さ以上の繊維長を有する強化繊維Ｆに含まれる。すなわち、長繊維とは、比較的長い繊維長を有する不連続繊維を意味する。
また、一方向繊維強化複合材のマトリックス樹脂Ｐとしては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、フッ素樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂などの熱可塑性樹脂が例示される。これらの熱可塑性樹脂うちの１種類、あるいは２種類以上の混合物を使用することができる。これら熱可塑性樹脂は、単独でも、混合物でも、また共重合体であってもよい。混合物の場合には相溶化剤を併用してもよい。さらに、難燃剤として臭素系難燃剤、シリコン系難燃剤、赤燐などを加えてもよい。
この場合、使用される熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、芳香族ポリアミド等の樹脂が挙げられる。中でも可塑性マトリックス樹脂がポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン及びフェノキシ樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。
なお、互いに接合される第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂを構成する一方向繊維強化複合材のマトリックス樹脂Ｐ及び強化繊維Ｆは、異なっていてもよい。ただし、成形性の観点から、用いられるマトリックス樹脂Ｐの表面パラメータ（ＳＰ値）が近い等、互いに相溶するものであることが好ましい。
＜２．樹脂部材の接合方法＞
以上、本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法における接合対象としての樹脂部材１０の構成について説明した。次に、本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法として、超音波スポット溶着により、第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとを接合する方法の一例について説明する。
以上、本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法における接合対象としての樹脂部材１０の構成について説明した。次に、本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法として、超音波スポット溶着により、第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとを接合する方法の一例について説明する。
図４は、本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法において用いられる超音波ホーン３０の先端形状を示す説明図である。図５〜図８は、第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとが接合される様子を示す説明図である。かかる図５〜図８は、超音波ホーン３０の進入位置において第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂを切断した断面図を示す。
かかる接合方法の例は、超音波溶着装置の超音波ホーン３０を、第２の樹脂部材１０Ｂ側から押し当てるとともに、超音波ホーン３０に超音波振動を与えることにより、第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとを溶着する超音波スポット溶着の例である。以下の例では、第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂともに、強化繊維全体を、一方向に配向して配置した強化繊維Ｆ１，Ｆ２を含む一方向繊維強化複合材からなる樹脂部材として構成されている。使用する超音波ホーン３０は、例えば、図４に示すように、先端部３０ａの形状が円錐状をなすスポットタイプとすることができる。図示した超音波ホーン３０の先端部３０ａの先端は曲面となっている。なお、超音波ホーン３０は、先端部の形状がダイヤカット形状をなす面タイプであってもよい。
まず、図５に示すように、第１の樹脂部材１０Ａと、第２の樹脂部材１０Ｂとが、互いの接合面を対向させて、重ね合わせられる。このとき、第１の樹脂部材１０Ａにおける強化繊維Ｆ１の配向方向と、第２の樹脂部材１０Ｂにおける強化繊維Ｆ２の配向方向とが、互いに揃えられて重ね合わせられる。図示した例では、接合面を上に向けて載置された第１の樹脂部材１０Ａの上に、接合面を下に向けた第２の樹脂部材１０Ｂが重ね合わせられて保持されている。第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとは、上下が逆になっていてもよい。
