KR20120098433A

KR20120098433A - 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조 및 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법

Info

Publication number: KR20120098433A
Application number: KR1020120016817A
Authority: KR
Inventors: 게이스케 하마다; 다모츠 오사다
Original assignee: 후지 쥬코교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-09-05
Also published as: JP2012176514A; KR101878498B1; EP2492083B1; EP2492083A3; EP2492083A2; JP5172983B2; CN102649316A; US20120219763A1; CN102649316B; ES2714650T3; US8795804B2

Abstract

본 발명은, 스텝형 접합면을 다단화하는 것은 물론, 스텝형 접합면을 통해 교대로 중첩되는 섬유 강화 수지층 및 금속층을 얇은 총 두께 내에서도 다층화하는 것이 용이하고, 평면이나 임의의 곡면을 갖는 형상을 구성할 수도 있는 접합 구조 및 접합 방법을 제공한다.
본 발명의 접합 구조는, 스텝형 접합면을 구성하는 단부가 이 단부의 단부면 방향을 향해서 단계적으로 얇아지는 스텝형 구조로 형성된 금속재(11)와, 스텝형 구조 위를 단부로 편평하게 메우도록 적층된 섬유 강화 수지 복합재(12-15)를 구비하는 요소(10)를 1매로 하여, 스텝형 구조가 두께 방향으로 중첩되도록 복수매 적층되며, 금속재와 섬유 강화 수지 복합재가 접착되고, 인접하는 요소(10, 10)끼리가 중첩면에서 접합된다. 금속재(11, 11)끼리는 용접된다.

Description

섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조 및 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법{BONDING STRUCTURE OF FIBER-REINFORCED RESIN AND METAL AND BONDING METHOD OF FIBER-REINFORCED RESIN AND METAL}

본 발명은, 섬유 강화 수지와 금속의 접합에 관한 것이다.

최근에는, 섬유 강화 수지 복합재(FRP: Fiber Reinforced Plastics)가, 항공기, 자동차, 선박 또는 일반 산업 기기의 구조용 부재로서 널리 이용되고 있다. 예컨대, 탄소 섬유나 유리 섬유 등의 무기물계 강화 섬유를 종횡으로 배치하여 직조한 직물에 에폭시 수지 등의 수지를 함침 경화하여 형성한 것이 알려져 있다.

그러나 전부를 섬유 강화 수지 복합재로 구성하지 않고, 일부에 금속재를 적용하지 않으면 안 되는 경우도 적지 않다.

따라서 섬유 강화 수지 복합재와 금속재를 고강도로 접합하는 것이 과제로 된다. 종래에는, 특허문헌 1-3에도 기재된 바와 같이, 섬유 강화 수지 복합재와 금속재를 직접 접착함으로써, 체결구를 배제하여 경량화 등을 도모하는 기술이 제안되어 있다.

2개의 부재를 접착에 의해 접합하는데 있어서, 양 부재의 단부면끼리를 맞대고, 이 맞댐면만을 접착면으로 하는 경우에는, 접착면이 작아, 고강도의 접합 구조를 기대할 수 없다.

특허문헌 1에 기재된 접합 구조에 있어서는, 양 부재의 접합 단부 각각에 상보적인 스텝형 구조를 형성하여, 맞댐면에 수직인 스텝면에 큰 면적의 접착면을 확보한 스텝형 접합면이 채용된다.

특허문헌 2에 기재된 접합 구조에 있어서는, 튜브재에 있어서, 다단(多段)의 스텝형 접합면이 채용된다. 또한, 특허문헌 2에는, 스텝형 접합면이 2층으로 중첩되는 구조가 기재되어 있다(특허문헌 2의 제3도 참조). 이것은, 섬유 강화 수지 복합재의 단부면에 개구하며 안쪽이 좁은 스텝형으로 형성된 홈에, 끝이 가는 스텝형으로 형성된 금속재의 단부를 삽입하는 구조이다.

특허문헌 3에 기재된 접합 구조에 있어서는, 샤프트재에 있어서, 축방향 단부를 비스듬하게 하고 섬유 강화 수지 복합재와 금속재를 일부 중첩 배치하여 권취함으로써, 그 축을 통하는 단면에서 양 재료를 교대로 중첩하여 다층으로 형성한다.

