JP2022044319A - Different material friction stir joining method and different material friction stir joining member - Google Patents

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英俊 藤井
Hidetoshi Fujii
好昭 森貞
Yoshiaki Morisada
恢弘 劉
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Abstract

To provide a different material friction stir joining method for simply and efficiently performing direct bonding of titanium or a titanium alloy material and a thermoplastic resin material, and a different material friction stir joining member having high joint strength obtained from the same.SOLUTION: A different material friction stir joining method of titanium or a titanium alloy material and a thermoplastic resin material includes: a first step of subjecting a joined region of titanium or a titanium alloy material to silane coupling treatment; a second step of bringing a thermoplastic resin material into contact with the joined region subjected to the silane coupling treatment, and forming a joined interface; and a third step of press-fitting a friction stir joining tool into the titanium or titanium alloy material, raising a temperature of the joined interface, and applying a joint pressure to the joined interface.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明はチタン又はチタン合金材と熱可塑性樹脂材との異材摩擦攪拌接合方法及びそれにより得られる異材摩擦攪拌接合部材に関する。 The present invention relates to a method for friction stir welding of different materials of titanium or a titanium alloy material and a thermoplastic resin material, and a member for friction stir welding of different materials obtained by the method.

燃費の向上及び環境負荷低減等の観点から各種輸送用機器の軽量化が切望されており、航空機や自動車への炭素繊維強化プラスチック(CFRP)等の樹脂材の使用が盛んに検討されている。 From the viewpoint of improving fuel efficiency and reducing environmental load, weight reduction of various transportation equipment is eagerly desired, and the use of resin materials such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP) for aircraft and automobiles is being actively studied.

このような背景から、各種金属材と樹脂材との接合技術を確立することが必要不可欠であり、鋼、アルミニウム合金及びマグネシウム合金と樹脂材とを接合する技術の開発が進められている。 Against this background, it is indispensable to establish joining technology for joining various metal materials and resin materials, and development of joining technology for joining steel, aluminum alloys and magnesium alloys with resin materials is underway.

ここで、ボルト等を用いて機械的に締結する場合、被接合材への加工が必要になることに加えて、締結部材による重量増加を避けることができない。また、接着剤を用いて接合する場合、接合部に十分な接合強度や信頼性を付与することができない。 Here, when mechanically fastening with bolts or the like, it is necessary to process the material to be joined, and it is unavoidable that the weight increases due to the fastening member. Further, when joining using an adhesive, it is not possible to impart sufficient joining strength and reliability to the joined portion.

これに対し、例えば特許文献1(再表2017-065256号公報)においては、主としてアンカー効果を使用することなく、高い接合強度等を発揮し得る金属樹脂接合部材とその製造方法を提供することを目的として、鉄または鉄合金からなる鉄系基材の表面に形成された酸化鉄層を有する金属体と、当該酸化鉄層を介して当該金属体と接合された樹脂体と、を備える金属樹脂接合部材であって、前記酸化鉄層は、厚さが50nm~10μmであり、少なくとも最表面側でFe:60~40at%、O:40~60at%であると共に、少なくともマグネタイト(Fe)を含む金属樹脂接合部材、が提案されている。 On the other hand, for example, Patent Document 1 (Re-Table 2017-065256) provides a metal resin bonding member capable of exhibiting high bonding strength and the like and a method for manufacturing the same without mainly using the anchor effect. A metal resin comprising a metal body having an iron oxide layer formed on the surface of an iron-based base material made of iron or an iron alloy, and a resin body bonded to the metal body via the iron oxide layer. The iron oxide layer, which is a bonding member, has a thickness of 50 nm to 10 μm, Fe: 60 to 40 at%, O: 40 to 60 at% on the outermost surface side, and at least magnetite (Fe 3 O 4 ). ) Is included in the metal-resin bonding member.

上記特許文献1に記載の金属樹脂接合部材においては、鉄系基材の表面に形成された酸化鉄層は電子不足気味な状態で、エネルギー的に高い活性状態にあると考えられることから、樹脂体の被接合面近傍にあるC、O、H、N、PまたはS等と化学的に結合するようになり、結果的に、金属体と樹脂体が強固に接合されるようになる、としている。 In the metal-resin bonding member described in Patent Document 1, the iron oxide layer formed on the surface of the iron-based base material is considered to be in an electron-deficient state and in an energetically high active state. Assuming that it will chemically bond with C, O, H, N, P, S, etc. near the bonded surface of the body, and as a result, the metal body and the resin body will be firmly bonded. There is.

また、特許文献2(特開2012-170975号公報)においては、金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させずに即ち直接的に接合可能な金属部材と樹脂部材との接合方法、及び金属部材と樹脂部材との接合継手を提供することを目的として、金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで接触させ、回転している回転ツールを金属部材の表面の法線に対する回転ツールの軸線の傾斜角θが0°<θ≦5°の条件を満足するように傾斜させて金属部材の表面に押し付けた状態にすることにより金属部材に付与された摩擦エネルギーによって、金属部材と樹脂部材とを接合することを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法、が提案されている。 Further, in Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-170975), a metal member and a resin member can be directly bonded without interposing a resin layer between the metal member and the resin member. A method, and for the purpose of providing a joint between a metal member and a resin member, the metal member and the resin member are brought into contact with each other without a resin layer interposed therebetween, and a rotating rotating tool is used for the metal member. The friction applied to the metal member by inclining it so that the inclination angle θ of the axis of the rotation tool with respect to the normal of the surface satisfies the condition of 0 ° <θ≤5 ° and pressing it against the surface of the metal member. A method for joining a metal member and a resin member, which comprises joining the metal member and the resin member by energy, has been proposed.

上記特許文献2に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法においては、金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで接触させるので、樹脂層を用いない分、安価に且つ容易に接合を行うことができ、金属部材と接合可能な樹脂部材の種類が増加する。更に、金属部材と樹脂部材とを任意の箇所で接合することができる、とされている。 In the method of joining the metal member and the resin member described in Patent Document 2, since the metal member and the resin member are brought into contact with each other without a resin layer interposed therebetween, the metal member and the resin member are brought into contact with each other at low cost because the resin layer is not used. It is possible to easily join, and the types of resin members that can be joined to metal members increase. Further, it is said that the metal member and the resin member can be joined at any place.

再表2017-065256号公報Re-table 2017-06525 No. 特開2012-170975号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-170975

上記特許文献1に記載の金属樹脂接合部材及びその製造方法は、マグネタイト(Fe)の形成が必須であり、鉄系金属以外には適用することができない。また、上記特許文献2に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法は、金属部材の表面に形成された金属酸化皮膜を介して金属部材と樹脂部材との接合を達成するものであり、実施例においてはアルミニウム合金又はマグネシウム合金と樹脂部材との接合結果が示されているのみである。即ち、熱可塑性樹脂とチタン又はチタン合金材とを接合する方法については何れの特許文献にも示されておらず、当該組合せについては適当な直接接合方法が存在しないのが実情である。 The metal-resin bonding member described in Patent Document 1 and the method for producing the same are indispensable for forming magnetite (Fe 3 O 4 ), and cannot be applied to other than iron-based metals. Further, the method for joining the metal member and the resin member described in Patent Document 2 is to achieve the joining between the metal member and the resin member via the metal oxide film formed on the surface of the metal member. In the example, only the result of joining the aluminum alloy or magnesium alloy and the resin member is shown. That is, the method of joining the thermoplastic resin and titanium or the titanium alloy material is not shown in any patent document, and the actual situation is that there is no suitable direct joining method for the combination.

ここで、上記特許文献1及び2に開示されている鋼材、アルミニウム合金及びマグネシウム合金等が直接接合によって熱可塑性CFRP材等の樹脂材と当接する場合、樹脂材に対して卑な金属材側で容易に腐食が進行してしまう(ガルバニック腐食)。これに対し、チタン又はチタン合金は電気化学的に安定であり、樹脂材と直接接合しても腐食の問題が生じない。このような理由から、チタン又はチタン合金は樹脂材とのマルチマテリアル化に極めて適した材料である。 Here, when the steel material, aluminum alloy, magnesium alloy, etc. disclosed in Patent Documents 1 and 2 come into contact with a resin material such as a thermoplastic CFRP material by direct bonding, the metal material side that is base to the resin material Corrosion progresses easily (galvanic corrosion). On the other hand, titanium or a titanium alloy is electrochemically stable, and even if it is directly bonded to a resin material, the problem of corrosion does not occur. For this reason, titanium or titanium alloys are extremely suitable materials for multi-materialization with resin materials.

