KR20150132190A - 복합재료의 접합장치, 접합체의 제조방법 및 접합체 - Google Patents

복합재료의 접합장치, 접합체의 제조방법 및 접합체 Download PDF

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KR20150132190A
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KR
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bonding
composite materials
vibration
composite material
target position
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나오즈미 미즈타니
야스오 카도야
히로노부 니시무라
코지 아라이
아키오 코마츠
타쿠미 카토
슈헤이 스즈키
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오리진 일렉트릭 캄파니 리미티드
데이진 가부시키가이샤
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Abstract

탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료를 접합목표위치에서 안정하게 접합하는 것을 과제로 하고, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료(11a, 11b)의 접합면을 접촉시키고, 가압장치(13)에 의해 가압되어 있는 2 이상의 복합재료(11a, 11b)에 진동발생장치(17)에 의해 진동을 주고 있는 상태에서, 2 이상의 복합재료(11a, 11b)를 주울열로 접합하기 위한 전류를 접합목표위치에 통전하여, 2 이상의 복합재료(11a, 11b)를 접합한다.

Description

복합재료의 접합장치, 접합체의 제조방법 및 접합체 {COMPOSITE-MATERIAL JOINING DEVICE, METHOD FOR PRODUCING JOINED BODY, AND JOINED BODY}
본 발명은, 탄소섬유강화 플라스틱끼리를 접합하는 복합재료의 접합장치, 접합체의 제조방법 및 접합체에 관한 것이다.
탄소섬유로 강화한 열가소성 수지는, 항공분야 및 자동차분야 등에의 이용이 기대되고 있다.
열가소성 수지를 접합하는 방법의 하나로서, 탄소섬유로 강화한 2개의 열가소성 수지를 가압하면서, 이들 열가소성 수지 사이에 접합전류를 흐르게 하여, 이들 열가소성 수지의 접합면 및 그 근방을 부분적으로 용융시켜 용착(溶着)을 행하는 방법이 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
한편, 탄소섬유로 강화한 열가소성 수지로서, 탄소섬유가 열가소성 수지에 랜덤하게 분산되어 있는 것이 있다(특허문헌 2 참조).
일본 특허공개 2012－187903호 공보 WO2012/137985
탄소섬유로 강화한 열가소성 수지의 접합에 있어서는, 수지에 함유되어 있는 탄소섬유에 전류를 흐르게 하여, 주울열에 의한 발열로 용융시키기 때문에, 탄소섬유의 함유량, 분산상태 등에 따라 접합목표위치와는 다른 위치에서 발열이 생겨 용융하는 경우가 있다. 그로 인해, 예컨대, 특허문헌 2와 같이, 탄소섬유가 분산되어 있는 열가소성 수지를 특허문헌 1과 같은 종래의 용착방법을 이용하여 접합하는 경우에는, 접합위치를 목표위치에 안정시켜 접합하는 것이 어렵다. 접합목표위치와는 상이한 위치에 전류가 통전하여 용융한 경우에는, 접합강도가 저하하거나, 외관을 중시하는 제품에 있어서, 미감을 해친다고 하는 문제가 있다.
도 24는 종래의 용착방법에서의 탄소섬유로 강화한 2개의 열가소성 수지의 접합면의 일례를 나타내는 평면도로서, 도 24 (a)는, 탄소섬유로 강화한 2개의 열가소성 수지가 전극의 중심 직하(直下) 이외에서 접합한 경우인 일례의 평면도, 도 24 (b)는, 탄소섬유로 강화한 2개의 열가소성 수지의 접합면적이 작아 접합강도가 약한 경우인 일례의 평면도이다.
탄소섬유로 강화한 열가소성 수지(11a, 11b)의 용착은, 탄소섬유로 강화한 2개의 열가소성 수지(11a, 11b)를 서로 중첩시킨 접합면(11c)의 접합목표위치(19)에 전극을 배치하고, 전압을 인가하여 탄소섬유로 강화한 열가소성 수지의 접합면(11c) 및 그 근방을 부분적으로 용융시키고, 그 후, 통전을 정지하여 탄소섬유로 강화한 열가소성 수지의 접합부를 냉각하여 행해진다. 도 24 (a)에 나타내는 바와 같이, 접합부(21)가 전극의 중심 직하로부터 좌상(左上)방향으로 벗어난 개소가 되거나, 도 24 (b)에 나타내는 바와 같이, 접합부(21)가 복수로 점재(點在)하여 형성되어, 하나의 접합부(21)가 전극의 중심 직하의 위치더라도, 접합부(21)의 접합면적이 작아져, 접합강도가 약해지는 경우가 있다. 이처럼, 현상(現狀)에서는 접합상태의 편차가 크다.
또, 특허문헌 2에 나타난 탄소섬유가 열가소성 수지에 랜덤하게 분산되어 있는 것을, 특허문헌 1의 용착방법을 이용하여 접합하는 경우에, 그 접합강도를 높이기 위해서는, 접합면적을 크게 하는 것을 생각할 수 있다.
탄소섬유로 강화한 2개의 열가소성 수지의 접합면적을 크게 하려면, 탄소섬유로 강화한 2개의 열가소성 수지를 가압하면서, 전류의 통전시간을 길게 함으로써 달성할 수 있다. 이는, 전압인가에 의한 탄소섬유에의 통전시간을 길게 하여, 탄소섬유를 더 발열시켜 열가소성 수지를 용융시키고, 가압에 의해 접합면적을 크게 할 수 있기 때문이다.
그러나, 탄소섬유로 강화한 2개의 열가소성 수지를 가압하면서 통전시간을 길게 하여, 접합면적을 크게 해도 접합강도를 높일 수 없는 경우가 있는 것이 판명되었다. 오히려, 반대로 접합강도가 떨어지는 것이 판명되었다.
한편, 용융상태를 관측하는 방법으로서 예컨대, 특허문헌 1과 같이, 접합 계면의 온도를 모니터링하는 방법이 있다. 이 방법은, 2개의 전극으로 사이에 끼워진 피접합체로서의 열가소성 수지의 접합 계면의 온도를 열가소성 수지의 측면에서 서모그래피를 이용하여 관측하기 때문에, 전극으로부터 떨어진 곳에서 용착한 경우에 있어서, 전극을 중심으로 하여 어느 정도의 반경의 범위에서 용착했는지를 특정하는 것이 어렵다. 또, 피접합물의 형상, 크기, 접합장치를 사용하는 설비 등의 조건에 따라서는, 접합 계면의 온도를 관측하는 것에 제약이 있어, 실용적이라고는 할 수 없다.
여기서 이하의 설명에서는, 탄소섬유로 강화한 열가소성 수지는, 열가소성 수지 및 불연속인 탄소섬유를 함유하고, 불연속인 탄소섬유가 분산되어 있는 복합재료인(이하, 복합재료라 함) 경우에 대하여 설명한다.
본 발명의 목적은, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료를 접합목표위치에서 안정하게 접합할 수 있는 복합재료의 접합장치, 접합방법 및 접합체를 얻는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료를 가압하면서 진동을 가하여 전류를 통전하여 접합하는 경우에 접합면적에 따른 인장강도를 얻을 수 있는 복합재료의 접합장치, 접합체의 제조방법 및 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료의 접합개소의 양부(良否)판정을 용이하게 행할 수 있는 복합재료의 접합장치, 접합체의 제조방법 및 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 놀랍게도, 복합재료를 접촉시켜 가압한 상태에서, 전류를 통전하기 전에 접합목표위치에 진동을 주고, 그와 동시 또는 그 후에 통전에 의해 복합재료를 주울열로 접합함으로써, 안정되고 양호한 접합강도가 얻어지는 것을 찾아냈다. 이 양호한 결과가 얻어지는 상세한 요인에 대해서는 불명확하지만, 통전 전에 진동을 줌으로써, 접합목표위치인 접촉부분에서의 접촉저항이 낮아져, 선택적으로 접합목표위치에서 통전이 행해지기 때문에 접합강도가 안정되는 것이라고 추측된다.
본 발명의 제1 태양(態樣)에 관한 복합재료의 접합장치는, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치를 가압하는 가압장치와, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 접합목표위치에 진동을 주는 진동발생장치와, 상기 가압장치에 의해 가압되어 있는 상기 2 이상의 복합재료에 상기 진동발생장치에 의해 진동을 줌과 동시 또는 주고 있는 상태에서, 상기 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합하기 위한 전류를 상기 접합목표위치에 통전하는 전원을 구비한 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 진동이 가해진 2 이상의 복합재료의 접합목표위치에 전류가 통전하기 쉬워져, 접합목표위치의 열가소성 수지가 용융하여 복합재료를 접합목표위치에서 안정하게 접합할 수 있다.
본 발명의 제2 태양에 관한 복합재료의 접합장치는, 본 발명의 제1 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 진동발생장치는, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면이 열가소성 수지의 융점 이하인 온도로 가열되게 하는 진동을 상기 접합면에 주는 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2 이상의 복합재료의 접합면이 열가소성 수지의 융점 이하의 온도로 가열되게 하는 진동을 접합면에 주므로, 진동의 에너지에 의해 열가소성 수지가 접합목표위치와 상이한 개소에서 용융하여 열가소성 수지끼리가 접합해 버리는 것을 방지하면서, 열가소성 수지를 접합목표위치에 있어서 접합을 행할 수 있다.
본 발명의 제3 태양에 관한 복합재료의 접합장치는, 본 발명의 제1 또는 제2 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 진동발생장치는, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면에 대하여 수직방향의 진동을 주는 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2개의 복합재료의 접합면에 대하여 수직방향의 진동을 가함으로써, 복합재료의 두께방향을 향하여 직접적으로 집중하여 진동에너지를 전할 수 있어, 2 이상의 복합재료의 접합목표위치의 접합면을 효율 좋게 발열시킬 수 있어, 접합목표위치로부터 벗어난 수평방향에서의 의도하지 않은 접합의 확대를 억제할 수 있다.
본 발명의 제4 태양에 관한 복합재료의 접합장치는, 본 발명의 제1 내지 제3 중 어느 한 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 진동발생장치의 진동주파수는, 수 ㎑∼수 100㎑인 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 소정의 주파수에 의한 진동을 줌으로써, 복합재료의 접합목표위치가 되는 접합표면을 효율 좋게 발열시킬 수 있다.
