JPS6389329A - 繊維強化熱可塑性合成樹脂部材及びその溶融接合継手の製造方法 - Google Patents

繊維強化熱可塑性合成樹脂部材及びその溶融接合継手の製造方法

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JPS6389329A
JPS6389329A JP62237591A JP23759187A JPS6389329A JP S6389329 A JPS6389329 A JP S6389329A JP 62237591 A JP62237591 A JP 62237591A JP 23759187 A JP23759187 A JP 23759187A JP S6389329 A JPS6389329 A JP S6389329A
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JP
Japan
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synthetic resin
thermoplastic synthetic
joint
welding
fiber
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Pending
Application number
JP62237591A
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English (en)
Inventor
ニコラス・アンソニー・プレストン・バーネス
ジョン・ウィリアム・ダモン
アントニー・クレイグ・デューシー
マーク・ジュリアン・ヘーゼルタイン
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Westland Group PLC
Original Assignee
Westland PLC
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Publication date
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    • B29K2307/02—Boron
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 峡北−α泗−用」Ｌ野− 本発明は、繊維強化熱可グ性合成樹脂から製造された部
材を接合することに関するものであり、また、特に、こ
のような部材を溶融接合により接合することに関するも
のである。
ｆ、’Ｊ！　（７＞　ｆ！ＬＩＪ：ｇ ｕｌｉ維強化熱強化熱可塑性合成樹脂材料に、飛行機構
造↑勿に使用するのに魅力があるが、これは、それへの
高い重量に対する強さ、損傷に対する良好な許容性及び
環境効果によるものである。しかしながら、これらの材
料から作られた構造部材を接合する満足な方法が要求さ
れる。
機械的締結方法は、単に、構造的重量及び価格に望まし
くない増加を生じさせるだけでは無く、部材の中に穴が
あけられることを必要とし、この穴が構造物の損傷の潜
在的な原因ともなる。
種々の溶融接合技術が、１！維強化熱可塑性合成樹脂部
材を接合するのに使用されるために、提案されており、
この中には、超音波溶接も古まれている。満足な接合が
、低い繊維入りの熱可塑性合成樹脂から作られた部材の
間に得られている。しかしながら、高い繊維入りの熱可
塑性合成樹脂を、低い繊維入りの部材、又は、相互に接
合する時には、適当な継手強さよりも、より低い強さが
、飛行Ｍ％構造物に使用するために得られていた。
ここで、低い繊維入りの熱可塑性合成樹脂部材という用
語により、例えば、炭素ｕ＆維のような強化＃ｎ維から
成り立っている３０容績２までのｙｉ維を有している部
材を指しているものであるが、このような部材は、仕上
げられた部材の中に乱雑に位置決めされる切断された短
い繊維を使用して、射出成形により一般的に製造されて
いる。
また、高い繊維入りの熱可塑性合成樹脂部材の用語によ
り、補強ｍ維から成り立っている３０容積２以Ｈの繊維
を有している部材を指しているが、このような部材は、
熱可塑性合成樹脂の積層体を使用して、手による組み合
わせ、又は、連続的な自動的組み合わせ過程により、一
般的に製造されており、これらの櫃層体は、連続的な一
方向性のＩＲ繞、織成された連続的ｍ維、又は、フェル
ト材料の形の一方向性に切断された短い長さの１！維に
