JP5523260B2 - 繊維強化複合材料のレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は繊維強化複合材料のレーザ溶接方法に関する。

自動車、航空機、船舶、鉄道車両などの産業が抱えている現在のエネルギー問題、環境問題、資源問題を解決するために、軽量化、高性能化、高効率化、省資源・リサイクル化を実現しうる新材料とその加工技術の開発が叫ばれている。
近年、軽量な輸送機器の開発が急務で、各種複合材料が採用されつつあり、なかでもＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）はすでに航空機産業では機体の多くの部分に適用されるようになった。
従来、ＣＦＲＰの穴あけや切断にはダイヤモンドカッターやウオータジェット切断などが利用されている。しかし、ＣＦＲＰやＦＲＭ（繊維強化金属）などの複合材料はマトリックスと強化繊維が異なる材質であるために、その切断、穴あけ、溝加工などの除去加工が困難であるばかりでなく、溶接・接合加工も非常に難しい。たとえば、ダイヤモンド切削時や研削時には炭素繊維が空中に飛散して作業環境を低下させる虞がある。また、加工速度が遅く、加工費が嵩む。このため航空機、レジャー品のゴルフクラブや釣り竿などの量産品以外には繊維強化複合材料が十分に適用されていないという課題があった。

繊維強化複合材料は、強化炭素繊維や強化ガラスなどの繊維材料がプラスチックや金属のマトリッックスに複合化されてなり、その切断、穴あけ、溝加工、あるいは溶接、接合加工は非常に困難である。特に、突き合わせ継手の溶接は困難であり、接合部の強度と靱性の高いレーザ溶接方法の開発が望まれていた。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、接合部の強度と靱性の高い繊維強化複合材料のレーザ溶接方法を提供することを課題とする。

本発明の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法は、波長が５３２ｎｍから１０８０ｎｍの固体レーザを用いて、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、該溶加材にレーザビームを照射して該溶加材を溶融しつつレーザ溶接する繊維強化複合材料のレーザ溶接方法であって、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％未満含有することを特徴とする。

本発明の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法において、前記溶接継手は、突合わせ継手、へり継手、すみ肉継手のうちのいずれか一であることができる。

かかる溶加材において、混合物は、熱可塑性樹脂に重量％で１０％〜９９％の範囲で熱硬化性樹脂を配合した混合樹脂であり、かつ、溶加材を１００重量％として最大５０重量％の強化材が添加されていることが好ましい。

また、本発明の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法において、溶加材は、ワイヤ、棒、粉体あるいはペースト状組成物のうちの何れか一であることができる。

本発明の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法において、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）よりなる溶接継手の開先形状は、１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で、パルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲である超短パルス固体レーザを照射して形成されることが望ましい。

ここで、溶接継手は、開先形状が嵌合可能なファスナー状のモザイク継手であるとよい。

本発明の高強度複合材料部材は、前記炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）同士を請求項６に記載の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法により溶接してなる複数の単層材を積層するとともに、該単層材を互いに接着してなることを特徴とする。

本発明の軽量パネルは、一対の平板でコア材を挟持してなる軽量パネルであって、該平板の少なくとも一の平板がモザイク継手を有する高強度複合材料部材であることを特徴とする。

本発明の軽量パネルにおいて、コア材と平板とは差し込み継手を介して接合されることが望ましい。

本発明によれば、繊維強化複合材料に適正な形状の溶接継手を作製することができ、従来は困難であった複合材料の突合せ溶接が、モザイク継手を利用することで可能となる。また、本発明の溶接法を用いて、さらに軽量なパネルやＨ型コラムを製作することができる。