본 발명의 제5 태양에 관한 복합재료의 접합장치는, 본 발명의 제1 내지 제4 중 어느 한 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 2 이상의 복합재료가 용합(溶合; 함께 녹음)하여 용착한 상태가 되었을 때는 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하도록 상기 가압장치를 제어하는 제어장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2 이상의 복합재료의 접합목표위치를 소정 압력으로 가압하면서 진동을 가하여 전류를 통전하고, 2 이상의 복합재료가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는, 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하므로, 용융한 열가소성 수지가 접합목표위치의 외측으로 밀려나가 확산하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 접합목표위치에 있어서, 인장강도의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 제6 태양에 관한 복합재료의 접합장치는, 본 발명의 제5 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 제어장치는, 상기 2 이상의 복합재료의 상기 접합면의 상기 열가소성 수지의 온도가 융점이 되었을 때에 상기 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하도록 상기 가압장치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2 이상의 복합재료가 녹아 용착하기 직전에 가압을 약하게 할 수 있기 때문에, 용융한 열가소성 수지의 확산을 확실히 방지할 수 있다.
본 발명의 제7 태양에 관한 복합재료의 접합장치는, 본 발명의 제1 내지 제6 중 어느 한 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 가압장치로 가압하는 상기 접합목표위치 및 그 주변의 표면의 온도분포를 측정하는 온도분포 측정장치와, 상기 온도분포 측정장치에서 얻어진 데이터가 미리 기억된 기준이 되는 온도데이터의 동일범위 내인지 아닌지를 판정하는 판정장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합함에 있어서, 온도분포 측정장치로 접합목표위치의 화상을 얻으므로, 2 이상의 복합재료의 접합개소의 양부판정을 용이하게 행할 수 있다. 즉, 2 이상의 복합재료의 접합 후에 검사를 위해서 박리하지 않아도, 그 접합의 양부판정을 용이하게 행할 수 있다. 특히, 탄소섬유가 열가소성 수지에 랜덤하게 분산되어 있는 복합재료의 접합의 경우에 유효하다.
본 발명의 제8 태양에 관한 접합체의 제조방법은, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치를 가압하고, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 접합목표위치에 진동을 주고, 가압되어 있는 상기 2 이상의 복합재료에 진동을 주고 있는 상태에서, 상기 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합하기 위한 전류를 상기 접합목표위치에 통전하여, 2 이상의 복합재료를 접합하여 접합체를 제조하는 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 진동이 가해진 2 이상의 복합재료의 접합목표위치에 전류가 통전하기 쉬워져, 접합목표위치의 열가소성 수지가 용융하여 복합재료를 접합목표위치에 있어서 안정하게 접합할 수 있다.
본 발명의 제9 태양에 관한 접합체의 제조방법은, 본 발명의 제8 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치에 주는 진동은, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면이 열가소성 수지의 융점 이하인 온도로 가열되게 하는 진동인 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2 이상의 복합재료의 접합면이 열가소성 수지의 융점 이하인 온도로 가열되게 하는 진동을 접합면에 주므로, 진동의 에너지에 의해 열가소성 수지가 접합목표위치와 상이한 개소에서 용융하여 열가소성 수지끼리가 접합해 버리는 것을 방지하면서, 열가소성 수지를 접합목표위치에 있어서 접합을 행할 수 있다.
본 발명의 제10 태양에 관한 접합체의 제조방법은, 본 발명의 제8 또는 제9 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치에 주는 진동은, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면에 대하여 수직방향의 진동인 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2개의 복합재료의 접합면에 대하여 수직방향의 진동을 가함으로써, 복합재료의 두께방향을 향하여 직접적으로 집중하여 진동에너지를 전할 수 있어, 2 이상의 복합재료의 접합목표위치의 접합면을 효율 좋게 발열시킬 수 있어, 접합목표위치로부터 벗어난 수평방향에서의 의도하지 않은 접합의 확대를 억제할 수 있다.
본 발명의 제11 태양에 관한 접합체의 제조방법은, 본 발명의 제8 내지 제10 중 어느 한 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치에 주는 진동의 진동주파수는, 수 ㎑∼수 100㎑인 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 소정의 주파수에 의한 진동을 줌으로써, 복합재료의 접합목표위치가 되는 접합표면을 효율 좋게 발열시킬 수 있다.
본 발명의 제12 태양에 관한 접합체의 제조방법은, 본 발명의 제8 내지 제11 중 어느 한 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 탄소섬유는, 복합재료의 면내(面內) 방향으로 랜덤하게 분산되어 배치하고 있는 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 복합재료의 두께방향으로 안정적으로 통전할 수 있다.
본 발명의 제13 태양에 관한 접합체의 제조방법은, 본 발명의 제8 내지 제12 중 어느 한 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 탄소섬유의 평균 섬유길이가 1㎜∼100㎜인 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 복합재료의 두께방향으로 안정적으로 통전할 수 있다.
본 발명의 제14 태양에 관한 접합체의 제조방법은, 본 발명의 제8 내지 제13 중 어느 한 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 2 이상의 복합재료가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는 상기 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하여 상기 2 이상의 복합재료를 접합하는 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2 이상의 복합재료의 접합목표위치를 소정 압력으로 가압하면서 진동을 가하고 전류를 통전하여, 2 이상의 복합재료가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는, 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하므로, 용융한 열가소성 수지가 접합목표위치의 외측으로 밀려나가 확산하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 접합목표위치에서, 인장강도의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 제15 태양에 관한 접합체의 제조방법은, 본 발명의 제14 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하는 것은, 상기 2 이상의 복합재료의 상기 접합면의 상기 열가소성 수지의 온도가 융점이 되었을 때인 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2 이상의 복합재료가 녹아 용착하기 직전에 가압을 약하게 할 수 있기 때문에, 용융한 열가소성 수지의 확산을 확실히 방지할 수 있다.
본 발명의 제16 태양에 관한 접합체의 제조방법은, 본 발명의 제7 태양의 복합재료의 접합장치를 이용하여, 상기 온도분포 측정장치로 취득한 상기 복합재료의 표면의 온도분포에 관한 데이터가 기억장치에 미리 기억된 기준이 되는 온도데이터의 동일범위 내인지 아닌지를 판정장치로 판정하고, 동일범위 내일 때는 복합재료의 접합은 양호, 동일범위 내가 아닐 때는 복합재료의 접합은 불량이라고 평가하는 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 복합재료의 접합의 평가를 효율적으로 행할 수 있다.
그리하여, 본 발명에 의하면, 상술한 복합재료의 제조장치, 또는 상술한 접합체의 제조방법을 이용함으로써, 하기의 신규한 접합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 제17 태양에 관한 접합체는, 본 발명의 제8 내지 제16 중 어느 한 태양에 관한 접합체의 제조방법에 의하여 얻어진 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 2 이상의 복합재료를 접합목표위치에 있어서 안정하게 접합할 수 있기 때문에, 소정의 접합강도를 가지고, 또한, 접합부의 외관상의 미감이 양호한 접합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 제18 태양에 관한 접합체는, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 진동을 줌과 동시 또는 주고 있는 상태에서, 상기 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합한 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로 할 때, 진동이 가해진 2 이상의 복합재료의 접합목표위치에 전류가 통전하기 쉬워지고, 접합목표위치의 열가소성 수지가 주울열에 의해 용융하여, 복합재료의 접합목표위치에 있어서 접합면에 대략 원형의 용착부가 형성되어 있다. 그 결과, 접합강도가 우수함과 함께, 평면끼리의 접합에 있어서, 종래의 초음파 용착에 의한 접합에 비해 접합부의 의장(意匠)성이 우수한 성형체가 제공된다.
본 발명의 제19 태양에 관한 접합체는, 본 발명의 제18 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 진동이 복합재료의 접합면에 대하여 수직방향의 진동인 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로 할 때, 2개의 복합재료의 접합면에 대하여 수직방향의 진동을 가함으로써, 복합재료의 두께방향을 향하여 직접적으로 집중하여 진동에너지를 전할 수 있다. 그 결과, 접합강도가 보다 우수한 성형체가 제공된다.
본 발명의 제20 태양에 관한 접합체는, 본 발명의 제18 또는 19 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 진동의 주파수가 수 ㎑∼수 100㎑인 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로 할 때, 소정의 주파수에 의한 진동을 줌으로써, 복합재료의 접합목표위치가 되는 접합표면을 효율 좋게 발열시킬 수 있고, 그 결과, 접합강도와 의장성이 양호한 접합체가 제공된다.
본 발명의 제21 태양에 관한 접합체는, 본 발명의 제18∼20 중 어느 한 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 탄소섬유의 평균 섬유길이가 1∼100㎜인 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 복합재료의 두께방향으로 안정적으로 통전할 수 있어, 접합강도와 의장성이 양호한 접합체가 제공된다.
본 발명의 제22 태양에 관한 접합체는, 본 발명의 제18∼21 중 어느 한 태양에 관한 발명에 있어서, 상기 복합재료 중 탄소섬유의 함유량이, 체적비율(Vf)로 10∼90%인 것을 특징으로 한다.
이처럼 구성할 때, 접합강도와 의장성의 관점, 또한 통전 및 발열의 관점에서, 기계적 강도와 생산성의 밸런스가 우수한 접합체가 제공된다.
복합재료를 접촉시켜 가압한 상태에서, 전류를 통전하기 전에 접합목표위치에 진동을 주고, 그 후에 통전에 의해 복합재료를 주울열로 접합함으로써, 안정하게 양호한 접합강도를 얻을 수 있다.
또, 2 이상의 복합재료의 접합목표위치를 소정 압력으로 가압하면서 진동을 주고 전류를 통전하여, 2 이상의 복합재료가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는, 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하므로, 용융한 열가소성 수지가 접합목표위치의 외측으로 밀려나가 확산하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 접합목표위치에 있어서, 인장강도의 저하를 방지할 수 있다.
또, 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합함에 있어서, 온도분포 측정장치로 접합목표위치의 온도분포에 관한 데이터를 얻으므로, 2 이상의 복합재료의 접합개소의 양부판정을 용이하게 행할 수 있다. 즉, 2 이상의 복합재료의 접합 후에 검사를 위해서 박리하지 않아도, 그 접합의 양부판정을 용이하게 행할 수 있다. 특히, 탄소섬유가 열가소성 수지에 랜덤하게 분산되어 있는 복합재료의 접합의 경우에 유효하다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 일례의 구성도.
도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 동작 타이밍의 일례를 나타내는 타임차트.
도 3은, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 동작 타이밍의 다른 일례를 나타내는 타임차트.
도 4는, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 접합체의 제조방법의 공정의 일례를 나타내는 플로차트.
도 5는, 본 발명의 제1 실시형태에서의 2개의 복합재료의 접합면의 일례를 나타내는 평면도.
도 6은, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 다른 일례의 구성도.
도 7은, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 또 다른 일례의 구성도.
도 8은, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 동작 타이밍의 일례를 나타내는 타임차트.
도 9는, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 접합체의 제조방법의 공정의 일례를 나타내는 플로차트.
