JP6523617B2 - 異種素材接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、異種素材接合装置および方法に係り、より詳しくは、複合素材と金属材の異種素材を結合するための異種素材接合装置および方法に関する。
近年、金属が有する強度とプラスチックが有する軽量性、成形性の双方を有する複合素材が開発されている。
このような複合素材の代表的なものとしては、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎ ｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）を例として挙げられる。
このような複合素材は、繊維（炭素繊維）を強化材とする高強度および高弾性の軽量構造材として注目を浴びている先端複合材料であり、軽量構造用材料として優れた特性を有する。
前記複合素材の特性のため、金属材料と混用した製品が多く出ているが、このような混用製品で最も重要な事項が金属材質と複合材質の強い接合方法である。
複合素材を加工して製品を成形する技術は活発に進められているが、複合素材と金属材などの異種材質を接合する方法については最近になって開発されている実情である。
（例えば特許文献１参照。）
複合素材と金属材などの異種材質を接合する代表的な方法としては、一般的なリベット、セルフピアスリベット（ｓｅｌｆ ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｒｉｖｅｔ）およびボルトなどを用いて複合素材と金属材を機械的に接合する方式を使用している。
しかし、このような接合方法は、溶接方式に比べて製造費用が増加し、接合加工物の外形品質が良くなく、接合素材の変更による接合設備および生産環境の変更によって投資額が増加し、接合設備の構造が複雑になるという短所がある。
特開２０１１−１４３５３９号公報
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、簡単な構造で複合素材と金属材の異種素材をレーザー溶接方式で接合することができるようにした異種素材接合装置および方法を提供することにある。
本発明による異種素材接合方法は、異種素材接合装置が、互いに向き合う第１および第２自由端部を有するフレームと、前記フレームの第１自由端部側に設置され、金属材の接合地点にレーザービームを照射するレーザーヘッドと、前記フレームの第１自由端部に前進および後進移動可能に設置され、前記金属材を加圧する上部ツールと、前記上部ツールに対応して前記フレームの第２自由端部に固定するように設置され、複合素材の接合地点を支持する下部ツールと、前記下部ツールに連結され、前記複合素材の接合孔と下部ツールとの間の空気を吸入する空気吸入部材と、を含んで構成され、前記異種素材接合装置を利用して複合素材と金属材とを接合する異種素材接合方法であって、（ａ）金属材と、接合地点に接合孔を形成した複合素材を提供し、（ｂ）相互に重なった複合素材と金属材とを下部ツールに位置させ、その下部ツールで複合素材の接合地点を支持し、（ｃ）上部ツールを前進移動させて金属材の接合地点を加圧し、（ｄ）レーザーヘッドを通じてレーザービームを金属材の接合地点に照射して溶融部を形成し、（ｅ）下部ツールを通じて空気を吸入して前記溶融部を複合素材の接合孔に流入させ、（ｆ）前記下部ツールを通じて前記溶融部を冷却させ、前記溶融部により前記複合素材と金属材とを接合することを特徴とする。
前記（ｄ）過程において、前記上部ツールに冷却水を流通させて前記金属材の接合地点で前記溶融部の周辺を冷却することを特徴とする。
前記（ｆ）過程において、前記下部ツールに冷却水を流通させて前記溶融部を冷却することを特徴とする。
前記（ｅ）過程において、前記金属材の接合地点の母材損失部位に溶加材を充填することを特徴とする。
前記（ｆ）過程において、前記溶融部が冷却および収縮しながら前記複合素材と金属材とを結合することを特徴とする。
前記複合素材として炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎ ｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）を提供することを特徴とする。
本発明の実施例によれば、レーザー溶接方式で金属材の接合地点に溶融部を形成し、溶融部を空気の吸入圧力で複合素材の接合孔に流入させ、溶融部の冷却による収縮力で異種素材の複合素材と金属材とを一体に結合することができる。
従って、本発明の実施例では、リベット、ボルトなどのような別途の媒介体を使用することなく、接合設備および生産環境の変更を最小化しつつ、複合素材と金属材の異種素材を接合することができる。
