WO2022224471A1 - 繊維強化プラスチック用溶接棒、及び繊維強化プラスチック用溶接棒を使用する溶接方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention provides a fiber-reinforced plastic member containing the same fiber selected from carbon fiber, glass fiber, boron fiber, aramid fiber, polyethylene fiber, modified polyphenylene ether fiber, cellulose nanofiber, etc., for use in welding between fiber-reinforced plastic members.
- the present invention relates to a welding rod for plastics and a welding method using a welding rod for fiber-reinforced plastics.
- methods for joining plastics containing fibers include mechanical methods such as clamping, bonding methods using adhesives such as rubber, There are welding methods using ultrasonic waves, friction, and the like, and the welding methods include those using wave motion such as ultrasonic waves, high frequencies, or lasers as heat sources, those using friction such as frictional heat, and hot air. Alternatively, there is a type in which external heating by a hot plate is used as a heat source.
- Welding of natural resin and synthetic resin plastics is generally performed by using a welding rod having the same composition as the plastic, and while applying a suitable pressing force to the joint surface of the joint with the lower end of the welding rod, Using hot air as a heat source, the welding rod is melted and welded by advancing while filling the joint surface of the joint.
- fixing between fiber-reinforced plastic members such as carbon fiber, glass fiber, boron fiber, aramid fiber, polyethylene fiber, modified polyphenylene ether fiber, or cellulose nanofiber is generally performed by adhesion method or mechanical fixation such as tightening. Welding was not done in practice.
- Patent Document 1 discloses welding joints between carbon fiber reinforced plastics (CFRP) or between carbon fiber reinforced plastics (CFRP) and metal using a solid-state laser with a wavelength of 532 nm to 1080 nm.
- a laser welding method for fiber-reinforced composite materials in which a joint portion is filled with a filler material, and the filler material is irradiated with a laser beam to melt the filler material while performing laser welding, wherein the filler material is a thermoplastic resin, a thermosetting resin, or a mixture of a thermoplastic resin and a thermosetting resin, and a reinforcing material containing one or more selected from the group consisting of reinforced carbon fibers, reinforced glass, and whiskers;
- a method for laser welding fiber reinforced composites containing less than 80% by weight of said filler material out of 100% by weight is disclosed.
- Patent Document 2 describes a method for welding two polyamide plastics using a primer, wherein the primer contains at least one polymer synthesized from at least one maleic anhydride or a maleic anhydride derivative, a seam welding method. disclosed.
- Patent Document 3 the resin in the fiber-reinforced plastic welded portion is dissolved and removed to expose the reinforcing fibers, and the space where the fibers are exposed is filled with another reinforcing fiber, and then, or the fibers are welded to each other. Further, a method for welding fiber-reinforced plastics is disclosed in which molten resin is injected into the space and solidified to fix the fiber-reinforced plastics.
- a first welding material is supplied from a welding material supply pipe provided in a nozzle portion, and a gas is supplied from a gas supply portion to a hot air supply pipe in which a ceramic heater is built.
- the gas is heated to make hot air, the hot air is sent to a hot air discharge pipe connected to the hot air supply pipe, introduced into a hot air introduction pipe provided in the nozzle part and connected to the hot air discharge pipe, and supplied to the nozzle part.
- the first welding material is heated and pressed by jetting the hot air in the longitudinal direction from the front end to the rear end of the first welding material by the provided roller, and then the roller is pressed to the first welding material.
- the second welding material After returning to the tip of the second welding material, the second welding material is supplied so that the width direction partially overlaps on the first welding material, and the overlapping portion of the first welding material and the second welding material is While being melted by jetting the hot air, pressure is applied in the longitudinal direction from the front end to the rear end of the overlapped portion of the first welding material and the second welding material by the rollers provided in the nozzle portion. Then, the overlapping portions of the first welding material and the second welding material are crimped and integrated, and a cooling air is supplied from a cooling pipe provided in the nozzle portion to connect the first welding material and the second welding material.
- a method of welding resin, glass fiber reinforced plastic (GFRP), carbon fiber reinforced plastic (CFRP), or carbon materials is disclosed that cools the overlapping portion of the second weld material.
- the filler material is irradiated with a laser beam and melted, and the laser beam is generally irradiated to a spot of 1 mm or less, so as described in Patent Document 1, the laser
- the groove shape must be processed with high dimensional accuracy, the groove shape must be a mosaic joint that can be fitted instead of a straight joint, and laser welding equipment is expensive. There was a problem, and there was a problem that it was not practical.
- Patent Document 2 Since the invention of Patent Document 2 is based on the premise of seam welding as described in the specification of Patent Document 2, joints with undulations that are not suitable for seam welding equipment, or fine curves that continue in the left-right direction There is a problem that it is not practical because it cannot be applied to joints and its range of use is limited.
- Patent Document 3 has the problem that it is not practical because it is an extremely troublesome welding method of melting the resin of the base material, filling it with another reinforcing fiber, and injecting the molten resin.
- Patent Document 4 The invention of Patent Document 4 is described in paragraph 0034 of Patent Document 4 that the welding rod is of the same type as the material to be welded, and in paragraph 0035, in the case of carbon fibers, the welding rod needs to be 800 to 2000 to weld these fibers. It is described that welding cannot be performed unless the temperature is raised to about °C. Since it is difficult for a worker to weld a part heated to a high temperature of 2000°C, there was a problem that it could only be used for welding automation equipment suitable for mass production and not suitable for manual welding, which is often used for individual production. .
- the present invention was invented in view of these problems, and enables welding of fiber-reinforced plastic members even by a welding operation by a worker, and can weld joints having any shape of groove.
- thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod according to claim 1 is filled in a welded joint between thermoplastic fiber-reinforced plastic members, and melts the welding rod at the same time as the thermoplastic fiber-reinforced plastic member by hot air or a hot plate member.
- a welding rod for fiber-reinforced plastics that can be melted by the heating means of (1), wherein a mixture of fibers and a thermoplastic resin is formed into a rod shape, and the content of the fibers is 1 weight when the mixture is 100% by weight. % to 35% by weight or less.
- thermoplastic fiber-reinforced plastics according to claim 2 is characterized in that, in claim 1, the fibers are carbon fibers, glass fibers, boron fibers, aramid fibers, polyethylene fibers, modified polyphenylene ether fibers, and cellulose nanofibers. It is characterized by being either one of
- a welding method using the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod according to claim 3 is a welding method between thermoplastic fiber-reinforced plastic members, wherein the thermoplastic resin of the thermoplastic fiber-reinforced plastic member as a base material and A welding rod selection step of selecting a welding rod for thermoplastic fiber reinforced plastic containing a thermoplastic resin that produces an anchoring effect and having a fiber content of 1% by weight or more to 35% by weight or less, and the thermoplastic fiber reinforcement The tip of the welding rod for plastic is applied to the joint surface of the joint between the thermoplastic fiber reinforced plastic members that are the base materials with an appropriate pressing force, and the thermoplastic fiber reinforced plastic is heated by hot air or a heating means of the hot plate member.