도 10은, 본 발명의 제2 실시형태에서의 2개의 복합재료의 접합부의 인장강도와 접합면적의 관계의 일례를 나타내는 그래프.
도 11은, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 일례의 구성도.
도 12는, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 동작 타이밍의 일례를 나타내는 타임차트.
도 13은, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 접합체의 제조방법의 공정의 일례를 나타내는 플로차트.
도 14는, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 다른 일례의 구성도.
도 15는, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 또 다른 일례의 구성도.
도 16은, 본 발명의 제4 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 일례의 구성도.
도 17은, 복합재료의 접합 중에 온도분포 측정장치에서 얻어진 접합이 양호하게 행해진 경우의 화상의 일례를 나타내는 사시도.
도 18은, 접합이 양호하게 행해진 경우의 2개의 복합재료의 접합개소의 표면확대사진.
도 19는, 복합재료의 접합 중에 온도분포 측정장치에서 얻어진 접합이 불량하게 행해진 경우의 화상의 일례를 나타내는 사시도.
도 20은, 접합이 불량하게 행해진 경우의 2개의 복합재료의 접합개소의 표면확대사진.
도 21은, 본 발명의 제4 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 다른 일례의 구성도.
도 22는, 본 발명의 제4 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 또 다른 일례의 구성도.
도 23은, 본 발명의 제4 실시형태에 관한 복합재료의 접합 평가방법의 공정의 일례를 나타내는 플로차트.
도 24는, 종래의 용착방법에서의 2개의 복합재료의 접합면의 일례를 나타내는 평면도.
이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 일례의 구성도이다. 우선, 본 발명의 제1 실시형태에서 이용하는 복합재료(11a, 11b)에 대하여 설명한다.
본 발명에서 이용하는 복합재료란, 열가소성 수지를 매트릭스로 하고 불연속 탄소섬유를 함유하는 복합재료이다. 불연속 탄소섬유를 포함함으로써, 통상, 부도체인 열가소성 수지에 전기전도성을 발현시킬 수 있다.
탄소섬유는 PAN계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유 등이 대표적이다. 용도에 따라 PAN계, 피치계는 선택되고 있지만, 일반적으로, 보다 고강도를 요구하는 경우에는 PAN계 탄소섬유가 이용된다.
「불연속 탄소섬유」란, 섬유 중, 평균 섬유길이가 0.1∼300㎜의 길이인 것을 말한다. 「불연속 섬유」 이외의 섬유를 「연속 섬유」라 한다.
불연속 섬유의 평균 섬유길이로서는, 바람직하게는 1㎜∼100㎜, 보다 바람직하게는 1㎜ 이상 80㎜ 이하이며, 더 바람직하게는 1㎜ 이상 50㎜ 이하이다.
평균 섬유길이는, 무작위로 추출한 탄소섬유 100개의 길이를 노기스 및 루페(loupe)로 1㎜ 단위까지 측정하여 기록하고, 측정한 모든 탄소섬유의 길이(Li, 여기서 i = 1∼100의 정수)로부터, 다음 식에 의해 평균 섬유길이(La)를 구할 수 있다.
La = ∑Li / 100
본 발명에 있어서의 복합재료의 탄소섬유의 함유량은 체적비율(Vf)로 10∼90%인 것이 바람직하다. Vf가 10% 이상이면 안정하게 복합재료에 통전시킬 수 있다. 또, Vf를 90% 이하로 함으로써 저항값을 확보하여 주울열을 얻을 수 있다. 통전 및 발열의 관점에서 안정된 접합체를 얻기 위해서, 보다 바람직하게는 Vf가 20∼55%이고, 더 바람직하게는 Vf가 20∼50%이다.
본 발명에 있어서의 복합재료 중의 탄소섬유의 배향(配向)으로서는, 전류가 흐르는 방향, 즉 통전방향에 대하여 기본적으로 수직방향으로 평행한 방향(면내 방향)으로 랜덤인 것이 바람직하다. 불연속인 탄소섬유가 랜덤하게 배치된 복합재료는 두께방향으로 안정적으로 통전할 수 있다.
그 중에서도 일정한 전기저항값을 가지고 있는 쪽이 안정하게 접합할 수 있기 때문에, 균등하게 랜덤인 것이 바람직하다. 여기서, 랜덤하게 불연속인 탄소섬유를 배치한 복합재료로는, 예컨대 평균 섬유길이 1∼100㎜의 불연속 탄소섬유가 면 내에 중첩되도록 배치되어 있고, 탄소섬유가 25∼3000g/㎡의 조밀도로 실질적으로 2차원 랜덤하게 배향하고 있는 것을 들 수 있다. 상기 불연속 탄소섬유는 단사(單絲)의 상태라도 좋고, 다발의 상태라도 좋고, 그들이 혼합한 상태로 존재하고 있어도 좋다.
복합재료에 있어서의 매트릭스 수지는 열가소성 수지이다. 열가소성 수지로서 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌에테르, 변성 폴리페닐렌에테르, 폴리에틸렌, 테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, AS수지 및 ABS 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이 바람직하다. 열가소성 수지는 주울열에 의해 용해 가능하면 특히 한정되지 않고, 각종 용도에 맞추어 선택할 수 있다.
원하는 전기저항값을 얻을 수 있도록 불연속 탄소섬유 양 및 종류를 조정하면, 열가소성 수지의 종류에 무관하게 용착할 수 있다. 복합재료의 접합부위에 포함되는 불연속 탄소섬유의 중량비율은, 열가소성 수지 100중량부당 불연속 탄소섬유가 10∼1000중량부인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 열가소성 수지 100중량부당 불연속 탄소섬유가 10∼300중량부이고, 더 바람직하게는, 10∼150중량부이다. 다만, 접합부위 이외의 복합재료에 포함되는 불연속 탄소섬유의 중량비율은 이에 한하지 않는다.
또, 복합재료에는 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위에서, 불연속 탄소섬유 이외의 각종 필러, 첨가제를 포함해도 좋다. 첨가제로서는 예컨대, 난연제, 열안정제, 자외선 흡수제, 조핵제(造核劑), 가소제 등을 들 수 있지만 이에 한하지 않는다.
본 발명에서 이용하는 복합재료의 형상은 특히 제한은 없지만, 예컨대, 두께가 0.2∼20㎜인 판 형상의 것, 단면형상이 원 형상, 다각형 형상인 성형체, 중공체를 들 수 있다.
복합재료의 작성방법으로서는, 특히 제한은 없지만, 불연속 탄소섬유와 열가소성 수지를 가지는 판 형상의 성형기재(基材)를 압축성형함으로써 제조하는 것이 바람직하다. 이 성형기재의 제조방법으로서는, 예컨대, (1) 다발 상태의 탄소섬유를 소정의 길이로 커트하고, 이를, 공기 혹은 카드기(carding machine) 등에 의해 개섬(開纖; fiber opening)하면서, 분체나 섬유 형상의 열가소성 수지와 혼합하는 건식법, (2) 다발 상태의 탄소섬유를 소정의 길이로 커트하고, 이와 열가소성 수지 섬유를 분산액 중에서 개섬, 혼합하여 유공(有孔) 지지체 상에 초지(抄紙; making paper)하는 초지법 등을 들 수 있다.
하기에 일례를 나타낸다. 탄소섬유다발(토호 테낙스(Toho Tenax)제 테낙스(등록상표) STS4024K, 평균 섬유직경 7㎛)을 평균 섬유길이 20㎜가 되도록 커트하고, 이를 공기를 블로우 함으로써 개섬하면서 탄소섬유의 평균 조밀도 980g/㎡가 되도록 평면상에 랜덤하게 분산시켜 배치했다. 개섬시에, 분체 형상의 매트릭스 수지를 가하여 탄소섬유와 혼합했다. 매트릭스 수지로는 유니티카 주식회사제 유니티카 나일론 6을 이용하고, 탄소섬유의 함유비율이 질량기준으로 45%, 체적기준으로 35%가 되도록 했다. 얻어진 성형기재를, 금형에 세트하여 10MPa의 압력하에서 250℃의 온도로 10분간 유지한다. 그 후, 금형을 냉각함으로써 탄소섬유 다발을 함유한 복합재료(사이즈 400㎜×400㎜×2.5㎜)를 얻을 수 있다.
얻어진 복합재료를 적절한 크기로 커트하고, 이러한 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)을 접촉시킨 상태에서, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에, 2개의 복합재료(11a, 11b)를 협지(挾持)하여 단자(12a, 12b)가 배치된다. 그리고, 단자(12a)에는 진동발생장치(17)가 장착되어 있다. 또, 가압장치(13)가 설치되고, 가압장치(13)는 진동발생장치(17) 및 단자(12a)를 개재하여 2개의 복합재료(11a, 11b)를 누른다. 또, 가압장치(13)는, 단자(12a, 12b)를 개재하여 2개의 복합재료(11a, 11b)를 가압하여, 용융한 열가소성 수지를 눌러 펼쳐서 접합면적을 크게 하는 것이고, 제어장치(16)에 의해 가압 제어된다.
다만, 접합면이란, 2개의 복합재료(11a, 11b)를 용착에 의해 접합하는 면으로서, 2개의 복합재료(11a, 11b)를 서로 중첩시켰을 때에 접촉하고 있는 면의 일부에 한하지 않고, 접촉하고 있는 면의 전체를 포함하는 것으로 한다.
도 1에서는, 하나의 가압장치(13)를 설치한 경우를 나타냈지만, 단자(12b) 측에도 설치하도록 해도 좋다. 즉, 단자(12a) 측 및 단자(12b) 측의 쌍방에 가압장치(13)를 설치하여, 단자(12a, 12b)의 쌍방에서 가압하도록 해도 좋다.
단자(12a, 12b)는, 스위치(14)를 개재하여 전원(15)에 접속되고, 스위치(14)가 온 하고 있는 동안에, 전원(15)의 전압이 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 인가되어 전류를 통전한다. 전원(15)으로서는 가변전압의 것을 이용하고, 제어장치(16)에 의해, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 인가하는 전압을 필요에 따라서 변화시킬 수 있게 되어 있다. 직류전원이라도 교류전원이라도 좋지만, 효율적으로 발열을 얻고자 하는 경우에는, 직류전원 쪽이 바람직하다. 스위치(14)는 제어장치(16)에 의해 온 오프 조작된다. 또, 가압장치(13)는, 단자(12a)를 개재하여 2개의 복합재료(11a, 11b)를 가압하는 것으로서, 제어장치(16)에 의해 가압 제어된다.
진동발생장치(17)는, 단자(12a)에 진동을 주고, 결과적으로 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 진동을 주는 것으로서, 기계적으로 진동을 주는 바이브레이터, 초음파로 진동을 주는 초음파 진동자 등이 이용된다. 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)에 대하여 진동을 줌으로써, 2개의 복합재료의 접합면의 접합목표위치에 전류를 통전하기 쉽게 하고, 그 부분에서 열가소성 수지를 용융하여 안정하게 접합할 수 있다.