より強化されている。米国特許第４．３２６．９０２号
は、熱可塑性材料部材の超音波による接合方法を開示し
ているが、この方法においては、溶接の前に、エネルギ
ー集中器部材が、熱可塑性材料部材の間に介装される。
このエネルギー薬中器部材は、熱可塑性合成樹脂、又は
、他の材料から作られ、この樹脂、又は、材料は、熱可
塑性材料部材と受は入れることのできる固まりを形成す
るように、超音波の適用により溶融されることができる
という要求を満たすものである。
超音波溶接により接合されるべき表面の上に形成された
熱可塑性合成樹脂エネルギーを有している高い繊維入り
の熱可塑性合成樹脂材料のせん断試＠試料により、本発
明者により試験が行われたが、非常に貧弱なせん断強さ
を示した。これらの強さは、構造部材、特に、飛行機構
造物の間の接合のために適当であると考えられなかった
。
発〜肛し！Ｉ騰−りえｊ」コ−ｉｘｍ−良良好な機械的
強度を有している継手を得るように、高い繊維入りの繊
維強化熱可塑性合成樹脂部材の間に溶融接合された継手
を製造するための方法を得ることが、本発明の一つの目
的である。
−４１藍を不通１ノーなカーΩ王１ それ故、本発明の一つの特徴においては、少なくとも一
つの部材が、３０容量２以上の強化ｍ維ひ有している繊
維強化熱可塑性合成樹脂部材の間に溶融接合された継手
を製造するための方法は、追加の熱可塑性合成樹脂が、
溶融接合による接合の前に、継手界面において組み込ま
れることを特徴とするものである。
適当な強化１Ｉｌｌ維は、炭素、ホウ素、又は、アミド
である。
構造的部材の組み立てを容易とさせるために、溶融接合
による接合の前に、また、より高い強度の接合を得るた
めに、部材の製造の間に、高い繊維入りの部材の、他の
高い、又は、低い繊維入りの部材の表面領域と接合され
るべきである表面領域内に、追加の熱可塑性合成樹脂を
合併させることが好ましいことが発見された。しかしな
がら、高い繊維入りの部材の表面領域の上に追加の熱可
塑性合成樹脂を沈殿させるための、例えば、スプレーの
ようなたの手段は、排除されない。最高の機械的強度を
有する継手が重要では無い場合には、追加の熱可塑性合
成ｔＸ脂は、溶融接合の前に、却み立てにおいて、２部
材の間の界面の中に挿入された必要厚さを有するフィル
ムとして設けられることもできる。
接合されるべき表面領域内の強化ｕ！ｉ維の存在を、約
３０容量ｚ、又は、それ以下に減少させるように追加の
熱可塑性合成樹脂材料を導入することが、部材の強度を
落とすこと無しに、良好なせん断強度を有している満足
な継手を、溶融接合によって達成させることのできるこ
とを発見した。
例えば、高いＩＩｌ雄入りの熱可塑性合成樹脂部材から
製造される飛行機の胴体構造のような、ある構造物にお
いては、外板、又は、パネルのような隣接する部材の間
の継手を横切って電気的に伝導性の経路が設けちれるこ
とが、要求である。しかしながら、組み込まれる金網も
、また、継手の品質及び強度を改善するのに有利であり
、これにより、界面における金網の設置が、界面を横切
る電気的伝導性が要求である継手にだけ限定されるもの
と考えられるべきではないようすることを発見した。
このような金網は、溶融接合の間に継手を横切って加え
られる圧力により平らにされないように、十分な硬度の
ものであるべきでることを発見した。
また、金網は、良好な耐食性を持つことが望ましい。
これの要求を達成するために、ニッケルー銅基台金、又
は、ステンレス鋼から製造された金網を使用することが
望ましい。
重量が重要では無い場合には、追加の熱可塑性合成樹脂
は、２個の金網の屑の間に挟まれた適当な厚さのフィル
ムとして用意されることのできることを発見した。
飛行機構造物の中の継手を横切って電気的伝導性を得る
ために金網の使用において起こる状態は、冷型される電
気的経路が、継手を横切って設けられるだけでは無く、
望ましくない高度に伝導性の経路が、継手の長さに沿っ
て達成され、これが、要求される電流の均一の分布に影
響をも与えることである。
このような電気的に伝導性の長手方向の経路を防止する
に当たり、金ぷタテ糸及び熱可塑性合成樹脂ヨコ糸を有
している混成網を与えるように、金属線及び熱可塑性合
成樹脂糸を使用することを提案した。
溶！！接合は、超音波Ｍｔａ技術を使用することにより
行われることができ、また、超音波溶接により良結果を
得た。
しかしながら、単一の超音波溶接作業により、かなりの
長さの溶融接合線を得るためには、非常に大きな溶接ホ
ーンが使用されること、高い欲のエネルギーが、溶接ホ
