KR20170118903A - 금속, 수지 부재 및 탄소 섬유 강화 수지 부재의 접합 방법 - Google Patents

Abstract

금속과 수지 부재를 접합하는 방법, CFRP 부재와 수지 부재를 접합하는 방법, 수지 부재를 개재시킨 금속과 CFRP 부재를 접합하는 방법, 특히, 접합 속도를 빠르게 하여 이것들을 접합할 수 있고, 또한 우수한 접합 강도를 갖는 접합 부재를 얻을 수 있는 접합 방법의 제공. 금속과 수지 부재를 중첩해서 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 접합하는 접합 방법에 있어서, 상기 금속에, 레이저광이 투과되는 상기 수지 부재와 유리를, 이 순으로 중첩하고, 상기 수지 부재측으로부터 상기 유리를 통해 상기 레이저광을 상기 금속과 상기 수지 부재가 중첩된 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 접합하는 것을 특징으로 하는 금속과 수지 부재의 접합 방법.

Description

금속, 수지 부재 및 탄소 섬유 강화 수지 부재의 접합 방법

본 발명은 금속과 수지 부재의 접합, 탄소 섬유 강화 수지 부재와 수지 부재의 접합, 수지를 포함하는 중간 부재를 개재시킨 금속과 탄소 섬유 강화 수지 부재의 접합에 관한 것으로, 특히, 접합 속도를 빠르게 하여 이것들을 접합할 수 있고, 또한 우수한 접합 강도를 갖는 접합 부재를 얻을 수 있는, 접합 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 자동차의 분야에서는, CO₂ 배출 제한을 달성하기 위한 차체 경량화의 흐름으로부터, 강도 및 강성을 확보하면서, 부품을 경량화하는 것이 요구되고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해, 종래 금속을 사용하고 있었던 부재의 일부를 수지 대신에, 금속과 수지 부재를 접합한 부품의 채용이 서서히 진행되고 있다. 특히, 수지와 탄소 섬유를 복합한 탄소 섬유 강화 수지(이하, 「CFRP」라고 하는 경우도 있음)의 개발이 진행되고, 강도 및 강성을 확보하면서, 부품을 경량화할 수 있다는 점에서, 크게 기대되고 있다. 그로 인해, 수지 부재와 CFRP 부재 등의 접합 부품, 또한 금속과 CFRP 등의 수지를 접합한 부품도 요망되고 있다. 또한, 이들 접합품은, 자동차의 분야 등에서의 이용을 생각할 수 있는 점에서, 생산 효율이 높을 것, 예를 들어 접합 속도나 수율이 높을 것도 요구된다.

일반적으로, 금속은 CFRP에 한하지 않고 수지와의 접합이 곤란하다. 그 중에서, 금속과 수지 부재를 접합하는 방법으로서, 접착제 등을 사용하여 접착하는 방법, 금속 및 수지 부재 중 적어도 한쪽에 고정 부재를 마련하여 양자를 고착시키는 방법, 나사 등을 사용하여 기계 접합하는 방법, 금속측의 접합면에 미소한 요철을 형성하여 앵커 효과로 접합하는 방법, 금속 및 수지 부재 중 적어도 한쪽에 레이저광을 조사하여 접합하는 방법 등이 있다.

접착제, 고정 부재, 또는, 나사 등을 사용하여 접합하는 방법은, 금속 및 수지 부재 이외에 접합하기 위한 재료가 필요하다. 그러나, 경제성이나 리사이클성의 향상 등으로부터, 금속과 수지 부재를 직접 접합하는 방법이 바람직하다. 또한, 금속측의 접합면에 미소한 요철을 형성하여 접합하는 방법은, 접착제 등의 접합하기 위한 재료를 사용하지 않는 점에 있어서 유리하지만, 접합 공정 이외에, 요철 형성 공정이 필요해져, 생산성의 향상에 있어서 개선의 여지가 있었다. 그에 반해, 금속과 수지 부재를 레이저를 사용하여 접합하는 방법에서는, 접착제 등의 접합하기 위한 재료는 불필요하며, 금속의 접합면의 가공도 불필요하다. 이 금속과 수지를 레이저를 사용하여 접합하는 방법에 있어서, 이하와 같은 높은 접합 강도로 접합하는 기술이 제안되어 있다.

특허문헌 1에는, 레이저 광원을 사용한 금속 수지 접합에 있어서, 수지 용융용 레이저 광원과 수지 분해용 레이저 광원을 병용하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는, 단일의 레이저 광원으로 접합 개소의 수지를 가열하면, 파워 밀도 분포를 균일하게 제어할 수 없을 경우, 레이저 조사부에 큰 기포나 증발 영역이 발생하지만, 수지 용융용 레이저 광원에 의해 넓은 범위의 수지를 미리 용융하고, 용융된 수지의 좁은 장소에 수지 분해용 레이저 광원을 조사하여 수지를 분해함으로써 원하는 장소에 높은 접합 강도를 갖는 접합 개소를 만들어 내는 것이다.

또한, 특허문헌 2에는, 수지와 금속의 접합면을 레이저 조사에 의해 접합하는 방법이며, 수지와 금속을 금속측으로부터 가압재에 의해 가압함과 함께, 가압재를 광흡수율이 큰 것으로 하고, 가압재에 레이저 조사하여, 가압재로부터 금속을 통해 수지에 열전도시킴으로써, 수지와 금속을 고강도이며 또한 균일하게 접합하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 열가소성 수지와 금속의 레이저 접합 시에, 열응력에 의해 수지가 박리되어, 양호한 접합을 얻지 못하는 경우가 있었기 때문에, 접합부의 상부를 유리 등으로 가압하는 것이 바람직하다는 것이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 4에는, 2개의 워크를 레이저 접합할 때, 각 워크의 접합 부위를 레이저 투과하는 회전축으로 가압 밀착시켜, 각 워크의 휨이나 변형을 억제하는 기술이 개시되어 있다.

수지 부재와 CFRP 부재의 접합에서는, 접착제 용착, 진동 용착, 초음파 용착, 마찰 용착, 열판 용착 기술 등이 사용되고 있으며, 예를 들어 특허문헌 5에는 마찰 용착 기술을 사용하고, 또한, 특허문헌 6에는 열판 용착 기술을 사용하여, 수지 부재와 CFRP 부재를 접합하는 것이 보고되어 있다.

금속과 CFRP 부재의 접합에서는, 접착제 등을 사용하여 접착하는 방법, 볼트 등을 사용하여 기계 접합하는 방법, 금속측의 접합면에 미소한 요철을 형성하여 앵커 효과로 접합하는 방법 등이 있다(특허문헌 7, 8 참조).

그에 비해 금속과 CFRP 부재를 접합하는 기술에 있어서, 이들 부재끼리를 레이저광으로 접합하는 기술이 보고되어 있다(비특허문헌 1 참조).

일본 특허 공개 제2008-213156호 공보 일본 특허 공개 제2013-216028호 공보 일본 특허 공개 제2012-56308호 공보 일본 특허 제5305003호 공보 일본 특허 공표 제2010-516494호 공보 일본 특허 공개 제2015-131394호 공보 일본 특허 공개 제2011-073191호 공보 일본 특허 공개 평06-101732호 공보

가타야마 세이지, 외 2명, 용접 학회 전국 대회 강연 개요, Vol.86, 2010년 산페이 와쿠, 레이저 가공 학회지, Vol.14, No.4, 2007년, p.211-215 쓰보이 아키히코, 용접 기술, Vol.53, 2005년, p.129-133

금속과 수지의 접합에 관해서, 특허문헌 1에 개시된 기술은, 수지의 가열 장소 및 가열 온도의 제어를 용이하며 또한 효율적으로 행할 수 있어, 강도가 높고, 균일한 금속 수지 접합 개소를 형성할 수 있기 때문에, 금속과 수지의 접합에 있어서 유효한 기술이지만, 실시예에 있어서, 접합 속도는 0.3m/min으로, 실용화하는 데 있어서는 접합 속도의 향상에 있어 개선의 여지가 있었다.

특허문헌 2에 개시된 기술은, 금속의 광흡수율에 좌우되지 않고, 고강도이고 또한 균일하게 수지와 금속을 레이저 접합할 수 있기 때문에, 유효한 기술이지만, 접합 속도에 대하여 기재도 시사도 없다.

특허문헌 3에 개시된 기술은, 접합 속도가 5㎜/s으로, 생산 효율이 충분히 높다고는 할 수 없다. 특허문헌 4에서는, 접합 속도에 대하여 기재도 시사도 없다.

수지 부재와 CFRP 부재의 접합에 대해서, 접착제 용착, 진동 용착, 초음파 용착, 마찰 용착, 열판 용착 기술 등이 사용되고 있다(특허문헌 5, 6 참조)

그러나, 접착제 기술에서는, 건조·경화 시간이 필요하고, 또한, 유기 용제의 기산(氣散) 등의 환경 부하의 문제가 지적되고 있으며, 진동 용착, 초음파 용착, 마찰 용착 기술에서는, 진동에 의한 제품 손상의 문제가 지적되고 있다. 또한, 열판 용착 기술에서는, 접착 시간이 짧아 양산에 적합하며, 진동에 의한 손상도 적지만, 열판을 직접 피접합 부재에 접촉시키기 위해, 열판을 제거할 때, 용융된 수지가 열판에 부착되어 코브웨빙 현상이 발생하는 문제가 있다.

한편, 특허문헌 5, 6에서는 개시되어 있지 않지만, 수지끼리를 레이저광으로 접합하는 레이저광 용착 기술이, 비접촉으로 마모분이나 버의 발생이 없고, 진동 등에 의한 제품의 손상도 적은 점에서, 최근 주목받고 있다.

예를 들어, 비특허문헌 2 및 3에는, 접합하는 수지 부재의 한쪽을 레이저광이 투과되는 투과 부재로 하고, 다른 쪽을 레이저광을 흡수하는 흡수 부재(예를 들어, 카본 블랙 등을 혼련한 수지 부재)로 하여, 양쪽 부재를 중첩하고, 투과 부재측으로부터 레이저광을 조사해서, 흡수 부재를 용융하여, 접합하는 것이 개시되어 있다.

