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技術 接合体の製造方法

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 岩野吉宏
出願日 2015年11月27日 (5年0ヶ月経過) 出願番号 2015-231396
公開日 2017年6月1日 (3年6ヶ月経過) 公開番号 2017-094647
状態 特許登録済
技術分野 板の接続 圧接、拡散接合 積層体(2) プラスチック等のライニング、接合
主要キーワード 溶着部近傍 繊維強化樹脂材料 引張せん断試験 FRP インサート材 超音波ホーン せん断強度 溶着部
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年6月1日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

接合強度信頼性が高い接合体を簡単に製造することができる接合体の製造方法を提供する。

解決手段

重ね合わせた状態の複合材11,12に、貫通孔14aが形成された金属部材14の外周面14bに熱可塑性樹脂を含む被覆層15が形成されたインサート材13を配置するとともに、インサート材13に超音波ホーン6を配置し、超音波ホーン6からの超音波振動により発生した熱で、複合材11,12と被覆層15との熱可塑性樹脂を軟化させ、複合材11,12同士を融着するとともに、インサート材13の被覆層15と複合材11,12とを融着させながら複合材11,12にインサート材13圧入し、貫通孔14aに、ボルト3を挿通し、ボルト3にナット4を締結する。

概要

背景

従来から、熱可塑性樹脂強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料からなる複合材は、同形状の金属材料からなる部材よりも軽量であり、かつ、同形状の高分子樹脂のみからなる部材よりも、高い強度を得ることができるので、幅広く用いられている。

例えば、特許文献1には、図5(a)に示すように、繊維強化樹脂材料からなる複合材11,12同士を接合した接合体の製造方法が開示されている。具体的には、複合材11、12同士を接触させた状態で、複合材11,12のいずれか一方の表面に超音波ホーンを配置し、複合材11,12同士を融着させている。

このような接合を行うことにより得られた接合体9には、複合材11,12同士の間に、複合材11,12に含まれる熱可塑性樹脂が溶け込んだ溶着部19が形成される。

概要

接合強度信頼性が高い接合体を簡単に製造することができる接合体の製造方法を提供する。重ね合わせた状態の複合材11,12に、貫通孔14aが形成された金属部材14の外周面14bに熱可塑性樹脂を含む被覆層15が形成されたインサート材13を配置するとともに、インサート材13に超音波ホーン6を配置し、超音波ホーン6からの超音波振動により発生した熱で、複合材11,12と被覆層15との熱可塑性樹脂を軟化させ、複合材11,12同士を融着するとともに、インサート材13の被覆層15と複合材11,12とを融着させながら複合材11,12にインサート材13圧入し、貫通孔14aに、ボルト3を挿通し、ボルト3にナット4を締結する。

目的

本発明は、このような点を鑑みて、その目的とするところは、接合強度の信頼性が高い接合体を簡単に製造することができる接合体の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

熱可塑性樹脂強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料からなる2つの複合材接合した接合体を製造する方法であって、重ね合わせた状態の前記複合材に、貫通孔が形成された金属部材外周面に熱可塑性樹脂を含む被覆層が形成されたインサート材を配置するとともに、該インサート材に超音波ホーンを配置する工程と、前記超音波ホーンからの超音波振動により発生した熱で、前記複合材と前記被覆層との熱可塑性樹脂を軟化させ、重ね合わせた状態の前記複合材を融着するとともに、前記インサート材の被覆層と前記複合材とを融着させながら前記複合材に前記インサート材を圧入する工程と、前記インサート材が圧入された前記金属部材の貫通孔に、接合された前記複合材の一方側からボルト挿通し、前記接合された複合材の他方側から前記ボルトにナット締結する工程を含むことを特徴とする接合体の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、熱可塑性樹脂強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料からなる複合材同士を接合した接合体の製造方法に関する。

背景技術

0002

従来から、熱可塑性樹脂に強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料からなる複合材は、同形状の金属材料からなる部材よりも軽量であり、かつ、同形状の高分子樹脂のみからなる部材よりも、高い強度を得ることができるので、幅広く用いられている。

0003

例えば、特許文献1には、図5(a)に示すように、繊維強化樹脂材料からなる複合材11,12同士を接合した接合体の製造方法が開示されている。具体的には、複合材11、12同士を接触させた状態で、複合材11,12のいずれか一方の表面に超音波ホーンを配置し、複合材11,12同士を融着させている。