なお、第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとを重ね合わせる際に、互いの接合面における強化繊維Ｆ１，Ｆ２の配向方向が揃えられていればよい。すなわち、図３に示すような、複数のプリプレグ１５を積層して成形された樹脂部材１０’の場合には、接合面から離れた位置におけるプリプレグ１５の強化繊維の配向方向が、接合面における強化繊維Ｆ１，Ｆ２の配向方向とは異なっていてもよい。
この状態で、接合位置Ｓに対して、第２の樹脂部材１０Ｂの上面側から超音波ホーン３０を押し当てるとともに、超音波ホーン３０に対して超音波振動を付与する。これにより、接合位置Ｓに面圧がかかり、当該接合位置Ｓの表面のマトリックス樹脂Ｐが溶融し始める。
このとき、超音波ホーン３０を押し当てる際の加圧力が低すぎると、接合が完了するまでに要する時間が長くなって、樹脂の熱分解が必要以上に生じる場合がある。また、超音波ホーン３０を押し当てる際の加圧力が高すぎると、第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとを互いに密着させたまま保持することが困難になる場合がある。したがって、超音波ホーン３０を押し当てる際の加圧力は、１００〜８００Ｎの範囲内とすることが好ましく、２００〜７００Ｎの範囲内とすることがより好ましい。
また、超音波ホーン３０に与えられる振動の振幅が小さすぎると、接合が完了するまでに要する時間が長くなって、樹脂の熱分解が必要以上に生じる場合がある。また、超音波ホーン３０に与えられる振動の振幅が大きすぎると、十分な周波数で装置を超音波溶着装置を稼働させられなくなる場合がある。したがって、超音波ホーン３０に与えられる振動の振幅は、１０〜６０μｍの範囲内とすることが好ましく、２０〜５０μｍの範囲内とすることがより好ましい。ただし、超音波ホーン３０に与えられる振動の振幅の条件は、超音波溶着を実施する設備に依存し、接合対象の樹脂部材のサイズによって最適な条件に設定される。
また、超音波ホーン３０に与えられる振動の周波数が小さすぎると、接合が完了するまでに要する時間が長くなって、樹脂の熱分解が必要以上に生じる場合がある。したがって、超音波ホーン３０に与えられる振動の周波数は、設備上の制約等も考慮して、３０〜６０ｋＨｚの範囲内とすることが好ましく、３５〜５０ｋＨｚの範囲内とすることがより好ましい。ただし、超音波ホーン３０に与えられる振動の周波数の条件は、超音波溶着を実施する設備に依存し、接合対象の樹脂部材のサイズによって最適な条件に設定される。
さらに、第２の樹脂部材１０Ｂに対して、超音波ホーン３０による加圧及び超音波振動を継続すると、図６〜図７に示すように、超音波ホーン３０は第２の樹脂部材１０Ｂを貫通して、第１の樹脂部材１０Ａに進入し始める。また、超音波ホーン３０の第１の樹脂部材１０Ａへの進入に伴って、第２の樹脂部材１０Ｂにおける接合面近傍の強化繊維Ｆ２が、第１の樹脂部材１０Ａ側に入り込み始める。
また、第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂの表面がさらに溶融するが、超音波ホーン３０の先端部３０ａにより負荷される第２の樹脂部材１０Ｂへの押圧力の低下に伴って、マトリックス樹脂Ｐの溶融量が最大となる時期を迎える。具体的には、超音波ホーン３０が第２の樹脂部材１０Ｂを貫通する直前において、マトリックス樹脂Ｐの溶融量が最大となる。このとき、第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂの接合面の界面は、強化繊維Ｆ１，Ｆ２の配向方向に沿って配向するため、溶融したマトリックス樹脂Ｐの層の接合強度も、同一の方向に沿って高くなる。かかるマトリックス樹脂Ｐの層は、後に硬化して、接着層となる。
以降、第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２が、第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１中に押し込まれながら切断される。本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法では、図７に示すように、超音波ホーン３０は、先端の位置が、第１の樹脂部材１０Ａの厚さの５０％を超えるまで、第１の樹脂部材１０Ａに対して押し込まれる。超音波ホーン３０の先端部３０ａの周囲には、圧縮された一部の第１の樹脂部材１０Ａと、同じく圧縮された一部の第２の樹脂部材１０Ｂとが混在する。
