JP4227886B2 - Surface treatment method of metal plate material for friction stir welding, surface-treated metal plate material, and friction stir welding method - Google Patents

Surface treatment method of metal plate material for friction stir welding, surface-treated metal plate material, and friction stir welding method Download PDF

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本発明は、航空機、ロケット、高速車両、高速船、等の高速で移動する移動体に適用されるアルミニウム(アルミニウム合金を含む)材、マグネシウム化合物等の金属板材を摩擦攪拌接合(FSW:Friction Stir Welding)により接合するための摩擦攪拌接合用の金属板材表面処理方法、表面処理金属板材、及び摩擦攪拌接合方法に関する。 The present invention is a friction stir welding (FSW: Friction Stir) of a metal plate material such as an aluminum (including aluminum alloy) material and a magnesium compound applied to a moving body that moves at high speed such as an aircraft, a rocket, a high-speed vehicle, and a high-speed ship. the surface treatment method of a metal plate material for friction stir welding for joining the Welding), relates to surface-treated metal sheet, and friction stir welding how.

船舶等の構造部材は、軽量化の観点からアルミニウム合金が多く使用されるようになってきた。このようなアルミニウム合金製構造部材を重ね合わせ接合する方法としては、TIG、MIG等のアーク溶接が一般的である。
しかし、航空機等の場合、構造部材が薄板のために溶接熱により接合部近傍が軟化し強度が低下したり、熱歪みが生じ組み付けを困難にしたりする恐れがあった。
For structural members such as ships, aluminum alloys are often used from the viewpoint of weight reduction. As a method for laminating and joining such aluminum alloy structural members, arc welding such as TIG and MIG is generally used.
However, in the case of an aircraft or the like, since the structural member is a thin plate, the vicinity of the joint portion is softened by welding heat and the strength is lowered, and there is a risk that thermal distortion may occur and assembly may be difficult.

そのため、航空機等においては、熱による金属板材の変形、たわみ或いは金属組織の変化を避けるために、アルミニウム合金等の薄板をリベットにより接合する方法が多用されている。しかしながら、リベットによる接合では、重ね合わされた薄板はお互いに溶接されておらず依然独立状態となっている。
したがって、リベット穴が応力集中元となり、機体を長期間使用すると疲労損傷がリベット穴から生じる可能性がある等の問題があった。また、そのために検査が定期的に行われており、メンテナンス費用も嵩むという問題もあった。
For this reason, in aircraft and the like, a method of joining thin plates such as aluminum alloy with rivets is frequently used in order to avoid deformation of the metal plate due to heat, deflection, or change in the metal structure. However, in the rivet joining, the laminated thin plates are not welded to each other and are still in an independent state.
Therefore, the rivet hole becomes a stress concentration source, and there is a problem that fatigue damage may occur from the rivet hole when the aircraft is used for a long time. For this reason, inspections are regularly performed, and there is a problem that maintenance costs increase.

そこで、近年、重ね合わせた金属板材を摩擦により接合する摩擦攪拌接合法(FSW法)が提案されている。
摩擦攪拌接合法とは、重ねられた二枚のアルミニウムの薄板に高速で回転する工具を押し当てて、摩擦熱により薄板を局部的に軟化させ溶融させることなくかき混ぜることにより接合する。摩擦攪拌接合は、リベット接合に比べ、生産速度が速く、製造コストも低減可能となり、特に航空機部材のようなアルミニウム合金の薄板の接合を行う場合に有効である。
Therefore, in recent years, a friction stir welding method (FSW method) has been proposed in which stacked metal plates are joined by friction.
In the friction stir welding method, a tool that rotates at high speed is pressed against two stacked aluminum thin plates, and the thin plates are locally softened by frictional heat and mixed without melting. Friction stir welding is faster than rivet bonding and enables production costs to be reduced, and is particularly effective when joining thin aluminum alloy plates such as aircraft members.

この、摩擦攪拌接合法により二枚のアルミニウム合金板を重ね合わせ接合する方法としては、図7、図8に示すものが提案されている。
上側の加工物50は、下側の加工物51と重なり合うような関係で位置決めされ、図7の(A)に示すようにその間に重ね合わせ接合部52を定める。耐食性材料のストリップ53を、上側の加工物50の外面54に付着させ、この材料が、溶接動作中に可塑性にされるであろう予め定められた溶接ゾーンを覆うようにする。
As a method of overlapping and joining two aluminum alloy plates by the friction stir welding method, those shown in FIGS. 7 and 8 have been proposed.
The upper workpiece 50 is positioned so as to overlap with the lower workpiece 51, and as shown in FIG. A strip 53 of corrosion resistant material is attached to the outer surface 54 of the upper workpiece 50 so that the material covers a predetermined weld zone that will be plasticized during the welding operation.