0004

このような接合を行うことにより得られた接合体9には、複合材11,12同士の間に、複合材11,12に含まれる熱可塑性樹脂が溶け込んだ溶着部19が形成される。

先行技術

0005

特開2015−131394号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、図5(a)に示す接合体9は、溶着部19のみで、複合材11,12の接合強度を保持している。このため、接合体9に、過大な荷重振動が作用したときに、溶着部19またはその近傍の一部に、亀裂が発生することがあり、これを視認することは難しい。そして、このような一部の亀裂は進展し易く、複合材11,12同士が溶着部19から剥離することが想定される。

0007

そこで、図5(b)に示すように、複合材11,12を接合した後、接合体9に貫通孔91を穿設し、接合体9の一方側から貫通孔91にボルト3を挿通し、接合体9の他方側からナット4を締結することで、接合体9の強度を高める手法がとられることがある。

0008

しかしながら、上述した手法では、接合体9に貫通孔91を穿設する際に、溶着部19に負荷がかかり、溶着部19またはその近傍の一部に上述した亀裂が発生したり、場合によっては、溶着部19が破損したりすることが考えられる。

0009

本発明は、このような点を鑑みて、その目的とするところは、接合強度の信頼性が高い接合体を簡単に製造することができる接合体の製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0010

前記課題を鑑みて、本発明に係る接合体の製造方法は熱可塑性樹脂に強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料からなる2つの複合材を接合した接合体を製造する方法であって、重ね合わせた状態の前記複合材に、貫通孔が形成された金属部材外周面に熱可塑性樹脂を含む被覆層が形成されたインサート材を配置するとともに、該インサート材に超音波ホーンを配置する工程と、前記超音波ホーンからの超音波振動により発生した熱で、前記複合材と前記被覆層との熱可塑性樹脂を軟化させ、重ね合わせた状態の前記複合材を融着するとともに、前記インサート材の被覆層と前記複合材とを融着させながら前記複合材に前記インサート材を圧入する工程と、前記インサート材が圧入された前記金属部材の貫通孔に、接合された前記複合材の一方側からボルトを挿通し、前記接合された複合材の他方側から前記ボルトにナットを締結する工程を含むことを特徴とする。

発明の効果

0011

本発明によれば、超音波ホーンによる超音波振動により発生する熱を利用して、重ね合わせた状態の複合材同士を溶着させながら、インサート材を重ね合わせた状態の複合材に圧入することができる。

0012

インサート材が圧入された複合材同士の間には、これらが溶着した溶着部が形成されるとともに、圧入されたインサート材の被覆層と複合材との間にも、これが融着した溶着部が形成される。このようにして、接合強度の信頼性が高い接合体を簡単にすることができる。

0013

さらに、インサート材の金属部材には貫通孔が形成されているので、接合された複合材の一方側からボルトを挿通し、その他方側から挿通したボルトにナットを締結する。これにより、ボルトとナットで、接合された複合材を両側から挟み込むことができる。このようにして、複合材同士のせん断強度をさらに高めることができる。

図面の簡単な説明

0014

(a)〜(c)は、第1実施形態に係る接合体の製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。
(a)〜(d)は、第2実施形態に係る接合体の製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。
参考例1に係る試験片の複合材同士が溶着した溶着部近傍の拡大写真である。
参考例1〜3に係る試験片の強度を示した図である。
(a),(b)は、従来の接合体の製造方法を説明するための図である。

実施例

0015

以下に本発明の2つの実施形態を図1および図2を参照しながら説明する。
〔第1実施形態〕
以下に、第1実施形態に係る接合体1の製造方法を説明する。図1(a)〜図1(c)は、第1実施形態に係る接合体1の製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。

0016

本実施形態では、2つの複合材11,12同士を接合した接合体1を製造する。まず、図1(a)に示すように、2つの複合材11,12と、インサート材13とを準備する。

0017

複合材11,12は、熱可塑性樹脂に強化繊維を含有した繊維強化樹脂材料(FRP)からなる。熱可塑性樹脂の材料としては、ポリプロピレン(PP)、ポリアミド(PA)などを挙げることができ、後述する接合時に超音波振動による熱で軟化することができるものであれば、特にその材料は限定されるものではない。

0018

強化繊維としては、炭素繊維ガラス繊維等を挙げることができ、後述するインサート材13の圧入を阻害するものでなければ、その繊維長さおよび配置状態は、限定されるものではない。

0019

インサート材13は、貫通孔14aが形成された金属部材14を備えており、金属部材14の外周面14bには、熱可塑性樹脂を含む被覆層15が形成されている。金属部材14の形状は筒状であり、その一方側の周縁の端部14cは、っている。これにより、インサート材13をより好適に複合材11,12に圧入することができる。なお、本実施形態では、金属部材14の貫通孔14aには、雌ネジは形成されていない。

