JP7050462B2 - How to join members to be joined - Google Patents
How to join members to be joined Download PDFInfo
- Publication number
- JP7050462B2 JP7050462B2 JP2017215425A JP2017215425A JP7050462B2 JP 7050462 B2 JP7050462 B2 JP 7050462B2 JP 2017215425 A JP2017215425 A JP 2017215425A JP 2017215425 A JP2017215425 A JP 2017215425A JP 7050462 B2 JP7050462 B2 JP 7050462B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- joined
- members
- joining
- viscous body
- horn
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 72
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 23
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 17
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 17
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 15
- 229920005992 thermoplastic resin Polymers 0.000 claims description 15
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 13
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 9
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 claims description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 14
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 14
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 11
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 7
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 2
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 239000011199 continuous fiber reinforced thermoplastic Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920001225 polyester resin Polymers 0.000 description 1
- 229920005672 polyolefin resin Polymers 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
Description
本発明は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂(FRTP)から成る被接合部材同士を接合するのに用いられる被接合部材の接合方法に関するものである。 The present invention relates to a method for joining members to be joined, which is used for joining members to be joined made of fiber reinforced resin (FRTP) using a thermoplastic resin as a base material.
従来の被接合部材の接合方法としては、例えば、特許文献1に記載されているものがある。特許文献1に記載の接合方法は、2つの樹脂部材を超音波スポット溶着により接合する方法であり、尖頭状の先端部を有するピン型のホーンを用いる。樹脂部材は、熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂中に繊維を一方向に配向した繊維強化複合材である。そして、接合方法は、一方の樹脂部材側からホーンを押し当てるとともにそのホーンに超音波振動を与え、前記ホーンを他方の樹脂部材の厚さの50%を超える位置まで進入させて、樹脂部材同士を溶融接合する。
As a conventional method for joining members to be joined, for example, there is one described in
しかしながら、上記したような従来の接合方法にあっては、ピン型を成すホーンの側壁の摩擦熱のみで被接合部材同士を溶融接合することから、接合強度を向上し得る広い接合面積を得ることが難しいという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。 However, in the conventional joining method as described above, since the members to be joined are melt-bonded only by the frictional heat of the side wall of the pin-shaped horn, a wide joining area capable of improving the joining strength can be obtained. There was a problem that it was difficult, and it was a problem to solve such a problem.
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂(FRTP)から成る被接合部材同士を接合するに際し、広い接合面積を確保することができ、これにより、接合強度の向上を実現することができる被接合部材の接合方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned conventional problems, and secures a wide joining area when joining members to be joined made of a fiber-reinforced resin (FRTP) using a thermoplastic resin as a base material. It is an object of the present invention to provide a joining method of a member to be joined, which can realize an improvement in joining strength.
本発明に係わる被接合部材の接合方法は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂から成る被接合部材同士を接合する方法であり、被接合部材に押し込むピン部を有し且つピン部の軸線に沿う方向に超音波振動が付与されるホーンを用いる。そして、被接合部材の接合方法は、前記被接合部材同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる第1工程と、前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させる第2工程とを備え、
第1工程では、一方の被接合部材側からホーンのピン部を押し込んで、ピン部の超音波振動により被接合部材同士の界面に粘性体を発生させることを特徴としている。
The method for joining members to be joined according to the present invention is a method for joining members to be joined made of a fiber-reinforced resin using a thermoplastic resin as a base material, and has a pin portion to be pushed into the member to be joined and a pin portion. Use a horn to which ultrasonic vibration is applied in the direction along the axis of . The method of joining the members to be joined includes the first step of generating a viscous body at both interfaces in a state where the members to be joined are overlapped with each other, and the molecular motion of the viscous body is promoted to generate heat of the viscous body. It is equipped with a second step to make it
The first step is characterized in that the pin portion of the horn is pushed from one side of the member to be joined to generate a viscous body at the interface between the members to be joined by ultrasonic vibration of the pin portion .
本発明に係わる被接合部材の接合方法は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂から成る被接合部材同士を接合するに際し、第1工程において、一方の被接合部材側から押し込んだホーンのピン部の超音波振動により被接合部材同士の界面に粘性体を発生させ、分子の自由度を高めた状態にする。そして、上記接合方法は、第2工程において、粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を確実に発熱させる。つまり、上記接合方法は、分子同士の摩擦熱を利用して前記粘性体を発熱させ、界面における溶融範囲を半径方向に拡大させる。これにより、上記接合方法によれば、被接合部材同士の界面に、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現する。 The method for joining a member to be joined according to the present invention is a method of joining members made of a fiber-reinforced resin using a thermoplastic resin as a base material, in which a horn pushed in from one side of the member to be joined in the first step. A viscous body is generated at the interface between the members to be joined by the ultrasonic vibration of the pin portion, and the degree of freedom of the molecule is increased. Then, in the second step, the joining method promotes the molecular motion of the viscous body to surely generate heat of the viscous body. That is, in the joining method, the viscous body is heated by utilizing the frictional heat between the molecules, and the melting range at the interface is expanded in the radial direction. As a result, according to the above-mentioned joining method, a wide joining area can be stably secured at the interface between the members to be joined, and the joining strength can be improved.