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、チタン又はチタン合金材と熱可塑性樹脂材とを簡便かつ効率的に直接接合する異材摩擦攪拌接合方法及び、それにより得られる高い継手強度を有する異材摩擦攪拌接合部材を提供することにある。 In view of the above problems in the prior art, an object of the present invention is a dissimilar friction stir welding method for directly bonding titanium or a titanium alloy material and a thermoplastic resin material directly and easily and efficiently, and a high level obtained by the method. It is an object of the present invention to provide a dissimilar material friction stir welding member having a joint strength.

本発明者は上記目的を達成すべく、被接合材の表面状態及び摩擦攪拌接合条件等と継手強度の関係について鋭意研究を重ねた結果、チタン又はチタン合金材の表面を適当なシランカップリング剤で処理することに加え、摩擦攪拌接合中の被接合界面の温度を正確に制御すること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 As a result of intensive studies on the relationship between the surface condition of the material to be welded and the friction stir welding conditions and the joint strength in order to achieve the above object, the present inventor has made an appropriate silane coupling agent on the surface of titanium or a titanium alloy material. In addition to the treatment with the above, it has been found that it is extremely effective to accurately control the temperature of the interface to be joined during friction stir welding, and the present invention has been reached.

即ち、本発明は、
チタン又はチタン合金材と熱可塑性樹脂材との摩擦攪拌接合方法であって、
前記チタン又はチタン合金材の被接合領域にシランカップリング処理を施す第一工程と、
前記シランカップリング処理を施した前記被接合領域に前記熱可塑性樹脂材を当接させ、被接合界面を形成する第二工程と、
前記チタン又はチタン合金材に摩擦攪拌接合ツールを圧入し、前記被接合界面を昇温すると共に、前記被接合界面に接合圧力を印加する第三工程と、を有すること、
を特徴とする異材摩擦攪拌接合方法、を提供する。
That is, the present invention
A friction stir welding method between titanium or a titanium alloy material and a thermoplastic resin material.
The first step of applying a silane coupling treatment to the bonded region of the titanium or titanium alloy material, and
The second step of abutting the thermoplastic resin material on the bonded region subjected to the silane coupling treatment to form a bonded interface, and
Having a third step of press-fitting a friction stir welding tool into the titanium or a titanium alloy material to raise the temperature of the interface to be welded and applying a bonding pressure to the interface to be welded.
Provided is a friction stir welding method for different materials.

本発明の異材摩擦攪拌接合方法においては、前記第三工程において、前記被接合界面の温度を前記熱可塑性樹脂材の溶融温度以上かつ分解温度以下とすること、が好ましい。被接合界面の温度を熱可塑性樹脂材の溶融温度以上とすることで、シランカップリング処理によってチタン又はチタン合金材の被接合領域に導入された官能基と熱可塑性樹脂材とが反応し、強固な接合界面を形成することができる。一方で、被接合界面の温度を熱可塑性樹脂材の分解温度以下とすることで、熱可塑性樹脂材の熱分解に起因する接合部の強度低下を抑制することができる。ここで、熱可塑性樹脂材の分解温度とは、熱可塑性樹脂材のガス化が開始する温度である。 In the dissimilar material friction stir welding method of the present invention, it is preferable that the temperature of the interface to be bonded is equal to or higher than the melting temperature of the thermoplastic resin material and lower than the decomposition temperature in the third step. By setting the temperature of the interface to be bonded to be equal to or higher than the melting temperature of the thermoplastic resin material, the functional group introduced into the bonded region of titanium or the titanium alloy material by the silane coupling treatment reacts with the thermoplastic resin material and becomes strong. It is possible to form a flexible bonding interface. On the other hand, by setting the temperature of the interface to be bonded to be equal to or lower than the decomposition temperature of the thermoplastic resin material, it is possible to suppress the decrease in strength of the bonded portion due to the thermal decomposition of the thermoplastic resin material. Here, the decomposition temperature of the thermoplastic resin material is the temperature at which gasification of the thermoplastic resin material starts.

また、本発明の異材摩擦攪拌接合方法においては、前記熱可塑性樹脂材を炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材とすること、が好ましい。本発明の異材摩擦攪拌接合方法では極めて強固な接合部が形成されるため、高強度な炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材とチタン又はチタン合金材とを接合した場合であっても、当該炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材の機械的性質を活かした接合構造体とすることができる。 Further, in the dissimilar material friction stir welding method of the present invention, it is preferable that the thermoplastic resin material is a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material. Since an extremely strong joint is formed by the dissimilar friction stirring joining method of the present invention, even when a high-strength carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material and a titanium or titanium alloy material are joined, the carbon fiber is concerned. It is possible to form a bonded structure that takes advantage of the mechanical properties of the reinforced plastic (CFRP) material.

また、本発明の異材摩擦攪拌接合方法においては、前記熱可塑性樹脂材がアミド基を有し、 前記第一工程において、前記チタン又はチタン合金材の前記被接合領域の表面にエポキシ基を形成させること、が好ましい。熱可塑性樹脂材の種類及びシランカップリング処理によってチタン又はチタン合金材の被接合領域に導入する官能基は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の熱可塑性樹脂材及び官能基とすることができるが、熱可塑性樹脂材がアミド基を有し、チタン又はチタン合金材の被接合領域の表面にエポキシ基を形成させることで、確実に高強度の接合界面を得ることができる。 Further, in the dissimilar material friction stir welding method of the present invention, the thermoplastic resin material has an amide group, and in the first step, an epoxy group is formed on the surface of the bonded region of the titanium or titanium alloy material. That is preferable. The type of the thermoplastic resin material and the functional group introduced into the bonded region of the titanium or the titanium alloy material by the silane coupling treatment are not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known thermoplastic resins are used. Although it can be used as a material and a functional group, the thermoplastic resin material has an amide group, and by forming an epoxy group on the surface of the bonded region of titanium or a titanium alloy material, a high-strength bonding interface is surely obtained. Obtainable.

また、本発明の異材摩擦攪拌接合方法においては、前記第三工程において、前記被接合界面の温度を220~350℃とすること、が好ましい。溶融温度及び分解温度は熱可塑性樹脂材の種類や状態によって異なるが、被接合界面の温度を220~350℃とすることで、一般的に金属部材との接合によって構造用部材として用いられる熱可塑性樹脂材の多くを網羅することができる。 Further, in the dissimilar material friction stir welding method of the present invention, it is preferable that the temperature of the interface to be welded is 220 to 350 ° C. in the third step. The melting temperature and decomposition temperature differ depending on the type and state of the thermoplastic resin material, but by setting the temperature of the interface to be bonded to 220 to 350 ° C, the thermoplasticity generally used as a structural member by bonding with a metal member. It can cover most of the resin materials.

また、本発明の異材摩擦接合方法においては、前記第三工程において、前記接合圧力を5~20MPaとすること、が好ましい。接合圧力を5MPa以上とすることで熱可塑性樹脂材とチタン又はチタン合金材とを十分に密着させることができ、接合圧力を20MPa以下とすることで摩擦攪拌接合ツールの劣化を抑制することができる。 Further, in the dissimilar material friction bonding method of the present invention, it is preferable that the bonding pressure is 5 to 20 MPa in the third step. By setting the bonding pressure to 5 MPa or more, the thermoplastic resin material and the titanium or titanium alloy material can be sufficiently adhered, and by setting the bonding pressure to 20 MPa or less, deterioration of the friction stir welding tool can be suppressed. ..

また、本発明の異材摩擦接合方法においては、前記第一工程において、前記シランカップリング処理に用いるシランカップリング剤の濃度を2%以上とすること、が好ましい。シランカップリング剤の濃度は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、得られる異材摩擦攪拌接合部材の接合部強度との関係において適宜調整すればよいが、2%以上とすることで、接合強度に寄与する十分な量の官能基をタン又はチタン合金材の被接合領域の表面に導入することができる。 Further, in the dissimilar material friction joining method of the present invention, it is preferable that the concentration of the silane coupling agent used for the silane coupling treatment is 2% or more in the first step. The concentration of the silane coupling agent is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and may be appropriately adjusted in relation to the joint strength of the obtained dissimilar friction stir welding member, but it may be set to 2% or more. , A sufficient amount of functional groups that contribute to the bonding strength can be introduced into the surface of the bonded region of the tongue or titanium alloy material.

