研究論文

CFRP 部材の接合における継手形状の検討
石川和昌＊１、河田圭一＊１、天野和男＊２

Butt Joint for Joining of CFRP Composite
Kazumasa ISHIKAWA *1 , Keiichi KAWATA *1 and Kazuo AMANO *2
Research and Development Division, AITEC * 1 , Industrial Technology Division, AITEC * 2
レ ー ザ 加 工 に よ っ て モ ザ イ ク 継 手 を 施 し た CFRP 試 験 片 の 引 張 試 験 を 行 い 、継 手 形 状 と 継 手 の 接 合 強 度の関係について検討した結果、モザイク継手の形状や個数を制御することで接合強度の向上が可能となる
こ と が わ か っ た 。ま た 、加 工 方 法 に よ る CFRP 部 材 へ の 影 響 を 検 討 す る た め 、中 心 部 に レ ー ザ 加 工 及 び 切
削 加 工 に よ っ て 穴 加 工 を 施 し た CFRP 試 験 片 を 用 い て 引 張 試 験 、平 面 曲 げ 疲 れ 試 験 を 行 い 、レ ー ザ 加 工 品と切削加工品の引張強度と疲労寿命に差はないことを確認した。

１．はじめに製精密万能試験機オートグラフ AG-IS 100kN を用いて航空機や自動車部品等において、燃費向上や CO2 ガス行った（以後の引張試験も本試験機を使用）。試験片は東排出量削減のため、軽量・高強度材料である CFRP 部材

レトレカ熱硬化性 CFRP を使用し、幅 25mm、厚さが幅広く採用されるようになってきている。CFRP 製品

0.8mm の試験片に加工を施した。CFRP の仕様は T300の生産においては、製品サイズに合わせた成形機が必要（織物プリプレグ、0.24mm/層×3 層）、T700（一方向となり大型部品の生産には専用設備が欠かせない。またプリプレグ、0.18mm/層×5 層、0/90/0/90/0）、T800（一CFRP 部品の切削加工においては、工具摩耗が激しく、方向プリプレグ、0.2mm/層×4 層、0/90/0/90）である。

高価なダイヤモンド工具が多数必要となり製品が高価と穴加工とボルト接合した試験片を図 1 に示す。

なっている。今後は、大型の CFRP 部品作製のための高効率な接合技術の開発や、レーザ加工機を用いた低コストかつ高精度・高速加工技術の開発などが期待される。
本研究では、CFRP の接合技術の開発を目的として、

図１

引張試験片（左：φ6mm 穴右：ボルト接合）

レーザ加工によりモザイク継手を施した CFRP 試験片2.1.2 モザイク継手による接合強度を作製して引張試験を行い、継手形状と接合強度の関係について検討した。また、レーザ加工が CFRP 部材へ及モザイク継手の形状と接合強度の関係を調べるため、ぼす影響の有無を調査するため、中央部にレーザ加工、各種の継手形状を作製して引張試験を行った。試験片はドリル加工により穴加工を施した CFRP 試験片を作製

2.1.1 と同じ CFRP（T800）を使用した。レーザ加工にして引張試験、平面曲げ疲れ試験を行い、レーザ加工品

より一枚の試験片を継手形状に切断して、切り離した試と切削加工品の引張強度と疲労寿命を確認した。

験片をかみ合わせて接合した。継手部の両端長さ、中央長さ、継手個数、継手長さ、継手段数を変更して継手形状の検討を行った。引張試験中に継手部が離れることを防ぐため、幅 25mm、深さ 0.5mm の溝のある拘束治具

２．実験方法2.1 接合強度の検討を用いて引張試験を行った。（図２参照）

2.1.1 ボルト接合による接合強度

中央長さ

両端長さ

CFRP をボルトで接合したときの接合強度を確認する
ため、未加工の試験片、中心部に φ6mm 穴加工を施した試験片、端部から 10mm 位置に φ6mm 穴加工を施し、M6 ボルトにて接合した試験片を作製して引張試験を行継手長さい破断時の最大荷重を確認した。引張試験は島津製作所

