JP2022159778A - 固定装置及び複合部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】留め具の形態による制限を受けずに樹脂部材を加熱することができる技術を提案する。【解決手段】固定装置は、第１電極と、第２電極と、加熱部と、押圧部と、通電部と、を備える。第１電極は、留め具と接触して留め具と電気的に接続するように構成される。第２電極は、金属部材と接触して金属部材と電気的に接続するように構成される。加熱部は、金属部材を加熱することで、樹脂部材を加熱するように構成される。押圧部は、留め具を樹脂部材に押し入れるように構成される。通電部は、第１電極と第２電極との間に通電を行い、留め具と金属部材とを溶接するように構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、金属部材と樹脂部材とを固定する技術に関する。

金属部材と樹脂部材とを固定する技術として、金属部材と樹脂部材とを重ねて配置し、樹脂部材の側から金属部材までリベットを打ち込んで接合する技術が用いられている。リベットを樹脂部材に打ち込むと、樹脂部材に割れが生じてしまったり、リベットと樹脂部材の間に隙間が生じたりしてしまう恐れがある。下記特許文献１では、留め具を高周波誘導コイルにより加熱し、留め具に接触した樹脂部材を軟化又は溶融させた状態で留め具を圧入する方法が開示されている。

特開２０１７－１８５６２６号公報

特許文献１に開示される技術では、留め具を高周波誘導により加熱する。よって、留め具の形態に応じて適切な加熱装置を準備する必要があった。また、樹脂部材を迅速に加熱するためには、留め具自体の形状を、樹脂部材に効率よく熱伝導が行われる形状とする必要があった。このように、特許文献１に開示される技術は汎用性が低いものであった。

本開示の目的は、留め具の形態による制限を受けずに樹脂部材を加熱することができる技術を提案することである。

本開示の一態様は、金属部材と留め具との間に樹脂部材を配置し、留め具を金属部材と溶接することで金属部材と樹脂部材とを固定する固定装置である。この固定装置は、第１電極と、第２電極と、加熱部と、押圧部と、通電部と、を備える。第１電極は、留め具と接触して留め具と電気的に接続するように構成される。第２電極は、金属部材と接触して金属部材と電気的に接続するように構成される。加熱部は、金属部材を加熱することで、樹脂部材を加熱するように構成される。押圧部は、留め具を樹脂部材に押し入れるように構成される。通電部は、第１電極と第２電極との間に通電を行い、留め具と金属部材とを溶接するように構成される。

このような固定装置であれば、金属部材を加熱することにより樹脂部材を加熱するため、樹脂部材を昇温させるために留め具を加熱する必要がない。よって留め具の形態に関わらず樹脂部材を加熱することができる。また、樹脂部材が昇温して軟化又は溶融した状態で留め具を樹脂部材に押し入れることで、樹脂部材の破損を抑制することができる。

上述した固定装置において、加熱部は、金属部材に通電を行い発熱させる抵抗加熱装置であってもよい。このような構成であれば、抵抗加熱により、金属部材の広い範囲を加熱することができ、その結果、樹脂部材の広い範囲を昇温させることができる。そのため、樹脂部材の一部分のみが加熱された状態で留め具を押し入れる場合と比較して、樹脂部材の破損を良好に抑制できる。

上述した固定装置において、固定装置は、複数の第１電極を有しており、押圧部は、複数の第１電極によって複数の留め具の樹脂部材への押し入れを行うように構成されていてもよい。このような構成であれば、複数の留め具の金属部材に対する溶接を行うことができるため、複数の留め具を備える複合部材の製造を早期に完了することができる。
上述した固定装置において、第１電極と第２電極とは向かい合って配置されてもよい。このような構成であれば、留め具と金属部材との溶接を好適に実現できる。

本開示の別の一態様は、金属部材と樹脂部材とを固定した複合部材を製造する複合部材の製造方法であって、金属部材を加熱することと、加熱された金属部材により加熱された樹脂部材に留め具を押し入れることと、樹脂部材に押し入れられた留め具と金属部材とを抵抗溶接することで留め具と金属部材とを接合すること、を含む。

このような製造方法であれば、金属部材を加熱することにより樹脂部材を加熱するため、樹脂部材を昇温させるために留め具を加熱する必要がない。よって留め具の形態に関わらず樹脂部材を加熱することができる。

本開示の一態様では、金属部材を加熱することは、金属部材に通電を行い、抵抗加熱により金属部材を加熱させることであってもよい。このような構成であれば、抵抗加熱により、金属部材の広い範囲を加熱することができ、その結果、樹脂部材の広い範囲を昇温させることができる。