また、本発明は、
チタン又はチタン合金材と熱可塑性の炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材との重ね摩擦攪拌接合部材であり、
前記炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材の樹脂部はアミド基を有し、
接合界面近傍の前記炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材に結晶化領域が存在すること、
を特徴とする異材摩擦攪拌接合部材、も提供する。
Further, the present invention
It is a lap friction stir welding member of titanium or titanium alloy material and thermoplastic carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material.
The resin portion of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material has an amide group and has an amide group.
The presence of a crystallization region in the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material near the bonding interface,
Also provided is a dissimilar material friction stir welding member.

本発明の異材摩擦攪拌接合部材は、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材の樹脂部に存在するアミド基がチタン又はチタン合金材との接合に寄与している。各種分析等によって検出することは困難であるが、チタン又はチタン合金材の被接合領域表面の官能基とアミド基が反応することで、強固な接合界面が形成されている。 In the dissimilar material friction stir welding member of the present invention, the amide group present in the resin portion of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material contributes to the bonding with titanium or the titanium alloy material. Although it is difficult to detect by various analyses, a strong bonding interface is formed by the reaction between the functional group and the amide group on the surface of the titanium or titanium alloy material to be bonded.

本発明の異材摩擦攪拌接合部材においては、15mmの長さの摩擦攪拌接合線を有する引張試験片において、前記摩擦攪拌接合線に対して垂直方向の引張せん断強度が3.0kN以上であること、が好ましい。当該引張せん断強度が3.0kN以上となることで、チタン又はチタン合金材と熱可塑性の炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材とからなる異材摩擦攪拌接合部材を種々の構造体に適用することができる。なお、実際の接合部の面積を正確に測定することが困難であることから、応力ではなく荷重で規定している。また、引張せん断強度は機械締結や接着剤による接着領域等が無い状態での値である。 In the dissimilar material friction stir welding member of the present invention, in a tensile test piece having a friction stir welding wire having a length of 15 mm, the tensile shear strength in the direction perpendicular to the friction stir welding wire is 3.0 kN or more. Is preferable. When the tensile shear strength is 3.0 kN or more, a dissimilar friction stir welding member made of titanium or a titanium alloy material and a thermoplastic carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material can be applied to various structures. .. Since it is difficult to accurately measure the area of the actual joint, the load is specified instead of the stress. Further, the tensile shear strength is a value in a state where there is no mechanical fastening or an adhesive region due to an adhesive.

更に、本発明の異材摩擦攪拌接合部材においては、前記引張試験片を用いた引張せん断試験において破断する領域の硬度と、前記炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材の母材硬度と、の差が5Hv以内であること、が好ましい。破断領域の硬度と部材の硬度が近い値となることで、接合部が特異点とならない良好な異材摩擦攪拌接合部材を得ることができる。 Further, in the dissimilar material friction stirring joining member of the present invention, the difference between the hardness of the region where the material breaks in the tensile shear test using the tensile test piece and the hardness of the base material of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material is 5 Hv. It is preferably within. When the hardness of the fractured region and the hardness of the member are close to each other, it is possible to obtain a good friction stir welding member made of different materials in which the joint portion does not become a singular point.

なお、本発明の異材摩擦攪拌接合部材は、本発明の異材摩擦攪拌接合方法によって簡便に得ることができる。 The dissimilar material friction stir welding member of the present invention can be easily obtained by the dissimilar material friction stir welding method of the present invention.

本発明によれば、チタン又はチタン合金材と熱可塑性樹脂材とを簡便かつ効率的に直接接合する異材摩擦攪拌接合方法及び、それにより得られる高い継手強度を有する異材摩擦攪拌接合部材を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a dissimilar material friction stir welding method for directly bonding titanium or a titanium alloy material and a thermoplastic resin material directly and efficiently, and a dissimilar material friction stir welding member having high joint strength obtained by the method are provided. be able to.

本発明の異材摩擦攪拌接合の工程図である。It is a process drawing of the dissimilar material friction stir welding of this invention. 本発明の異材摩擦攪拌接合の模式図である。It is a schematic diagram of the dissimilar material friction stir welding of this invention. 本発明の一態様に係る異材摩擦攪拌接合部材の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the dissimilar material friction stir welding member which concerns on one aspect of this invention. シランカップリング処理によるエポキシ基導入の模式図である。It is a schematic diagram of the epoxy group introduction by the silane coupling treatment. 試験片の採取位置、形状及び大きさを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the collection position, the shape and the size of a test piece. シランカップリング剤の検討によって得られた継手の引張せん断強度を示すグラフである。It is a graph which shows the tensile shear strength of the joint obtained by the examination of the silane coupling agent. シランカップリング剤の検討によって得られた継手に関する引張試験後の試験片の外観写真である。It is an appearance photograph of the test piece after the tensile test about the joint obtained by the examination of the silane coupling agent. シランカップリング剤の検討によって得られた継手に関する引張試験後の破断部の純チタン板表面のSEM-EDS結果である。It is the SEM-EDS result of the surface of the pure titanium plate of the fracture part after the tensile test about the joint obtained by the examination of the silane coupling agent. 摩擦攪拌接合条件の検討によって得られた継手の引張せん断強度を示すグラフである。It is a graph which shows the tensile shear strength of the joint obtained by the examination of the friction stir welding condition. 摩擦攪拌接合中の被接合界面近傍の最高到達温度を示すグラフである。It is a graph which shows the maximum temperature reached in the vicinity of the interface to be welded during friction stir welding. 摩擦攪拌接合条件の検討によって得られた継手に関する引張試験後の試験片の外観写真である。It is an external photograph of the test piece after the tensile test about the joint obtained by the examination of the friction stir welding condition. 摩擦攪拌接合中の被接合界面近傍の温度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature change in the vicinity of the interface to be welded during friction stir welding. エポキシ基とアミド基の反応による接合機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the bonding mechanism by the reaction of an epoxy group and an amide group. 摩擦攪拌接合中の接合荷重及び接合圧力を示すグラフである。It is a graph which shows the joining load and joining pressure during friction stir welding. 100、125、150及び175rpmで得られた継手の接合部断面のSEM写真である。It is an SEM photograph of the joint section cross section of the joint obtained at 100, 125, 150 and 175 rpm. 200及び300rpmで得られた継手の接合部断面の光学顕微鏡写真である。FIG. 3 is an optical micrograph of a cross section of a joint obtained at 200 and 300 rpm. 図16における破線領域の拡大写真である。It is an enlarged photograph of the broken line area in FIG.

以下、図面を参照しながら本発明の異材摩擦攪拌接合方法及びそれにより得られる異材摩擦攪拌接合部材の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。 Hereinafter, a typical embodiment of the dissimilar material friction stir welding method of the present invention and the dissimilar material friction stir welding member obtained by the method will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these. .. In the following description, the same or corresponding parts may be designated by the same reference numerals, and duplicate description may be omitted. Further, since the drawings are for conceptually explaining the present invention, the dimensions of each component represented and their ratios may differ from the actual ones.

(1)異材摩擦攪拌接合方法
図1に、本発明の異材摩擦攪拌接合の工程図を示す。本発明の異材摩擦攪拌接合は、チタン又はチタン合金材の被接合領域にシランカップリング処理を施す第一工程(S01)と、被接合界面を形成させる第二工程(S02)と、摩擦攪拌接合を施す第三工程(S03)と、を有している。また、本発明の異材摩擦攪拌接合の模式図を図2に示す。以下、各工程について詳細に説明する。
(1) Dissimilar Material Friction Stir Welding Method FIG. 1 shows a process diagram of the dissimilar material friction stir welding of the present invention. The friction stir welding of different materials of the present invention comprises a first step (S01) of applying a silane coupling treatment to a titanium or titanium alloy material to be joined, a second step (S02) of forming an interface to be joined, and friction stir welding. It has a third step (S03) of applying the above. Further, FIG. 2 shows a schematic diagram of the friction stir welding of different materials of the present invention. Hereinafter, each step will be described in detail.

(1-1)第一工程(S01:シランカップリング処理)
第一工程(S01)は、チタン又はチタン合金材2の被接合領域にシランカップリング処理を施すための工程である。チタン又はチタン合金材2の被接合領域にシランカップリング処理を施すことで、被接合領域の表面に樹脂材との接合に寄与する官能基を付与することができる。
(1-1) First step (S01: Silane coupling treatment)
The first step (S01) is a step for applying a silane coupling treatment to the bonded region of titanium or the titanium alloy material 2. By subjecting the bonded region of titanium or the titanium alloy material 2 to a silane coupling treatment, a functional group that contributes to bonding with the resin material can be imparted to the surface of the bonded region.