そこで、本発明の実施例では、従来技術のリベッティング接合方式に比べて製造費用を節減することができ、接合加工物の外形品質に優れ、かつ接合素材の変更による接合設備および生産環境の投資額を節減することができ、接合設備の構造を単純化することができる。
本発明の実施例に係る異種素材接合装置を示した斜視図である。 本発明の実施例に係る異種素材接合装置を概略的に示した断面構成図である。 本発明の実施例に係る異種素材接合装置の作動および異種素材接合方法を説明するための図面である。 本発明の実施例に係る異種素材接合装置の作動および異種素材接合方法を説明するための図面である。 本発明の実施例に係る異種素材接合装置の作動および異種素材接合方法を説明するための図面である。 本発明の実施例に係る異種素材接合装置の作動および異種素材接合方法を説明するための図面である。 本発明の実施例に係る異種素材接合装置の作動および異種素材接合方法を説明するための図面である。 本発明の実施例に係る異種素材接合装置の作動および異種素材接合方法を説明するための図面である。
上記の図面は、本発明の例示的な実施例を説明することに参照するためのものであり、本発明の技術的思想を添付の図面に限定して解釈してはならない。
以下、添付の図面を参考にして本発明の実施例について、本発明が属する技術分野における当業者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態で実現でき、以下で説明する実施例に限定されない。
本発明を明確に説明するために、説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を適用する。
図面に示した各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図面に示されたものに限定されるものではなく、様々な部分および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。
そして、下記の詳細な説明において、構成の名称を第１、第２等に区分した理由は、その構成が同一の関係にあるためこれを区分するためであり、下記の説明で必ずしもその順序に限定するものではない。
明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする場合は、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
また、明細書に記載された「〜ユニット」、「〜手段」、「〜部」、「〜部材」等の用語は、少なくとも一つの機能や動作をする包括的な構成の単位を意味する。
図１は、本発明の実施例に係る異種素材接合装置を示した斜視図であり、図２は、本発明の実施例に係る異種素材接合装置を概略的に示した断面構成図である。
図１および図２を参照すると、本発明の実施例に係る異種素材接合装置１００は、車体パネルのような車体組立用部品を組み立てる車体部品組立工程に適用される。
本発明の実施例に係る異種素材接合装置１００は、車体パネルの軽量化を図るために、車体部品組立工程で複合素材１と金属材３の異種素材を一体に接合するためのものである。
例えば、複合素材１は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）等を含む。
このような複合素材１は、繊維を強化材とする高強度および高弾性の軽量構造として注目を浴びている先端複合材料で、軽量構造用材料として優れた特性を持っている。
そして、複合素材１は、スチール素材対比強度および弾性率に優れ、繰返し疲労に優れ、熱膨張係数が小さいのでサイズ安定性に優れ、電気伝導性、耐食性、振動減衰性能に優れた特性も有する。
ここで、複合素材１は、（炭素）繊維素材にエポキシ樹脂などのような樹脂が含浸した多数枚の素材レイヤーが積層され、その樹脂が硬化した構造からなる。
一方、金属材３は、一般的な鋼板、ステンレススチール、アルミニウム素材および非鉄合金素材などを含む。そして、複合素材１と金属材３との接合地点でその複合素材１の接合地点には接合孔５が形成されている。
以下、前記接合装置１００を図面に示すように上下方向に立ててみた場合を基準として下記の構成要素を説明するが、前後進方向を上下方向と定義する。
また、本発明の実施例では、複合素材１の上面に金属材３を重ねた状態でその複合素材１と金属材３とを一体に接合する例を説明する。
しかし、このような方向の定義は、相対的な意味であり、接合装置１００の基準位置および接合方向などによってその方向が変更され得るので、前記基準方向が本実施例の基準方向に必ずしも限定されるものではない。
本発明の実施例に係る異種素材接合装置１００は、リベット、ボルトなどのような別途の媒介体を使用せず、設備および生産環境の変更を最小化しつつ、複合素材１と金属材３の異種素材を接合することができる構造からなる。