本開示の一態様では、留め具は、樹脂部材に押し入れられる先端が金属部材の表面に沿った形状であってもよい。このような製造方法であれば、留め具の先端と金属部材の表面とが広い範囲で接触又は近接した状態となる。そのため、溶接を広い範囲で行うことができ、金属部材と留め具とを良好に溶接することができる。

実施形態の固定装置の概略説明図である。 複合部材の製造方法を説明する図であって、図２Ａがワークを固定装置にセットした状態を示す図であり、図２Ｂが樹脂部材を加熱して留め具を貫通する工程を示す図であり、図２Ｃが金属部材に留め具が接触した状態を示す図であり、図２Ｄが溶接を実行し、複合部材を製造した状態を示す図である。 図３Ａ－図３Ｃが、留め具の変形例を示す模式的な断面図である。

以下に本開示の実施形態を図面と共に説明する。
［１．実施形態］
［１－１．複合部材の材料及び固定装置］
図１に示される固定装置１は、樹脂部材１１と金属部材１２とを固定した複合部材を製造する装置である。固定装置１は、重ねて配置された樹脂部材１１と金属部材１２との２つの部材を、留め具１３を用いて固定する。ここでいう固定とは、樹脂部材１１と金属部材１２とが分離しない状態となっていることを意味する。具体的には、互いの相対的な位置を変更できない状態と、樹脂部材１１が留め具１３を中心に回転するなど、一定の範囲内で相対的な位置を変更できる状態とを含む。

図１は固定のための工程を開始する前の状態を示している。図１及び図２における樹脂部材１１及び金属部材１２は、電極と当接する部分で切断したときの端面が模式的に示されている。なお、以下の説明において、樹脂部材１１、金属部材１２、及び留め具１３をまとめて、単にワークとも記載する。

＜複合部材の材料＞
樹脂部材１１は、熱可塑性樹脂である。樹脂部材１１は、ガラス転移点又は融点まで加熱したときに柔らかくなる性質を有していれば、具体的な樹脂の種類、配合、フィラーなどは特に限定されない。樹脂部材１１として、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastics、CFRP）を用いてもよい。

本実施形態では、樹脂部材１１として平らな板状の部材を例示する。なお樹脂部材１１は、留め具１３と金属部材１２によって挟み込むことができる形状であれば、その全体の形状は特に限定されない。例えば、樹脂部材１１における留め具１３と金属部材１２とで挟み込む部分のみ薄く、他の部分が厚く形成されていてもよい。

金属部材１２は、抵抗溶接によって留め具１３と溶接ができる金属で形成されている。金属部材１２の具体的な組成は特に限定されない。金属部材１２として鉄板を用いてもよい。上述した樹脂部材１１と同様に、金属部材１２の具体的な形状は特に限定されない。

金属部材１２は、表面にめっき層が形成されていてもよい。めっき層を形成する金属等の具体的な構成は特に限定されない。例えば、アルミニウム、亜鉛などでめっき層を形成してもよい。金属部材１２は、焼き入れ工程を行う前の板材であってもよいし、焼き入れ工程を経た板材であってもよい。

留め具１３は、抵抗溶接によって金属部材１２と溶接ができる金属で形成されている。留め具１３は、いわゆるリベットであり、円柱状の胴部１３ａと、胴部１３ａよりも外側に広がる頭部１３ｂと、を有する。図１に示されるように、接合を開始する前の状態では、胴部１３ａが樹脂部材１１の側を向くように配置される。

＜固定装置＞
固定装置１は、第１電極２１、第２電極２２、溶接制御部２３、及び加熱部２４を備える。固定装置１は、金属部材１２と留め具１３との間に樹脂部材１１を配置し、金属部材１２と留め具１３とが接近するように加圧する。そして、後述する第１電極２１及び第２電極２２を用いて留め具１３を金属部材１２と抵抗スポット溶接により溶接することで、金属部材１２と樹脂部材１１とを固定する。

第１電極２１は、留め具１３と接触して留め具１３と電気的に接続するように構成される。第２電極２２は、金属部材１２と接触して金属部材１２と電気的に接続するように構成される。第１電極２１と第２電極２２は、電気伝導率が良好な材料で構成されている。そのような材料として、例えば、銅又は銅合金などが挙げられるが、これらに限定されない。

第１電極２１と第２電極２２は、その先端同士が対向した状態で図示しない溶接ガンに設けられている。本実施形態においては、第２電極２２が溶接ガンに固定される一方、第１電極２１がその軸線方向に沿って第２電極２２に対して進退可能な状態で溶接ガンに設けられている。すなわち、第１電極２１の動作によって、樹脂部材１１、金属部材１２、及び留め具１３を、それらの厚み方向（重ね方向、積層方向）から第１電極２１及び第２電極２２で挟みこみ、加圧する。

