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JP7834071B2 - 接合方法 - Google Patents
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JP7834071B2 - 接合方法 - Google Patents

接合方法

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Description

本開示は、熱可塑複合部材を熱融着により接合する方法に関する。
例えば航空機の構造材向けの熱可塑複合部材の熱融着技術として熱伝導融着がある。熱伝導融着は熱可塑複合部材の外表面にヒータを接触させ、材料内部にヒータが発する熱を伝熱させ、融点を超えるまで融着界面を溶融しつつ圧力を加える。航空機の構造材に用いられる熱可塑複合部材は典型的には炭素繊維可塑化強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics：ＣＦＲＴＰ）からなる。
熱融着の際に加圧した状態で融点を超える温度まで昇温するために、例えば図７に示されるように、融着対象部材の周縁から繊維および樹脂が外側に向けてはみ出すことがある。このはみ出しが生じた接合部材は、所望するよりも必要以上に板厚が減少したり、所望するよりもＶｆ（Fiber Volume content：繊維体積含有率）が少なくなるために強度が低下したりする。また、はみ出し部分が、後工程で他の部材に干渉し組立ができない、脱落してコンタミネーションを起こしたりする。
例えば、特許文献１は、上型と下型で形成されるキャビティの少なくとも一部が開放されており、かつ開放されたキャビティの端部に、上型および下型の各々の成形面に続いて冷却フィンが設置されている熱可塑性複合材料用成形型を開示する。
また、特許文献２は、アルミニウム箔が積層された熱可塑性プラスチックの互いの熱可塑性プラスチック突き合せて溶着する際に、圧力が小さい１段目の加圧圧縮を行い、ついで、１段目より高い圧力で２段目の加圧圧縮することを提案する。
特開平０５－１２４０４２号公報 特開平１１－１２１０号公報
特許文献１は、単一の熱可塑性複合部材を成形する技術に関するものであり、積層されている二つの熱可塑複合部材の熱融着に関して示唆を与えない。
特許文献２は、二つの熱可塑複合部材の熱融着を開示する。しかし、引用文献２は、接合部の熱可塑性プラスチックをフランジの内側方向に排除して、内側に熱可塑性プラスチックの樹脂溜りを作って熱可塑性プラスチックをシールして接着力の強いシール層を得ようとするものである。したがって、特許文献２は、上述したはみ出しについて示唆を与えない。
以上より、本開示は、二つの熱可塑複合部材の熱融着の際に生じるはみ出しの形態を制御することを目的とする。
本開示に係る接合方法は、
第１被接合体と、第１被接合体よりも平面積の小さい第２被接合体とを、積層する第１ステップと、
第２被接合体の側からヒータによる加熱および加圧を行う第２ステップと、を備え、
第２ステップにおいて、第２被接合体とヒータとの間にレジンダムが介在される。
レジンダムは、
表裏の一方の面がヒータに接し、表裏の他方の面が第２被接合体に接する基体と、
基体の周縁から期待から離れる向きに延び、第２被接合体の側面に対向する形態制御面を有するダム本体と、を備える。
本開示によれば、第２被接合体とヒータとの間にレジンダムが介在される状態で熱融着を行うことにより、はみ出しの形態を制御することができる。したがって、本開示によれば、はみ出しが生じたとしても、はみ出しによる弊害を抑えることができる。
実施形態に係る熱融着方法を実施する装置構成を示す側面図である。 図１の装置を示す平面図である。 実施形態の熱融着により得られた接合体を示す図である。 実施形態に含まれる複数の変形例であり、熱融着の前の状態を示す図である。 実施形態に含まれる複数の変形例であり、熱融着の後の状態を示す図である。 実施形態による接合体であり、上側がフィレットあり、下側がフィレットなしを示す図である。 はみ出しの一例を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら、実施形態について説明する。