このため、本発明の実施例に係る異種素材接合装置１００は、基本的に、固定ブラケット１０、フレーム２０、レーザーヘッド３０、上部ツール４０、下部ツール６０、そして空気吸入部材８０を含んでいる。
固定ブラケット１０は、ロボット１１のアーム１３に装脱着されるもので、その固定ブラケット１０には、ロボット１１のアーム１３の先端に装脱着可能な通常の構造のツールチェンジャー（図示せず）が設置されている。
即ち、本発明の実施例で固定ブラケット１０は、ロボット１１のティーチング制御によるアーム１３の多軸運動により、多軸方向に移動することができる。
代案として、本発明の実施例に係る接合装置１００は、固定ブラケット１０を通じてロボット１１のアーム１３に装着されることに必ずしも限定されず、別途の支持フレームに固定式で設置されてもよい。
前記のような固定ブラケット１０には、以下で説明する各種の構成要素を装着することができる。このような固定ブラケット１０は、前記構成要素を支持するためのものであり、各種のブロック、プレート、ハウジング、カバー、カラーなどのような付属要素を備えている。
しかし、前記付属要素は、それぞれの構成要素を固定ブラケット１０に設置するためのものであり、本発明の実施例では、例外的な場合を除いて、前記付属要素を固定ブラケット１０と通称する。
フレーム２０は、固定ブラケット１０に設置される。フレーム２０は、固定ブラケット１０を通じてロボット１１のアーム１３に装着された状態で、そのロボット１１の動きにより多様な位置に移動することができ、ロボット１１のアーム１３によって設定された角度に回転することもできる。
このようなフレーム２０は、互いに向き合う第１自由端部２１および第２自由端部２２を有したＣ型骨格のフレームからなり、当業界では、通常「Ｃ−フレーム」または「Ｃ型フレーム」ともいう。
レーザーヘッド３０は、レーザー発振器（図示せず）を通じて発振するレーザービームを金属材３の接合地点に照射するもので、後述する上部ツール４０に対応してフレーム２０の第１自由端部２１側で固定ブラケット１０に固定するように設置する。
つまり、レーザーヘッド３０は、金属材３の接合地点にレーザービームを照射して複合素材１の接合孔５に対応する部分を溶融することができる。
ここで、レーザーヘッド３０は、金属材３の接合地点の溶融部位を完全溶融させず、ガラス転移温度水準、例えば、スチールの場合、略６００〜６５０℃水準に溶融させられるレーザービームを照射することができる。
このようなレーザーヘッド３０は、当業界で広く使用される公知技術のレーザー溶接用レーザーヘッドからなるので、本明細書でさらに詳しい説明は省略する。
上部ツール４０は、複合素材１と重なった金属材３の上面を加圧するためのものであり、レーザーヘッド３０に対応してフレーム２０の第１自由端部２１に上下方向に前進および後進移動可能に設置される。
上部ツール４０は、上下段が開放された中空形状からなり、その中空内側にレーザービームが通過できるレーザービーム照射経路４１を形成している。このため、上部ツール４０の下端にはレーザービームが通過する貫通孔４３が形成されている。
貫通孔４３は、上部ツール４０の上端開口より小さい直径で形成されるが、その上部ツール４０の下端は、金属材３の上面を加圧する加圧端４５として形成される。
そして、上部ツール４０の内部には別途の冷却水供給ユニット（図示せず）を通じて供給される冷却水を流通させるための第１冷却水流通路４７が形成されている。
このような上部ツール４０は、作動シリンダー５０によって上下方向に前進および後進移動可能に設置される。作動シリンダー５０は、上部ツール４０に対応して固定ブラケット１０に固定するように設置される。
作動シリンダー５０は、空圧または油圧によって前後進作動しながら上部ツール４０を上下方向に移動させる作動ロッド５１を含んでいるが、その作動ロッド５１は、連結ブラケット５３を通じて上部ツール４０と連結される。
下部ツール６０は、金属材３と重なった複合素材１の接合地点を支持するもので、上部ツール４０に対応してフレーム２０の第２自由端部２２に固定するように設置される。
下部ツール６０は、複合素材１の接合地点を支持する上面に、その複合素材１の接合孔５と連結する溝部６１を形成している。溝部６１は、接合孔５より大きい直径を有し、下部ツール６０の上面に凹溝として形成される。
下部ツール６０の上面には、溝部６１の周縁側に支持面を形成しているが、その支持面は、複合素材１の接合地点を支持する支持端６３として形成される。
そして、下部ツール６０の内側には、複合素材１の接合孔５と溝部６１との間の空気を外部に排出するための空気排出通路６５が形成されている。空気排出通路６５は、溝部６１の底面中央から下部ツール６０の下面中央を貫通して形成される。