ーンの必要とされる超ａ波振動を生成するために供給さ
れることが必要とされる。ｉな、溶接ホーンが溶接され
るべき部材の表面曲率に合うように湾曲されることが必
要とされる時には、例えば、飛行機の胴体構造物のよう
な湾曲面を溶接する際に、問題が生ずる。これらの問題
を克服するために、段階的溶接技術を適用することを提
案するが、この技術においては、１　ｆｆｌの小さな不
連続な溶接が、隣接する溶接と接触するように生成され
、これにより、連続的溶融接合線が得られるようにする
。
それ故、本発明による超音波溶接な使用する溶融接合に
より、高い繊維入りの熱可塑性合成樹脂部材を、高い、
又は、低い！ｌ！維入りの熱可塑性合成樹脂部材に接合
する方法は、更に、部材の間における連続的溶融接合線
が、段階的溶接技術により生成されるが、この段胃にお
いては、１組の小さな面債の不連続な溶接を作り、各溶
棲面債が、その隣接する溶接面積と接触するようにする
ことな特徴とするものである。
本発明は、更に、溶融接合により１１１１、又は、それ
以上の高い１！維入りの熱可塑性合成樹脂部材の溶融接
合により１個、又は、それ以上の高い又は低い繊維入り
の熱可塑性合成樹脂部材と接合された組立体であって、
これらの部材の間の接合界面において、追加の熱可塑性
合成樹脂を固定された組立体にも関するものである。
′　追加して、接合界面が、少なくとも継手を横切って
延びている金属線から成り立っている網を組み込むこと
もできるものである。
本発明は、また、１個、又は、それ以上の高い繊維入り
の熱可塑性合成樹脂部材の１個、又は、それ以Ｆの高い
又は低い１ａ雄入りの熱可塑性合成樹脂部材へ、超音波
溶接を使用する溶融接合によって接合されたｆ（１立体
であって、接合された部材の間の連続的溶融接合線が、
小さな面積の多数の不連続的な溶接から成り立っており
、このような溶接面積が、その隣接する溶接面積と接触
するようになっている組立体にも渡るものでる。
高い繊維入りの熱可塑性合成樹脂材料を、高い及び低い
繊維入りの熱可塑性合成樹脂材料に、超音波溶接を使用
する溶融接合により接合することに行われた試験が、こ
れらの試験の結果と一緒に、添付の図面、線図及び表を
参照して詳細に説明する。
ｕＬ−月一 若しも、２個、又は、それ以上の部材が、十分な力によ
り一緒にこすられるならば、生成される摩擦熱のレベル
は、部材が形成されている材料の局部的な溶融を生じさ
せることができる。これが、超音波溶接において使用さ
れている原理であり、この溶接においては、溶接ホーン
、又は、ソノトロードとしても知られている溶接ホーン
が、振動エネルギーを一つの部材に伝達し、この部材が
他の部材と接触している箇所において溶融させるように
する。これらの部材が、熱可塑性合成樹脂から製造され
る場合には、局部化されて溶かされた合成樹脂は、溶融
し、振動エネルギーの除去後、固化すると、均一な接合
を形成する。
添付図面の第１〜４図を参照するが、溶融接合された重
ね継手のせん断試験試料４１（第４図＠照）が、英国に
おいてＬｕｃａｓ　Ｄａｍ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　
Ｌｉｍ１ｔｅｄにより販売されている　８ｒａｎｓｏｎ
　Ｍｏｄｅｌ　８８００超音波溶接機械１１（第１及び
２図）によって準備された。
機械１１は、基台１２から成り立っており、この基台１
２は、電気エネルギーを機械的振動エネルギーに変換す
る変換器（図示されていない）を格納している本体１４
を支持しているピラー１３を有している。種々のブース
タ３１及び溶接ホーン３２が、変換器に取り付けられる
ことができ、ブースタ３１は、変換器と溶接ホーン３２
（第３図参照）との間に、溶接ホーン３２への振動入力
を増幅するために置かれている。溶接ポーン３２は、第
１及び２図に示されるように、本体１４の底から突出し
ている。基台１２は、ベッド１５を有しており、その上
には、溶接過程の間、試験試料４１を支持し、保持する
取り付は治具（図示されていない）が取り付けられてい
る。
この試験において使用された機械は、変換器へ１．８０
０［気的ワットの動力出力及び負荷へ１．７４０ｆｉ械
的ワツトを有していた。出力周波数は、２０　ｋＨｚで
あり、出力振幅は、ブースタ３１と、ホーン３２との組
み合わせを変えることにより、変更することができる。
緑、金及び銀に色彩コーディングされた３個のブースタ
が使用されたが、これらのブースタは、それぞれ、１対
１．１対１．５及び１対２．０の振幅増加比を有してい