이 작용에 대한 상세사항은 밝혀지지 않지만, 통전만으로 접합하는 것이 아니라, 진동을 병용함으로써, 진동을 가한 열가소성 수지의 접촉부분(접합면)이 발열하여 연화하고, 그 접촉부분의 접촉저항이 저하함으로써, 그 후에 접합면에 흐르는 전류가 앞서의 연화한 부분에 통전하기 쉽게 되기 때문에, 접합위치가 안정화되는 것이라고 추측된다.
진동을 가한 후에, 전류를 흐르게 함으로써 주울열에 의해 열가소성 수지를 발열시켜 열가소성 수지를 용융하여 접합하게 된다. 이때, 열가소성 수지에 분산되어 있는 탄소섬유가 발열을 촉진시킨다.
여기서, 진동발생장치(17)에 의한 진동방향은, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)에 대하여, 수평방향(횡방향) 또는 수직방향(종방향) 중 어느 방향이라도 좋지만, 수직방향의 진동이 바람직하다. 이는, 수직방향의 진동인 경우에는, 복합재료의 두께방향을 향하여 직접적으로 집중하여 진동에너지를 전할 수 있어서, 상술한 바와 같이, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치의 접합면(11c)을 효율 좋게 발열시킬 수 있고, 한편, 접합목표위치로부터 벗어난 수평방향에서의 의도하지 않은 접합의 확대를 억제할 수 있기 때문이다.
진동발생장치(17)는, 제어장치(16)에 의해 제어된다. 다만, 도 1에서는, 단자(12a)에 진동발생장치(17)를 장착한 경우를 나타내고 있지만, 단자(12b)에 진동발생장치(17)를 장착해도 좋다.
제어장치(16)는, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 진동을 가하고, 그 진동이 계속되고 있는 상태에서, 2개의 복합재료(11a, 11b)를 가압하면서 접합목표위치에 전류를 통전할 수 있도록, 진동발생장치(17), 가압장치(13), 스위치(14)를 제어한다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 동작 타이밍의 일례를 나타내는 타임차트로서, 제어장치(16)에 의한 제어의 타이밍을 나타내고 있다. 우선, 제어장치(16)는, 시점 t1에 있어서, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)을 접촉시킨 상태에서, 가압장치(13)를 기동한다. 그리고, 일정시간 T1 동안, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 선행적으로 압력을 가한다.
그리고, 시점 t1에서 일정시간 T1 경과 후의 시점 t2에 있어서, 제어장치(16)는, 진동발생장치(17)를 기동하고, 소정 시간 T2 경과 후의 시점 t3에 스위치(14)를 온 한다. 이로써, 2개의 복합재료(11a, 11b)를 가압하고 있는 상태에서, 선행적으로 진동발생장치(17)에 의해 진동을 주면서, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 전류를 통전한다. 진동에 의해 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치가 되는 접합면(11c)에 전류를 통전하기 쉽게 하고, 그 후에 통전에 의한 발열로 열가소성 수지를 용융하여 저항용접하게 된다. 그리고, 시점 t3에서 소정 시간 T3이 경과한 시점 t4에서 진동의 인가 및 통전을 정지하고, 시점 t4에서 소정 시간 T4를 경과한 시점 t5에서 가압을 정지하고, 접합을 종료한다. 이 소정 시간 T3는, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 접합하는데에 필요한 시간이 미리 정해진다.
이상의 설명에서는, 진동을 선행적으로 주고, 그 후에 소정치의 전류를 통전시키도록 했지만, 도 3에 나타내는 바와 같이, 진동과 전류의 통전을 동일 타이밍에서 개시하고, 전류를 완만한 구배로 소정치가 되도록 입상(立上; rising)하도록 해도 좋다. 이로써, 소정치의 전류가 되기까지 지연시간이 생기므로, 진동을 주는 것을 전류의 통전보다 선행하여 준 것과 동등하게 된다.
진동의 크기는, 복합재료(11a, 11b)를 구성하는 열가소성 수지를 그 융점에 이르게 하지 않을 정도로 진동에너지에 의해 가열시키는 것이 바람직하다. 진동주파수는, 복합재료(11a, 11b)의 융점, 두께 및 탄소섬유의 함유량 등에 따라 바뀌기 때문에 일률적으로는 결정할 수 없지만, 수 ㎑∼수 100㎑이고, 예컨대, 1㎑∼200㎑, 바람직하게는 10㎑∼100㎑이며, 보다 바람직하게는, 15㎑∼50㎑의 초음파 진동이 바람직하다.
열가소성 수지를 융점 이상으로 가열시킨 경우에는 용착이 일어나 버려서, 접합 계면에서의 접촉저항이 너무 작아지기 때문에, 계면에서 효율 좋게 발열시키는 것이 어려워진다고 추측된다. 이 점, 본 발명의 제1 실시형태에 있어서는, 열가소성 수지의 온도를 융점에 이르지 않는 정도로 발열시키고, 그 후에 전류를 통전시킴으로써, 열가소성 수지를 접합목표위치에 있어서 용융하여 안정하게 접합을 행할 수 있다.
또, 진동의 인가는, 통전 개시의 직전 또는 통전 개시의 직후에 정지해도 상관없지만, 열가소성 수지가 통전에 의해 용융할 때까지는, 통전 중에 있어서도 진동의 인가를 통전과 병행하여 실시하는 것이 바람직하다. 통전과 진동을 병용하는 기간을 마련함으로써, 통전 전에 진동을 정지하고 통전에만 의하여 열가소성 수지를 용융하는 경우에 비해, 접합강도를 높일 수 있다. 그로 인하여, 본 발명의 제1 실시형태에서는, 진동 및 통전의 정지 타이밍을 동시에 함으로써, 정지 제어를 용이하게 함과 함께, 열가소성 수지가 확실히 용융한 후에 진동이 정지하도록 하고 있다.
다만, 통전전류의 크기는, 복합재료(11a, 11b)를 형성하는 열가소성 수지의 융점, 두께 및 탄소섬유의 함유량 등에 맞추어 적절히 변경해도 좋다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 접합체의 제조방법의 공정을 나타내는 플로차트이다. 우선, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)을 접촉시킨다(S1). 다음으로, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치를 가압한다(S2). 이 가압은 가압장치(13)에 의해 주어진다. 그리고, 가압시간이 일정시간 T1을 경과했는지 아닌지를 판정하고(S3), 일정기간 T1이 경과하면, 그 가압이 계속되고 있는 상태에서 2개의 복합재료(11a, 11b)에 진동을 준다(S4). 그리고, 진동시간이 일정시간 T2를 경과했는지 아닌지를 판정하고(S5), 일정기간 T2가 경과하면, 접합목표위치에 전류를 통전한다(S6). 2개의 복합재료(11a, 11b)에의 진동은, 진동발생장치(17)에서 행해지며, 전류의 통전은 스위치(14)를 온 함으로써 행해진다.
그리고, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 접합하는데 필요한 소정 시간 T3이 경과했는지 아닌지를 판정하고(S7), 소정 시간 T3을 경과했을 때는, 진동의 인가 및 전류의 통전을 정지하고(S8), 또한 소정 시간 T4를 경과했는지 아닌지를 판정하고(S9), 소정 시간 T4를 경과했을 때는 가압을 정지하여(S10), 접합을 종료한다.
도 5는, 본 발명의 제1 실시형태에서의 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)의 일례를 나타내는 평면도이다. 이 복합재료(11a, 11b)는, 표 1에 나타내는 조건으로 접합한 것이다.
Figure pct00001
판재치수 100×25×t1.6㎜, 단자직경 φ8, 가압력 14.9N/㎟, 진동주파수 20㎑, 전류치 30A, 통전시간 5sec로 했다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 2개의 복합재료(11a, 11b)를 서로 중첩시킨 접합면(11c)의 접합목표위치(19)를 포함하는 범위에 접합부(21)가 형성되어 있다. 이는, 접합면(11c)의 접합목표위치(19)에 대하여 진동을 주어, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)의 접합목표위치(19)에 전류를 통전하기 쉽게 하고, 통전에 의한 발열로 열가소성 수지를 용융하여 접합하기 때문이다. 이로써, 접합면(11c)의 접합목표위치(19) 이외의 부분에서 용착하는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 제조방법에서는, 접합개소가 접합목표위치 이외의 개소에서 접합되는 것을 방지할 수 있고, 또한, 접합개소가 복수개소에 점재(點在)하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 접합강도의 저하를 방지하고, 접합부의 외관상의 미감을 해치지 않는다.
이상의 설명에서는, 가압 및 진동을 가하는 단자(12a 또는 12b)를 통하여 접합전류를 통전하는 예에 대하여 설명했지만, 반드시 가압 및 진동을 가하는 단자(12a 또는 12b)를 통하여 통전할 필요는 없다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 복합재료(11a, 11b)의 소정의 개소에 통전용 전극단자를 접속하여 통전을 행해도 상관없다. 도 6에 나타내는 제1 실시형태에서는, 복합재료(11a, 11b)의 각각의 단부(端部)에 통전용 전극단자를 장착하고, 전원(15)에 의해 접합면(11c)에 전류를 통전하고 있다. 이 경우에 있어서도, 진동을 가함으로써, 접합전류는, 단자 직하의 접합면(11c)의 접합목표위치를 통전하기 쉬워지기 때문에, 접합위치를 안정시킬 수 있다.
또, 이상의 설명에서는, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합에 대하여 설명했지만, 접합대상이 되는 복합재료의 매수는, 도 1에 나타내는 제1 실시형태로 한정되지 않고, 도 7에 나타내는 바와 같이, 접합대상이 되는 복합재료는, 3개 이상이라도 상관없다. 도 7에 나타내는 제1 실시형태에서는, 3매의 복합재료(11a1, 11b, 11a2)를 서로 중첩시키고, 그들의 상하 2매의 복합재료(11a1, 11a2) 각각의 접합표면의 접합목표위치에 단자(12a, 12b)를 접촉시키고 진동을 가하고, 통전에 의해 접합면(11c1 및 11c2)을 접합한다.
이 제1 실시형태와 같이 복수의 복합재료를 접합하는 경우에는, 접합위치를 안정화시키는 것이 매우 곤란해지기 때문에, 통전과 병용하여 복합재료에 진동을 가하는 것이 유효하게 된다. 즉, 통전 전에, 접합면(11c1 및 11c2)의 접합목표위치에 진동에너지를 가하여, 그 부분에 전류를 흐르기 쉽게 할 수 있다. 이 제1 실시형태에 있어서도, 접합개소가 접합목표위치 이외의 개소에서 접합되는 것을 방지할 수 있고, 또한, 접합개소가 복수개소에 점재하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 접합강도의 저하를 방지하고, 접합부의 외관상의 미감을 해치지 않는다.