특허문헌 1 : 일본 실용신안 공개 소 63-178126호 공보 특허문헌 2 : 일본 실용신안 공개 소 61-009135호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 2001-032819호 공보

그러나, 특허문헌 3에 기재된 기술에 따르면, 양 재료를 교대로 중첩하여 다층으로 형성할 경우에도, 롤 형상의 파이프재 밖에 구성할 수 없으며, 평면이나 임의의 곡면을 갖는 구조를 구성할 수는 없다. 또한, 스텝형, 특히 다단의 스텝형 접합면을 형성할 수 없다. 또한, 권취에 따라 서서히 양 재료가 중첩되는 영역이 축 방향으로 어긋나게 되어, 이 영역이 길게 걸치게 된다. 접합을 위한 구조부에는, 다른 구조를 동시에 형성하는 것은 어렵다. 접합을 위한 구조가 커지면, 그 만큼 설계의 자유도가 크게 제한되어, 적용 개소도 한정되어 바람직하지 못하다.

특허문헌 1에 기재된 기술에 있어서는, 1층의 섬유 강화 수지 복합재와 1층의 금속재의 중첩에 의한 접합 구조가 있다. 특허문헌 2에 기재된 기술에 있어서는, 금속재는 2층 이상으로 되지 않는다.

따라서 이상의 종래 기술에 있어서는, 섬유 강화 수지 복합재 및 금속재를 각각 2층 이상으로 하여 교대로 중첩한 구조에 의해서, 평면이나 임의의 곡면을 갖는 형상을 구성하기가 곤란하며, 요구되는 총 두께 내에서 각 층의 층 두께를 보다 얇게 하고, 보다 다층화하는 데에 자연히 한계가 생긴다.

그래서, 본 발명은, 섬유 강화 수지 복합재와 금속재의 단부끼리가 스텝형 접합면을 통해 접합된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조로서, 스텝형 접합면을 다단화하는 것은 물론, 스텝형 접합면을 통해 교대로 중첩되는 섬유 강화 수지층 및 금속층을 얇은 총 두께 내에서도 다층화하는 것이 용이하고, 이 다층화에 의해 접합 강도 등의 특성이 향상되며, 충분한 접합 강도로 하면서 스텝형 접합면의 형성 길이를 짧게 할 수 있고, 평면이나 임의의 곡면을 갖는 형상을 구성할 수도 있는 접합 구조 및 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

이상의 과제를 해결하기 위한 청구항 1의 발명은, 섬유 강화 수지 복합재와 금속재의 단부끼리가 스텝형 접합면을 통해 접합된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조로서,

상기 스텝형 접합면을 구성하는 단부가 이 단부의 단부면 방향을 향해서 단계적으로 얇아지는 스텝형 구조로 형성된 금속재와, 상기 스텝형 구조 위를 단부로 편평하게 메우도록 적층된 섬유 강화 수지 복합재를 구비하는 요소를 1매로 하여, 상기 스텝형 구조가 두께 방향으로 중첩되게 복수매 적층되며,

상기 금속재와 섬유 강화 수지 복합재가 접착되고, 인접하는 상기 요소끼리가 중첩면에서 접합되는 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조이다.

청구항 2에 기재된 발명은, 상기 스텝형 구조의 형성 영역에서 양 외면에 상기 금속재가 배치되어 있는 것인 청구항 1에 기재된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조이다.

청구항 3에 기재된 발명은, 인접하는 상기 금속재끼리는, 용접에 의해 접합되는 것인 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조이다.

청구항 4에 기재된 발명은, 상기 스텝형 구조가 다단인 것인 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조이다.

청구항 5에 기재된 발명은, 상기 각 요소의 상기 스텝형 구조의 양단 위치가 대략 일치하게 배치되는 것인 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조이다.

청구항 6에 기재된 발명은, 섬유 강화 수지 복합재와 금속재의 단부끼리를 스텝형 접합면을 통해 접합하는 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법으로서,

상기 스텝형 접합면을 구성하는 금속재의 단부를 이 단부의 단부면 방향을 향해서 단계적으로 얇아지는 스텝형 구조로 형성하고,

상기 스텝형 구조 위를 단부로 편평하게 메우도록 섬유 강화 수지 복합재를 적층하고,

하나의 상기 금속재와 그 스텝형 구조 위를 메우도록 적층된 상기 섬유 강화 수지 복합재를 구비하는 요소를 1매로 하여, 상기 스텝형 구조가 두께 방향으로 중첩되도록 복수매 적층된 상태에서, 상기 섬유 강화 수지 복합재를 열경화시킴으로써, 상기 금속재와 섬유 강화 수지 복합재를 접착하고, 인접하는 상기 요소끼리를 중첩면에서 접합하는 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법이다.