た。３個のホーンは、それぞれ、形式式。
Ｄ及びＥとコーディングされて使用された。ホーン形式
＾は、最大のホーンであり、また、その大きなａ降のた
めに、それは、小さな振動振幅を有していた。
それは、最高比のブースタ、すなわち、銀ブースタと共
に超音波溶接機械の変換器を停動させること無しに、約
６２０　ｋＰａまでのクランプ圧力で使用することがで
きた。ホーンＤは、ホーン＾よりもより小さく、また、
より高い振動振幅を有しており、これにより、銀ブース
タにより、変換器の停動の危険を避けるために、１４０
　ｋＰａ以下のクランプ圧力で使用しなければならなか
ったようにしな。また、ホーンＤは、ホーンの端面と、
試験試料との間における相対的運動を減少させることを
意図して、その端面の上に、細かなローレット模様の切
り込みを有していたが、この相対運動は、特別の界面を
作り、その結果、溶融接合が行われることを要求される
接合界面におけるエネルギーの損失となるかも知れない
と考えられていたものである。ローレット模様は、試験
試料の表面の上におけるホーンのグリップを改善し、従
って、エネルギー損失を減少させることを意図されてい
たものである。
重ね継手せん断試験試料４１（第４図参照）が、１３ｍ
ｍの重なりで、２個の試験クーポン４２及び４３を接合
することにより製作された。
積層された構造及び射出成形された構造の両方の試験ク
ーポンが製作され、試験が、２個の積層された構造の試
験クーポンにおいて、飛行機胴体におけるけな、リブ及
びパネル又は外板のような主構造部材の接合を擬態する
ように、２個の積層された構造の試験クーポンを接合し
て、また、ブラケットのような部材をけた及びリブに接
合することを擬態するように、積層された構造試験クー
ポンを射出成形試験クーポンに接合して行われた。
積層された試験クーポンは、Ｆｉｂｅｒｉｔｅ　Ｃ＋ａ
ｂｌｌによって「＾ｒｏｍａｔｉｃ　Ｐｏ１ｙ＠ｅｒ　
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ」として製造され、販売され、また
、略称で「八ＰＣ２、と言われている一方向性の連続的
な炭素Ｉ！維により強化された熱可塑性合成樹脂テープ
の積み重ねられた積層体により、製作された。接合する
のに関与された構造物の部材を擬態するために、各積層
された試験クーポンは、繊維を０°−９０°−９０°−
０°の配置に配向されて組み合わされ、４回繰り返され
て１６個の積層体から成り立っていたが、０°の方向は
、試験クーポンの長さに沿って延びており、９０゛の方
向は、第４図に示されるように、その横方向に延びてい
る。積層体は、加熱されたプレスの中において固定され
た。八ＰＣ２の６０容量２のオーダにおいて、テープは
、炭素繊維から成り立っており、これにより、仕上げら
れた積層された試験クーポンは、高い繊維入りであるよ
うにされた。
射出成形試験クーポンは、ポリエーテル・エーテルケト
ン熱可塑性合成樹脂（以下、ｒＰＥＥＫＪと呼ぶ）から
、切断された短い炭素繊維を充てんされて製造され、強
化ｕｌｉ維の約３０容積２を有している仕上げられた試
験クーポンを製作した。
せん断試験試料４１が、引っ張り試験機において引っ張
られ、切損時の荷重が記録された６各試Ｑ試料に対して
、切損時におけるせん断応力が、それから、計算された
。
第６及び７図の線図においては、各線は、１組３個の試
験試料から得られなせん断応力を現し、また、各線の上
の点は、３個のせん断応力値の平均を現すものである。
以下に示す表１及び表２は、（ｉ）それぞれ、第６及び
７図のｉｉ図の中にプロットされた試験試料の結果、（
ｉｉ＞３個のせん断試験試料の各組に対するホーン及び
ブースタの組み合わせと共に溶接時間、すなわち、超音
波振動エネルギーが加えられた時間、（ｉｉｉ）保持時
間、すなわち、クランプ圧力が、継手に加えられ、超音
波振動エネルギーの除去の後に、それが冷却することを
許す時間、試験試料の上にホーンにより加えられるクラ
ンプ圧力、（ｉｖ）超音波振動が開始されるクランプ圧
力を制御する機械の設定であるトリガ回数、（ｖ）３個
の試験試料の各組が製造された試験クーポンの形式を、
各組に対する溶接界面の詳細と共に示すものである。
超音波溶接が、低い繊維入りの熱可塑性合成樹脂部材、
すなわち、３０容量２以下の強化繊維を有している部材
の間において満足な接合を作るために使用されたが、高
い繊維入りの熱可塑性合成樹脂部材の間及び高いｕＩＩ
維入りの熱可塑性合成樹脂部材と低い繊維入りの熱可塑