〈第1実施形態〉
図1は、本発明に係わる被接合部材の接合方法の第1実施形態を説明する図である。
被接合部材の接合方法は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂(FRTP)から成る被接合部材1,2同士を接合するものである。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment of a method for joining members to be joined according to the present invention.
The method of joining the members to be joined is to join the
被接合部材1,2の母材である熱可塑性樹脂は、とくに限定されるものではないが、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、及びポリエステル系樹脂などを用いることができる。 The thermoplastic resin that is the base material of the members to be joined 1 and 2 is not particularly limited, and for example, a polyolefin-based resin, a polyamide-based resin, a polyester-based resin, and the like can be used.
また、被接合部材1,2の強化繊維は、とくに限定されるものではないが、例えば、自動車の構造材用としては、高強度で且つ軽量である炭素繊維若しくは炭素含有繊維が好適である。この場合、被接合部材1,2の材料は、熱可塑性樹脂を母材とする炭素繊維強化樹脂(CFRTP)である。その他、本発明の接合方法は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂(FRTP)やガラス繊維強化樹脂(GFRTP)等の接合に適用することも勿論可能である。
The reinforcing fibers of the
被接合部材1,2は、全体としては様々な形態にすることが可能であるが、少なくとも接合する部分は、図1に示すように、互いに密着した界面を形成する形態であれば良く、単数又は複数の平面や曲面などにすることができる。
The
上記の接合方法に用いる接合装置としては、概略として、被接合部材1,2同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる粘性体生成機構と、前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させる分子活性化機構とを備えている。 As a general rule, the joining device used in the above joining method includes a viscous body generation mechanism that generates a viscous body at both interfaces in a state where the members to be joined 1 and 2 are overlapped with each other, and promotes the molecular motion of the viscous body. It is provided with a molecular activation mechanism that causes the viscous body to generate heat.
この実施形態の接合装置は、図1(A)に示すように、一方の被接合部材1の表面に当接可能な基部11と、基部11から突出して被接合部材1,2に押し込み可能なピン部12とを有し且つピン部12の軸線に沿う方向に超音波振動VWが付与されるホーンHを備えている。ホーンHは、基部11が分子活性化機構を構成し、ピン部12が粘性体生成機構を構成している。
As shown in FIG. 1A, the joining device of this embodiment has a
基部11は、扁平な円柱状を成しており、他方、ピン部12は、先端を尖頭状にした断面円形を成している。ホーンHは、基部11及びピン部12を同軸線上に配置して、双方を一体化したものであり、接合装置のヘッドに対する取付部(図示せず)等を有するものであっても良い。
The
ここで、上記の接合方法では、より好ましい実施形態として、一方の被接合部材1の厚さT1と、他方の被接合部材2の厚さT2との関係が、T1≧T2であり、ホーンHにおける基部11の被接合部材との接触面11Aが円形である場合、基部11の接触面11Aの面積が、π×((2√T2)/2)2 以上であるものとすることができる。
Here, in the above-mentioned joining method, as a more preferable embodiment, the relationship between the thickness T1 of one member to be joined 1 and the thickness T2 of the
また、接合装置は、図示を省略したが、ホーンHを装着したヘッドを昇降させる機構や、ホーンHに超音波振動VWを付与するブースタなどを備えており、被接合部材1,2の背面側(ホーンHの反対側)を保持する機構を備えた構成としても良い。
Further, although not shown, the joining device is provided with a mechanism for raising and lowering the head equipped with the horn H, a booster for applying ultrasonic vibration VW to the horn H, and the like, and is provided on the back side of the
上記の接合装置を用いた接合方法は、被接合部材1,2同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる第1工程と、粘性体の分子運動を促進して粘性体を発熱させる第2工程とを備えている。
The joining method using the above-mentioned joining device includes the first step of generating a viscous body at both interfaces in a state where the
つまり、第1工程では、一方の被接合部材1側からホーンのピン部12を押し込んで、ピン部12の超音波振動VWにより被接合部材1,2同士の界面に粘性体Pを発生させる。
That is, in the first step, the
より具体的には、図1(A)に示すように、被接合部材1,2同士を重ね合わせた状態にして、ホーンHを前進(下降)させ、図1(B)に示すように、ホーンHに軸線に沿う方向の超音波振動VWを付与して、ピン部12を一方の被接合部材1に押し込む。このとき、上記の接合方法は、被接合部材1,2同士の界面部分に、ピン部12の側壁との摩擦熱により粘性体Pを効果的に発生させ、分子の自由度を高めた状態にする。
More specifically, as shown in FIG. 1 (A), the horn H is advanced (lowered) with the
ここで、上記の接合方法における粘性体Pは、主として、被接合部材1,2の母材である熱可塑性樹脂であって、この熱可塑性樹脂が溶融したものである。但し、粘性体Pは、被接合部材1,2同士の間に介在させた別の材料から発生させることも可能である。 Here, the viscous body P in the above-mentioned joining method is mainly a thermoplastic resin which is a base material of the members to be joined 1 and 2, and the thermoplastic resin is melted. However, the viscous body P can also be generated from another material interposed between the members to be joined 1 and 2.