シランカップリング剤と蒸留水を混合すると、加水分解によってシラノール(Si-OH)が形成する。また、シラノール基は互いに高い親和性を示し、縮合反応により-Si-O-Si-結合といくつかの水酸基を形成する。シランカップリング処理は、チタン又はチタン合金材2の被接合領域をシランカップリング剤と蒸留水との水溶液に浸漬した後に取り出し、適当な温度で加熱処理(乾燥処理)を施すことで行うことができる。 When the silane coupling agent and distilled water are mixed, silanol (Si-OH) is formed by hydrolysis. In addition, silanol groups show high affinity with each other and form -Si-O-Si- bonds and some hydroxyl groups by condensation reaction. The silane coupling treatment can be performed by immersing the bonded region of titanium or the titanium alloy material 2 in an aqueous solution of a silane coupling agent and distilled water, taking it out, and performing a heat treatment (drying treatment) at an appropriate temperature. can.

加水分解と縮合反応が進行したシランカップリング剤は、水素結合によりチタン又はチタン合金2の表面の水酸基を物理的に吸収する。また、加熱によって、シラノールとチタン又はチタン合金材2の水酸基の間の水素結合が-Si-O-Ti-結合に変換される。これらの過程により、有機基を有する被接合領域を得ることができる。 The silane coupling agent in which the hydrolysis and the condensation reaction have proceeded physically absorbs the hydroxyl group on the surface of titanium or the titanium alloy 2 by hydrogen bonding. Further, by heating, the hydrogen bond between silanol and the hydroxyl group of titanium or the titanium alloy material 2 is converted into an —Si—O—Ti— bond. By these processes, a bonded region having an organic group can be obtained.

ここで、チタン又はチタン合金材2と熱可塑性樹脂材4とからなる良好な異材摩擦攪拌接合部を形成させるためには、熱可塑性樹脂材4が有する官能基とシランカップリング剤によって導入される官能基とが良好な反応性を有している必要がある。即ち、被接合材となる熱可塑性樹脂材4に応じて、適当なシランカップリング剤を適宜選定する必要がある。 Here, in order to form a good friction stir welded portion made of titanium or a titanium alloy material 2 and a thermoplastic resin material 4, a functional group possessed by the thermoplastic resin material 4 and a silane coupling agent are introduced. It is necessary that the functional group has good reactivity. That is, it is necessary to appropriately select an appropriate silane coupling agent according to the thermoplastic resin material 4 to be bonded.

例えば、熱可塑性樹脂材4が「ポリアミド6」である場合、ポリアミド6はアミド基を有していることから、エポキシ基と反応・結合することができる。即ち、ポリアミド6を有する熱可塑性樹脂材4とチタン又はチタン合金材2とを接合する場合、エポキシ基を有するシランカップリング剤を用いることで強固な接合界面を形成することができる。 For example, when the thermoplastic resin material 4 is "polyamide 6", since the polyamide 6 has an amide group, it can react and bond with an epoxy group. That is, when the thermoplastic resin material 4 having the polyamide 6 and the titanium or the titanium alloy material 2 are bonded, a strong bonding interface can be formed by using a silane coupling agent having an epoxy group.

シランカップリング剤水溶液の濃度は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、2%以上とすることが好ましい。シランカップリング剤水溶液の濃度を2%以上とすることで、チタン又はチタン合金材2を当該シランカップリング剤水溶液に一回浸漬させるのみで、十分な接合強度が得られる官能基を被接合領域に導入することができる。なお、シランカップリング剤水溶液の濃度が低い場合は、浸漬と乾燥を複数回行ってもよい。 The concentration of the aqueous solution of the silane coupling agent is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, but is preferably 2% or more. By setting the concentration of the silane coupling agent aqueous solution to 2% or more, the titanium or titanium alloy material 2 can be immersed in the silane coupling agent aqueous solution only once to obtain a functional group having sufficient bonding strength in the bonded region. Can be introduced in. If the concentration of the silane coupling agent aqueous solution is low, the immersion and drying may be performed a plurality of times.

チタン又はチタン合金材2の被接合領域の表面に付着したシランカップリング剤水溶液を乾燥させる方法は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の方法を用いることができる。例えば、シランカップリング剤水溶液が付着したチタン又はチタン合金材2を、100~140℃の真空炉中で1時間程度保持すればよい。 The method for drying the aqueous solution of the silane coupling agent adhering to the surface of the bonded region of titanium or the titanium alloy material 2 is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and various conventionally known methods can be used. can. For example, the titanium or the titanium alloy material 2 to which the aqueous solution of the silane coupling agent is attached may be held in a vacuum furnace at 100 to 140 ° C. for about 1 hour.

(1-2)第二工程(S02:被接合界面の形成)
第二工程は、第一工程(S01)にてシランカップリング処理を施したチタン又はチタン合金材2の被接合領域と熱可塑性樹脂材4とを当接させて、被接合界面を形成させるための工程である。
(1-2) Second step (S02: Formation of interface to be joined)
The second step is to abut the bonded region of the titanium or titanium alloy material 2 subjected to the silane coupling treatment in the first step (S01) with the thermoplastic resin material 4 to form a bonded interface. This is the process.

熱可塑性樹脂材4と当接するチタン又はチタン合金材2の全域にシランカップリング処理が施されている必要はなく、シランカップリング処理が施されている領域が含まれていればよい。 It is not necessary that the entire area of the titanium or the titanium alloy material 2 in contact with the thermoplastic resin material 4 is subjected to the silane coupling treatment, and it is sufficient that the region to which the silane coupling treatment is applied is included.

チタン又はチタン合金材2と熱可塑性樹脂材4とは第三工程(S03)における摩擦攪拌接合時に位置が変化しない程度に固定することが好ましい。一方で、摩擦攪拌接合においては摩擦攪拌接合用ツールによって被接合領域に対して接合圧力が印加されるため、被接合面同士を密着させるために別途押圧力を印加する必要はない。 It is preferable that the titanium or the titanium alloy material 2 and the thermoplastic resin material 4 are fixed to such an extent that the positions do not change during friction stir welding in the third step (S03). On the other hand, in friction stir welding, since the bonding pressure is applied to the bonded region by the friction stir welding tool, it is not necessary to separately apply a pressing force to bring the surfaces to be bonded into close contact with each other.

(1-3)第三工程(S03:摩擦攪拌接合)
第三工程(S03)は、被接合領域に対して摩擦攪拌接合を施す工程である。
(1-3) Third step (S03: Friction stir welding)
The third step (S03) is a step of performing friction stir welding on the bonded region.

摩擦攪拌接合とは、FSW(Friction Stir Welding)と称され、接合しようとする二つの金属材からなる被接合材それぞれの端部を突き合わせ、回転ツールの先端に設けられた突起部(プローブ)を両者の端部の間に挿入し、これら端部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させることによって、二つの金属部材を接合する方法である。 Friction stir welding is called FSW (Friction Stir Welding), and the ends of each of the two metal materials to be welded to be welded are butted against each other, and a protrusion (probe) provided at the tip of the rotation tool is formed. It is a method of joining two metal members by inserting them between the ends of both and moving the rotation tool while rotating it along the longitudinal direction of these ends.

本発明における「摩擦攪拌接合」とは、回転ツールを回転させつつ接合方向に向けて移動させる摩擦攪拌線接合と回転ツールを回転させつつ接合部位で移動させない摩擦攪拌スポット接合を含み、被接合材同士を重ね合わせて一方の被接合材の側から回転ツールを挿入する重ね摩擦攪拌接合を意味する。以下、代表的な態様として、回転ツールを回転させつつ接合方向に向けて移動させる摩擦攪拌線接合について詳細に説明する。 The "friction stir welding" in the present invention includes friction stir line joining in which the rotary tool is rotated and moved in the joining direction, and friction stir spot welding in which the rotary tool is rotated and not moved at the joint site. It means a lap friction stir welding in which a rotating tool is inserted from the side of one of the materials to be welded by laying them on top of each other. Hereinafter, as a typical embodiment, friction stir welding in which the rotation tool is rotated and moved in the joining direction will be described in detail.

回転させた摩擦攪拌接合用ツール6をチタン又はチタン合金材2の側から被接合領域の上方に圧入し、摩擦熱を発生させると共に、被接合界面に対して略垂直方向に接合圧力を印加する。当該状態において、摩擦攪拌接合用ツール6を被接合領域に沿って移動させることで、線状の接合界面を形成することができる。 The rotated friction stir welding tool 6 is press-fitted from the side of the titanium or titanium alloy material 2 above the area to be welded to generate frictional heat and apply the bonding pressure in a direction substantially perpendicular to the interface to be welded. .. In this state, the friction stir welding tool 6 can be moved along the bonded region to form a linear bonding interface.