性合成樹脂部材との間に、満足な接合を作ることを発見
することはできなかった。種々の表面処理が、熱可塑性
合成樹脂を一貫して溶接するために助成することを意図
してへＰＣ２試験クーポンに試みられ、主な間圧は、試
験クーポンの表面の平滑性及び溶接を形成すべき表面に
おけるマトリックス樹脂の無いことであった。
この問題を克服するための最初の試みは、試験クーポン
に、接合されるべき表面の上にエネルギー指導子を形成
することであった。これらのエネルギー指導子は、表面
の中に成形された熱可塑性合成樹脂材料の三角形状の輪
郭のくさびであり、それらは、接触点における超音波エ
ネルギーを増幅することを意図され、くさび材料が溶融
すると、溶融された材料が、継手界面を横切って一様に
流れることが期待された。この技術は、より低い性能の
プラスチック材料を溶接する時に普通に使用されており
、試行の開始時には、自明な選択のように見えた。しか
しながら、第６図の線図の中のプロット１〜６から見ら
れることができるように、八ＰＣ２の積層された試験ク
ーポンを一緒に溶接する時に。
非常に貧弱なせん断強度が得られた。エネルギー指導子
は局部的に溶融し、全体の溶接領域を横切って広がらな
いことが発見された。また、エネルギー指導子は、それ
らの全長に無関係に効果を有することが発見された。な
ぜならば、試験クーポンの横方向に延びているエネルギ
ー指導子が使用された時は、得られるせん断強度は、斜
行平行線のハツチの模様により１がられるせん断強度の
半分貝下であるからである。これは、横方向のエネルギ
ー指導子の利益となるように、約２．２〜３の全長比に
匹敵する。
、’Ｉ　Ｐ　Ｃ２の積層された試験クーポンの射出成形
試験クーポンとの溶接の間に、エネルギー指導子は、成
形試゛塗クーポンの中に沈む傾向を有し、非常に貧弱な
ぜん断強度が得られた。
頂層された試験クーポンの表面の上に処理されたエネル
ギー指導子により生じた間開を克服することを企てて、
熱可塑性合成樹脂ｕ！ｉ維の試料を得、これらの繊維を
溶接領域の上に、半田ごてにより取り付けた。これは、
界面において利用可能な熱可塑性合成樹脂の既のかなり
の増加を与えたが、単に、８〜９　ＭＰａのせん断強度
が得られただけであった（第６図の線図の中のプロット
１２．１５及び１６を参照）。もう−度、射出成形試験
クーポンに溶接する時に、沈みが閏πであることが発見
された。
接合界面における試験クーポンの表面の中における熱可
塑性合成樹脂の不足を解決するために、へＰＣ２積ｒｆ
４体の強化される前に、追加の熱可塑性合成樹脂を加え
ることを決定した。　０．１　ａｍのオーダの厚さの熱
可塑性合成樹脂フィルムのスＩ−リップが、溶接領域の
中において、試験クーポンの最外方の頂部面を横切って
、加熱されたプレスの中において凝固する前に、置かれ
た。溶接領域内に熱可塑性合成樹脂の富化を有する試験
片クーポン、それから、富化をイ「していない標準の八
ＰＣ２の積層された試験クーポンと接合された。単に、
熱可塑性合成樹脂の富化を存している３個の試験試料の
組からの結果が、第６図の線図のプロット１４の中に示
されている。
より低い強度は、エネルギー指導子がある時において、
溶接領域内に熱可塑性合成樹脂の富化を有している試験
試料から得られた。第６図のプロット１３を参照７熱可
型性合成樹脂ｍ維が、溶接の前に、接合界面にｊｍみ込
まれた。第６図のプロット１６及び１７を参照。
それから、継手を横切って電気的伝導性の経路を与える
間開に対する解決を考慮したが、これは、第５図に示さ
れるヘリコプタの胴体のような飛行ａｍ造ｉ１における
要求であり、例えば、アンテナの接地平面、ｎ；充電の
均衡のため、雷所撃の保護などのためである６試験クー
ポンの間の界面の中に金網を組み込んで試験を行うこと
を決定した。
非常に良好な結果が、一つの試験クーポンが、溶智　接
領域内において熱可塑性合成樹脂を富化され、綴られた
、６８ｚのニッケルと、２９ｚの例との合金で、ｒＮＯ
ＮＥＬＪの商品名の下に販売されている線から造られた
金網が接合界面の中に組み込まれている八ＰＣ２のｊｉ
ｆｆ層された試験クーポンから得られた。第６図のプロ
ット１７．１８及び１９を参照。これらの良結果の理由
は、ｒＨＯＮＥＬ、金属の存在であり、これが、界面に
おける多数の点接触を与え、これにより、超音波振動エ
ネルギーが加えられる時に、余分の摩擦を生じさせ、ま
た、金網の線が超音波エネルギーを全溶接領域のヒに広
げることを助けることにあるものと考えられる。
試験が、それから、標準の八ＰＣ２の積層された二式験