次に、第2工程では、ホーンHの基部11を一方の被接合部材1の表面に当接させて、基部11の縦の超音波振動VWにより粘性体Pの分子運動を促進して粘性体Pを確実に発熱させる。
Next, in the second step, the
より具体的には、図1(C)に示すように、基部11の接触面11Aが一方の被接合部材1に当接するまで、ホーンHを前進させる。これにより、上記の接合方法は、ホーンHの縦の超音波振動VWにより、粘性体Pの分子運動を促進して粘性体Pを発熱させる。つまり、上記の接合方法は、粘性体Pにおける分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Pを発熱させ、図1(C)中の符号PAで示すように、界面における溶融範囲を半径方向に拡大させる。
More specifically, as shown in FIG. 1C, the horn H is advanced until the
その後、上記の接合方法は、ホーンHの超音波振動VWを停止してその状態を一旦保持し、溶融部分が硬化すれば接合完了であり、溶融部分の硬化前又は硬化後の適当な時期にホーンHを被接合部材1,2から離脱させる。
After that, in the above-mentioned joining method, the ultrasonic vibration VW of the horn H is stopped to temporarily hold the state, and if the molten portion is cured, the joining is completed, and at an appropriate time before or after the curing of the fused portion. The horn H is separated from the
このようにして、上記実施形態で説明した接合方法は、第1工程及び第2工程の採用により、被接合部材1,2同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現する。また、上記の接合方法によって一方の被接合部材1と他方の被接合部材2とを接合した接合構造では、充分な接合面積の確保に伴って、被接合部材1,2同士の接合強度の向上を実現することができる。
In this way, the joining method described in the above embodiment can stably secure a wide joining area at the interface between the members to be joined 1 and 2 by adopting the first step and the second step. Achieves improved joint strength. Further, in the joining structure in which one member to be joined 1 and the
また、上記の接合方法では、粘性体Pが、被接合部材1,2の母材である熱可塑性樹脂であるから、被接合部材1,2同士を互いに重ねた状態にして第1工程及び第2工程を行うだけで、あたかも金属部材にスポット溶接を行う要領で、被接合部材1,2同士を短時間で簡単に接合することができる。
Further, in the above-mentioned joining method, since the viscous body P is a thermoplastic resin which is a base material of the members to be joined 1 and 2, the first step and the first step are made by stacking the
この際、上記の接合方法では、ホーンHに縦の超音波振動VWを付与するので、被接合部材1,2に対し、所定間隔で順次接合を行って双方を確実に接合し得る。つまり、被接合部材1,2に所定間隔で順次接合を行う場合、既に接合された部分の近傍では、面内方向(面に平行な方向)の自由度が低下する。これに対して、縦の超音波振動VWを用いた接合方法では、既に接合された部分の近傍でも、面内方向の自由度の低下に左右されることがないので、いずれの接合位置においても、粘性体Pの生成や粘性体Pの発熱が確実に行われ、高品質の接合部を安定して形成することができる。
At this time, in the above-mentioned joining method, since the vertical ultrasonic vibration VW is applied to the horn H, it is possible to sequentially join the
さらに、上記の接合方法では、基部11とピン部12とを有し且つ超音波振動VWが付与されるホーンHを用いたことにより、粘性体Pを発生させる第1工程と、粘性体を発熱させる第2工程とを連続的に行うことができる。これにより、上記の接合方法では、充分な接合面積の確保及び接合強度の向上を実現したうえで、接合時間の短縮化などを図ることができる。
Further, in the above joining method, the first step of generating the viscous body P and the heat generation of the viscous body are generated by using the horn H having the
さらに、上記の接合方法では、一方の被接合部材の厚さT1と、他方の被接合部材の厚さT2との関係が、T1≧T2であり、ホーンHにおける基部11の接触面11Aが円形である場合、接触面11Aの面積をπ×((2√T2)/2)2 以上としたことから、充分な溶融面積を確保して、高い接合強度を得ることができる。これは、鋼板同士やアルミニウム合金同士の接合では、ナゲット径5√t1がA級品質(JISZ3140)であるから、当該接合方法においては、ナゲット径2√tを最小として面積を規定したものである。CFRTP同士の接合においては、この範囲でナゲット径を管理することで高い接合強度を実現することが可能になる。
Further, in the above-mentioned joining method, the relationship between the thickness T1 of one of the members to be joined and the thickness T2 of the other member to be joined is T1 ≧ T2, and the
さらに、上記接合方法に適用可能な接合装置では、粘性体生成機構と、分子活性化機構とを備えている。とくに、上記実施形態の接合装置は、分子活性化機構として一方の被接合部材1の表面に当接可能な基部11と、粘性体生成機構として基部11から突出して被接合部材1、2に押し込み可能なピン部12とを有し且つピン部12の軸線に沿う方向に超音波振動VWが付与されるホーンHを備えている。
Further, the joining device applicable to the above joining method includes a viscous body forming mechanism and a molecular activation mechanism. In particular, the joining device of the above embodiment has a
上記接合装置は、粘性体生成機構(ピン部12)と、分子活性化機構(基部11)とを一体化したホーンHの採用により、装置構造を極めて簡単にし、且つ小型のものとしたうえで、被接合部材1,2同士を短時間で且つ高強度に接合することができる。
The joining device uses a horn H that integrates a viscous body generation mechanism (pin portion 12) and a molecular activation mechanism (base portion 11) to make the device structure extremely simple and compact. , The
(実施例1)
