JP2019069534A - 金属樹脂接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材と複合材料部材とを容易に接合させるのに有利な金属樹脂接合方法を提供する。【解決手段】金属部材１０と、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材２０とを接合する金属樹脂接合方法であって、金属部材１０と複合材料部材２０との間の第１領域５０ａ，５０ｂに、熱硬化性接着剤である第１接着剤３０ａ，３０ｂを塗布し、金属部材１０と複合材料部材２０との間の第２領域５０ｃに、熱硬化性接着剤である第２接着剤３０ｃを塗布する塗布工程と、第１領域５０ａ，５０ｂに対向する金属部材１０の第１照射領域４６ａ，４６ｂにレーザ光を照射し、第１接着剤３０ａ，３０ｂを加熱して硬化させて、金属部材１０と複合材料部材２０とを仮付け接着させる仮接着工程と、仮接着工程の後に、第２接着剤３０ｃを硬化させて、金属部材１０と複合材料部材２０とを接着させる本接着工程とを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、金属樹脂接合方法に関する。

従来、船舶上部工、橋梁、運搬機、産業機械等の構造物には、鋼材等の金属材料で形成された柱構造体などが用いられている。これに対して、例えば、構造体の更なる軽量化を図るために、一部に鋼材よりも軽量な繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）を用いて構造体を形成する技術がある。特許文献１は、このような構造体に関連し、金属材料で形成される金属部材と、ＦＲＰで形成される複合材料部材とを接合する技術を開示している。

特開２００８−２１３１５６号公報

例えば、金属部材又は複合材料部材の少なくとも一方が大型である場合、金属部材と複合材料部材とを所望の接合位置に一度で合わせることは容易ではない。このとき、１回目の接合を行ったものの、接合位置が所望の位置からずれていた場合には、部材同士を一旦引き離し、位置決めを行った後、再度、部材同士を接合させる必要がある。しかし、特許文献１に開示されている接合技術は、複合材料部材をレーザ光で加熱し、その一部を溶融させることで金属部材に接合するので、一度の接合処理が行われただけでも、特に複合材料部材側に大きな状態変化をもたらす。したがって、特許文献１に開示されている接合技術は、上記のような複数回の接合し直しが想定される場合には、採用することが難しい。

そこで、本発明は、例えば、金属部材と複合材料部材とを容易に接合させるのに有利な金属樹脂接合方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、金属部材と、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材とを接合する金属樹脂接合方法であって、金属部材と複合材料部材との間の第１領域に、熱硬化性接着剤である第１接着剤を塗布し、金属部材と複合材料部材との間の第２領域に、熱硬化性接着剤である第２接着剤を塗布する塗布工程と、第１領域に対向する金属部材の第１照射領域にレーザ光を照射し、第１接着剤を加熱して硬化させて、金属部材と複合材料部材とを仮付け接着させる仮接着工程と、仮接着工程の後に、第２接着剤を硬化させて、金属部材と複合材料部材とを接着させる本接着工程と、を含む。

上記の金属樹脂接合方法は、仮接着工程の前に、第１照射領域、又は、第２領域に対向する金属部材の第２照射領域にレーザ光を照射し、第１接着剤又は第２接着剤を加熱して硬化させて、金属部材と複合材料部材とを一時的に接着させる一時接着工程を含み、仮接着工程では、一時接着工程の後に金属部材と複合材料部材との接合位置がずれていた場合、金属部材と複合材料部材とを引き離し、位置決めした後に仮付け接着されるものとしてもよい。本接着工程では、第２領域に対向する金属部材の第２照射領域にレーザ光を照射し、第２接着剤を加熱して硬化させるものとしてもよい。仮接着工程と本接着工程とでは、第１接着剤又は第２接着剤の種類、加熱温度又は加熱時間の少なくとも１つが異なるものとしてもよい。第１接着剤と第２接着剤とが同一種類である場合、第１接着剤の加熱時間と前記第２接着剤の加熱時間とは異なるものとしてもよい。第１接着剤と第２接着剤とが異なる種類である場合、第１接着剤の加熱温度と第２接着剤の加熱温度とは異なるものとしてもよい。第２接着剤は、常温養生で硬化可能であり、本接着工程では、常温養生で第２接着剤を硬化させるものとしてもよい。本接着工程では、仮接着工程の後に金属部材と複合材料部材との接合位置がずれていた場合、金属部材と複合材料部材とを引き離し、位置決めした後に本接着されるものとしてもよい。金属部材と複合材料部材との接合面において、第１領域と第２領域とは、接合面に対して平行な方向にかかるせん断応力の大きさに基づいて規定されるものとしてもよい。

本発明によれば、例えば、金属部材と複合材料部材とを容易に接合させるのに有利な金属樹脂接合方法を提供することができる。

本発明の実施形態における接合対象とレーザ加熱装置の構成とを示す図である。 熱硬化性接着剤の塗布位置を説明する図である。 本発明の実施形態における塗布工程及び一時接着工程を説明する図である。 本発明の実施形態における仮接着工程を説明する図である。 本発明の実施形態における本接着工程を説明する図である。 接合体に引張せん断接着強さの試験を行ったときの条件を説明する図である。 引張せん断接着強さの試験結果を示すグラフである。 他の実施形態における熱硬化性接着剤の塗布の形態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで、実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本発明に直接関係のない要素については、図示を省略する。さらに、以下の各図では、鉛直方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な水平面内において、Ｘ軸、及び、Ｘ軸に垂直なＹ軸を取る。

本実施形態に係る金属樹脂接合方法では、金属材料で形成される金属部材と、繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）で形成される複合材料部材とを、熱硬化性接着剤を用いた接着により接合する。この接合方法により接合された金属部材と複合材料部材との接合体は、例えば、船舶上部工、橋梁、運搬機、産業機械等の構造物に用いられる柱構造体や桁構造体として採用され得る。このような構造体は、一部にＦＲＰを含むことから、すべて金属製であるものに比べて例えば軽量化の点で有利である。