- thermoplastic resins contained in the welding rod and the thermoplastic fiber-reinforced plastic member are melted, and the joint surface of the joint portion is filled with the molten thermoplastic resin and the unmelted fibers, and the joint portion and a welding step of moving the tip portion of the welding rod for thermoplastic fiber-reinforced plastics along while pressing it against the joint surface of the joint portion.
- thermoplastic fiber-reinforced plastics has the effect that thermoplastic fiber-reinforced plastic members can be welded together by an inexpensive heating means such as hot air or a hot plate member.
- an inexpensive heating means such as hot air or a hot plate member.
- it can be welded with any groove shape, even if it is linear, curved, or uneven in plan view, and the dimensional accuracy of the groove shape can be improved.
- it does not require laser cutting and can be welded with dimensional precision machined with an NC router or general-purpose lathe. It can be welded and has the effect of obtaining the tensile strength of welding as a fiber-reinforced plastic product. Therefore, the welding rod for thermoplastic fiber-reinforced plastics of the present invention is practical.
- thermoplastic region of the tip of the welding rod for fiber-reinforced plastic and the thermoplastic region of the fiber-reinforced plastic member, which is the base material are melted at the joint location by hot air or an inexpensive means of heating the hot plate member.
- a mixed portion was formed between the base material and the welding rod, and a predetermined tensile strength could be obtained due to the anchoring effect of the thermoplastic resin and the fibers in the mixed portion.
- thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod according to claim 3 has the same effect as the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod according to claim 1 or 2. Therefore, it has the effect of being practical as a welding method for thermoplastic fiber reinforced plastics.
- Welding using the welding rod for thermoplastic fiber-reinforced plastics of the present invention is effective in that it can be applied to welding performed by humans as well as welding automation equipment.
- Fig. 1 is a flow diagram of a welding method using the welding rod for thermoplastic fiber-reinforced plastics of the present invention. It is explanatory drawing which shows an example of embodiment of a welding method.
- JIS Z 3831: 2002 defines the test method and judgment criteria for the plastic welding technology test, and the types of test pieces are polyvinyl chloride, polypropylene, and high-density polyethylene with a tensile yield stress of 50 MPa or more. Only three types are specified. Since there is no provision for fiber-reinforced plastic welding, it indicates that fiber-reinforced plastic welding is generally not performed.
- thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 of the present invention is filled in the welded joint between the thermoplastic fiber-reinforced plastic members, which are the base materials 5a and 5b, and can be melted by hot air or a heating means (not shown) of the hot plate member.
- a welding rod 4 for fiber-reinforced plastics wherein a mixture of fibers and a thermoplastic resin is formed into a rod shape, and the content of the fibers is 1% by weight or more to 35% by weight when the mixture is 100% by weight. % or less.
- thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 of the present invention welds the thermoplastic fiber-reinforced plastic members, which are the base materials 5a and 5b, together by butt welding, T-shaped fillet welding, or L-shaped fillet welding. When fixing, it melts together with the base materials 5a and 5b, fills the joining surfaces of the joint portion, cools, and fixes the base materials 5a and 5b of the thermoplastic fiber reinforced plastic members to each other by the anchoring effect.
- the anchoring effect in the present invention refers to the thermoplastic resin containing the fibers of the thermoplastic fiber-reinforced plastic members, which are the base materials 5a and 5b, and the heat flux containing the fibers of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4.
- the plastic resin melts almost simultaneously with the same heating means and solidifies after cooling, the fibers of the base material 5a, the base material 5b, and the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4, the base material 5a, the base material It means that the material 5b and the respective thermoplastic resins of the welding rod 4 for thermoplastic fiber-reinforced plastic are mixed, and the base material 5a and the base material 5b are strongly connected.
- thermoplastic resin is firmly connected by entering fine irregularities on the joint surface of the joint part of the base materials 5a and 5b, and secondly, the fiber itself There are fine irregularities, and the thermoplastic resin enters into these irregularities to firmly connect them, or thirdly, the fibers of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 stick into the joint surfaces of the base materials 5a and 5b.
- the fibers of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 stick into the joint surfaces of the base materials 5a and 5b.
- thermoplastic fiber-reinforced plastic members which are the base materials 5a and 5b, will be described.
- the thermoplastic fiber-reinforced plastic member is a mixture of fiber and thermoplastic resin, and is a part made of thermoplastic fiber-reinforced plastic.
- the thermoplastic fiber reinforced plastic member for example, in the case of a thermoplastic carbon fiber reinforced plastic, has both light weight, high strength and high recyclability. , monocoque frames for automobiles, rotor blades for wind power generation, assist suits, etc.
- the fibers contained in the thermoplastic fiber reinforced plastic member are any one of carbon fiber, glass fiber, boron fiber, aramid fiber, polyethylene fiber, modified polyphenylene ether fiber and cellulose nanofiber, or at least One or more fibers.
- thermoplastic carbon fiber reinforced plastic member in which carbon is contained in the thermoplastic fiber reinforced plastic member as a fiber
- PAN-based carbon fiber the most used PAN-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber or rayon-based carbon fiber
- rayon-based carbon fiber There are carbon fibers, but any of them will do.
- thermoplastic resin contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic member includes polyamide, polyester, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polycarbonate, polyolefin, etc. Any thermoplastic resin may be used.
- thermoplastic fiber-reinforced plastic members which are the base materials 5a and 5b.
- the welding rod for thermoplastic fiber-reinforced plastic is formed by forming a mixture of fibers and a thermoplastic resin into a rod shape, and the content of the fibers is 1% by weight or more to 35% by weight when the mixture is 100% by weight. The following weight percentages are used.
- the fiber contained in the welding rod for thermoplastic fiber-reinforced plastic is any one or at least one of carbon fiber, glass fiber, boron fiber, aramid fiber, polyethylene fiber, modified polyphenylene ether fiber and cellulose nanofiber. more than one.
- the carbon fiber may be one type of PAN-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, or rayon-based carbon fiber, or may be one or more types.
- the types of fibers of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 are preferably the same as the fibers contained in the base materials 5a and 5b.
- the fiber since the anchoring effect occurs even if the type of fiber contained in the base materials 5a and 5b is different, the fiber has an anchoring effect and satisfies the requirements that there is no quality problem as a product. If so, the fiber may be of a type different from that of the base materials 5a and 5b.
- thermoplastic fiber-reinforced plastic members containing carbon fiber were welded.
- aramid fibers, polyethylene fibers, modified polyphenylene ether fibers, and cellulose nanofibers the welding rod 4 for thermoplastic fiber-reinforced plastics of the present invention can be applied.
- thermoplastic resin contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod includes polyamide, polyester, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polycarbonate, polyolefin, and the like.
- thermoplastic resins of the base materials 5a and 5b if the thermoplastic resin has a small difference in melting point when heated, the heat of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 is increased by heating. Since the plastic resin and the thermoplastic resin of the base materials 5a and 5b melt almost simultaneously, the type of the thermoplastic resin of the base materials 5a and 5b and the type of the thermoplastic resin of the welding rod 4 for thermoplastic fiber reinforced plastics.
- a combination of the same type is preferable, but a combination of different types may be used as long as it satisfies the requirement that the anchoring effect is obtained.