溶接制御部２３は、各電極を介したワークに対する加圧力や通電量などを制御する。溶接制御部２３は、駆動制御部３１、電流制御部３２などを有する。駆動制御部３１は、第１電極２１を進退駆動制御して、第１電極２１と第２電極２２からワークに作用する加圧力を制御する。駆動制御部３１及び第１電極２１が、押圧部に相当する。電流制御部３２は、第１電極２１と第２電極２２との間に通電を行い、留め具１３と金属部材１２とを溶接する。なお、電極に供給される電流は交流であってもよいし、直流であってもよい。電流制御部３２が通電部に相当する。

加熱部２４は、金属部材１２を加熱することで、樹脂部材１１を加熱するように構成されている。言い換えると、加熱部２４は、金属部材１２に隣接して配置される樹脂部材１１の温度を上昇させるために、金属部材１２の温度を上昇させる。加熱部２４は金属部材１２に通電を行い発熱させる抵抗加熱装置である。なお、金属部材１２に供給される電流は交流であってもよいし、直流であってもよい。

［１－２．複合部材の製造方法］
複合部材の製造方法は、加熱工程、貫通工程、及び接合工程の３つの工程が含まれる。図２Ａは、第１電極２１と第２電極２２によってワークを挟み込んだ状態を示す。この時点では、ワークに対して留め具１３が樹脂部材１１に圧入されるほどの加圧力は加えられていない。

（ｉ）加熱工程
図２Ｂは、図２Ａに続くステップを示す図である。ここではまず、図示を省略した加熱部２４が金属部材１２に通電を行い、金属部材１２の加熱を開始する。金属部材１２を加熱して金属部材１２の温度が上昇すると、金属部材１２に重ねて配置される樹脂部材１１が金属部材１２によって加熱され、樹脂部材１１の温度が上昇する。樹脂部材１１は熱可塑性樹脂であるため、所定以上の温度となると軟化する。

（ｉｉ）貫通工程
駆動制御部３１は、第１電極２１を移動させて留め具１３を樹脂部材１１の方向に加圧する。樹脂部材１１が昇温により軟化しているため、スムーズに留め具１３が樹脂部材１１に押し入れられる。

留め具１３の樹脂部材１１への押し込みを継続すると、図２Ｃに示されるように、留め具１３が樹脂部材１１を貫通し、胴部１３ａの先端が金属部材１２に接触する。この状態となったときに、抵抗スポット溶接が可能となる。

（ｉｉｉ）接合工程
図２Ｃに示されるように留め具１３が金属部材１２に接触し、かつ、留め具１３が加圧された状態において、電流制御部３２は第１電極２１及び第２電極２２に通電し、抵抗スポット溶接を実行する。その結果、図２Ｄに示されるように、金属部材１２と留め具１３とが溶接された部分である溶接部１４が形成される。

以上の工程により複合部材１５が製造される。複合部材１５において、樹脂部材１１は金属部材１２と留め具１３とにより挟み込まれることで固定されている。なお、上述した（ｉ）から（ｉｉｉ）の工程は、連続して実行してもよいし、他の工程を挟んで行ったり、時間を空けて行ったりしてもよい。

［１－３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）固定装置１では、留め具１３を樹脂部材１１に押し入れる前に樹脂部材１１を加熱により軟化又は溶融させる。そのため、樹脂部材１１に予め留め具１３を挿入するための孔などを形成しておかなくとも、樹脂部材１１に留め具１３を押し入れたときに樹脂部材１１が破損してしまうことを抑制できる。

そして、固定装置１では、金属部材１２を加熱することによって樹脂部材１１の加熱を実現するため、留め具１３を加熱する必要がない。その結果、留め具１３の形状に適合させた専用の加熱装置を準備する必要がなくなり、また、留め具の形状を樹脂部材１１への熱が伝わり易い形状にする必要がなくなる。よって固定装置１では、樹脂部材１１を加熱させて行う留め具１３の押し入れを容易に実現できる。

（１ｂ）固定装置１では、加熱部２４によって金属部材１２の広い範囲を加熱する。仮に、特許文献１のように樹脂部材における留め具に接触した部分が加熱される構成であれば、樹脂部材における留め具が接触した位置から少し離れた部分が昇温する前に留め具を圧入すると、樹脂部材が割れてしまう恐れがある。一方、固定装置１では、樹脂部材１１を局所的に加熱する場合と比較して、留め具を押し入れたときの樹脂部材１１の破損等を良好に抑制できる。

