JP5466254B2 - 繊維強化樹脂と金属との接合構造及び繊維強化樹脂と金属との接合方法 - Google Patents

繊維強化樹脂と金属との接合構造及び繊維強化樹脂と金属との接合方法 Download PDF

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Description

本発明は、繊維強化樹脂と金属との接合に関する。
今日、繊維強化樹脂複合材（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）は、航空機、自動
車、船舶あるいは一般産業機器の構造用部材として広く用いられている。例えば、炭素繊維やガラス繊維等の無機物系強化繊維を縦横に配して織り込んだ織物にエポキシ樹脂などの樹脂を含浸硬化して形成したものが知られる。
しかし、すべてを繊維強化樹脂複合材で構成せず、一部に金属材を適用しなければならない場合も少なくない。
そこで、繊維強化樹脂複合材と金属材と高強度に接合することが課題となる。従来、特許文献１−３にも記載されるように、繊維強化樹脂複合材と金属材とを直接接着することにより、締結具を排して軽量化等を図る技術が提案されている。
２つの部材を接着により接合するにあたっては、両部材の端面同士をつき合わせて、このつき合わせ面のみを接着面とする場合には、接着面が小さく、高強度な接合構造は期待できない。
特許文献１に記載の接合構造にあっては、両部材の接合する端部それぞれに、相補的なステップ状構造を形成し、つき合わせ面に垂直なステップ面に大面積の接着面を確保したステップ状接合面が採用される。
特許文献２記載の接合構造にあっては、チューブ材において、多段のステップ状接合面が採用される。また、特許文献２には、ステップ状接合面が２層に重なる構造が記載されている（同文献第３図参照）。これは、繊維強化樹脂複合材の端面に開口する奥狭のステップ状に形成された溝に、先細りのステップ状に形成された金属材の端部を挿入する構造である。
特許文献３記載の接合構造にあっては、シャフト材において、軸方向端を斜めにして繊維強化樹脂複合材と金属材とを一部を重ねて配置し巻回することで、その軸を通る断面において両材料を交互に重ねて多層に形成する。
しかしながら、特許文献３に記載の技術によれば、両材料を交互に重ねて多層に形成することができても、ロール状のパイプ材しか構成できず、平面や任意の曲面をもった構造を構成することはできない。また、ステップ状、特に多段のステップ状接合面を形成できない。さらに、巻回に伴って徐々に両材料が重なる領域が軸方向にずれてしまい、同領域が長くに亘ってしまう。接合のための構造部には、他の構造を同時に形成することは難しい。接合のための構造が大きくなると、その分設計の自由度が大きく制限され、適用箇所が限られたりして好ましくない。
特許文献１に記載の技術にあっては、１層の繊維強化樹脂複合材と１層の金属材との重なりによる接合構造である。特許文献２に記載の技術にあっては、金属材は２層以上にされない。
したがって、以上の従来技術にあっては、繊維強化樹脂複合材及び金属材をそれぞれ２層以上にして交互に重ねた構造によって、平面や任意の曲面をもった形状を構成することは困難であり、要求される総厚内において各層の層厚をより薄く、より多層化するには自ずと限界が生じる。
このため、本発明者らは例えば図８に示すように、ステップ状接合面を構成する端部が当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成された金属材１０１と、ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材１０２とからなる要素１０３を一枚として、これを積層する繊維強化樹脂と金属との接合構造１００を開発している。このような接合構造であるため、ステップ状接合面を多段化することはもちろん、ステップ状接合面を介して交互に重なる繊維強化樹脂層及び金属層を薄い総厚内でも多層化することが容易に可能となっている。
そして、本発明者らは、接合強度を高めるべく、各要素１０３を熱硬化して金属材１０１と繊維強化樹脂複合材１０２とを接着した後、隣接する金属材１０１同士を溶接して、接合面毎に溶接部１０４を形成する技術をも検討している。
実開昭６３−１７８１２６号公報 特公昭６１−００９１３５号公報 特開２００１−０３２８１９号公報
しかしながら、図８に示した接合構造１００であると、複数枚積層した要素１０３を熱硬化した際には、繊維強化樹脂複合材１０２から流れ出た樹脂が層間全体に侵入してしまって、金属材１０１同士を溶接するときにポロシティ等の欠陥を発生させるおそれがあった。
そこで、本発明の課題は、熱硬化時に流れ出た樹脂が金属材の層間全体に侵入してしまうことを防止し、高品質化を図ることである。
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、
繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士がステップ状接合面を介して接合された繊維強化樹脂と金属との接合構造であって、
前記ステップ状接合面を構成する端部が当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成された金属材と、前記ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚として、前記ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層され、