- thermoplastic resin contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic member to be the base materials 5a and 5b and the type of thermoplastic resin contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 are the same, for example, the base material
- the thermoplastic resin contained in the materials 5a and 5b is polyamide, and the thermoplastic resin contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 is also polyamide.
- the thermoplastic resin contained in is polyvinyl chloride (melting point is 85° C. to 210° C.) and the thermoplastic resin contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 is acrylic resin (melting point is 160° C.) Say.
- the mixing ratio of the fibers of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 and the thermoplastic resin is determined by mixing the fibers contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic members, which are the base materials 5a and 5b, with the thermoplastic resin. Regardless of the ratio, the mixture ratio is set so as to satisfy the tensile strength of the weld quality.
- the heating means for melting the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 and the thermoplastic fiber-reinforced plastic members that are the base materials 5a and 5b is heating means using hot air or a hot plate member.
- the heating means does not require laser beam irradiation, which requires expensive equipment, to melt the welding rod for plastic welding.
- Existing heating means can be used as they are.
- thermoplastic fiber reinforced plastics of the present invention In order to perform a tensile test using the welding rod 4 for thermoplastic fiber-reinforced plastics of the present invention, as a representative example, a welding rod 4 for thermoplastic carbon fiber-reinforced plastics containing carbon fiber (rod diameter 3 mm) is used.
- Table 1 shows the results of a tensile test at a tensile speed of 50 mm/min when two test pieces each having a width of 20 mm, a length of 30 mm, and a plate thickness of 2 mm were butt-welded.
- the average value indicates the average value of 3 experiments.
- the test piece used (corresponding to base material 5) had a carbon fiber content of the thermoplastic carbon fiber reinforced plastic member of 40% by weight when the thermoplastic carbon fiber reinforced plastic member was 100% by weight.
- the carbon fiber content in Table 1 is the carbon fiber content in the welding rod 4 for thermoplastic carbon fiber reinforced plastics.
- thermoplastic carbon fiber reinforced plastic members having a carbon fiber content of 40% by weight when the carbon fiber content of the thermoplastic carbon fiber reinforced plastic welding rod 4 is 0% by weight, heat Since the welding rod for plastic plastic melted earlier than the thermoplastic resin of the base material, a phenomenon occurred in which the two were not well mixed, and when the content of the carbon fiber was 10% by weight, the tensile strength is the largest at 49.8 MPa, and when the content of the carbon fiber is 20% by weight, the tensile strength is 42.3 MPa, which is slightly lower (about 15% lower than when it is 10% by weight), When the carbon fiber content is 30% by weight, the tensile strength is further reduced to 33.1 MPa (about 33% lower than when it is 10% by weight), and the carbon fiber content is the same as the base material. It is shown that when the content was 40% by weight, the tensile strength further decreased and became extremely small.
- thermoplastic fiber reinforced plastic members In general welding of fiber-free plastic members, the welding rod and the base material are melted while the tip of the welding rod is pressed against the joint surface of the joint. to fill.
- the carbon fiber content of the thermoplastic carbon fiber reinforced plastic welding rod is 0% by weight and the thermoplastic resin content is 100% by weight, the presence or absence of carbon fiber Since a large difference in melting temperature was caused only by the difference in temperature, the welding rod for thermoplastics melted too much earlier than the base metal, making welding extremely difficult.
- plastic welding which is commonly performed, uses a welding rod that has the same composition as the base material.
- a welding rod having the same composition as the base material which is generally performed, for example, when welding thermoplastic fiber reinforced plastic members in which the base material contains 40% by weight of carbon fiber, 40% by weight is used.
- the contained thermoplastic carbon fiber reinforced plastic welding rod 4 is used.
- the lower limit of the carbon fiber content of the welding rod 4 for thermoplastic carbon fiber reinforced plastic is set to 0% by weight, 10% by weight, 20% by weight, and 30% by weight when the experiment is conducted. Then, the tensile strength at 10% by weight was the maximum, and if the welding rod 4 for thermoplastic carbon fiber reinforced plastics contains even 1% carbon fiber, the melting point increases, and the base material 5 melts.
- the lower limit of the fiber content of the thermoplastic carbon fiber reinforced plastic welding rod 4 is made 1% by weight or more because the difference from the temperature becomes small.
- the upper limit of the carbon fiber content of the welding rod for thermoplastic carbon fiber reinforced plastics is set to 10% by weight, 20% by weight, 30% by weight, and 40% by weight.
- the tensile strength decreased as the carbon fiber content decreased, and the tensile strength at 30% by weight was about 33% lower than that at 10% by weight, and the tensile strength was extremely low when the carbon fiber content was 40% by weight. Therefore, it is set to 35% by weight.
- thermoplastic resin for the thermoplastic base material In conventional plastic welding, it is common sense and unwritten in the plastic welding industry that the type of thermoplastic resin for the thermoplastic base material and the type of thermoplastic resin for the welding rod should be the same. However, according to the present invention, even if the type of thermoplastic resin of the welding rod for thermoplastic fiber-reinforced plastic is different from the type of thermoplastic resin of the thermoplastic fiber-reinforced plastic member, any combination that produces an anchoring effect may be used. did.
- thermoplastic resin for the thermoplastic base material and the thermoplastic resin for the welding rod.
- the fiber content ratio of the welding rod should be the same as that of the base material. Since welding was not possible when welding was not possible, the present invention found that the content of fibers in the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod was changed to a welding rod regardless of the content of fibers in the thermoplastic fiber-reinforced plastic member of the base material. It was assumed that the fiber content of
- the present invention can be applied to any type of fiber because the thermoplastic resin portion is melted without melting the fiber to generate an anchoring effect to fix the fiber.
- the fiber content of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 is 1% by weight or more, when the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 is taken as 100% by weight. 35 wt % or less, preferably 3 wt % or more and 30 wt % or less.
- Table 1 shows that the tensile strength as welding strength was 33.1 to 49.8 MPa.
- JIS Z 3831: 2002 The pass/fail criteria for the tensile test of the welded part of plastic welding is the case of butt welding with a welding rod diameter of 3 mm, a test piece having a width of 20 mm, a length of 60 mm, and a plate thickness of 5 mm.
- the tensile strength at a tensile speed of 50 mm / min is specified as 30 MPa or more for polyvinyl chloride plates, 15 MPa or more for polypropylene plates, and 12 MPa or more for polyethylene plates, it is possible to obtain stronger tensile strength. did it.
- Table 2 shows the results of testing the tensile shear force in the case of a bonding method using an adhesive, which is commonly used to fix fiber-reinforced plastic members together.
- the test material was a thermoplastic carbon fiber reinforced plastic member with a joint area of 400 mm 2 , a test specimen width of 20 mm, a length of 60 mm, a thickness of 1 mm, and a tensile speed of 0.5 mm/min using a tabletop universal testing machine. .
- thermoplastic carbon fiber reinforced plastic of the present invention Welding using welding rods has been suggested to have sufficient tensile strength.
- thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 of the present invention for fixing thermoplastic fiber-reinforced plastic members to each other is performed by heating to the melting point of the thermoplastic resin to be used to melt both thermoplastic resins. It is shown that welding can be performed regardless of the type of fiber because the anchoring effect is generated by melting and fixing by the non-melting fiber and the melted thermoplastic resin.
- the welding rod for thermoplastic fiber reinforced plastics of the present invention includes thermoplastic carbon fiber reinforced plastic, thermoplastic glass fiber reinforced plastic, thermoplastic boron fiber reinforced plastic, thermoplastic aramid fiber reinforced plastic, thermoplastic polyethylene fiber reinforced plastic, and thermoplastic.
- thermoplastic carbon fiber reinforced plastic thermoplastic glass fiber reinforced plastic
- thermoplastic boron fiber reinforced plastic thermoplastic aramid fiber reinforced plastic
- thermoplastic polyethylene fiber reinforced plastic thermoplastic polyethylene fiber reinforced plastic
- thermoplastic cellulose nanofiber reinforced plastic the type of fiber contained is carbon fiber, glass fiber, boron fiber, aramid fiber, polyethylene fiber, modified polyphenylene ether Welding can be performed by selecting at least one of fibers or cellulose nanofibers.
- thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod of the present invention is welding method 1 between thermoplastic fiber-reinforced plastic members, as shown in FIG. 1 or FIG.
- a thermoplastic fiber reinforced plastic welding rod 4 containing a thermoplastic resin of a thermoplastic fiber reinforced plastic member and a thermoplastic resin that produces an anchoring effect, and having a fiber content of 1% by weight or more to 35% by weight or less.
- step 2 of selecting a welding rod to be selected the tip of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 is pressed against the joint surface of the joint between the thermoplastic fiber-reinforced plastic members, which are the base materials 5a and 5b, with an appropriate pressing force.
- thermoplastic resin contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 and the thermoplastic fiber-reinforced plastic members 5a and 5b is melted by hot air or a heating means (not shown) of a hot plate member, and the While filling the joint surface of the joint with molten thermoplastic resin and unmelted fibers, and along the joint, the tip of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 is applied to the joint surface of the joint. and a welding step 3 that moves while being pressed.
- the welding rod selection step 2 contains the type of thermoplastic resin of the thermoplastic fiber reinforced plastic members that are the base materials 5a and 5b and the type of thermoplastic resin that produces the anchoring effect, and the content of any type of fiber.
- a welding rod 4 for thermoplastic fiber reinforced plastics is selected with an amount of 1% by weight or more and 35% by weight or less.
- thermoplastic fiber reinforced plastic welding rod 4 is filled in the welded joint between the thermoplastic fiber reinforced plastic members, which are the base materials 5a and 5b, and can be melted by hot air or hot plate member heating means.
- the rod 4 is a welding rod 4 made of a mixture of fiber and thermoplastic resin.
- the fiber content is from 1% by weight to 35% by weight.
- the fiber is any one, or at least one or more, of carbon fiber, glass fiber, boron fiber, aramid fiber, polyethylene fiber, modified polyphenylene ether fiber, and cellulose nanofiber.
- the type of fiber contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 is preferably the same fiber as the base materials 5a and 5b, but even if the fiber is of a different type, the quality such as strength is the quality of the product. Any fiber that satisfies the criteria may be used.
- the heating means for the hot air or hot plate member may be any heating means as long as it can heat the thermoplastic resin so that it can be melted.
- thermoplastic resins contained in the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 may be any combination of thermoplastic resins having the anchoring effect. Sometimes.
- the tip portion of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 is appropriately welded to the joining surface of the joint portion between the thermoplastic fiber-reinforced plastic members, which are the base materials 5a and 5b. is applied with a pressing force of , and the thermoplastic resin of the thermoplastic fiber reinforced plastic member of the thermoplastic fiber reinforced plastic welding rod 4 and the base materials 5a and 5b is melted by hot air or a heating means of a hot plate member. While forming a melted portion 8, the joining surface of the joint portion is filled with molten thermoplastic resin and unmelted fibers, and moved in the direction of arrow H along the joint portion. A clean bead 9 is formed on the trace of movement.
- the tip portion of the welding rod 4 for thermoplastic fiber-reinforced plastics is brought into contact with the joint surface of the joint portion between the thermoplastic fiber-reinforced plastic members, which are the base materials 5a and 5b, with an appropriate pressing force. If the melt is not brought into contact with the joint surface of the joint portion, the joint surface of the joint portion will not be filled, and quality defects such as pinholes are likely to occur.
- the moderate pressing force may be a pressing force that allows the tip portion of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 to keep contacting the joint surface of the joint portion while advancing along the joint portion.
- thermoplastic resin at the tip of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod 4 and the thermoplastic resin at the joint surface of the joint portion of the thermoplastic fiber-reinforced plastic members, which are the base materials 5a and 5b, are welded, for example.
- the thermoplastic resin is melted by hot air jetted from the tip 6a of the gun 6 at a temperature at which only the thermoplastic resin is melted, and the joint surface of the joint portion is filled with the melted thermoplastic resin and the unmelted fibers.
- thermoplastic resin of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod By melting the thermoplastic resin of the thermoplastic fiber-reinforced plastic welding rod and the thermoplastic fiber-reinforced plastic members that are the base materials 5a and 5b, an anchoring effect is generated, so that the tensile strength, which is the welding strength, is increased. Secured.
- Welding method 1 using the welding rod for thermoplastic fiber-reinforced plastics of the present invention applies the same temperature to welding of the thermoplastic fiber-reinforced plastic members as conventional welding of fiber-free plastic members. Since the temperature is sufficient, the welding operation can be performed by a person and can be performed with welding equipment. 2, there is also the effect that a joint having a substantially straight simple shape may be used.