また加熱部２４は、金属部材１２に通電を行い抵抗加熱により金属部材１２を加熱するため、比較的短時間での金属部材１２を昇温でき、それに伴って短時間で樹脂部材１１の昇温が可能となる。その結果、複合部材１５の製造時間を短縮することができる。

（１ｃ）固定装置１では、第１電極２１と第２電極２２とが対向した状態で配置され、金属部材１２と留め具１３とを加圧した状態で抵抗スポット溶接を行う。よって、金属部材１２と留め具１３との溶接を良好に実現できる。

（１ｄ）留め具１３は、その先端が平坦であって、金属部材１２の表面に沿った形状である。そのため、貫通工程の結果、留め具１３の先端と金属部材１２の表面とが広い範囲で接触又は近接した状態となる。そのため、溶接を広い範囲で行うことができ、金属部材１２と留め具１３とを良好に溶接することができる。

［２．その他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

（２ａ）上記実施形態では、加熱部２４として、通電抵抗加熱を実行する装置を例示した。しかしながら加熱部２４は、金属部材１２を加熱することができれば、その具体的な構成は特に限定されない。例えば、金属部材１２に対して直接加熱を行う装置を用いてもよい。そのような装置の例として、誘導加熱やレーザ加熱を実行する装置などが挙げられる。なお、通電抵抗加熱を行う装置も直接加熱を行う装置の一例である。また、金属部材１２に対して間接加熱を行う装置を用いてもよい。そのような装置の例として、ヒーターによる加熱を行う装置や、熱風を出力する装置などが挙げられる。なお、金属部材１２として、上述した鉄以外に、アルミニウム又はその合金、ステンレス鋼（鉄－クロム系合金）などを用いることで、通電抵抗加熱や誘導加熱を好適に実現することができる。

（２ｂ）上記実施形態では、駆動制御部３１が第１電極２１を移動させることで留め具１３を樹脂部材１１に押し入れる構成を例示した。しかしながら駆動制御部３１は、第１電極２１を移動させずに樹脂部材１１を移動させるように構成されていてもよいし、第１電極２１と樹脂部材１１の両方を移動させるように構成されていてもよい。樹脂部材１１の移動は、樹脂部材１１を移動させる装置により実現してもよいが、第２電極２２を第１電極２１の側に向かって移動させることで実現してもよい。

また、上記実施形態では、第１電極２１が留め具１３を樹脂部材１１に押し入れる構成を例示した。しかしながら、留め具１３は第１電極２１以外の部材により加圧されて樹脂部材１１に押し入れられてもよい。例えば、貫通工程において、留め具１３を樹脂部材１１に押し入れるためのパンチによって留め具１３の押入れを実行し、その後の接合工程において留め具１３と第１電極２１とを接触させて通電による接合を実行してもよい。
すなわち、押圧部は、留め具１３を樹脂部材１１に押し入れるように構成されていれば、その具体的な構成は特に限定されない。

（２ｃ）上記実施形態では、第１電極２１及び第２電極２２を用いて抵抗スポット溶接を実行する構成を例示した。しかしながら、溶接の方法は抵抗スポット溶接に限定されない。例えば、金属部材１２との接触面積が小さい留め具を用いてプロジェクション溶接を行ってもよい。金属部材１２と留め具との接合は溶融溶接であってもよいし、拡散接合であってもよい。拡散接合の場合、留め具と金属部材とが互いに溶けているわけではないので、割れの発生が抑制される。

また、接合強度を高めるために、接合工程において、又は接合工程後に、再度、第１電極２１と第２電極２２の間を通電させ、留め具１３と金属部材１２との接合面積を増加させてもよい。

（２ｄ）上記実施形態では、一対の第１電極２１と第２電極２２によって溶接を行う構成を例示した。しかしながら、固定装置は、複数の第１電極２１を有しており、駆動制御部３１によって複数の留め具１３の樹脂部材１１への押し入れを行うように構成されていてもよい。また、複数の留め具１３の押し入れを行うとともに、複数の留め具１３と金属部材１２との溶接を行ってもよい。複数の留め具１３の樹脂部材１１への押し入れは、並行して行われてもよい。また複数の留め具１３と金属部材１２との溶接も、並行して行われてもよい。このような構成において、複数の第１電極２１それぞれに対となる第２電極２２が用いられてもよい。ここで、押し入れを並行して行うこととは、複数箇所で同時に押し入れを実行することのみでなく、異なる第１電極２１を用いて時間差をつけて押し入れを行うことを含む。溶接についても同様である。