0020

金属部材14の材料としては、例えば、ステンレス鋼アルミニウム合金黄銅などを挙げることができる。被覆層15に含まれる熱可塑性樹脂は、後述する超音波振動による熱で軟化することができるものであれば、特にその材料は限定されるものではなく、複合材11,12に含まれる熱可塑性樹脂と同じものであることが好ましい。また、被覆層15に強化繊維を含有していてもよい。

0021

図1(a)に示すように、準備した複合材11,12を重ね合わせ、重ね合わせた状態の複合材11,12の表面11aにインサート材13を配置するとともに、インサート材13の上に超音波ホーン6を配置する。重ね合わせた状態の複合材11,12の表面11aに、インサート材13を配置する際には、金属部材14の周縁の端部14cを、複合材11の表面11aに接触させる。

0022

次に、図1(b)に示すように、インサート材13を、重ね合わせた状態の複合材11,12に圧入する。具体的には、超音波ホーン6を超音波振動させ、超音波ホーン6からの超音波振動により、複合材11,12とインサート材13との間で熱を発生させる。

0023

この発生した熱で、複合材11、12と被覆層15との熱可塑性樹脂を軟化させる。これにより、重ね合わせた状態の複合材11,12同士を融着するとともに、インサート材13の被覆層15と各複合材11,12を融着させながら、複合材11,12にインサート材13を圧入する。

0024

このように、本実施形態では、超音波ホーン6による超音波振動により発生する熱を利用して、重ね合わせた状態の複合材11,12同士を溶着させつつ、インサート材13を重ね合わせた状態の複合材11,12に圧入することができる。

0025

インサート材13が圧入された複合材11、12同士の間には、これらが溶着した溶着部19Aが形成されるとともに、圧入されたインサート材13の被覆層15と複合材11,12との間にも、これが融着した溶着部19Bが形成される。さらに、インサート材13の金属部材14は、複合材11、12同士を繋ぐように配置される。このようにして、接合された複合材11、12のせん断強度を高めることができる。

0026

さらに、インサート材13には、熱可塑性樹脂からなる被覆層15が形成されているので、複合材11,12に炭素繊維などの強化繊維を含有していても、インサート材13の金属部材14の電食を抑えることができる。

0027

次に、図1(c)に示すように、インサート材13が圧入された金属部材14の貫通孔14aに、接合された複合材11,12の一方側からボルト3を挿通し、接合された複合材11,12の他方側からボルト3にナット4を締結する。このようにして、接合体1を製造することができる。

0028

接合された複合材11,12の一方側からボルト3を挿通し、その他方側から挿通したボルト3にナット4を締結することで、ボルト3とナット4で接合された複合材11,12を両側から挟み込むことができる。

0029

このようにして、図1(c)に示す接合体1は、複合材11,12同士の溶着、各複合材11,12とインサート材14との溶着、および、ボルト3とナット4による締結により、接合された複合材11,12同士のせん断強度を高めることができる。

0030

〔第2実施形態〕
以下に、第2実施形態に係る接合体1Aの製造方法を説明する。図2(a)〜図2(d)は、第2実施形態に係る接合体1Aの製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。

0031

本実施形態が、第1実施形態と相違する点は、インサート材13Aの金属部材14Aの貫通孔14aに雌ネジが形成されている点と、超音波ホーン6Aの形状である。したがって、第1実施形態と同じ構成は、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

0032

本実施形態では、まず、図2(a)に示すように、金属部材14Aを有したインサート材13Aを準備する。金属部材14Aには、第1実施形態と同じように貫通孔14aが形成されているが、貫通孔14a(を形成する内周面)には、ボルト3に螺着可能な雌ネジが形成されている。

0033

インサート材13Aを、重ね合わせた状態の複合材11,12に配置する前に、金属部材14Aの貫通孔14aに形成された雌ネジに超音波ホーン6A(の雄ネジ)を螺着する。これにより、インサート材13Aに超音波ホーン6Aを配置することができる。超音波ホーン6Aの先端6aは尖っており、金属部材14Aから突出している。これにより、インサート材13Aをより好適に複合材11,12に圧入することができる。

0034

このようにして、重ね合わせた状態の複合材11,12の表面11aに超音波ホーン6Aの先端を接触させることで、重ね合わせた状態の複合材11,12の上方にインサート材13Aを配置することができる。