図１は、本実施形態に係る金属樹脂接合方法による接合対象である金属部材１０及び複合材料部材２０と、レーザ加熱装置４０の構成とを示す斜視図である。なお、金属部材１０及び複合材料部材２０は、一例として、それぞれＸ方向を長手方向とする平板部材であるものとする。そして、金属部材１０と複合材料部材２０とは、互いの主平面の一部同士で接合されるものとする。すなわち、金属部材１０と複合材料部材２０との接合体は、いわゆる重ね継手となる。

金属部材１０は、炭素鋼やステンレス鋼等の鋼材で形成される。金属部材１０は、一般的な鋼材の機械加工で形成することができる。ただし、金属部材１０を形成する材料は、鋼材（鉄系合金）に限られず、アルミニウム材料（アルミニウム合金等）、チタン材料（チタン合金等）、ニッケル材料（ニッケル合金等）等の金属材料であってもよい。

複合材料部材２０は、強化繊維とマトリックス樹脂とを含む繊維強化樹脂複合材料で形成される。強化繊維には、例えば、炭素繊維、アラミド繊維等の有機繊維、ガラス繊維等を用い得る。マトリックス樹脂には、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用い得る。複合材料部材２０は、一般的な繊維強化樹脂複合材料の成形方法で成形し得る。この成形方法としては、例えば、プリプレグを積層した後にオートクレーブ等で樹脂硬化して成形する方法が適用可能である。又は、織物で形成したプリフォームを金型に入れ、このプリフォームに樹脂含浸して硬化するＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法等も適用可能である。

熱硬化性接着剤３０は、例えば、エポキシ樹脂等の合成樹脂からなる接着剤であり、加熱しなければ架橋しない性質を有する。また、熱硬化性接着剤３０には、加熱により架橋が促進されるものの、常温養生によっても架橋する性質を有するものも含まれる。

レーザ加熱装置４０は、金属部材１０の少なくとも一部と、複合材料部材２０の少なくとも一部とが熱硬化性接着剤３０を挟んで重ね合わされているとき、接合部５０上にある金属部材１０の表面１０ａ上に、レーザ光４１を照射する。レーザ光４１の照射により金属部材１０が加熱されると、金属部材１０での伝熱により、熱硬化性接着剤３０が加熱される。

レーザ加熱装置４０は、例えば、レーザ光４１を発振するレーザ発振器４２と、集光光学系４３が内蔵されたレーザトーチ４４と、レーザ発振器４２から発振されたレーザ光４１をレーザトーチ４４へ導く光ファイバ４５とを含む。レーザ光４１の種類は、熱硬化性接着剤３０が硬化する程度に熱硬化性接着剤３０を加熱し得る、すなわち金属部材１０の表面１０ａ上を加熱し得るものであれば、特に限定するものではない。例えば、レーザ光４１として、波長８８０ｎｍの半導体レーザを採用し得る。なお、図１では、レーザ光４１が、照射領域４６上に焦点が一致する、いわゆるジャストフォーカスビームであるものとしている。これに対して、レーザ光４１は、照射領域４６上に焦点が一致しない、いわゆるデフォーカスビームであってもよい。

また、レーザ加熱装置４０は、レーザ光４１の照射領域４６を、金属部材１０の表面１０ａ上のあらゆる領域に設定することができる。このとき、レーザ加熱装置４０は、レーザトーチ４４を金属部材１０の表面１０ａに対して平行移動させることで照射領域４６を変更させてもよいし、レーザトーチ４４の向く方向を変化させることで照射領域４６を変更させてもよい。

次に、熱硬化性接着剤３０の塗布位置について説明する。図２は、熱硬化性接着剤３０の塗布位置を説明するための複合図である。

図２中の中段図は、金属部材１０と複合材料部材２０とが熱硬化性接着剤３０を用いた貼り付けにより接合されている接合部５０を示す側面図である。中段図では、熱硬化性接着剤３０は、金属部材１０と複合材料部材２０とが互いに対向する領域全体に行き渡り、すでに硬化が完了している。ここで、図中、白抜きの矢印で示すように、金属部材１０と複合材料部材２０とについて、接合面と平行な方向に引張の荷重をかけたと想定する。

図２中の上段図は、上記のように引張荷重をかけたときに発生し得る、引張方向についての接合面における引張せん断応力の分布を示すグラフである。上段図の横軸は、引張方向に沿い、接合部５０の金属部材１０の端部を基準とした距離Ｌである。この場合、距離Ｌ_０の位置が、接合部５０における金属部材１０側の端部に相当し、距離Ｌ_４の位置が、接合部５０における複合材料部材２０側の端部に相当する。一方、上段図の縦軸は、せん断応力Ｓである。引張方向についてのせん断応力Ｓの分布は、金属部材１０側の端部と複合材料部材２０側の端部との中間位置である距離Ｌ_２の位置を頂点とし、それぞれの端部を最大点とする曲線状となる。

ここで、以下で例示するような、接合部５０内の特定の部位にだけ熱硬化性接着剤３０を塗布することで、金属部材１０と複合材料部材２０とを仮付け接着して位置決めしようとする場合について考える。せん断応力Ｓは、その値が大きいほど、金属部材１０と複合材料部材２０とが接合されている状態から位置ずれを引き起こさせる要因となり得る。そのため、位置ずれを抑止する観点からすると、接合部５０において、仮付け接着のための熱硬化性接着剤３０をせん断応力Ｓの値が小さい領域に塗布して接合するよりも、せん断応力Ｓの値が大きい領域に塗布して接合した方が有効である。