또, 이상의 설명에서는, 가압을 가하고 있는 단자(12a 또는 12b)에 진동발생장치(17)를 접속하고 단자(12a 또는 12b)를 통하여 진동을 가하는 예에 대하여 설명했지만, 가압을 가하고 있는 단자(12a 또는 12b)와는 다른 개소로부터 접합면의 접합목표위치에 진동을 가하도록 해도 좋다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시형태를 설명한다. 도 8은, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 동작 타이밍의 일례를 나타내는 타임차트이다. 본 발명의 제2 실시형태는, 전술한 제1 실시형태에 대하여, 2 이상의 복합재료가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하여 2 이상의 복합재료를 접합하도록 한 것이다. 본 발명의 제2 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 하드웨어 구성은, 도 1에 나타낸 본 발명의 제1 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 하드웨어 구성은 동일하다.
도 1에 있어서, 제어장치(16)는, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치를 가압하고, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 진동을 가하고, 그 진동이 계속되고 있는 상태에서, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 전류를 통전하도록, 가압장치(13), 진동발생장치(17), 스위치(14)를 제어한다.
즉, 도 8에 있어서, 제어장치(16)는, 시점 t1에서 가압장치(13)를 구동하여 가압 개시시의 소정 압력 P1으로 복합재료(11a, 11b)를 가압 개시하고, 그 후의 시점 t2에서 진동발생장치(17)를 구동하여 진동을 발생시키고, 시점 t3에서 스위치(14)를 온 하여 2개의 복합재료(11a, 11b)에 전압을 인가하여, 복합재료(11a, 11b)의 탄소섬유에 전류를 흐르게 한다.
그리고, 시점 t4에서 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는, 제어장치(16)는 가압장치(13)에 대하여 가압을 낮추기 시작하여, 접합목표위치를 가압 개시시의 소정 압력 P1보다 작은 압력 P2로 가압하도록 제어한다.
시점 t5에서 가압이 작은 압력 P2가 되었을 때는, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 접합하는데 필요한 소정 시간의 경과 후의 시점 t6에서, 진동의 인가 및 전류의 통전을 정지하고, 또한 그 후의 시점 t7에서 가압을 정지한다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 접합체의 제조방법의 공정을 나타내는 플로차트이다. 우선, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)을 접촉시킨다(S1). 다음으로, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치를 소정 압력 P1으로 가압하고(S2), 그 후에, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 진동을 주고(S3), 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 전류를 통전시킨다(S4).
다음으로, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었는지를 판정한다(S5). 이 판정에서, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었다고 판정되었을 때는, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치를 소정 압력 P1보다 작은 압력 P2로 전환하여 가압한다(S6). 또, 필요에 따라서 전류치를 크게 해도 좋다.
그리고, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 접합하는데 필요한 소정 시간이 경과했는지를 판정하고(S7), 소정 시간을 경과했을 때는, 진동의 인가 및 전류의 통전을 정지하고, 그 후에 가압을 정지하여(S8), 접합을 종료한다.
도 10은, 본 발명의 제2 실시형태에서의 2개의 복합재료의 접합부의 인장강도와 접합면적의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 가압 개시시에 일정한 가압력 P1 (= 14.9N/㎟)으로 통전전류를 증가하여 접합면적을 확대해 가면, 도 10의 실선으로 나타내는 바와 같이, 소정의 접합면적까지는 접합면적에 비례하여 인장강도가 높아지지만, 접합면적이 2.6S㎟(S는 상수) 근방이 되면, 그 이상 통전전류를 크게 하여 접합면적을 확대해도, 인장강도는 증가하지 않았다.
여기서, 도 10의 파선(C)은, 접합면적이 2.6S㎟ 근방까지의 접합면적과 인장강도의 관계에서 구한 근사곡선을 직선적으로 연장한 가상선이다. 이 범위에서는 접합면적과 인장강도가 비례하고 있고, 접합체를 박리하여 접합면을 관측한 바, 용융한 열가소성 수지가 흘러나와 확산하는 등의 흔적을 볼 수 없어, 2개의 복합재료의 열가소조성 수지가 양호하게 접합하고 있는 것이 확인되었다. 즉, 이 인장강도는, 열가소성 수지끼리가 양호하게 접합하고 있는 경우의 강도인 것을 나타내고 있다.
점 B1은, 상술한 바와 같이, 일정한 가압력(P1)으로 통전전류를 증가시키고, 접합면적을 2.6S㎟ 근방으로부터 3.8S㎟까지 증가시킨 경우의 2개의 복합재료재의 접합부의 인장강도와 접합면적의 관계를 나타내는 값이다. 점 B1에 있어서의 복합재료(11a, 11b)의 접합조건을 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
점 B1에 있어서의 인장강도는 3.5AkN(A는 상수)이 되고, 접합면적이 2.6S㎟인 경우의 인장강도 4AkN과 비교하여, 오히려 인장강도가 낮다.
점 B1에 있어서의 접합체를 박리하여 접합면을 관측한 결과, 용착흔(溶着痕)의 면적은 넓어지고 있지만, 용융한 열가소성 수지가 접합목표위치의 외측으로 흘러나와 확산하고 있는 흔적을 확인할 수 있었다. 이처럼, 용융한 열가소성 수지가 접합목표위치의 외측으로 흘러나온 경우에는, 바인더로서의 역할을 하는 열가소성 수지가 부족하기 때문에 강도적으로 약하여, 열가소성 수지끼리가 접합하여 인장강도에 기여하고 있는 유효적인 접합면적은 작을 것이 추측된다.
한편, 점 B2는, 점 B1에 있어서의 접합조건인 전류치와 같은 값의 전류를 통전하고, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 된 후에 가압 개시시의 소정 압력 P1보다 작은 압력 P2 (= 6.0N/㎟)로 가압한 경우를 나타내고 있다. 점 B2에 있어서의 복합재료(11a, 11b)의 접합조건을 표 3에 나타낸다.
Figure pct00003
점 B1에 있어서의 접합조건에서는, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 된 후도 가압 개시시의 소정 가압력(P1)으로 가압했지만, 점 B2에서는, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 된 후에, 가압 개시시의 소정 압력 P1보다 작은 압력 P2로 가압하고 있다. 그 결과, 접합면적이 3.6S㎟가 되고, 점 B1의 접합면적 3.8S㎟와 비교하여 약간 작지만 대략 동등한 면적이고, 인장강도가 4.8A㎟가 되어, 점 B1의 인장강도 3.5A㎟보다 높아졌다.
점 B2에 있어서의 접합면적에 대한 인장강도의 값은, 대략 파선(C) 상에 있는 점으로부터도, 열가소성 수지끼리가 양호하게 접합하고 있는 경우의 강도를 나타내고 있는 것이라고 생각된다.
따라서, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었다고 판정되었을 때는, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치를 가압 개시시의 소정 압력 P1보다 작은 압력 P2로 가압함으로써, 인장강도의 저하를 막을 수 있다.
도 11은 본 발명의 제3 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 일례의 구성도이다. 이 제3 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 일례는, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 일례에 대하여, 진동발생장치(17)를 생략한 것이다. 즉, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 진동을 가하지 않고 가압하고 전류를 통전하여, 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합하고, 2 이상의 복합재료가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는 가압 개시시의 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하여 2 이상의 복합재료를 접합하도록 한 것이다.
도 12는, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 동작 타이밍의 일례를 나타내는 타임차트이다. 도 8에 나타낸 일례에 대하여, 스텝 S3를 생략한 것이다. 제어장치(16)는, 2개의 복합재료(11a, 11b)를 가압하면서 접합목표위치에 전류를 통전할 수 있도록, 가압장치(13), 스위치(14)를 제어한다.
즉, 제어장치(16)는, 시점 t1에서 가압장치(13)를 구동하여 소정 압력 P1으로 복합재료(11a, 11b)를 가압 개시하고, 그 후의 시점 t2에서 스위치(14)를 온 하여 2개의 복합재료(11a, 11b)에 전압을 인가하여, 복합재료(11a, 11b)의 탄소섬유에 전류를 흐르게 한다.
그리고, 시점 t3에서 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는, 제어장치(16)는, 가압장치(13)에 대하여 가압을 낮추기 시작하여, 접합목표위치를 소정 압력 P1보다 작은 압력 P2로 가압하도록 제어한다. 또, 제어장치(16)는 시점 t3에 있어서 전류치를 크게 한다. 다만, 전류치는 일정한 채라도, 완만하게 작게 해도 좋다.
시점 t4에서 가압이 작은 압력 P2가 되었을 때는, 소정 시간의 경과 후의 시점 t5에서 스위치(14)를 오프 하고, 또한 그 후의 시점 t6에서 가압을 정지한다.
여기서, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때에, 접합목표위치를 소정 압력 P1보다 작은 압력 P2로 가압하도록 한 것은, 용착상태가 된 열가소성 수지가 접합목표위치의 외측의 넓은 범위로 퍼져, 필요 이상으로 접합목표위치의 열가소성 수지가 밀려나가, 인장강도가 떨어지는 것을 방지하기 위함이다. 즉, 접합목표위치에 있어서의 복합재료(11a, 11b)의 바인더로서의 역할을 하는 열가소성 수지가 접합목표위치의 외측으로 확산하여, 접합부의 인장강도를 확보하기 위해서 필요한 열가소성 수지의 절대량이 부족하지 않게 할 필요가 있다.
압력 P1은, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 각각의 표면에 단자(12a, 12b)를 접촉시켜 단자(12a, 12b)로 2개의 복합재료(11a, 11b)를 사이에 끼우고, 가압에 의해 단자와 복합재료 사이 및 복합재료 사이의 접촉저항을 작게 하여, 복합재료 사이의 접합면이 용합하여 용착한 상태로 하기 위해서 필요한 압력이다. 압력 P2는, 가압 개시시의 압력 P1보다 작은 압력으로서, 열가소성 수지의 구성, 점도, 탄소섬유의 함유량 및 복합재료의 두께 등을 고려할 필요가 있기 때문에 일률적으로는 정해지지 않지만, 예컨대, 압력 P1의 90% 이하의 압력이고, 보다 바람직하게는, 50% 이하의 압력이다.
2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었는지 아닌지의 판정은, 통전을 개시하고 나서의 시간이 미리 정한 소정 시간이 된 것으로 판정하도록 해도 좋고, 서모그래피 장치 등의 온도분포 측정장치에 의해 접합목표위치의 접합상태를 감시하여 판정하도록 해도 좋다.