次に、摩擦攪拌溶接動作が行なわれ、回転攪拌ピン(プローブ)12は、上側の加工物50の厚みを完全に通過し、下側の加工物51の厚みを部分的に通過して延在し、その結果、溶接されたゾーン55が、図7の(B)に示すように外面54から上側の加工物50を通り少なくとも部分的に下側の加工物51の厚みを通るように作製される。
耐食性のストリップ53は、ツール(摩擦攪拌接合用工具)10のショルダにより剪断され、溶接ゾーン55の外面に冶金的に接合されて、接合部の外面を覆う耐食性ゾーン57が形成される。
Next, a friction stir welding operation is performed and the rotary stir pin (probe) 12 extends completely through the thickness of the upper workpiece 50 and partially through the thickness of the lower workpiece 51. As a result, the welded zone 55 is made from the outer surface 54 through the upper workpiece 50 and at least partially through the thickness of the lower workpiece 51 as shown in FIG. 7B. The
The corrosion-resistant strip 53 is sheared by the shoulder of the tool (friction stir welding tool) 10 and is metallurgically joined to the outer surface of the welding zone 55 to form a corrosion-resistant zone 57 that covers the outer surface of the joint.

また、上記の重ね合わせ溶接方法の変形を図8に示す。
加工物50および51は重ね合わされ、その間に重ね合わせ接合部が定められる。耐食性材料の層56は、重ね合わせ接合部で加工物間に介在している。
摩擦攪拌溶接プロセスが行なわれて、耐食性材料の層56を備えた加工物の領域において重ね合わせ接合溶接部を形成する。回転する攪拌ピン(プローブ)12は、加工物の金属を可塑化させ、また溶接の領域で耐食性材料の層56の可塑性の流れを生じさせる。厚み0.063インチの7075アルミニウム合金の2枚のシートが重ね合わされ、溶接の前にこれらのシートの間に非合金アルミニウムのクラッド層を介在させ、摩擦攪拌溶接動作を行なう。非合金のアルミニウムの連続層は接合部でそのまま残っており、腐食材が接合部で作用して腐食をさせないようにする。
この溶接法は、たとえば、加工物間に取込まれた水分が溶接された接合部に接触して腐食を引き起こさないように効果的であると開示されている。(例えば、特許文献1)
FIG. 8 shows a modification of the above lap welding method.
Workpieces 50 and 51 are overlaid, and an overlap joint is defined therebetween. A layer 56 of corrosion resistant material is interposed between the workpieces at the lap joint.
A friction stir welding process is performed to form a lap joint weld in the region of the workpiece with a layer 56 of corrosion resistant material. The rotating stirring pin (probe) 12 plasticizes the workpiece metal and creates a plastic flow of the layer 56 of corrosion resistant material in the area of the weld. Two sheets of 7063 aluminum alloy having a thickness of 0.063 inches are overlaid and a friction stir welding operation is performed with a non-alloy aluminum cladding layer interposed between the sheets prior to welding. A continuous layer of non-alloyed aluminum remains at the joint, preventing the corrosive material from acting on the joint and causing corrosion.
This welding method is disclosed to be effective, for example, so that moisture taken in between the workpieces does not contact the welded joint and cause corrosion. (For example, Patent Document 1)

特開2000−61664号公報(段落〔0027〕、〔0028〕、図8、図9)JP 2000-61664 A (paragraphs [0027], [0028], FIG. 8, FIG. 9)

上述の従来の摩擦攪拌接合法により二枚のアルミニウム合金板を重ね合わせ接合する方法では、耐食性材料を挟んで、溶接し溶け込まし一体化させて耐食性を向上させている。しかしながら、添加元素によっては耐食性は改善するが強度特性が低下する、また、部分的に薄い膜を作ることが難しいという問題が生じる。
また、一般的に航空機等のアルミニウム板材は、その製造過程において陽極酸化皮膜処理(アノダイズ)されている。
In the method in which two aluminum alloy plates are overlapped and joined by the above-described conventional friction stir welding method, the corrosion resistance is improved by sandwiching a corrosion resistant material, welding, melting and integrating them. However, depending on the additive element, the corrosion resistance is improved, but the strength characteristics are lowered, and it is difficult to form a partially thin film.
In general, aluminum plate materials for aircraft and the like are anodized (anodized) in the manufacturing process.

そして、上述の従来の摩擦攪拌接合法では陽極酸化皮膜を削って摩擦攪拌接合を行っているため、溶接部の周囲に毛管現象により水分が浸入しアルミニウム板材が腐食する可能性がある。
また、溶接後にプライマ等の防錆塗料を塗布する必要があるが、その防錆塗料は重ね合わせ部分の溶接部以外の部分全面に塗布することが難しく、防錆処理が充分に行えないという問題がある。
And in the above-mentioned conventional friction stir welding method, since an anodized film is shaved and friction stir welding is performed, there is a possibility that moisture permeates around the welded portion due to capillary action and the aluminum plate material is corroded.
In addition, it is necessary to apply a rust preventive paint such as a primer after welding, but it is difficult to apply the rust preventive paint to the entire surface of the overlapped part other than the welded part, and the rust preventive treatment cannot be performed sufficiently. There is.