図２中の下段図は、接合部５０に、せん断応力Ｓの値が大きくなると想定される２箇所の第１領域５０ａ，５０ｂと、第１領域５０ａ，５０ｂよりもせん断応力Ｓの値が小さくなると想定される第２領域５０ｃとを規定した平面図である。第１領域５０ａは、接合部５０における金属部材１０側の端部に近い領域であり、具体的には、上段図の距離Ｌ_０の位置から距離Ｌ_１の位置までの範囲の領域をいう。また、第１領域５０ｂは、接合部５０における複合材料部材２０側の端部に近い領域であり、具体的には、上段図の距離Ｌ_３の位置から距離Ｌ_４の位置までの範囲の領域をいう。ここで、距離Ｌ_１及び距離Ｌ_３におけるせん断応力Ｓ_２は、距離Ｌ_２におけるせん断応力Ｓ_１よりも大きく、距離Ｌ_０及び距離Ｌ_４におけるせん断応力Ｓ_３よりも小さい。特に、距離Ｌ_１及び距離Ｌ_３は、せん断応力Ｓの大きさとその許容値に基づいて決定される。

次に、本実施形態に係る金属樹脂接合方法の具体的な流れについて説明する。図３は、金属樹脂接合方法に含まれる熱硬化性接着剤３０の塗布工程から一時接着工程までの各工程を説明する斜視図である。

図３（ａ）は、熱硬化性接着剤３０の塗布工程を説明する図である。塗布工程では、接合部５０となる複合材料部材２０の表面２０ａ上に、熱硬化性接着剤３０が塗布される。ここで、本実施形態では、せん断応力Ｓの値に基づいて規定された第１領域５０ａ，５０ｂ及び第２領域５０ｃに合わせて、熱硬化性接着剤３０の種類を可変とする。以下、図２の下段図に例示するように、第１領域５０ａに合わせて表面２０ａ上に塗布される熱硬化性接着剤３０を、第１接着剤３０ａと表記する。同様に、第１領域５０ｂに合わせて表面２０ａ上に塗布される熱硬化性接着剤３０を、第１接着剤３０ｂと表記する。また、第２領域５０ｃに合わせて表面２０ａ上に塗布される熱硬化性接着剤３０を、第２接着剤３０ｃと表記する。なお、第１接着剤３０ａ，３０ｂ又は第２接着剤３０ｃの種類又は組み合わせ等については、後述する。熱硬化性接着剤３０の塗布工程の後、一時接着工程が実施される。

一時接着工程は、塗布工程で塗布された第１接着剤３０ａ，３０ｂ又は第２接着剤３０ｃの少なくとも一部を加熱して硬化させることで、金属部材１０と複合材料部材２０とを一時的に接着させる工程である。一時接着工程は、例えば、第１重ね合わせ工程と、第１照射工程とを含む。

図３（ｂ）は、第１重ね合わせ工程を説明する図である。第１重ね合わせ工程では、複合材料部材２０の表面２０ａ上に塗布された熱硬化性接着剤３０に金属部材１０の少なくとも一部が接触することで、金属部材１０と複合材料部材２０とが重ね合わされる。このとき、熱硬化性接着剤３０はすぐには硬化しないため、金属部材１０は、複合材料部材２０に対して変位可能である。第１重ね合わせ工程の後、第１照射工程が実施される。

図３（ｃ）は、第１照射工程を説明する図である。第１照射工程では、レーザ加熱装置４０が金属部材１０の表面１０ａ上にレーザ光４１を照射する。ただし、第１照射工程では、第１接着剤３０ａ，３０ｂ又は第２接着剤３０ｃの少なくとも一部を加熱して硬化させるため、表面１０ａ上の照射領域４６は、硬化させたい接着剤が存在する領域に対応する部分となる。ここでは、一例として、第１領域５０ａ，５０ｂにある第１接着剤３０ａ，３０ｂの少なくとも一部を硬化させるものとする。

この場合、レーザ加熱装置４０は、第１領域５０ａに対応する第１照射領域４６ａにレーザ光４１ａを照射する。同様に、レーザ加熱装置４０は、第１領域５０ｂに対応する第１照射領域４６ｂにレーザ光４１ｂを照射する。これにより、第１照射領域４６ａ，４６ｂが加熱される。加えられた熱は、金属部材１０の内部を介し、第１照射領域４６ａに直近の第１接着剤３０ａと、第１照射領域４６ｂに直近の第１接着剤３０ｂとに伝達される。その結果、第１接着剤３０ａ，３０ｂが主として硬化し、照射領域４６から遠い第２接着剤３０ｃはほとんど硬化しない。したがって、第１照射工程が終了した段階では、金属部材１０と複合材料部材２０とは、一部の熱硬化性接着剤３０、すなわち第１接着剤３０ａ，３０ｂによって一時的に接着されている状態にある。ここで、一部の熱硬化性接着剤３０によって一時的に接着されている状態とは、レーザ照射による加熱時間や第１接着剤３０ａ，３０ｂの温度を減少させることで、第１接着剤３０ａ，３０ｂの双方が半硬化されている状態を含む。又は、一部の熱硬化性接着剤３０によって一時的に接着されている状態とは、第１接着剤３０ａ，３０ｂの双方のうち、それぞれ少なくとも一部の領域のみが加熱されて硬化している状態をも含む。

ここで、第１照射工程は、１回目の重ね合わせである第１重ね合わせ工程が終了した直後に実施される。したがって、例えば、金属部材１０が小型であれば、複合材料部材２０上の所望の位置に精度よく合わせることは、困難ではない。しかし、金属部材１０が大型であれば、１回目の重ね合わせで複合材料部材２０上の所望の位置に精度よく合わせることは、容易ではない。そこで、以下の説明のために、図３（ｃ）では、金属部材１０が所望の位置からずれて複合材料部材２０に重ね合わされ、その結果、Ｙ方向へのずれ量Ｇが生じた状態で一時接着されたと判別された場合を想定する。なお、図面上、ずれ量Ｇは、理解を容易とするために、誇張して記載されている。一時接着工程の後、仮接着工程が実施される。