구체적으로는, 통전을 개시하고 나서 열가소성 수지의 온도가 융점에 이르기까지의 시간을 미리 측정해 두고, 그 측정시간으로 가압을 제어해도 상관없다. 이 경우에는, 온도를 측정하기 위한 장치를 마련하지 않아도, 2 이상의 복합재료가 녹아 용착하기 직전에 가압을 약하게 할 수 있어, 용융한 열가소성 수지의 확산을 확실히 방지할 수 있다.
또, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치의 온도를 감시하고, 그 온도를 지표로, 접합면의 열가소성 수지가 융점이 되었을 때에, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었다고 판정하도록 해도 좋다. 2개의 복합재료(11a, 11b)의 온도가 융점이 되었을 때는, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태이므로, 용착상태를 보다 정확하게 파악할 수 있다. 이처럼, 열가소성 수지의 온도가 융점이 되었을 때에 가압을 작게 하면 좋기 때문에, 가압의 전환제어가 용이하게 된다. 또, 2 이상의 복합재료가 녹아 용착하기 직전에 가압을 약하게 할 수 있기 때문에, 용융한 열가소성 수지의 확산을 확실히 방지할 수 있다.
도 13은, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 접합체의 제조방법의 공정의 일례를 나타내는 플로차트이다. 우선, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)을 접촉시킨다(S1). 다음으로, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치를 소정 압력 P1으로 가압하고(S2), 그 후에, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 전류를 통전시킨다(S3).
다음으로, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었는지를 판정한다(S4). 이 판정은, 상술한 바와 같이, 전압을 인가 개시하고 나서의 시간이 미리 정한 소정 시간이 된 것, 서모그래피 장치 등의 감시에 의해 접합목표위치의 접합부가 용착상태가 된 것, 접합목표위치의 온도가 열가소성 수지의 융점이 된 것 등으로 행한다.
스텝 S4의 판정에서, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 용합하여 용착한 상태가 되었다고 판정되었을 때는, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치를 소정 압력 P1보다 작은 압력 P2로 전환하여 가압한다(S5). 또, 필요에 따라서 전류치를 크게 해도 좋다. 이로써, 용착상태의 접합목표위치에서의 열가소성 수지가 필요 이상으로 밀려나가, 인장강도가 떨어지는 것을 방지한다.
그리고, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 접합하는데 필요한 소정 시간이 경과했는지를 판정하고(S6), 소정 시간을 경과했을 때는, 전류의 통전을 정지, 그 후에 가압도 정지하여(S7), 접합을 종료한다. 도 11에서는, 하나의 가압장치(13)를 마련한 경우를 나타냈지만, 단자 12b 측에도 마련하도록 해도 좋다. 즉, 단자 12a 측 및 단자 12b 측의 쌍방에 가압장치(13)를 마련하여, 단자(12a, 12b)의 쌍방에서 가압하도록 해도 좋다.
다음으로, 도 14는 본 발명의 제3 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 다른 일례의 구성도이다. 이 제3 실시형태의 다른 일례는, 도 11에 나타낸 제3 실시형태의 일례에 대하여, 가압을 가하는 단자(12a, 12b)를 통하여 접합전류를 통전하는 것 대신에, 복합재료(11a, 11b)의 각각의 단부에 접속한 통전용 전극단자로부터 접합전류를 통전하도록 한 것이다.
도 14에 나타내는 제3 실시형태의 다른 일례에서는, 도 11에 나타낸 제3 실시형태의 일례에 대하여, 복합재료(11a, 11b) 각각의 단부에 통전용 전극단자를 접속하고 있다. 즉, 통전용 전극단자는, 복합재료(11a, 11b)의 소정의 개소에 스위치(14) 또는 전원(15)에 접속되고, 전원(15)으로부터 복합재료(11a, 11b)에 통전한다. 다만, 제2 실시형태의 일례에 나타낸 진동발생장치(17)를 단자(12a)에 설치함으로써, 접합전류는, 단자 직하의 접합면의 접합목표위치에 통전하기 쉬워지기 때문에, 접합위치를 안정시킬 수 있다.
또, 이상의 설명에서는, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합에 대하여 설명했지만, 접합대상이 되는 복합재료의 매수는 2개의 복합재료(11a, 11b)로 한정되지 않고, 도 15에 나타내는 제3 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 또 다른 일례와 같이, 접합대상이 되는 복합재료는, 3개 이상이라도 상관없다. 도 15에 나타내는 제3 실시형태의 또 다른 일례에서는, 도 11에 나타낸 제3 실시형태의 일례에 대하여, 3매의 복합재료(11a1, 11b, 11a2)를 서로 중첩시키고, 그들의 상하 2매의 복합재료(11a1, 11a2)의 각각의 접합표면의 접합목표위치에 단자(12a, 12b)를 접촉시키고, 통전에 의해 접합면(11c1 및 11c2)을 접합한다.
이 제3 실시형태의 또 다른 일례와 같이 복수의 복합재료를 접합하는 경우에는, 접합위치를 안정화시키는 것이 매우 곤란해지기 때문에, 통전과 병용하여 복합재료에 진동을 가하는 것이 유효하게 된다. 제2 실시형태의 일례에 나타낸 진동발생장치(17)를 단자(12a)에 설치함으로써, 통전 전에, 접합면(11c1 및 11c2)의 접합목표위치에 진동에너지를 가하고, 그 부분에 전류가 통전하기 쉬워지기 때문에, 접합위치를 안정시킬 수 있다.
이 제3 실시형태의 또 다른 일례에 있어서도, 용융한 열가소성 수지가 접합목표위치의 외측으로 밀려나가 확산하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 접합목표위치에 있어서, 인장강도의 저하를 방지할 수 있다. 또, 통전과 병용하여 복합재료에 진동을 가한 경우에는, 접합개소가 접합목표위치 이외의 개소에서 접합되는 것을 방지할 수 있고, 또한, 접합개소가 복수개소에 점재하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 접합강도의 저하를 방지하고, 접합부의 외관상의 미감을 해치지 않는다.
다음으로, 본 발명의 제4 실시형태를 설명한다. 도 16은 본 발명의 제4 실시형태에 관한 복합재료의 접합장치의 일례의 구성도이다. 이 본 발명의 제4 실시형태는, 도 1에 나타낸 제1 실시형태에 대하여, 또한, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치의 온도분포를 얻는 온도분포 측정장치로서의 서모그래피 장치(25)와, 서모그래피 장치(25)에서 얻어진 화상을 표시 출력하는 표시장치(18)와, 복합재료(11a, 11b)의 접합개소의 접합의 양부판정에 이용하는 기준이 되는 온도데이터를 미리 기억한 기억장치(23)와, 서모그래피 장치(25)에서 얻어진 복합재료의 표면의 온도분포에 관한 데이터와 기억장치(23)에 기억된 기준이 되는 온도데이터를 비교하여 표시장치(18)에 표시 출력하는 판정장치(24)를 추가하여 마련한 것이다. 도 1과 동일요소에는 동일부호를 붙이고 중복하는 설명은 생략한다.
서모그래피 장치(25)는, 접합목표위치로서의 단자(12a)가 접촉하고 있는 복합재료(11a)의 접촉개소 및 그 주변의 표면으로부터 방사되는 적외선을 검출하고 분석하여 온도분포의 화상을 얻는 것으로서, 제어장치(16)에 의해 기동 정지가 제어된다. 이 실시예에서는, 서모그래피 장치(25)는, 단자 12a 측으로부터, 단자 12a가 접촉하고 있는 복합재료(11a)보다 상부에 마련하여, 단자(12a)를 포함하는 복합재료(11a, 11b)의 상부 평면의 온도분포를 관측할 수 있도록 하고 있다. 다만, 서모그래피 장치(25)는, 단자 12a와는 대향하는 위치에 있는 단자 12b 측에 설치해도 상관없다.
복합재료(11a, 11b)에 전류가 흐름으로써 발생한 발열을 서모그래피 장치(25)로 관측함으로써, 용착 개소를 특정할 수 있다.
온도분포 측정장치로서는, 서모그래피 장치 이외에, 방사온도계를 이용하여, 단자 12a가 접촉하고 있는 복합재료(11a)의 접촉개소 및 그 주변의 소정 개소의 온도를 측정하여 온도분포를 구해도 상관없다.
기억장치(23)는, 복합재료(11a, 11b)의 접합개소의 접합의 양부판정에 이용하는 기준이 되는 온도데이터가 미리 기억되어 있다. 판정장치(24)는 서모그래피 장치(25)에서 얻어진 복합재료의 표면의 온도분포에 관한 데이터와 기억장치(23)에 기억된 기준이 되는 온도데이터를 비교한다.
그리고, 판정장치(24)는, 서모그래피 장치(25)에서 얻어진 온도분포에 관한 데이터가 기준이 되는 온도데이터와 동일범위 내라고 판단했을 때는, 접합은 양호라고 판정하고, 그 이외일 때는, 접합은 불량이라고 판정한다. 판정장치(24)는, 그 판정결과를 필요에 따라서 기억장치(23)에 기억함과 함께 표시장치(18)에 표시한다. 이처럼, 접합목표위치의 규준이 되는 단자(12a)가 접촉하고 있는 복합재료(11a)의 접촉개소 및 그 주변의 소정 개소의 온도를 측정하여 온도분포를 구하고 있기 때문에, 단자로부터 떨어진 곳에서 용착한 경우라도, 접합목표위치를 중심으로 하여 설정한 용착의 허용범위 내인지 아닌지를 온도분포로 관측할 수 있기 때문에, 용이하게 양부판정을 할 수 있다. 또, 서모그래피 장치(25)는, 복합재료(11a, 11b)의 접합 계면의 온도를 관측하는 것을 목적으로 하지 않기 때문에, 복합재료(11a, 11b)의 상부 또는 하부의 떨어진 위치에 설치할 수 있기 때문에, 복합재료의 형상, 크기, 접합장치를 사용하는 설비 등의 조건에 제약되지 않는다. 또, 접합의 양부판정을 판정장치(24)에서 행하므로, 접합의 양부판정 작업을 경감할 수 있다.
제어장치(16)는, 2개의 복합재료(11a, 11b)를 가압하면서 접합목표위치에 전류를 통전할 수 있도록, 가압장치(13), 스위치(14)를 제어하고, 복합재료(11a, 11b)의 탄소섬유에 전류를 흐르게 하여 주울열에 의해 접합을 행한다. 그때에, 서모그래피 장치(25)를 기동하여, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치의 온도분포에 관한 데이터를 얻어 표시장치(18)에 표시한다. 또, 판정장치(24)는 서모그래피 장치(25)에서 얻어진 온도분포에 관한 데이터와 기억장치(23)에 기억된 기준이 되는 온도데이터를 비교하여, 그 판정결과를 표시장치(18)에 표시 출력한다.