このとき、第２の樹脂部材１０Ｂの接合面の強化繊維Ｆ２の配向方向が、第１の樹脂部材１０Ａの接合面の強化繊維Ｆ１の配向方向に沿っていることにより、第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２が、第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１へと入りこみやすくなる。そのため、第２の樹脂部材１０Ｂ中の強化繊維Ｆ２が切断されるとしても、繊維長が短くなりすぎることが抑制され、第２の樹脂部材１０Ｂ中の強化繊維Ｆ２と第１の樹脂部材１０Ａ中の強化繊維Ｆ１とが絡み合いやすくなる。
そして、図８に示すように、超音波ホーン３０を第２の樹脂部材１０Ｂに押圧し始めてから、あるいは、超音波ホーン３０が第１の樹脂部材１０Ａへと到達して、超音波ホーン３０の進入を停止してから、あらかじめ設定した所定時間が経過するまで、超音波ホーン３０を保持する。これにより、第１の樹脂部材１０Ａ中の強化繊維Ｆ１と第２の樹脂部材１０Ｂ中の強化繊維Ｆ２とが、溶融したマトリックス樹脂Ｐ中で絡み合う。その後、超音波ホーン３０を上昇させることにより、超音波スポット溶着が終了する。これにより、溶融したマトリックス樹脂Ｐは硬化し始め、第１の樹脂部材１０Ａの接合面及び第２の樹脂部材１０Ｂの接合面の界面が溶着される。
このように、本実施形態にかかる樹脂部材１０Ａ，１０Ｂの接合方法では、第１の樹脂部材１０Ａ中の強化繊維Ｆ１と、第２の樹脂部材１０Ｂ中の強化繊維Ｆ２とが、同一の方向に向けて配向される。これにより、第２の樹脂部材１０Ｂ中の強化繊維Ｆ２が短く分断されすぎることなく、第１の樹脂部材１０Ａ中の強化繊維Ｆ１に入り込みやすくなる。そのため、超音波ホーン３０の先端を第１の樹脂部材１０Ａの厚さの５０％以上の位置まで進入させることにより、強化繊維Ｆ同士の絡み度合いが強くなり、接合強度が向上する。また、超音波ホーン３０の先端の進入量が増大するほど、強化繊維Ｆ１，Ｆ２同士の絡み度合いが強くなり、接合強度がより増大する。
以下、本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法において、第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１と第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２とが絡み合いやすくなるメカニズムについて説明する。
図９は、超音波ホーン３０を押し込む前と、超音波ホーン３０を押し込んだ後とにおける、第１の樹脂部材１０Ａ中の強化繊維Ｆ１及び第２の樹脂部材１０Ｂ中の強化繊維Ｆ２の状態を示す模式図である。図９の下の図は、第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂを側方から見た模式図を示し、図９の上の図は、超音波ホーン３０の押し込み方向に沿って強化繊維Ｆ１，Ｆ２を見た模式図を示す。
本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法では、第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂの接合面において、各強化繊維Ｆ１、Ｆ２の配向方向が同一方向に向けられている。したがって、超音波ホーン３０の押し込み方向に見たときに、第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１と、第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２とが交差しない。そのため、超音波ホーン３０が押し込まれ、第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２が第１の樹脂部材１０Ａ中に入り込んでいく際に、第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２と第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１とが重なることによって切断されにくくなる。
そのため、第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２は、繊維長が比較的長く維持されたまま、第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１中に入り込む。これにより、第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２と第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１とが絡み合いやすくなる。