実施形態は、熱可塑複合材料、例えば炭素繊維可塑化強化プラスチック（以下、ＣＦＲＴＰ）を熱融着により接合する方法および装置に関する。本実施形態による接合手法は、例えば二つのＣＦＲＴＰ部材の接合境界部分からの繊維を含む樹脂のはみ出す形態を制御することで、樹脂のはみ出しによる弊害を抑えることを目的とする。
［熱融着の例示：図１参照］
本実施形態は、例えばＣＦＲＴＰからなるそれぞれが平坦な形状を有する第１被接合体１０１と第２被接合体１０３とを熱融着により接合する。本実施形態における第１被接合体１０１と第２被接合体１０３は、図示されるように、平面方向の面積である平面積が異なり、第１被接合体１０１よりも第２被接合体１０３が小さい。第２被接合体１０３は第１被接合体１０１の上に載せられており、第２被接合体１０３と第１被接合体１０１の間で段差が生じている。詳しくは後述するが、この段差の部分から樹脂のはみ出しが生ずる。なお、第１被接合体１０１および第２被接合体１０３は、同じ種類の樹脂を含むＣＦＲＴＰであってもよいし、異なる種類の樹脂を含むＣＦＲＴＰであってもよい。第１被接合体１０１と第２被接合体１０３は、それぞれの側面１０１Ｓ，１０３Ｓが鉛直方向Ｖに沿っている。
［熱融着装置１：図１参照］
第１被接合体１０１と第２被接合体１０３は、熱融着装置１により接合される。
熱融着装置１は、第１被接合体１０１および第２被接合体１０３より鉛直方向Ｖの下側に設けられる第１要素１０と、第１被接合体１０１および第２被接合体１０３より鉛直方向Ｖの上側に設けられる第２要素２０と、を備える。本実施形態の場合、ヒータ２１を含む第２要素２０が接する第２被接合体１０３を加熱により溶融することで第１被接合体１０１と熱融着させる。
第１要素１０は、プレス盤１１と、プレス盤１１の上に載せられる断熱体１３と、を備える。
プレス盤１１は、熱融着の際に加えられる荷重を受け止めるとともに荷重により変形することのない剛性を有することが求められる。プレス盤１１は、例えば金属材料、セラミックス材料などから適宜選択される。
断熱体１３は、熱融着のために加熱される第１被接合体１０１の温度の低下を抑えるために設けられる。この目的を達成するために、断熱体１３は熱伝導率が低い例えば１.０Ｗ/ｍ・Ｋ以下の材料から構成され、かつ、４００℃の温度おける耐熱性を有することが好ましく、一例としてガラス繊維を基材とする断熱材から構成される。第２要素２０の断熱体２３も同様である。
第２要素２０は、ヒータ２１と、ヒータ２１に載せられる断熱体２３と、断熱体２３に載せられる加圧ブロック２５と、はみ出す樹脂の形態を制御するレジンダム３０と、を備える。
ヒータ２１は、例えば電力が供給されると発熱するシート状のグラファイトヒータ、炭素繊維を発熱体とするカーボンヒータ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などを発熱体とするセラミックヒータ、金属薄膜ヒータなとから適宜選択される。ＣＦＲＴＰを熱融着するには、ヒータ２１が４００℃以上の温度に昇温することが望まれる。
加圧ブロック２５は、ヒータ２１および断熱体２３を介して第１被接合体１０１と第２被接合体１０３に荷重を加える。
熱融着装置１において、以下の第１ステップと、第１ステップの後に行われる第２ステップと、を通じて熱融着による接合が実行される。なお、第２ステップの後は、空冷などの冷却が行われる。
第１ステップ：第１被接合体１０１と、第１被接合体１０１よりも平面積の小さい第２被接合体１０３とを、第２被接合体１０３が上方になるように積層する。
第２ステップ：第２被接合体１０３の側からヒータ２１による加熱および加圧を行う。
［レジンダム３０：図１，図２参照］
レジンダム３０は、平面視して矩形をなす平坦な基体３１と、基体３１の周縁３２から外側に向けて突き出し、かつ、基体３１から離れる向きに延びるダム本体３３と、を備える。レジンダム３０は、基体３１とダム本体３３とが、例えば銅または銅合金からなる板材をプレス成形することにより一体的に構成される。レジンダム３０は、ヒータ２１により加熱・溶融される第２被接合体１０３の側に設けられる。