摩擦攪拌接合用ツール6の底面には適当な大きさ及び形状の突起部を設けてもよいが、摩擦攪拌接合用ツール6の寿命、及び摩擦攪拌接合中の被接合界面の温度分布や印加圧力の均一性を担保する観点から、突起部のない平滑な底面形状とすることが好ましい。チタン又はチタン合金材2の表面からの摩擦攪拌接合用ツール6の挿入量は必要以上に大きくする必要はなく、被接合界面における接合温度及び接合圧力が適当な値となる限りにおいて、小さくすることが好ましい。挿入量を小さくすることで、摩擦攪拌接合用ツール6の長寿命化を図ることができる。 A protrusion having an appropriate size and shape may be provided on the bottom surface of the friction stir welding tool 6, but the life of the friction stir welding tool 6 and the temperature distribution and applied pressure of the interface to be welded during friction stir welding. From the viewpoint of ensuring the uniformity of the surface, it is preferable to have a smooth bottom surface shape without protrusions. The amount of the friction stir welding tool 6 inserted from the surface of titanium or the titanium alloy material 2 does not need to be larger than necessary, and should be reduced as long as the bonding temperature and bonding pressure at the interface to be bonded are appropriate values. Is preferable. By reducing the insertion amount, the life of the friction stir welding tool 6 can be extended.

また、摩擦攪拌接合用ツール6の材質は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、摩擦攪拌接合用ツールに用いられている従来公知の種々の材質とすることができる。例えば、タングステンカーバイト(WC)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる超硬合金、コバルト(Co)基合金、タングステン(W)合金、イリジウム(Ir)等の高融点金属及びその合金、またはSi等のセラミックスからなるものとすることができる。 Further, the material of the friction stir welding tool 6 is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and various conventionally known materials used for the friction stir welding tool can be used. For example, cemented carbides made of tungsten carbide (WC), cobalt (Co), nickel (Ni), cobalt (Co) -based alloys, tungsten (W) alloys, refractory metals such as iridium (Ir) and their alloys. Alternatively, it can be made of ceramics such as Si 3 N 4 and the like.

摩擦攪拌接合における主な接合パラメータは、摩擦攪拌接合用ツール6の回転速度、移動速度、接合圧力及び前進角であるが、これらは摩擦攪拌接合中の被接合界面の温度が熱可塑性樹脂材4の溶融温度以上かつ分解温度以下となるように適宜調整すればよい。また、被接合領域には、アルゴン等の不活性ガスをフローさせて被接合材やツールの酸化反応を抑制することが好ましい。 The main joining parameters in friction stir welding are the rotation speed, moving speed, joining pressure and advance angle of the friction stir welding tool 6, and these are the temperatures of the interface to be joined during friction stir welding of the thermoplastic resin material 4. It may be appropriately adjusted so that it is equal to or higher than the melting temperature and lower than the decomposition temperature. Further, it is preferable to flow an inert gas such as argon through the region to be bonded to suppress the oxidation reaction of the material to be bonded and the tool.

摩擦攪拌接合中の被接合界面の温度は、220~350℃とすることが好ましい。溶融温度及び分解温度は熱可塑性樹脂材4の種類や状態によって異なるが、被接合界面の温度を220~350℃とすることで、一般的に金属部材との接合によって構造用部材として用いられる熱可塑性樹脂材4の多くを網羅することができる。被接合界面のより好ましい温度は250~320℃であり、最も好ましい温度は290~310℃である。 The temperature of the interface to be welded during friction stir welding is preferably 220 to 350 ° C. The melting temperature and decomposition temperature differ depending on the type and state of the thermoplastic resin material 4, but by setting the temperature of the interface to be bonded to 220 to 350 ° C, the heat generally used as a structural member by bonding with a metal member. Most of the plastic resin materials 4 can be covered. A more preferable temperature of the interface to be joined is 250 to 320 ° C, and the most preferable temperature is 290 to 310 ° C.

摩擦攪拌接合中に接合界面を適当な温度(熱可塑性樹脂材4の溶融温度以上かつ分解温度以下)に保持する時間は、1秒以上とすることが好ましく、3秒以上とすることがより好ましく、5秒以上とすることが最も好ましい。接合界面を適当な温度範囲で保持することで、チタン又はチタン合金材2と熱可塑性樹脂材4とを確実に接合することができる。一方で、当該保持時間が長すぎる場合は熱可塑性樹脂材4を劣化させる虞があるため、20秒以下とすることが好ましい。 The time for holding the bonding interface at an appropriate temperature (above the melting temperature of the thermoplastic resin material 4 and below the decomposition temperature) during friction stir welding is preferably 1 second or longer, more preferably 3 seconds or longer. Most preferably, it is 5 seconds or longer. By holding the bonding interface in an appropriate temperature range, the titanium or titanium alloy material 2 and the thermoplastic resin material 4 can be reliably bonded. On the other hand, if the holding time is too long, the thermoplastic resin material 4 may be deteriorated, so that it is preferably 20 seconds or less.

また、摩擦攪拌接合によって被接合界面に印加される接合圧力は、5~20MPaとすることが好ましい。接合圧力を5MPa以上とすることで熱可塑性樹脂材4とチタン又はチタン合金材2とを十分に密着させることができ、接合圧力を20MPa以下とすることで摩擦攪拌接合ツール6の劣化を抑制することができる。より好ましい接合圧力は8~17MPaであり、最も好ましい接合圧力は10~15MPaである。 Further, the bonding pressure applied to the interface to be bonded by friction stir welding is preferably 5 to 20 MPa. By setting the bonding pressure to 5 MPa or more, the thermoplastic resin material 4 and the titanium or titanium alloy material 2 can be sufficiently adhered, and by setting the bonding pressure to 20 MPa or less, deterioration of the friction stir welding tool 6 is suppressed. be able to. A more preferable joining pressure is 8 to 17 MPa, and a most preferable joining pressure is 10 to 15 MPa.

摩擦攪拌接合用ツール6の回転方向は、時計回り又は反時計回りとすることができるが、被接合領域からチタン又はチタン合金材2の端部までの距離が近い側において、摩擦攪拌接合用ツール6の回転方向と移動方向が逆向き(後退側)となるように設定することが好ましい。摩擦攪拌接合においては、摩擦攪拌接合用ツール6の回転方向と移動方向が同じ向きとなる側(前進側)において、接合温度が高くなる傾向がある。また、摩擦攪拌接合用ツール6の挿入位置からチタン又はチタン合金材2の端部までの距離が短い場合は、当該距離が長い場合と比較して、蓄熱により接合温度が高くなる傾向がある。これらの関係から、摩擦攪拌接合用ツール6の挿入位置からチタン又はチタン合金材2の端部までの距離が短い側を後退側とすることで、接合領域の温度分布を均一化することができる。 The direction of rotation of the friction stir welding tool 6 can be clockwise or counterclockwise, but the friction stir welding tool is located on the side where the distance from the bonded region to the end of the titanium or titanium alloy material 2 is short. It is preferable to set 6 so that the rotation direction and the movement direction are opposite (backward side). In friction stir welding, the joining temperature tends to be higher on the side (advance side) where the rotation direction and the moving direction of the friction stir welding tool 6 are the same. Further, when the distance from the insertion position of the friction stir welding tool 6 to the end portion of the titanium or the titanium alloy material 2 is short, the bonding temperature tends to be higher due to heat storage as compared with the case where the distance is long. From these relationships, the temperature distribution in the bonding region can be made uniform by setting the side where the distance from the insertion position of the friction stir welding tool 6 to the end of the titanium or titanium alloy material 2 is short as the receding side. ..

チタン又はチタン合金材2の組成は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々のチタン又はチタン合金を用いることができる。チタン合金としては、例えば、汎用されているTi-6Al-4V合金や種々の高加工性チタン合金等を用いることができる。また、チタン又はチタン合金材2の板厚についても、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、例えば、1~5mm程度の板材を好適に用いることができる。 The composition of titanium or the titanium alloy material 2 is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and various conventionally known titanium or titanium alloys can be used. As the titanium alloy, for example, a widely used Ti-6Al-4V alloy, various highly processable titanium alloys, and the like can be used. Further, the plate thickness of the titanium or the titanium alloy material 2 is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and for example, a plate material of about 1 to 5 mm can be preferably used.