그래서, 본 발명자들은, 수지 부재와 CFRP 부재의 접합에 있어서, 레이저광 용착 기술을 사용하는 것을 시도하였다. 구체적으로는, 레이저광을 투과하는 수지 부재와, 레이저광을 흡수하는 CFRP 부재를 중첩하고, 접합에 요하는 시간을 짧게 하기 위해, 레이저의 출력을 높여, 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사한 결과, 수지 부재가 휘발되고, 휘발된 수지 성분이 레이저광과 간섭함으로써 레이저 파워가 손실되어, 목적으로 하는 강도를 갖는 접합 부재를 얻을 수 없었다.

금속과 CFRP 부재의 접합에 관해서, 접착제 등을 사용하여 접착하는 방법, 볼트 등을 사용하여 기계 접합하는 방법, 금속측의 접합면에 미소한 요철을 형성하여 앵커 효과로 접합하는 방법 등이 개시되어 있다(특허문헌 7, 8). 그러나, 상술한 바와 같이, 접착제에 의한 접착제를 사용하는 방법에서는, 건조·경화 시간이 필요하고, 또한, 유기 용제의 기산 등의 환경 부하의 문제가 지적되고 있다. 또한, 기계 접합하는 방법에서는, 고정 부재가 필요하여, 경제성이나 리사이클성의 향상 등에서, 금속과 CFRP 부재를 직접 접합하는 방법이 바람직하다. 또한, 앵커 효과로 접합하는 방법에서는, 접합 공정 이외에, 접합면에 요철을 형성하는 공정이 필요해져, 생산성의 향상에 있어서 개선의 여지가 있다.

비특허문헌 1에 개시된 기술은, 금속과 CFRP 부재의 접합에 있어서 유효한 기술이지만, 접합 속도는 5㎜/s(0.3m/min)으로, 실용화하는 데 있어서는, 접합 속도의 향상에 있어 개선의 여지가 있었다. 그래서, 접합 속도를 향상시키기 위해, 레이저의 출력을 높여서 접합을 행한 결과, 충분한 접합 강도를 얻지 못하는 경우가 있었다.

본 발명은 이러한 실정을 감안하여, 금속과 수지 부재를 접합하는 방법, CFRP 부재와 수지 부재를 접합하는 방법, 수지 부재를 개재시킨 금속과 CFRP 부재를 접합하는 방법, 특히, 접합 속도를 빠르게 하여 이것들을 접합할 수 있고, 또한 우수한 접합 강도를 갖는 접합 부재를 얻을 수 있는 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하는 방법에 대하여 예의 검토하였다. 금속과 수지 부재, CFRP 부재와 수지 부재, 수지 부재를 개재시켜 금속과 CFRP 부재를 고속으로 접합하기 위해, 레이저의 출력을 높여서, 접합하는 것을 시도하였다. 그러나, 고출력화에 의해 수지의 휘발량이 증가하고, 휘발된 수지 성분과 레이저광의 간섭에 의해 레이저 파워가 손실되었기 때문에, 접합이 불충분해져, 목적으로 하는 강도를 갖지 않는 것이 되었다.

그래서, 본 발명자들은, 수지 부재와 금속, 또는 수지 부재와 CFRP 부재와 수지 부재의 접합 시에, 수지 부재의 레이저광의 조사면측에 유리를 중첩하여 배치하고, 수지측으로부터 유리를 통과하여 레이저광을 조사한 결과, 휘발된 수지 성분이 레이저광의 광로 외부로 배출되어, 레이저 파워가 상실되는 일 없이, 접합할 수 있음을 알아내었다. 그리고, 고속으로 목적으로 하는 강도를 갖는 접합 개소재를 얻을 수 있음을 알아내었다.

또한, 금속과 CFRP 부재의 접합 시에는, 금속과 CFRP 부재의 사이에 접착층으로서 수지를 포함하는 중간 부재(이하, 간단히 「중간 부재」라고 하는 경우도 있음)를 개재시키는 것에 착상하였다.

먼저, CFRP 부재와 중간 부재의 접합에 있어서, 중간 부재의 레이저광의 조사면측에 유리를 겹쳐 배치하고, 중간 부재측으로부터 유리를 통과하여 레이저광을 조사하였다. 그 결과, 레이저광의 조사에 의해, 휘발된 수지 성분이 레이저광의 광로 외부로 배출되어, 레이저광의 출력을 높였을 경우(고속 접합한 경우)이더라도, 충분히 접합할 수 있음을 알아내었다.

그리고, 이 중간 부재가 접합된 CFRP 부재에 금속을 중첩하고, 레이저의 출력을 높여, 금속측으로부터 레이저광을 조사하여 접합을 행한 결과, 충분한 접합 강도를 갖는 금속과 CFRP 부재의 접합 부재가 얻어지는 것을 알아내었다.

또한, 금속과 CFRP 부재의 접합 시에, CFRP 부재에, 수지를 포함하는 중간 부재와 상기 금속을, 이 순으로 중첩하여 배치하고, 금속측으로부터 레이저광을 조사하였다. 그 결과, 원 패스만의 레이저광 조사에 의해, 금속을 가열하고, 그 발생한 열의 전파에 의한 중간 부재의 용융에 의해, 금속과 CRPF 부재가 중간 부재를 개재시켜 접합되는 것을 알아내었다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지로 하는 바는 이하와 같다.

(1) 금속과 수지 부재를 중첩해서 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 접합하는 접합 방법에 있어서, 상기 금속에, 레이저광이 투과되는 상기 수지 부재와 유리를, 이 순으로 중첩하고, 상기 수지 부재측으로부터 상기 유리를 통해 상기 레이저광을 상기 금속과 상기 수지 부재가 중첩된 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 접합하는 것을 특징으로 하는 금속과 수지 부재의 접합 방법.

(2) 탄소 섬유 강화 수지 부재와 수지 부재를 중첩해서 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 접합하는 접합 방법에 있어서,

상기 탄소 섬유 강화 수지 부재에, 레이저광이 투과되는 상기 수지 부재와 유리를, 이 순으로 중첩하고, 상기 수지 부재측으로부터 상기 유리를 통해 상기 레이저광을 상기 탄소 섬유 강화 수지 부재와 상기 수지 부재가 중첩된 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 접합하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 수지 부재와 수지 부재의 접합 방법.

(3) 수지를 포함하는 중간 부재를 개재시켜 금속과 탄소 섬유 강화 수지 부재를 레이저광을 조사하여 접합하는 방법에 있어서,

상기 탄소 섬유 강화 수지 부재와 레이저광이 투과되는 수지를 포함하는 상기 중간 부재를 접합하고, 이어서, 당해 중간 부재와 상기 금속을 접합하는 것이며,

상기 탄소 섬유 강화 수지 부재와 상기 중간 부재의 접합 시, 상기 탄소 섬유 강화 수지 부재에, 상기 중간 부재와 유리를, 이 순으로 중첩하고, 당해 중간 부재측으로부터 당해 유리를 개재시켜 레이저광을 당해 탄소 섬유 강화 수지 부재와 당해 중간 부재가 중첩된 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 접합하고,

상기 중간 부재와 상기 금속의 접합 시, 상기 중간 부재의 표면에, 상기 금속을 중첩하고, 접합 개소의 금속 표면에 레이저광을 조사해서 당해 금속을 가열하여, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 접합하는

것을 특징으로 하는 중간 부재를 개재시킨 금속과 탄소 섬유 강화 수지 부재의 접합 방법.

(4)

수지를 포함하는 중간 부재를 개재시켜 금속과 탄소 섬유 강화 수지 부재를 원 패스만의 레이저광 조사에 의해 접합하는 방법에 있어서,

상기 탄소 섬유 강화 수지 부재에, 상기 중간 부재와 상기 금속을, 이 순으로 중첩하고, 당해 금속측으로부터 레이저광을 당해 금속과 당해 탄소 섬유 강화 수지 부재와 당해 중간 부재가 중첩된 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 원 패스 접합하는

것을 특징으로 하는 중간 부재를 개재시킨 금속과 탄소 섬유 강화 수지 부재의 접합 방법.

본 발명의 제1 형태에 의하면, 금속에, 수지 부재와 유리를 중첩하고, 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 접합했으므로, 휘발된 수지 성분과 레이저광의 간섭을 억제할 수 있고, 고출력의 레이저를 사용하여 고속으로 금속과 수지 부재의 접합이 가능하게 된다. 또한, 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사하고 있으므로, 금속이 과도하게 고온이 되어, 금속의 특성이 변화되어 버릴 우려도 억제된다.

본 발명의 제2 형태에 의하면, CFRP 부재에, 수지 부재와 유리를 중첩하고, 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 접합했으므로, 휘발된 수지 성분과 레이저광 사이의 간섭을 억제할 수 있어, 우수한 접합 강도의 접합 부재가 얻어짐과 함께, 고출력의 레이저를 사용하여 고속으로 CFRP 부재와 수지 부재의 접합이 가능하게 된다.

본 발명의 제3 형태에 의하면, 금속과 CFRP 부재의 사이에, 수지를 포함하는 중간 부재를 개재시켜서 레이저 접합했으므로, 우수한 접합 강도의 접합 부재가 얻어짐과 함께, 고출력의 레이저를 사용하여 고속으로 금속과 CFRP 부재의 접합이 가능하게 된다.

본 발명의 제4 형태에 의하면, 금속과 CFRP 부재의 사이에, 수지를 포함하는 중간 부재를 개재시켜서, 원 패스로 레이저 접합했으므로, 우수한 접합 강도의 접합 부재가 얻어짐과 함께, 고출력의 레이저를 사용하여 고속으로 금속과 CFRP 부재의 접합이 가능하게 되는 것에 더하여, 용접 공정이 1회로 끝나기 때문에, 작업 부하나 비용을 저감할 수 있다는 효과도 얻어진다.

