JP6402705B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂に強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料からなる複合材同士を接合した接合体の製造方法に関する。

従来から、熱可塑性樹脂に強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料からなる複合材は、同形状の金属材料からなる部材よりも軽量であり、かつ、同形状の高分子樹脂のみからなる部材よりも、高い強度を得ることができるので、幅広く用いられている。

例えば、特許文献１には、図５（ａ）に示すように、繊維強化樹脂材料からなる複合材１１，１２同士を接合した接合体の製造方法が開示されている。具体的には、複合材１１、１２同士を接触させた状態で、複合材１１，１２のいずれか一方の表面に超音波ホーンを配置し、複合材１１，１２同士を融着させている。

このような接合を行うことにより得られた接合体９には、複合材１１，１２同士の間に、複合材１１，１２に含まれる熱可塑性樹脂が溶け込んだ溶着部１９が形成される。

特開２０１５−１３１３９４号公報

しかしながら、図５（ａ）に示す接合体９は、溶着部１９のみで、複合材１１，１２の接合強度を保持している。このため、接合体９に、過大な荷重や振動が作用したときに、溶着部１９またはその近傍の一部に、亀裂が発生することがあり、これを視認することは難しい。そして、このような一部の亀裂は進展し易く、複合材１１，１２同士が溶着部１９から剥離することが想定される。

そこで、図５（ｂ）に示すように、複合材１１，１２を接合した後、接合体９に貫通孔９１を穿設し、接合体９の一方側から貫通孔９１にボルト３を挿通し、接合体９の他方側からナット４を締結することで、接合体９の強度を高める手法がとられることがある。

しかしながら、上述した手法では、接合体９に貫通孔９１を穿設する際に、溶着部１９に負荷がかかり、溶着部１９またはその近傍の一部に上述した亀裂が発生したり、場合によっては、溶着部１９が破損したりすることが考えられる。

本発明は、このような点を鑑みて、その目的とするところは、接合強度の信頼性が高い接合体を簡単に製造することができる接合体の製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係る接合体の製造方法は熱可塑性樹脂に強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料からなる２つの複合材を接合した接合体を製造する方法であって、重ね合わせた状態の前記複合材に、貫通孔が形成された金属部材の外周面に熱可塑性樹脂を含む被覆層が形成されたインサート材を配置するとともに、該インサート材に超音波ホーンを配置する工程と、前記超音波ホーンからの超音波振動により発生した熱で、前記複合材と前記被覆層との熱可塑性樹脂を軟化させ、重ね合わせた状態の前記複合材を融着するとともに、前記インサート材の被覆層と前記複合材とを融着させながら前記複合材に前記インサート材を圧入する工程と、前記インサート材が圧入された前記金属部材の貫通孔に、接合された前記複合材の一方側からボルトを挿通し、前記接合された複合材の他方側から前記ボルトにナットを締結する工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、超音波ホーンによる超音波振動により発生する熱を利用して、重ね合わせた状態の複合材同士を溶着させながら、インサート材を重ね合わせた状態の複合材に圧入することができる。

インサート材が圧入された複合材同士の間には、これらが溶着した溶着部が形成されるとともに、圧入されたインサート材の被覆層と複合材との間にも、これが融着した溶着部が形成される。このようにして、接合強度の信頼性が高い接合体を簡単にすることができる。

さらに、インサート材の金属部材には貫通孔が形成されているので、接合された複合材の一方側からボルトを挿通し、その他方側から挿通したボルトにナットを締結する。これにより、ボルトとナットで、接合された複合材を両側から挟み込むことができる。このようにして、複合材同士のせん断強度をさらに高めることができる。

（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る接合体の製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第２実施形態に係る接合体の製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。 参考例１に係る試験片の複合材同士が溶着した溶着部近傍の拡大写真である。 参考例１〜３に係る試験片の強度を示した図である。 （ａ），（ｂ）は、従来の接合体の製造方法を説明するための図である。

以下に本発明の２つの実施形態を図１および図２を参照しながら説明する。
〔第１実施形態〕
以下に、第１実施形態に係る接合体１の製造方法を説明する。図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１実施形態に係る接合体１の製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。

本実施形態では、２つの複合材１１，１２同士を接合した接合体１を製造する。まず、図１（ａ）に示すように、２つの複合材１１，１２と、インサート材１３とを準備する。

複合材１１，１２は、熱可塑性樹脂に強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料（ＦＲＰ）からなる。熱可塑性樹脂の材料としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）などを挙げることができ、後述する接合時に超音波振動による熱で軟化することができるものであれば、特にその材料は限定されるものではない。

強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維等を挙げることができ、後述するインサート材１３の圧入を阻害するものでなければ、その繊維長さおよび配置状態は、限定されるものではない。

インサート材１３は、貫通孔１４ａが形成された金属部材１４を備えており、金属部材１４の外周面１４ｂには、熱可塑性樹脂を含む被覆層１５が形成されている。金属部材１４の形状は筒状であり、その一方側の周縁の端部１４ｃは、尖っている。これにより、インサート材１３をより好適に複合材１１，１２に圧入することができる。なお、本実施形態では、金属部材１４の貫通孔１４ａには、雌ネジは形成されていない。