また、下部ツール６０の内部には、別途の冷却水供給ユニット（図示せず）を通じて供給される冷却水を流通させるための第２冷却水流通路６７が形成されている。
さらに、下部ツール６０の支持端６３には、その支持端６３と複合素材１との間の隙間を埋めるエアーキャップとしてのシーリング部材７１が設置される。
シーリング部材７１は、複合素材１の接合孔５と溝部６１との間の空気が支持端６３と複合素材１との間に漏れることを防止するためのもので、金属素材および耐熱ゴムなど多様な素材で形成することができる。
空気吸入部材８０は、複合素材１の接合孔５と溝部６１との間の空気を下部ツール６０の空気排出通路６５を通じて吸入するためのもので、その下部ツール６０の空気排出通路６５と連結する真空ポンプ８１を含む。
このような真空ポンプ８１は、当業界で広く知られた公知技術の空気吸入ポンプからなるので、本明細書でさらに具体的な説明は省略する。
以下、前記のように構成される本発明の実施例に係る異種素材接合装置１００の作動およびその接合装置１００を利用した異種素材接合方法を前述した図面および添付の図面を参照して詳しく説明する。
図３乃至図８は、本発明の実施例に係る異種素材接合装置の作動および異種素材接合方法を説明するための図面である。
図３を参照すると、先ず、本発明の実施例では、鋼板、ステンレススチール、アルミニウム素材および非鉄合金素材などのように車体パネルとして使用することができる金属材３を提供する。
そして、本発明の実施例では、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）等のような複合素材１を提供し、金属材３との接合地点に接合孔５を加工する。
次いで、図４のように相互重なった複合素材１と金属材３を下部ツール６０の支持端６３側に位置させる。すると、下部ツール６０は、支持端６３を通じて複合素材１の接合地点を支持することができる。つまり、下部ツール６０の支持端６３は、シーリング部材７１を通じて複合素材１の接合地点を支持することができる。
ここで、上部ツール４０は、金属材３の上面から一定距離離れるように作動シリンダー５０の作動ロッド５１の後進作動によって上側方向に移動した状態にある。
このような状態で、本発明の実施例では、図５のように、作動シリンダー５０の作動ロッド５１の前進作動によって上部ツール４０を下側方向に移動させる。
すると、上部ツール４０は、作動シリンダー５０によって金属材３の接合地点側に下降し、加圧端４５を通じて金属材３の接合地点を一定の圧力で加圧する。
この状態で、本発明の実施例では、レーザーヘッド３０を通じてレーザービーム３１を金属材３の接合地点に照射する。
この時、レーザービーム３１は、上部ツール４０のレーザービーム照射経路４１を通じて金属材３の接合地点に照射され、そのレーザービーム照射経路４１に沿って貫通孔４３を通じて金属材３の接合地点に照射される。
すると、金属材３の接合地点にはレーザービーム３１によって溶融した溶融部９１を形成する。ここで、溶融部９１は、レーザービーム３１によって完全溶融して流れることなく、ガラス転移温度（例えば、スチールの場合、略６００〜６５０℃）水準で溶融することができる。
前記の過程に、本発明の実施例では、上部ツール４０の第１冷却水流通路４７に冷却水を流通させて金属材３の接合地点で溶融部９１の周辺を冷却する。これは、溶融部９１の熱が前記接合地点の周辺に伝達されることを遮断するためである。
そして、本発明の実施例では、図６のように空気吸入部材８０を作動させ、複合素材１の接合孔５と下部ツール６０の溝部６１との間の空気をその下部ツール６０の空気排出通路６５を通じて吸入する。
ここで、下部ツール６０の支持端６３にはシーリング部材７１が設置されているため、複合素材１の接合孔５と溝部６１との間の空気が支持端６３と複合素材１との間に漏れることを防止することができる。
そこで、前記溶融部９１は、空気排出通路６５を通じた空気の吸入圧力によって複合素材１の接合孔５に流入する。この時、溶融部９１は、その接合孔５を通じて下部ツール６０の溝部６１側に流入することができる。
このような過程で、本発明の実施例では、図７のように、溶融部９１が複合素材１の接合孔５に流入して形成された金属材接合地点の母材損失部位（溶融部位の孔）に溶加材９３を充填する。溶加材９３は、レーザービーム３１によって溶融しながら金属材接合地点の母材損失部位に充填することができる。
前記のように金属材接合地点の母材損失部位に溶加材９３を充填した状態で、本発明の実施例では、図８のようにレーザーヘッド３０（図７参照）によるレーザービーム３１（図７参照）の照射を中止し、下部ツール６０の第２冷却水流通路６７に冷却水を流通して複合素材１の接合孔５に流入した溶融部９１を冷却させる。