도 1은 접합 시험에 사용한 피접합체를 도시하는 도면이다. (a)는 피접합체의 평면도를 도시하고, (b)는 피접합체의 측면도를 도시한다.
도 2는 레이저의 출력을 높여서 금속 또는 CFRP 부재와 수지 부재를 접합하고 있는 상황을 도시하는 도면이다.
도 3은 금속과 수지 부재의 접합 후의 인장 시험 전후의 시험편을 도시하는 도면이다. (a)는 접합 후의 인장 시험 전의 도면을 도시하고, (b)는 인장 시험 후의 도면을 도시한다.
도 4는 금속 또는 CFRP 부재와 수지 부재의 접합 시험에 사용한 유리판을 겹친 피접합체를 도시하는 도면이다. (a)는 피접합체의 평면도를 도시하고, (b)는 피접합체의 측면도를 도시한다.
도 5는 금속 또는 CFRP 부재, 수지, 유리를 중첩하고, 레이저의 출력을 높여서 금속과 수지를 접합하고 있는 상황을 도시하는 도면이다.
도 6은 금속과 수지 부재의 접합 후의 인장 시험 전후의 시험편의 도면을 도시하는 도면이다. (a)는 접합 후의 인장 시험 전의 도면을 도시하고, (b)는 인장 시험 후의 도면을 도시한다.
도 7은 CFRP 부재와 수지 부재의 접합 후의 인장 시험 전후의 시험편의 도면을 도시하는 도면이다. (a)는 접합 후의 인장 시험 전의 도면을 도시하고, (b)는 인장 시험 후의 도면을 도시한다.
도 8은 CFRP 부재와 수지를 포함하는 중간 부재로 구성되는 피접합 부재를 도시하는 도면이다. (a)는 피접합 부재의 평면도를 도시하고, (b)는 피접합 부재의 측면도를 도시한다.
도 9는 CFRP 부재와 중간 부재를 접합하고 있는 상황을 도시하는 도면이다.
도 10은 중간 부재가 접합된 CFRP 부재를 도시하는 도면이다.
도 11은 금속, 중간 부재, CFRP 부재로 구성되는 피접합 부재를 도시하는 도면이다. (a)는 피접합 부재의 평면도를 도시하고, (b)는 피접합 부재의 측면도를 도시한다.
도 12는 중간 부재를 개재시켜 CFRP 부재와 금속판을 접합하고 있는 상황을 도시하는 도면이다.
도 13은 금속과 수지 부재의 접합 시험편의 전단 인장 강도를 도시하는 도면이다.
도 14는 CFRP 부재와 수지 부재의 접합 시험편의 전단 인장 강도를 도시하는 도면이다.

본 발명의 제1 형태인, 금속과 수지 부재의 접합 방법(이하, 「본 발명의 제1 형태의 접합법」이라고 하는 경우도 있음)은, 금속에 수지 부재와 유리를 이 순으로 중첩하고, 유리와 접한 당해 수지 부재면에 유리를 통과하여 레이저를 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 금속과 수지 부재를 접합하는 것이다.

이어서, 본 발명의 제1 형태의 접합법에 도달한 검토의 경위에 대하여 설명함과 함께, 본 발명의 제1 형태의 접합법에 대하여 설명한다.

금속과 수지 부재의 레이저 접합에 있어서, 금속과 수지 부재를 고속으로 접합하는 것이 요망되고 있었다. 그래서, 본 발명자들은, 고속의 접합 속도로 접합하기 위해, 레이저의 출력을 높여서 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사하여, 금속과 수지 부재를 접합하는 시험을 실시하였다.

도 1에 접합 시험에 사용한 피접합체를 도시한다. 도 1의 (a)는 피접합체의 평면도를 도시하고, 도 1의 (b)는 피접합체의 측면도를 도시한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 강판(1)의 일부에, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET 수지)를 수지 부재(2)로 해서, 그 일부를 중첩하여 피접합체로 하고, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프(3)로 강판(1)과 수지 부재(2)를 밀착 고정하였다.

도 2는 레이저의 출력을 높여서 금속과 수지 부재를 접합하고 있는 상황을 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1의 (b)와 마찬가지로 피접합체를 측면으로부터 본 도면이며, 중첩하여 밀착 고정된 강판(1)과 수지 부재(2)의 피접합체에, 수지 부재(2)측으로부터 레이저광(4)을 조사하여 접합하고 있는 상태를 도시하고 있다. 레이저광(4)의 조사에서는, 반도체 레이저를 사용하고, 레이저 출력 3kW로 하였다. 그리고, 접합 속도 1.5m/min으로, 도 1에 도시하는 접합 진행 방향의 폭 a의 방향(도 2의 지면 속 방향)에 접합하여, 시험편을 얻었다. 또한, 레이저광(4)의 조사에 있어서, 디포커스양을 +50㎜, 즉, 레이저를 집광하는 렌즈의 초점 위치로부터 50㎜ 하측의 위치를 금속(1)의 강판 표면 위치에 일치시켰다.

그리고, 30㎜ 폭으로 중첩한 접합 후의 시험편에 대해서, 그대로 전단 인장 시험을 실시하였다. 도 3에 접합 후의 인장 시험 전후의 시험편의 도면을 도시한다. 도 3의 (a)에 접합 후의 인장 시험 전의 도면을 도시하고, 도 3의 (b)에 인장 시험 후의 도면을 도시한다. 도 3은 시험편을 레이저광의 조사측으로부터 본 도면, 즉, 도 1의 (a)와 마찬가지로 시험편을 평면에서 본 도면이며, 도 3의 (a)는 지면 속 방향에 있어서, 지면 전방측을 상측으로 했을 때, 강판(1)의 일부의 상측에 수지 부재(2)의 일부가 중첩되어 있다.

그리고, 접합 후의 시험편은, 도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이, 레이저 조사에 의해, 수지 부재(2)의 표면이 용융된 흑색 또는 회색으로 표시되는 용융부(5)를 갖고 있으며, 강판(1)과 수지 부재(2)가 중첩된 개소의 접합부(6)(기포를 포함하는 백색으로 표시되는 부분 및 그 주변 부분)는 거의 형성되어 있지 않았다. 그리고, 전단 인장 시험을 실시한 후의 시험편은, 중첩된 개소가 박리되듯이 파단되고, 도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이, 강판(1)과 수지 부재(2)로 나뉜다.

이것은, 고출력의 레이저광 조사에 의해 수지 성분이 휘발하고, 당해 수지 성분이 레이저광의 광로에 배출되어, 레이저광과의 간섭에 의해 레이저 파워가 상실되었기 때문에 접합이 불완전해져, 목적으로 하는 강도를 갖지 않는 것이 되었다고 생각된다. 그로 인해, 얻어진 접합재는, 전단 인장 시험에 있어서, 계면에서 파단되었다. 그래서, 본 발명자들은, 수지 부재로부터 휘발되는 성분이 레이저광과 간섭하는 것을 억제하는 수단에 대해서 조사하였다.

수지 부재로부터 휘발되는 성분이 레이저광에 간섭되지 않도록 하기 위해서, 휘발 성분이 레이저광의 광로 쪽에 배출되지 않도록 하면 된다. 본 발명자들은, 레이저광의 광로에 휘발된 수지 성분이 배출되지 않도록, 수지 부재의 레이저광의 조사면측 위에 레이저광을 투과하는 유리를 배치하는 것을 착상하였다. 그래서, 금속과 수지 부재를 중첩한 피접합체에, 추가로 유리를 중첩하고, 상기한 접합 시험과 마찬가지의 시험을 실시하였다.

도 4에 접합 시험에 사용한 유리판을 겹친 피접합체를 도시하는 도면이다. 도 4의 (a)는 피접합체의 평면도를 도시하고, 도 4의 (b)는 피접합체의 측면도를 도시한다. 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 지면 속 방향에 있어서, 지면 전방측을 상측으로 했을 때, 강판(1)의 일부의 상측에, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET 수지)를 수지 부재(2)로 하고, 그 일부를 중첩하여, 피접합체로 하였다. 그리고, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 피접합체의 수지 부재(2)의 강판(1)과 접촉하지 않는 측의 표면 상에 판상의 유리(7)를 접합 예정 개소의 전부를 덮도록 중첩하였다. 그리고, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프(3)로 강판(1), 수지 부재(2) 및 유리(7)를 밀착 고정하였다.

도 5에 금속, 수지 부재, 유리를 중첩하고, 레이저의 출력을 높여서 금속과 수지 부재를 접합하고 있는 상황을 도시한다. 도 5는 도 4의 (b)와 마찬가지로 피접합체를 측면으로부터 본 도면이며, 중첩하여 밀착 고정된 강판(1), 수지 부재(2) 및 유리(7)에, 유리(7)측으로부터 레이저광(4)을 접합 개소에 조사하여 접합하고 있는 상황을 도시하고 있다. 그리고, 피접합체에, 도 4에 도시하는 접합 진행 방향의 폭 a의 방향(도 5의 지면 속 방향)으로, 상기 접합 시험과 마찬가지의 조건에서 레이저 접합을 실시하여, 시험편을 얻었다.

그리고, 접합 후의 시험편에 전단 인장 시험을 실시하였다. 도 6에 접합 후의 인장 시험 전후의 시험편의 도면을 도시한다. 도 6의 (a)에 접합 후의 인장 시험 전의 도면을 도시하고, 도 6의 (b)에 인장 시험 후의 도면을 도시한다. 도 6은 시험편을 레이저광의 조사측으로부터 본 도면, 즉, 도 4의 (a)와 마찬가지로 시험편을 평면에서 본 도면이고, 도 6의 (a)는 지면 속 방향에 있어서, 지면 전방측을 상측으로 했을 때, 강판(1)의 일부의 상측에 수지 부재(2)의 일부가 중첩되어 있다.

접합 후의 시험편에는, 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같이, 건전한 접합부(6)(기포를 포함하는 백색으로 표시되는 부분 및 그 주변 부분)가, 유리(7)를 사용하지 않고 강판(1)과 수지 부재(2)를 접합했을 경우보다, 2배 이상 넓은 접합 면적으로 형성되어 있었다. 그리고, 전단 인장 시험을 실시한 후의 시험편은, 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이, 최고 하중을 나타낸 후, 수지 부재(2)의 모재 부분이 늘어지고, 접합부는 접합 상태를 유지한 상태였다. 이로부터, 접합부(6)는 견고하게 접합되어 있음을 알 수 있다.

이것은, 수지 부재(2)의 레이저광(4)의 조사측에 유리(7)를 설치함으로써, 유리(7)의 주위로부터 휘발된 수지 성분이 배출되기 때문에, 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사해도, 휘발된 수지 성분이 레이저광과 간섭하지 않게 되었기 때문이다. 이에 의해, 금속에, 수지 부재와 유리를 이 순으로 중첩함으로써, 수지 부재측으로부터 레이저를 조사할 수 있음과 함께, 레이저의 출력을 높여도, 접합 속도를 고속으로 접합할 수 있음을 알아내었다. 또한, 레이저 조사에 의한 가열을 금속측으로부터 실시하지 않으므로, 금속이 고온이 되어 금속의 특성이 변화되어 버릴 우려도 억제된다.