本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであり、酸化皮膜処理されているアルミニウム板材をそのまま利用し、かつ、重ね合わせ前に防錆塗料(プライマ)を塗布した後に摩擦攪拌接合法により接合することにより、防錆効果を得るとともに強度も低下しない摩擦攪拌接合用の金属板材表面処理方法、摩擦攪拌接合のために表面処理された金属板材、及び摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and an aluminum plate material that has been treated with an oxide film is used as it is, and a rust preventive paint (primer) is applied before superposition. by joining by friction stir welding after the surface treatment method of a metal plate material for friction stir welding that does not decrease the strength with obtaining the corrosion protection, the surface-treated metal sheet for friction stir welding, and friction stir welding it is an object of the present invention to provide a mETHODS.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その第1の手段は、摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法において、表面に酸化皮膜が形成された金属板材に、樹脂、硬化剤、溶剤を含むプライマを塗布するに当たり、該プライマよりも熱伝導性の大きい物質の粉末又はりん片を、乾燥したプライマにおける前記粉末又はりん片の乾燥重量が7〜45%になるように上記プライマに5〜30重量%混入したことを特徴としている。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the first means is a method for treating the surface of a metal plate for friction stir welding in a metal plate having an oxide film formed on the surface thereof . In applying a primer containing a resin, a curing agent, and a solvent, the dry weight of the powder or flakes of a substance having a higher thermal conductivity than that of the primer is 7 to 45% in the dry primer. as it is characterized in that mixed 5-30 wt% to the primer.

なお、上記金属板材は、アルミニウム製、アルミニウム合金製、またはマグネシウム合金製のいずれかの金属板材である。 Incidentally, the metal plate material, aluminum, aluminum alloy, or Ru or a metal plate der of magnesium alloy.

更に、上記プライマよりも熱伝導性の大きい物質の粉末又はりん片は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金又はカーボンのいずれかの粉末又はりん片でる。 Furthermore, flour powder also Sakhalin piece of thermally conductive material having a high than the primer, Ru aluminum, aluminum alloys, magnesium, either in powder powder addition Sakhalin piece of magnesium alloy or carbon Ah.

本発明の第の手段は、上記第1の手段の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法において、上記酸化皮膜は陽極酸化皮膜であることを特徴としている。 According to a second means of the present invention, in the surface treatment method for a metal plate material for friction stir welding of the first means, the oxide film is an anodized film.

本発明の第3の手段は、上記第1又は2の手段の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法において、上記粉末又はりん片外径は、10μm以下であることを特徴としている。 The third means of the present invention is characterized in that, in the surface treatment method of a metal plate material for friction stir welding of the first or second means, the outer diameter of the powder or flake is 10 μm or less.

本発明の第の手段は、上記第1乃至3のいずれかの手段の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法において、上記プライマは、エポキシ樹脂であることを特徴としている。 According to a fourth means of the present invention, in the surface treatment method for a metal plate material for friction stir welding according to any one of the first to third means, the primer is an epoxy resin.

本発明の第の手段は、上記第1乃至4のいずれかの手段の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法において、上記プライマは、エポキシ樹脂と、ポリアミド樹脂または変質ポリアミン樹脂の硬化剤からなる二液形の常温乾燥で硬化することを特徴としている。 According to a fifth means of the present invention, in the surface treatment method for a metal plate material for friction stir welding according to any one of the first to fourth means, the primer comprises an epoxy resin and a curing agent for a polyamide resin or a modified polyamine resin. It is characterized by being cured by two-component room temperature drying consisting of

本発明の第の手段は、上記第1乃至5のいずれかの手段の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法において、上記粉末又はりん片を混入したプライマと上記粉末又はりん片を混入しないプライマとを塗り分けることを特徴としている。 Sixth means of the present invention, the surface treatment method of a metal plate material for friction stir welding of any means the first to 5, the Powder The Sakhalin pieces entrained primer and the Powder or a is It is characterized in that it is applied separately from a primer that does not contain any flakes .

本発明の第の手段は、摩擦攪拌接合用の表面処理金属板材において、アルミニウム製、アルミニウム合金製、またはマグネシウム合金製の金属板材と、該金属板材の表面に形成された酸化皮膜と、該酸化皮膜の表面に塗布されアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金又はカーボンのいずれかの粉末又はりん片が7〜45乾燥重量%混入された粉末又はりん片入りプライマ層と、上記酸化皮膜の表面に塗布され上記粉末又はりん片が混入されていないプライマ層とを備え、上記粉末又はりん片入りプライマ層と上記粉末又はりん片が混入されていないプライマ層とが塗り分けられていることを特徴としている。 The seventh means of the present invention is a surface-treated metal plate for friction stir welding, wherein the metal plate is made of aluminum, aluminum alloy, or magnesium alloy, the oxide film formed on the surface of the metal plate, aluminum is applied to the surface of the oxide film, an aluminum alloy, magnesium, magnesium alloy or flour powder either flour powder addition Sakhalin pieces are mixed 7-45 dry weight percent of carbon addition Sakhalin piece input Ri primer layer, and a primer layer the powder the Sakhalin piece is applied to the surface of the oxide film is not mixed, the powder the Sakhalin piece input Ri primer layer and the powder the Sakhalin piece is not mixed It is characterized in that the primer layer is separately applied.

本発明の第の手段は、上記第の手段の摩擦攪拌接合用の表面処理金属板材において、上記酸化皮膜は陽極酸化皮膜であることを特徴としている。 The eighth means of the present invention is characterized in that, in the surface-treated metal sheet for friction stir welding of the seventh means, the oxide film is an anodized film.

