JP6895675B2

JP6895675B2 - 繊維強化樹脂材と金属材との接合構造及びその接合方法

Info

Publication number: JP6895675B2
Application number: JP2016253467A
Authority: JP
Inventors: 英樹山岸; 茂樹柿内; 佐藤　智; 智佐藤
Original assignee: Toyama Prefecture
Current assignee: Toyama Prefecture
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018103510A

Description

本発明は、繊維強化樹脂材と金属材との接合に関する。

熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＴＰ）やガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＴＰ）は軽量で高強度であることが知られている。
そこで例えば輸送機器等の分野では、高強度、軽量化を図るマルチマテリアル構造の具現化手段として、近年、繊維強化樹脂材と金属材との異材接合技術が検討されている。

例えば、特許文献１には金属部材の接合面に微小凹部を形成し、樹脂部材の溶着時に加圧することで密着性を確保するとともに、樹脂部材の溶着部の伸び方向の変形を抑制した接合方法を開示する。
特許文献２には、金属に加熱された樹脂が浸入する凹部を形成した接合方法を開示する。
特許文献３には、レーザ照射にて接合する際に発生する分解ガスが外部に排出するように通路を形成した接合方法を開示する。
しかし、これらはいずれもマトリックス樹脂と金属との接合界面の密着性に関するものであり、繊維強化樹脂材本来の物性（高強度等）が活かされていないものである。
特許文献４には、熱可塑性繊維強化樹脂材を一部重ね合せ、この重ね合せの上から繊維強化樹脂シートを押し込みピンにて押し込む接合方法を開示する。
しかし、同公報に開示する技術は樹脂と金属等との素材が全く異なる異材の接合には適用できない。

特開２０１６−５５４９８号公報特許第４６２６６８７号公報特開２０１３−１２９１７７号公報特許第５７８２８１５号公報

本発明は、接合強度に優れ、生産性の高い繊維強化樹脂材と金属材との接合方法及び、それにより得られる接合構造の提供の目的とする。

本発明に係る繊維強化樹脂材と金属材との接合方法は、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材と金属材との少なくとも接合部位を重ね合せ、前記金属材は前記接合部位に孔部を有し、前記樹脂強化樹脂材のマトリックス樹脂の軟化状態にて、前記繊維強化樹脂材側から前記金属材の孔部内に押込部材を挿入することで前記繊維強化樹脂材が部分的に変形し、前記孔部内に押し込まれることを特徴とする。
なお、孔部内に押し込まれた樹脂材が冷却し、硬化することで接合が完了する。
ここで、孔部の形状に制限はない。
例えば円形状、楕円形状、多角形、星形等が例として挙げられる。
マトリックス樹脂の軟化状態にてと表現したのは繊維強化樹脂材のマトリックス樹脂が軟化温度に加熱されていればよく、繊維強化樹脂材のみならず金属材も予熱されていてもよく、また加熱（予熱）方法に制限はない。

本発明において、金属材に形成する孔部は有底の凹部形状でもよい。
また、前記金属材の孔部は貫通孔であり、前記押込部材にて前記繊維強化樹脂材を前記金属材の孔部に押し込むと同時又は時間差を設けて背圧を負荷するようにしてもよい。
このようにすると、プレス機を用いて接合することもできる。
この場合に押込部材を上側パンチとし、背圧を負荷する部材を下側パンチとすることができる。
上側パンチは、挿入量を金属材に設けた孔部の上下方向途中、底部あるいは底面よりさらに突き出すこともできる。
上側パンチを孔部の底面より突き出す場合には、下側パンチの下からの加圧により、押し込まれた繊維強化樹脂材に拡径したかえり部を形成することでカシメに似た接合構造にすることもできる。

本発明において、前記押込部材にて前記繊維強化樹脂材を前記金属材の孔部に押し込む押込成形時に、前記繊維強化樹脂材にシワ部が形成されるようにしてもよい。
このようにすると繊維強化樹脂材の一部が変形し、金属材の孔部に押し込まれる際に、この繊維強化樹脂材の繊維の損傷を防止あるいは緩和する。