クーポンにより、接合界面にｒＭＯＮＥＬ、Ｉ金網を置
いて行われた。より低いせん断強度が、第６図のプロッ
ト２０から見られることができるように得られた。同様
に、試験が、接合界面に銅屑を有して行われた時に、最
善の結果が、製造の間に、溶接領域内に熱可塑性合成樹
脂により富化された試験クーポンを有する試験試ｆ１か
ら得られた。第６図のプロット２１及び２２を参照。
方法を簡単にするために、２個の変形が試みられた。第
一の変形は、ｒＭＯＮＥ［、Ｊ　−＆網を、積層された
試験クーポンを製造する間に、熱可塑性合成樹脂フィル
ムと一緒に界面の中に組み込まれた。この変形の結果は
、必要とされる熱可塑性合成樹脂を富化された表面を、
熱可塑性合成樹脂が金属線の間のすきまを充てんする時
に、平滑な面を設けられた。
これらの試験試料から得られたより低いせん断強度（第
６図のプロット３６．４０及び４１を参照）が、この因
子に寄学している。第二の変形は、ｒＭＯＮＥＬ、金網
に熱可塑性合成樹脂フィルムを追加することにより、試
験クーポンの製造の間に、熱可塑性合成樹脂フィルムの
凝固を防止することを試みた。しかしながら、これは、
熱可塑性合成樹脂と、標準の八ＰＣ２の積層された試験
クーポンの界面の巾に組み込まれる時に、第６図のプロ
ット２３において見られるように、より低いせん断応力
を与える金網との平滑な積層体を生させた。
これらの結果の改良が、２個の金網の層の間に熱可塑性
合成樹脂フィルムを挟み、溶接の前に継手界面において
、生じた積層体を組み込むことにより得られた（第６図
のプロット３５を参照）。これは、維持された希望され
る粗面に帰するが、しかしながら、飛行機構造物に使用
するには、余りにも重過ぎるものと考えられるが、重要
が考慮されない構造物の場合には、使用されることがで
きるかも知れない。
射出成形された試験クーポンに接合された＾１）Ｃ２の
積層された試験クーポンに行われた同様の試験の結果が
、第７図に示されている。良好な結果が、八ＰＣ２の積
層されたクーポンの溶接領域を熱可塑性合成樹脂で富化
され、ｒＭＯＮＥＬ　、金網を、超音波溶接の前に、試
験クーポンの間の界面に組み込まれた試験片から得られ
たことが見られることができる。
これらの結果は、溶接の性能に影響を与えるのは継手の
輪郭であり、また、良好な結果が、若しも、接合される
べきクーポンの内の少なくとも１個が、熱可塑性合成樹
脂により富化され、ｒＭＯＮＥＬ、金網のような硬質金
属金銅が、例えば、超音波溶接のような溶融接合により
接合される前に、部材の界面に組み込まれるならば、得
られることを示している。
接合界面に対して好適な設計であると考えられるところ
を確立したので、最も適しているホーンとブースタとの
組み合わせを、超音波溶接機に対する最も好適な運転パ
ラメータと一緒に確立することも試みた。
最初に、４　ｓｅｃまでの期間の間、約７０１の動力で
機械を使用することが、最善の結果を与えると考えた。
なぜならば、これは、界面における表面の熱可塑性合成
樹脂を溶融させ、合理的な時間の間、溶接領域を１（々
切って流れることを許すからである。
しかしながら、動力の設定は、ある程度まで、それは、
単に、どの位長く熱可塑性合成樹脂が溶融するのに掛か
るかを指示するだけであるので、１３要では無いことが
発見され、溶融樹脂にとっては、界面を横切って一様に
流れ、金網の線の間のすきまの中に流れるための十分な
時間を許すことが、−層重間であることが見いだされた
。
また、溶融樹脂の中の炭素繊維が、相互に振動され、そ
の結果、加熱が、樹脂が品質を劣化し始めるまで続くこ
とは、明白なところであった。
この理由のために、短い、高い動力の溶接が、最良の溶
接方法であるものと考えられたが、ある場合には、２〜
３　ｓｅｃの溶接時間が、特に、クランプ圧力が２１０
　ｋＰａであった時に成功して使用されることができた
。
溶接時間が、どれ位早くホーンが、熱可塑性合成樹脂を
溶融することができるかによって指示されることが確立
されたので、溶接圧力が、機械から約９５１の動力を引
き出すことの必要により、決定された。引き出された動
力は、使用されつつある特定のホーン及びブースタの振
動の増幅及び加えられた圧力に関連された。一般的に、
若しも、振動振幅が少ないならば、その時には、高い圧
力が使用されることができることが、見いだされた。
このようにして、ホーン＾、すなわち、大きく、低い振
幅のホーンに対しては、高い圧力が、高い比の銀ブース
タによってさえも、使用された０反対に、高い振幅のホ
ーンＤ及びＥにより、銀ブースタに連結される時は、単