本発明の第の手段摩擦攪拌接合方法第7の手段の摩擦攪拌接合用の表面処理金属板材を重ね合わせ、回転する摩擦攪拌接合用工具を押し当てて重ね合わせられた上記表面処理金属板材を接合し、上記摩擦攪拌接合用工具を接合部分に沿って前進させて摩擦攪拌接合することを特徴としている。 Friction stir welding method of the ninth aspect of the present invention, superimposing the surface-treated metal sheet for friction stir welding of the seventh means, press the friction stir welding tool which rotates against it the surface treatment was obtained superimposed A metal plate material is joined, and the friction stir welding tool is advanced along the joining portion to perform friction stir welding.

本発明の第10の手段は、上記第の手段の摩擦攪拌接合方法において、上記酸化皮膜は陽極酸化皮膜であることを特徴としている。 A tenth means of the present invention is characterized in that, in the friction stir welding method of the ninth means, the oxide film is an anodized film.

本発明の第11の手段は、上記第又は10の手段の摩擦攪拌接合方法において、上記摩擦攪拌接合用工具を接合部分に沿って前進させた後、上記摩擦攪拌接合用工具を上記接合部分に沿って後進させることを特徴としている。 According to an eleventh means of the present invention, in the friction stir welding method of the ninth or tenth means, the friction stir welding tool is advanced along the joining portion, and then the friction stir welding tool is moved to the joining portion. It is characterized by reversing along.

本発明の第12の手段は、上記第又は10の手段の摩擦攪拌接合方法において、上記摩擦攪拌接合用工具を接合部分に沿って前進させた後、上記摩擦攪拌接合用工具の回転方向を逆転させて、再度上記接合部分に沿って前進させることを特徴としている。 According to a twelfth means of the present invention, in the friction stir welding method of the ninth or tenth means, after the friction stir welding tool is advanced along the joining portion, the rotation direction of the friction stir welding tool is changed. It reverses and it is made to advance again along the said junction part.

本発明の第13の手段は、上記第又は10の手段の摩擦攪拌接合方法において、互いに逆転する摩擦攪拌接合用工具を2個用いて接合部分に沿って前進させて摩擦攪拌接合することを特徴としている。 According to a thirteenth means of the present invention, in the friction stir welding method of the ninth or tenth means, two friction stir welding tools that are reverse to each other are used to advance along the joining portion to perform friction stir welding. It is a feature.

上述の本発明の第1の手段としての摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法によれば、金属板材の表面は酸化皮膜により覆われているので、金属板材の搬送、型取り、切断加工時においても表面が腐食することはない。
また、この酸化皮膜上にプライマを塗布するので、従来のように酸化皮膜を研磨する作業を省略することができる。
更に、熱伝導性の大きい物質の粉末又はりん片を5〜30重量%(乾燥重量で7〜45%)混入しているので、プライマの膜の強度を確保できると共に短時間でプライマに摩擦熱を伝達し、摩擦攪拌接合部のプライマを溶融、流出することができる。
上述のごとく表面処理された金属板材は、摩擦攪拌接合にて接合することにより、摩擦熱は、プライマ中に混入された熱伝導性の大きい物質の粉末又はりん片を介してプライマに伝達され、接合部のプライマは容易に溶融して接合時の加圧力で接合部に残存することなく摩擦攪拌接合部の外に排出される。
そして、その摩擦攪拌接合部は、耐食性、強度の優れたものとすることができる。
According to the surface treatment method of a metal plate material for friction stir junction as described above for the first aspect of the present invention, since the surface of the metal sheet is covered with oxide film, the conveyance of the metal sheet, templating, cutting Even at times, the surface will not corrode.
Further, since the primer is applied on the oxide film, the work of polishing the oxide film as in the conventional case can be omitted.
Furthermore, flour powder of heat conductive material having a high addition of Sakhalin piece 5 to 30 wt% (7-45% by dry weight) since the mixed, in a short time at the primary with the strength of the primer film can be secured Friction heat can be transmitted to melt and flow out the primer of the friction stir weld.
Metal sheet surface-treated as described above, by bonding with the friction stir welding, the frictional heat is transferred powder powder thermally conductive material having a high mixed in during the primer also through the Sakhalin pieces primer Then, the primer at the joining portion is easily melted and discharged out of the friction stir welding portion without remaining at the joining portion due to the applied pressure at the time of joining.
And the friction stir welding part can be excellent in corrosion resistance and strength.

なお、本発明の第の手段は、アルミニウム製、アルミニウム合金製、またはマグネシウム合金製のいずれかの金属板材の薄板に適用することができる。 The first means of the present invention can be applied aluminum, aluminum alloy, or a thin plate of any one of metal plate made of magnesium alloy.

更に、本発明の第1の手段は、プライマよりも熱伝導性の十分大きい物質の粉末又はりん片として、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金又はカーボンのいずれかの粉末又はりん片を使用しているので、摩擦攪拌接合時にこれらの粉末又はりん片は、プライマを溶融した後、金属板材内に溶け込ませることができる。 Furthermore, the first means of the present invention, flour powder thermally conductive sufficiently larger material than the primer also as a Sakhalin piece, aluminum, aluminum alloys, magnesium, or powder powder or a magnesium alloy or carbon because it uses Sakhalin pieces, these powders late addition Sakhalin pieces during friction stir welding, after melting the primer, it is possible to dissolve into the metal sheet.