このような接合方法を用いると、金属材の孔部に押し込まれた樹脂は硬化の際に熱収縮が少ないのに対して、金属材の温度低下による縮径の方が大きいので焼きばめのような状態になる。
よって本発明に係る接合構造は、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材と、孔部を有する金属材との接合構造であって、前記繊維強化樹脂材が部分的に変形し、前記金属材の孔部に嵌め込まれていることを特徴とする。

本発明に係る接合方法は、繊維強化樹脂材が有する部材強度を充分に発揮できる接合強度を有するので、構造部材のマルチマテリアル化に有効な手段となる。
また、プレス加工機等により、連続的に生産も可能であり生産性に優れる。

プレス機を用いた接合の流れを示す。金型の外観写真を示す。接合方法を模式的に示す。接合部の表面、裏面の外観写真を示す。接合部の引張試験結果を示す。

本発明に係る接合方法は、金属材側に孔部を形成し繊維強化樹脂材の少なくとも接合部をこの孔部に重ね、繊維強化樹脂材側から上記孔部に向けて嵌め合せるように押し込み成形する点に特徴があり、成形機としては各種成形機を用いることができる。
図１に示した実施例は、ダイクッション（ＤＣ）として背圧制御機３０を有するサーボプレス機を用いて接合する例を示す。
ベッド１３のボルスタ１２に下型２２をセットし、上部側のスライド１１に上型２１をセットする。
上型２１と下型２２とからなる金型の外観を図２に示す。
上型２１は、下型２２に対して離間方向に付勢されたスプリング２４を有する。
本実施例では、上型２１の下側に接合時にワークを押える押え型２１ａをスプリングを介して有し、図２に金型逃げ（シワ形成部）と表記したように押え型２１ａに切欠き部を形成してある。
上型２１には、押え型２１ａを貫通させて上側パンチ２３を有し、下型２２にはこの下型を貫通させて下側パンチ３１を有する。
この下側パンチ３１は、ロッドを介して背圧制御機３０により下側からの背圧量が制御されている。
図２では、上側パンチを単にパンチ、下側パンチ３１を裏当て用パンチと表記してある。
本実施例では下型２２が金型温調（ＰＩＤ）可能になっている。

次に繊維強化樹脂材（以下、単に樹脂材という）１と金属材２との接合について説明する。
図１（ａ）に示すように、下型２２の上面に金属材２を載置する。
金属材２には、図３に示すように接合部に孔部２ａを有する。
本実施例では、孔部の形状が円孔になっているが形状に制限はない。
この金属材２の孔部２ａに、樹脂材１の接合部が重なるように上側に載置する。
なお、樹脂材１はマトリックス樹脂が軟化状態にあるように予熱されている。
また、金属材２に重ね合せる際に、樹脂材１が急冷されないように、この金属材２も予熱するのが好ましい。

上型２１に取り付けた上側パンチ２３は、本発明に係る押込部材に相当する。
本実施例では、プレス機を用いたので本発明に係る押込部材を上側パンチと表現したが、樹脂材１を部分的に変形させ金属材２の孔部２ａに嵌め込ませるものであれば、例えば油圧機にて上記押込部材を上下動作させてもよく、本実施例に限定されない。
上側パンチ２３の外径は、樹脂材１の肉厚等を考慮し、金属材２の孔部２ａの内径より小さく設定してある。

図１（ｂ）に示すようにプレス機のスライド１１を下降させると、スプリング２４に対抗して上型２１及び押え型２１ａが下降し、押え型２１ａが接合部を上から押えた状態になるとともに、上側パンチ２３が樹脂材を部分的に変形させながら金属材２の孔部２１ａ内に押し込む。
この状態を、図３に模式的に示す。
樹脂材１には、金属材２の孔部２ａに押し込まれた嵌合部１ａが形成される。
金属材２に形成した孔部２ａは有底の孔部形状（凹部形状）にしてもよいが、本実施例では貫通孔になっており、樹脂材１の押込成形時にこの嵌合部１ａを下側から支えたり、加圧成形させることができるように下側パンチ３１が背圧制御機（油圧制御機）３０にて上昇制御されている。
下側パンチ３１の外径は金属材の孔部２ａの内径より小さいと、樹脂材の嵌合部１ａの底面を孔部２ａの上下方向途中に抑えたり、孔部２ａの底面に合せて背圧支持することができる。
また、樹脂材の嵌合部１ａの底面を金属材の孔部２ａの底面よりさらに下側に突き出し、下側パンチ３１にて加圧成形し、カエリ部を形成してもよい。