仮接着工程は、所望の接合位置となるように位置決めした後、金属部材１０と複合材料部材２０とを仮付け接着する工程である。ここで、仮付け接着とは、金属部材１０と複合材料部材２０とが、一応、互いに動かない程度となる接着状態をいう。仮接着工程は、例えば、引き離し工程と、第２重ね合わせ工程と、第２照射工程とを含む。

図４は、金属樹脂接合方法に含まれる仮接着工程を説明する斜視図である。

図４（ａ）は、引き離し工程を説明する図である。引き離し工程では、ずれ量Ｇを補正するために、一時接着の状態から、金属部材１０が複合材料部材２０から一旦引き離される。上記の一時接着の例では、金属部材１０と複合材料部材２０とが第１接着剤３０ａ，３０ｂの少なくとも一部のみを用いて接着されているだけである。したがって、このとき、作業者は、金属部材１０と複合材料部材２０とが接合部５０内の接合面全体に熱硬化性接着剤３０が塗布されて接合されている場合に比べて、金属部材１０を容易に引き離すことが可能となる。引き離し工程の後、第２重ね合わせ工程が実施される。

図４（ｂ）は、第２重ね合わせ工程を説明する図である。第２重ね合わせ工程では、ずれ量Ｇが生じている状態から、複合材料部材２０に対して金属部材１０が所望の位置となるように合わされながら、第１重ね合わせ工程と同様に、金属部材１０と複合材料部材２０とが重ね合わされる。ここで、第１接着剤３０ａ，３０ｂは、先の第１照射工程により硬化されている。そのため、第２重ね合わせ工程における重ね合わせのみでも、複合材料部材２０に対する金属部材１０の位置決め状態は、ある程度維持される。なお、先の引き離し工程と、第２重ね合わせ工程とは、それぞれ１回に限らず、金属部材１０が所望の位置で複合材料部材２０に重ね合わされるまで複数回繰り返されてもよい。このように、金属部材１０が所望の位置で複合材料部材２０に重ね合わされた後、第２照射工程が実施される。

図４（ｃ）は、第２照射工程を説明する図である。第２照射工程では、レーザ加熱装置４０が金属部材１０の表面１０ａ上にレーザ光４１を照射する。ここで、先の第１照射工程では、レーザ光４１の照射により、第１領域５０ａ，５０ｂにある第１接着剤３０ａ，３０ｂの少なくとも一部を硬化させるものとした。これに対して、仮接着工程に含まれる第２照射工程では、第１接着剤３０ａ，３０ｂ全体を硬化させる。

具体的には、レーザ加熱装置４０は、第１照射領域４６ａ全体にレーザ光４１ａを照射する。同様に、レーザ加熱装置４０は、第１照射領域４６ｂ全体にレーザ光４１ｂを照射する。なお、第１照射領域４６ａ，４６ｂのそれぞれにレーザ光４１を照射する順序としては、どちらが先でもよい。また、レーザ加熱装置４０がレーザトーチ４４等を複数有する場合には、第１照射領域４６ａ，４６ｂに同時にレーザ光４１が照射されてもよい。

第２照射工程では、第１照射領域４６ａ，４６ｂ全体がレーザ光４１ａ，４１ｂにより加熱される。加えられた熱は、金属部材１０の内部を介し、第１照射領域４６ａに直近の第１接着剤３０ａと、第１照射領域４６ｂに直近の第１接着剤３０ｂとに伝達される。その結果、第１接着剤３０ａ，３０ｂが主として硬化し、第１照射領域４６ａ，４６ｂから遠い第２接着剤３０ｃはほとんど硬化しない。したがって、第２照射工程が終了した段階では、金属部材１０と複合材料部材２０とは、一部の熱硬化性接着剤３０、すなわち第１接着剤３０ａ，３０ｂによって仮接着されている状態にある。仮接着工程の後、本接着工程が実施される。

なお、上記の一時接着工程及び仮接着工程では、金属部材１０と複合材料部材２０との接合に際して、ずれ量Ｇが生じたかどうかを判別し、ずれ量Ｇが生じている場合には、引き離し工程を含む位置決めを行った後に仮付け接着を行うものとした。ただし、例えば、金属部材１０が小型であれば、複合材料部材２０上の所望の位置に合わせることは困難ではないので、当初の接着工程において、ずれ量Ｇを生じさせることなく、各部材を接合させることも可能である。そのため、金属部材１０等の大きさなどの条件により、予めずれ量Ｇが生じづらいと判断できる場合には、上記の一時接着工程を省略することも可能である。この場合、仮接着工程における第２重ね合わせ工程及び第２照射工程が、金属部材１０と複合材料部材２０とを最初に接着する工程として位置付けられることになる。

本接着工程は、熱硬化性接着剤３０のうち未硬化状態にある接着剤を硬化させて、金属部材１０と複合材料部材２０とを本接着する工程である。ここで、本接着とは、上記の工程で製造された金属部材１０と複合材料部材２０との接合体が、設計荷重に対して強度や剛性が所望の値を満たしている接着状態をいう。本接着工程としては、例えば、以下のような工程が採用可能である。

まず、第１の本接着工程として、未硬化状態にある接着剤を、第１照射工程及び第２照射工程と同様に、レーザ光４１の照射による加熱により硬化させて接着させる第３照射工程を採用してもよい。