また、熱可塑性樹脂材4の種類は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の熱可塑性樹脂材を用いることができるが、アミド基を有していることが好ましい。アミド基を有している熱可塑性樹脂材としては、例えば、ポリアミド6を例示することができ、ポリアミド6をマトリックスとする炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を好適に用いることができる。また、その他の熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン樹脂(融点:170℃,熱分解温度:328~410℃)、ナイロン66樹脂(融点:268℃,熱分解温度:310~380℃)、ポリカーボネート樹脂(融点:150℃,熱分解温度:420~620℃)、ナイロン6樹脂(融点:225℃,熱分解温度:310~380℃)等を挙げることができる。 Further, the type of the thermoplastic resin material 4 is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and various conventionally known thermoplastic resin materials can be used, but they may have an amide group. preferable. As the thermoplastic resin material having an amide group, for example, polyamide 6 can be exemplified, and carbon fiber reinforced plastic (CFRP) using polyamide 6 as a matrix can be preferably used. As other thermoplastic resins, polypropylene resin (melting point: 170 ° C., pyrolysis temperature: 328 to 410 ° C.), nylon 66 resin (melting point: 268 ° C., pyrolysis temperature: 310 to 380 ° C.), polycarbonate resin ( Melting point: 150 ° C., pyrolysis temperature: 420 to 620 ° C.), nylon 6 resin (melting point: 225 ° C., pyrolysis temperature: 310 to 380 ° C.) and the like can be mentioned.

(2)異材摩擦攪拌接合部材
図3に、本発明の一態様に係る異材摩擦攪拌接合部材の概略断面図を示す。異材摩擦攪拌接合部材10は、チタン又はチタン合金材2と熱可塑性の炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材12が摩擦攪拌接合部14によって重ね接合されたものである。炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材12の樹脂部は、アミド基を有している。
(2) Dissimilar Material Friction Stir Welding Member FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the dissimilar material friction stir welding member according to one aspect of the present invention. The dissimilar material friction stir welding member 10 is formed by laminating and joining titanium or a titanium alloy material 2 and a thermoplastic carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material 12 by a friction stir welding portion 14. The resin portion of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material 12 has an amide group.

摩擦攪拌接合部14における接合界面近傍には、結晶化領域16が存在する。結晶化領域16は炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材12が摩擦攪拌接合中に十分に軟化して、チタン又はチタン合金材2の表面と炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材12の表面とが密着したことを意味している。また、摩擦攪拌接合部14には溝状やボイド状の欠陥は存在していない。これは、摩擦攪拌接合中に接合界面の温度が炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材12のマトリックスである熱可塑性樹脂材の熱分解以下に抑制されたことを意味している。 A crystallization region 16 exists in the vicinity of the junction interface in the friction stir welding portion 14. In the crystallized region 16, the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material 12 was sufficiently softened during the friction stirring joining, and the surface of the titanium or titanium alloy material 2 and the surface of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material 12 were in close contact with each other. It means that. Further, the friction stir welding portion 14 has no groove-like or void-like defects. This means that during friction stir welding, the temperature at the bonding interface was suppressed below the thermal decomposition of the thermoplastic resin material, which is the matrix of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material 12.

異材摩擦攪拌接合部材10においては、15mmの長さの摩擦攪拌接合部14(摩擦攪拌接合線)を有する引張試験片において、摩擦攪拌接合部14に対して垂直方向の引張せん断強度が3.0kN以上であることが好ましい。当該引張せん断強度が3.0kN以上となることで、チタン又はチタン合金材2と炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材12とからなる異材摩擦攪拌接合部材10を種々の構造体に適用することができる。当該引張せん断強度は3.5kN以上となることがより好ましく、3.7kN以上となることが最も好ましい。 In the dissimilar material friction stir welding member 10, the tensile test piece having the friction stir welding portion 14 (friction stir welding line) having a length of 15 mm has a tensile shear strength of 3.0 kN in the direction perpendicular to the friction stir welding portion 14. The above is preferable. When the tensile shear strength is 3.0 kN or more, the dissimilar friction stir welding member 10 made of titanium or titanium alloy material 2 and carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material 12 can be applied to various structures. .. The tensile shear strength is more preferably 3.5 kN or more, and most preferably 3.7 kN or more.

異材摩擦攪拌接合部材10においては、引張せん断試験において破断する領域の硬度と、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材12の母材硬度と、の差が5Hv以内であること、が好ましい。破断領域の硬度と部材の硬度が近い値となることで、接合部が特異点とならない良好な異材摩擦攪拌接合部材10を得ることができる。ここで、当該破断領域は、摩擦攪拌接合部14の外縁近傍となる。 In the dissimilar material friction stir welding member 10, it is preferable that the difference between the hardness of the region where the material breaks in the tensile shear test and the hardness of the base material of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material 12 is within 5 Hv. When the hardness of the fractured region and the hardness of the member are close to each other, it is possible to obtain a good friction stir welding member 10 made of different materials in which the joint portion does not become a singular point. Here, the fracture region is near the outer edge of the friction stir welding portion 14.

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。 Although the typical embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various design changes are possible, and all of these design changes are included in the technical scope of the present invention. Will be.

以下、実施例において本発明の異材摩擦攪拌接合方法及び異材摩擦攪拌接合部材について更に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the dissimilar material friction stir welding method and the dissimilar material friction stir welding member of the present invention will be further described in Examples, but the present invention is not limited to these examples.

図2に示す配置で、厚さ2mm、幅50mm及び長さ150mmの工業用純チタン(TP-340)板と、厚さ3mm、幅50mm及び長さ150mmの炭素繊維強化プラスチック(20質量%の炭素繊維が添加されたポリアミド6)板を摩擦攪拌接合した。 In the arrangement shown in FIG. 2, an industrial pure titanium (TP-340) plate having a thickness of 2 mm, a width of 50 mm and a length of 150 mm and a carbon fiber reinforced plastic having a thickness of 3 mm, a width of 50 mm and a length of 150 mm (20% by mass). Polyamide 6) plates to which carbon fibers were added were friction-stir welded.

(1)シランカップリング剤の検討
摩擦攪拌接合の予備処理として、純チタン板の表面に対してシランカップリング処理を施した。ここで、シランカップリング処理に用いるシランカップリング剤水溶液の適当な濃度を検討するために、シランカップリング剤と純水を混合し、濃度が0%、0.5%、1.5%、2.5%及び3.5%のシランカップリング剤水溶液を調整した。用いたシランカップリング剤はOFS-6040(3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane,Epoxy functional)であり、純チタン板の表面にエポキシ基を導入することができる。エポキシ基導入の模式図を図4に示す。
(1) Examination of silane coupling agent As a preliminary treatment for friction stir welding, the surface of a pure titanium plate was subjected to a silane coupling treatment. Here, in order to examine an appropriate concentration of the silane coupling agent aqueous solution used for the silane coupling treatment, the silane coupling agent and pure water are mixed, and the concentrations are 0%, 0.5%, 1.5%, and so on. 2.5% and 3.5% silane coupling agent aqueous solutions were prepared. The silane coupling agent used is OFS-6040 (3-Glycydoxypropyl trimethoxysilane, Epoxy functional), and an epoxy group can be introduced on the surface of a pure titanium plate. A schematic diagram of the introduction of the epoxy group is shown in FIG.

純チタン板の表面(被接合領域)を♯3000の研磨紙で研磨した後、各濃度のシランカップリング剤水溶液に浸漬し、その後、120℃の真空炉中に1時間保持して乾燥させた。 After polishing the surface (bonded region) of the pure titanium plate with # 3000 abrasive paper, it was immersed in a silane coupling agent aqueous solution of each concentration, and then kept in a vacuum furnace at 120 ° C. for 1 hour to dry. ..

その後、純チタン板の表面(接合領域)と炭素繊維強化プラスチック板を図2に示す態様で重ね合わせ、純チタン板側から摩擦攪拌接合用ツールを圧入して摩擦攪拌接合を施した。 Then, the surface (bonding region) of the pure titanium plate and the carbon fiber reinforced plastic plate were overlapped in the manner shown in FIG. 2, and a friction stir welding tool was press-fitted from the pure titanium plate side to perform friction stir welding.

摩擦攪拌接合の条件は、ツールの回転速度を300rpm、ツールの移動速度(接合速度)を100mm/min、ツールの前進角を3°とし、突起部のない平滑な底面を有する直径15mmの円柱状の超硬合金製摩擦攪拌接合用ツールを用いて摩擦攪拌接合を施した。接合部にはアルゴンガスをフローさせ、ツール底面を純チタン板の表面から0.9mm挿入した。 The conditions for friction stir welding are a columnar diameter of 15 mm with a smooth bottom surface with no protrusions, a tool rotation speed of 300 rpm, a tool movement speed (joining speed) of 100 mm / min, and a tool advance angle of 3 °. Friction stir welding was performed using a friction stir welding tool made of super hard alloy. Argon gas was flowed through the joint, and the bottom surface of the tool was inserted 0.9 mm from the surface of the pure titanium plate.

