JPH1068479A - 重ね合わせ接着継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接着部の強度を簡単な手段で向上しうる重ね
合わせ接着継手を提供する。 【解決手段】 接着される２部材７、８の曲げ剛性を接
着部近傍のみ局部的に大きくするために、当板９を部材
７、８に接着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は接着剤で２部材を接
着する重ね合わせ接着継手に関し、さらに詳しくは、接
着部の強度を向上した重ね合わせ接着継手に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】接着
継手における接着部の破壊は、継手の形態によって様々
に分けられるが、接着界面で破壊するもの、接着剤自身
の破壊である凝集破壊、あるいは界面破壊と凝集破壊と
の複合破壊のいずれかに分類することができる。この接
着部の破壊には、接着部の応力分布が深く関わり合って
いる。一般に、単純重ね合わせ継手が引張荷重下（Ｐ）
にある場合、図１に示す被着材１ａから被着材１ｂへの
力の伝達は接着層２のせん断によって行われ、接着層２
に生じるせん断応力（τ）の分布は接着層２の端部で最
大となり、双曲線関数で表される。このように接着部の
破壊は、接着層２の端部から破壊が発生して、接着層２
の内部へと破壊が進行して最終的な破壊に至る。この破
壊の様子を図１中に模式的に示す。

【０００３】以上の検討結果を考慮すると、破壊に対す
る対策は、接着部端部の応力分布がキーポイントを握る
ものと思われる。そのために従来から様々な対策が講じ
られているが、それらの対策は、『接着部の形状の改
善』と『接着剤の物性の改善』の２つに大別すること
ができる。上記したの方法は、接着部の端部に応力が
集中するのを避けるために、接着部の形状に様々な工夫
を施し、応力集中の緩和を図る方法である。また、の
方法は、接着層に生じる応力分布が接着剤の縦弾性係数
（ヤング率）に依存し、接着剤のヤング率が小さくなる
に従い接着部端部への応力集中が減少する傾向にあるこ
とを利用する方法である。以下には、これらの方法の詳
細を説明する。

【０００４】接着部の形状の改善に関するもの ａ．被着材のラップ端部にテーパをつける方法（以下、
「従来の接着方法１」という） 図２（ａ）に示すように、ラップ端部にテーパ３をつけ
て接着層端部を薄くした重ね合わせ接着継手の破壊強度
は、図２（ｂ）に示す単純重ね合わせ接着継手のその値
に比べ、２倍程度向上するということが報告されてい
る。図３はそれを示す図であり、ラップ端部にテーパ有
りのもの（図３中の線４）は、ラップ端部にテーパ無し
のもの（図３中の線５）に比して２倍程度破断強度
（Ｆ）が向上することが分かる。

【０００５】ｂ．接着剤を端部からはみ出させる方法
（以下、「従来の接着方法２」という） 図４に示すように、接着剤を端部からはみ出させてスピ
ューフィレット６を設けた単純重ね合わせ接着継手の解
析的な検討により、フィレット６を設けることにより最
大せん断応力が３０％減少し、応力集中の低減に有効で
あることが報告されている。

【０００６】接着剤の物性の改善に関するもの ａ．縦弾性係数（ヤング率）の小さい接着剤を用いる方
法（以下、「従来の接着方法３」という） エポキシ系接着剤でステンレス鋼を接着した単純重ね合
わせ継手について、接着剤のヤング率と接着部に生じる
応力分布との関係を調べた結果、ヤング率の高い接着剤
のみで接着するより、接着層端部にヤング率の低い接着
剤をもちいると、接着層端部の応力集中が緩和されるこ
とが報告されている。

【０００７】しかし、上記した各接着方法には、以下の
ような欠点がある。すなわち、従来の接着方法１はテー
パを形成するための特別な機械加工が必要であり、材料
が薄板である場合やＦＲＰなどの複合材料に適用する場
合は、テーパ加工自体が困難である。

【０００８】また、従来の接着方法２は、接着強度を安
定させ、再現性のあるものにするためには、接着剤のは
み出し部を機械加工する必要がある。また、接着剤が露
出しているため、使用環境によっては時間とともにはみ
出し量が減少し、強度が低下する恐れがある。さらに、
はみ出し量にも限界があり、大きな強度向上は期待でき
ない。その上、接着部の外観がよくない。