第２実施形態を説明する説明図である。モザイク継手の例を模式的に示す。 第１実施形態を説明する説明図である。溶加材を用いたレーザ溶接法を示す。 第３実施形態を説明する説明図である。高強度複合材料部材の断面を示す。 第４実施形態を説明する説明図である。軽量パネルの例を示す。 第４実施形態を説明する説明図である。差し込み継手のあるサンドウィッチパネルの例を示す。 第４実施形態を説明する説明図である。差し込み継手のあるＨ型コラムの製作例を示す。 超短パルス固体レーザによるＣＦＲＰの切断面を示すレーザ顕微鏡写真である。 高出力連続発振固体レーザによるＣＦＲＰの切断溝を示すレーザ顕微鏡写真である。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
本実施形態のレーザ溶接方法は、図２に示すように、波長が５３２ｎｍから１０８０ｎｍの高出力連続発振固体レーザ１を用いて、繊維強化複合材料同士、または繊維強化複合材料と金属との溶接継手６の接合部に溶加材１７を充填しつつレーザ溶接する方法である。
なお、図２において、２は集光レンズ、１８はシールドガスノズル、１９はワイヤ送給装置（ローラー）である。また、図２では、突合わせ継手を例示しているが、本実施形態のレーザ溶接方法は、重ね継手、へり継手、すみ肉継手等の溶接継手にも好適に適用できる。

ここで、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が、溶加材を１００重量％として数重量％〜８０重量％未満添加されていることが望ましい。このような溶加材を用いることにより繊維強化複合材料における溶接部の強度や靱性を向上することができる。

また、かかる溶加材において、混合物は、熱可塑性樹脂に重量％で１０％〜９９％の範囲で熱硬化性樹脂を配合した混合樹脂であり、かつ、溶加材が１００重量％として数重量％〜最大５０重量％の強化材が添加されている溶加材はさらに好ましい。

また、図２には、ワイヤ形態の溶加材１７が例示されているが、溶加材１７は、ワイヤ形態に限定されることなく、溶加材の充填方法によって、棒、粉体あるいはペースト状組成物とすることができる。例えば、ワイヤまたは棒状のものは機械的に接合部に充填され、ペースト状組成物は、溶接継手の接合面または接合部上部に塗布または配置される。また、樹脂と強化繊維または樹脂と強化ガラスなどの混合物の粉体は、アルゴンガスやシールドガスを送給ガスとして接合部に充填される。なかでもワイヤ形態のものは、どのような溶接姿勢でも供給が容易であるので好ましい。

（第２実施形態）
前記第１実施形態のレーザ溶接方法において、繊維強化複合材料よりなる溶接継手の開先形状は、１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で、パルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲である超短パルス固体レーザを照射して形成されることが望ましい。このような超短パルス固体レーザを用いることにより、寸法精度が高く、かつ、高品質な切断面を有する溶接継手の開先形状を得ることができる。

なかでも開先形状が嵌合可能なファスナー状のモザイク継手は、繊維強化複合材料同士、あるいは、繊維強化複合材料と金属材料との突合わせ継手として好適である。

図１はモザイク継手を示す。１４は繊維強化複合材料Ａ、１５は繊維強化複合材料Ｂまたは金属材料、１６は溶接開先面である。このような溶接開先面１６は、繊維強化複合材料または複合材料合板の溶接継手の開先として、推奨されるものであり、上記の超短パルスレーザを用いたレーザ加工により開先の形状をジグザグとしたり、モザイク状に精密に開先加工することができ、繊維強化複合材料または複合材料合板の溶接継手として、適切な継手となる。

（第３実施形態）
以上のようなモザイク継手を有する複数の繊維強化複合材料を積層し、その繊維強化複合材料を互いに接着することにより所望の厚さを有する板状の高強度複合材料部材を得ることができる。

図３に本実施形態の高強度複合部材の断面を模式的に示す。図３において、２０はモザイク継手単層材、２１はモザイク継手多層材、２２はモザイク継手多層材（第１層）、２３はモザイク継手多層材（第２層）、２４はモザイク継手多層材（第３層）、２５はモザイク継手多層材（第４層）、２６はモザイク継手多層材（第５層）を示す。接着材を塗布した複数の単層材２０を積層してオーブン加熱して面接合したり、あるいはレーザで加熱して溶着することにより、多層に積層した板厚の大きい高強度複合材料部材を製造することができる。

（第４実施形態）
ＣＦＲＰなどよりなる比強度の高い高強度複合材料部材をさらにサンドウイッチパネルやＨ型コラムに形成することにより、軽量で、強度の高いサンドウイッチ部材を提供できる。本実施形態の軽量パネルは、一対の平板でコア材を挟持してなる軽量パネルであって、該平板の少なくとも一の平板がモザイク継手を有する高強度複合材料部材であることを特徴とする。