청구항 7에 기재된 발명은, 상기 열경화 후에, 인접하는 상기 금속재끼리를 용접하는 것인 청구항 6에 기재된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법이다.

청구항 8에 기재된 발명은, 상기 금속재끼리를 용접한 후, 상기 금속재의 상기 스텝형 구조의 역단으로 구성된 단부면에, 금속 부품을 용접하는 것인 청구항 7에 기재된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법이다.

본 발명에 따르면, 스텝형 접합면을 구성하는 단부가 이 단부의 단부면 방향을 향해서 단계적으로 얇아지는 스텝형 구조로 형성된 금속재와, 스텝형 구조 위를 단부로 편평하게 메우도록 적층된 섬유 강화 수지 복합재를 구비하는 요소를 1매로 하고, 이것을 적층하는 구조 또는 방법이 제공되므로, 스텝형 접합면을 다단화하는 것은 물론, 스텝형 접합면을 통해 교대로 중첩되는 섬유 강화 수지층 및 금속층을 얇은 총 두께 내에서도 다층화하는 것이 용이하다. 그리고 이 다층화에 의해, 섬유 강화 수지와 금속의 총 접착 면적이 크게 확보되어, 접합 강도 등의 특성이 향상된다. 이 때문에, 충분한 접합 강도로 하면서 스텝형 접합면의 형성 길이를 짧게 할 수 있다. 또한, 평면은 물론, 하나의 금속재를 성형에 적합한 두께로 하여, 하나의 금속재와 그 스텝형 구조를 메우도록 적층된 섬유 강화 수지 복합재를 구비하는 요소를 1매씩 성형하면서 적층하므로, 임의의 곡면으로 형성하는 것도 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조의 1매의 요소의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조에 있어서의 층간 용접의 모습을 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조에 있어서의 단부면 용접의 모습을 도시하는 단면도이다.

이하에, 본 발명의 일 실시형태에 관하여 도면을 참조하여 설명한다. 이하의 사항은 본 발명의 일 실시형태로서, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조(1)는, 도 2에 단체(單體)로 도시하는 1매의 요소(10)를 복수매 적층함으로써 구성된다.

1매의 요소(10)는, 금속박(11)과, 섬유 강화 수지 복합재(12?15)로 이루어진다. 금속박(11)과 섬유 강화 수지 복합재(12?15)가 스텝형 접합면을 통해 접착되고, 각 요소(10, 10) 사이가 그 중첩면에서 접합된 것이다.

여기서, 제조 과정에 따라 설명한다.

우선, 도 2에 도시한 바와 같이, 금속박(11)의 단부(11a)를, 그 단부면 방향을 향해서 단계적으로 얇아지는 스텝형 구조로 형성한다.

다음으로, 금속박(11)의 스텝형 구조의 단부(11a)에, 강화 섬유에 매트릭스 수지를 함침시킨 프리프레그 상태의 섬유 강화 수지 복합재(12?15)를 순차적으로 적층한다.

섬유 강화 수지 복합재(12?15)는, 단부(11a)의 각 단(段)에 대응하는 부분으로 편의적으로 나눈 것이다. 섬유 강화 수지 복합재(12?15)는, 각각 1매 또는 복수 매의 프리프레그에 의해서 구성된다.

적층하기 위해서는 우선, 섬유 강화 수지 복합재(12)를, 단부(11a)의 단부면에 대해 맞춘다. 섬유 강화 수지 복합재(13)의 끝을, 섬유 강화 수지 복합재(12)의 끝보다 금속박(11)의 가장 두꺼운 부분(11b)측으로 치우친 위치에 배치하고, 섬유 강화 수지 복합재(13)의 단부로 1단(段) 면(11c) 위를 편평하게 메우도록 적층한다. 마찬가지로, 섬유 강화 수지 복합재(14)의 끝을, 섬유 강화 수지 복합재(13)의 끝보다 금속박(11)의 가장 두꺼운 부분(11b)측으로 치우친 위치에 배치하고, 섬유 강화 수지 복합재(14)의 단부로 2단 면(11d) 위를 편평하게 메우도록 적층한다. 마찬가지로, 섬유 강화 수지 복합재(15)의 끝을, 섬유 강화 수지 복합재(14)의 끝보다 금속박(11)의 가장 두꺼운 부분(11b)측으로 치우친 위치에 배치하고, 섬유 강화 수지 복합재(15)의 단부로 3단 면(11e) 위를 편평하게 메우도록 적층한다. 또한, 섬유 강화 수지 복합재(12?15)에 접촉하는 금속박(11)의 스텝형 구조의 표면에 페이스트 접착제를 도포하거나 또는 막 접착제를 적층하고 나서, 섬유 강화 수지 복합재(12?15)를 적층하도록 하더라도 좋다.