以下、本発明の実施例では、複合素材１の接合孔５に流入した溶融部９１が下部ツール６０の第２冷却水流通路６７に流通する冷却水によって冷却および収縮され、その溶融部９１を通じて複合素材１と金属材３との接合地点を強い結合力として一体に結合することができる。
最後に、作動シリンダー５０の後進作動で上部ツール４０を上側方向に移動させれば、本発明の実施例に係る複合素材１と金属材３の異種素材を接合する工程が完了する。
前述したような本発明の実施例に係る異種素材接合装置１００およびその方法によると、レーザー溶接方式で金属材３の接合地点に溶融部９１を形成し、溶融部９１を空気の吸入圧力で複合素材１の接合孔５に流入させ、溶融部９１の冷却による収縮力で異種素材の複合素材１と金属材３とを一体に結合することができる。
従って、本発明の実施例では、リベット、ボルトなどのような別途の媒介体を使用せず、接合設備および生産環境の変更を最小化しつつ、複合素材１と金属材３の異種素材を強い結合力で接合することができる。
この結果、本発明の実施例では、従来技術のリベッティング接合方式に比べて製造費用を節減することができ、接合加工物の外形品質に優れ、接合素材の変更による接合設備および生産環境の投資額を節減することができ、接合設備の構造を単純化することができる。
以上で本発明の実施例について説明したが、本発明の技術的な思想は本明細書で提示される実施例に制限されず、本発明の技術的な思想を理解する当業者は、同一の技術的な思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加等によって他の実施例を容易に提案することができるが、これも本発明の権利範囲内にあるといえる。
本発明は、複合素材と金属材の異種素材を結合するための異種素材接合装置および方法の分野に適用できる。
１ 複合素材
３ 金属材
５ 接合孔
１０ 固定ブラケット
１１ ロボット
１３ アーム
２０ フレーム
２１ 第１自由端部
２２ 第２自由端部
３０ レーザーヘッド
４０ 上部ツール
４１ レーザービーム照射経路
４３ 貫通孔
４５ 加圧端
４７ 第１冷却水流通路
５０ 作動シリンダー
５１ 作動ロッド
５３ 連結ブラケット
６０ 下部ツール
６１ 溝部
６３ 支持端
６５ 空気排出通路
６７ 第２冷却水流通路
７１ シーリング部材
８０ 空気吸入部材
８１ 真空ポンプ
９１ 溶融部
９３ 溶加材

Claims (6)

  1. 異種素材接合装置が、互いに向き合う第１および第２自由端部を有するフレームと、前記フレームの第１自由端部側に設置され、金属材の接合地点にレーザービームを照射するレーザーヘッドと、前記フレームの第１自由端部に前進および後進移動可能に設置され、前記金属材を加圧する上部ツールと、前記上部ツールに対応して前記フレームの第２自由端部に固定するように設置され、複合素材の接合地点を支持する下部ツールと、前記下部ツールに連結され、前記複合素材の接合孔と下部ツールとの間の空気を吸入する空気吸入部材と、を含んで構成され、
    前記異種素材接合装置を利用して複合素材と金属材とを接合する異種素材接合方法であって、
    （ａ）金属材と、接合地点に接合孔を形成した複合素材を提供し、
    （ｂ）相互に重なった複合素材と金属材とを下部ツールに位置させ、その下部ツールで複合素材の接合地点を支持し、
    （ｃ）上部ツールを前進移動させて金属材の接合地点を加圧し、
    （ｄ）レーザーヘッドを通じてレーザービームを金属材の接合地点に照射して溶融部を形成し、
    （ｅ）下部ツールを通じて空気を吸入して前記溶融部を複合素材の接合孔に流入させ、
    （ｆ）前記下部ツールを通じて前記溶融部を冷却させ、前記溶融部により前記複合素材と金属材とを接合することを特徴とする異種素材接合方法。
  2. 前記（ｄ）過程において、
    前記上部ツールに冷却水を流通させて前記金属材の接合地点で前記溶融部の周辺を冷却することを特徴とする請求項１に記載の異種素材接合方法。
  3. 前記（ｆ）過程において、
    前記下部ツールに冷却水を流通させて前記溶融部を冷却することを特徴とする請求項１に記載の異種素材接合方法。
  4. 前記（ｅ）過程において、
    前記金属材の接合地点の母材損失部位に溶加材を充填することを特徴とする請求項１に記載の異種素材接合方法。
  5. 前記（ｆ）過程において、
    前記溶融部が冷却および収縮しながら前記複合素材と金属材とを結合することを特徴とする請求項１に記載の異種素材接合方法。
  6. 前記複合素材として炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）を提供することを特徴とする請求項１に記載の異種素材接合方法。
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