接合装置として、図1に示すホーンHを備えた縦振動型の超音波接合装置を用いた。被接合部材1,2の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を40重量%とし、繊維長を0.3mm~05mmとした。ホーンHにおけるピン部12は、根元径が4,5mm、先端径が4.0mm、突出高さが5.0mmである。接合条件は、大気中において、加圧力300kPa、振幅80%、押し込み深さ5mm、接合時間1.5秒、接合後の保持時間5.0秒とした。上記の条件で被接合部材1,2同士を接合した結果、1箇所あたりの接合部分の引張強度は5.2kNであり、充分な接合強度が得られることを確認した。
(Example 1)
As a bonding device, a longitudinal vibration type ultrasonic bonding device equipped with the horn H shown in FIG. 1 was used. The materials of the
以下、図2~6に基づいて、本発明に係わる被接合部材の接合方法の第2~第6の実施形態を説明する。以下の各実施形態において、第1実施形態と同一の構成部位は同一符号を付して詳細な説明を省略する。 Hereinafter, the second to sixth embodiments of the method for joining the members to be joined according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 6. In each of the following embodiments, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
〈第2実施形態〉
図2は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第2実施形態を説明する図である。図示例の接合装置は、被接合部材1,2同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Pを発生させる粘性体生成機構として、赤外線ヒータ13を備えている。また、接合装置は、粘性体Pの分子運動を促進して前記粘性体Pを発熱させる分子活性化機構として、一方の被接合部材1の表面に当接可能な基部14を備えたホーンHを備えている。このホーンHには、被接合部材1,2の厚さ方向に沿う縦の超音波振動VWが付与される。
<Second Embodiment>
FIG. 2 is a diagram illustrating a method of joining members to be joined and a second embodiment of a joining device according to the present invention. The joining device of the illustrated example includes an
上記の接合装置を用いた接合方法は、被接合部材1,2同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる第1工程と、粘性体の分子運動を促進して粘性体を発熱させる第2工程とを備えている。
The joining method using the above-mentioned joining device includes the first step of generating a viscous body at both interfaces in a state where the
つまり、第1工程では、被接合部材1,2同士の間を赤外線ヒータ13から発した赤外線IRにより赤外線加熱し、被接合部材1,2同士の界面を効果的に加熱して粘性体Pを発生させ、粘性体Pの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第2工程では、ホーンHの基部14を一方の被接合部材1の表面に当接させて、基部14の超音波振動VWにより粘性体Pの分子運動を促進し、分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Pを確実に発熱させ、界面における溶融範囲PAを半径方向に拡大させる。
That is, in the first step, infrared heating is performed between the
このようにして、上記の接合方法は、被接合部材1,2同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。なお、図示例では、赤外線ヒータ13で広い範囲を赤外線加熱しているが、後の第2工程で粘性体Pを発熱させて溶融範囲Paを拡大させるので、狭い範囲を集中的に赤外線加熱して、図示例よりも小さい範囲に粘性体Pを発生させるようにしても構わない。
In this way, the above-mentioned joining method can stably secure a wide joining area at the interface between the members to be joined 1 and 2, and can realize the improvement of the joining strength. In the illustrated example, the
(実施例2)
接合装置として、図2に示す赤外線ヒータ13と、ホーンHを備えた縦振動型の超音波接合装置とを用いた。被接合部材1,2の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を40重量%とし、繊維長を0.3mm~05mmとした。接合条件は、大気中において、加圧力300kPa、ホーンHの振幅80%、接合時間2.0秒、接合後の保持時間5秒とした。上記の条件で被接合部材1,2同士を接合した結果、1箇所あたりの接合部分の引張強度は4kNであり、充分な接合強度が得られることを確認した。
(Example 2)
As a bonding device, an
〈第3実施形態〉
図3は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第3実施形態を説明する図である。図示例の接合装置は、被接合部材1,2同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Pを発生させる粘性体生成機構として、レーザ発振器15を備えている。また、接合装置は、粘性体Pの分子運動を促進して前記粘性体Pを発熱させる分子活性化機構として、一方の被接合部材1の表面に当接可能な基部14を備えたホーンHを備えている。このホーンHには、被接合部材1,2の厚さ方向に沿う縦の超音波振動VWが付与される。
<Third Embodiment>
FIG. 3 is a diagram illustrating a method of joining members to be joined and a third embodiment of a joining device according to the present invention. The joining device of the illustrated example includes a
上記の接合装置を用いた接合方法は、第1工程では、被接合部材1,2同士の間をレーザ発振器15から発振させたレーザ光Lによりレーザ加熱し、被接合部材1,2同士の界面を効果的に加熱して粘性体Pを発生させ、粘性体Pの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第2工程では、ホーンHの基部14を一方の被接合部材1の表面に当接させて、基部14の縦の超音波振動VWにより粘性体Pの分子運動を促進し、分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Pを確実に発熱させ、界面における溶融範囲PAを半径方向に拡大させる。
In the joining method using the above-mentioned joining device, in the first step, laser heating is performed between the joined
このようにして、上記の接合方法は、被接合部材1,2同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。なお、図示例では、レーザ発振器15で広い範囲をレーザ加熱しているが、第2実施形態と同様に、狭い範囲を集中的にレーザ加熱しても構わない。
