JP3849567B2

JP3849567B2 - 繊維強化樹脂と金属板との接合方法および接合構造

Info

Publication number: JP3849567B2
Application number: JP2002111834A
Authority: JP
Inventors: 仁教木村; 恭介八角
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2022-04-15
Also published as: JP2003305775A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）と金属板との接合方法および接合構造に関し、特に、上記両者がパネル材により構成される場合に好適な繊維強化樹脂と金属板との接合方法および接合構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から繊維強化樹脂と金属部品との接合は実現されており、接着により接合する場合やボルトやリベット等の機械的手段による接合、例えば、特開平６−１７４８７号公報、特開平６−１０９４０号公報に記載されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記前者の従来例では、その接合強度は介在させる接着剤の強度に依存し、高強度が必要な場合には強度の高い高価な接着剤を必要とする。また、自動車の構造体には、車両の耐用年数の全期間に亙り負荷される荷重や気候条件（例えば、温度等）に耐えて接着強度を維持する必要があり、接着剤のみの接合強度に依存して適用することは行われていない。
【０００４】
また、上記後者の従来例では、接合する両者にボルト・リベットが貫通する孔を夫々設け、また、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・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り、接合に多数の手間・工数を必要とする。そして、例えば、樹脂のパネル材を鋼板製の車体骨格構造の一部に適用する場合には、樹脂パネル材の全周に位置させた多数の接合箇所において上記手間が必要となる。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、接合に手間・工数を要することなく接合強度を向上できる繊維強化樹脂と金属板との接合方法および接合構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、繊維強化樹脂と金属板との接合方法であって、前記繊維強化樹脂を構成する強化繊維または金属板のいずれか一方に孔を設け、前記繊維強化樹脂を構成する強化繊維または金属板のいずれか他方に爪を設け、前記爪を孔に貫通させ、貫通した爪を孔を備える部材の背面に回り込ませて繊維強化樹脂の成形型内に強化繊維と金属板を設置し、前記成形型内に母材となる樹脂を射出して接合することを特徴とする。
【０００７】
前記繊維強化樹脂は、強化繊維の空隙部に母材となる樹脂が射出充填されることで形成され、この樹脂の充填時に孔と爪による係合部も含めて金属板と強化繊維とが成形型内で一体にモールドされる。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記孔を貫通して突出する爪は、型締め時に孔を備える部材の背面に成形型により回り込ませることを特徴とする。前記爪は、成形型の内面に押し込まれて穴を備える部材の背面に押し付けられる。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記爪は、強化繊維に形成され、金属板と接触する背面に爪と共に回り込ませる補強プレートを備えていることを特徴とする。前記補強プレートは、強化繊維からなる爪および爪の根元の金属板への接触部を、金属板を挟んで保持する。
【００１０】
第４の発明は、繊維強化樹脂と金属板との接合構造であって、前記繊維強化樹脂を構成する強化繊維または金属板のいずれか一方に孔を設け、前記繊維強化樹脂を構成する強化繊維または金属板のいずれか他方に爪を設け、前記爪は孔を貫通して孔を備える部材の背面に位置して強化繊維と金属板とが樹脂で一体化されていることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第４の発明において、前記爪は、強化繊維に形成され、金属板と接触する背面に補強プレートを備えていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