前記金属材と繊維強化樹脂複合材とが接着されるとともに、隣接する前記要素同士が重ね合わせ面で接合され、
前記金属材の外端部には、隣接する前記金属材の合わせ面を溶接して接合された主溶接部が形成されていて、
前記積層された複数の前記要素の全ての前記金属材における前記主溶接部よりも前記繊維強化樹脂複合材側には、前記全ての前記金属材を前記厚み方向で溶接した副溶接部が形成されていることを特徴としている。
請求項２記載の発明は、
繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士をステップ状接合面を介して接合する繊維強化樹脂と金属との接合方法であって、
前記ステップ状接合面を構成する金属材の端部を当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成し、
前記ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように繊維強化樹脂複合材を積層し、
一の前記金属材とそのステップ状構造上を埋めるように積層された前記繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚として、前記ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層した状態にて、
前記積層された複数の前記要素の前記金属材側の外端部から所定の間隔を空けて、前記複数の前記要素の全ての前記金属材を前記厚み方向で溶接して副溶接部を形成し、
前記繊維強化樹脂複合材を熱硬化させることによって、前記金属材と繊維強化樹脂複合材とを接着するとともに、隣接する前記要素同士を重ね合わせ面で接合してから、
隣接する前記金属材の合わせ面を溶接して接合する主溶接部を、隣接する前記金属材の外端部に形成することを特徴としている。
本発明によれば、積層された複数の要素の全ての金属材における主溶接部よりも繊維強化樹脂複合材側に、全ての金属材を厚み方向で溶接した副溶接部が形成されているので、この副溶接部を熱硬化前に形成しておくことで、熱硬化によって繊維強化樹脂複合材から溶融した樹脂が金属材の外端部に侵入してしまうことを副溶接部によって遮断することができる。これにより、熱硬化時に流れ出た樹脂が金属材の層間全体に侵入してしまうことを防止することができ、高品質化を図ることが可能となる。
本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造の断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造の一枚の要素の断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造であって、一枚の要素を複数枚積層した状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造であって、積層した複数枚の要素を全て溶接する際の様子を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造であって、溶接後、熱硬化を行う際の様子を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造における層間溶接の様子を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂と金属との接合構造における端面溶接の様子を示す断面図である。 従来の繊維強化樹脂と金属との接合構造の断面図である。
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
図１に示すように本実施形態の繊維強化樹脂と金属との接合構造１は、図２に単体で示す一枚の要素１０を複数枚積層して構成されている。
一枚の要素１０は、金属材（金属箔）１１と、繊維強化樹脂複合材１２〜１５とからなる。金属材１１と、繊維強化樹脂複合材１２〜１５とがステップ状接合面を介して接着され、各要素１０，１０間がその重ね合わせ面で接合されたものである。
そして、図１に示すように、接合構造１における金属材１１の外端部には、隣接する金属材１１の合わせ面を溶接して接合された主溶接部１６が形成されている。また、積層された複数の要素１０の全ての金属材１１における主溶接部１６よりも繊維強化樹脂複合材１２〜１５側には、全ての金属材１１を厚み方向で溶接した副溶接部１７が形成されている。
ここで、製造過程に沿って説明することで、繊維強化樹脂と金属との接合方法について説明する。
まず、図２に示すように金属材１１の端部１１ａを、その端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成する。
次に、金属材１１のステップ状構造の端部１１ａに、繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグの状態の繊維強化樹脂複合材１２〜１５を順次積層していく。
繊維強化樹脂複合材１２〜１５は、端部１１ａの各段に対応する部分で便宜的に分けたものである。繊維強化樹脂複合材１２〜１５は、それぞれ一枚又は複数枚のプリプレグによって構成される。