金属部材１４の材料としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム合金、黄銅などを挙げることができる。被覆層１５に含まれる熱可塑性樹脂は、後述する超音波振動による熱で軟化することができるものであれば、特にその材料は限定されるものではなく、複合材１１，１２に含まれる熱可塑性樹脂と同じものであることが好ましい。また、被覆層１５に強化繊維を含有していてもよい。

図１（ａ）に示すように、準備した複合材１１，１２を重ね合わせ、重ね合わせた状態の複合材１１，１２の表面１１ａにインサート材１３を配置するとともに、インサート材１３の上に超音波ホーン６を配置する。重ね合わせた状態の複合材１１，１２の表面１１ａに、インサート材１３を配置する際には、金属部材１４の周縁の端部１４ｃを、複合材１１の表面１１ａに接触させる。

次に、図１（ｂ）に示すように、インサート材１３を、重ね合わせた状態の複合材１１，１２に圧入する。具体的には、超音波ホーン６を超音波振動させ、超音波ホーン６からの超音波振動により、複合材１１，１２とインサート材１３との間で熱を発生させる。

この発生した熱で、複合材１１、１２と被覆層１５との熱可塑性樹脂を軟化させる。これにより、重ね合わせた状態の複合材１１，１２同士を融着するとともに、インサート材１３の被覆層１５と各複合材１１，１２を融着させながら、複合材１１，１２にインサート材１３を圧入する。

このように、本実施形態では、超音波ホーン６による超音波振動により発生する熱を利用して、重ね合わせた状態の複合材１１，１２同士を溶着させつつ、インサート材１３を重ね合わせた状態の複合材１１，１２に圧入することができる。

インサート材１３が圧入された複合材１１、１２同士の間には、これらが溶着した溶着部１９Ａが形成されるとともに、圧入されたインサート材１３の被覆層１５と複合材１１，１２との間にも、これが融着した溶着部１９Ｂが形成される。さらに、インサート材１３の金属部材１４は、複合材１１、１２同士を繋ぐように配置される。このようにして、接合された複合材１１、１２のせん断強度を高めることができる。

さらに、インサート材１３には、熱可塑性樹脂からなる被覆層１５が形成されているので、複合材１１，１２に炭素繊維などの強化繊維を含有していても、インサート材１３の金属部材１４の電食を抑えることができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、インサート材１３が圧入された金属部材１４の貫通孔１４ａに、接合された複合材１１，１２の一方側からボルト３を挿通し、接合された複合材１１，１２の他方側からボルト３にナット４を締結する。このようにして、接合体１を製造することができる。

接合された複合材１１，１２の一方側からボルト３を挿通し、その他方側から挿通したボルト３にナット４を締結することで、ボルト３とナット４で接合された複合材１１，１２を両側から挟み込むことができる。

このようにして、図１（ｃ）に示す接合体１は、複合材１１，１２同士の溶着、各複合材１１，１２とインサート材１４との溶着、および、ボルト３とナット４による締結により、接合された複合材１１，１２同士のせん断強度を高めることができる。

〔第２実施形態〕
以下に、第２実施形態に係る接合体１Ａの製造方法を説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第２実施形態に係る接合体１Ａの製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。

本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、インサート材１３Ａの金属部材１４Ａの貫通孔１４ａに雌ネジが形成されている点と、超音波ホーン６Ａの形状である。したがって、第１実施形態と同じ構成は、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態では、まず、図２（ａ）に示すように、金属部材１４Ａを有したインサート材１３Ａを準備する。金属部材１４Ａには、第１実施形態と同じように貫通孔１４ａが形成されているが、貫通孔１４ａ（を形成する内周面）には、ボルト３に螺着可能な雌ネジが形成されている。

インサート材１３Ａを、重ね合わせた状態の複合材１１，１２に配置する前に、金属部材１４Ａの貫通孔１４ａに形成された雌ネジに超音波ホーン６Ａ（の雄ネジ）を螺着する。これにより、インサート材１３Ａに超音波ホーン６Ａを配置することができる。超音波ホーン６Ａの先端６ａは尖っており、金属部材１４Ａから突出している。これにより、インサート材１３Ａをより好適に複合材１１，１２に圧入することができる。

このようにして、重ね合わせた状態の複合材１１，１２の表面１１ａに超音波ホーン６Ａの先端を接触させることで、重ね合わせた状態の複合材１１，１２の上方にインサート材１３Ａを配置することができる。

次に、第１実施形態と同様に、図２（ｂ）に示すように、超音波ホーン６Ａを超音波振動させ、インサート材１３Ａを、重ね合わせた状態の複合材１１，１２に圧入する。この超音波振動により、複合材１１と超音波ホーン６Ａの先端６ａとの間で熱を発生させ、さらのインサート材１３Ａの圧入が進むに従って、複合材１１，１２とインサート材１３Ａとの間で熱を発生させる。