に低い圧力が使用されることができただけであった。高
い圧力が有利であると考えられる時は、欲ブースタが、
ホーンＤ及びＥを使用して得られた。これは、４１５　
ｋＰａまでの圧力が達成されることを可能とさせる。緑
のブースタは、ホーンＤ及びＥにより、６９０　ｋＰａ
の限度まで、より高い圧力さえも、使用されることを許
したが、機械から引き出された動力は、単に、最大の５
０１のオーダであり、貧弱な溶接を生じさせた。
得られた結果は、特定のホーンとブースタとの組み合わ
せに対しては、圧力が高ければ高い程、より良好な溶接
となることを示している。ホーンの選択は、より重要で
は無いように見える。なぜならば、最善の結果は、各ホ
ーンに対して同様であるからである。機械のパラメータ
が、劣化無しに樹脂を溶融するのにちょうど十分に長い
間、最大の動力を得るように設定される限りは、八ＰＣ
２の積層された試験片に対して２０８Ｐａの射出成形試
験片に積層された＾ＰＣ２に対して、１８　ＭＰａのオ
ーダのせん断強度が得られることができた。
ローレットを設けられたポーンＤにより得られる利点は
、より少ない振動及びわずかに改善されなせん断強度で
ある。しかしながら、不利は、高圧におけろ表面のマー
キングであり、これは、飛行機胴体のような主要構造物
においては、受は入れることのできないことを示すかも
知れない。
間圧が、繊維強化された熱可塑性合成樹脂部材を超音波
溶接により接合するに当たり、必要とされる溶融接合線
が、幾らかのかなりの長さのものである時に生ずること
を知っており、また、若しも、部材が湾曲表面を有する
ならば、生ずるこを知っている。かなりの長さの溶接線
は、非常に大きなホーンを要求し、また、非常に高い量
のエネルギーが、ポーンを超音波的に振動させるために
、このホーンに入力されなければならない。飛行機の胴
体構造物の中に見いだされるような湾曲された表面を有
している部材の超音波溶接は、その溶接表面に沿う何ら
かのかなりの長さの溶接ホーンが、接触することを要求
される部材の表面の曲率に適合するように成形されなけ
ればならず、また、異なった曲率の多数のホーンが、胴
体に沿う梯々の箇所における溶接のために必要とされる
ので、追加の間圧を提出する。
これらの間圧を、小さな溶接面積を有している溶接ホー
ンが、多数の不連続の溶接を作るが、しかしながら、各
溶接はその隣接する溶接と接触するように使用される方
法を採用することにより、克服することを提案するもの
である。このような段階的溶接技術により、８ｉ７足な
連続的溶融接合線が、大きな溶接ホーンを必要とするこ
と無しに、達成されることができる。また、この段階的
溶接技術は、湾曲に面を有する部材を接合するのに役立
つものである。
第５図に示されるヘリコプタ５１の構造においては、炭
素ｙｌ維強化熱可塑性合成樹脂パネル５３，５４．５５
．５６の間の継手５２を横切って電気的伝導性を与え、
電流が、矢印５７により示されるように、すべての継手
を一様に分布されされることを確実とし、また、矢印５
８により示されるように、主導体であろ胴体に沿って及
び胴体を横切って、優先的な電気的伝導経路を確立する
ことを排除しないことが希望される。継手が主電気的伝
統経路となる可能性は、若しも、すべての金網が、継手
の界面に使用されるならば、生ずる。この問題に対する
解決として、金属線と、熱可塑性合成樹脂糸とから織ら
れた混成網の使用を提案する。このような混成網は、こ
れらの部材の間の連続的電気的伝導性を与えるように、
２個のパネルの間の継手を横切って延びている金属縦線
と、継手の長さ沿って主伝導経路の確立を排除するよう
に、継手の長さに沿って延びている熱可塑性合成樹脂ヨ
コ糸とを有している。溶融接合が行われる時は、熱可塑
性合成樹脂糸が、パネル、又は、外板の中に拡散し、マ
トリックス樹脂の中に埋設された金属タテ糸を残す。
無論、すべて金属を織られた網の使用においては、この
問題は、金網の中に、継手の長さに沿って、裂は目を与
えることにより克服されるかも知れない。しかしながら
、これは、胴体の製造において部材の組み立てを複雑と
させるので、受は入れることのより少ない解決と考えら
れる。
本発明を証明するために試験を行う際に、超音波溶接技
術の使用により溶融接合を行うことを遷択したが、本発
明は、超音波溶接に限定されるものでは無く、例えば、
高速回転車輪を使用する摩擦溶接のような他の技術を使
用する溶融接合により、高い繊維入すの熱可塑性合成樹
脂部材を接合するのに使用されることもできることを理