したがって、第１および第４の発明では、繊維強化樹脂を構成する強化繊維または金属板のいずれか一方に設けた孔に、前記いずれか他方に設けた爪を貫通させ、貫通した爪を孔を備える部材の背面に回り込ませて樹脂により一体化される。このため、強化繊維と金属板とが回り込ませた爪により、接合強度を高め、せん断強度、剥離強度を強化することができる。
【００１３】
また、繊維強化樹脂の成形過程で金属板と強化繊維とが一体化するため、組立工程が簡単であり、ボルト・リベットによる接合に比較して簡易に接合することができる。
【００１４】
さらに、金属板が繊維強化樹脂の外側に露出するため、金属板を鋼板等で形成すれば、車体組立工程において通常装備されているスポット溶接等を適用することができる。
【００１５】
第２の発明では、第１の発明の効果に加えて、前記孔を貫通して突出する爪を型締め時に成形型により孔を備える部材の背面に回り込ませるため、爪を回り込ませるための別個の設備が不要となる。
【００１６】
第３および第５の発明では、第１または第４の発明の効果に加えて、爪は、強化繊維に形成されて金属板と接触する背面に爪と共に回り込ませる補強プレートを備えているため、強化繊維のプリフォーム成形のみでは自立しない爪であっても補強プレートに支持されて立設でき、金属板に設けた孔への挿入が容易となる。
【００１７】
また、補強プレートにより爪が金属板に確実に回り込ませることができ、接合強度を向上できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の繊維強化樹脂と金属板との接合構造を図１〜図５に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明を適用した繊維強化樹脂と金属板との接合構造の一例を示し、自動車の繊維強化樹脂（ＦＲＰ、または、複合材料）により成形されたフロア部品であって、繊維強化樹脂１の周縁部分に金属板２（鋼板等）を接合したものである。フロア部品は、中央に排気管さらには推進軸を配置するための通称「トンネル部」を備える。
【００２０】
図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、パネル状の繊維強化樹脂１の縁に重ね合わして金属板２の本体部２Ａが配置され、金属板２の爪２Ｂは繊維強化樹脂１の縁近辺に設けた孔１Ａを貫通して繊維強化樹脂１の他の面に延長され、爪２Ａは他の面に重なり、爪２Ｂと本体部２Ａとで繊維強化樹脂１を挟み込むよう構成している。
【００２１】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、繊維強化樹脂１と金属板２との接合構造の成形工程を示し、先ず、図３（Ａ）に示すように、成形型の下型３の窪み３Ａに沿って金属板２を挿入固定する。金属板２は、成形しようとする繊維強化樹脂１の縁に沿って帯状に形成されており、前記下型３の窪み３Ａは溝状に形成される。金属板２は、また、一定または不特定の間隔を持って成形しようとする繊維強化樹脂１の内側の縁から直交方向に延びる爪２Ｂを起立して備え、爪２Ｂが配置された部分は断面Ｌ字状となっている。
【００２２】
強化繊維から成るクロス材４は、その周縁に前記爪２Ｂを受け入れる孔４Ａを周縁に備える。前記周縁の孔４Ａを前記金属板２の爪２Ｂに嵌合させてクロス材を４載置し、金属板２上にも被せる。
【００２３】
次いで、成形型の上型５を型締めし、金属板２の爪２Ｂを鎖線図示のように変形させ、更に型締めして、図３（Ｂ）に示す状態にプレスして成形型を閉じる。金属板２の本体２Ａおよび爪２Ｂのクロス材４に接触している背面は上下の成形型３、５に接触する。また、一定または不特定の間隔を持つ爪２Ｂ同士の間は、クロス材４と上型５との間で空間を形成している。この状態においては、成形型の上下型３、５間で、金属板２を除きクロス材４内の繊維間の隙間や爪２Ｂ同士の間に空隙・空間が存在する。
【００２４】
この状態において、母材（マトリックス）となる樹脂の溶融材料を成形型内に射出し、クロス材４内の空隙部および空間部に充填し、冷却して固化させる。樹脂は、クロス材４を強化繊維として繊維強化樹脂１の複合材料となり、金属板２との隙間に充填されて繊維強化樹脂１と金属板２とを一体にモールドする。次いで、成形型を型開きすることで本実施形態の接合構造が得られる。
【００２５】
金属板２から起立した爪２Ｂは、成形型を閉じることで変形されクロス材４を本体２Ａとで挟み込むため、爪２Ｂを変形させるための別個の設備は不要である。また、型閉じに引き続き樹脂が注入されるために、連続的に製作できる。