次に上記ダイクッションを備えたサーボプレス機を用いて接合したサンプルの評価結果について説明する。
金属材は、ＪＩＳＡ６０６１材からなるアルミニウム合金の板材（幅５０ｍｍ×長さ１５０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）を用いた。
繊維強化樹脂材は、熱可塑性炭素繊維強化樹脂材（ＣＦＲＴＰ）として、マトリックス樹脂ポリアミド６（ＰＡ６）、炭素繊維含有率５０〜５５体積％の板材（幅５０ｍｍ×長さ１５０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）を用いた。
アルミ材には、内径１５ｍｍの円孔を形成した。
プレス金型は、図２に示したものを用い上型パンチ外径１１ｍｍ（半径方向クリアランス２ｍｍ）、下側パンチ外径１４．５ｍｍ、金型を約１５０℃に温調し、樹脂材を２８０℃に余熱した。
上側パンチで樹脂材側からアルミ材の孔部内に向けて約４ｍｍ押込みプレスし、そのまま冷却または図１（ｃ）に示すように払い出し、その後冷却した。
樹脂材の金属材孔部底面からの凸量は、約０．４ｍｍであった。
接合部の外観写真を図４に示す。
パンチ挿入側（ＣＦＲＴＰ側）の写真に示すように押込成形により、嵌合部（１ａ）が形成されるが炭素繊維に切断が認められず、また図２の金型逃げ部に対応して、シワ部１ｂが形成されていた。
なお、この金型逃げ部は図２に示した切り欠きに限定されるものではなく、押え型２１ａであって、孔部２ａの外周部付近に逃げ凹部を形成してもよい。

上記のように接合したサンプルの引張試験結果を図５に示す。
ＣＦＲＴＰが破損し、孔部から抜け出した破壊荷重は６，９０５Ｎであった。
上側パンチと孔部との半径方向クリアランス２ｍｍであることから、樹脂材の嵌合部断面積８１．６４ｍｍ^２とすると、嵌合部の最大せん断応力は約１６９ＭＰａと試算される。
これは、マトリックス樹脂ＰＡ６のせん断強さ６２ＭＰａよりも大きく、炭素繊維によるものと推定される。
これにより、本発明に係る接合方法による接合構造にあっては、繊維強化樹脂材の特性を充分に発揮した接合構造になることが明らかになった。

１樹脂材
２金属材
１１スライド
１２ボルスタ
１３ベッド
２１上型
２１ａ押え型
２２下型
２３上側パンチ
３０背圧制御機
３１下側パンチ

Claims

マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂材と金属材との少なくとも接合部位を重ね合せ、
前記金属材は前記接合部位に孔部を有し、
前記金属材に前記繊維強化樹脂材を重ねた状態で前記接合部位であって繊維強化樹脂材側から押える押え型と、前記押え型を貫通して配置した押込部材を有し、前記押え型は前記金属材の孔部付近に金型逃げ部を形成してあり、
前記繊維強化樹脂材のマトリックス樹脂の軟化状態にて、前記繊維強化樹脂材側から前記金属材の孔部内に前記押込部材を挿入することで前記繊維強化樹脂材が部分的に変形し、前記孔部内に押し込まれるとともに前記金型逃げ部にシワ部が形成されることを特徴とする繊維強化樹脂材と金属材との接合方法。
前記金属材の孔部は貫通孔であり、
前記押込部材にて前記繊維強化樹脂材を前記金属材の孔部に押し込むと同時又は時間差を設けて背圧を負荷することを特徴とする請求項１記載の繊維強化樹脂材と金属材との接合方法。