본 발명의 제1 형태는, 이상과 같은 검토 과정을 거쳐서 상기 (1)에 기재된 발명에 도달한 것이며, 그러한 본 발명에 대해서, 필요한 요건이나 바람직한 요건에 대하여 후단에서 설명한다.

본 발명의 제2 형태인, 탄소 섬유 강화 수지(CFRP) 부재와 수지 부재의 접합 방법(이하, 「본 발명의 제2 형태의 접합법」이라고 함)은, CFRP 부재에, 수지 부재와 유리를 이 순으로 중첩하고, 유리와 접한 당해 수지 부재면에 유리를 통과하여 레이저광을 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 CFRP 부재와 수지 부재를 접합하는 것이다.

이어서, 본 발명의 제2 형태의 접합법에 도달한 검토의 경위에 대하여 설명 함과 함께, 본 발명의 제2 형태의 접합법에 대하여 설명한다.

CFRP 부재와 수지 부재의 접합에 있어서, 접합 시간을 짧게 함과 함께, 진동 등에 의한 제품의 손상이 적고, 우수한 접합 강도를 갖는 접합 부재를 얻는 방법이 요망되고 있었다. 그래서, 본 발명자들은, 수지 부재와 CFRP 부재의 접합에 있어서, 레이저광 용착 기술을 사용하는 것을 시도하였다. 구체적으로는, 다음과 같은 접합 시험을 실시하였다.

도 1에 접합 시험에 사용한 피접합 부재를 도시한다. 도 1의 (a)는 피접합 부재의 평면도를 도시하고, 도 1의 (b)는 피접합 부재의 측면도를 도시한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, CFRP 부재(1')의 일부에, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET 수지)를 수지 부재(2)로 하여, 그 일부를 중첩해서 피접합 부재로 하고, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프(3)로 CFRP 부재(1')와 수지 부재(2)를 밀착 고정하였다.

도 2는 CFRP 부재와 수지 부재를 접합하고 있는 상황을 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1의 (b)와 마찬가지로 피접합 부재를 측면으로부터 본 도면이고, 중첩하여 밀착 고정된 CFRP 부재(1')와 수지 부재(2)의 피접합 부재에, 수지 부재(2)측으로부터 레이저광(4)을 조사하여 접합하고 있는 상태를 도시하고 있다. 여기서, CFRP 부재(1')는, 탄소 섬유를 포함하고 있어, 레이저광을 흡수하고, 수지 부재(2)는 레이저광을 투과하기 때문에, 레이저광의 조사측으로부터 수지 부재(2), CFRP 부재(1')의 순서로 중첩되어 있다.

레이저광(4)의 조사에서는, 반도체 레이저를 사용하고, 레이저 출력 3kW로 하였다. 그리고, 접합 속도 1.5m/min으로, 도 1에 도시하는 접합 진행 방향의 폭 a의 방향(도 2의 지면 수직 방향)에 접합하여, 시험편을 얻었다. 또한, 레이저광(4)의 조사에 있어서, 디포커스양을 +50㎜, 즉, 레이저를 집광하는 렌즈의 초점 위치로부터 50㎜ 하측의 위치를 CFRP 부재(1')의 강판 표면 위치에 일치시켰다.

그리고, 30㎜ 폭으로 중첩한 접합 후의 시험편에 대해서, 그대로 전단 인장 시험을 실시했지만, 거의 강도는 얻어지지 않고, 박리되었다. 전단 인장 시험 후의 시험편을 확인한 결과, CFRP 부재(1')에 포함되는 탄소 섬유가 레이저광을 흡수하여 발열하는 것에 의한, 그 모재의 수지의 용융과, 그 발생된 열의 전파에 의한 수지 부재(2) 표면의 일부의 용융이 발생한 흔적은 확인되었지만, CFRP 부재(1')와 수지 부재(2)의 계면에서의 접합은, 거의 확인되지 않고, 목적으로 하는 강도의 접합 부재를 얻지 못했다.

이것은, 고출력의 레이저광 조사에 의해 수지 성분이 휘발되고, 당해 수지 성분이 레이저광의 광로에 배출되어, 레이저광과의 간섭에 의해 레이저 파워가 상실되었기 때문에 접합이 불완전해져, 목적으로 하는 강도를 갖지 않는 것이 되었다고 생각된다. 그로 인해, 얻어진 접합 부재는, 전단 인장 시험에 있어서 박리되었다. 그래서, 본 발명자들은, 수지 부재로부터 휘발되는 성분이 레이저광과 간섭하는 것을 억제하는 수단에 대하여 검토하였다.

수지 부재로부터 휘발되는 성분이 레이저광에 간섭하지 않도록 하기 위해서, 휘발 성분이 레이저광의 광로 쪽에 배출되지 않도록 하면 된다. 본 발명자들은, 레이저광의 광로에 휘발된 수지 성분이 배출되지 않도록, 수지 부재의 레이저광의 조사면측에 레이저광을 투과하는 유리를 배치하는 것을 착상하였다. 그래서, CFRP 부재와 수지 부재를 중첩한 피접합 부재에, 추가로 유리를 중첩하고, 상기한 접합 시험과 마찬가지의 시험을 실시하였다.

도 4에, 접합 시험에 사용한 유리판을 겹친 피접합 부재를 도시하는 도면이다. 도 4의 (a)는 피접합 부재의 평면도를 도시하고, 도 4의 (b)는 피접합 부재의 측면도를 도시한다. 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 지면 수직 방향에 있어서, 지면 전방측을 상측으로 했을 때, CFRP 부재(1')의 일부의 상측에, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET 수지)를 수지 부재(2)로 하여, 그 일부를 중첩하고, 피접합 부재로 하였다. 그리고, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 피접합 부재의 수지 부재(2)의 CFRP 부재(1')와 접촉하지 않는 측의 표면 상에 판상의 유리(7)를 접합 예정 개소의 전부를 덮도록 중첩하였다. 그리고, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프(3)로 CFRP 부재(1'), 수지 부재(2) 및 유리(7)를 밀착 고정하였다. CFRP 부재(1')는, PAN(폴리아크릴니트릴)계 탄소 섬유를 130℃ 경화형 에폭시 수지에 함침시켜서 제작된 일 방향 프리프레그 시트를, 섬유의 길이 방향에 대하여 0°, 90°, 0°, 90°, 0°로 배향하도록 하여 합계 5장 적층한 것으로 해도 된다.

도 5에 CFRP 부재, 수지 부재, 유리를 중첩하여, CFRP 부재와 수지 부재를 접합하고 있는 상황을 도시한다. 도 5는 도 4의 (b)와 마찬가지로 피접합 부재를 측면으로부터 본 도면이며, 중첩하여 밀착 고정된 CFRP 부재(1'), 수지 부재(2) 및 유리(7)에, 유리(7)측으로부터 레이저광(4)을 접합 개소에 조사하여 접합하고 있는 상황을 도시하고 있다. 그리고, 피접합 부재에, 도 4에 도시하는 접합 진행 방향의 폭 a의 방향(도 5의 지면 수직 방향)으로, 상기 접합 시험과 마찬가지의 조건에서 레이저 접합을 실시하여, 시험편을 얻었다.

그리고, 접합 후의 시험편에 전단 인장 시험을 실시하였다. 도 7에 접합 후의 인장 시험 전후의 시험편의 도면을 도시한다. 도 7의 (a)에 접합 후의 인장 시험 전의 도면을 도시하고, 도 7의 (b)에 인장 시험 후의 도면을 도시한다. 도 7은 시험편을 레이저광의 조사측으로부터 본 도면, 즉, 도 4의 (a)와 마찬가지로 시험편을 평면에서 본 도면이고, 도 7의 (a)는 지면 수직 방향에 있어서, 지면 전방측을 상측으로 했을 때, CFRP 부재(1')의 일부의 상측에 수지 부재(2)의 일부가 중첩되어 있다.

접합 후의 시험편에는, 도 7의 (a)에 도시하는 바와 같이, 건전한 접합부(6)(백색으로 표시되는 부분)가 형성되어 있었다. 전단 인장 시험을 실시한 후의 시험편은, 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이, CFRP 부재(1')와 수지 부재(2)의 접합면에서 박리되었지만, CFRP 부재(1')에 포함되는 탄소 섬유(17)가 수지 부재(2)에 접착된 상태로 되어 있고, 접합부(6)는 견고하게 접합되어 있었다.

이것은, 수지 부재(2)의 레이저광(4)의 조사측에 유리(7)를 설치함으로써, 유리(7)의 주위로부터 휘발된 수지 성분이 배출되기 때문에, 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사해도, 휘발된 수지 성분이 레이저광과 간섭하지 않게 되었기 때문이다. 이에 의해, CFRP 부재에, 수지 부재와 유리를 이 순으로 중첩함으로써, 수지 부재측으로부터 레이저를 조사할 수 있음과 함께, 레이저의 출력을 높여, 고속으로 접합할 수 있음을 알아내었다.

본 발명의 제2 형태는, 이상과 같은 검토 과정을 거쳐서 상기 (2)에 기재된 발명에 이른 것이며, 그러한 본 발명에 대해서, 필요한 요건이나 바람직한 요건에 대하여 후단에서 설명한다.

본 발명의 제3 형태의 금속과 탄소 섬유 강화 수지(CFRP) 부재의 접합 방법(이하, 「본 발명의 제3 형태의 접합법」이라고 함)은,

(a) 먼저, 레이저광을 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로, CFRP 부재와 수지를 포함하는 중간 부재를 접합하고,

(b) 이어서, 레이저광을 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로, 금속과, 중간 부재를 접합하는

방법이다.

그리고, (a)에 있어서, CFRP 부재에 중간 부재와 유리를 이 순으로 중첩하고, 유리와 접한 당해 중간 부재면에 유리를 통과하여 레이저광을 조사하여 CFRP 부재와 중간 부재를 접합하고,

(b)에 있어서, 금속과, 중간 부재를 중첩하고, 당해 금속측으로부터 레이저광을 조사해서 금속을 가열하여, 금속과 중간 부재를 접합한다.

이어서, 본 발명의 제3 형태의 접합법의 기본 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

<(a) CFRP 부재와 수지를 포함하는 중간 부재의 접합>

먼저, CFRP 부재에 수지를 포함하는 중간 부재와 유리를 이 순으로 중첩하고, 유리와 접한 중간 부재면에 유리를 통과하여 레이저광을 조사하여 CFRP 부재와 중간 부재를 접합한다.