In this way, the above-mentioned joining method can stably secure a wide joining area at the interface between the members to be joined 1 and 2, and can realize the improvement of the joining strength. In the illustrated example, the
(実施例3)
接合装置として、図3に示すレーザ発振器15と、ホーンHを備えた縦振動型の超音波接合装置とを用いた。被接合部材1,2の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を40重量%とし、繊維長を0.3mm~05mmとした。接合条件は、大気中において、加圧力300kPa、ホーンHの振幅80%、接合時間2.5秒、接合後の保持時間5秒とした。上記の条件で被接合部材1,2同士を接合した結果、1箇所あたりの接合部分の引張強度は4.2kNであり、充分な接合強度が得られることを確認した。
(Example 3)
As a bonding device, a
〈第4実施形態〉
図4は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第4実施形態を説明する図である。図示例の接合装置は、被接合部材1,2同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Pを発生させる粘性体生成機構として、誘導加熱装置16を備えている。この誘導加熱装置16は、誘導加熱のうちの高周波加熱を行うものである。また、接合装置は、粘性体Pの分子運動を促進して前記粘性体Pを発熱させる分子活性化機構として、一方の被接合部材1の表面に当接可能な基部14を備えたホーンHを備えている。このホーンHには、被接合部材1,2の厚さ方向に沿う縦の超音波振動VWが付与される。
<Fourth Embodiment>
FIG. 4 is a diagram illustrating a method of joining members to be joined and a fourth embodiment of a joining device according to the present invention. The joining device of the illustrated example includes an
上記の接合装置を用いた接合方法は、第1工程では、被接合部材1,2同士の間を誘導加熱装置16で発生させた磁界Bにより高周波加熱し、被接合部材1,2同士の界面を効果的に加熱して粘性体Pを発生させ、粘性体Pの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第2工程では、ホーンHの基部14を一方の被接合部材1の表面に当接させて、基部14の縦の超音波振動VWにより粘性体Pの分子運動を促進し、分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Pを確実に発熱させ、界面における溶融範囲PAを半径方向に拡大させる。このようにして、上記の接合方法は、被接合部材1,2同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。
In the joining method using the above-mentioned joining device, in the first step, the space between the
(実施例4)
接合装置として、図4に示す誘導加熱装置16と、ホーンHを備えた縦振動型の超音波接合装置とを用いた。被接合部材1,2の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を40重量%とし、繊維長を0.3mm~05mmとした。接合条件は、大気中において、加圧力300kPa、ホーンHの振幅80%、接合時間2.8秒、接合後の保持時間5秒とした。上記の条件で被接合部材1,2同士を接合した結果、1箇所あたりの接合部分の引張強度は4.2kNであり、充分な接合強度が得られることを確認した。
(Example 4)
As the bonding device, an
〈第5実施形態〉
図5は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第2実施形態を説明する図である。接合装置は、図5(A)に示すように、被接合部材1,2同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Pを発生させる粘性体生成機構として、ピン部12を有するホーンHを備えている。また、接合装置は、図5(B)に示すように、粘性体Pの分子運動を促進して前記粘性体Pを発熱させる分子活性化機構として、被接合部材1,2同士の界面の面内方向に沿う横の超音波振動HWが付与されるホーン17と、ホーン17に相対向して被接合部材1,2を保持するアンビル18とを備えている。
<Fifth Embodiment>
FIG. 5 is a diagram illustrating a method of joining members to be joined and a second embodiment of a joining device according to the present invention. As shown in FIG. 5A, the joining device has a horn H having a
上記の接合装置を用いた接合方法は、第1工程では、被接合部材1,2同士の間を、縦の超音波振動VWが付与されたホーンHのピン部12による摩擦熱で効果的に加熱し、被接合部材1,2同士の界面に粘性体Pを発生させ、粘性体Pの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第2工程では、ホーン17を一方の被接合部材1の表面に当接させて、ホーン18の横の超音波振動HWにより粘性体Pの分子運動を促進し、分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Pを確実に発熱させ、界面における溶融範囲PAを半径方向に拡大させる。このようにして、上記の接合方法は、被接合部材1,2同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。
In the joining method using the above-mentioned joining device, in the first step, the frictional heat generated by the
(実施例5)
接合装置として、縦の超音波振動VWが付与されるホーンH(図5(A))と、横の超音波振動HWが付与されるホーン17(図5(B))とを備えた超音波接合装置とを用いた。被接合部材1,2の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を40重量%とし、繊維長を0.3mm~05mmとした。接合条件は、大気中において、加圧力300kPa、ホーンHの振幅80%、ピン部12の押し込み深さ4.0mm、接合時間2.5秒、接合後の保持時間5秒とした。上記の条件で被接合部材1,2同士を接合した結果、1箇所あたりの接合部分の引張強度は4.3kNであり、充分な接合強度が得られることを確認した。
(Example 5)
As a bonding device, an ultrasonic wave provided with a horn H (FIG. 5 (A)) to which a vertical ultrasonic vibration VW is applied and a horn 17 (FIG. 5 (B)) to which a horizontal ultrasonic vibration HW is applied. A joining device was used. The materials of the
〈第6実施形態〉
図6は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第6実施形態を説明する図である。接合装置は、被接合部材1,2同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Pを発生させる粘性体生成機構として、ピン部12を有するホーンHを備えている。また、接合装置は、粘性体Pの分子運動を促進して前記粘性体Pを発熱させる分子活性化機構として、誘電加熱装置19を備えている。この誘電加熱装置19は、誘電加熱のうちのマイクロ波加熱を行うものである。