［基体３１：図１，図２参照］
基体３１は、以下説明するように、第１被接合体１０１と第２被接合体１０３とを熱融着により接合するのに必要な加熱および加圧を担う要素である。したがって、ヒータ２１で発生する熱量はレジンダム３０の特に基体３１を介して第２被接合体１０３に伝えられる。そこで、レジンダム３０は、一例として、熱伝導性に優れかつ熱容量の小さい銅合金で構成される。また、レジンダム３０は、加圧ブロック２５による荷重を第２被接合体１０３および第１被接合体１０１に対して平面方向に均等に伝えるのに必要な剛性を有すること、また、例えば４００～５００℃程度の昇温温度においても軟化による強度低下の少ないことを考慮して、銅または銅合金以外の金属材料、例えば鋼、ステンレス鋼などの鉄系材料、Ｆｅ－Ｎｉ合金などを用いることもできる。
［ダム本体３３：図１，図２参照］
ダム本体３３は、はみ出す樹脂の形態を制御する要素である。この樹脂はＣＦＲＴＰに由来するものであるから繊維を含んでおり、本開示におけるレジンダムとは、繊維を含む樹脂のはみ出しの形態を制御する部材であることを意味する。
レジンダム３０がヒータ２１と第２被接合体１０３の間に挟持される所定位置において、ダム本体３３は鉛直方向Ｖに対して傾いている。したがって、鉛直方向Ｖに平行な第２被接合体１０３の側面１０３Ｓとダム本体３３の間には空隙が形成される。この空隙は、上方から下方に向けて水平方向Ｈの寸法が広がる末広がりの形態をなす。熱融着の際に第２被接合体１０３の側面１０３Ｓからはみ出す樹脂はこの空隙に留まるために、この空隙は樹脂溜まりＲＰと称される。樹脂溜まりＲＰに留まるはみ出し樹脂は、水平方向Ｈにおける形状がダム本体３３の内側の面である形態制御面３４の形態に倣う。鉛直方向Ｖの断面において、樹脂溜まりＲＰに留まるはみ出し樹脂は、樹脂溜まりＲＰの形態と同様に断面が概ね三角形の末広がりの形状をなす。この形状は、フィレット（filet）と称される機械的な要素とみなすことができる。樹脂溜まりＲＰについて、はみ出し樹脂のみを言及したが、この樹脂はＣＦＲＴＰに由来するものであるから繊維を含んでいる。つまり、本開示における樹脂溜まりＲＰとは、繊維を含む樹脂が溜まる領域を意味する。
レジンダム３０を用いて熱融着を行って得られたフィレットＦＴの一例が図３に示されている。フィレットＦＴは、ヒータ２１が設けられる第２被接合体１０３の側に形成され、第２被接合体１０３の上面から第１被接合体１０１に向けて幅方向Ｗに連続的に広がる。フィレットＦＴは、第１被接合体１０１との境界部分においては円弧状に凹み、第２被接合体１０３の図中の上端において円弧状に凸む。
［レジンダム３０の種々の形態：図４，図５参照］
以上で説明したレジンダム３０の形態は一例にすぎず、本開示は他のレジンダム３０を許容する。その中から四つの例（レジンダム３０Ａ～３０Ｄ）を図４および図５を参照して説明する。
［レジンダム３０Ａ］
はじめに、レジンダム３０Ａは、ダム本体３３Ａの内面だけが第２被接合体１０３の側面１０３Ｓに対して傾いている。このレジンダム３０Ａにおいても、図３に示されたようなフィレットＦＴを形成することができる。
また、レジンダム３０Ａにおいて、レジンダム３０Ａの基体３１を第２被接合体１０３に載せたときに、ダム本体３３Ａの図中の下端３５Ａは第１被接合体１０１から離れ、第２被接合体１０３と下端３５Ａの間に隙間Ｇ１が生じる。つまり、レジンダム３０Ａの下端３５Ａから基体３１までの距離であるレジンダム３０Ａの深さＤと第２被接合体１０３の厚さＴ１０３とは、Ｄ＜Ｔ１０３の関係にある。この関係は以降のレジンダム３０Ｂ～レジンダム３０Ｄについても同様に当てはまる。第２被接合体１０３は熱融着前後で肉厚が減少するが、この隙間Ｇ１は肉厚の減少の程度に応じて定められる。
［レジンダム３０Ｂ］
次に、レジンダム３０Ｂは、ダム本体３３Ｂが側面１０３Ｓに対して傾いておらず平行をなしている。つまり、レジンダム３０Ｂのダム本体３３Ｂは、基体３１から直角に垂れ下がり、形態制御面３４Ｂも側面１０３Ｓに対して平行をなしている。ダム本体３３Ｂはその上端においても側面１０３Ｓとの間に空隙が設けられるが、この空隙が樹脂溜まりＲＰを構成する。この樹脂溜まりＲＰは、水平方向Ｈの寸法が鉛直方向Ｖに亘って等しい。なお、レジンダム３０Ａ，３０Ｃ，３０Ｃの樹脂溜まりＲＰは、水平方向Ｈの寸法が鉛直方向Ｖの上方から下方に向けて大きくなる。