本発明の第の手段としての摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法によれば、第1の手段の効果に加えて、上記酸化皮膜を陽極酸化皮膜とすることにより、摩擦攪拌接合を行っても最適な接合を行うことができる。 According to the surface treatment method of the friction stir welding metal plate material as the second means of the present invention, in addition to the effects of the first means, the oxide film is made an anodic oxide film, whereby the friction stir welding is performed. Even if it does, optimal joining can be performed.

本発明の第3の手段としての摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法によれば、第1又は2の手段の効果に加えて、上記粉末又はりん片外径を、プライマの塗布膜厚である10μm以下とすることにより、プライマの塗装表面をなめらかにすることができる。 According to the surface treatment method of the metal plate material for friction stir welding as the third means of the present invention, in addition to the effect of the first or second means, the outer diameter of the powder or flakes is changed to the primer coating film. By setting the thickness to 10 μm or less, the primer coating surface can be made smooth.

本発明の第の手段としての摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法によれば、第1乃至いずれかの手段の効果に加えて、上記プライマは、エポキシ樹脂を採用することができる。 According to the surface treatment method for a friction stir welding metal plate as a fourth means of the present invention, in addition to the effects of any one of the first to third means, the primer may employ an epoxy resin. it can.

本発明の第の手段としての摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法によれば、第1乃至いずれかの手段の効果に加えて、上記プライマは、エポキシ樹脂ポリアミド樹脂または変質ポリアミン樹脂の硬化剤からなる二液形の常温乾燥で硬化するものを採用できる。 According to the surface treatment method of a metal plate material for friction stir welding according to a fifth aspect of the present invention, in addition to the effect of any means of the first to fourth, the primer is an epoxy resin a polyamide resin or altered polyamine It is possible to employ a two-pack type curing agent that is made of a resin curing agent and dried at room temperature.

本発明の第の手段としての摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法によれば、第1乃至の手段の効果に加えて、摩擦攪拌接合する部分には上記粉末又はりん片を混入したプライマを塗布し、接合しない部分には上記粉末又はりん片を混入しないプライマを塗布することにより、摩擦攪拌接合時に接合部以外の部分のプライマは溶融しないので、押し当て部材等が接着することがない。 According to a sixth surface treatment method for a metal plate material for friction stir welding as a means of the present invention, in addition to the effect of the means in the first to fifth, the Powder The Sakhalin pieces to portions Friction stir welding applying contaminating primer and by applying a primer that does not mixed with the powder the Sakhalin piece in a portion not bonded, the primer in the portion other than the joint portion during the friction stir welding does not melt, pressing member or the like Will not adhere.

本発明の第の手段としての摩擦攪拌接合用の表面処理金属板材によれば、熱伝導性の大きいアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金又はカーボンのいずれかの粉末又はりん片を745乾燥重量%混入しているので、プライマの膜の強度を確保できると共に、短時間の摩擦攪拌接合でプライマに摩擦熱を伝達することができる。
そして、接合部のプライマは容易に溶融して接合部に残存することなく摩擦攪拌接合部の外に排出される。
また、これらの粉末又はりん片は、プライマを溶融した後、プライマとともに外部に排出される
更に、摩擦攪拌接合する部分には上記粉末又はりん片を混入したプライマを塗布し、接合しない部分には上記粉末又はりん片を混入しないプライマを塗布することにより、摩擦攪拌接合時に接合部以外の部分のプライマは溶融しないので、押当て部材等が接着することがない。
According to the surface-treated metal sheet for friction stir welding of a seventh aspect of the present invention, the thermal conductivity of large aluminum, aluminum alloys, magnesium, either flour powder addition Sakhalin piece of magnesium alloy or carbon 7 Since 45 % by dry weight is mixed, the strength of the primer film can be ensured, and frictional heat can be transmitted to the primer in a short time by friction stir welding.
And the primer of a junction part melt | dissolves easily and is discharged | emitted out of a friction stir junction part, without remaining in a junction part.
These powders late addition Sakhalin piece, after melting the primer, is discharged to the outside together with the primer.
Moreover, parts in friction stir joining by applying a primer mixed with the Powder The Sakhalin piece, the portion not bonded by applying a primer that does not mixed with the Powder The Sakhalin piece, during friction stir welding Since the primer other than the joining portion does not melt, the pressing member or the like does not adhere.

本発明の第の手段としての摩擦攪拌接合用の表面処理金属板材によれば、第の手段の効果に加えて、上記酸化皮膜を陽極酸化皮膜とすることにより、摩擦攪拌接合を行っても最適な接合が行える表面処理金属板材を得ることができる。 According to the surface-treated metal plate material for friction stir welding as the eighth means of the present invention, in addition to the effects of the seventh means, the oxide film is an anodized film, thereby performing friction stir welding. In addition, it is possible to obtain a surface-treated metal plate that can be optimally joined.