이상과 같은 요소(10)를, 도 1에 도시한 바와 같이 스텝형 구조가 두께 방향으로 중첩되도록 복수매 적층한 상태를 얻는다. 또한, 요소(10)를 필요 매수 제작하고, 도 1에 도시한 바와 같이 스텝형 구조가 두께 방향으로 중첩되도록 복수매 적층한 상태를 얻더라도 좋다.

도 1에 스텝형 접합면의 형성 길이(L)가 표시된다.

요소(10)를 적층할 때에, 요소(10)의 표리를 적절하게 바꾸어도 좋지만, 도 1에 도시한 바와 같이 스텝형 구조의 형성 영역에서 금속박(11, 11)을, 전체의 표리면에, 즉 양 외면에 배치하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 금속면을 외면으로 하는 쪽이 외부로부터의 충격에 대하여 강하기 때문이다.

또한, 각 요소(10, 10, 10,…)의 스텝형 구조의 양단 위치가 일치하게 배치하는 것이 바람직하다. 이것은, 스텝형 접합면의 형성 길이(L)를 짧게 하기 위한 것이다.

요소(10)를 복수매 적층한 상태에서, 각 요소(10)의 섬유 강화 수지 복합재(12?15)를 열경화시킨다.

이것에 의해서, 금속박(11)과 섬유 강화 수지 복합재(12?15)가 접착되고, 모든 섬유 강화 수지 복합재(12?15)가 일체화된다.

다음으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 인접하는 금속박(11, 11)끼리를 용접한다. 용접시에는, 화살표 16으로 나타낸 바와 같이, 단부면으로부터 금속박(11, 11)의 접합면을 향해서 접합면과 평행하게, 레이저 등의 용접 열원을 입사시켜 접합면마다 깊은 위치까지 용착부(17)를 형성한다.

필요에 따라, 용착부(17)를 형성한 단부면을 연삭 등에 의해 정형(整形)한 후, 그 정형된 단부면에 도 4에 도시한 바와 같이 금속 부품(18)의 단부면을 합치고 용접에 의해 접합한다. 이 때도, 화살표 19로 나타낸 바와 같이, 금속박(11)과 금속 부품(18)의 접합면을 향해서 접합면과 평행하게, 레이저 등의 용접 열원을 입사시켜 깊은 위치까지 용착부(20)를 형성한다.

이상의 제조 과정으로부터 알 수 있듯이, 본 실시형태의 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조(1)는, 섬유 강화 수지 복합재와 금속재의 단부끼리가 스텝형 접합면을 통해 접합된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조로서, 스텝형 접합면을 구성하는 단부가 이 단부의 단부면 방향을 향해서 단계적으로 얇아지는 스텝형 구조로 형성된 금속박(11)과, 이 스텝형 구조 위를 단부로 편평하게 메우도록 적층된 섬유 강화 수지 복합재(12?15)를 구비하는 요소(10)를 1매로 하여, 스텝형 구조가 두께 방향으로 중첩되도록 복수매 적층되고, 금속박(11)과 섬유 강화 수지 복합재(12?15)가 접착되고, 인접하는 요소(10, 10)끼리가 중첩면에서 접합되는 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조를 구성한다.

이상의 실시형태에서는, 각 스텝형 구조를 3단으로 했지만, 이것은 일례이다. 스텝형 구조는, 2단 이상의 다단으로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 스텝형 접합면을 통한 접합 구조에 있어서는, 응력이 각 스텝의 단부에 집중되어, 스텝형 구조를 보다 많은 단수로 함으로써 응력 집중이 분산되어, 최대 응력을 저감시킬 수 있기 때문이다.

이상의 실시형태에 있어서는, 요소(10)의 적층 매수를 5매로 했지만, 이것은 일례이다. 3매 이상으로 하고, 상술한 바와 같이 금속면을 양 외면에 배치하는 것이 바람직하다.

요소(10)의 적층 매수를 많게 함에 따라, 섬유 강화 수지 복합재와 금속재의 접착 면적이 확대되어, 스텝형 접합면의 형성 길이(L)를 짧게 하더라도, 충분한 접합 강도를 확보할 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 100% 금속의 단부의 치수(L1)가 상술한 용접 등의 형편으로 일정 거리이면 충분한 경우는, 스텝형 접합면의 형성 길이(L)를 짧게 함으로써, 섬유 강화 수지 복합재의 용적 점유율을 높여, 경량화 등을 추구할 수 있다.