도 17은, 복합재료(11a, 11b)의 접합 중에 서모그래피 장치(25)에서 얻어진 접합이 양호하게 행해진 경우의 화상의 일례를 나타내는 사시도이다. 도 17에서는, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치(19)를 단자(12a, 12b)로 누르고, 그 누름부인 단자(12a)를 중심으로 접합목표위치(19)가 온도 상승하고 있는 경우를 나타내고 있다. 우측의 게이지(20)는 온도(℃)를 표시하고 있다. 즉, 도 17에 나타내는 바와 같이, 누름부인 단자(12a)를 중심으로 하여 접합목표위치(19)가 온도 상승하고 있어, 복합재료(11a, 11b)의 접합개소의 접합은 양호하게 행해지고 있는 경우를 나타내고 있다.
이처럼, 서모그래피 장치(25)에서 얻어지는 온도분포에 관한 데이터를 화상으로서 표시장치(18)에 표시하여 감시하면서 접합한다. 즉, 복합재료(11a, 11b)를 가압하면서, 복합재료(11a, 11b)의 탄소섬유에 전류를 흐르게 하여 발열시켜, 열가소성 수지를 용융하여 접합한다. 그리고, 2개의 복합재료(11a, 11b)가 접합하는데 필요한 소정 시간이 경과하면, 가압 및 전류의 통전을 정지하여 접합을 종료한다.
도 18은, 접합이 양호하게 행해진 경우의 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합개소의 표면확대사진이고, 도 18 (a)는 상판(上板)인 복합재료(11a)의 접합개소의 표면확대사진, 도 18 (b)는 하판(下板)인 복합재료(11b)의 접합개소의 표면확대사진이다. 도 18 (a), 도 18 (b)에서는, 접합 후에 2개의 복합재료(11a, 11b)를 박리시킨 것을 나타내고 있다. 도 18 (a), 도 18 (b)에 나타내는 바와 같이, 복합재료(11a, 11b)의 접합개소는, 접합부(21a, 21b)의 쌍방이 접합목표위치(19)를 포함하는 범위에 형성되어 있어, 접합이 양호한 것을 알 수 있다.
즉, 도 17에 나타내는 바와 같이, 누름부인 단자(12a)를 중심으로 하여 접합목표위치(19)가 온도 상승하고 있는 경우에는, 복합재료(11a, 11b)의 접합개소의 접합은 양호하게 행해지고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 누름부인 단자(12a)를 중심으로 하여 접합목표위치(19)가 온도 상승하고 있는 경우에는, 접합은 양호하게 행해지고 있다고 판정할 수 있다. 기억장치(23)에는, 접합상태의 양부판정용 기준이 되는 온도데이터가 미리 기억되어 있다. 예컨대, 접합하는 복합재료의 물성, 두께, 접합조건 등의 모든 조건으로부터 얻은 양(良) 판정으로서의 온도데이터를 참조화상으로서 미리 기억해 두고, 서모그래피로부터 얻어진 온도데이터로서의 화상과 비교하여 용접상태의 양부판정을 한다. 또, 참조화상이 아니라, 접합목표위치에서의 온도데이터를 수식·수치화하여 미리 기억장치(23)에 기억해 두어도 상관없다.
도 19는, 복합재료(11a, 11b)의 접합 중에 서모그래피 장치(25)에서 얻어진 접합이 불량하게 행해진 경우의 화상의 일례를 나타내는 사시도이다. 도 19에서는, 누름부인 단자(12a)(접합목표위치(19))로부터 떨어진 개소에서, 불특정 다수로 온도 상승하고 있는 경우를 나타내고 있다. 우측의 게이지(20)는 온도(℃)를 표시하고 있다. 즉, 도 19에 나타내는 바와 같이, 누름부인 단자(12a)(접합목표위치(19))로부터 떨어진 이격개소(22a, 22b)에서 온도 상승하고 있다.
도 20은, 접합이 불량하게 행해진 경우의 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합개소의 표면확대사진으로서, 도 20 (a)는 상판인 복합재료(11a)의 접합개소의 표면확대사진, 도 20 (b)는 하판인 복합재료(11b)의 접합개소의 표면확대사진이다. 도 20 (a), 도 20 (b)에서는, 접합 후에 2개의 복합재료(11a, 11b)를 박리시킨 것을 나타내고 있다.
도 20 (a)에 나타내는 바와 같이, 복합재료(11a)의 접합개소는, 접합목표위치(19)로부터 떨어진 2개소에 형성되어 있고, 접합부 21a1, 21a2인 것을 알 수 있다. 마찬가지로, 도 20 (b)에 나타내는 바와 같이, 복합재료(11b)의 접합개소도, 접합목표위치(19)로부터 떨어진 2개소에 형성되어 있고, 접합부 21b1, 21b2인 것을 알 수 있다.
도 19에 나타내는 바와 같이, 누름부인 단자(12a)를 중심으로 하여 접합목표위치(19)가 온도 상승하고 있지 않는 경우(접합목표위치(19)로부터 떨어진 개소에서, 불특정 다수로 온도 상승하고 있는 경우)에는, 접합목표위치(19)의 범위 내에서 전혀 접합하고 있지 않든지, 또는 접합목표위치(19)의 범위 내에서 접합하고 있었을 경우라도 접합면적이 작을 가능성이 높다고 추측할 수 있다.
이 경우에는, 접합강도가 저하하거나, 외관을 중시하는 제품에 있어서, 미감을 해친다고 하는 문제가 있기 때문에, 접합은 불량하게 행해지고 있다고 판정한다.
여기서, 서모그래피 장치(25)는, 복합재료 11a와 복합재료 11b의 양 방향에서 본 접합상태의 화상을 취득하고, 그들을 합성한 결과에 기초하여, 용접상태의 양부판정을 행해도 좋다. 또, 하나의 서모그래피 장치(25)를 이동하여 복합재료 11a와 복합재료 11b의 양 방향에서 본 접합상태의 화상을 취득해도 좋다.
또한, 서모그래피 장치(25)를 단자(12a 또는 12b)를 동심원의 중심으로 해서, 그 주위를 소정의 각도만 이동해도 좋다. 단자(12a 또는 12b)의 어느 일방향에서 온도분포를 관측한 경우에는, 단자(12a 또는 12b)의 이면(서모그래피 장치와 대향하고 있는 면의 반대측)의 온도 상승을 관측하여 접합의 양부를 판단하는 것이 곤란하기 때문에, 단자(12a 또는 12b)를 동심원의 중심으로 해서, 서모그래피 장치(25)를, 예컨대, 90도∼180도 회동시킴으로써, 일방향에서 온도분포를 관측한 경우에 비해, 단자(12a 또는 12b)를 중심으로 한 전체적인 온도분포를 얻을 수 있다. 이처럼, 서모그래피 장치(25)에서 얻어진 화상을 감시함으로써, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합개소의 양부판정을 용이하게 행할 수 있다.
이상의 설명에서는, 가압을 가하는 단자(12a, 12b)를 통하여 접합전류를 통전하는 예에 대하여 설명했지만, 반드시 가압을 가하는 단자(12a, 12b)를 통전시킬 필요는 없고, 도 21에 나타내는 바와 같이, 복합재료(11a, 11b)의 소정의 개소에 스위치(14) 또는 전원(15)에 접속되는 통전용 전극단자를 접속하여 통전을 행해도 상관없다. 도 21에서는, 복합재료(11a, 11b)의 각각의 단부에 통전용 전극단자를 접속하고 있다.
또, 이상의 설명에서는, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합에 대하여 설명했지만, 접합대상이 되는 복합재료의 매수는 이에 한하지 않고, 도 22에 나타내는 바와 같이, 접합대상이 되는 복합재료는, 3개 이상이라도 상관없다. 도 22에서는, 3매의 복합재료(11a1, 11b, 11a2)를 서로 중첩시켜, 그들의 상하 2매의 복합재료(11a1, 11a2)의 각각의 접합표면의 접합목표위치에 단자(12a, 12b)를 접촉시키고 통전을 행한다.
또, 본 발명의 실시형태에 있어서, 도시하지 않은 진동을 가하는 진동발생장치를 단자(12a)에 설치하고, 통전 전에 접합면의 접합목표위치에 소정의 진동을 주어, 그 부분의 접촉저항을 저하시킨 후에 접합전류를 통전시켜도 좋다. 이 경우에는, 접합전류는, 단자 직하의 접합면의 접합목표위치를 통전하기 쉬워지기 때문에, 접합위치를 안정시킬 수 있다. 이로써, 접합개소가 접합목표위치 이외의 개소에서 접합되는 것을 방지할 수 있고, 또한, 접합개소가 복수개소에 점재하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 접합강도의 저하를 막을 수 있고, 또, 접합부의 외관상의 미감을 해치지 않는다.
도 23은, 본 발명의 실시형태에 관한 복합재료 접합 평가방법의 공정의 일례를 나타내는 플로차트이다. 우선, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합면(11c)을 접촉시킨다(S1). 다음으로, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치를 소정 압력으로 가압하고(S2), 진동을 주고(S3), 그 후에, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치에 전류를 통전시킨다(S4).
다음으로, 서모그래피 장치(25)를 기동하여 접합상태를 관측한다(S5). 즉, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합목표위치의 온도분포에 관한 데이터를 취득하고, 접합개소의 온도분포의 화상을 관측한다. 그리고, 서모그래피 장치(25)에서 취득한 온도분포에 관한 데이터와, 기준이 되는 온도데이터를 비교하여(S6), 접합개소의 양부판정을 행한다(S7).
이처럼, 2개의 복합재료(11a, 11b)의 접합과정에서, 서모그래피 장치(25)에서 얻어지는 온도분포에 관한 데이터로서의 화상을 감시하므로, 2개의 복합재료의 접합 후에 검사를 위해서 박리하지 않아도, 그 접합의 양부판정을 용이하게 행할 수 있다. 따라서, 특히, 탄소섬유가 열가소성 수지에 랜덤하게 분산되어 있는 복합재료의 접합의 경우에 유효하다.
다음으로 본 발명의 실시형태에 관한 접합체를 설명한다. 본 발명의 접합체는, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 진동을 줌과 동시 또는 주고 있는 상태에서, 상기 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합하여 이루어지는 것이다.