図５は、第３照射工程を説明する図である。第３照射工程では、第１照射工程等と同様に、レーザ加熱装置４０が金属部材１０の表面１０ａ上にレーザ光４１を照射する。ただし、第３照射工程では、表面１０ａ上の照射領域４６は、少なくとも第２領域５０ｃに対応する部分である。具体的には、レーザ加熱装置４０は、第２領域５０ｃに対応する第２照射領域４６ｃにレーザ光４１ｃを照射する。

第３照射工程では、第２照射領域４６ｃがレーザ光４１ｃにより加熱される。加えられた熱は、金属部材１０の内部を介し、第２照射領域４６ｃに直近の第２接着剤３０ｃに伝達される。その結果、第２接着剤３０ｃが硬化するので、金属部材１０と複合材料部材２０とは、第１接着剤３０ａ，３０ｂも合わせた接合面全体に存在するすべての熱硬化性接着剤３０の硬化により本接着された状態となる。

次に、第２の本接着工程として、採用されている熱硬化性接着剤３０が常温養生による硬化が可能であるものであるならば、未硬化状態にある接着剤を、加熱により硬化させるのではなく、常温養生にて硬化させてもよい。常温養生による第２接着剤３０ｃの硬化により、金属部材１０と複合材料部材２０とは、第１接着剤３０ａ，３０ｂも合わせた接合面全体に存在するすべての熱硬化性接着剤３０が硬化し、本接着された状態となる。

さらに、第３の本接着工程として、例えば、接合体が小型である場合には、仮接着工程後の接合体を加熱炉に入れて加熱することで、第２接着剤３０ｃを硬化させてもよい。加熱炉を用いた第２接着剤３０ｃの硬化により、金属部材１０と複合材料部材２０とは、第１接着剤３０ａ，３０ｂも合わせた接合面全体に存在するすべての熱硬化性接着剤３０が硬化し、本接着された状態となる。

なお、仮接着工程が一旦終了した段階で、さらに、ずれ量Ｇの存在が確認される場合も考えられる。この場合には、再度、仮接着工程と同様の工程を繰り返した上で、本接着工程を行うものとしてもよい。

次に、第１照射工程、第２照射工程及び第３照射工程における接合条件について説明する。本実施形態では、本接着工程としての第３照射工程も含めれば、レーザ照射により熱硬化性接着剤３０を硬化させる３つの照射工程が存在する。特に、第２照射工程は、金属部材１０と複合材料部材２０との仮付け接着に関連する。一方、第３照射工程は、金属部材１０と複合材料部材２０との本接着に関連する。そこで、仮付け接着と本接着との各性質に合うように、接着条件を以下のように規定することが可能である。

図３〜図５を用いた例示では、第１領域５０ａ，５０ｂ及び第２領域５０ｃに、第１接着剤３０ａ，３０ｂ又は第２接着剤３０ｃが用いられるものとした。そこで、第１領域５０ａ，５０ｂに用いられる第１接着剤３０ａ，３０ｂと、第２領域５０ｃに用いられる第２接着剤３０ｃとの種類を同一とするか異ならせるかで、第２照射工程又は第３照射工程での接着条件を異なるものとする。

第１に、熱硬化性接着剤３０のうち、第１接着剤３０ａ，３０ｂ及び第２接着剤３０ｃをすべて同一種類とする。同一種類の熱硬化性接着剤であれば、硬化温度も同一である。そこで、第２照射工程における第１接着剤３０ａ，３０ｂの加熱温度と、第３照射工程における第２接着剤３０ｃの加熱温度とが同じ温度となるように、レーザ加熱装置４０のレーザ出力を調整する。その上で、第２照射工程と第３照射工程とでは、それぞれ、レーザ照射による熱硬化性接着剤３０の加熱時間を異ならせる。特に、第２照射工程では、仮付け接着を行うための工程であるから、第１領域５０ａ，５０ｂに対応した第１照射領域４６ａ，４６ｂにレーザ光４１を照射すればよい。ここで、本実施形態の例では、第１照射領域４６ａ，４６ｂの面積は、第２照射領域４６ｃの面積よりも狭い。そのため、加熱時間は、第３照射工程のときよりも短くてよい。換言すれば、第３照射工程では、加熱時間は、第２照射工程のときよりも長くてよい。

第２に、熱硬化性接着剤３０のうち、第１接着剤３０ａ，３０ｂに採用されるものと、第２接着剤３０ｃに採用されるものとを、異なる種類とする。異なる種類の熱硬化性接着剤であれば、硬化温度も異なる。そこで、第２照射工程における第１接着剤３０ａ，３０ｂの加熱温度と、第３照射工程における第２接着剤３０ｃの加熱温度とが、硬化対象となる熱硬化性接着剤３０の種類に合わせた温度となるように、レーザ加熱装置４０のレーザ出力を調整する。この場合、第２照射工程と第３照射工程とでは、必ずしも加熱時間を異ならせる必要はない。そして、特に第２照射工程で用いられる、第１接着剤３０ａ，３０ｂに採用される熱硬化性接着剤としては、仮付け接着が達成される程度の比較的弱い接着強さを有するものを用いることができる。これに対して、第３照射工程で用いられる、第２接着剤３０ｃに採用される熱硬化性接着剤としては、本接着が達成されなければならないので、第１接着剤３０ａ，３０ｂに用いられる熱硬化性接着剤に比べて強い接着強さを有するものを用いることができる。

次に、熱硬化性接着剤３０をレーザ照射により間接的に加熱することで、金属部材１０と複合材料部材２０とを接合することの有効性について説明する。図６は、金属部材１０と複合材料部材２０とを接合した接合体に引張せん断接着強さの試験を行ったときの条件を説明する図である。