解されたい。
介−明１と処−果一 本発明は、上記のような構成及び作用を有しているので
、１個又は多数の高い［９人りの熱可塑性合成樹脂部材
が、１個又は多数の、高い、又は、低い繊維入りの熱可
塑性合成樹脂部材と溶融接合により接合された組立体を
、高いせん断強度を有する継手を有して提供するもので
あり、また、このような溶融接合継手の製造方法を提供
するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、超音波溶接機械の側面図、第２図は、第１図
の機械の正面図、第３図は、第１及び２図に示された機
械と共に使用されるブースタ及びホーンを示す図、第４
図は、溶接された重ね継手せん断試験試料の平面図及び
正面図、第５図は、溶融接合によつれ接合された繊維強
化熱可塑性合成樹脂パネルから製造されたヘリコプタ胴
体構造物の一部分を、パネルの間の継手を横切る電流経
路と共に示す側面図、第６図は、積層された構造物の溶
接された連続的に繊維強化された熱可塑性合成樹脂試験
試料から得られなせん断応力のプロットを示す線［７Ｉ
、第７図は、それぞれが、射出成形された短い繊維で強
化された熱可塑性合成樹脂試験クーポンに溶接された、
連続的に繊維で強化された熱可塑性合成樹脂頂層構造物
の試験クーポンから成り立っている試験試ｆ１から得ら
れなせん断応力のプロットを示す線図である。 １１・・・超音波溶接機械、３１・・・ブースタ、３２
・・・溶接ホーン、４１・・・試験試料、５１・・・ヘ
リコプタ胴体、５２・・・継手、５３．５４，５５．５
６・・・樹脂パネル。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、溶融接合により、１個又は多数の、高い、又は、低
    い繊維入りの熱可塑合成樹脂部材と接合された、１個又
    は多数の、高い、又は、低い繊維入りの熱可塑合成樹脂
    部材の組立体において、前記部材の間の接合界面に、追
    加の熱可塑合成樹脂の強化があることを特徴とする組立
    体。 ２、少なくとも接合部を横切って延びている金属線を有
    している網が、前記接合界面に組み込まれている特許請
    求の範囲第１項記載の組立体。 ３、金属線が、ニッケル−銅基合金から作られている特
    許請求の範囲第２項記載の組立体。 ４、接合部の長さに沿って延びている網のヨコ糸線が、
    熱可塑性合成樹脂から作られている特許請求の範囲第３
    項記載の組立体。 ５、前記接合された部材の間の溶融接合線が、多数の不
    連続の小さな面積の溶融部から成り立っており、各溶融
    面積が、その隣接する溶融面積と接触している特許請求
    の範囲第１〜４項のいずれかに記載組立体。 ６、繊維強化された熱可塑性合成樹脂部材であって、少
    なくとも１個の前記部材は、３０容積％以上の強化繊維
    から成り立っている高い繊維入りの熱可塑性合成樹脂部
    材の間に溶融接合部を製造するための方法において、溶
    融接合により接合する前に、追加の熱可塑性合成樹脂が
    、接合界面に組み込まれるようにすることを特徴とする
    製造方法。 ７、追加の熱可塑性合成樹脂が、溶融接合により接合す
    る前に、高い繊維入りの部材の表面領域内において合併
    されるようにする特許請求の範囲第６項記載の製造方法
    。 ８、追加の熱可塑性合成樹脂が、前記表面領域内におい
    て、３０容積％以下に繊維入りを減少されるようにする
    特許請求の範囲第７項記載の製造方法。 ９、少なくとも１方向に延びている金属線から成り立っ
    ている網が、溶融接合による接合の前に、接合界面にお
    いて組み込まれるようにする特許請求の範囲第６、７又
    は８項記載の製造方法。 １０、溶融接合が、超音波溶接により行われる特許請求
    の範囲第６〜９項のいずれかに記載の製造方法。 １１、連続的溶融接合線が、小さな面積の１組の不連続
    的な溶接を、各溶接面接がその隣接する溶接面積と接触
    して作ることから成り立っている段階的な溶接技術によ
    り生成されるようにする特許請求の範囲第１０項記載の
    製造方法。
JP62237591A 1986-09-24 1987-09-24 繊維強化熱可塑性合成樹脂部材及びその溶融接合継手の製造方法 Pending JPS6389329A (ja)

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