여기서, 탄소섬유, 열가소성 수지, 복합재료에 대해서는, 상기한 것과 동일한 것을 이용할 수 있다. 복합재료는, 특히 제한은 없지만, 탄소섬유가 열가소성 수지 중에 랜덤하게 분산한 것이 좋고, 탄소섬유는 평균 섬유길이가 1∼100㎜인 불연속의 것이 좋다. 상기 탄소섬유는 탄소섬유 다발이나 단사(單絲)의 상태로 존재하고 있어도 좋고, 탄소섬유 다발과 단사가 적절한 비율로 존재하고 있어도 좋다. 통전에 의해 형성되는 용착부가 1개소에 기본적으로 집중하기 위함이지만, 그 이유의 상세는 불명확하다. 접합체의 제조방법으로서는, 특히 제한은 없고, 예컨대, 사출성형, 압축성형을 들 수 있다.
본 발명에 있어서의 복합재료 중 탄소섬유의 함유량은, 접합체의 접합강도나 의장성의 관점 및 생산성의 밸런스를 고려하면, 체적비율(Vf)로 10∼90%인 것이 바람직하다. Vf가 10% 이상이면 안정되게 복합재료에 통전시킬 수 있다. 또, Vf를 90% 이하로 함으로써 저항값을 확보하여 주울열을 얻을 수 있다. 통전 및 발열의 관점에서 안정된 접합체를 얻기 위해서, 보다 바람직하게는 Vf가 20∼55%이고, 더 바람직하게는 Vf가 20∼50%이다.
2 이상의 복합재료는, 적어도 하나의 평면부 또는 곡면부를 가진다. 이 평면부끼리, 또는 곡면부끼리를 서로 마주보게 중첩하여, 밀착시켜 접합면이 형성된다. 이 접합면을 형성하는 상기 평면부는 모두 평탄하다. 접합하는 면이 서로 곡면부인 경우는, 양쪽의 곡율반경은 거의 같고 양자 모두 평탄하다. 여기서, 평탄이란, 서로 중첩하는 평면부 또는 곡면부의 양 표면의 평활성이 양호한 것을 의미하고, 예컨대 에너지 디렉터와 같은 볼록부는 가지지 않는다. 표면이 평활한 것의 하나의 지표로서, Ra가 300 이하인 것이 바람직하고, 100 이하인 것이 보다 바람직하다(JIS　B　0601：2013년 준거).
여기서, 서로 중첩되는 복합재료의 평면부 또는 곡면부는 2 이상 있어도 좋다. 즉, 본 발명의 접합체는, 복수의 접합면을 가지는, 독립한 2 이상의 접합부를 가지고 있어도 좋다.
본 발명에 이용하는 복합재료는, 접합부를 형성하기 위한 평탄한 평면부 또는 곡면부 또는 그 양쪽을 1 이상 가지고 있으면 좋고, 접합에 관여하지 않는 부분의 형상은 특히 제한은 없다. 접합면을 가지고 있으면, 그 접합면 이외의 형상은 동일해도 상이해도 좋다. 물론, 접합에 관여하지 않는 평면부 또는 곡면부를 가질 수도 있다.
또한, 서로 중첩되는 복합재료의 평면부는, 서로 중첩시킨 접합면에 용착부가 형성 가능하면 좋고, 형상이나 면적이 동일해도 상이해도 좋다. 서로 중첩하게 되는 평면부의 형상으로서는 특히 제한은 없다. 예컨대, 다각형, 원형, 타원형, 및 그들 형상의 조합이라도 좋다. 또, 서로 중첩하는 2 이상의 복합재료에 있어서의 접합부의 두께에 대해서도 특히 제한은 없고, 동일 두께라도 좋고, 상이해도 좋다. 또, 각각 복합재료의 접합부의 두께는 균일하지 않아도 좋다.
이러한 2 이상의 복합재료의 평탄부끼리를 서로 중첩시킨 접합면을, 접촉시킨 상태에서 진동을 줌과 동시 또는 주고 있는 상태에서, 상기 2 이상의 복합재료는 주울열로 접합된다. 여기서, 진동을 가하는 방향은, 2 이상의 복합재료의 접합면에 대하여, 수평방향 또는 수직방향의 어느 방향이라도 좋지만, 수직방향의 진동이 바람직한 것은 상술한 바와 같다. 주울열로 접합하는 방법에 대해서도 상술한 바와 같다.
본 발명의 접합체에 있어서의 접합면은, 예컨대 도 5에 나타내는 바와 같이 대략 원형의 용착부를 가진다. 용착부란, 복합재료를 구성하는 열가소성 수지가 통전에 의한 주울열에 의해 가열되어 용융하고, 그 후 냉각되어 고체화한 부분이다.
본 발명의 접합체는, 접합면을 구성하는 복합재료의 평면 또는 곡면이 모두 평활하므로, 서로 중첩되어 용착된 접합부의 두께는 서로 중첩시킨 복합재료의 두께의 합계와 실질적으로 같다. 또, 용착부의 면적에 따라서도 다르지만, 통전에 의해 용융한 열가소성 수지의 일부가 접합부, 특히 접합면으로부터 비어져 나오는 경우가 거의 없어, 의장성이 양호하다. 또한, 초음파 용착에 의한 용착과 달리, 접합부에 있어서의 복합재료의, 접합면과 반대측 표면에 볼록부나 오목부가 발생하지 않아, 표면 평탄성 및 의장성이 양호하다.
본 발명에 의하면, 상기 접합체는, 상기한 방법을 이용한, 예컨대 이하의 (1), (2), (3)의 3가지 태양의 제조방법을 포함하는 것은 분명하다.
(1) 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 2 이상 복합재료의 접합목표위치를 가압하고, 상기 2 이상 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 접합목표위치에 진동을 주고, 가압되어 있는 상기 2 이상의 복합재료에 진동을 주고 있는 상태에서, 상기 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합하기 위한 전류를 상기 접합목표위치에 통전하는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
(2) 상기 2 이상 복합재료의 접합목표위치에 주는 진동은, 상기 2 이상 복합재료의 접합면이 열가소성 수지의 융점 이하인 온도로 가열되는 진동인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 접합체의 제조방법.
(3) 상기 2 이상의 복합재료가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는 상기 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하여 상기 2 이상의 복합재료를 접합하는 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2에 기재된 접합체의 제조방법.
이상, 본 발명의 몇 가지의 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규한 실시형태는, 그 외 여러 가지 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지의 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구의 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
11. 복합재료 12. 단자
13. 가압장치 14. 스위치
15. 전원 16. 제어장치
17. 진동발생장치 19. 접합목표위치
20. 게이지 21. 접합부
22. 이격개소 23. 기억장치
24. 판정장치 25. 서모그래피 장치

Claims (22)

  1. 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치를 가압하는 가압장치와,
    상기 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 접합목표위치에 진동을 주는 진동발생장치와,
    상기 가압장치에 의해 가압되어 있는 상기 2 이상의 복합재료에 상기 진동발생장치에 의해 진동을 줌과 동시 또는 주고 있는 상태에서, 상기 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합하기 위한 전류를 상기 접합목표위치에 통전하는 전원
    을 구비함을 특징으로 하는 복합재료의 접합장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동발생장치는, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면이 열가소성 수지의 융점 이하인 온도로 가열되는 진동을 상기 접합면에 줌
    을 특징으로 하는 복합재료의 접합장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 진동발생장치는, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면에 대하여 수직방향의 진동을 줌
    을 특징으로 하는 복합재료의 접합장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동발생장치의 진동주파수는, 수 ㎑∼수 100㎑임
    을 특징으로 하는 복합재료의 접합장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2 이상의 복합재료가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하도록 상기 가압장치를 제어하는 제어장치를 구비함
    을 특징으로 하는 복합재료의 접합장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 2 이상의 복합재료의 상기 접합면의 상기 열가소성 수지의 온도가 융점이 되었을 때에 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하도록 상기 가압장치를 제어함
    을 특징으로 하는 복합재료의 접합장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압장치로 가압하는 상기 접합목표위치 및 그 주변의 표면의 온도분포를 측정하는 온도분포 측정장치와,
    상기 온도분포 측정장치에서 얻어진 데이터가 미리 기억된 기준이 되는 온도데이터의 동일범위 내인지 아닌지를 판정하는 판정장치
    를 구비함을 특징으로 하는 복합재료의 접합장치.
  8. 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치를 가압하고,
    상기 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 상기 접합목표위치에 진동을 주고,
    가압되어 있는 상기 2 이상의 복합재료에 진동을 줌과 동시 또는 주고 있는 상태에서, 상기 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합하기 위한 전류를 상기 접합목표위치에 통전하여, 상기 2 이상의 복합재료를 접합하여 접합체를 제조함
    을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치에 주는 진동은, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면이 열가소성 수지의 융점 이하인 온도로 가열되는 진동임
    을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치에 주는 진동은, 상기 2 이상의 복합재료의 접합면에 대하여 수직방향의 진동임
    을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
  11. 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2 이상의 복합재료의 접합목표위치에 주는 진동의 진동주파수는, 수 ㎑∼수 100㎑임
    을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
  12. 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소섬유는, 복합재료의 면내(面內)방향으로 랜덤하게 분산되어 배치하고 있음
    을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
  13. 청구항 8 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 평균 섬유길이가 1㎜∼100㎜임
    을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
  14. 청구항 8 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2 이상의 복합재료가 용합하여 용착한 상태가 되었을 때는 소정 압력보다 작은 압력인 압력으로 가압하여 상기 2 이상의 복합재료를 접합함
    을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 소정 압력보다 작은 압력으로 가압하는 것은, 상기 2 이상의 복합재료의 상기 접합면의 상기 열가소성 수지의 온도가 융점이 되었을 때임
    을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
  16. 상기 청구항 7의 복합재료의 접합장치를 이용하여, 상기 온도분포 측정장치에서 취득한 상기 복합재료의 표면의 온도분포에 관한 데이터가 기억장치에 미리 기억된 기준이 되는 온도데이터의 동일범위 내인지 아닌지를 판정장치에서 판정하고, 동일범위 내일 때는 복합재료의 접합은 양호, 동일범위 내가 아닐 때는 복합재료의 접합은 불량이라고 평가함
    을 특징으로 하는 접합체의 제조방법.
  17. 청구항 8 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 기재된 접합체의 제조방법에 의하여 얻어진 접합체.
  18. 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 2 이상의 복합재료의 접합면을 접촉시킨 상태에서 진동을 줌과 동시 또는 주고 있는 상태에서, 상기 2 이상의 복합재료를 주울열로 접합한 접합체.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 진동이 복합재료의 접합면에 대하여 수직방향의 진동임
    을 특징으로 하는 접합체.
  20. 청구항 18 또는 청구항 19에 있어서,
    상기 진동의 주파수가 수 ㎑∼수 100㎑임
    을 특징으로 하는 접합체.
  21. 청구항 18 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 평균 섬유길이가 1∼100㎜임
    을 특징으로 하는 접합체.
  22. 청구항 18 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합재료 중의 탄소섬유의 함유량이, 체적비율(Vf)로 10∼90%인 접합체.
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