<Sixth Embodiment>
FIG. 6 is a diagram illustrating a method of joining members to be joined and a sixth embodiment of a joining device according to the present invention. The joining device includes a horn H having a
上記の接合装置を用いた接合方法は、第1工程では、被接合部材1,2同士の間を、縦の超音波振動VWが付与されたホーンHのピン部12による摩擦熱で効果的に加熱し、被接合部材1,2同士の界面に粘性体Pを発生させ、粘性体Pの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第2工程では、誘電加熱装置19で発生させたマイクロ波MWにより粘性体Pの分子運動を促進し、図6(B)に示すように、分子同士の回転振動による摩擦熱を利用して粘性体Pを確実に発熱させ、界面における溶融範囲PAを半径方向に拡大させる。このようにして、上記の接合方法は、被接合部材1,2同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。
In the joining method using the above-mentioned joining device, in the first step, the frictional heat generated by the
(実施例6)
接合装置として、図6(A)に示す縦の超音波振動VWが付与されるホーンHを備えた超音波接合装置と、誘電加熱装置19とを備えた超音波接合装置とを用いた。被接合部材1,2の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を40重量%とし、繊維長を0.3mm~05mmとした。接合条件は、大気中において、加圧力300kPa、ホーンHの振幅80%、ピン部12の押し込み深さ4.0mm、接合時間2.8秒、接合後の保持時間5秒とした。上記の条件で被接合部材1,2同士を接合した結果、1箇所あたりの接合部分の引張強度は4.5kNであり、充分な接合強度が得られることを確認した。
(Example 6)
As the bonding device, an ultrasonic bonding device provided with a horn H to which the vertical ultrasonic vibration VW shown in FIG. 6A is applied, and an ultrasonic bonding device provided with a
上記の第2~第6の実施形態で説明したように、本発明の接合方法では、第1工程では、赤外線IRによる赤外線加熱、レーザ光Lによるレーザ加熱、及び磁界Bによる誘導加熱のうちの少なくとも1つの加熱により、被接合部材1,2同士の界面を効果的に加熱して粘性体Pを発生させることができる。また、第2工程では、被接合部材1,2同士の界面の面内方向に付与した横の超音波振動HW、及びマイクロ波MWの少なくとも一方により、粘性体Pの分子運動を促進して前記粘性体Pを確実に発熱させることができる。
As described in the second to sixth embodiments described above, in the joining method of the present invention, in the first step, among infrared heating by infrared IR, laser heating by laser light L, and induction heating by magnetic field B, By heating at least one, the interface between the
このように、本発明の接合方法では、第1工程に用いる粘性体生成機構と、第2工程に用いる分子活性化機構とを組合せることで、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。なお、粘性体生成機構と分子活性化機構との組合せは、上記各実施形態以外に、適宜選択することが可能である。 As described above, in the bonding method of the present invention, a wide bonding area can be stably secured by combining the viscous body generation mechanism used in the first step and the molecular activation mechanism used in the second step. , It is possible to improve the joint strength. The combination of the viscous body formation mechanism and the molecular activation mechanism can be appropriately selected in addition to the above-mentioned embodiments.
図7は、強度試験に用いたテストピースを説明する図である。図示のテストピースTP1は、短冊状の一対の被接合部材1,2を直線状に配置して、双方の一端部同士を接合したものである。このテストピースTP1は、被接合部材1,2の他端部同士に相反する方向への引張荷重を加えて、接合部Aの接合界面の剪断方向の引張強度を評価するものである。被接合部材1,2は、いずれも、厚さSTが3mm、長さSLが100mm、幅SWが25mmであり、接合部分(重ねた部分)の長さSSを25mmとした。
FIG. 7 is a diagram illustrating a test piece used in the strength test. In the illustrated test piece TP1, a pair of strip-shaped
図8は、強度試験の結果を説明するグラフである。比較例1は、ピン部12のみを有するホーンHを用い、ピン部12の縦の超音波振動VWのみで被接合部材1,2同士を接合したものである。比較例2は、基部11のみを有するホーンHを用い、基部11の縦の超音波振動VWのみで被接合部材1,2同士を接合したものである。本発明の実施例は、基部11及びピン部12を有するホーンHを用い、ピン部12の縦の超音波振動VWにより粘性体を発生(第1工程)させ、基部11の縦の超音波振動VWにより粘性体を発熱(第2工程)させて、被接合部材1,2同士を接合したものである。
FIG. 8 is a graph illustrating the results of the strength test. In Comparative Example 1, a horn H having only the
図8から明らかなように、本発明の接合方法(実施例)では、比較例1,2に比べて、被接合部材1,2の界面において広い接合面積が安定して確保されるので、比較例1,2を大きく上回る引張強度が得られる結果になった。また、本発明の接合方法では、鋼板同士の接合部と同等の引張強度が得られることが判明した。 As is clear from FIG. 8, in the joining method (Example) of the present invention, a wider joining area is stably secured at the interface of the members to be joined 1 and 2 as compared with Comparative Examples 1 and 2. The result was that a tensile strength significantly higher than that of Examples 1 and 2 was obtained. Further, it was found that the joining method of the present invention can obtain the same tensile strength as the joint portion between the steel plates.