【０００９】従来の接着方法３は、被着材の機械加工は
必要ないが、接着剤の選定には強度だけなく、他の特性
（耐熱性、耐食性、作業性、経済性など）も考慮する必
要があり、いたずらにヤング率が低い接着剤を使用する
ことはできない。その上、接着剤のヤング率の範囲も限
られており、大きな強度向上は期待できない。

【００１０】以上のように従来の接着方法１〜３は、そ
のための特別の加工が必要であるとか、大きな強度向上
が期待できない等の欠点がある。

【００１１】そこで、本発明者は接着部の強度向上を図
るために、接着部のせん断応力分布に影響を与える因子
について検討した。この因子には、『ラップ長さ（重ね
合わせ長さ）』、『被着材の板厚』、『接着層の厚
さ』、『接着剤の種類』、『被着材のヤング率』などが
あり、『ラップ長さ』、『接着層の厚さ』および『接着
剤の種類』を同一として、『被着材の板厚』および『被
着材のヤング率』が接着部の強度に及ぼす影響について
図５、６に示すような解析をした。図５は、板幅２５mm
で長さ１５０mmのＳＳ４００同士をラップ長２５mmで重
ね合わせて接着し、一端を固定して他端を４．２ｋＮで
引っ張った場合に、『接着端部からの距離（ｄ）／ラッ
プ長さ』と『せん断応力』との関係に及ぼす被着材の板
厚（ｔ）の影響を示す。図５に示すように、被着材の板
厚（ｔ）が大きくなると、最大せん断応力は低下し、せ
ん断応力の分布は平坦化する。図６は、板厚が５mmで板
幅が２５mmで長さ１５０mmのＳＳ４００同士またはＦＲ
Ｐ（繊維強化プラスチック）同士を、ラップ長２５mmで
重ね合わせて接着し、一端を固定して他端を４．２ｋＮ
で引っ張った場合に、『接着端部からの距離（ｄ）／ラ
ップ長さ』と『せん断応力』との関係を示す。図６に示
すように、ヤング率の高い材料（ＳＳ４００）はヤング
率の低い材料（ＦＲＰ）に比して、最大せん断応力は低
下し、せん断応力の分布は平坦化している。

【００１２】以上の解析結果によれば、被着材の板厚を
高めるか、または被着材のヤング率を大きくすれば、接
着部に生じる最大せん断応力を低下させ、せん断応力の
分布が平坦化し、接着強度の向上を図りうると思われた
ので、次に、実際に被着材の板厚およびヤング率を変え
た場合の接着強度への影響について調査した。図７は、
板幅２５mmで長さ１５０mmのＳＳ４００同士をラップ長
２５mmで重ね合わせて接着した場合におけるＳＳ４００
の板厚と接着強度（引張荷重Ｐ／板幅Ｗ）との関係を示
し、板厚が増加すると接着強度が向上することは明らか
である。図８は、板厚が５mmで板幅が２５mmで長さ１５
０mmの被着材をラップ長２５mmで重ね合わせて接着した
場合におけるヤング率と接着強度との関係を示し、ヤン
グ率が増加すると接着強度が向上することは明らかであ
る。被着材の板厚およびヤング率を高めるということ
は、曲げ剛性を増加させることと同意であり、図７およ
び図８に示す関係を曲げ剛性と接着強度との関係で整理
したものが図９である。曲げ剛性を高めると、接着部に
生じるせん断応力の分布が均一化され、接着層端部の応
力集中が低減されるので、その結果として、図９に示す
ように接着強度が増加するものと思われる。