図６（ａ）は、供試材としての接合体を示す側面図である。金属部材１０の材質は、炭素鋼（ＳＳ４００（日本工業規格））である。金属部材１０の寸法は、長さ１００（ｍｍ）、幅２５（ｍｍ）及び厚さｍ_１が３．２（ｍｍ）である。複合材料部材２０の材質は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である。複合材料部材２０の寸法は、長さ１００（ｍｍ）、幅２５（ｍｍ）及び厚さｍ_２が３．４（ｍｍ）である。接合部５０の引張方向の長さｍ_３は２５（ｍｍ）である。金属部材１０の一部であって、接合部５０の複合材料部材２０側の端部から距離ｍ_４離れた位置を、熱硬化性接着剤３０の温度と想定する接合面での温度を計測するための温度計測位置とし、この位置には、熱電対１０ｂが設置されている。距離ｍ_４は５（ｍｍ）である。金属部材１０の表面１０ａ上に照射されるレーザは、波長が８８０（ｎｍ）の半導体レーザとする。

図６（ｂ）は、レーザ照射時間ｔ（ｍｉｎ）に対する、熱電対１０ｂで計測された接合部５０の接合面での温度Ｔ（°Ｃ）を示すグラフである。グラフ中には、レーザ照射による加熱時間Ｈが示されている。

図７は、引張せん断接着強さの試験の結果を示すグラフである。ここでは、本実施形態に対応する第１の試験条件と、比較例としての第２の試験条件との２つの条件で試験を行った。

まず、第１の試験条件として、熱硬化性接着剤３０としては、二液混合型エポキシ系接着剤Ｉを採用した。なお、本試験では、熱硬化性接着剤３０をレーザ照射により間接的に加熱する場合の有効性を確認するものであるため、用いられる熱硬化性接着剤３０は、ここでは一種類であり、接合部５０の接合面全体に塗布される。また、接合面での推定温度を８０〜１００（°Ｃ）とした。さらに、加熱温度を３０（分）とした。その結果、引張せん断接着強さは、２１．２（ＭＰａ）であった。

次に、第２の試験条件として、熱硬化性接着剤３０としては、二液混合型エポキシ系接着剤ＩＩを採用した。ここで、二液混合型エポキシ系接着剤ＩＩは、第１の試験条件として採用した二液混合型エポキシ系接着剤Ｉよりも、架橋率が低い。なお、本試験でも、用いられる熱硬化性接着剤３０は、一種類であり、接合部５０の接合面全体に塗布される。また、ここでは、本実施形態のようなレーザ照射による加熱は行わず、単に２ヶ月以上常温にて養生させることで熱硬化性接着剤３０を硬化させた。その結果、引張せん断接着強さは、３．２（ＭＰａ）であった。

上記の２つの試験条件による結果を比較するとわかるとおり、熱硬化性接着剤３０をレーザ照射により間接的に加熱し硬化させるものとしても、良好な引張せん断接着強さの値を得ることができる。つまり、金属部材１０と複合材料部材２０との接合に、本実施形態に係る金属樹脂接合方法を採用することが有効であると言える。特に、本実施形態に係る金属樹脂接合方法に含まれる上記の各照射工程では、レーザ照射により熱硬化性接着剤３０を加熱するときには、レーザ照射による加熱時間Ｈと、加熱されているときの熱硬化性接着剤３０の温度とを管理することが望ましい。ここで、熱硬化性接着剤３０の温度として、上記例示したように、熱電対１０ｂで計測された接合部５０の接合面での温度Ｔ（°Ｃ）を参照して算出することができる。

次に、本実施形態による効果について説明する。

まず、本実施形態に係る金属樹脂接合方法は、金属部材１０と、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材２０とを接合する。金属樹脂接合方法は、金属部材１０と複合材料部材２０との間の第１領域５０ａ，５０ｂに、熱硬化性接着剤である第１接着剤３０ａ，３０ｂを塗布する塗布工程を含む。また、塗布工程では、金属部材１０と複合材料部材２０との間の第２領域５０ｃに、熱硬化性接着剤である第２接着剤３０ｃを塗布する。金属樹脂接合方法は、第１領域５０ａ，５０ｂに対向する金属部材１０の第１照射領域４６ａ，４６ｂにレーザ光４１ａ，４１ｂを照射し、第１接着剤３０ａ，３０ｂを加熱して硬化させて、金属部材１０と複合材料部材２０とを仮付け接着させる仮接着工程を含む。また、金属樹脂接合方法は、仮接着工程の後に、第２接着剤３０ｃを硬化させて、金属部材１０と複合材料部材２０とを接着させる本接着工程を含む。

例えば、金属部材１０又は複合材料部材２０の少なくとも一方が大型である場合、金属部材１０と複合材料部材２０とを所望の接合位置に一度で合わせることができないまま、互いに接合されることもあり得る。このような場合、本実施形態によれば、一旦、仮接着工程において金属部材１０と複合材料部材２０とを引き離した後、所望の接合位置に位置決めし、その後、本接着工程において接合させることが、容易に実現可能となる。特に、本実施形態では、金属部材１０と複合材料部材２０との接合に熱硬化性接着剤３０を用いるので、常温での引き離しや重ね合わせが可能となる点で有利である。また、仮接着工程では、熱硬化性接着剤３０の一部が硬化されるのみであるので、より引き離しが容易となる。また、本実施形態によれば、熱硬化性接着剤３０をレーザ光４１ａ，４１ｂ，４１ｃの照射により加熱するので、加熱炉を用いる必要がなく、金属部材１０と複合材料部材２０との接合体が大型となる場合であっても適用可能であり、寸法の制約を受けない。

さらに、仮接着工程において接着領域となる第１領域５０ａ，５０ｂが、本接着工程において接着領域となる第２領域５０ｃよりも狭い場合には、その分だけ仮付け接着を迅速に行うことができることを意味する。したがって、もし仮接着工程において引き離し工程を含む位置決めを行う必要がない場合でも、本接着工程における接着手法を問わず、接合施工上、有利となり得る。