接合部の強度を評価するために、得られた異材接合継手の引張せん断試験を行った。図5に試験片の採取位置、形状及び大きさを示す。引張せん断試験用の試験片は図5のAから採取し、幅は15mmである。また、引張せん断試験の引張速度は0.5mm/minとし、3回の測定を行った。 In order to evaluate the strength of the joint, a tensile shear test was performed on the obtained dissimilar joint. FIG. 5 shows the collection position, shape and size of the test piece. The test piece for the tensile shear test is taken from A in FIG. 5 and has a width of 15 mm. Further, the tensile speed of the tensile shear test was set to 0.5 mm / min, and the measurement was performed three times.

得られた引張せん断強度を図6、引張試験後の試験片の外観写真を図7、及び破断部の純チタン板の表面のSEM-EDS結果を図8にそれぞれ示す。組織観察用の断面試料は、研磨紙♯4000までの機械研磨を施した後、1μmのダイヤモンドサスペンションを用いて鏡面研磨し、SEMはJEOL JSM-7001FAを用いた。組織観察用試料の採取位置、形状及び大きさは図5にBとして示している。 The obtained tensile shear strength is shown in FIG. 6, a photograph of the appearance of the test piece after the tensile test is shown in FIG. 7, and the SEM-EDS result of the surface of the pure titanium plate at the fracture portion is shown in FIG. The cross-sectional sample for microstructure observation was subjected to mechanical polishing up to polishing paper # 4000 and then mirror-polished using a 1 μm diamond suspension, and JEOL JSM-7001FA was used as the SEM. The sampling position, shape and size of the tissue observation sample are shown as B in FIG.

シランカップリング剤を添加していな場合は、接合体を得ることができなかった。また、シランカップリング剤を添加した場合は接合部が形成されたが、設定した摩擦攪拌接合条件では何れの場合も1kNに満たない引張せん断強度となっており(図6)、全て接合界面での破断となった(図7)。一方で、シランカップリング剤の濃度が2.5%以上の場合は接合部の純チタン板の表面に炭素繊維強化プラスチック板に起因する炭素が明瞭に観察され、シランカップリング剤によって強固な接合界面が形成されたことが確認できる(図8)。 No conjugate could be obtained without the addition of the silane coupling agent. In addition, when a silane coupling agent was added, a joint was formed, but under the set friction stir welding conditions, the tensile shear strength was less than 1 kN in all cases (Fig. 6), all at the joint interface. (Fig. 7). On the other hand, when the concentration of the silane coupling agent is 2.5% or more, carbon due to the carbon fiber reinforced plastic plate is clearly observed on the surface of the pure titanium plate at the joint, and the silane coupling agent makes a strong bond. It can be confirmed that the interface is formed (Fig. 8).

即ち、適当なシランカップリング処理と摩擦攪拌接合によって純チタン板と炭素繊維強化プラスチック板との間に強固な接合界面を形成することができるが、摩擦攪拌接合による炭素繊維強化プラスチック板の強度低下を抑制する必要がある。 That is, a strong bonding interface can be formed between the pure titanium plate and the carbon fiber reinforced plastic plate by appropriate silane coupling treatment and friction stir welding, but the strength of the carbon fiber reinforced plastic plate is reduced by friction stir welding. Need to be suppressed.

(2)摩擦攪拌接合条件の検討
シランカップリング剤水溶液の濃度を3.5%で一定とし、ツールの回転速度を50、100、125、150、175、200、250、300rpmとしたこと以外は(1)の場合と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。
(2) Examination of Friction Stir Welding Conditions Except that the concentration of the silane coupling agent aqueous solution was kept constant at 3.5% and the rotation speed of the tool was set to 50, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300 rpm. Friction stir welding was performed in the same manner as in the case of (1).

(1)の場合と同様にして得られた各継手の引張せん断強度を図9に示す。また、接合中の被接合界面近傍の温度を熱電対で測定し、得られた結果も図9に合せて示す。接合温度測定状況の模式図を図10に示す。 FIG. 9 shows the tensile shear strength of each joint obtained in the same manner as in the case of (1). In addition, the temperature near the interface to be joined during bonding was measured with a thermocouple, and the obtained results are also shown in FIG. A schematic diagram of the joining temperature measurement situation is shown in FIG.

図9に示すように、3.0kN以上の高い引張せん断強度が得られるツール回転速度の範囲が明瞭に存在し(125~175rpm)、当該摩擦攪拌接合における被接合界面近傍の温度は炭素繊維強化プラスチックの母材(ポリアミド6)の融点(225℃)以上かつ分解温度(350℃)以下となっている。また、図11に引張試験後の試験片の外観写真を示すが、125~175rpmで得られた継手は全て炭素繊維強化プラスチック板側の母材破断となっている。また、これらの継手において、破断位置のビッカース硬度を測定したところ、18~20Hvであった。炭素繊維強化プラスチック板のビッカース硬度も18~20Hvであり、破断位置は接合によって殆ど硬度変化していないことが分かる。 As shown in FIG. 9, there is a clear range of tool rotation speeds at which a high tensile shear strength of 3.0 kN or more can be obtained (125 to 175 rpm), and the temperature near the bonded interface in the friction stir welding is carbon fiber reinforced. The melting point (225 ° C.) or higher and the decomposition temperature (350 ° C.) or lower of the base material (polyamide 6) of the plastic are set. Further, FIG. 11 shows an external photograph of the test piece after the tensile test, and all the joints obtained at 125 to 175 rpm have the base material fractured on the carbon fiber reinforced plastic plate side. Further, in these joints, the Vickers hardness at the fracture position was measured and found to be 18 to 20 Hv. The Vickers hardness of the carbon fiber reinforced plastic plate is also 18 to 20 Hv, and it can be seen that the breaking position hardly changes due to the joining.

図12に、ツール回転速度が100、125、150及び175rpmの場合において、熱電対を用いて得られた被接合部近傍の温度変化を示す。当該領域の温度がポリアミド6の融点以上に保持される時間が、125rpmの場合は5.0秒、150rpmの場合は8.8秒、175rpmの場合は10.3秒となっており、シランカップリング剤によって導入されたエポキシ基とポリアミド6のアミド基が十分に反応する時間が得られたものと考えられる。一方で、100rpmの場合は接合温度が僅かにポリアミド6の融点以上となっているが、当該温度域に保持される時間が1.3秒と極めて短いため、強固な接合界面が形成されなかったものと思われる。 FIG. 12 shows the temperature change in the vicinity of the bonded portion obtained by using a thermocouple when the tool rotation speeds are 100, 125, 150 and 175 rpm. The time for which the temperature in the region is maintained above the melting point of the polyamide 6 is 5.0 seconds at 125 rpm, 8.8 seconds at 150 rpm, and 10.3 seconds at 175 rpm, which is a silane cup. It is considered that a sufficient time was obtained for the epoxy group introduced by the ring agent and the amide group of the polyamide 6 to react sufficiently. On the other hand, in the case of 100 rpm, the bonding temperature is slightly higher than the melting point of the polyamide 6, but the time held in the temperature range is as short as 1.3 seconds, so that a strong bonding interface is not formed. It seems to be.

純チタン板の表面に形成されたエポキシ基とポリアミド6のアミド基との反応による接合機構を模式的に図13に示す。エポキシ基とアミド基は挿入反応及び追加反応によって接合され、被接合界面近傍のポリアミド6が溶融することで、これらの反応が促進されて強固な接合界面が形成されたと考えられる。 FIG. 13 schematically shows the bonding mechanism due to the reaction between the epoxy group formed on the surface of the pure titanium plate and the amide group of the polyamide 6. It is considered that the epoxy group and the amide group were bonded by the insertion reaction and the additional reaction, and the polyamide 6 in the vicinity of the interface to be bonded was melted to promote these reactions and form a strong bonding interface.

摩擦攪拌接合中に摩擦攪拌接合用ツールによって被接合界面に印加される接合荷重及び接合圧力を図14に示す。ツールの回転速度の増加に伴ってポリアミド6が軟化及び/又は分解するため、接合荷重及び接合圧力が低下しているが、接合温度がポリアミド6の融点以上かつ分解温度以下となる125~175rpmでは、5~20MPaの適当な接合圧力が印されていることが分かる。 FIG. 14 shows the joining load and the joining pressure applied to the interface to be joined by the friction stir welding tool during the friction stir welding. Since the polyamide 6 softens and / or decomposes as the rotation speed of the tool increases, the bonding load and bonding pressure decrease, but at 125 to 175 rpm, where the bonding temperature is above the melting point of the polyamide 6 and below the decomposition temperature. It can be seen that an appropriate bonding pressure of 5 to 20 MPa is marked.