【００２６】
図４は、本実施形態の接合構造の斜視図であり、金属板２が繊維強化樹脂１の周縁において、下面には連続して本体２Ａが、上面には断続的に爪２Ｂが配置される。金属板２の爪２Ｂは成形時にクロス材４の孔４Ａを貫通しているため、金属板２とクロス材４とが交差して配置され、金属板２と繊維強化樹脂１との接合強度が上がりせん断強度、剥離強度が強化される。全体として、繊維強化樹脂１の周縁部分が金属板２によって肉厚となるよう構成されている。
【００２７】
図５は、本実施形態の接合構造のフロア部品を車体骨格構造、例えば、サイドシルＳに設けたフロア固定部材Ｂにスポット溶接により固定する状態を示す。即ち、フロア固定部材Ｂ上に本実施形態のフロア部品の周縁部を載置し、上方から複数の爪２Ｂに接触する電極Ｔ１を当接させ、下方から電極Ｔ２を金属板２の本体２Ａに当接させ、互に挟み込んだ状態においてスポット溶接を行なう。溶接電流は金属板２の本体２Ａとフロア固定部材Ｂとの間に溶融スポット（ナゲット）Ｎを形成し、金属板２をフロア固定部材Ｂに固定し、フロア部品をサイドシルＳ固定することができる。
【００２８】
本実施の形態においては、下記に記載する効果を奏することができる。即ち、繊維強化樹脂１構成する強化繊維４設けた孔４Ａに金属板２に設けた爪２Ｂを貫通させ、貫通した爪２Ｂを孔４Ａを備える強化繊維４の背面に回り込ませて樹脂により一体化される。このため、強化繊維４と金属板２とが回り込ませた爪２Ｂにより、接合強度を高め、せん断強度、剥離強度を強化することができる。
【００２９】
また、繊維強化樹脂１の成形過程で金属板２と強化繊維４とが一体化するため、組立工程が簡単であり、ボルト・リベットによる接合に比較して簡易に接合することができる。
【００３０】
さらに、金属板２が繊維強化樹脂１の外側に露出するため、金属板２を鋼板等で形成すれば、車体組立工程において通常装備されているスポット溶接等を適用することができる。
【００３１】
前記孔４Ａを貫通して突出する爪２Ｂを型締め時に成形型により孔４Ａを備える部材としての強化繊維４の背面に回り込ませるため、爪２Ｂを回り込ませるための別個の設備が不要となる。
【００３２】
図６〜図９は、本発明の第２の実施形態の繊維強化樹脂と金属板との接合構造を示す。本実施形態においては、爪を折り曲げて金属板により強化繊維を挟み込むのに代えて、強化繊維に設けた爪を折り曲げて金属板を挟み込むようにしたものである。
【００３３】
図６において、フロア部品の周縁に沿って帯状となった金属板６は、帯状に沿って一定または不特定の間隔を持って複数の孔６Ａが形成されている。前記孔６Ａは金属板６の帯状に延びる方向に縦長に形成されている。繊維強化樹脂７は金属板６の一方の面に沿い孔６Ａが位置する部分まで重なる接触部７Ａと、そこから爪７Ｂが金属板６の孔６Ａを貫通し、孔６Ａからフロア部品の内方に向かって延びて金属板６の上方に重なり、全体として強化繊維樹脂７は金属板６の孔６Ａから内方側を囲むよう配置されている。
【００３４】
図７は、本実施形態の接合構造の斜視図を示し、孔６Ａを貫通した強化繊維樹脂７が断続的に金属板６の上方をフロア部品の内周方向に延びて配置されている。金属板６の上方の強化繊維樹脂７の爪７Ｂ同士の間には、射出成形時に注入された母材樹脂がモールドされている。金属板６の孔６Ａの外周側は、金属板６のみが縁を構成している。全体として、金属板６の内周側の両側に繊維強化樹脂７による膨らみを周縁に沿って配置した形状となる。
【００３５】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、繊維強化樹脂と金属板との接合構造の成形工程を示し、先ず、図８（Ａ）に示すように、成形型の下型９の上に強化繊維で形成したクロス材８を載置する。クロス材８は、その周縁が下型９の窪み９Ａに沿って下方へオフセットした接触部８Ａを備え、次いでその周縁に直角方向に起立した爪８Ｂを一定または不特定の間隔を持って多数起立させて断面Ｌ字状に備える。
【００３６】
次いで、前記クロス材８の爪８Ｂを孔６Ａに通して金属板６を成形型の下型９に載置する。金属板６は、その外周縁は下型の窪み９Ｂに収容され、クロス材８の接触部８Ａに内周側が重なり、クロス材８の一般断面と略同一平面上に位置される。
【００３７】
次いで、成形型の上型１０を型締めし、強化繊維８の爪８Ｂを鎖線図示のように変形させ、更に型締めして、図８（Ｂ）に示す状態にプレスして成形型を閉じる。クロス材８の接触部８Ａおよび爪８Ｂの金属板６に接触している背面は上下の成形型９、１０に接触する。また、一定または不特定の間隔を持つ爪８Ｂ同士の間は、金属板６と上型１０との間で空間を形成している。この状態においては、成形型の上下型９、１０間で、金属板６を除きクロス材８内の繊維間の隙間や爪８Ｂ同士の間に空隙・空間が存在する。
【００３８】
この状態において、母材（マトリックス）となる樹脂の溶融材料を成形型内に射出し、クロス材８内の空隙部および空間部に充填し、冷却して固化させる。樹脂は、クロス材８を強化繊維として繊維強化樹脂７の複合材料となり、金属板６との隙間に充填されて繊維強化樹脂７と金属板６とを一体にモールドする。次いで、成形型を型開きすることで本実施形態の接合構造が得られる。
【００３９】
強化繊維から起立した爪８Ｂは、成形型を閉じることで変形され金属板６を接触部８Ａとで挟み込むため、爪８Ｂを変形させるための別個の設備は不要である。また、型閉じに引き続き樹脂が注入されるために、連続的に製作できる。
【００４０】
図９は、本実施形態の接合構造のフロア部品を車体骨格構造、例えば、サイドシルＳに設けたフロア固定部材Ｂにスポット溶接により固定する状態を示す。即ち、フロア固定部材Ｂ上に本実施形態のフロア部品の周縁部の金属板６を載置し、上下から電極Ｔを当接させ、互に挟み込んだ状態においてスポット溶接を行なう。溶接電流は金属板６とフロア固定部材Ｂとの間に溶融スポットＮ（ナゲット）を形成し、金属板６をフロア固定部材Ｂに固定し、フロア部品をサイドシルＳに固定することができる。
【００４１】
本実施の形態においては、第１の実施の形態における効果に加えて、金属板６に設けた孔６Ａに強化繊維に設けた爪８Ｂを貫通させ、貫通した爪８Ｂを金属板６の背面に回り込ませるため、強化繊維が金属板６を回り込んで一体化するため、強固な接合構造を得ることができる。
【００４２】
しかも、繊維強化樹脂７の成形後に金属板６が外周縁に突出しているため、他の部材への取付け等が容易となる。
【００４３】
図１０〜図１２は、本発明の第３の実施形態の繊維強化樹脂と金属板との接合構造を示す。本実施形態においては、強化繊維により金属板を挟み込む場合において、挟み込み部分の強化繊維を補強プレートにより補強したものである。
【００４４】
図１０（Ａ）は繊維強化樹脂と金属板との接合構造を備えたフロア部材の全体図を示し、繊維強化樹脂７の周縁に金属板６が帯状に配置されている。図示例では、フロア部品の前方と後方の３箇所において、金属板６を貫通して金属製の補強プレート１１が繊維強化樹脂７を挟んで配置されている。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＣ−Ｃ線による断面図であり、金属板６の孔６Ａを貫通して繊維強化樹脂７と補強プレート１１とが金属板６を挟み込み配置されている。補強プレート１１は繊維強化樹脂７の金属板６からの離反方向の移動を阻止し、金属板６と繊維強化樹脂７との接合強度を高める。なお、図示例では、フロア部品の前後の夫々３箇所において、本実施形態の接合構造が適用されているが、フロア部品の側辺部分に追加適用してもよく、また、側辺のみに適用してもよい。
【００４５】
図１１は、本接合構造に用いられる素材を示し、図１１（Ａ）には前後辺に爪８Ｂとなる突起を備えた強化繊維からなるクロス材８が示され、図１１（Ｂ）には、周縁部を形成する帯状の金属板６と、金属板６の夫々の孔６Ａに係合するＬ字状の補強プレート１１とを備える。
【００４６】
図１２は、繊維強化樹脂７と金属板６との接合構造の成形工程を示し、先ず、図１２（Ａ）に示すように、成形型の下型９の窪み９ＣにＬ字状の補強プレート１１を起立部１１Ａをフロア部品の外側となるよう載置し、補強プレート１１の内面に沿わせてクロス材８の爪８Ｂが位置するようクロス材８を下型９上に載置する。爪８Ｂが起立するクロス材８の接触部８Ａは、クロス材８の一般断面よりクロス材８の厚み分だけ下側へオフセットして配置する。
【００４７】
次いで、図１２（Ｂ）に示すように、前記クロス材８の爪８Ｂおよび補強プレート１１の起立部１１Ａを孔６Ａに通して金属板６を成形型の下型９に載置する。金属板６は、その外周縁は下型９の窪み９Ｂに収容され、クロス材８の接触部８Ａに内周側が重なり、クロス材８の一般断面と略同一平面上に位置される。
【００４８】
次いで、成形型の上型１０を型締めし、図１２（Ｃ）に示すように、クロス材８の爪８Ｂと補強プレート１１の起立部１１Ａをフロア部品の内方へ変形させ、更に型締めして、図１２（Ｄ）に示す状態にプレスして成形型を閉じる。強化繊維であるクロス材８の接触部８Ａおよび爪８Ｂの金属板６に接触している背面は補強プレート１１に接触し、補強プレート１１はその状態を維持する。この状態においては、成形型の上下型９、１０間で、金属板６および補強プレート１１を除きクロス材８内の繊維間の隙間に空隙が存在する。
【００４９】
そして、母材（マトリックス）となる樹脂の溶融材料を成形型内に射出し、クロス材８内の空隙部に充填し、冷却して固化させる。樹脂は、クロス材８を強化繊維として繊維強化樹脂７の複合材料となり、金属板６および補強プレート１１との隙間に充填されて繊維強化樹脂７と金属板６とを一体にモールドする。次いで、成形型を型開きすることで本実施形態の接合構造が得られる。
【００５０】
強化繊維のクロス材８から起立した爪８Ｂおよび補強プレート１１は、成形型を閉じることで変形され金属板６を挟み込むため、爪８Ｂや補強プレート１１を変形させるための別個の設備は不要である。また、型閉じに引き続き樹脂が注入されるために、連続的に製作できる。
【００５１】
本実施の形態においては、第２の実施形態における効果に加えて、爪８Ｂは、強化繊維であるクロス材８に形成されて金属板６と接触する背面に爪８Ｂと共に回り込ませる補強プレート１１を備えているため、強化繊維のプリフォーム成形のみでは自立しない爪８Ｂであっても補強プレート１１に支持されて立設でき、金属板６に設けた孔６Ａへの挿入が容易となる。
【００５２】
また、補強プレート１１により爪８Ｂが金属板６に確実に回り込ませることができ、接合強度を向上できる。
【００５３】
なお、上記実施形態において、繊維強化樹脂の全周の周縁に金属板を配置したものについて説明しているが、必ずしも全周に金属板を設けるもの以外に、図示しないが、例えば、一部の辺にのみ設けるものであってもよい。
【００５４】
また、車体構造のフロア部品を例として説明しているが、図示しないが、他の繊維強化部品を対象とするものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す繊維強化樹脂と金属板との接合構造の斜視図。
【図２】同じく図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】繊維強化の樹脂パネルと金属板との接合構造の成形工程を（Ａ）、（Ｂ）に分けて示す断面図。
【図４】同じく接合部の斜視図。
【図５】同じく適用例を示す断面図。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す繊維強化樹脂と金属板との接合構造の断面図。
【図７】同じく接合構造の斜視図。
【図８】同じく繊維強化の樹脂パネルと金属板との接合構造の成形工程を（Ａ）、（Ｂ）に分けて示す断面図。
【図９】同じく適用例を示す断面図。
【図１０】本発明の第３の実施形態を示す繊維強化樹脂と金属板との接合構造の断面図。
【図１１】同じく分解して（Ａ）、（Ｂ）に分けて示す部品図。
【図１２】同じく繊維強化の樹脂パネルと金属板との接合構造の成形工程を（Ａ）〜（Ｄ）に分けて示す断面図。
【符号の説明】
１、７繊維強化樹脂
１Ａ、４Ａ、６Ａ孔
２、６金属板
２Ｂ、７Ｂ、８Ｂ爪
３、９成形型の下型
４、８クロス材
５、１０成形型の上型
１１補強プレート

Claims

繊維強化樹脂と金属板との接合方法であって、
前記繊維強化樹脂を構成する強化繊維または金属板のいずれか一方に孔を設け、
前記繊維強化樹脂を構成する強化繊維または金属板のいずれか他方に爪を設け、
前記爪を孔に貫通させ、貫通した爪を孔を備える部材の背面に回り込ませて繊維強化樹脂の成形型内に強化繊維と金属板を設置し、
前記成形型内に母材となる樹脂を射出して接合することを特徴とする繊維強化樹脂と金属板との接合方法。
前記孔を貫通して突出する爪は、型締め時に孔を備える部材の背面に成形型により回り込ませることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂と金属板との接合方法。
前記爪は、強化繊維に形成され、金属板と接触する背面に爪と共に回り込ませる補強プレートを備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の繊維強化樹脂と金属板との接合方法。
繊維強化樹脂と金属板との接合構造であって、
前記繊維強化樹脂を構成する強化繊維または金属板のいずれか一方に孔を設け、
前記繊維強化樹脂を構成する強化繊維または金属板のいずれか他方に爪を設け、
前記爪は孔を貫通して孔を備える部材の背面に位置して強化繊維と金属板とが樹脂で一体化されていることを特徴とする繊維強化樹脂と金属板との接合構造。
前記爪は、強化繊維に形成され、金属板と接触する背面に補強プレートを備えていることを特徴とする請求項４に記載の繊維強化樹脂と金属板との接合構造。