도 8에, CFRP 부재와 수지를 포함하는 중간 부재로 구성되는 피접합 부재를 도시한다. 도 8의 (a)는 피접합 부재의 평면도를 도시하고, 도 8의 (b)는 피접합 부재의 측면도를 도시한다. 도 8의 (a)에 도시하는 바와 같이, 지면 수직 방향에 있어서, 지면 전방측을 상측으로 했을 때, CFRP 부재(1')의 적어도 접합 예정 개소의 상측에, 중간 부재(2)를 중첩하여, 피접합 부재로 한다.

예를 들어, CFRP 부재(1')는, PAN(폴리아크릴 니트릴)계 탄소 섬유를 130℃ 경화형 에폭시 수지에 함침시켜서 제작된 일 방향 프리프레그 시트를, 섬유의 길이 방향에 대하여 0°, 90°, 0°, 90°, 0°로 배향하도록 하여 합계 5장 적층한 것으로 할 수 있고, 중간 부재(2)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET 수지)로 할 수 있다.

그리고, 도 8의 (b)에 도시하는 바와 같이, 피접합 부재의 중간 부재(2)의 CFRP 부재(1')와 접촉하지 않는 측의 표면 상에 판상의 유리(7)를 접합 예정 개소의 전부를 덮도록 중첩한다. 또한, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두고 2개의 클램프(3)로 CFRP 부재(1'), 중간 부재(2) 및 유리(7)를 밀착 고정하면 된다.

도 9에 CFRP 부재, 중간 부재, 유리를 중첩하여, CFRP 부재와 중간 부재를 접합하고 있는 상황을 도시한다. 도 9는 도 8의 (b)와 마찬가지로 피접합 부재를 측면으로부터 본 도면이고, 중첩하여 밀착 고정된 CFRP 부재(1'), 중간 부재(2) 및 유리(7)에, 유리(7)측으로부터 레이저광(4)을 접합 개소에 조사하여 접합하고 있는 상황을 도시하고 있다. 그리고, 피접합 부재에, 예를 들어 도 8에 도시하는 접합 진행 방향의 폭 a의 방향(도 9의 지면 수직 방향)으로, 레이저를 조사하여, 용접 개소의 CFRP 부재(1')에 포함되는 탄소 섬유를 발열시키고, 그것에 의한 CFRP 부재(1')의 수지의 용융과, 그 발생한 열의 전파에 의한 중간 부재(2)의 용융에 의해 양자를 접합한다.

레이저광(4)의 조사에서는, 예를 들어 반도체 레이저를 사용하여, 레이저 출력 3kW로 하고, 접합 속도 1.5m/min으로 접합한다. 또한, 레이저광(4)의 조사에 있어서, 디포커스양을 +50㎜, 즉, 레이저를 집광하는 렌즈의 초점 위치로부터 50㎜ 하측의 위치를 CFRP 부재(1')의 표면 위치에 일치시킨다.

도 10에 중간 부재가 접합된 CFRP 부재를 도시한다. 도 10은, 중간 부재가 접합된 CFRP 부재를 레이저광의 조사측으로부터 본 도면, 즉, 도 1의 (a)와 마찬가지로 시험편을 평면에서 본 도면이며, 지면 수직 방향에 있어서, 지면 전방측을 상측으로 했을 때, CFRP 부재(1')의 일부의 상측에 중간 부재(2)가 중첩되어 있다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 건전한 접합부(6)(백색으로 표시되는 부분)를 형성할 수 있다.

중간 부재(2)의 레이저광(4)의 조사측에 유리(7)를 설치하지 않는 경우, 고출력의 레이저광의 조사에 의해 수지 성분이 휘발되어, 당해 수지 성분이 레이저광의 광로에 배출되고, 레이저광과의 간섭에 의해 레이저 파워가 상실되어, 접합이 불완전해진다. 그것에 비해 본 발명의 용접법과 같이, 중간 부재(2)의 레이저광(4)의 조사측에 유리(7)를 설치함으로써, 유리(7)의 주위로부터 휘발된 수지 성분이 배출되기 때문에, 휘발된 수지 성분이 레이저광(4)과 간섭하지 않게 되어, 레이저의 출력을 높여, 고속으로 접합할 수 있다.

<(b) 금속과 중간 부재의 접합>

이어서, 금속과, 중간 부재가 접합된 CFRP 부재를 중첩하고, 금속측으로부터 레이저광을 조사하여 금속과 중간 부재를 접합한다.

도 11에 금속과, 중간 부재가 접합된 CFRP 부재로 구성되는 피접합 부재를 도시한다. 도 11의 (a)는 피접합 부재의 평면도를 도시하고, 도 11의 (b)는 피접합 부재의 측면도를 도시한다. 도 11의 (a)에 도시하는 바와 같이, CFRP 부재(1')와 금속판(1)의 적어도 접합 예정 개소를 겹쳐, 피접합 부재로 한다. 그리고, 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같이, 중간 부재(2)의 CFRP 부재(1')와 접촉하지 않는 측의 표면 상에 금속판(1)을 중첩한다. 또한, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프(3)로 CFRP 부재(1'), 중간 부재(2) 및 금속판(1)을 밀착 고정하면 된다.

도 12에 CFRP 부재, 중간 부재, 금속판을 중첩하고, CFRP 부재와 금속판을 접합하고 있는 상황을 도시한다. 도 12는, 도 11의 (b)와 마찬가지로 피접합 부재를 측면으로부터 본 도면이고, 중첩하여 밀착 고정된 CFRP 부재(1'), 중간 부재(2) 및 금속판(1)에, 금속판(1)측으로부터 레이저광(4)을 금속판(1)의 표면에 조사하여 접합하고 있는 상황을 도시하고 있다. 그리고, 피접합 부재에, 도 11에 도시하는 접합 진행 방향의 폭 a의 방향(도 12의 지면 수직 방향)으로, CFRP 부재와 수지 부재의 접합 시험과 마찬가지의 조건에서 레이저를 조사하여, 금속을 가열하고, 그 열전도에 의해 중간 부재(2)를 용융해서, 양자를 접합한다.

레이저광(4)의 조사에서는, 상기 (a)의 CFRP 부재와 수지 부재의 접합과 동등한 조건을 채용할 수 있다. 예를 들어, 반도체 레이저를 사용하여, 레이저 출력 3kW로 하고, 디포커스양을 +50㎜로, 접합 속도 1.5m/min으로 한다. 또한, 레이저를 집광하는 렌즈의 초점 위치로부터 50㎜ 하측의 위치를 금속판(1)의 표면 위치에 일치시킨다.

이어서, 접합한 CFRP 부재와 금속판의 접합 부재에 전단 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험 후의 금속판(1)에는, 중간 부재(2)가 접합된 상태로 되어 있었다. 그리고, 파단은, CFRP 부재(1')에서 일어나고, 금속판(1)에 접합된 상태로 되어 있는 중간 부재(2)에 CFRP 부재의 일부가 부착되어 있었다. 이로부터, 접합 부재의 인장 강도는, CFRP 부재의 인장 강도에 영향을 미치고, 접합부는 견고하게 접합되어 있었다.

이와 같이, 금속과 CFRP 부재의 사이에 접착층으로서 수지를 포함하는 중간 부재를 개재시킴으로써, 레이저의 출력을 높여, 고속으로 접합할 수 있음과 함께, 충분한 접합 강도를 갖는 금속과 CFRP 부재의 접합 부재가 얻어진다.

또한, 금속과 CFRP 부재의 접합 부재에서는, 접합면에서 전식 반응이 일어나고, 그것에 의한 금속의 국소적 부식을 일으킨다는 문제가 있지만, 본 발명의 제3 형태의 용접법에 의해 얻어진 접합 부재는, 금속과 CFRP 부재의 사이에 수지를 포함하는 중간 부재가 삽입되어 있으므로, 금속의 국소적 부식이 억제된다.

본 발명의 제3 형태는, 이상과 같은 검토 과정을 거쳐서 상기 (3)에 기재된 발명에 도달한 것이며, 그러한 본 발명에 대해서, 필요한 요건이나 바람직한 요건에 대하여 후단에서 설명한다.

본 발명의 제4 형태의 금속과 탄소 섬유 강화 수지(CFRP) 부재의 접합 방법(이하, 「본 발명의 제4 형태의 접합법」이라고 함)은,

CFRP 부재에, 수지를 포함하는 중간 부재와 금속을, 이 순으로 중첩하고, 금속측으로부터 레이저광을 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로, 각 부재를 원 패스 접합하는 것이다.

이어서, 본 발명의 제4 형태의 접합법의 기본 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, CFRP 부재에 수지를 포함하는 중간 부재와 금속을 이 순으로 중첩하고, 금속측으로부터 원 패스만의 레이저광 조사에 의해, 중간 부재를 개재시켜 CFRP 부재와 금속을 접합한다.

도 11에 CFRP 부재, 중간 부재 및 금속으로 구성되는 피접합 부재를 도시한다. 도 11의 (a)는 피접합 부재의 평면도를 도시하고, 도 11의 (b)는 피접합 부재의 측면도를 도시한다. 도 11의 (a)에 도시하는 바와 같이, 중간 부재(2)를 개재시켜 CFRP 부재(1')와 금속판(1)의 적어도 접합 예정 개소를 겹쳐, 피접합 부재로 한다. 그리고, 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같이, 중간 부재(2)의 CFRP 부재(1')와 접촉하지 않는 측의 표면 상에 금속판(1)을 중첩한다. 또한, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두고 2개의 클램프(3)로 CFRP 부재(1'), 중간 부재(2) 및 금속판(1)을 밀착 고정하면 된다.

도 12에 CFRP 부재, 중간 부재, 금속판을 중첩하고, CFRP 부재와 금속판을 접합하고 있는 상황을 도시한다. 도 12는, 도 11의 (b)와 마찬가지로 피접합 부재를 측면으로부터 본 도면이며, 중첩하여 밀착 고정된 CFRP 부재(1'), 중간 부재(2) 및 금속판(1)에, 금속판(1)측으로부터 레이저광(4)을 금속판(1)의 표면에 조사하여 접합하고 있는 상황을 도시하고 있다. 그리고, 피접합 부재에, 도 11에 도시하는 접합 진행 방향의 폭 a의 방향(도 12의 지면 수직 방향)으로, 원 패스만의 레이저 조사에 의해, 금속을 가열하고, 그 열전도에 의해 중간 부재(2)를 용융하여, CFRP 부재와 금속을 접합한다.