100、125、150及び175rpmで得られた継手の接合部断面のSEM写真を図15に示す。接合温度が低い100rpmの場合、純チタン板と炭素繊維強化プラスチック板の間に隙間が存在し、良好な接合界面が形成されていない。これに対し、接合温度がポリアミド6の融点以上かつ分解温度以下となる125~175rpmでは、純チタン板と炭素繊維強化プラスチック板が密着した接合界面が形成されており、欠陥等は認められない。 FIG. 15 shows SEM photographs of joint cross sections obtained at 100, 125, 150 and 175 rpm. When the bonding temperature is low at 100 rpm, there is a gap between the pure titanium plate and the carbon fiber reinforced plastic plate, and a good bonding interface is not formed. On the other hand, at 125 to 175 rpm, where the bonding temperature is equal to or higher than the melting point of the polyamide 6 and lower than the decomposition temperature, a bonding interface in which the pure titanium plate and the carbon fiber reinforced plastic plate are in close contact is formed, and no defects or the like are observed.

200及び300rpmで得られた継手の接合部断面の光学顕微鏡写真を図16に示す。また、図16において破線で囲った領域の拡大写真を図17に示す。接合温度がポリアミド6の分解温度以上となる摩擦攪拌接合条件では、純チタン板と炭素繊維強化プラスチック板の間にポリアミド6の分解に起因する大きな溝が形成されていることが分かる。 Optical micrographs of the cross sections of the joints obtained at 200 and 300 rpm are shown in FIG. Further, an enlarged photograph of the area surrounded by the broken line in FIG. 16 is shown in FIG. It can be seen that under the friction stir welding condition where the bonding temperature is equal to or higher than the decomposition temperature of the polyamide 6, a large groove due to the decomposition of the polyamide 6 is formed between the pure titanium plate and the carbon fiber reinforced plastic plate.

以上の結果より、適当なシランカップリング処理と接合温度が熱可塑性樹脂材の融点以上かつ分解温度以下となる摩擦攪拌接合とを組み合わせた本発明の異材摩擦攪拌接合方法によって、チタン材と熱可塑性樹脂材との間に極めて強固な接合界面を形成させることができ、当該異材摩擦攪拌接合方法によって得られる本発明の異材摩擦攪拌接合部材は、15mmの長さの摩擦攪拌接合線を有する引張試験片において、当該摩擦攪拌接合線に対して垂直方向の引張せん断強度が3.0kN以上となる接合部が形成されていることが確認された。 Based on the above results, the dissimilar material friction stir welding method of the present invention, which combines an appropriate silane coupling treatment and friction stir welding in which the bonding temperature is equal to or higher than the melting point of the thermoplastic resin material and lower than the decomposition temperature, is thermoplastic to the titanium material. The dissimilar material friction stir welding member of the present invention, which can form an extremely strong bonding interface with the resin material and is obtained by the dissimilar material friction stir welding method, has a tensile test having a friction stir welding wire having a length of 15 mm. In one piece, it was confirmed that a joint portion having a tensile shear strength of 3.0 kN or more in the direction perpendicular to the friction stir welding line was formed.

2・・・チタン又はチタン合金材、
4・・・熱可塑性樹脂材、
6・・・摩擦攪拌接合用ツール、
10・・・異材摩擦攪拌接合部材、
12・・・炭素繊維強化プラスチック材、
14・・・摩擦攪拌接合部、
16・・・結晶化領域。
2 ... Titanium or titanium alloy material,
4 ... Thermoplastic resin material,
6 ... Friction stir welding tool,
10 ... Friction stir welding member of different materials,
12 ... Carbon fiber reinforced plastic material,
14 ... Friction stir welding,
16 ... Crystallization region.

Claims (10)

チタン又はチタン合金材と熱可塑性樹脂材との摩擦攪拌接合方法であって、
前記チタン又はチタン合金材の被接合領域にシランカップリング処理を施す第一工程と、
前記シランカップリング処理を施した前記被接合領域に前記熱可塑性樹脂材を当接させ、被接合界面を形成する第二工程と、
前記チタン又はチタン合金材に摩擦攪拌接合ツールを圧入し、前記被接合界面を昇温すると共に、前記被接合界面に接合圧力を印加する第三工程と、を有すること、
を特徴とする異材摩擦攪拌接合方法。
A friction stir welding method between titanium or a titanium alloy material and a thermoplastic resin material.
The first step of applying a silane coupling treatment to the bonded region of the titanium or titanium alloy material, and
The second step of abutting the thermoplastic resin material on the bonded region subjected to the silane coupling treatment to form a bonded interface, and
Having a third step of press-fitting a friction stir welding tool into the titanium or a titanium alloy material to raise the temperature of the interface to be welded and applying a bonding pressure to the interface to be welded.
A method of friction stir welding of different materials.
前記第三工程において、前記被接合界面の温度を前記熱可塑性樹脂材の溶融温度以上かつ分解温度以下とすること、
を特徴とする請求項1に記載の異材摩擦攪拌接合方法。
In the third step, the temperature of the interface to be joined is set to be equal to or higher than the melting temperature of the thermoplastic resin material and lower than the decomposition temperature.
The dissimilar material friction stir welding method according to claim 1.
前記熱可塑性樹脂材を炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材とすること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の異材摩擦攪拌接合方法。
Using the thermoplastic resin material as a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material,
The dissimilar material friction stir welding method according to claim 1 or 2.
前記熱可塑性樹脂材がアミド基を有し、
前記第一工程において、前記チタン又はチタン合金材の前記被接合領域の表面にエポキシ基を形成させること、
を特徴とする請求項1~3のうちのいずれかに記載の異材摩擦攪拌接合方法。
The thermoplastic resin material has an amide group and has
In the first step, forming an epoxy group on the surface of the bonded region of the titanium or the titanium alloy material.
The dissimilar material friction stir welding method according to any one of claims 1 to 3.
前記第三工程において、前記被接合界面の温度を220~350℃とすること、
を特徴とする請求項1~4のうちのいずれかに記載の異材摩擦攪拌接合方法。
In the third step, the temperature of the interface to be joined is set to 220 to 350 ° C.
The dissimilar material friction stir welding method according to any one of claims 1 to 4.
前記第三工程において、前記接合圧力を5~20MPaとすること、
を特徴とする請求項1~5のうちのいずれかに記載の異材摩擦攪拌接合方法。
In the third step, the joining pressure should be 5 to 20 MPa.
The dissimilar material friction stir welding method according to any one of claims 1 to 5.
前記第一工程において、前記シランカップリング処理に用いるシランカップリング剤の濃度を2%以上とすること、
を特徴とする請求項1~6のうちのいずれかに記載の異材摩擦攪拌接合方法。
In the first step, the concentration of the silane coupling agent used for the silane coupling treatment shall be 2% or more.
The dissimilar material friction stir welding method according to any one of claims 1 to 6.
チタン又はチタン合金材と熱可塑性の炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材との重ね摩擦攪拌接合部材であり、
前記炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材の樹脂部はアミド基を有し、
接合界面近傍の前記炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材に結晶化領域が存在すること、
を特徴とする異材摩擦攪拌接合部材。
It is a lap friction stir welding member of titanium or titanium alloy material and thermoplastic carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material.
The resin portion of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material has an amide group and has an amide group.
The presence of a crystallization region in the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material near the bonding interface,
A friction stir welding member made of different materials.
15mmの長さの摩擦攪拌接合線を有する引張試験片において、前記摩擦攪拌接合線に対して垂直方向の引張せん断強度が3.0kN以上であること、
を特徴とする請求項8に記載の異材摩擦攪拌接合部材。
In a tensile test piece having a friction stir welding wire having a length of 15 mm, the tensile shear strength in the direction perpendicular to the friction stir welding wire shall be 3.0 kN or more.
The dissimilar material friction stir welding member according to claim 8.
前記引張試験片を用いた引張せん断試験において破断する領域の硬度と、前記前記炭素繊維強化プラスチック(CFRP)材の母材硬度と、の差が5Hv以内であること、
を特徴とする請求項9に記載の異材摩擦攪拌接合部材。
The difference between the hardness of the region that breaks in the tensile shear test using the tensile test piece and the hardness of the base material of the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material is within 5 Hv.
The dissimilar material friction stir welding member according to claim 9.
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