- Welding method 2 Welding rod selection step 3
- Welding step 4 Welding rod 5
- Base material 6 Welding gun 6a Tip part 8 Fusion part 9 Bead H Direction
Landscapes
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Abstract
繊維強化プラスチック部材同士の溶接を可能にでき、さらに継手部の接合面がいずれの形状の継手であっても溶接でき、安価な設備である熱風等の加温手段で溶融でき、プラスチック製品としての溶接強度が得られる、かつ実用的な繊維強化プラスチック用溶接棒及び繊維強化プラスチック用溶接棒を使用する溶接方法を提供することを課題とする。 熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接継手に充填され、熱風又は熱板部材の加熱手段により溶融可能な繊維強化プラスチック用溶接棒であって、繊維と熱可塑性樹脂との混合物を棒状に形成し、前記繊維の含有量を、前記混合物を１００重量％としたときの１重量％以上～３５重量％以下とする熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒、及び前記繊維強化プラスチック用溶接棒を使用する溶接方法により課題解決できた。
Description
本発明は、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、変性ポリフェニレンエーテル繊維及びセルロースナノファイバー等のうちの同一繊維が含有された繊維強化プラスチック部材同士の溶接に使用される繊維強化プラスチック用溶接棒、及び繊維強化プラスチック用溶接棒を使用した溶接方法に関する。
繊維を含有したプラスチックの接合法には、一般的に、射出成形や機械加工された、天然樹脂や合成樹脂のプラスチックを、締付等による機械的方法、ゴム系等の接着剤による接着法、超音波や摩擦等の溶着による溶着法があり、前記溶着法には、熱源として超音波、高周波又はレーザー等による波動を熱源とするもの、摩擦熱等による摩擦を熱源とするもの、あるいは、熱風又は熱板による外部加熱を熱源とするものがある。
そして、天然樹脂や合成樹脂のプラスチック同士の溶接は、一般的に前記プラスチックと同一組成の溶接棒を用いて、前記溶接棒の下端を継手部の接合面に適する押付力をかけて当てながら、熱風を熱源として前記溶接棒を溶融させて前記継手部の接合面に充填しながら進行させて溶接している。
一方、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、変性ポリフェニレンエーテル繊維又はセルロースナノファイバー等の繊維強化プラスチック部材同士の固定は、接着法や、締付等による機械的固定化が一般的に行われ、溶接は実務では実施されていなかった。
炭素繊維強化プラスチックの溶接としては、特許文献１には、波長が５３２ｎｍから１０８０ｎｍの固体レーザーを用いて、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）同士または炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）と金属との溶接継手の接合部に溶加材を充填し、該溶加材にレーザービームを照射して該溶加材を溶融しつつレーザー溶接する繊維強化複合材料のレーザー溶接法であって、前記溶加材は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、あるいは熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の混合物のうちのいずれか一に、強化炭素繊維、強化ガラスおよびウイスカーの群から選ばれる１種以上を含む強化材を、該溶加材を１００重量％として８０重量％未満含有する繊維強化複合材料のレーザー溶接方法が開示されている。
特許文献２には、プライマーを用いた２つのポリアミドプラスチックの溶接方法であって、プライマーは少なくとも１つの無水マレイン酸または無水マレイン酸誘導体から合成された少なくとも１つのポリマーを含有する、シーム溶接方法が開示されている。
特許文献３には、繊維強化プラスチック溶接部における樹脂を溶解除去して強化用繊維を夫々露出させ、その繊維露出空間に別の補強用繊維を充填し、そのあと、またはその繊維同士を溶接したあと、溶融樹脂を前記空間に注入し、凝固させて繊維強化プラスチックを固定させる繊維強化プラスチックの溶接方法が開示されている。
特許文献４には、ノズル部に設けられた溶接素材供給管から第１の溶接素材を供給するとともに、気体供給部からセラミックヒーターが内蔵された熱風供給管に気体を供給して前記セラミックヒーターにより前記気体を加熱し熱風とし、前記熱風を前記熱風供給管に接続された熱風放出管に送り出し、前記ノズル部に設けられ前記熱風放出管に接続された熱風導入管に導入し、前記ノズル部に設けられたローラにより前記第１の溶接素材を先端部から後端部まで長さ方向に前記熱風を噴射することにより加熱、押圧して軟化、焼成し、次いで前記ローラを前記第１の溶接素材の先端部に戻した後前記第１の溶接素材の上に幅方向が一部重なり合うように第２の溶接素材を供給し、前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分を前記熱風を噴射することにより溶融しながら前記ノズル部に設けられたローラにより前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分の先端部から後端部まで長さ方向に圧力を付加して前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分を圧着して一体化させ、前記ノズル部に設けられた冷却管から冷却風を供給して前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分を冷却する、樹脂、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、又は炭素素材の溶接方法が開示されている。
特許文献１の発明は、溶加材にレーザービームを照射して溶融させており、一般的にレーザービームは１ｍｍ以下のスポットに照射することから、特許文献１に記載されているように、レーザー加工により寸法精度の高い開先形状にしなければならないことや、開先形状を直線状継手ではなく嵌合可能なファスナー状のモザイク継手にしなければならないという問題、さらにレーザー溶接設備は高価であるという問題があり、実用的でないという問題があった。
特許文献２の発明は、特許文献２の明細書に記載されているようにシーム溶接を前提にしていることから、シーム溶接設備に不適な起伏のある継手、又は、左右方向に細かい曲線が続く継手には適用できず使用範囲が限定されるため実用的でないという問題があった。
特許文献３の発明は、母材の樹脂を溶かし、別の補強繊維を充填し、溶融樹脂を注入するという極めて煩わしい溶接方法であるため実用的でないという問題があった。
特許文献４の発明は、特許文献４の段落００３４に溶接棒は被溶接材と同種のものを使用すると記載され、段落００３５に炭素繊維の場合はこれらの繊維を溶接するためには８００～２０００℃程度に温度を上げなければ溶接できないと記載されている。作業者が２０００℃の高温に加熱した部位の溶接作業をするのは困難であるため、量産に向く溶接自動化設備にしかできず、個別生産に多い手作業溶接には向かないという問題があった。
本発明はこうした問題に鑑み創案されたもので、作業者による溶接作業であっても繊維強化プラスチック部材同士の溶接を可能にでき、さらに開先形状がいずれの形状の継手であっても溶接でき、安価な設備である熱風等の加温手段で溶融でき、プラスチック製品としての溶接強度が得られる繊維強化プラスチック用溶接棒、及び繊維強化プラスチック用溶接棒を使用する溶接方法を提供することを課題とする。
請求項１に記載の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒は、熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接継手に充填され、前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材と同時に溶接棒も溶融する、熱風又は熱板部材の加熱手段により溶融可能な繊維強化プラスチック用溶接棒であって、繊維と熱可塑性樹脂との混合物を棒状に形成し、前記繊維の含有量を、前記混合物を１００重量％としたときの１重量％以上～３５重量％以下とすることを特徴とする。
請求項２に記載の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒は、請求項１において、前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、変性ポリフェニレンエーテル繊維及びセルロースナノファイバーの内のいずれか一つであることを特徴とする。
請求項３に記載の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒を使用する溶接方法は、熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接方法であって、母材である熱可塑性繊維強化プラスチック部材の熱可塑性樹脂とアンカーリング効果を生ずる熱可塑性樹脂を含有し、繊維の含有量を１重量％以上～３５重量％以下とする熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒を選択する溶接棒選択ステップと、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒の先端部を、母材である熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の継手部の接合面に適度の押付力で当て、熱風又は熱板部材の加熱手段により前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒及び前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材がそれぞれ含有する熱可塑性樹脂のみを溶融させて、前記継手部の接合面を溶融した熱可塑性樹脂及び溶融していない繊維で充填させながら、かつ前記継手部に沿って前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒の先端部を前記継手部の接合面に押付ながら移動する溶接ステップと、を備えることを特徴とする。