比較のため、第１の樹脂部材の連続繊維と第２の樹脂部材の連続繊維とが交差するように配向された場合の連続繊維の状態について説明する。図１０は、超音波ホーンを押し込む前と、超音波ホーンを押し込んだ後とにおける、第１の樹脂部材８０中の強化繊維Ｆ１及び第２の樹脂部材９０中の強化繊維Ｆ２の状態を示す模式図である。図１０の下の図は、第１の樹脂部材８０及び第２の樹脂部材９０を側方から見た模式図を示し、図１０の上の図は、超音波ホーンの押し込み方向に沿って強化繊維Ｆ１，Ｆ２を見た模式図を示す。
かかる対比例で示した樹脂部材の接合方法では、超音波ホーン３０の押し込み方向に見たときに、第１の樹脂部材８０及び第２の樹脂部材９０の接合面において、各強化繊維Ｆ１，Ｆ２の配向方向が交差している。したがって、超音波ホーン３０を押し込んだ際に、第２の樹脂部材９０の強化繊維Ｆ２と第１の樹脂部材８０の強化繊維Ｆ１とが互いにぶつかり合う。
そのため、第２の樹脂部材９０の強化繊維Ｆ２が第１の樹脂部材８０の強化繊維Ｆ１中に入り込みにくくなるとともに、各強化繊維Ｆ１，Ｆ２は短く切断されやすくなる。これにより、第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２と第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１との絡み度合いが低くなり、接合強度を向上させることが難しくなる。
以上のように、本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法では、超音波スポット溶着時に、第２の樹脂部材１０Ｂの強化繊維Ｆ２が、繊維長を比較的長く維持したままで、第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１中に入り込みやすくなる。そのため、強化繊維Ｆ１，Ｆ２同士の絡み度合いが高められ、接合強度を向上させることができる。
＜３．効果＞
以上説明した本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法では、一方向繊維強化複合材からなる第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂを超音波スポット溶着により接合するにあたり、接合面における強化繊維Ｆの配向方向が互いに揃えられる。この状態から、超音波ホーン３０が第２の樹脂部材１０Ｂ側から押し当てられるとともに、超音波ホーン３０に対して超音波振動が与えられ、超音波ホーン３０は第１の樹脂部材１０Ａの厚さの５０％を超える位置まで進入させられる。
以上説明した本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法では、一方向繊維強化複合材からなる第１の樹脂部材１０Ａ及び第２の樹脂部材１０Ｂを超音波スポット溶着により接合するにあたり、接合面における強化繊維Ｆの配向方向が互いに揃えられる。この状態から、超音波ホーン３０が第２の樹脂部材１０Ｂ側から押し当てられるとともに、超音波ホーン３０に対して超音波振動が与えられ、超音波ホーン３０は第１の樹脂部材１０Ａの厚さの５０％を超える位置まで進入させられる。
これにより、第２の樹脂部材１０Ｂ中の強化繊維Ｆ２は、その長さが比較的長く維持されたまま第１の樹脂部材１０Ａの強化繊維Ｆ１中に入り込み、第１の樹脂部材１０Ａ中の強化繊維Ｆ１と第２の樹脂部材１０Ｂ中の強化繊維Ｆ２とが絡みやすくなる。したがって、溶融したマトリックス樹脂Ｐが硬化した後、第１の樹脂部材１０Ａと第２の樹脂部材１０Ｂとの接合強度が高められる。
以下、本実施形態にかかる樹脂部材の接合方法の実施例について説明する。
以下の実施例においては、一方向繊維強化複合材からなる樹脂部材を２枚準備し、これらの樹脂部材を超音波スポット溶着により接合する際の超音波ホーンの進入量を変えながら、樹脂部材の接合体の接合強度を測定した。樹脂部材は、１層の厚みが０．１６ｍｍのプリプレグを積層した、板厚が約２．０ｍｍ、長さが１００ｍｍ、板幅が２５ｍｍの板状の樹脂部材である。プリプレグは、ポリアミド６をマトリックス樹脂とする、炭素繊維の体積含有率Ｖｆが５０％の一方向繊維強化複合材である。また、積層したプリプレグは、強化繊維の配向方向がすべて同一方向に向けられたものである。
図１１は、本実施例において、超音波スポット溶着の際に用いた超音波ホーン３０を示す。超音波ホーン３０は、先端部３０ａが円錐状をなすスポットタイプとした。かかる超音波ホーン３０を用いて、周波数を４０ｋＨｚ、振幅を４５μｍ、押圧力を４３０Ｎとして、２枚の樹脂部材を超音波スポット溶着により接合した。その際、図１２に示すように、２枚の樹脂部材１０Ａ，１０Ｂを、長さ方向に１２．５ｍｍ重ね合わせ、合計厚さを約４．０ｍｍとし、上側の樹脂部材１０Ｂ側から超音波ホーン３０を押し当てた。