積層するにはまず、繊維強化樹脂複合材１２を、端部１１ａの端面につき合わせる。繊維強化樹脂複合材１３の端を、繊維強化樹脂複合材１２の端より金属材１１の最厚部１１ｂ側にずれた位置に配置し、繊維強化樹脂複合材１３の端部で１段面１１ｃ上をフラットに埋めるように積層する。同様に、繊維強化樹脂複合材１４の端を、繊維強化樹脂複合材
１３の端より金属材１１の最厚部１１ｂ側にずれた位置に配置し、繊維強化樹脂複合材１４の端部で２段面１１ｄ上をフラットに埋めるように積層する。同様に、繊維強化樹脂複合材１５の端を、繊維強化樹脂複合材１４の端より金属材１１の最厚部１１ｂ側にずれた位置に配置し、繊維強化樹脂複合材１５の端部で３段面１１ｅ上をフラットに埋めるように積層する。なお、繊維強化樹脂複合材１２〜１５に接触する金属材１１のステップ状構造の表面にペースト接着剤を塗布もしくはフィルム接着剤を積層してから、繊維強化樹脂複合材１２〜１５を積層するようにしても良い。
以上のような要素１０を、図３に示すようにステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層した状態を得る。また、要素１０を必要枚数作製し、図３に示すようにステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層した状態を得てもよい。
図３にステップ状接合面の形成長さＬが示される。
要素１０を積層する際に、要素１０の表裏を適宜変えてもよいが、図３に示すようにステップ状構造の形成領域において金属材１１，１１を、全体の表裏、すなわち両外面に配置することが好ましい。金属面を外面とした方が外部からの衝撃に対して強いからである。
また、各要素１０，１０，１０・・・のステップ状構造の両端位置が一致して配置されていることが好ましい。ステップ状接合面の形成長さＬを短くするためである。
そして、図４に示すように、積層された複数の要素１０の金属材１１側の外端部から所定の間隔Ｈを空けた位置に、複数の要素１０の全ての金属材１１を厚み方向で溶接して副溶接部１７を形成する。これには、矢印１８で示すように金属材１１の表面側及び裏面側の少なくとも一方から、金属材１１に向けてレーザ等の溶接熱源を厚み方向に沿って入射させて、全ての金属材１１を厚み方向で溶接し副溶接部１７を形成する。図では、接合構造１の断面図を示しているが、副溶接部１７は接合構造１をなす板材の辺、厳密に言うと金属材１１と繊維強化樹脂複合材１２〜１５との接合面に対向する辺に対して連続的に形成されていることが好ましい。
なお、溶接熱源の照射方向は、接合構造１の厚みに応じて、一面側からのみの照射、表面側及び裏面側の二面側からの照射を適宜選択する。
副溶接部１７の形成後、図５に示すように、要素１０を複数枚積層した状態にて、各要素１０の繊維強化樹脂複合材１２〜１５を熱硬化させる。
これによって、金属材１１と繊維強化樹脂複合材１２〜１５とが接着するとともに、すべての繊維強化樹脂複合材１２〜１５が一体化する。また、熱硬化時に繊維強化樹脂複合材１２〜１５から流れ出し、金属材１１，１１の層間に侵入した樹脂は、副溶接部１７により外端部側への移動が遮断される。
次に、図６に示すように、隣接する金属材１１，１１の合わせ面を金属材１１，１１の外端部側から溶接して主溶接部１６を形成する。これには、矢印２０で示すように外端面から金属材１１，１１の合わせ面に向けて合わせ面と平行に、レーザ等の溶接熱源を入射させて合わせ面毎に深い位置まで主溶接部１６を形成する。
必要により、主溶接部１６を形成した端面を研削等により整形した後、その整形した端面に図７に示すように金属部品２１の端面を合わせて溶接により接合する。このときも、矢印２２で示すように金属材１１と金属部品２１の合わせ面に向けて合わせ面と平行に、レーザ等の溶接熱源を入射させて深い位置まで溶着部２３を形成する。
以上の製造過程からわかるように、本実施形態の繊維強化樹脂と金属との接合構造１は、繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士がステップ状接合面を介して接合された繊維強化樹脂と金属との接合構造であって、ステップ状接合面を構成する端部が当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成された金属材１１と、このステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材１２〜１５とからなる要素１０を一枚として、ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層され、金属材１１と繊維強化樹脂複合材１２〜１５とが接着されるとともに、隣接する要素１０同士が重ね合わせ面で接合され、金属材１１の外端部には、隣接する金属材１１の合わせ面を溶接して接合された主溶接部１６が形成されていて、積層された複数の要素１０の全ての金属材１１における主溶接部１６よりも繊維強化樹脂複合材１２〜１５側には、全ての金属材１１を厚み方向で溶接した副溶接部１７が形成されている繊維強化樹脂と金属との接合構造を構成する。
以上のように本実施形態によれば、積層された複数の要素１０の全ての金属材１１における主溶接部１６よりも繊維強化樹脂複合材１２〜１５側に、全ての金属材１１を厚み方向で溶接した副溶接部１７が形成されているので、この副溶接部１７を熱硬化前に形成しておくことで、熱硬化によって繊維強化樹脂複合材１２〜１５から流れ出た樹脂が金属材１１の外端部に侵入してしまうことを副溶接部１７によって遮断することができる。これにより、熱硬化時に流れ出た樹脂が金属材１１の層間全体に侵入してしまうことを防止することができ、高品質化を図ることが可能となる。