図２＊

1 基盤技術部（現工業技術部自動車・機械技術室）＊

2 工業技術部

継手形状と引張試験治具

加工技術室（現工業技術部金属材料室）

厚い仕様）の試験片中心にレーザ加工及びマシニングセ①中央長さ、両端長さの変更
継手がかみ合う両端部の長さを 4mm（片側 2mm）、ンタとダイヤコートドリルを用いた自動加工によってφ継手中央部の長さを 4、8、12mm とした試験片と継手中6mm 穴加工を施して引張試験を行った。

央部の長さを 4mm、継手がかみ合う両端部の長さを 4、2.2.2 平面曲げ疲れ試験8、12mm とした試験片を作製し、引張試験を行った。
図３に継手形状を示す。

試験片は CFRP（T300）を使用し、長さ 90mm、幅50mm、厚さ 1.2mm の試験片中央位置に幅方向へ 3 個のφ6mm 穴加工を施した。穴加工はレーザ加工、マシニングセンタとダイヤコートドリルを用いた自動加工、ボール盤とダイヤコートドリルを用いた手動加工により行った。島津製作所製万能疲れ試験機 UF-15 形を用いて負荷応力 180～324MPa（引張強さの 49～89%相当）として試験を行った。

図３

中央長さ、両端長さを変更した継手

３．実験結果及び考察②継手個数の変更

3.1 接合強度の検討

継手個数 1～6、8、12 個の試験片を作製し、引張試験を行った。図４に継手形状を示す。

3.1.1 ボルト接合による接合強度
各試験片の引張試験結果を図７に、試験後のボルト接合部の観察画像を図８に示す。φ6mm の穴加工により最大荷重は 47～61%まで低下した。φ6mm の穴加工によって試験片の幅が 25mm から 19mm に減少したと考図４

個数を変更した継手（左から 4、6、12 個）

えると、最大荷重は 76%程度と考えられる。しかし、47～61%まで低下していることから、中心部に穴があるこ③継手長さ、継手段数の変更とで荷重の加わり方が変わり破断し易くなったと推定さ継手個数 4 個、長手方向長さを 10mm、20mm、30mmれる。また、M6 ボルトによる接合では本来の CFRP のとして引張試験を行った。また、長手方向長さを 20mm、最大荷重の 7～12%まで低下した。このときボルトから継手個数 4、6 個、段数を 1～4 段として引張試験を行っ加わる荷重により、ボルト穴から試験片端面方向へた。図５に継手形状を示す。

CFRP がスライドするように破壊していた。本試験片ではボルト穴と端面までの距離が小さいため、荷重を受ける部位が少なくなり、ボルト接合での最大荷重は大幅に低下したと考えられる。

図５

長さ、段数を変更した継手（左：20mm

右：20mm、4 段）④形状の改良継手段数が多くなるように継手長さ 20mm、継手個数4 個、継手段数 4 個の継手形状を図６のように改良して引張試験を行った。

図６

継手の改良（左：改良１

図７

引張試験結果図８ボルト接合部右：改良２）2.2 加工方法の影響
2.2.1 引張試験
試験片は CFRP（T300、T700、T800）を使用し、幅25mm、厚さ 1.2mm（2.1.1 で使用した CFRP より 2 層

3.1.2 モザイク継手による接合強度①中央長さ、両端長さの変更
試験結果を図９に示す。中央部の長さと両端部の長さを変えたときの最大荷重の差はあまり見られなかった。
試験後の試験片の観察画像を図１０に示す。図からどの試験片も継手がかみ合う部位である両端部が破壊していることがわかる。そのため、両端部が破壊するときの荷重が最大荷重となっており、差は見られなかったと考え

図１１られる。中央部は試験片の端面から端面まで炭素繊維が継手個数と最大荷重繋がっているため引張強度が強いのに対して、両端部は試験片の端面から繋がっている炭素繊維がなく、中央部の両端に切り残された状態である。そのため強度が小さいと考えられる。また、両端部の長さを変えても継手がかみ合う部位の根元から破壊しており、両端部の長さを図１２