【００１３】ところが、実用上は、接着強度の向上を目
的として被着材全体にわたって板厚やヤング率を増加さ
せて曲げ剛性を高めるのは非経済的である。

【００１４】本発明は従来の技術の有するこのような問
題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、接着
部の強度を簡単な手段で向上しうる重ね合わせ接着継手
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、被着材の曲げ剛性を接着部近傍のみ局部的
に大きくすることにより、接着強度の向上を図ることが
できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】すなわち、本発明は、２部材を重
ね合わせて接着する重ね合わせ接着継手において、接着
される２部材の曲げ剛性を接着部近傍のみ局部的に大き
くしたことを特徴とする重ね合わせ接着継手を第一の発
明とし、上記第一の発明において、接着部近傍の曲げ剛
性を局部的に大きくする手段が当板である重ね合わせ接
着継手を第二の発明とする。

【００１７】上記のように構成される本発明によれば、
図１０に示すように、部材７と部材８を重ね合わせて接
着する場合に、両部材７、８の接着部に当板９を接着
し、接着部近傍の曲げ剛性を局部的に高めることによ
り、せん断応力の分布を均一化させ、接着層端部の応力
集中を低減しうる。

【００１８】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。図１０に
示すように、部材７と部材８を重ね合わせて接着する場
合に、曲げ剛性の比較的大きい材料（金属など）で当板
９を作製し、両部材７、８の接着部近傍に当板９を接着
する。接着であるから、部材７、８の材質に関係なく使
用できる。当板９には直接荷重はかからず、当板９と部
材７、８の間にも大きな接着強度は要求されないので、
当板の接着作業は簡単でよい。

【００１９】図１１は、板厚３mmで板幅２５mmで長さ１
５０mmのＳＳ４００同士をラップ長２５mmで重ね合わせ
て接着する場合に、板厚２mmで板幅２５mmで長さ５０mm
の当板Ｓの中心をＳＳ４００の端部から３５mmの位置と
し、一端を固定して他端を４．２ｋＮで引っ張った場合
における当板の有無による『接着端部からの距離（ｄ）
／ラップ長さ』と『せん断応力』との関係の解析結果を
示す。図１１に示すように、「当板あり」のものは、
「当板なし」のものに比べて最大せん断応力は低下し、
せん断応力の分布は平坦化している。

【００２０】図１２は、板厚５mmで板幅２５mmで長さ１
５０mmのＦＲＰ同士をラップ長２５mmで重ね合わせて接
着する場合に、板厚２mmで板幅２５mmの当板Ｓの中心を
ＦＲＰの端部から３５mmの位置とした場合に、当板Ｓの
長さを２５mm、５０mm、７５mmと変化させた場合の接着
強度の変化を示す図であり、「当板ありのもの（●）」
は「当板なしのもの（点線）」に比べていずれも接着強
度は高くなっている。しかし、当板長さが２５mmと５０
mmのものの接着強度は変わらない。この関係を上下の当
板の水平方向のラップ代で比較すると、上下の当板の中
心位置は水平方向に４５mm離れているので、当板長さが
２５mm、５０mm、７５mmの場合の上下の当板の水平方向
のラップ代は、それぞれ、『なし』、『５mm』、『３０
mm』である。すなわち、上下の当板の水平方向のラップ
代が一定以上に増えれば、接着部の曲げ剛性が一層高め
られて接着強度はより大きくなるものと思われる。

【００２１】図１３は、板厚５mmで板幅２５mmで長さ１
５０mmのＦＲＰ同士をラップ長２５mmで重ね合わせて接
着する場合に、板厚２mmで板幅２５mmで長さ５０mmの当
板Ｓについて、一方のＦＲＰに接着した当板Ｓの中心を
他方のＦＲＰの端部から水平方向に距離Ｘだけ変化させ
た場合の接着強度の変化を示す。距離Ｘが『ゼロ』の場
合に接着強度は最大となっている。この距離Ｘが『ゼ
ロ』とは、両ＦＲＰに接着した当板の水平方向のラップ
代が２５mmの場合であり、距離Ｘが大きくなるほど両当
板Ｓ、Ｓは左右方向に離間する結果、水平方向のラップ
代が短くなり（あるいはラップ代がなくなり）、接着強
度が低下するものと思われる。