また、複数の要素１０からなる板材が平板である場合、熱硬化前或いは熱硬化時に各要素１０が位置ズレをしてしまう可能性は小さいが、湾曲した形状であると熱硬化前或いは熱硬化時に位置ズレを生じる可能性が高まってしまう。本実施形態のように副溶接部１７が熱硬化前に形成されていれば、副溶接部１７により複数の要素１０を仮止めすることができ、位置ズレを防止することが可能である。
また、上記実施形態においては、各ステップ状構造を３段としたが、これは一例である。ステップ状構造は、２段以上の多段とすることが好ましい。ステップ状接合面を介した接合構造にあっては、応力が各ステップの端部に集中する。ステップ状構造をより多い段数とすることで応力集中を分散し、最大応力を低減することができるからである。
以上の実施形態においては、要素１０の積層枚数を５枚としたが、これは一例である。３枚以上で上述したように金属面を両外面に配置することが好ましい。
要素１０の積層枚数を多くしていくことによって、繊維強化樹脂複合材と金属材との接着面積が拡大し、ステップ状接合面の形成長さＬを短くしても、十分な接合強度を確保することができる。図７に示すように、１００％金属の端部の寸法Ｌ１が上述した溶接等の都合上で一定距離あれば足りる場合は、ステップ状接合面の形成長さＬを短くすることで、繊維強化樹脂複合材の容積占有率を高め、軽量化等を追及することができる。
また、繊維強化樹脂複合材と金属材との接着面積が拡大するので、繊維強化樹脂複合材と金属材との間の電気伝導性も向上する。
従来のステップ状接合面を有した接合構造にあっては、ステップ状接合面が１層又は２層であるので、衝撃荷重や、引張・圧縮、曲げ等の繰り返し荷重を受けて１層のステップ状接合面に剥離が進展すると、完全分断又はほぼ半分まで剥離破壊されることとなる。
これに対し、本接合構造１によると、多層化され、接着面が広くされ、外面から浅い位置から深い位置まで外面に平行なステップ面による接着面が分散配置されているため、同荷重条件でも剥離が生じないか、外面の一部の剥離にとどめることができる。そのため、要素１０を３層、４層、５層・・・と、その積層数を多くすることが好ましい。
適用する繊維強化樹脂複合材に関しては、炭素繊維強化樹脂複合材、ガラス繊維強化樹脂複合材などを挙げることができるが、その種類を問わない。
適用する金属材の材質に関しても、Ｔｉ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金などを挙げることができるが、その種類を問わない。適用する樹脂に関しても、熱硬化樹脂であればその種類を問わない。
１ 接合構造
１０ １枚の要素
１１ 金属材（金属箔）
１２ 繊維強化樹脂複合材
１３ 繊維強化樹脂複合材
１４ 繊維強化樹脂複合材
１５ 繊維強化樹脂複合材
１６ 主溶接部
１７ 副溶接部
２１ 金属部品
２３ 溶着部

Claims (2)

  1. 繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士がステップ状接合面を介して接合された繊維強化樹脂と金属との接合構造であって、
    前記ステップ状接合面を構成する端部が当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成された金属材と、前記ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように積層された繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚として、前記ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層され、
    前記金属材と繊維強化樹脂複合材とが接着されるとともに、隣接する前記要素同士が重ね合わせ面で接合され、
    前記金属材の外端部には、隣接する前記金属材の合わせ面を溶接して接合された主溶接部が形成されていて、
    前記積層された複数の前記要素の全ての前記金属材における前記主溶接部よりも前記繊維強化樹脂複合材側には、前記全ての前記金属材を前記厚み方向で溶接した副溶接部が形成されていることを特徴とする繊維強化樹脂と金属との接合構造。
  2. 繊維強化樹脂複合材と金属材との端部同士をステップ状接合面を介して接合する繊維強化樹脂と金属との接合方法であって、
    前記ステップ状接合面を構成する金属材の端部を当該端部の端面方向に向かって段階的に薄くなるステップ状構造に形成し、
    前記ステップ状構造上を端部でフラットに埋めるように繊維強化樹脂複合材を積層し、
    一の前記金属材とそのステップ状構造上を埋めるように積層された前記繊維強化樹脂複合材とからなる要素を一枚として、前記ステップ状構造が厚み方向に重なるように複数枚積層した状態にて、
    前記積層された複数の前記要素の前記金属材側の外端部から所定の間隔を空けて、前記複数の前記要素の全ての前記金属材を前記厚み方向で溶接して副溶接部を形成し、
    前記繊維強化樹脂複合材を熱硬化させることによって、前記金属材と繊維強化樹脂複合材とを接着するとともに、隣接する前記要素同士を重ね合わせ面で接合してから、
    隣接する前記金属材の合わせ面を溶接して接合する主溶接部を、隣接する前記金属材の外端部に形成することを特徴とする繊維強化樹脂と金属との接合方法。
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