本発明の第の手段のとしての摩擦攪拌接合方法によれば、アルミニウム製、アルミニウム合金製、またはマグネシウム合金製の金属板材の表面は酸化皮膜により覆われているので、金属板材の搬送、型取り、切断加工時においても表面が腐食することはない。
また、この酸化皮膜上にプライマを塗布するので、従来のように酸化皮膜を研磨する作業を省略することができる。
更に、熱伝導性の大きい物質の粉末又はりん片を745乾燥重量%混入しているので、プライマの膜の強度を確保できると共に短時間でプライマに摩擦熱を伝達することができる。
このようにして、耐食性、強度の優れた摩擦攪拌接合を行うことができる。
According to the friction stir welding method as the ninth means of the present invention, the surface of the metal plate made of aluminum, aluminum alloy, or magnesium alloy is covered with an oxide film, so The surface does not corrode even during cutting and cutting.
Further, since the primer is applied on the oxide film, the work of polishing the oxide film as in the conventional case can be omitted.
Furthermore, since the mixed powder powder addition Sakhalin piece of thermally conductive material having a high 7-45% by dry weight, can transfer frictional heat to the primary in a short time with the intensity of the primer layer can be ensured .
In this way, friction stir welding with excellent corrosion resistance and strength can be performed.

本発明の第10の手段としての摩擦攪拌接合方法によれば、第の手段の効果に加えて、上記酸化皮膜を陽極酸化皮膜とすることにより、最適な摩擦攪拌接合を行うことができる。 According to the friction stir welding method as the tenth means of the present invention, in addition to the effect of the ninth means, an optimum friction stir welding can be performed by using the oxide film as an anodic oxide film.

本発明の第1112の手段としての摩擦攪拌接合方法によれば、第又は10の手段の効果に加えて、摩擦攪拌接合用工具の回転方向により摩擦攪拌接合部のリトリーティング側に発生する酸化皮膜の残存を解消することができる。 According to the friction stir welding method as the eleventh and twelfth means of the present invention, in addition to the effects of the ninth or tenth means, the friction stir welding tool generates on the retreating side of the friction stir welding part depending on the rotation direction of the friction stir welding tool. The remaining oxide film can be eliminated.

本発明の第13手段としての摩擦攪拌接合方法によれば、第又は10の手段の効果に加えて、更に摩擦攪拌接合の作業時間を短くすることができる According to the friction stir welding method as the thirteenth means of the present invention, in addition to the effects of the ninth or tenth means, the working time of the friction stir welding can be further shortened .

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施の第1形態に係る摩擦攪拌接合法による接合状態を示す斜視図であり、図2は、図1の部分拡大図である。
図3は、本発明の実施の第1形態に係る接合部の詳細断面図である。
図4は、本発明の実施の第1形態に係る接合部の断面の顕微鏡写真を示す図であり、図5は、図4を模式化した説明図である。
図6は、本発明の実施の第1形態に係る構造部材へのプライマ塗布状況を示す斜視図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a joining state by a friction stir welding method according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG.
FIG. 3 is a detailed cross-sectional view of the joint according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a micrograph of a cross section of the joint according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an explanatory view schematically showing FIG.
FIG. 6 is a perspective view showing a primer application state to the structural member according to the first embodiment of the present invention.

図1、図2に示すように、例えば航空機等の高速で航行、運行、移動する移動体におけるスキン(外板)1、ストリンガー(長手方向骨材)2、フレーム(横方向骨材)3等の構造部材は、軽量で強度、耐食性の優れた部材を採用する必要があり、厚さ2〜4mm程度のアルミニウム或いはアルミニウム合金製の金属板材が使用されている。金属板材としてのスキン1は、移動体の外板であり、前後方向に延在する金属板材としてのストリンガー2、及びそれを横切るリング状の金属板材としてのフレーム3により補強されている。
そして、ストリンガー2及びフレーム3は、摩擦攪拌接合用工具10によりスキン1に摩擦攪拌接合される。
なお、図示を省略しているが、スキン1同士も同様にその端部が重ね合わせられて、摩擦攪拌接合される。
As shown in FIGS. 1 and 2, for example, a skin (outer plate) 1, a stringer (longitudinal aggregate) 2, a frame (lateral aggregate) 3, etc. in a moving body that navigates, operates, and moves at high speed such as an aircraft. As the structural member, it is necessary to adopt a member that is lightweight and has excellent strength and corrosion resistance, and a metal plate made of aluminum or aluminum alloy having a thickness of about 2 to 4 mm is used. A skin 1 as a metal plate is an outer plate of a movable body, and is reinforced by a stringer 2 as a metal plate extending in the front-rear direction and a frame 3 as a ring-shaped metal plate across the metal plate.
The stringer 2 and the frame 3 are friction stir welded to the skin 1 by the friction stir welding tool 10.
In addition, although illustration is abbreviate | omitted, the skin 1 is similarly overlap | superposed and the edge part is overlap | superposed and friction stir welding is carried out.