［レジンダム３０Ｃ］
次に、レジンダム３０Ｃは、ダム本体３３Ｃの形態制御面３４Ｃが円弧状の丸みを帯びた面から構成される。レジンダム３０Ａ，３０Ｂの形態制御面３４Ａ，３４Ｂは、平坦な面から構成される。
また、レジンダム３０Ｃは、形態制御面３４に連なるダム本体３３Ｃの第２被接合体１０３と対向する下端が延長される。この延長部位は熱融着の際に輻射熱、熱伝導により溶融する第１被接合体１０１の領域を加圧する偏平な押圧面３５Ｃを構成する。押圧面３５Ｃによる加圧により熱融着を促進する。なお、レジンダム３０Ａ，３０Ｂも押圧面を備えるが、押圧面３５Ｃはその面積が広く第１被接合体１０１を加圧する面積が広い。
［レジンダム３０Ｄ］
レジンダム３０Ｄは、レジンダム３０Ｃと基本的な形状は一致する。しかし、レジンダム３０Ｄはレジンダム３０Ｃよりも樹脂溜まりＲＰの容積が大きい。そのために、レジンダム３０Ｄの基体３１Ｄはレジンダム３０Ｃの基体３１よりも平面積が大きく構成されており、第２被接合体１０３の側面１０３Ｓから基体３１とダム本体３３Ｄの境界までに隙間Ｇ２が設けられる。
［樹脂のはみ出しの一例：図７参照］
レジンダム３０Ａなどを用いないで側面１０３Ｓを自由状態にして第２被接合体１０３を第１被接合体１０１に熱融着させると、図７に示すように、厚さ方向Ｔの中央ほどはみ出ｄＥｘｔ.の量が多くなり、かつ凹凸の大きい形状をなしている。このような形状のはみ出し形態だと、強度に対して寄与することができず、また、脱落してコンタミネーションの問題を生じさせるおそれがある。さらに、繊維を含む樹脂のはみ出しが制約やなく行われるために、第２被接合体１０３の肉厚が予期せぬほど減少することがある。
［レジンダム３０Ａ～３０Ｄによる制御された樹脂はみ出し形態：図５参照］
熱融着層ＨＦにより接合された第１被接合体１０１と第２被接合体１０３において、レジンダム３０Ａ～３０Ｄによる樹脂のはみ出しの形状は、図５に示される通りであり、熱融着後にいずれも側面１０３Ｓに対応する部分は凹凸の少ないなだらかな面から形成されている。つまり、レジンダム３０Ａによる第２被接合体１０３の側面１０３Ｓは、ダム本体３３Ａの形態制御面３４Ａに倣って、第１被接合体１０１の肉厚方向に対して傾く平面をなしている。レジンダム３０Ｂによる側面１０３Ｓは、ダム本体３３Ｂの形態制御面３４Ｂに倣って、当該肉厚方向に平行な平面をなしている。レジンダム３０Ｃ，３０Ｄによる側面１０３Ｓは、ダム本体３３Ｃ，３３Ｄの形態制御面３４Ｃ，３４Ｄに倣って、円弧状に丸みを帯びた面をなしている。
以上のように、本実施形態においても、熱融着後にはみ出し自体は生ずるものの、はみ出した部分の形態を制御できるので、脱落のおそれがない。また、はみ出した部分の形態を制御することにより、繊維を含む樹脂のはみ出す量を制御することもできるので、予定どおりに肉厚の減少を留めることができる。
［フィレットＦＴによる接合強度の向上効果：図６参照］
レジンダム３０Ｂ～３０Ｄによる樹脂のはみ出し形状は、いわゆるフィレットＦＴであり、第１被接合体１０１と第２被接合体１０３の接合強度の向上に寄与する。例えば、第２被接合体１０３の側面１０３ＳがフィレットＦＴを有する接合体１０５とフィレットＦＴを有しない接合体１０７のせん断強度を測定した。その結果、フィレットＦＴを有する接合体１０５の方が９％のせん断強度が大きいことが確認された。
上記以外にも、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、実施形態においては、二つの被接合体の平面積が異なる例を示したが、本開示は二つの被接合体の平面積が同じ場合にも適用され得る。この場合、レジンダムは、ヒータが設けられる側の被接合体に設けられる。実施形態においては、平面積の大きい第２被接合体１０３を下側に配置し、平面積の小さい第１被接合体１０１を上側に配置する例を示したが、本開示はこの逆に平面積の小さい被接合体を下側に配置し、平面積の大きい被接合体を上側に配置することができる。この場合、下側に配置される平面積の小さい被接合体をレジンダムに載せ、レジンダムの下側にヒータを配置することができる。