또한, 섬유 강화 수지 복합재와 금속재의 접착 면적이 확대되기 때문에, 섬유 강화 수지 복합재와 금속재 사이의 전기 전도성도 향상된다.

종래의 스텝형 접합면을 갖는 접합 구조에 있어서는, 스텝형 접합면이 1층 또는 2층이기 때문에, 충격 하중이나, 인장ㆍ압축, 벤딩 등의 반복 하중을 받아 1층의 스텝형 접합면에 박리가 진전되면, 완전 분단되거나 또는 대략 절반까지 박리 파괴된다.

이것에 대하여, 본 발명의 접합 구조(1)에 의하면, 다층화되어, 접착면이 넓어지고, 외면으로부터 얕은 위치에서 깊은 위치까지 외면에 평행한 스텝면에 의한 접착면이 분산 배치되어 있기 때문에, 동일한 하중 조건이라도 박리가 생기지 않거나, 외면의 일부의 박리로 끝낼 수 있다. 이 때문에, 요소(10)를 3층, 4층, 5층 …으로, 그 적층수를 많게 하는 것이 바람직하다.

적용하는 섬유 강화 수지 복합재에 대해서는, 탄소 섬유 강화 수지 복합재, 유리 섬유 강화 수지 복합재 등을 예로 들 수 있지만, 그 종류는 상관없다.

적용하는 금속재의 재질에 대해서도, Ti 합금, Al 합금, Mg 합금 등을 예로 들 수 있지만, 그 종류는 상관없다. 적용하는 수지에 대해서도, 열경화 수지라면, 그 종류는 상관없다.

1 접합 구조
10 1장의 요소
11 금속박
11a 스텝형 구조의 단부
11b 가장 두꺼운 부분
11c 1단(段) 면
11d 2단 면
11e 3단 면
12 섬유 강화 수지 복합재
13 섬유 강화 수지 복합재
14 섬유 강화 수지 복합재
15 섬유 강화 수지 복합재
17 용착부
18 금속 부품
20 용착부
L 스텝형 접합면의 형성 길이
L1 100% 금속으로 용접 가능한 단부 길이

Claims

섬유 강화 수지 복합재와 금속재의 단부끼리가 스텝형 접합면을 통해 접합된 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조로서,
상기 스텝형 접합면을 구성하는 단부가 이 단부의 단부면 방향을 향해서 단계적으로 얇아지는 스텝형 구조로 형성된 금속재와, 상기 스텝형 구조 위를 단부로 편평하게 메우도록 적층된 섬유 강화 수지 복합재를 구비하는 요소를 1매로 하고, 상기 스텝형 구조가 두께 방향으로 중첩되게 복수매 적층되며,
상기 금속재와 섬유 강화 수지 복합재가 접착되고, 인접하는 상기 요소끼리가 중첩면에서 접합되는 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조.
제1항에 있어서, 상기 스텝형 구조의 형성 영역에서 양 외면에 상기 금속재가 배치되어 있는 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서, 인접하는 상기 금속재끼리는, 용접에 의해 접합되는 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스텝형 구조는 다단인 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 요소의 상기 스텝형 구조의 양단 위치가 일치하게 배치되는 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 구조.
섬유 강화 수지 복합재와 금속재의 단부끼리를 스텝형 접합면을 통해 접합하는 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법으로서,
상기 스텝형 접합면을 구성하는 금속재의 단부를 이 단부의 단부면 방향을 향해서 단계적으로 얇아지는 스텝형 구조로 형성하고,
상기 스텝형 구조 위를을 단부로 편평하게 메우도록 섬유 강화 수지 복합재를 적층하고,
하나의 상기 금속재와 그 스텝형 구조 위를 메우도록 적층된 상기 섬유 강화 수지 복합재를 구비하는 요소를 1매로 하여, 상기 스텝형 구조가 두께 방향으로 중첩되도록 복수매 적층된 상태에서, 상기 섬유 강화 수지 복합재를 열경화시킴으로써, 상기 금속재와 섬유 강화 수지 복합재를 접착하고, 인접하는 상기 요소끼리를 중첩면에서 접합하는 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법.
제6항에 있어서, 상기 열경화 후에, 인접하는 상기 금속재끼리를 용접하는 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법.
제7항에 있어서, 상기 금속재끼리를 용접한 후, 상기 금속재의 상기 스텝형 구조의 역단으로 구성된 단부면에, 금속 부품을 용접하는 것인 섬유 강화 수지와 금속의 접합 방법.