図４に高強度複合材料部材を用いたサンドウイッチパネルの例を示す。１４は第１の高強度複合材料部材、１５は第２の高強度複合材料部材（または金属材料）、２７は接合部である。第１の高強度複合材料部材１４および第２の高強度複合材料部材（または金属材料）１４をそれぞれ上板または下板に用い、コルゲート板、チャンネル材または／及びコラム材をこれら上下平板の間に挟むコア材として用い、これらの部材の接合面に熱可塑性または熱硬化性の樹脂を塗布して、それぞれの可塑化温度または硬化温度以上にレーザまたはオーブンで加熱して圧接することで軽量サンドイッチ部材（軽量パネル）を製造することができる。

本実施形態の軽量パネルにおいて、コア材と平板とは差し込み継手を介して接合されることが望ましい。図５は差し込み継手をもつ軽量サンドイッチ部材である。２８は差し込み継手部を示す。軽量部材のサンドウイッチパネルを第１の高強度複合材料部材１４および第２の高強度複合材料部材（または金属材料）１４で構成して製作することにおいて、モザイク継手を持つ多層積層の第１の高強度複合材料部材１４を従来の複合材料（例えば、モザイク継手を有さない高強度複合材料部材）と併用して、上面板または下面板として用い、この上面板および下面板に所定の切り込み（ホゾ穴）２８をレーザ切断法で入れ、この切りこみ２８にコア材（中板）１５に形成された図示しない突部（ホゾ）を嵌入して差し込み継手となし、ホゾ穴とホゾとの会合面をレーザ溶接で接合し、中板とこれら上面板および下面板の面接合は接着またはレーザ溶着法で溶接してパネルを作成すると、強度的にも高い、軽量の構造用パネルや図６で示すようなＨ型コラムを製造できる。

本発明は、航空機部材のみならず、自動車、高速列車、船舶、建築、産業機械、航空宇宙機器、駐車施設、圧力容器などの部材として繊維強化複合材料をレーザ溶接する上で多大な効果を奏する。

１：高出力連続発振固体レーザ
６：繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）または金属（ＦＲＭ）
１４：第１の高強度複合材料部材
１４：第２の高強度複合材料部材（または金属材料）
１６：溶接開先面
１７：溶加材（ワイヤ）
１８：シールドガス
１９：ワイヤ送給装置（ローラ）
２７：パネル接合部
２８：差し込み継手部

Claims (9)

1. 波長が５３２ｎｍから１０８０ｎｍの固体レーザを用いて、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、該溶加材にレーザビームを照射して該溶加材を溶融しつつレーザ溶接する繊維強化複合材料のレーザ溶接方法であって、
   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％未満含有することを特徴とする繊維強化複合材料のレーザ溶接方法。
2. 前記溶接継手は、突合わせ継手、へり継手、すみ肉継手のうちのいずれか一である請求項１に記載の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法。
3. 前記溶加材において、前記混合物は、熱可塑性樹脂に重量％で１０％〜９９％の範囲で熱硬化性樹脂を配合した混合樹脂であり、かつ、該溶加材を１００重量％として最大５０重量％の前記強化材が添加されている請求項１又は２に記載の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法。
4. 前記溶加材は、ワイヤ、棒、粉体あるいはペースト状組成物のうちの何れか一である請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法。
5. 前記溶接継手の開先形状は、１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で、パルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲である超短パルス固体レーザを照射して形成される請求項１に記載の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法。
6. 前記溶接継手は、前記開先形状が嵌合可能なファスナー状のモザイク継手である請求項５に記載の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法。
7. 前記炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）同士を請求項６に記載の繊維強化複合材料のレーザ溶接方法により溶接してなる複数の単層材を積層するとともに、該単層材を互いに接着してなることを特徴とする高強度複合材料部材。
8. 一対の平板でコア材を挟持してなる軽量パネルであって、該平板の少なくとも一の平板が請求項７に記載の高強度複合材料部材であることを特徴とする軽量パネル。
9. 前記コア材と前記平板とは差し込み継手を介して接合される請求項８に記載の軽量パネル。