上述した固定装置であれば、複数の留め具１３の金属部材１２に対する押し入れ又は溶接を行うことができるため、複数の留め具１３を備える複合部材の製造を早期に完了することができる。このような操作は、金属部材１２の広い範囲を加熱して樹脂部材１１の広い範囲を昇温させることで容易に実現可能となる。なお、複数の第１電極２１以外の構成を押圧部として用いて、複数の留め具１３の樹脂部材１１への押し入れを実行してもよい。例えば、固定装置が、留め具１３を押し入れるための複数のパンチを備えていてもよい。

（２ｅ）上記実施形態では、樹脂部材１１として、熱可塑性樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチックを例示した。しかしながら、樹脂部材１１は、昇温により軟化又は溶融できる材料であればよく、例えば熱可塑性樹脂単体であってもよいし、ガラス繊維やその他のフィラーが含有された樹脂であってもよい。炭素繊維が含まれる場合、その炭素繊維の形態は、連続繊維と不連続繊維のいずれであってもよいし、それらが合わせて用いられていてもよい。

（２ｆ）上記実施形態では、留め具として、胴部１３ａと頭部１３ｂとを有する留め具１３を例示した。しかしながら、留め具は、導体であって、金属部材１２と溶接による接合が可能であれば、具体的な形状は特に限定されない。例えば、図３Ａに示される留め具４１を用いて溶接を行ってもよい。留め具４１は、胴部４２と頭部４３とを有する。胴部４２は先端側ほど細く、先端が平坦な円錐台形状である。また、図３Ｂに示される留め具５１のように、円錐状の先端部５２を有しており、また、大きく広がった頭部を有さない形状であってもよい。また、図３Ｃに示される留め具６１のように、円錐台状の先端部６２を有しており、かつ、大きく広がった頭部を有さない形状であってもよい。なお、フランジ状に広がる頭部を有することで、留め具と金属部材との接触面積が増加し、接合強度の向上を図ることができる。また、留め具の先端は、金属部材の表面における接触部分に沿った形状としてもよい。例えば金属部材の表面に凹凸がある場合、その凹凸に噛合う凸凹形状とすることで、留め具と金属部材との接触面積が増加する。

（２ｇ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

１…固定装置、１１…樹脂部材、１２…金属部材、１３，４１，５１，６１…留め具、１３ａ，４２…胴部、１３ｂ，４３…頭部、１４…溶接部、１５…複合部材、２１…第１電極、２２…第２電極、２３…溶接制御部、２４…加熱部、３１…駆動制御部、３２…電流制御部、５２，６２…先端部。

Claims (7)

1. 金属部材と留め具との間に樹脂部材を配置し、前記留め具を前記金属部材と溶接することで前記金属部材と前記樹脂部材とを固定する固定装置であって、
   前記留め具と接触して該留め具と電気的に接続するように構成された第１電極と、
   前記金属部材と接触して該金属部材と電気的に接続するように構成された第２電極と、
   前記金属部材を加熱することで、前記樹脂部材を加熱するように構成された加熱部と、
   前記留め具を前記樹脂部材に押し入れるように構成された押圧部と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に通電を行い、前記留め具と前記金属部材とを溶接するように構成された通電部と、を備える固定装置。
2. 請求項１に記載の固定装置であって、
   前記加熱部は、前記金属部材に通電を行い発熱させる抵抗加熱装置である、固定装置。
3. 請求項２に記載の固定装置であって、
   前記固定装置は、複数の前記第１電極を有しており、
   前記押圧部は、前記複数の第１電極によって複数の前記留め具の前記樹脂部材への押し入れを行うように構成されている、固定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固定装置であって、
   前記第１電極と前記第２電極とは向かい合って配置される、固定装置。
5. 金属部材と樹脂部材とを固定した複合部材を製造する複合部材の製造方法であって、
   前記金属部材を加熱することと、
   加熱された前記金属部材により加熱された前記樹脂部材に留め具を押し入れることと、
   前記樹脂部材に押し入れられた前記留め具と前記金属部材とを抵抗溶接することで前記留め具と前記金属部材とを接合すること、を含む、複合部材の製造方法。
6. 請求項５に記載の複合部材の製造方法であって、
   前記金属部材を加熱することは、前記金属部材に通電を行い、抵抗加熱により前記金属部材を加熱させることである、複合部材の製造方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載の複合部材の製造方法であって、
   前記留め具は、前記樹脂部材に押し入れられる先端が前記金属部材の表面に沿った形状である、複合部材の製造方法。

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