請求項１又は２に記載の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒は、熱風又は熱板部材の安価な加熱手段により熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士を溶接させることができるという効果を奏する。また、開先形状が、起伏状であっても、平面視で直線状、曲線状及び凹凸状であってもいずれの開先形状の継手であっても溶接ができ、開先形状の寸法精度がレーザー切断を要せずＮＣルーターや汎用旋盤等で機械加工した寸法精度のものでも溶接でき、高価なレーザー溶接設備でなく安価な設備である熱風や熱板等の加温手段で溶融させて溶接でき、繊維強化プラスチック製品としての溶接の引張強度が得られるという効果を奏する。したがって、本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒は実用的であるという効果を奏する。
熱風又は熱板部材の安価な加熱手段により、継手個所における、繊維強化プラスチック用溶接棒の先端部の熱可塑性領域、及び母材である繊維強化プラスチック部材の熱可塑性領域をともに溶融するので、前記母材と前記溶接棒との混合部が形成され、混合部における熱可塑性樹脂と繊維とのアンカーリング効果により所定の引張強度を得ることができた。
請求項３に記載の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒を使用する溶接方法は、請求項１又は２に記載された熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒が有する効果と同じ効果を有する。よって、熱可塑性繊維強化プラスチック同士の溶接方法として実用的であるという効果を有する。
本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒を使用した溶接は、人が実施する溶接にも溶接自動化装置にも適用できるという効果を奏する。
プラスチック溶接強度に関するＪＩＳ規格では、ＪＩＳ Ｚ ３８３１：２００２にプラスチック溶接技術検定における試験方法及び判定基準が規定され、試験片の種類として、引張降伏応力が５０ＭＰa以上のポリ塩化ビニル、ポリプロピレン及び高密度ポリエチレンの３種類しか規定されていない。繊維強化プラスチック溶接に関する規定はないことから、繊維強化プラスチック溶接は一般的に行われていないことを示している。
また、例えば炭素繊維強化プラスチックから造られた製品が日本で初めて１９７２年に鮎釣り用の釣り竿、１９７３年にゴルフクラブ、１９７５年に航空機用部材への採用と用途は拡大して、現在まで約５０年弱を経過しているが、ＪＩＳ規格では繊維強化プラスチック溶接に関する規定はない。
炭素繊維強化プラスチック製品が市場に流通し始めて約５０年経過した今日においても繊維強化プラスチック溶接に係るＪＩＳ規格が規定されておらず、かつ炭素繊維強化プラスチック部材同士を固定させる方法として、接着剤による接着法、及び、ボルト等の締付部材による機械的方法が一般的に行われてきたが、溶接については行われてこなかったことから、本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒は熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接を実用的に可能にするという画期的発明である。
本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４は、母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接継手に充填され、熱風又は熱板部材の加熱手段（図示なし）により溶融可能な繊維強化プラスチック用溶接棒４であって、繊維と熱可塑性樹脂との混合物を棒状に形成し、前記繊維の含有量を、前記混合物を１００重量％としたときの１重量％以上～３５重量％以下とする。
本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４は、母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士を、突合せ溶接、Ｔ字型隅肉溶接又はＬ字型隅肉溶接などの溶接で固定させるときに、母材５ａ、５ｂとともに溶融されて継手部の接合面に充填され冷却されて母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士をアンカーリング効果により固定させる。
本発明における前記アンカーリング効果とは、母材５ａ、５ｂである前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材の繊維を含有した熱可塑性樹脂と、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の繊維を含有した熱可塑性樹脂とが同一の加熱手段によりほぼ同時に溶融して冷却後に固まったときに、母材５ａ、母材５ｂ及び前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４のそれぞれの繊維と、母材５ａ、母材５ｂ及び前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４のそれぞれの熱可塑性樹脂とが混ざり合って、母材５ａと母材５ｂとが強く接続する状態になることを意味する。
前記アンカーリング効果が生ずる形態として、第一に母材５ａ、５ｂの継手部の接合面にある細かな凹凸部に熱可塑性樹脂が入り込むことにより強固に接続される形態、第二に繊維自体に細かな凹凸があり、この凹凸に熱可塑性樹脂が入り込むことにより強固に接続される形態、又は、第三に熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の繊維が母材５ａ、５ｂの接合面に刺さり強固に接続される形態がある。
まず、母材５ａ、５ｂである前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材について説明する。前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材は、繊維と熱可塑性樹脂との混合物であり、熱可塑性繊維強化プラスチックから造られた部品である。前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材は、例えば、熱可塑性炭素繊維強化プラスチックの場合は、軽量、高強度及び高リサイクル性を兼ね備えており、製品の用途としては、例えば、ゴルフクラブのシャフト、航空機の尾翼、自動車のモノコックフレーム、風力発電の回転羽根、アシストスーツなど広範囲に使用されている。
そして、前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材に含有される繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、変性ポリフェニレンエーテル繊維及びセルロースナノファイバーの内のいずれか一つの繊維、又は少なくとも一つ以上の繊維である。
また、繊維として炭素を前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材に含有させた熱可塑性炭素繊維強化プラスチック部材の前記炭素繊維としては、最も使用されているＰＡＮ系炭素繊維、他にピッチ系炭素繊維又はレーヨン系炭素繊維があるがいずれでもよい。
また、前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材に含有する前記熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネイト、ポリオレフィン等があり、熱可塑性樹脂であればいずれでもよい。
母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士を固定させる継手としては、突合せ継手、Ｔ字型隅肉継手又はＬ字型隅肉継手などがある。
次に、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒について説明する。前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒は、繊維と熱可塑性樹脂との混合物を棒状に形成し、前記繊維の含有量を、前記混合物を１００重量％としたときの１重量％以上～３５重量％以下の重量％とする。
前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒に含有される前記繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、変性ポリフェニレンエーテル繊維及びセルロースナノファイバーの内のいずれか一つ又は少なくとも一つ以上である。
また、炭素繊維については、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維又はレーヨン系炭素繊維のうちの１つの種類でもよく、１つ以上の種類にしてもよい。
また、前記母材５ａ、５ｂの繊維の種類との関係でいえば、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の繊維の種類については、好ましいのは母材５ａ、５ｂが含有する繊維と同一種類の繊維であるが、アンカーリング効果は母材５ａ、５ｂが含有する繊維の種類と異なっても生ずるので、アンカーリング効果があり、製品として品質上問題がないという要件を満足する範囲の繊維であれば母材５ａ、５ｂと異なる種類の繊維でもよい。
実験として炭素繊維が含有された前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材の溶接を行ったが、炭素繊維以外の繊維を含有させた前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材の溶接の場合も、例えばガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、変性ポリフェニレンエーテル繊維及びセルロースナノファイバーの内のいずれの場合であっても、本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４を適用させることができる。
前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒に含有される前記熱可塑性樹脂は、ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネイト、ポリオレフィン等があり、熱可塑性樹脂であればいずれでもよいが、前記母材５ａ、５ｂの熱可塑性樹脂の種類との関係でいえば、加温したときに融点の差が小さい熱可塑性樹脂であれば、加温により前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の熱可塑性樹脂と前記母材５ａ、５ｂの熱可塑性樹脂とがほぼ同時に溶融するため、母材５ａ、５ｂの熱可塑性樹脂の種類と、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の熱可塑性樹脂の種類との組み合わせは、好ましいのは同一種類の組み合わせであるが、アンカーリング効果が得られるという要件を満足する場合に限り異なる種類の組み合わせでもよい。