この発生した熱で、複合材１１、１２と被覆層１５との熱可塑性樹脂を軟化させる。これにより、重ね合わせた状態の複合材１１，１２同士を融着するとともに、インサート材１３Ａの被覆層１５と複合材１１，１２を融着させながら、複合材１１，１２にインサート材１３Ａを圧入する。

このように、本実施形態でも、超音波ホーン６Ａによる超音波振動により発生する熱を利用して、重ね合わせた状態の複合材１１，１２同士を溶着させつつ、インサート材１３Ａを重ね合わせた状態の複合材１１，１２に圧入することができる。

インサート材１３Ａが圧入された複合材１１、１２同士の間には、これらが溶着した溶着部１９Ａが形成されるとともに、圧入されたインサート材１３Ａの被覆層１５と複合材１１，１２との間にも、これが融着した溶着部１９Ｂが形成される。

次に、図２（ｃ）に示すように、金属部材１４Ａから超音波ホーン６Ａを取り外す。最後に、図２（ｄ）に示すように、インサート材１３Ａが圧入された金属部材１４Ａの貫通孔１４ａに、接合された複合材１１，１２の一方側からボルト３を螺着させながら挿通し、接合された複合材１１，１２の他方側からボルト３にナット４を締結する。このようにして、接合体１Ａを製造することができる。

本実施形態では、第１実施形態に示した効果に加え、金属部材１４Ａにボルト３が螺着して締結されるので、接合された複合材１１，１２同士のせん断強度をさらに、高めることができる。

（確認試験）
以下に、参考例１〜３に従って、複合材同士を接合した試験片を作製した。

（参考例１）
参考例１では、図１（ｂ）に示すように、板状の複合材同士を重ね合わせた状態で、インサート材を圧入した試験片を作製した。複合材は、熱可塑性樹脂にポリプロピレン（ＰＰ）を用い、強化繊維に、短繊維の炭素繊維を用いた。インサート材の金属部材には、内径５ｍｍ、外径１０ｍｍのアルミニウム合金を用い、金属部材の外周面を被覆する熱可塑性樹脂には、複合材と同じ熱可塑性樹脂を用いた。なお、図３に、参考例１に係る試験片の複合材同士が溶着した溶着部近傍の拡大写真を示す。

（参考例２）
参考例２では、図５（ａ）に示すように、参考例１に用いたものと同様の板状の複合材を振動により溶着した試験片を作製した。

（参考例３）
参考例３では、参考例２と同様に、板状の複合材を振動により溶着した後、これに貫通孔を穿設し、貫通孔にリベットを挿通して、これをかしめた試験片を作製した。

＜引張せん断試験＞
参考例１〜３に係る試験片の両側を把持し、複合材同士が分離するまで、複合材を引張し、その時のせん断応力を強度として測定した。この結果を図４に示す。

＜結果＞
図３に示すように、本実施形態に示した工程を含む参考例１に係る試験片は、複合材同士を溶着した溶着部で強化繊維が絡み合って、複合材同士が溶着していた。図４に示すように、参考例１に係る試験片の強度は、参考例２および３のものに比べて、高かった。

これは、参考例１に係る試験片は、複合材同士に溶着部が形成され、さらに複合材同士を繋ぐように金属部材が挿入され、金属部材の外周面の被覆層と各複合材同士とにも溶着部が形成されているからであると考えられる。一方、参考例３では、リベットを挿通するための貫通孔を穿設する際に、溶着部が破損した可能性があると考えられる。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

第２実施形態では、インサート材の金属部材に、雌ネジを有した貫通孔が形成されていたが、金属部材にボルトの雄ネジに螺合する雌ネジが形成されていれば、貫通孔でなくてもよい。この場合には、金属部材に超音波ホーンを螺着させた状態で、金属部材を介して、超音波ホーンの超音波振動を複合材に付与することができる。さらに、金属部材にボルトは挿通されず，金属部材のみにボルトが締結されるため、ナットを用いなくてもよい。

１，１Ａ：接合体、３：ボルト、４：ナット、６，６Ａ：超音波ホーン、１１，１２：複合材、１３，１３Ａ：インサート材、１４，１４Ａ：金属部材、１４ａ：貫通孔、１５：被覆層。

Claims (1)

1. 熱可塑性樹脂に強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料からなる２つの複合材を接合した接合体を製造する方法であって、
   重ね合わせた状態の前記複合材に、貫通孔が形成された金属部材の外周面に熱可塑性樹脂を含む被覆層が形成されたインサート材を配置するとともに、該インサート材に超音波ホーンを配置する工程と、
   前記超音波ホーンからの超音波振動により発生した熱で、前記複合材と前記被覆層との熱可塑性樹脂を軟化させ、重ね合わせた状態の前記複合材を融着するとともに、前記インサート材の被覆層と前記複合材とを融着させながら前記複合材に前記インサート材を圧入する工程と、
   前記インサート材が圧入された前記金属部材の貫通孔に、接合された前記複合材の一方側からボルトを挿通し、前記接合された複合材の他方側から前記ボルトにナットを締結する工程を含むことを特徴とする接合体の製造方法。

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