레이저광(4)의 조사에서는, 예를 들어 반도체 레이저를 사용하여, 레이저 출력 3kW로 하고, 접합 속도 1.5m/min으로 접합한다. 또한, 레이저광(4)의 조사에 있어서, 디포커스양을 +50㎜, 즉, 레이저를 집광하는 렌즈의 초점 위치로부터 50㎜ 하측의 위치를 금속판(1)의 표면 위치에 일치시킨다.

본 발명의 제4 형태에서는, 금속에 레이저 조사하고 있기 때문에, 중간 부재(2)에 직접 레이저 조사되지 않는다. 그로 인해, 고출력의 레이저광 조사에 의해 수지 성분이 휘발될 우려는 적다. 또한, 만일 수지 성분이 휘발되었다고 하더라도, 중간 부재(2)의 레이저광(4)의 조사측에 금속(1)을 설치함으로써, 금속(1)의 주위로부터 휘발된 수지 성분이 배출되기 때문에, 휘발된 수지 성분이 레이저광(4)과 간섭하지 않게 되어, 레이저의 출력을 높여, 고속으로 접합할 수 있다. 따라서, 효율적으로 레이저를 조사하여, 금속을 가열하고, 그 열전도에 의해 중간 부재(2)를 용융해서, CFRP 부재와 금속을 접합할 수 있다.

이어서, 접합한 CFRP 부재와 금속판의 접합 부재에 전단 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험 후의 금속판(1)에는, 중간 부재(2)가 접합된 상태로 되어 있었다. 그리고, 파단은, CFRP 부재(1')에서 일어나고, 금속판(1)에 접합된 상태로 되어 있는 중간 부재(2)에 CFRP 부재의 일부가 부착되어 있었다. 이로부터, 접합 부재의 인장 강도는, CFRP 부재의 인장 강도에 영향을 미치고, 접합부는 견고하게 접합되어 있었다.

이와 같이, 금속과 CFRP 부재의 사이에 접착층으로서 수지를 포함하는 중간 부재를 개재시킴으로써, 레이저의 출력을 높여, 고속으로 원 패스 접합할 수 있음과 함께, 충분한 접합 강도를 갖는 금속과 CFRP 부재의 접합 부재가 얻어진다. 원 패스 접합이므로, 용접 공정을 1회로 할 수 있으므로, 작업 부하나 비용의 저감으로 이어진다.

또한, 금속과 CFRP 부재의 접합 부재에서는, 접합면에서 전식 반응이 일어나고, 그것에 의한 금속의 국소적 부식을 일으킨다는 문제가 있지만, 본 발명의 제4 형태의 용접법에 의해 얻어진 접합 부재는, 금속과 CFRP 부재의 사이에 수지를 포함하는 중간 부재가 삽입되어 있으므로, 금속의 국소적 부식이 억제된다.

본 발명의 제4 형태는, 이상과 같은 검토 과정을 거쳐서 상기 (4)에 기재된 발명에 도달한 것이며, 그러한 본 발명에 대해서, 필요한 요건이나 바람직한 요건에 대하여 이하에서 설명한다.

먼저, 본 발명에서 사용되는, 금속, CFRP 부재, 수지 부재(수지를 포함하는 중간 부재) 및 유리에 대하여 설명한다.

(접합되는 금속)

접합되는 금속은, 자동차 등에서 사용되는 금속이며, 성분 조성도 포함하여, 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사할 경우(제1 형태), 금속의 표면을 가열하기 때문에, 금속의 두께도 특별히 한정되는 것은 아니다. 금속측으로부터 레이저광을 조사하는 경우(제3 형태, 제4 형태), 중간 부재와의 비접촉면측으로부터 레이저광을 조사하여, 열전도에 의해 중간 부재와의 접촉면을 가열해서, 중간 부재를 용융시키기 때문에, 금속의 두께는 3.5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이러한 금속으로서 강재가 예시된다. 또한, 금속의 표면에 도금 등의 처리층을 갖지 않는 것이 바람직하다.

(접합되는 CFRP 부재)

접합되는 CFRP 부재는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 사용 형태에 따라 공지의 CFRP 부재로부터 선택할 수 있다. 또한, CFRP 부재를 구성하는 탄소 섬유로서는, PAN(폴리아크릴니트릴)계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유 등이 예시된다. 특히, PAN계 탄소 섬유는, 강도, 탄성률, 신도의 밸런스가 좋다. 또한, CFRP 부재를 구성하는 수지로서는, 에폭시 수지, 페놀 수지, 벤조옥사진 수지, 비닐에스테르 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 열경화성 수지나, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 수지, ABS 수지, 우레탄 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카르보네이트 등의 수지 등의 열가소성 수지가 예시된다.

(접합되는 수지 부재, 또는 수지를 포함하는 중간 부재)

접합되는 수지 부재(또는 수지를 포함하는 중간 부재)의 원료가 되는 수지는, 사용하는 레이저광을 투과하는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니고, 나일론6(PA6) 등의 폴리아미드 수지(PA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리에스테르 수지, 폴리카르보네이트(PC) 수지, ABS 등의 스티렌계 수지, 아크릴계 수지(PMMA 등) 등의 열가소성 수지가 예시된다. 또한, 수지는, 섬유상 충전제 등의 특성을 향상시키는 충전제를 첨가하고 있는 것이어도 된다.

수지 부재(또는 중간 부재)의 사용하는 레이저광에 대한 투과율은, 접합 속도를 빠르게 하기 위해, 60％ 이상이 바람직하고, 80％ 이상이 더욱 바람직하다. 수지 부재(또는 중간 부재)의 두께는, 0.2㎜ 이상 5.0㎜ 이하로 하면 된다. 0.2㎜ 미만이면, 열용량이 작아 녹아 버려, 접합할 수 없는 경우가 있어, 충분한 접합 강도를 얻지 못하는 경우가 있다. 또한, 5.0㎜를 초과하면, 레이저광의 감쇠가 크고, 강판에 충분한 레이저 파워가 공급되지 않아, 접합할 수 없는 경우가 있다.

또한, 제4 형태에서는, 원 패스 접합으로, 금속을 가열하고, 그 열전도에 의해 중간 부재를 용융하기 때문에, 1.0㎜ 이하의 두께로 하는 것이 바람직하다. 1.0㎜를 초과하면 원 패스만의 레이저 조사로 충분히 수지를 용융할 수 없을 우려가 있다.

(수지 부재 또는 중간 부재에 중첩하는 유리)

유리는, 수지 부재(또는 중간 부재)의 금속 또는 CFRP 부재와 접촉하는 면과 반대측의 레이저광이 조사되는 측의 면에 중첩된다. 이 유리는, 휘발되는 수지 성분이 레이저광과 간섭하지 않도록, 휘발 성분을 유리판의 외주로부터 배출시키는 것이다. 유리는, 사용하는 레이저광을 투과하고, 휘발된 수지 성분과 반응하지 않는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니며, 석영 유리가 예시된다.

사용하는 레이저광에 대한 유리의 투과율은, 접합 속도를 빠르게 하기 위해, 60％ 이상이 바람직하고, 90％ 이상이 더욱 바람직하다. 투과율을 높이기 위해, 유리의 표리면을 평행 연마하는 것이 바람직하다. 또한, 유리의 두께는, 1.0㎜ 이상 5.0㎜ 이하로 하면 된다. 1㎜ 이하이면, 클램프로 파지할 경우, 그 가압력을 견뎌낼 수 없는 경우가 있다. 또한, 클램프로 파지하는 것은 필수적이지는 않으므로, 1.0㎜보다도 얇은 유리를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 5.0㎜를 초과하면, 레이저광이 투과되기 어려워져, 접합의 작업성이 저하된다. 또한, 유리의 폭은, 휘발되는 수지 성분이 레이저광과 간섭하지 않도록 배출되게, 접합 예정부의 폭보다도 넓은 것이 바람직하다.

유리는, 접합 예정 개소에 겹치는 부분의 유리의 표면에, 레이저광의 반사를 방지하는 반사 방지막이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 레이저광은, 그 파장에 따라서 유리에 의해 20％ 정도 반사되는 경우가 있고, 유리의 표면에 반사 방지막을 설치함으로써 수％ 정도의 반사로 억제되어, 레이저의 에너지를 효율적으로 이용할 수 있으며, 고속으로의 용접이 가능하게 된다. 반사 방지막은, 특별히 한정되는 것은 아니고, 레이저광의 파장에 따라, 공지된 반사 방지막을 형성할 수 있다.

휘발되는 수지 성분은, 유리에 의해, 유리의 외주로부터 배출되고, 레이저광과 간섭하지 않게 된다. 유리의 외주로부터 배출된 휘발 성분에, 송풍을 행하여 확산시켜도 된다. 이에 의해, 휘발 성분의 레이저광에 대한 간섭을 더욱 확실하게 억제할 수 있다. 송풍의 수단으로서, 블로워, 팬, 가스 제트 등을 사용할 수 있다.

(금속, CFRP 부재, 수지 부재 또는 수지를 포함하는 중간 부재, 유리의 형상)

접합되는 금속, CFRP 부재 및 수지 부재(또는 중간 부재)의 형상은, 적어도 접합 개소가 판상이면 되고, 레이저 조사면측에서 보았을 때, 직사각 형상, 원 형상, 타원 형상 등 어떠한 형상이어도 되며, 또한, 전체가 판이 아니어도 된다. 예를 들어, 굽힘 가공, 프레스 가공, 펀칭 가공 등이 실시되어 있어도 되고, 단면 해트형의 특정한 형상으로 프레스 성형 등이 된 부재의 플랜지부 등을 포함하는 것이다.

또한, 중간 부재는, 금속과 CFRP 부재의 접합 예정 개소에 접착층으로서 설치되는 것이지만, 부품의 경량화를 위한 금속의 일부로 치환하는 부재로서, 또는, 부품에 여러 특성을 구비시키기 위한 부재로서 설치하는 것으로 해도 된다. 그 때에는, 적어도 금속과 CFRP 부재의 접합 예정 개소를 덮을 수 있는 형상으로서, 사용 형태에 따른 형상으로 하면 되고, 금속 및 CFRP 부재의 형상과 마찬가지로, 적어도 접합 개소가 판상이라면, 어떠한 형상이어도 되며, 또한, 전체가 판상이 아니어도 된다.