母材５ａ、５ｂとなる前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材の熱可塑性樹脂の種類と、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４に含有される熱可塑性樹脂の種類が、同一種類の場合は例えば母材５ａ、５ｂに含有されている熱可塑性樹脂がポリアミドで熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４に含有されている熱可塑性樹脂もポリアミドの場合をいい、異種類の場合は例えば母材５ａ、５ｂに含有されている熱可塑性樹脂がポリ塩化ビニル（融点が８５℃～２１０℃）で熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４に含有されている熱可塑性樹脂がアクリル樹脂（融点が１６０℃）の場合をいう。
また、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の繊維と熱可塑性樹脂との混合割合は、母材５ａ、５ｂである前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材に含有された繊維と熱可塑性樹脂との混合割合とは関係なく、溶接品質の引張強度を満足できる混合割合になるように設定する。
次に、加熱手段について説明する。前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４、及び母材５ａ、５ｂである前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材を溶融させる加熱手段は、熱風又は熱板部材による加熱手段である。前記加熱手段はプラスチック溶接の溶接棒を溶融させるために、高価な設備を必要とするレーザービーム照射を必要とせずに、熱風又は熱伝導による熱板を加熱手段とするので、一般的に使用されている既存の加熱手段をそのまま使用することができる。
次に、本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４を使用して実験したときの引張強度について説明する。本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４を使用して、引張試験を行うため、代表例として、炭素繊維を含有させた熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒４（棒径３ｍｍ）を使用して、幅２０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、板厚２ｍｍの試験片を２枚突き合わせ溶接したときの引張速度５０ｍｍ／分での引張試験結果を表１に示す。表１において平均値とは３回実施した平均値を示している。表１において、使用した前記試験片（母材５に相当する。）は熱可塑性炭素繊維強化プラスチック部材の炭素繊維の含有量が、熱可塑性炭素繊維強化プラスチック部材を１００重量％として４０重量％である。また、表１における炭素繊維含有量は、熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒４における炭素繊維含有量である。
表１から、炭素繊維含有量が４０重量％の熱可塑性炭素繊維強化プラスチック部材同士の溶接において、熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒４の炭素繊維の含有量を０重量％としたときは熱可塑性プラスチック用溶接棒が母材の熱可塑性樹脂より先に溶融したため、両者の混合された状態の溶融がうまくできない現象が発生し、前記炭素繊維の含有量を１０重量％としたときは引張強度が４９．８ＭＰａと最も大きく、前記炭素繊維の含有量を２０重量％としたときは引張強度が４２．３ＭＰaとやや引張強度が低下（１０重量％のときに対して約１５％低下）し、前記炭素繊維の含有量を３０重量％としたときは引張強度が３３．１ＭＰaとさらに低下（１０重量％のときに対して約３３％低下）し、前記炭素繊維の含有量を母材と同じ４０重量％としたときはさらに引張強度が低下し極めて小さくなったことが示されている。
また、一般的に実施されている、繊維を含有しないプラスチック部材同士の溶接においては、溶接棒の先端部を継手部の接合面に押し付けながら溶接棒と母材とを溶融させ継手部の接合面に充填させる。ところが、熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接において、熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒の炭素繊維含有量を０重量％で熱可塑性樹脂含有量を１００重量％としたときは、炭素繊維の有無の違いのみで溶融する温度に大きな差が出たため、熱可塑性プラスチック用溶接棒が母材よりあまりにも先に溶融しすぎて溶接することが極めて困難であった。
一方、一般的に行われているプラスチック溶接では、母材と同じ成分からなる溶接棒を使用する。この一般的に行われている母材と同じ成分の溶接棒を使用すると、例えば、母材が４０重量％の炭素繊維を含有する熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士を溶接する場合は４０重量％を含有する熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒４を使用することになる。この条件で溶接し引張強度を測定すると、炭素繊維含有量が多すぎるため熱可塑性樹脂の溶融量が少なくなって、アンカーリング効果の部分が極めて狭い範囲にとどまってしまい極めて小さい引張力で溶接部が母材から離れてしまった。
よって、熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒４の炭素繊維の含有量の下限を、実験を行ったときの炭素繊維含有量が０重量％、１０重量％、２０重量％及び３０重量％の中では、１０重量％のときの引張強度が最大であったこと、及び、熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒４に炭素繊維が１％でも含有されれば融点が高くなり、母材５の溶融温度との差が小になることから、熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒４の繊維含有量の下限を１重量％以上とする。
また、熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒の炭素繊維の含有量の上限を、炭素繊維含有量が１０重量％、２０重量％、３０重量％及び４０重量％のうちでは炭素繊維含有量が増加するにつれ引張強度が低下し、３０重量％のときの引張強度が１０重量％のときに比較して約３３％低下したこと、炭素繊維の含有量が４０重量％のときには極めて小さい引張強度であったことから３５重量％とする。
従来のプラスチック溶接では、熱可塑性プラスチックの母材の熱可塑性樹脂の種類と、溶接棒の熱樹脂の種類は、同一とすることがプラスチック溶接業界において常識的かつ不文律的に実施されてきているが、本発明は、熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒の熱可塑性樹脂の種類は熱可塑性繊維強化プラスチック部材の熱可塑性樹脂の種類とは異なってもアンカーリング効果が生じる組み合わせであればよいとした。
さらに、従来のプラスチック溶接では、熱可塑性プラスチックの母材の熱可塑性樹脂の種類と、溶接棒の熱可塑性樹脂の種類は、同一とすることが常識的かつ不文律的に実施されているというプラスチック溶接業界の常識を繊維強化プラスチックの溶接に当てはめると、溶接棒の繊維含有割合は母材と同一の割合のものを使用すべきとなるが、この場合は実験により表１から４０重量％のときは溶接ができていなかったことから、本発明は、熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒の繊維の含有量を、母材の熱可塑性繊維強化プラスチック部材の繊維の含有量とは関係なく溶接棒の繊維含有量を設定するとした。
以上から、本発明は繊維を溶融せずに熱可塑性樹脂の部分を溶融させてアンカーリング効果を生じさせて固定させることからいずれの種類の繊維にも適用できる。また、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の繊維の含有量は、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４を１００重量％としたときに、前記繊維の含有量を、１重量％以上～３５重量％以下、好ましくは３重量％以上～３０重量％以下とする。
また、溶接強度として引張強度は、表１から３３．１～４９．８ＭＰaであったことが示されている。これは、ＪＩＳ Ｚ ３８３１：２００２プラスチック溶接の溶接部の引張試験の合否判定基準は、溶接棒の棒径３ｍｍで、試験片が幅２０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、板厚５ｍｍの突合せ溶接の場合で、引張速度５０ｍｍ／分での引張強さが、ポリ塩化ビニル板が３０ＭＰａ以上、ポリプロピレン板が１５ＭＰａ以上、ポリエチレン板が１２ＭＰａ以上と規定されていることに比較して、より強い引張強度を得ることができた。
また、引張強度の比較として、繊維強化プラスチック部材同士の固定化に一般的に行われている接着剤による接着法の場合の引張せん断力を試験した結果を表２に示す。試験材料は熱可塑性炭素繊維強化プラスチック部材で、継手面積４００ｍｍ２で、試験片幅２０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、厚さ１ｍｍで、引張速度０．５ｍｍ／分で卓上万能試験機を使用して行った。
表２から、引張力と引張せん断力とは、異質な力であるので単純には比較はできないが、接着面積と溶接面積との広さの比較から、本発明の熱可塑性炭素繊維強化プラスチック用溶接棒を使用した溶接は十分な引張強度を有することが示唆されている。
熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の固定化に、本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４を使用して溶接することは、使用する熱可塑性樹脂の融点まで加熱して両方の熱可塑性樹脂を溶融させて、溶融させない繊維と溶融させた熱可塑性樹脂とでアンカーリング効果を生じさせ固定させることから、繊維の種類にこだわらずに溶接ができることを示している。