また、実施形態においては、二つの被接合体の一方のみにヒータを設けたが、二つの被接合体の双方にヒータ設けることができる。この場合、二つの被接合体の双方にレジンダムが設けられる。
［付記］
実施形態において説明した接合方法は以下のように捉えられる。
［付記１］
第１被接合体（１０１）と、第１被接合体（１０１）よりも平面積の小さい第２被接合体（１０３）とを、積層する第１ステップと、
第２被接合体（１０３）の側からヒータ（２１）による加熱および加圧を行う第２ステップと、を備え、
第２ステップにおいて、第２被接合体（１０３）とヒータ（２１）との間にレジンダム（３０）が介在されるとともに、
レジンダム（３０）は、
表裏の一方の面がヒータ（２１）に接し、表裏の他方の面が第２被接合体（１０３）に接する基体（３１）と、
基体（３１）の周縁（３２）から基体（３１）から離れる向きに延び、第２被接合体（１０３）の側面（１０３Ｓ）に対向する形態制御面（３４）を有するダム本体（３３）と、を備える。
［付記２］
［付記１］において、好ましくは、形態制御面（３４）と側面（１０３Ｓ）の間に樹脂溜まり（ＲＰ）が設けられる。
［付記３］
［付記１］において、好ましくは、形態制御面（３４）は、基体（３１）から離れる向きに末広がりさとれる。
［付記４］
［付記１］において、好ましくは、形態制御面（３４）は、丸みを帯びている。
［付記５］
［付記１］において、好ましくは、ダム本体（３３）の第１被接合体（１０１）に対向する端部（３５Ａ）は第１被接合体（１０１）から離れ、第１被接合体（１０１）と端部（３５Ａ）の間に隙間（Ｇ１）が生じている。
１ 熱融着装置
１０ 第１要素
１１ プレス盤
１３ 断熱体
２０ 第２要素
２１ ヒータ
２３ 断熱体
２５ 加圧ブロック
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ レジンダム
３１ 基体
３３，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ ダム本体
３４ 形態制御面
３５Ａ 下端
３５Ｃ，３５Ｄ 押圧面
１０１ 第１被接合体
１０３ 第２被接合体
１０１Ｓ，１０３Ｓ 側面
１０５，１０７ 接合体
ＲＰ 樹脂溜まり
ＦＴ フィレット
Ｈ 水平方向
Ｖ 鉛直方向
Ｗ 幅方向
Ｇ１，Ｇ２ 隙間

Claims (5)

  1. 第１被接合体と、前記第１被接合体よりも平面積の小さい第２被接合体とを、積層する第１ステップと、
    前記第２被接合体の側からヒータによる加熱および加圧を行う第２ステップと、を備え、
    前記第２ステップにおいて、前記第２被接合体と前記ヒータとの間にレジンダムが介在されるとともに、
    前記レジンダムは、
    表裏の一方の面が前記ヒータに接し、表裏の他方の面が前記第２被接合体に接する基体と、
    前記基体の周縁から前記基体から離れる向きに延び、前記第２被接合体の側面に対向する形態制御面を有するダム本体と、を備え、
    前記第１被接合体および前記第２被接合体は熱可塑複合材料からなり、
    前記第２被接合体を前記加熱により溶融させることで、前記第２被接合体と前記第１被接合体とを熱融着させ、
    前記レジンダムは、前記第２被接合体からはみ出す樹脂の形態を制御する、熱融着による接合方法。
  2. 前記形態制御面と前記側面の間に樹脂溜まりが設けられる、
    請求項１に記載の接合方法。
  3. 前記形態制御面は、前記基体から離れる向きに末広がりとされる、
    請求項１に記載の接合方法。
  4. 前記形態制御面は、丸みを帯びている、
    請求項１に記載の接合方法。
  5. 前記ダム本体の前記第１被接合体に対向する端部は前記第１被接合体から離れ、前記第１被接合体と前記端部の間に隙間が生じている、
    請求項１に記載の接合方法。
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