또한, 유리는, 접합 예정 개소를 덮을 수 있으면 되고, 금속, CFRP 부재 및 수지 부재(또는 중간 부재)의 형상에 따라서 조정된다. 이 접합 예정 개소를 덮는다는 것은, 접합 예정 개소의 폭의 1배 이상, 또는, 금속 또는 CFRP 부재와 수지 부재(또는 중간 부재)의 접합 계면에 있어서의 레이저광의 집광 면적의 1배 이상을 덮는 것이다.

이어서, 레이저 접합 장치 및 레이저 접합 방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 접합 방법에서 사용하는 레이저 접합 장치는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 종래의 레이저 접합 장치를 채용할 수 있다. 또한, 레이저 접합 장치에, 리모트 레이저 헤드를 사용할 수도 있다.

레이저 접합 장치는, 레이저 발진기, 광로, 집광 광학계, 구동계, 실드 가스계 등으로 구성되어 있다. 레이저 발진기로서는, CO₂ 레이저, YAG 레이저, 파이버 레이저, DISK 레이저 등의 레이저를 사용할 수 있다. 레이저 발진기에서 발진된 레이저는, 광로를 통하여 집광 광학계에 유도된다. 집광 광학계는, 포물선 면경이나 집광 렌즈 등으로 구성되어 있고, 전송되어 온 레이저를 집광한다. 레이저의 초점 위치는 가변이며, 예를 들어 레이저가 유리를 투과하여 조사될 경우(제1 내지 3의 형태), 금속과 수지 부재 또는, CFRP 부재와 수지 부재(중간 부재)의 접합 계면에 있어서, 레이저광의 집광 면적이 40.85㎟가 되도록, 소정의 디포커스양을 설정하고, 조정해도 된다. 레이저가 금속에 조사될 경우(제3 형태, 제4 형태), 금속을 가열하고, 그 열전도에 의해 중간 부재를 용융하므로, 금속의 표면 위치에서 원하는 집광 면적이 얻어지도록, 디포커스양을 설정하고, 조정해도 된다. 집광 형상은 직사각형이나 타원형 등으로 할 수 있다. 그리고, 레이저광을 피접합 부재에 조사하고, 구동계를 이동시켜서 접합을 진행시킨다. 이동시키는 것은 집광 광학계여도, 피접합 부재여도 된다. 또한 갈바노 미러로 레이저광을 주사해도 된다. 또한, 광로를 사용하지 않고 발진기로부터 나온 광이 직접 집광 광학계에 유도되는 반도체 레이저를 사용할 수도 있다. 실드 가스는 필요에 따라 사용해도 된다.

(레이저 접합 방법)

레이저 접합 방법에서는, 레이저가 유리를 투과하여 조사될 경우(제1 내지 3의 형태), 금속과 수지 부재, CFRP 부재와 수지 부재(중간 부재)를 중첩하고, 수지 부재(중간 부재)의 레이저 조사면측에 유리를 배치하고, 레이저 출력을 높여, 접합 속도를 빠르게 하여 접합한다. 이때, 레이저 출력 2 내지 4kW, 집광 면적 20 내지 60㎟, 접합 속도 0.5 내지 5.0m/min의 접합 조건에서 행할 수 있고, 종래에 비하여 매우 고속으로의 접합이 실현된다. 레이저가 금속에 조사될 경우(제3 형태, 제4 형태)에도, 레이저가 유리를 투과하여 상기 부재의 접합을 하는 경우와 동등한 조건을 채용할 수 있다. 집광 형상은 직사각형이나 타원형 등, 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 접합 속도가 0.5m/min 미만이면, 출력이 낮아 수지의 휘발량이 적기 때문에, 휘발된 수지에 의한 레이저광에 대한 간섭은 발생하지 않고, 금속 또는 CFRP 부재와 수지 부재(중간 부재)의 접합을 할 수 있다. 접합 속도가 5m/min을 초과하면 고출력의 레이저가 필요해지고, 그러한 고출력의 레이저를 사용하면 수지 부재 또는 금속이 열에 의한 영향을 받아, 그 특성이 변화되어 버릴 우려가 있다.

또한, 금속, CFRP 부재, 수지 부재(중간 부재) 및 유리를 가압 고정하면, 보다 접합 강도가 향상되기 때문에 바람직하다. 금속, CRFP 부재, 수지 부재(중간 부재) 및 유리의 가압 고정 방법은, 특별히 한정되지 않고, 클램프 등에 의해 사이에 끼워서 가압 고정하는 방법이 예시된다.

[실시예]

이어서, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 하나의 조건 예이며, 본 발명은 이 하나의 조건 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

(발명예 1: 금속과 수지 부재의 접합)

먼저, 접합되는 금속은, 판 두께 1.4㎜의 강판이며, 접합되는 수지 부재는, 판 두께 2.0㎜의 PET 수지이며, 양자 모두 도 4에 있어서의 접합 진행 방향의 폭 a가 30㎜, 접합 진행 방향에 수직 방향의 길이 b1 및 b2가 150㎜인 것을 사용하였다. 유리는 직경 φ54.6㎜, 판 두께 1.5㎜의 원형 판상이며, 반사 방지막을 갖는 석영 유리를 사용하였다. 그리고, 도 4에 도시하는 바와 같이, 강판의 일부와 수지 부재의 일부를 겹치고, 겹침 부분의 접합 진행 방향의 폭 a를 30㎜로 하고, 겹침 부분의 접합 진행 방향과 수직 방향의 길이 b3을 45 내지 50㎜로 하였다. 그리고, 겹침 부분 전체를 덮도록 유리판을 수지 부재 상에 얹고, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프로 강판, 수지 부재 및 유리를 밀착 고정하였다.

레이저는, 파장 940㎚의 반도체 레이저를 사용하였다. 수지 부재의 레이저광에 대한 투과율은 86％이며, 유리의 레이저광에 대한 투과율은 93％였다. 그리고, 레이저 출력 3kW로 해서, 유리와 접한 당해 수지 부재면에 유리를 통과하여 레이저를 조사하고, 접합 속도 1.5m/min으로 a 방향으로 레이저광의 조사 위치를 이동시켜서, 금속과 수지 부재를 접합하여, 발명예 1의 시험편 1-1을 얻었다. 또한, 레이저광의 조사에서는, 접합 개소에 대하여 레이저광의 광축 방향에 디포커스양 +50㎜로 설정하였다. 집광 사이즈는 추정으로 4.3㎜×9.5㎜, 집광 면적이 40.85㎟인 직사각형이다.

또한, 비교예 1-2로서, 유리를 사용하지 않는 점을 제외하고, 발명예 1과 동일한 재료 및 접합 조건에서 금속과 수지 부재를 레이저 접합하여, 시험편 1-2를 얻었다. 또한, 비교예 1-3으로서, 유리판을 사용하지 않고, 접합 속도 0.3m/min으로 한 점을 제외하고, 발명예와 동일한 재료 및 접합 조건에서, 금속과 수지 부재를 레이저 접합하여, 시험편 1-3을 얻었다.

30㎜ 폭으로 중첩한 접합 후의 시험편에 대해서, 그대로 전단 인장 시험을 실시하였다. 도 13에 시험편의 전단 인장 강도를 나타낸다. 유리를 사용해서1.5m/min의 접합 속도로 접합한 시험편 1-1은, 유리판을 사용하지 않고 1.5m/min의 접합 속도로 접합한 시험편 1-2와 비교하여, 전단 인장 강도가 높다. 또한, 시험편 1-1은, 유리 없이 0.3m/min의 접합 속도로 접합한 시험편 1-3과 비교하여, 전단 인장 강도가 동일 정도였다. 이로부터, 유리판을 수지 부재 위에 겹쳐서 레이저 접합함으로써, 접합 속도를 빠르게 해도 접합 강도가 높은 접합부가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

(발명예 2: CFRP 부재와 수지 부재의 접합)

먼저, 접합되는 CFRP 부재는 판 두께 1.4㎜의 판이며, 접합되는 수지 부재는 판 두께 2.0㎜의 PET 수지이며, 양자 모두 도 4에 있어서의 접합 진행 방향의 폭 a가 30㎜, 접합 진행 방향에 수직 방향의 길이 b1 및 b2가 150㎜인 것을 사용하였다. 유리는 직경 φ54.6㎜, 판 두께 1.5㎜의 원형 판상이며, 반사 방지막을 갖는 석영 유리를 사용하였다.

그리고, 도 4에 도시하는 바와 같이, CFRP 부재의 일부와 수지 부재의 일부를 겹치고, 겹침 부분의 접합 진행 방향의 폭 a를 30㎜로 하고, 겹침 부분의 접합 진행 방향과 수직 방향의 길이 b3을 45 내지 50㎜로 하였다. 그리고, 겹침 부분 전체를 덮도록 유리판을 수지 부재 상에 얹고, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프로 CFRP 부재, 수지 부재 및 유리를 밀착 고정하였다.

레이저는, 파장 940㎚의 반도체 레이저를 사용하였다. 수지 부재의 레이저광에 대한 투과율은 86％이며, 유리의 레이저광에 대한 투과율은 93％였다. 그리고, 레이저 출력 3kW로 해서, 유리와 접한 당해 수지 부재면에 유리를 통과하여 레이저를 조사하고, 접합 속도 1.5m/min으로 a 방향으로 레이저광의 조사 위치를 이동시키고, CFRP 부재와 수지 부재를 접합하여, 발명예 2의 시험편 2-1을 얻었다. 또한, 레이저광의 조사에서는, 접합 개소에 대하여 레이저광의 광축 방향으로 디포커스양+50㎜로 설정하였다. 집광 사이즈는 추정으로 4.3㎜×9.5㎜, 집광 면적이 40.85㎟의 직사각형이다.

또한, 비교예 2-2로서, 유리를 사용하지 않는 점을 제외하고, 발명예와 동일한 재료 및 접합 조건에서 CFRP 부재와 수지 부재를 레이저 접합하여, 시험편 2-2를 얻었다.