本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒は、熱可塑性炭素繊維強化プラスチック、熱可塑性ガラス繊維強化プラスチック、熱可塑性ボロン繊維強化プラスチック、熱可塑性アラミド繊維強化プラスチック、熱可塑性ポリエチレン繊維強化プラスチック、熱可塑性変性ポリフェニレンエーテル繊維強化プラスチック、又は、熱可塑性セルロースナノファイバー強化プラスチックの各部材同士の溶接にも、含有する繊維の種類を、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、変性ポリフェニレンエーテル繊維、又は、セルロースナノファイバーから少なくとも一つ以上選択することにより溶接ができる。
本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒を使用する溶接方法１は、図１又は図２に示すように、熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接方法１であって、母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材の熱可塑性樹脂とアンカーリング効果を生ずる熱可塑性樹脂を含有し、繊維の含有量を１重量％以上～３５重量％以下とする熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４を選択する溶接棒選択ステップ２と、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の先端部を、母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の継手部の接合面に適度の押付力で当て、熱風又は熱板部材の加熱手段（図示なし）により前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４及び前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材５ａ、５ｂがそれぞれ含有する熱可塑性樹脂のみを溶融させて、前記継手部の接合面を溶融した熱可塑性樹脂及び溶融していない繊維で充填させながら、かつ前記継手部に沿って前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の先端部を前記継手部の接合面に押付ながら移動する溶接ステップ３と、を備える。
前記溶接棒選択ステップ２は、母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材の熱可塑性樹脂の種類とアンカーリング効果を生ずる種類の熱可塑性樹脂を含有し、いずれかの種類の繊維の含有量を１重量％以上～３５重量％以下とする熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４を選択する。
前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４は、母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接継手に充填され、熱風又は熱板部材の加熱手段により溶融可能な繊維強化プラスチック用溶接棒４であって、繊維と熱可塑性樹脂との混合物を棒状に形成した溶接棒４である。そして、繊維の含有割合は、 １重量％以上～３５重量％以下である。
また、前記繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、変性ポリフェニレンエーテル繊維及びセルロースナノファイバーの内のいずれか一つ、又は少なくとも一つ以上である。前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４に含有された繊維の種類は、母材５ａ、５ｂと同一の繊維が好ましいが、異なる種類の繊維であっても、強度などの品質が製品としての品質基準を満足させられる繊維であればよい。
前記熱風又は熱板部材の加熱手段は、熱可塑性樹脂を溶融可能に加温できる加熱手段であればいずれの加熱手段でもよい。
前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４に含有される熱可塑性樹脂の種類については、前記アンカーリング効果を有する熱可塑性樹脂の組み合わせであればよく、同一種類の組み合わせの場合と異なる種類の組み合わせの場合がある。
前記溶接ステップ３は、図２に示すように、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の先端部を、母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の継手部の接合面に適度の押付力で当て、熱風又は熱板部材の加熱手段により前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４及び母材５ａ、５ｂの前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材の熱可塑性樹脂のみを溶融させる温度で溶融させて溶融部８を造りながら、前記継手部の接合面に溶融した熱可塑性樹脂及び溶融していない繊維を充填させながら、前記継手部に沿って矢印方向Ｈへ移動する。移動した跡にはきれいなビード９が形成される。
前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の先端部を、母材５ａ、５ｂである熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の継手部の接合面に適度の押付力で当てる。この継手部の接合面に当接させないで溶融をすると前記継手部の接合面に充填しないため、ピンホール等の品質不良が発生しやすい。前記適度の押付力とは、前記継手部に沿って進行させながら前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の先端部を前記継手部の接合面に当接し続けられる押付力であればよい。
また、前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒４の先端部の熱可塑性樹脂を、及び母材５ａ、５ｂである前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材の継手部の接合面の熱可塑性樹脂を、例えば溶接ガン６の先端部６ａから噴射される熱風により前記熱可塑性樹脂のみを溶融させる温度で溶融させて、前記継手部の接合面に溶融した熱可塑性樹脂及び溶融していない繊維を充填させる。前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒と、母材５ａ、５ｂである前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材との熱可塑性樹脂を溶融させることにより、アンカーリング効果を生じさせるので溶接強度である引張強度が確保される。
本発明の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒を使用する溶接方法１は、前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接を従来の繊維が含まれていないプラスチック部材同士の溶接のときと同じ温度の加温でよいので、人による溶接作業ができ溶接設備でもできるという効果を有し、前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の継手の形状を、嵌合可能なファスナー状のモザイク継手にする必要がなく図２に示すようにほぼ直線状のシンプル形状の継手でもよいという効果も奏する。
１ 溶接方法
２ 溶接棒選択ステップ
３ 溶接ステップ
４ 溶接棒
５ 母材
６ 溶接ガン
６ａ 先端部
８ 溶融部
９ ビード
Ｈ 方向
２ 溶接棒選択ステップ
３ 溶接ステップ
４ 溶接棒
５ 母材
６ 溶接ガン
６ａ 先端部
８ 溶融部
９ ビード
Ｈ 方向
Claims (3)
- 熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接継手に充填され、前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材と同時に溶接棒も溶融する、熱風又は熱板部材の加熱手段により溶融可能な繊維強化プラスチック用溶接棒であって、
繊維と熱可塑性樹脂との混合物を棒状に形成し、
前記繊維の含有量を、前記混合物を１００重量％としたときの１重量％以上～３５重量％以下とすることを特徴とする熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒。 - 前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、変性ポリフェニレンエーテル繊維及びセルロースナノファイバーの内のいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒。
- 熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の溶接方法であって、
母材である熱可塑性繊維強化プラスチック部材の熱可塑性樹脂とアンカーリング効果を生ずる熱可塑性樹脂を含有し、繊維の含有量を１重量％以上～３５重量％以下とする熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒を選択する溶接棒選択ステップと、
前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒の先端部を、母材である熱可塑性繊維強化プラスチック部材同士の継手部の接合面に適度の押付力で当て、熱風又は熱板部材の加熱手段により前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒及び前記熱可塑性繊維強化プラスチック部材がそれぞれ含有する熱可塑性樹脂のみを溶融させて、前記継手部の接合面を溶融した熱可塑性樹脂及び溶融していない繊維で充填させながら、かつ前記継手部に沿って前記熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒の先端部を前記継手部の接合面に押付ながら移動する溶接ステップと、を備えることを特徴とする熱可塑性繊維強化プラスチック用溶接棒を使用する溶接方法。
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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