摩擦攪拌接合用工具10は図2に示すように、円柱状の回転子11と、回転子11の回転軸上の先端に突設されたプローブ(ピン)12とで構成され、図示しない駆動装置により高速で回転される。プローブ12は、円柱状または少なくとも先端は円錐状、半球状となっている。
プローブ12の軸方向長さは、摩擦攪拌接合用工具10が接する部材(例えばストリンガー2)の肉厚よりも長く、重ね合わせた二枚の部材(ストリンガー2及びスキン1)の合計の厚さよりも短くなるように設定されている。
また、回転子11の下面には平坦な円盤状のショルダー13が形成されている。
本実施の形態においては、スキン1、ストリンガー2、フレーム3の板厚は約2mmであるので、プローブ12の長さは約3mm、直径は約5mm、ショルダー13の直径は約12mmとしている。なお、この摩擦攪拌接合用工具10の大きさは、摩擦攪拌接合する板厚に応じて適宜選定される。
As shown in FIG. 2, the friction stir welding tool 10 includes a columnar rotor 11 and a probe (pin) 12 projecting from the tip of the rotor 11 on the rotation shaft. Is rotated at high speed. The probe 12 has a cylindrical shape or at least a tip having a conical or hemispherical shape.
The axial length of the probe 12 is longer than the thickness of the member (for example, the stringer 2) with which the friction stir welding tool 10 comes into contact, and more than the total thickness of the two overlapped members (stringer 2 and skin 1). It is set to be shorter.
A flat disc-shaped shoulder 13 is formed on the lower surface of the rotor 11.
In the present embodiment, since the plate thickness of the skin 1, the stringer 2 and the frame 3 is about 2 mm, the length of the probe 12 is about 3 mm, the diameter is about 5 mm, and the diameter of the shoulder 13 is about 12 mm. The size of the friction stir welding tool 10 is appropriately selected according to the thickness of the friction stir welding.

ストリンガー2とスキン1との接合は、図2に示すように、スキン1の上面にストリンガー2(または、フレーム3)を重ね合わせた状態で、回転子11及びプローブ12を高速で時計回りの方向Zに回転させながら、回転子11及びプローブ12を所定の力Yにて押し当ててストリンガー2及びスキン1を摩擦熱により溶融し、プローブ12をストリンガー2及びスキン1内に挿入する。挿入は、回転子11のショルダー13がストリンガー2に当接するまで行う。   As shown in FIG. 2, the stringer 2 and the skin 1 are joined in a clockwise direction with the rotor 11 and the probe 12 at high speed with the stringer 2 (or the frame 3) superimposed on the upper surface of the skin 1. While rotating to Z, the rotor 11 and the probe 12 are pressed with a predetermined force Y to melt the stringer 2 and the skin 1 by frictional heat, and the probe 12 is inserted into the stringer 2 and the skin 1. The insertion is performed until the shoulder 13 of the rotor 11 contacts the stringer 2.

このとき、回転子11を高速で回転させることにより、プローブ12及びショルダー13とストリンガー2との摺動で摩擦熱が発生し、摩擦攪拌接合用工具10の接触近傍のストリンガー2及びスキン1の材料が軟化するともに攪拌及び塑性流動して、空洞の無い摩擦攪拌接合部4が形成される。
その結果、スキン1とストリンガー2とが接合される。
At this time, by rotating the rotor 11 at a high speed, frictional heat is generated by sliding between the probe 12 and the shoulder 13 and the stringer 2, and the material of the stringer 2 and the skin 1 near the contact of the friction stir welding tool 10. Is softened and agitated and plastically flowed to form a friction stir weld 4 having no voids.
As a result, the skin 1 and the stringer 2 are joined.

そして、プローブ12を挿入した状態のままで、ストリンガー2に沿って長手方向Xに向って移動させる。このプローブ12の移動に伴って、進行方向のストリンガー2とスキン1は次々と軟化攪拌され流動化する。軟化流動化したストリンガー2とスキン1は、プローブ12の進行圧力を受けてプローブ12の通過溝を埋めるように進行方向後方へと回り込む。
なお、図2の場合、軟化流動化したものの大部分は、進行方向Xの右側を通過してプローブ12の後方に回り込む。その後、軟化流動化しプローブ12の後方へ回り込んだストリンガー2とスキン1は、摩擦熱を急速に失って冷却固化され摩擦攪拌接合部4が形成される。
Then, the probe 12 is moved in the longitudinal direction X along the stringer 2 with the probe 12 inserted. As the probe 12 moves, the stringer 2 and the skin 1 in the traveling direction are softened and stirred one after another and fluidized. The softened and fluidized stringer 2 and the skin 1 receive the traveling pressure of the probe 12 and wrap around backward in the traveling direction so as to fill the passage groove of the probe 12.
In the case of FIG. 2, most of the softened and fluidized material passes around the right side of the traveling direction X and goes around the probe 12. After that, the stringer 2 and the skin 1 that have been softened and fluidized and circulated to the rear of the probe 12 lose the frictional heat rapidly and are cooled and solidified to form the friction stir joint 4.

また、図1に示すように、本実施の形態においては、摩擦攪拌接合用工具10を進行方向の前後方向に2個連設し、お互いに反対方向に高速回転させるようにしている。このようにお互いに反対方向に高速回転させることにより、左右ムラのない摩擦攪拌接合部4を形成することができる。   Further, as shown in FIG. 1, in the present embodiment, two friction stir welding tools 10 are connected in the front-rear direction of the traveling direction, and are rotated at high speeds in opposite directions. Thus, by rotating at high speed in opposite directions, the friction stir welding part 4 without left and right unevenness can be formed.