このように、本実施形態に係る金属樹脂接合方法によれば、金属部材１０と複合材料部材２０とを容易に接合させるのに有利な金属樹脂接合方法を提供することができる。

また、本実施形態に係る金属樹脂接合方法は、仮接着工程の前に、照射領域にレーザ光４１を照射し、第１接着剤３０ａ，３０ｂ又は第２接着剤３０ｃを加熱して硬化させて、金属部材１０と複合材料部材２０とを一時的に接着させる一時接着工程を含む。ここで、照射領域とは、第１照射領域４６ａ，４６ｂ又は第２照射領域４６ｃであり、これらのうちのさらに一部の領域でもよい。仮接着工程では、一時接着工程の後に金属部材１０と複合材料部材２０との接合位置がずれていた場合、金属部材１０と複合材料部材２０とを引き離し、位置決めした後に仮付け接着される。

本実施形態に係る金属樹脂接合方法によれば、金属部材１０と複合材料部材２０とを最初に接合させる一時接着工程の段階から、仮接着工程と同様の手法を用いるので、さらに容易に金属部材１０と複合材料部材２０とを接合させることができる。

また、本実施形態に係る金属樹脂接合方法では、本接着工程では、第２領域５０ｃに対向する金属部材１０の第２照射領域４６ｃにレーザ光４１ｃを照射し、第２接着剤３０ｃを加熱して硬化させる。

本実施形態に係る金属樹脂接合方法によれば、一時接着工程から本接着工程までのそれぞれの工程において同様の手法を用いるので、さらに容易に金属部材１０と複合材料部材２０とを接合させることができる。

また、本実施形態に係る金属樹脂接合方法では、仮接着工程と本接着工程とでは、第１接着剤３０ａ，３０ｂ又は第２接着剤３０ｃの種類、加熱温度又は加熱時間の少なくとも１つが異なる。

本実施形態に係る金属樹脂接合方法によれば、特に仮接着工程における金属部材１０と複合材料部材２０との引き離しをより容易とする状態に適宜調整することができる。

また、本実施形態に係る金属樹脂接合方法では、第１接着剤３０ａ，３０ｂと第２接着剤３０ｃとが同一種類である場合、第１接着剤３０ａ，３０ｂの加熱時間と第２接着剤３０ｃの加熱時間とは異なる。又は、第１接着剤３０ａ，３０ｂと第２接着剤３０ｃとが異なる種類である場合、第１接着剤３０ａ，３０ｂの加熱温度と第２接着剤３０ｃの加熱温度とは異なる。

本実施形態に係る金属樹脂接合方法によれば、これらの条件を適宜変更することで、第１接着剤３０ａ，３０ｂ又は第２接着剤３０ｃとして採用する熱硬化性接着剤３０の性質に合わせて、接合時間や硬化時間を所望の時間に調整することが可能となる。

また、本実施形態に係る金属樹脂接合方法では、第２接着剤３０ｃは、常温養生で硬化可能であり、本接着工程では、常温養生で第２接着剤３０ｃを硬化させる。

本実施形態に係る金属樹脂接合方法によれば、本接着工程における硬化手法を、必ずしも一時接着工程から仮接着工程までのそれぞれの工程に合わせる必要はなく、熱硬化性接着剤３０の特性に合わせて変更可能となる。特にこの場合には、完全硬化までの常温養生に要する時間が許される範囲であれば、本接着工程においてレーザ加熱装置４０を用いる必要がなくなる。

また、本実施形態に係る金属樹脂接合方法では、本接着工程では、仮接着工程の後に金属部材１０と複合材料部材２０との接合位置がずれていた場合、金属部材１０と複合材料部材２０とを引き離し、位置決めした後に本接着される。

本実施形態に係る金属樹脂接合方法によれば、位置決めを適宜繰り返すことができるので、より精度よく金属部材１０と複合材料部材２０とを接合することが可能となる。

また、本実施形態に係る金属樹脂接合方法では、金属部材１０と複合材料部材２０との接合面において、第１領域５０ａ，５０ｂと第２領域５０ｃとは、接合面に対して平行な方向にかかるせん断応力Ｓの大きさに基づいて規定される。

本実施形態に係る金属樹脂接合方法によれば、特に第１領域５０ａ，５０ｂを、仮付け接着に用いられる領域としてより効果的な領域を設定することができる。

なお、上記説明では、接合部５０を３つの領域、すなわち、第１領域５０ａ，５０ｂ及び第２領域５０ｃに分け、それぞれの領域の形状に合わせて、第１接着剤３０ａ等を塗布するものとした。しかし、本発明では、熱硬化性接着剤３０の塗布の形態を、上記例示したものに限定されない。

図８は、他の実施形態における熱硬化性接着剤の塗布の形態を例示する平面図である。なお、図８に示す各図は、図２の下段図に準拠して描画されている。

図８（ａ）は、他の実施形態における熱硬化性接着剤の塗布の形態の第１例を示す図である。例えば、第１領域５０ａ，５０ｂに塗布される第１接着剤３２ａ，３２ｂは、第１領域５０ａ，５０ｂの領域全面に塗布されるのではなく、それぞれの領域内の任意の位置に、スポット状に塗布されてもよい。一方、第２領域５０ｃには、上記例示した第２接着剤３０ｃと同様に、第２領域５０ｃの全面に、第２接着剤３２ｃが塗布される。第１領域５０ａ，５０ｂに塗布される熱硬化性接着剤３２は、当初の段階では主として仮付け接着のために用いられる。そこで、例えば、引き離し工程時の引き離しの容易性を向上させ、結果として金属部材１０と複合材料部材２０との位置決めを容易とするために、スポット状に第１接着剤３２ａ，３２ｂを塗布することで、接着面積を減少させることも有効である。なお、図８（ａ）に示す例では、第１接着剤３２ａ，３２ｂは、それぞれ領域内の３つの任意の位置に塗布されるものとしたが、３つ以外の複数の位置、又は、１つの位置に塗布されるものとしてもよい。