30㎜ 폭으로 중첩한 접합 후의 시험편에 대해서, 그대로 전단 인장 시험을 실시하였다. 도 14에 시험편의 전단 인장 강도를 나타낸다. 유리를 사용하여 접합한 시험편 2-1은, 유리판을 사용하지 않고 접합한 시험편 2-2와 비교하여, 전단 인장 강도가 매우 높아졌다. 이로부터, 유리를 수지 부재 위에 겹쳐서 레이저 접합함으로써, 접합 속도를 빠르게 해도, 접합 강도가 높은 접합부가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

(발명예 3: 중간재를 개재시킨 금속과 CFRP 부재의 접합)

먼저, 접합되는 금속은 판 두께 1.4㎜의 강판이며, 접합되는 CFRP 부재는 판 두께 1.0㎜의 판이며, 접합되는 수지를 포함하는 중간 부재는, 판 두께 2.0㎜의 PET 수지이며, 도 11에 있어서의 접합 진행 방향의 폭 a가 30㎜, 접합 진행 방향에 수직 방향의 길이 b1이 45 내지 50㎜, b2 및 b3이 150㎜인 것을 사용하였다.

그리고, 도 8에 도시하는 바와 같이, CFRP 부재의 일부와 중간 부재를 겹치고, 겹침 부분의 접합 진행 방향의 폭 a를 30㎜로 하고, 겹침 부분의 접합 진행 방향과 수직 방향의 길이를 45 내지 50㎜로 하였다. 그리고, 겹침 부분 전체를 덮도록 유리판을 중간 부재 상에 얹고, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프로 CFRP 부재, 중간 부재 및 유리를 밀착 고정하였다. 유리는, 직경 φ54.6㎜, 판 두께 1.5㎜의 원형 판상이며, 반사 방지막을 갖는 석영 유리를 사용하였다.

레이저는, 파장 940㎚의 반도체 레이저를 사용하였다. 중간 부재의 레이저광에 대한 투과율은 86％이며, 유리의 레이저광에 대한 투과율은 93％였다. 그리고, 레이저 출력 3kW로 해서, 유리와 접한 당해 수지 부재면에 유리를 통과하여 레이저를 조사하고, 접합 속도 1.5m/min으로 a방향으로 레이저광의 조사 위치를 이동시켜, CFRP 부재와 중간 부재를 접합하였다. 또한, 레이저광의 조사에서는, 접합 개소에 대하여 레이저광의 광축 방향으로 디포커스양+50㎜로 설정하였다. 집광 사이즈는 추정으로 4.3㎜×9.5㎜, 집광 면적이 40.85㎟인 직사각형이다.

이어서, 도 11에 도시하는 바와 같이, 중간 부재가 접합된 CFRP 부재에 금속을 겹치고, 겹침 부분의 접합 진행 방향의 폭 a를 30㎜로 하고, 겹침 부분의 접합 진행 방향과 수직 방향의 길이를 45 내지 50㎜로 하였다. 그리고, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프로 금속, CFRP 부재 및 중간 부재를 밀착 고정하였다.

레이저는, 파장 940㎚의 반도체 레이저를 사용하고, 레이저 출력 3kW로 해서, 금속면에 레이저광을 조사하고, 접합 속도 1.5m/min으로 a 방향으로 레이저광의 조사 위치를 이동시켜, 금속과, 중간 부재가 접합된 CFRP 부재를 접합하여, 발명예 3의 시험편 3-1을 얻었다. 또한, 레이저광의 조사에서는, 금속 표면에 대하여 레이저광의 광축 방향으로 디포커스양+50㎜로 설정하였다. 집광 사이즈는 추정으로 4.3㎜×9.5㎜, 집광 면적이 40.85㎟인 직사각형이다.

또한, 비교예 3-2로서, 중간 부재를 사용하지 않고, 시험편 3-1과 동일한 재료 및 접합 조건에서, 금속과 CFRP 부재를 직접 중첩하고, 금속측으로부터 레이저광을 조사해서 접합하여, 시험편 3-2를 얻었다.

시험편에 대해서, 전단 인장 시험을 실시하였다. 시험편 3-1은 인장 강도가 600N이었던 것에 반해, 시험편 3-2는 인장 시험기에 클램프하는 것만으로 금속과 CFRP 부재가 박리되어 버렸다.

(발명예 4: 중간재를 개재시킨 금속과 CFRP 부재의 원 패스 접합)

먼저, 접합되는 금속은 판 두께 1.4㎜의 강판이며, 접합되는 CFRP 부재는 판 두께 1.0㎜의 판이며, 접합되는 수지를 포함하는 중간 부재는 판 두께 1.0㎜의 PET 수지이며, 도 11에 있어서의 접합 진행 방향의 폭 a가 30㎜, 접합 진행 방향에 수직 방향의 길이 b1이 45 내지 50㎜, b2 및 b3이 150㎜인 것을 사용하였다.

그리고, 도 11에 도시하는 바와 같이, CFRP 부재의 일부와 중간 부재와 금속을 겹치고, 겹침 부분의 접합 진행 방향의 폭 a를 30㎜로 하고, 겹침 부분의 접합 진행 방향과 수직 방향의 길이를 45 내지 50㎜로 하였다. 그리고, 레이저광을 조사할 수 있는 간격을 두어 2개의 클램프로 CFRP 부재, 중간 부재 및 금속을 밀착 고정하였다.

레이저는, 파장 940㎚의 반도체 레이저를 사용하고, 레이저 출력 3kW로 해서, 금속면에 레이저광을 조사하고, 접합 속도 1.5m/min으로, a 방향으로 레이저광의 조사 위치를 원 패스만큼 이동시켰다. 이에 의해, 금속을 가열하고, 그 열전도에 의해 중간 부재를 용융하고, CFRP 부재와 금속을 접합하여, 발명예 4의 시험편 4-1을 얻었다. 또한, 레이저광의 조사에서는, 금속 표면에 대하여 레이저광의 광축 방향으로 디포커스양+50㎜로 설정하였다. 집광 사이즈는 추정으로 4.3㎜×9.5㎜, 집광 면적이 40.85㎟인 직사각형이다.

또한, 비교예 4-2로서, 중간 부재를 사용하지 않고, 시험편 4-1과 동일한 재료 및 접합 조건에서, 금속과 CFRP 부재를 직접 중첩하고, 금속측으로부터 레이저광을 조사해서 접합하여, 시험편 4-2를 얻었다.

시험편에 대해서, 전단 인장 시험을 실시하였다. 시험편 4-1은, 인장 강도가 600N이었던 것에 비해, 시험편 4-2는, 인장 시험기에 클램프하는 것만으로 금속과 CFRP 부재가 박리되어 버렸다.

본 발명에 따르면, 금속과 수지 부재의 접합, CFRP 부재와 수지 부재의 접합, 및 중간 부재를 개재시킨 금속과 수지 부재의 접합을, 고속으로 실현할 수 있고, 또한, 그것들의 접합 강도가 우수하다. 또한, 원 패스 용접으로, 중간 부재를 개재시킨 금속과 수지 부재의 접합도 가능하다. 따라서, 본 발명은 산업상 이용 가능성이 높은 것이다.

1: 강판
1': CFRP 부재
2: 수지 부재, 중간 부재
3: 클램프
4: 레이저광
5: 용융부
6: 접합부
7: 유리
a: 접합 진행 방향의 폭
b1: 수지의 접합 진행 방향에 수직 방향의 길이
b2: 금속의 접합 진행 방향에 수직 방향의 길이
b3: 겹침 부분의 접합 진행 방향과 수직 방향의 길이

Claims (4)

1. 금속과 수지 부재를 중첩해서 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 접합하는 접합 방법에 있어서,
   상기 금속에, 레이저광이 투과되는 상기 수지 부재와 유리를, 이 순으로 중첩하고, 상기 수지 부재측으로부터 상기 유리를 통해 상기 레이저광을 상기 금속과 상기 수지 부재가 중첩된 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 접합하는 것을 특징으로 하는, 금속과 수지 부재의 접합 방법.
2. 탄소 섬유 강화 수지 부재와 수지 부재를 중첩해서 수지 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 접합하는 접합 방법에 있어서,
   상기 탄소 섬유 강화 수지 부재에, 레이저광이 투과되는 상기 수지 부재와 유리를, 이 순으로 중첩하고, 상기 수지 부재측으로부터 상기 유리를 통해 상기 레이저광을 상기 탄소 섬유 강화 수지 부재와 상기 수지 부재가 중첩된 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 접합하는 것을 특징으로 하는, 탄소 섬유 강화 수지 부재와 수지 부재의 접합 방법.
3. 수지를 포함하는 중간 부재를 개재시켜 금속과 탄소 섬유 강화 수지 부재를 레이저광을 조사하여 접합하는 방법에 있어서,
   상기 탄소 섬유 강화 수지 부재와 레이저광이 투과되는 수지를 포함하는 상기 중간 부재를 접합하고, 이어서, 당해 중간 부재와 상기 금속을 접합하는 것이며,
   상기 탄소 섬유 강화 수지 부재와 상기 중간 부재의 접합 시, 상기 탄소 섬유 강화 수지 부재에, 상기 중간 부재와 유리를, 이 순으로 중첩하고, 당해 중간 부재측으로부터 당해 유리를 개재시켜 레이저광을 당해 탄소 섬유 강화 수지 부재와 당해 중간 부재가 중첩된 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 접합하고,
   상기 중간 부재와 상기 금속의 접합 시, 상기 중간 부재의 표면에, 상기 금속을 중첩하고, 접합 개소의 금속 표면에 레이저광을 조사해서 당해 금속을 가열하여, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 접합하는
   것을 특징으로 하는, 중간 부재를 개재시킨 금속과 탄소 섬유 강화 수지 부재의 접합 방법.
4. 수지를 포함하는 중간 부재를 개재시켜 금속과 탄소 섬유 강화 수지 부재를 원 패스만의 레이저광 조사에 의해 접합하는 방법에 있어서,
   상기 탄소 섬유 강화 수지 부재에, 상기 중간 부재와 상기 금속을, 이 순으로 중첩하고, 당해 금속측으로부터 레이저광을 당해 금속과 당해 탄소 섬유 강화 수지 부재와 당해 중간 부재가 중첩된 접합 개소에 조사하고, 접합 속도 0.5m 내지 5.0m/min으로 원 패스 접합하는
   것을 특징으로 하는, 중간 부재를 개재시킨 금속과 탄소 섬유 강화 수지 부재의 접합 방법.

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