試験後の継手（左から 4、6、12 個）単純に長くしても最大荷重に寄与しないことがわかった。
③継手長さ、段数の変更
継手長さを変更したときの試験結果を図１３に示す。
継手長さを 10mm から 20mm に変えると最大荷重は大きくなったが 30mm ではあまり変化しなかった。この結果から継手の幅や形状に対して最適な継手長さがあると考えられる。継手段数を変更したときの試験結果を図１４に示す。継手の段数が増えると最大荷重は大きくなっ
図９各部長さと最大荷重た。試験後の試験片の観察画像を図１５に示す。図からこれまでの試験片と同様に継手がかみ合う部位である両端部が破壊していることがわかる。継手長さは 20mm で一定であるが、継手段数が増えると両端部に加わる荷重が分散され両端部の破壊が抑制されて、最大荷重が上昇したと考えられる。継手個数も 4 個より 6 個の方が最大荷重は大きくなっており、両端部に加わる荷重を分散させることが最大荷重の上昇に寄与すると考えられる。

図１０
左：4-4mm

試験後の継手中上：8-4mm

中下：4-8mm

右上：12-4mm

右下：4-12mm②継手個数の変更
試験結果を図１１に示す。継手の個数が増えると最大荷重は大きくなったが、8 個以上ではあまり変化がなか

図１３

継手長さと最大荷重

図１４

継手段数と最大荷重った。試験後の試験片の観察画像を図１２に示す。図か
ら継手がかみ合う部位である両端部が破壊していることがわかる。継手個数が増えることで両端部に加わる荷重が分散され、両端部の破壊が抑制されることにより、最大荷重が上昇したと考えられる。しかし、継手個数 8 個以上では中央長さが小さくなるため、継手一つあたりの耐荷重が小さくなり、最大荷重が上昇しなかったと考えられる。

図１５

試験後の継手（左：20mm、4 個、4 段

右：20mm、6 個、4 段）
図１８

引張試験結果④形状の改良試験結果を図１６に示す。継手の改良により最大荷重3.2.2 平面曲げ疲れ試験は少し大きくなったが大きな改善効果は見られなかった。

試験結果を図１９に示す。レーザを用いた穴加工試験

試験後の試験片の観察画像を図１７に示す。図から改良片とマシニングセンタを用いた穴加工試験片の負荷応力

品は継手がかみ合う部位は破壊せず、炭素繊維が繋がっに対する繰り返し数は同程度であった。このことからている継手本体の根元から破壊していることがわかった。

CFRP の加工において、レーザ加工品はマシニングセン

これまでの継手形状では継手がかみ合う部位が破壊してタを用いたドリル加工品と同等の疲労寿命であることがいたが、継手の形状や個数を制御して継手に加わる荷重わかった。これに対してボール盤を用いて手動で穴加工を分散させることで、ある荷重までは破壊しない継手をした試験片では、負荷応力に対する繰り返し数が小さく作製できることがわかった。また、炭素繊維の繋がってなっており、疲労寿命が小さくなった。手動加工では穴いる継手本体が破壊したことから、改良品の形状は継手の加工精度や位置精度が悪く、疲労寿命が小さくなったの太さにおける CFRP 本来の強度に近い引張強度があと考えられる。

ると考えられる。この結果から継手のかみ合う部位は破壊しない程度に小さい形状とし、継手本体部を大きくすることで接合強度を最大にできると考えられる。

図１９

平面曲げ疲れ試験結果

４．結び
図１６

継手改良と最大荷重

レーザ加工によりモザイク継手を施した CFRP 試験片を作製して引張試験を行い、継手形状と接合強度の関係について検討した結果、継手の形状や個数を制御して継手がかみ合う部位に加わる荷重を分散させることで接合強度を大きくできることがわかった。また、加工方法の違いが CFRP 部材へ及ぼす影響を調査するため、中央

図１７

試験後の継手（左：改良１

右：改良２）部にレーザ加工、ドリル加工により穴加工を施した
CFRP 試験片を作製して引張試験、平面曲げ疲れ試験を行った結果、レーザ加工品と切削加工品の引張強度と疲

3.2 加工方法の影響労寿命に差は見られなかった。

3.2.1 引張試験試験結果を図１８に示す。レーザ加工とドリル加工に付記

より穴加工を行った各 CFRP 試験片の引張強度に差は

本研究内容は、国の平成 21・22 年度戦略的基盤技術見られなかった。加工方法の違いによる引張強度への影高度化支援事業（CFRP 複合材料部材の新レーザ溶接技

響はないと考えられる。

術の開発）による委託研究の成果である。