【００２２】接着部の曲げ剛性を局部的に高める手段と
しては、上記したように、当板を接着部近傍に接着する
方法の他に以下のような方法がある。

【００２３】接着部のみ曲げ剛性の大きい材質にす
る。図１４に示すように、両部材１０、１１の接着部の
み曲げ剛性の大きい材質１２にする。例えば、接着する
部材がＦＲＰの場合、接着部近傍とその他の部分との製
法（ガラス繊維の材質、織り方、成形法など）を変え
て、局部的に曲げ剛性の大きい材料を製造することがで
きる。

【００２４】接着部のみ板厚を厚くする。図１５に示
すように、両部材１３、１４の接着部のみ板厚を厚くす
る。例えば、接着する部材が金属の場合は機械加工によ
り、ＦＲＰの場合は部分的に積層数を多くすることによ
り部分的に板厚の大きい材料を製造することができる。

【００２５】以上に説明した重ね合わせ接着継手は、自
動車のボデー骨格部材やパネルのフランジ部における接
着部およびウエルドボンディング接合部、ならびに鉄道
車両の側構の組立部や側溝と屋根、台車との結合部に適
用できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は上記のとおり構成されているの
で、接着強度を向上することができるという効果に加え
て、テーパ加工のような特別な加工を必要とせず、接着
剤を端部からはみ出させる方法に見られる強度の経年劣
化がなく、特に弾性率の低い接着剤を選択することなく
希望する特性の接着剤を用いることができるという効果
が期待できる。さらに、同じ接着強度でよい場合には接
着継手のラップ長を短くすることができるので、以下の
ような効果が得られる。機器設計上において、継手部が
他の部材と干渉する位置にくるような場合、ラップ長を
短くすることで、他の部材との取り合いに関する設計上
の制約条件を緩和することが可能になる。また、ラップ
長が短い分だけ接着剤の必要量が少なくなり、コストダ
ウンができる。さらに、ラップ長が短い分、接着面の洗
浄、接着剤の塗布などの作業時間が減少し、接着工数の
減少による生産性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】重ね合わせ接着継手の接着部の破壊を説明する
図である。

【図２】図２（ａ）はテーパ部を有する重ね合わせ接着
継手の側面図、図２（ｂ）は単純重ね合わせ接着継手の
側面図である。

【図３】図２（ａ）の接着継手の接着強度を示す図であ
る。

【図４】接着剤を端部からはみ出させた重ね合わせ接着
継手の斜視図である。

【図５】重ね合わせ接着継手における被着材の板厚によ
る接着部のせん断応力の変化を示す図である。

【図６】重ね合わせ接着継手における被着材の材質（ヤ
ング率）の違いによる接着部のせん断応力の変化を示す
図である。

【図７】重ね合わせ接着継手における接着強度に及ぼす
被着材の板厚の影響を示す図である。

【図８】重ね合わせ接着継手における接着強度に及ぼす
被着材のヤング率の影響を示す図である。

【図９】重ね合わせ接着継手における接着強度に及ぼす
被着材の曲げ剛性の影響を示す図である。

【図１０】重ね合わせ接着継手における被着材の接着部
近傍に当板を接着した状態を示す図である。

【図１１】重ね合わせ接着継手における被着材の接着部
近傍に当板を接着した場合と、当板を接着しない場合の
接着部のせん断応力の変化を示す図である。

【図１２】重ね合わせ接着継手における接着強度に及ぼ
す当板の長さの影響を示す図である。

【図１３】重ね合わせ接着継手における接着強度に及ぼ
す当板の接着位置の影響を示す図である。

【図１４】重ね合わせ接着継手における接着部の曲げ剛
性を高めるために、接着部のみ曲げ剛性の高い材料を使
用した場合を示す図である。

【図１５】重ね合わせ接着継手における接着部の曲げ剛
性を高めるために、被着材の接着部のみ板厚を厚くした
場合を示す図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ…被着材 ２…接着層 ３…テーパ ７、８、１０、１１、１３、１４…部材 ９、Ｓ…当板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２部材を重ね合わせて接着する重ね合わ
   せ接着継手において、接着される２部材の曲げ剛性を接
   着部近傍のみ局部的に大きくしたことを特徴とする重ね
   合わせ接着継手。
2. 【請求項２】 接着部近傍の曲げ剛性を局部的に大きく
   する手段が当板である請求項１記載の重ね合わせ接着継
   手。