なお、本発明に係る被接合部材の接合方法及び接合装置は、構成の細部が上記各実施形態のみ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で適宜変更が可能である。 The details of the structure of the joining method and joining device of the members to be joined according to the present invention are not limited to each of the above embodiments, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
また、第1、第5及び第6の実施形態(図1、図5及び図6)では、ホーンHのピン部12が一方の被接合部材1を貫通して、他方の被接合部材2に押し込まれた状態を示しているが、ピン部12が他方の被接合部材2に到達していない状態であっても、接合界面に粘性体Pを発生させることが可能である。その後、接合方法では、粘性体Pを発熱させることで、溶融範囲PAを拡大して広い接合面積PAを安定的に確保し、これにより充分な接合強度を得ることができる。
Further, in the first, fifth and sixth embodiments (FIGS. 1, 5 and 6), the
さらに、図2~図4及び図6に示す第2~第4及び第6の実施形態では、便宜上、赤外線ヒータ13、レーザ発振器15、誘導加熱装置16及び誘電加熱装置19を他方の被接合部材2側(下側)に示した。これらの機器の配置は、被接合部材1,2の形状や位置等に応じて、接合部分に対する赤外線IR、レーザ光L及びマイクロ波MWの放射方向や、磁界Bの形成が最適になるように設定する。
Further, in the second to fourth and sixth embodiments shown in FIGS. 2 to 4 and 6, for convenience, the
1 一方の被接合部材
2 他方の被接合部材
H 縦の超音波振動が付与されるホーン
P 粘性体
PA 溶融範囲
11 基部(分子活性化機構)
12 ピン部(粘性体生成機構)
13 赤外線ヒータ(粘性体生成機構)
14 基部
15 レーザ発振器(粘性体生成機構)
16 誘導加熱装置(粘性体生成機構)
17 横の超音波振動が付与されるホーン(粘性体生成機構)
19 誘電加熱装置(粘性体生成機構)
1 One member to be joined 2 The other member to be joined H Horn to which vertical ultrasonic vibration is applied P Viscous body PA Melting range 11 Base (molecular activation mechanism)
12-pin part (viscous body generation mechanism)
13 Infrared heater (viscous body generation mechanism)
14
16 Induction heating device (viscous body generation mechanism)
17 Horn to which lateral ultrasonic vibration is applied (viscous body generation mechanism)
19 Dielectric heating device (viscous body generation mechanism)
Claims (7)
前記被接合部材に押し込むピン部を有し且つ前記ピン部の軸線に沿う方向に超音波振動が付与されるホーンを用い、
前記被接合部材同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる第1工程と、
前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させる第2工程とを備え、
前記第1工程では、一方の前記被接合部材側から前記ホーンの前記ピン部を押し込んで、前記ピン部の超音波振動により前記被接合部材同士の界面に前記粘性体を発生させることを特徴とする被接合部材の接合方法。 When joining members to be joined made of fiber reinforced resin using a thermoplastic resin as a base material,
Using a horn having a pin portion to be pushed into the member to be joined and to which ultrasonic vibration is applied in a direction along the axis of the pin portion.
In the first step of generating a viscous body at both interfaces in a state where the members to be joined are overlapped with each other,
A second step of promoting the molecular motion of the viscous body to generate heat of the viscous body is provided.
The first step is characterized in that the pin portion of the horn is pushed from one side of the member to be joined, and the viscous body is generated at the interface between the members to be joined by ultrasonic vibration of the pin portion. A method of joining members to be joined.
前記被接合部材同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる第1工程と、
前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させる第2工程とを備え、
前記第1工程では、赤外線加熱、及び誘導加熱のうちの少なくとも1つの加熱により、前記被接合部材同士の界面に前記粘性体を発生させることを特徴とする被接合部材の接合方法。 When joining members to be joined made of fiber reinforced resin using a thermoplastic resin as a base material,
In the first step of generating a viscous body at both interfaces in a state where the members to be joined are overlapped with each other,
A second step of promoting the molecular motion of the viscous body to generate heat of the viscous body is provided.
The first step is a method for joining members to be joined, wherein the viscous body is generated at an interface between the members to be joined by at least one heating of infrared heating and induction heating.
前記第2工程では、前記ホーンの前記基部を一方の前記被接合部材の表面に当接させて、前記基部の超音波振動により前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させることを特徴とする請求項1に記載の被接合部材の接合方法。 Using a horn having a base with the pin portion protruding,
In the second step, the base of the horn is brought into contact with the surface of one of the members to be joined, and the ultrasonic vibration of the base promotes the molecular motion of the viscous body to generate heat. The method for joining members to be joined according to claim 1.