0035

次に、第1実施形態と同様に、図2(b)に示すように、超音波ホーン6Aを超音波振動させ、インサート材13Aを、重ね合わせた状態の複合材11,12に圧入する。この超音波振動により、複合材11と超音波ホーン6Aの先端6aとの間で熱を発生させ、さらのインサート材13Aの圧入が進むに従って、複合材11,12とインサート材13Aとの間で熱を発生させる。

0036

この発生した熱で、複合材11、12と被覆層15との熱可塑性樹脂を軟化させる。これにより、重ね合わせた状態の複合材11,12同士を融着するとともに、インサート材13Aの被覆層15と複合材11,12を融着させながら、複合材11,12にインサート材13Aを圧入する。

0037

このように、本実施形態でも、超音波ホーン6Aによる超音波振動により発生する熱を利用して、重ね合わせた状態の複合材11,12同士を溶着させつつ、インサート材13Aを重ね合わせた状態の複合材11,12に圧入することができる。

0038

インサート材13Aが圧入された複合材11、12同士の間には、これらが溶着した溶着部19Aが形成されるとともに、圧入されたインサート材13Aの被覆層15と複合材11,12との間にも、これが融着した溶着部19Bが形成される。

0039

次に、図2(c)に示すように、金属部材14Aから超音波ホーン6Aを取り外す。最後に、図2(d)に示すように、インサート材13Aが圧入された金属部材14Aの貫通孔14aに、接合された複合材11,12の一方側からボルト3を螺着させながら挿通し、接合された複合材11,12の他方側からボルト3にナット4を締結する。このようにして、接合体1Aを製造することができる。

0040

本実施形態では、第1実施形態に示した効果に加え、金属部材14Aにボルト3が螺着して締結されるので、接合された複合材11,12同士のせん断強度をさらに、高めることができる。

0041

確認試験
以下に、参考例1〜3に従って、複合材同士を接合した試験片を作製した。

0042

(参考例1)
参考例1では、図1(b)に示すように、板状の複合材同士を重ね合わせた状態で、インサート材を圧入した試験片を作製した。複合材は、熱可塑性樹脂にポリプロピレン(PP)を用い、強化繊維に、短繊維の炭素繊維を用いた。インサート材の金属部材には、内径5mm、外径10mmのアルミニウム合金を用い、金属部材の外周面を被覆する熱可塑性樹脂には、複合材と同じ熱可塑性樹脂を用いた。なお、図3に、参考例1に係る試験片の複合材同士が溶着した溶着部近傍の拡大写真を示す。

0043

(参考例2)
参考例2では、図5(a)に示すように、参考例1に用いたものと同様の板状の複合材を振動により溶着した試験片を作製した。

0044

(参考例3)
参考例3では、参考例2と同様に、板状の複合材を振動により溶着した後、これに貫通孔を穿設し、貫通孔にリベットを挿通して、これをかしめた試験片を作製した。

0045

引張せん断試験
参考例1〜3に係る試験片の両側を把持し、複合材同士が分離するまで、複合材を引張し、その時のせん断応力を強度として測定した。この結果を図4に示す。

0046

<結果>
図3に示すように、本実施形態に示した工程を含む参考例1に係る試験片は、複合材同士を溶着した溶着部で強化繊維が絡み合って、複合材同士が溶着していた。図4に示すように、参考例1に係る試験片の強度は、参考例2および3のものに比べて、高かった。

0047

これは、参考例1に係る試験片は、複合材同士に溶着部が形成され、さらに複合材同士を繋ぐように金属部材が挿入され、金属部材の外周面の被覆層と各複合材同士とにも溶着部が形成されているからであると考えられる。一方、参考例3では、リベットを挿通するための貫通孔を穿設する際に、溶着部が破損した可能性があると考えられる。

0048

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

0049

第2実施形態では、インサート材の金属部材に、雌ネジを有した貫通孔が形成されていたが、金属部材にボルトの雄ネジに螺合する雌ネジが形成されていれば、貫通孔でなくてもよい。この場合には、金属部材に超音波ホーンを螺着させた状態で、金属部材を介して、超音波ホーンの超音波振動を複合材に付与することができる。さらに、金属部材にボルトは挿通されず,金属部材のみにボルトが締結されるため、ナットを用いなくてもよい。

0050

1,1A:接合体、3:ボルト、4:ナット、6,6A:超音波ホーン、11,12:複合材、13,13A:インサート材、14,14A:金属部材、14a:貫通孔、15:被覆層。

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