図８（ｂ）は、他の実施形態における熱硬化性接着剤の塗布の形態の第２例を示す図である。例えば、第１領域５０ａ，５０ｂ又は第２領域５０ｃに塗布される第１接着剤３４ａ，３４ｂ又は第２接着剤３４ｃは、それぞれ独立ではなく、一体として塗布されてもよい。各照射工程での接着条件として説明したように、第１接着剤３４ａ，３４ｂ及び第２接着剤３４ｃがすべて同一種類である場合もあり得る。この場合、各接着剤を領域ごとに独立して塗布しなければならない必然性はなく、塗布工程における塗布も容易となる。一方、第１接着剤３４ａ，３４ｂに採用されるものと、第２接着剤３４ｃに採用されるものとが、それぞれ異なる種類の熱硬化性接着剤であったとしても、各接着剤は、本接着が完了した段階では一体となる。そのため、硬化前の段階、すなわち、例えば塗布工程の段階で、第１接着剤３４ａと第２接着剤３４ｃ、又は、第１接着剤３４ｂと第２接着剤３４ｃとがそれぞれ接触し、全体として一体となっていてもよい。

図８（ｃ）は、他の実施形態における熱硬化性接着剤の塗布の形態の第３例を示す図である。第１領域５０ａ，５０ｂ及び第２領域５０ｃは、図２を用いて説明したとおり、引張方向についてのせん断応力Ｓの分布に基づいて規定されたものである。これに対して、例えば、金属部材１０又は複合材料部材２０が比較的小型であるなどの理由で、大きなずれ量Ｇの発生が想定し難いときには、必ずしもせん断応力Ｓの分布を考慮しなくてもよい場合もあり得る。この場合、例えば、接合部５０の中央領域にのみ、スポット状に第１接着剤３６ａを塗布し、接合部５０の中央領域以外の領域全面に、第２接着剤３６ｂを塗布してもよい。ここで、第１接着剤３６ａは、仮接着工程で用いられる熱硬化性接着剤である。一方、第２接着剤３６ｂは、本接着工程で用いられる熱硬化性接着剤である。

また、上記説明では、接合対象である金属部材１０及び複合材料部材２０が共に平板部材であるものとしたが、それぞれ複雑形状を有するものであっても構わない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０ 金属部材
２０ 複合材料部材
３０ 熱硬化性接着剤
３０ａ，３０ｂ 第１接着剤
３０ｃ 第２接着剤
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ レーザ光
４６ａ，４６ｂ 第１照射領域
４６ｃ 第２照射領域
５０ａ，５０ｂ 第１領域
５０ｃ 第２領域

Claims (9)

1. 金属部材と、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材とを接合する金属樹脂接合方法であって、
   前記金属部材と前記複合材料部材との間の第１領域に、熱硬化性接着剤である第１接着剤を塗布し、前記金属部材と前記複合材料部材との間の第２領域に、熱硬化性接着剤である第２接着剤を塗布する塗布工程と、
   前記第１領域に対向する前記金属部材の第１照射領域にレーザ光を照射し、前記第１接着剤を加熱して硬化させて、前記金属部材と前記複合材料部材とを仮付け接着させる仮接着工程と、
   前記仮接着工程の後に、前記第２接着剤を硬化させて、前記金属部材と前記複合材料部材とを接着させる本接着工程と、
   を含む金属樹脂接合方法。
2. 前記仮接着工程の前に、前記第１照射領域、又は、前記第２領域に対向する前記金属部材の第２照射領域にレーザ光を照射し、前記第１接着剤又は前記第２接着剤を加熱して硬化させて、前記金属部材と前記複合材料部材とを一時的に接着させる一時接着工程を含み、
   前記仮接着工程では、前記一時接着工程の後に前記金属部材と前記複合材料部材との接合位置がずれていた場合、前記金属部材と前記複合材料部材とを引き離し、位置決めした後に仮付け接着される、請求項１に記載の金属樹脂接合方法。
3. 前記本接着工程では、前記第２領域に対向する前記金属部材の第２照射領域にレーザ光を照射し、前記第２接着剤を加熱して硬化させる、請求項１又は２に記載の金属樹脂接合方法。
4. 前記仮接着工程と前記本接着工程とでは、前記第１接着剤又は前記第２接着剤の種類、加熱温度又は加熱時間の少なくとも１つが異なる、請求項３に記載の金属樹脂接合方法。
5. 前記第１接着剤と前記第２接着剤とが同一種類である場合、
   前記第１接着剤の加熱時間と前記第２接着剤の加熱時間とは異なる、
   請求項４に記載の金属樹脂接合方法。
6. 前記第１接着剤と前記第２接着剤とが異なる種類である場合、
   前記第１接着剤の加熱温度と前記第２接着剤の加熱温度とは異なる、
   請求項４に記載の金属樹脂接合方法。
7. 前記第２接着剤は、常温養生で硬化可能であり、
   前記本接着工程では、常温養生で前記第２接着剤を硬化させる、請求項１又は２に記載の金属樹脂接合方法。
8. 前記本接着工程では、前記仮接着工程の後に前記金属部材と前記複合材料部材との接合位置がずれていた場合、前記金属部材と前記複合材料部材とを引き離し、位置決めした後に本接着される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の金属樹脂接合方法。
9. 前記金属部材と前記複合材料部材との接合面において、前記第１領域と前記第２領域とは、前記接合面に対して平行な方向にかかるせん断応力の大きさに基づいて規定される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の金属樹脂接合方法。

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