前記基部の前記接触面の面積が、π×((2√T2)/2)2 以上であることを特徴とする請求項4に記載の被接合部材の接合方法。 The relationship between the thickness T1 of one of the members to be joined and the thickness T2 of the other member to be joined is T1 ≧ T2, and the contact surface of the base of the horn with the member to be joined is circular. If so,
The method for joining a member to be joined according to claim 4, wherein the area of the contact surface of the base is π × ((2√T2) / 2) 2 or more.
前記被接合部材同士を重ね合わせた状態で双方の界面に前記粘性体を発生させる粘性体生成機構と、
前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させる分子活性化機構とを備え、
前記分子活性化機構として一方の前記被接合部材の表面に当接可能な基部と、前記粘性体生成機構として前記基部から突出して前記被接合部材に押し込み可能なピン部とを有し且つ前記ピン部の軸線に沿う方向に超音波振動が付与されるホーンを備えたことを特徴とする被接合部材の接合装置。 A device used in the method for joining members to be joined according to any one of claims 1 to 6 .
A viscous body generation mechanism that generates the viscous body at both interfaces in a state where the members to be joined are overlapped with each other.
It is equipped with a molecular activation mechanism that promotes the molecular motion of the viscous body and causes the viscous body to generate heat .
As the molecular activation mechanism, it has a base portion that can abut on the surface of one of the members to be joined, and a pin portion that protrudes from the base portion and can be pushed into the member to be joined as the viscous body generation mechanism. A joining device for members to be joined, characterized by having a horn to which ultrasonic vibration is applied in the direction along the axis of the portion .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017215425A JP7050462B2 (en) | 2017-11-08 | 2017-11-08 | How to join members to be joined |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017215425A JP7050462B2 (en) | 2017-11-08 | 2017-11-08 | How to join members to be joined |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019084767A JP2019084767A (en) | 2019-06-06 |
JP7050462B2 true JP7050462B2 (en) | 2022-04-08 |
Family
ID=66761966
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017215425A Active JP7050462B2 (en) | 2017-11-08 | 2017-11-08 | How to join members to be joined |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7050462B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110154401B (en) * | 2019-06-11 | 2021-10-01 | 湖北龙青科技有限公司 | Plastic shape correction laser welding process |
WO2022064568A1 (en) * | 2020-09-23 | 2022-03-31 | 三菱重工業株式会社 | Bonding method and structure |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001334577A (en) | 2000-05-29 | 2001-12-04 | Takashimaya Nippatsu Kogyo Co Ltd | Method for ultrasonically welding resin member |
JP2005305906A (en) | 2004-04-23 | 2005-11-04 | Denso Corp | Laser welding method for resin materials |
JP2011525441A (en) | 2008-06-24 | 2011-09-22 | エアバス オペレーションズ リミティド | Method and apparatus for manufacturing a fiber reinforced thermoplastic composite structure |
-
2017
- 2017-11-08 JP JP2017215425A patent/JP7050462B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001334577A (en) | 2000-05-29 | 2001-12-04 | Takashimaya Nippatsu Kogyo Co Ltd | Method for ultrasonically welding resin member |
JP2005305906A (en) | 2004-04-23 | 2005-11-04 | Denso Corp | Laser welding method for resin materials |
JP2011525441A (en) | 2008-06-24 | 2011-09-22 | エアバス オペレーションズ リミティド | Method and apparatus for manufacturing a fiber reinforced thermoplastic composite structure |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019084767A (en) | 2019-06-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9205596B2 (en) | Ultrasonic sonotrode for transversely aligned transducer | |
JP7050462B2 (en) | How to join members to be joined | |
US20170173855A1 (en) | Transverse sonotrode design for ultrasonic welding | |
JP2010167436A (en) | Laser welding method | |
US20160167288A1 (en) | Systems and methods to reduce air pocket formation during welding | |
JP4868226B2 (en) | Dissimilar metal joining method | |
JP2019142240A (en) | Method of joining metal, plastic member and carbon fiber-reinforced plastic member | |
JP2018519477A (en) | Bonding between objects | |
CN108067579A (en) | Hybrid Artifact Connection | |
JP6724443B2 (en) | Laser joining method | |
EP3650207B1 (en) | Method for obtaining a joint between elements of different materials | |
KR102408420B1 (en) | Bonding method of sandwich plates | |
KR101266256B1 (en) | A laser welding method | |
WO2016117502A1 (en) | Bonded structure and production method for bonded structure | |
JP2009185951A (en) | Method of processing joint of belt | |
CA2707714C (en) | Resistive implant welding of thermoplastic materials with butt joints | |
JP5428543B2 (en) | Laser welding method | |
CN108907394B (en) | A kind of vehicle steel-aluminum welding method | |
JP2017100408A (en) | Manufacturing method of joined body | |
JPS6271625A (en) | Method for jointing synthetic resin material with different kind material | |
JP7365646B2 (en) | Linear friction welding method and joined structure | |
JP7310337B2 (en) | Joining method and composite materials joined by the method | |
JPS6274630A (en) | Joining of synthetic resin material | |
US20210187661A1 (en) | Component Produced by Welding and Method of Producing Same | |
JP2006346935A (en) | Laser joining method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200804 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20210622 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210625 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210922 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20211019 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220214 |
|
C60 | Trial request (containing other claim documents, opposition documents) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60 Effective date: 20220214 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20220224 |
|
C21 | Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21 Effective date: 20220225 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220303 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220329 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7050462 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |