JP4577960B2 - 非磁性部材の接合方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の非磁性部材を接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、地球環境保護及び省エネルギーの観点から飛行機類、自動車等の輸送用機器を一層軽量化することが望まれている。そのため、それらの主構成部材としてアルミニウム合金、及び／又は繊維強化複合材を用いることが検討されている。特に軽量化と共に高強度、耐食性及び耐油性が要求される用途に用いられる部材として繊維強化複合材の開発がめざましい。
【０００３】
従来、アルミニウム合金部材同士を接合する場合にはアーク溶接を行っており、強度を得るために溶接部では予め肉厚にしなければならず、そのため軽量化の効果が充分に発揮されなかった。更に、アーク溶接特有の欠陥が生じることがあり、この場合は溶接部をはつり再溶接しなければならず多大な工数を必要とした。また、航空機用部材等に使用する高力アルミニウム合金は溶接性が悪いためリベット接合が行われており、このため重量及びコストの増大を招いている。従って、アルミニウム合金部材同士の簡便な接着が可能であれば軽量化と工数低減を図ることができる。
【０００４】
また、繊維強化複合材同士又は繊維強化複合材とアルミニウム合金部材を接合する場合は溶接による接合は不可能であるため、接着が行われている。例えば、特開平10-264257号には未硬化のプリプレグを接合材として繊維強化複合材同士を一体成形する方法が開示されている。
【０００５】
しかし、これら非磁性部材同士を接着するためには接合部を加圧する必要があり、特に大型の部材同士を接着する際には構造物全体を大型の金属製治具で固定し、更にボルト止め、リベット止め、クランプ止め等を併用していた。このため、部材に多数の貫通孔を開けてボルト等を挿入し、接着剤硬化後にボルトを抜き出し、更に穴埋め作業を行うこと等が必要であり、大型治具や多大な工数のために高い製造コストが掛かるという問題があった。
【０００６】
従って本発明の目的は、アルミニウム合金あるいは繊維強化複合材を始めとする非磁性部材のうち同種又は異種の非磁性部材を少ない工数で効率良く接着接合する方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、複数の非磁性部材の接合方法において、磁極が互いに逆向きになるように配置した一対の磁石と、磁性体とを用いて、接合部間に加圧力を作用させながら接着剤を硬化させることにより上記問題を解決できることを見出し、本発明に想到した。
【０００８】
すなわち、本発明の非磁性部材の接合方法は、(1) 非磁性部材(A)及び(B)の各接合部(a)と(b)の接合面間に未硬化の接着剤を介して前記非磁性部材(A)と(B)を合わせた後、(2) (i) 磁性体製支持体と、磁極が互いに逆向きになるように前記磁性体製支持体に固定された一対の磁石とを有し、もって周状の磁路を形成することができる接合加圧治具、及び(ii) 磁性体製接合受圧治具により、前記接合部(a)と(b)の間に加圧力を作用させながら、前記接着剤を硬化させる工程を含むことを特徴とする。
【０００９】
上述の接着剤は熱硬化性接着シートであることが好ましい。前記接合加圧治具の加圧面と非磁性部材の接合部外表面の間には緩衝材シートを介在させることが好ましい。
【００１０】
本発明の好ましい実施例では、前記非磁性部材(A)及び(B)はパネル状であり、かつ各々の端部に接合部(a’)及び(b’)を有し、一方のパネル状非磁性部材(A’)は、他方のパネル状非磁性部材(B’)に対する接合面の反対面に積層された板状部位及びこれから突出する板状部位からなり断面がT字状の繊維強化複合材製ストリンガー部を前記接合部(a’)に有し、前記接合部(a’)及び(b’)が重着するように、前記未硬化の接着剤を介して、前記パネル状非磁性部材(A’)及び(B’)の端部を重ねた後、前記接合加圧治具の一対の磁石を、前記パネル状非磁性部材(A’)の前記ストリンガー部の板状突出部位の両側において前記ストリンガー部の板状積層部位に当接するとともに、前記磁性体製接合受圧治具を、前記パネル状非磁性部材(B’)の接合部(b’)に当接することにより、前記接合部(a’)及び(b’)の間に前記加圧力を作用させる。前記接合加圧治具の磁性体製支持体は、前記一対の磁石の間に凹部を有するのが好ましく、これにより、前記接合加圧治具を前記パネル状非磁性部材(A’)の接合部(a’)に当接させる時に、前記ストリンガー部の板状突出部位の上部を、前記接合加圧治具の凹部に受容させることができる。
【００１１】
前記非磁性部材(A)及び(B)は繊維強化複合材からなるのが好ましい。本発明の非磁性部材の接合方法は、繊維強化複合材からなり、かつ航空機の胴体構造物を構成する半円筒型外皮部(A’’)及び(B’’)の接合に好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の非磁性部材の接合方法は、
(1) 非磁性部材(A)及び(B)の各接合部(a)と(b)の接合面間に未硬化の接着剤を介して非磁性部材(A)と(B)を合わせる工程
(2) 磁石製接合加圧治具と磁性体製接合受圧治具により接合部間に加圧力を作用させる工程、及び
(3) 加圧力を作用させながら接着剤を硬化させる工程
を含む。
【００１３】
非磁性部材(A)及び(B)は、繊維強化複合材、アルミニウム合金部材等の軽量部材から選ばれることが好ましく、その組み合わせは同種又は異種のいずれでもよい。また、非磁性部材(A)及び(B)の形状に制限はなく、パネル状、パイプ状、箱状等のうち同種又は異種のいずれの組み合わせでもよい。
【００１４】
繊維強化複合材は、例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維に合成樹脂（ポリエステル、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、硅素樹脂等）を含浸させてなる繊維強化複合材を硬化させたものであればよい。
【００１５】
以下、接合加圧治具を用いて繊維強化複合材構造物を接合する場合について、図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は、硬化された繊維強化複合材からなり、かつ航空機の胴体構造物を構成する半円筒型外皮部同士を接合する例を示す。図１中１は、接合加圧治具であり、磁性体製取っ手11、磁性体製支持体12、磁石13，13からなる。図１中７は、上述の接合加圧治具１と対をなす磁性体製接合受圧治具である。また、図１中４及び６は、それぞれ半円筒型外皮部(A’’)及び(B’’)であり、これらの接合部40，60を接着シート５を介して合わせてある様子を示す。但し、接合部40，60の形状は図示例に限るものではなく、他の形状も可能である。
【００１６】
(1) 半円筒型外皮部(A’’)及び(B’’)の各接合部(a’’)と(b’’)の接合面間に未硬化の接着シートを入れて円筒型外皮部(A’’)と(B’’)を合わせる工程
図１に示す２枚の半円筒型外皮部(A’’)４及び(B’’)６の接合部40，60間に、未硬化の接着シート５を入れ、半円筒型外皮部(A’’)４と(B’’)６を合わせる。接合部40，60間に入れる未硬化の接着シートの枚数は、接合部40，60の間隙量に応じて選択するのが好ましいが、通常は一枚が好ましい。未硬化の接着シートの枚数が多過ぎると、組立て時の寸法精度が悪くなるので好ましくない。
【００１７】
接着剤には特に制限はないが、航空機の構造物等の接着に用いる場合は、強力な過重によるクリープが少なく、熱、水、油、ガソリン等溶剤への耐性を有するものが好ましい。従って、熱硬化型エポキシ系、フェノール系、レゾルシノール系等の熱硬化性か、あるいはこれに合成ゴムまたは熱可塑性のものを混合した接着剤が好ましい。
【００１８】
接着剤は上記のものを塗布してもよいが、上記接着剤を含有する接着シートを用いるのが好ましい。このような熱硬化型の接着剤又は接着シートを用いる場合は、その硬化温度は磁石13，13の耐熱温度以下であるものが好ましい。例えば、住友スリーエム製AF163-2K（硬化温度120℃）、米国サイテックファイバーライト製FM300-2（硬化温度120〜180℃）等が好ましい。
【００１９】
(2) 接合加圧治具と磁性体製接合受圧治具により接合部間に加圧力を作用させる工程
接合加圧治具１と磁性体製接合受圧治具７を用いて、半円筒型外皮部(A’’)４及び(B’’)６の接合部40，60を挟み、磁石13，13と磁性体製接合受圧治具７間の引力の利用により加圧する。
【００２０】
まず、磁性体製接合受圧治具７を、半円筒型外皮部(B’’)６の接合部(B’’)60の外表面に当接する。磁性体製接合受圧治具７の受圧面は、半円筒型外皮部(B’’)６の少なくとも接合部(b’’)60の外表面形状に沿うことが可能な形状を有することが好ましい。次に、磁性体製接合受圧治具７と対をなす接合加圧治具１を、接合部(a’’)40の外表面に当接する。接合加圧治具１の加圧面は、半円筒型外皮部(A’’)の少なくとも接合部(a’’)40の外表面形状に沿うことが可能な形状を有することが好ましい。
【００２１】
また、磁性体製接合受圧治具７の代わりに接合加圧治具１をもう一つ用いて磁石製接合加圧治具同士の引力を作用させてもよい。
【００２２】
磁石13，13のサイズ及び磁力については、接合部40，60の厚み、範囲及び非磁性部材の種類により異なるが、接合部40，60において加圧力が0.025〜0.8kgf/cm2になるように選ぶのが好ましい。より好ましくは、0.2〜0.6kgf/cm2である。加圧力が0.025kgf/cm2より低いと、接合面が全体に均一に接着シートと接触しないために接合強度が低くなる上、接合加圧治具１及び磁性体製接合受圧治具７が自重で脱落する危険性がある。加圧力の上限は特に制限されないが、0.8kgf/cm2を超えると、加圧力増加による接合強度の向上が少なくなる上、脱着が困難になる。
【００２３】
磁石13，13は、作業性等の観点から永久磁石であることが好ましい。また接着剤として熱硬化型のものを用いる場合は、磁石13，13の耐熱温度は130℃以上であることが好ましい。
【００２４】
このような条件を満たす磁石として、例えば、住友特殊金属（株）製NEOMAX-39SH（耐熱温度140℃）等が好ましい。また、磁石13，13には、ハンドリングを良くするために図１のように磁性体製の支持体12及び取っ手11を取り付けることが好ましい。図２では、接合位置決めのために繊維強化複合材からなるストリンガー部３の形状を利用した磁性体製支持体12の例を示している。ストリンガー部３は、半円筒型外皮部(A’’)４の接合部(a’’)40の接合面の反対面に積層された板状部位30、及びこれから突出する板状部位31からなり、T字状の断面を有する。図２に示すように、接合加圧治具1の磁石13，13を、半円筒型外皮部(A’’)４のストリンガー部３の板状突出部位31の両側において板状積層部位30に当接するとともに、磁性体製接合受圧治具７を、半円筒型外皮部(B’’)６の接合部(b'')60に当接する。接合加圧治具1の磁性体製支持体12は、磁石13，13の間に凹部120を有するので、接合加圧治具１を接合部(a’’)40に当接させる時に、ストリンガー部３の板状突出部位31の上部を、凹部120に受容することができる。但し、磁石13，13及び磁性体製支持体12の形状は図示例に限るものではなく、他の形状も可能である。
【００２５】
また、磁石13，13に周状の磁路を形成させて接合面40，60全体に加圧力を作用させるために、一対の永久磁石を使用し、かつ磁極を互いに逆向きに固定することが好ましい。
【００２６】
また、接合加圧治具１の取外し作業性向上及び該加圧治具１の接合部40，60の形状へのなじみを良くするため、接合加圧治具１の加圧面と半円筒型外皮部(A’’)４の接合部(a’’)40の外表面の間に緩衝材２を介在させることが好ましい。緩衝材としてはシリコンシート、テフロン（登録商標）シート等が好ましい。緩衝材の厚さは特に限定されないが、１〜３mmであるのが好ましい。緩衝材を用いた場合は、これを介した状態において、加圧力が0.025〜0.8kgf/cm2になるように磁石13，13の磁力を選ぶのが好ましい。
【００２７】
また、接合加圧治具１及び磁性体製接合受圧治具７を当接する前に、接合位置決めのための最小限のピン、ボルトとナット、リベット、シートクランプ等を併用することが好ましい。但し、ピン等の数が多くなり過ぎると工程が増大するため好ましくない。
【００２８】
(3) 加圧力を作用させながら接着シートを硬化させる工程
図２に示すように接合部40，60に加圧力を作用させながら熱硬化性の接着シート５の硬化に必要な温度に加熱する。加熱手段には特に制限はない。接合部40，60だけを局部的に熱風等で加熱してもよいが、局部加熱をすると加熱部の熱膨張により繊維強化複合材の破損や接合部40，60の破損を生じることがあるので、均熱炉を使用して繊維強化複合材全体を均一加熱することが好ましい。加熱温度は、磁石13，13の耐熱温度以下で、かつ接着シートを熱硬化させるのに十分な温度であればよいが、100〜130℃の範囲内が好ましく、より好ましくは110〜120℃である。100℃より低温では接着シートの硬化反応が不完全であるので、十分な接合強度を得ることが困難となる。
【００２９】
加圧下での接合面の加熱は、接着剤が十分硬化して十分な接合強度が得られる間保持すればよく、60分間程度保持するのが好ましい。また、繊維強化複合材が大型の場合には、昇温及び降温は共に２〜４℃/分の一定の速度で処理することが好ましい。
【００３０】
位置決めのためにピン等を併用した場合には、接合が終了した後、接合部40，60からピンを抜き取っても、そのまま残しておいてもよい。ピンを抜き取る場合には、抜き取った後の穴を樹脂等で被覆する。また、ピンを残す場合には、ピンを埋め込み型のものとし、ピンの頭上の穴を上述の手段と同様に被覆し、ピンの腐食を防止するようにする。
【００３１】
以上の通り、図面を参照して本発明の非磁性部材を接合する方法を説明したが、本発明はそれに限定されず、その趣旨を変更しない限り種々の変更を加えることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の方法により、複数の非磁性部材を少ない工数で効率良く接着することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の接合方法により半円筒型外皮部(A’’)及び(B’’)の接合部に接合加圧治具を当接する様子を示す概略図である。
【図２】 本発明の接合方法により半円筒型外皮部(A’’)及び(B’’)の接合部を加圧する様子を示す概略図である。
【符号の説明】
１・・・接合加圧治具
11・・・磁性体製取っ手
12・・・磁性体製支持体
120・・・凹部
13・・・磁石
２・・・緩衝材
３・・・ストリンガー部
30・・・板状積層部位
31・・・板状突出部位
４・・・半円筒型外皮部(A’’)
40・・・接合部
５・・・接着シート
６・・・半円筒型外皮部(B’’)
60・・・接合部
７・・・磁性体製接合受圧治具

Claims (7)

  1. 複数の非磁性部材の接合方法において、(1) 非磁性部材(A)及び(B)の各接合部(a)と(b)の接合面間に未硬化の接着剤を介して前記非磁性部材(A)と(B)を合わせた後、(2) (i) 磁性体製支持体と、磁極が互いに逆向きになるように前記磁性体製支持体に固定された一対の磁石とを有し、もって周状の磁路を形成することができる接合加圧治具、及び(ii) 磁性体製接合受圧治具により、前記接合部(a)と(b)の間に加圧力を作用させながら、前記接着剤を硬化させる工程を含むことを特徴とする非磁性部材の接合方法。
  2. 請求項１に記載の非磁性部材の接合方法において、前記非磁性部材(A)及び(B)がパネル状であり、かつ各々の端部に接合部(a’)及び(b’)を有し、一方のパネル状非磁性部材(A’)が、他方のパネル状非磁性部材(B’)に対する接合面の反対面に積層された板状部位及びこれから突出する板状部位からなり断面がT字状の繊維強化複合材製ストリンガー部を前記接合部(a’)に有し、
    前記接合部(a’)及び(b’)が重着するように、前記未硬化の接着剤を介して、前記パネル状非磁性部材(A’)及び(B’)の端部を重ねた後、前記接合加圧治具の一対の磁石を、前記パネル状非磁性部材(A’)の前記ストリンガー部の板状突出部位の両側において前記ストリンガー部の板状積層部位に当接するとともに、前記磁性体製接合受圧治具を、前記パネル状非磁性部材(B’)の接合部(b’)に当接することにより、前記接合部(a’)及び(b’)の間に前記加圧力を作用させる
    ことを特徴とする非磁性部材の接合方法。
  3. 請求項２に記載の非磁性部材の接合方法において、前記接合加圧治具の磁性体製支持体が前記一対の磁石の間に凹部を有し、前記接合加圧治具を前記パネル状非磁性部材(A’)の接合部(a’)に当接させる時に、前記ストリンガー部の板状突出部位の上部を、前記接合加圧治具の凹部に受容させることを特徴とする非磁性部材の接合方法。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の非磁性部材の接合方法において、前記接着剤が熱硬化性接着シートであることを特徴とする非磁性部材の接合方法。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の非磁性部材の接合方法において、前記接合加圧治具の加圧面と前記非磁性部材(A)又は(B)の接合部の外表面との間に緩衝材を介在させることを特徴とする非磁性部材の接合方法。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の非磁性部材の接合方法において、前記非磁性部材(A)及び(B)が繊維強化複合材からなることを特徴とする非磁性部材の接合方法。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の非磁性部材の接合方法において、前記非磁性部材(A)及び(B)が共に繊維強化複合材からなり、かつ航空機の胴体構造物を構成する半円筒型外皮部(A’’)及び(B’’)であることを特徴とする非磁性部材の接合方法。
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