樹脂部材１０Ａ，１０Ｂを超音波スポット溶着により接合した後、それぞれの樹脂部材１０Ａ，１０Ｂの端部に、接着剤を用いてタブを接合した上で、ＪＩＳ Ｋ ６８５０に準じて、樹脂部材１０Ａ，１０Ｂの接合体の引張せん断強度を測定した。ただし、引張試験実施時における引張速度（移動速度）は、５ｍｍ／分とした。引張試験機として、ＡＧ−１００ｋＮＸ（島津製作所社製）を用いた。
樹脂部材１０Ａ，１０Ｂに対する超音波ホーン３０の進入量、樹脂部材１０Ａに対する超音波ホーン３０の進入率、接合体の引張せん断強度（荷重）の結果を表１に示す。表１において、進入量は、図１２における上側の樹脂部材１０Ｂの上面からの超音波ホーン３０の先端の進入量（ｍｍ）を示す。また、進入率は、図１２における下側の樹脂部材１０Ａへの超音波ホーン３０の進入率を示し、樹脂部材１０Ａの厚さ（＝２．０ｍｍ）を１００（％）とした場合の超音波ホーン３０の進入率を示す。例えば、進入量が３．０ｍｍの場合、樹脂部材１０Ｂへの進入量は２．０ｍｍ、樹脂部材１０Ａへの進入量は１．０ｍｍであり、樹脂部材１０Ａへの進入率は５０％となる。
なお、表１では、目標進入率（目標進入量）と実際の進入率（進入量）とは誤差が生じるため、進入量及び進入率とは別に平均進入率を示している。また、これに対応して、平均進入率毎に、荷重平均が示されている。
また、上記実施例の進入率（％）と荷重（ｋＮ）との関係を図１３に示す。図１３では、横軸が進入率（％）を示し、縦軸が荷重（ｋＮ）を示す。
表１及び図１３に示したように、重ね合わせた下側の樹脂部材１０Ａに対する超音波ホーン３０の進入率が５０％以上の実施例１〜９では、当該進入率が５０％未満の比較例１〜７に比べて、引張せん断強度（荷重）が大きくなることが分かった。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１０，１０’ 樹脂部材（一方向繊維強化複合材）
１０Ａ 第１の樹脂部材（下側の樹脂部材）
１０Ｂ 第２の樹脂部材（上側の樹脂部材）
１５ プリプレグ（一方向繊維強化複合材）
３０ 超音波ホーン
３０ａ 先端部
８０ 第１の樹脂部材
９０ 第２の樹脂部材
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２ 強化繊維
Ｆｃ 連続繊維
Ｐ マトリックス樹脂
Ｓ 接合位置
Ｖｆ 強化繊維の体積含有率
１０Ａ 第１の樹脂部材（下側の樹脂部材）
１０Ｂ 第２の樹脂部材（上側の樹脂部材）
１５ プリプレグ（一方向繊維強化複合材）
３０ 超音波ホーン
３０ａ 先端部
８０ 第１の樹脂部材
９０ 第２の樹脂部材
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２ 強化繊維
Ｆｃ 連続繊維
Ｐ マトリックス樹脂
Ｓ 接合位置
Ｖｆ 強化繊維の体積含有率
Claims (7)
- 熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂中に所定長さ以上の強化繊維が一方向に配向して配置された一方向繊維強化複合材からなる二つの樹脂部材を超音波スポット溶着により接合する方法であって、
前記二つの樹脂部材の接合面における前記強化繊維の配向方向を互いに揃えて重ね合わせる工程と、
一方の樹脂部材側から超音波ホーンを押し当てるとともに前記超音波ホーンに超音波振動を与え、前記超音波ホーンを他方の樹脂部材の厚さの５０％を超える位置まで進入させる工程と、
を備える、樹脂部材の接合方法。 - 前記強化繊維の長さが、前記他方の樹脂部材における前記超音波ホーンの進入量の１．０倍以上である、請求項１に記載の樹脂部材の接合方法。
- 前記強化繊維が連続繊維又は長繊維である、請求項１又は２に記載の樹脂部材の接合方法。
- 前記樹脂部材が、１．０〜４．０ｍｍの範囲内の厚さを有する板材である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹脂部材の接合方法。
- 前記一方向繊維強化複合材に含まれる前記強化繊維の体積含有率（Ｖｆ）が４０〜７０％の範囲内である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の樹脂部材の接合方法。
- 前記超音波ホーンを押し当てる際の圧力が、１００〜８００Ｎの範囲内である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の樹脂部材の接合方法。
- 前記強化繊維が、炭素繊維又は炭素含有繊維である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の樹脂部材の接合方法。
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