なお、必ずしも2個連設する必要はない。1個の摩擦攪拌接合用工具10で接合作業を行う場合は、進行方向Xに移動させた後、同一方向Zに高速回転させながら進行方向Xと逆方向に移動させて、往復させるようにしても良い。
さらには、一度摩擦攪拌接合作業を行った後、摩擦攪拌接合用工具10を反対方向に高速回転させて、同じ場所を再度進行方向Xに移動させて摩擦攪拌接合作業を行うようにしても良い。
Note that it is not always necessary to connect two of them. When performing the joining work with one friction stir welding tool 10, after moving in the traveling direction X, it is moved in the opposite direction to the traveling direction X while rotating at high speed in the same direction Z, and reciprocated. Also good.
Furthermore, after the friction stir welding operation is once performed, the friction stir welding tool 10 may be rotated at a high speed in the opposite direction, and the same place may be moved again in the traveling direction X to perform the friction stir welding operation. .

このようにすることにより、摩擦攪拌接合用工具10の回転方向Zと進行方向Xによって発生するアドバンス側(摩擦攪拌溶接工具の進行方向と回転方向が同じ側)、リトリーティング側(進行方向と回転方向が逆の側)の軟化、流動化、固化の差異、即ちリトリーティング側に陽極酸化皮膜が残存することがなくなり、左右ムラの無い摩擦攪拌接合部4を形成することができる。   By doing in this way, the advance side (the same direction as the direction of the friction stir welding tool and the direction of rotation) generated by the rotational direction Z and the direction of travel X of the friction stir welding tool 10, the retreating side (the direction of travel and rotation) Differences in softening, fluidization, and solidification on the opposite side), that is, no anodized film remains on the retreating side, and the friction stir weld 4 having no left-right unevenness can be formed.

このようにして、スキン1の裏面に全てのストリンガー2を接合した後に、同様の方法でフレーム3もスキン1に接合する。なお、摩擦攪拌接合部4は400〜500℃に加熱されるが、個々の部位において温度が400℃以上を保持している時間は10秒以下と短いため、スキン1、ストリンガー2、フレーム3が熱変形を起こすことは無い。   In this way, after all the stringers 2 are bonded to the back surface of the skin 1, the frame 3 is also bonded to the skin 1 in the same manner. The friction stir welding part 4 is heated to 400 to 500 ° C., but the time during which the temperature is maintained at 400 ° C. or more in each part is as short as 10 seconds or less. Therefore, the skin 1, the stringer 2 and the frame 3 are There is no thermal deformation.

次に、図3に基づき、本発明の実施の第1形態に係るアルミニウム板材の金属板材表面処理方法、摩擦攪拌接合方法に使用される塗料、及び摩擦攪拌接合方法につき詳細に説明する。   Next, based on FIG. 3, the metal plate surface treatment method of the aluminum plate material according to the first embodiment of the present invention, the paint used in the friction stir welding method, and the friction stir welding method will be described in detail.

まず、金属板材としてアルミニウム板材の場合の表面処理について説明する。この金属板材は、一般的な2000系、7000系のアルミニウム板材が使用される。
スキン1、ストリンガー2、フレーム3は厚さ2mmのアルミニウム或いはアルミニウム合金の薄い金属板材を所定の寸法に切断し、折り曲げて作成される。
First, the surface treatment in the case of an aluminum plate as the metal plate will be described. As this metal plate, a general 2000 series or 7000 series aluminum sheet is used.
The skin 1, the stringer 2, and the frame 3 are formed by cutting a thin metal plate material of aluminum or aluminum alloy having a thickness of 2 mm into predetermined dimensions and bending it.

このアルミニウムの薄い金属板材であるスキン1、ストリンガー2(フレーム3)の両表面は、通常、膜厚が1〜5μm程度の陽極酸化処理(アノダイズ)による陽極酸化皮膜(アノダイズ膜、アルミナ層)20で覆われており、衝撃や腐食に強いものとなっている。
なお、化学皮膜処理では耐熱性が低く、摩擦攪拌接合を行うと耐食性が幾分低下するため、陽極酸化皮膜の方が優れている。
陽極酸化皮膜は耐熱温度が高く、摩擦攪拌接合しても、表面に陽極酸化皮膜(アルミナの層)が残存しており、耐食性を有する。
Both surfaces of skin 1 and stringer 2 (frame 3), which are thin metal plates of aluminum, are usually anodized (anodized film, alumina layer) 20 by anodizing (anodized) with a film thickness of about 1 to 5 μm. It is covered with and is strong against impact and corrosion.
In addition, since the heat resistance is low in the chemical film treatment and the corrosion resistance is somewhat lowered when the friction stir welding is performed, the anodic oxide film is superior.
The anodic oxide film has a high heat resistance temperature, and even after friction stir welding, the anodic oxide film (alumina layer) remains on the surface and has corrosion resistance.

このように陽極酸化皮膜20を残すことにより、後記するプライマ等の塗装皮膜の密着性を上げることができると共に、表面が腐食することなく金属板材の搬送、加工等が行われる。
なお、この陽極酸化皮膜20を研磨しない場合、陽極酸化皮膜が摩擦攪拌接合部4に残存し強度が低下するので、従来の摩擦攪拌接合方法では、金属板材の表面を研磨しアルミニウムの地肌が出た状態で接合されるが、本実施の形態では、陽極酸化皮膜20は研磨しない。
By leaving the anodic oxide film 20 in this way, the adhesion of a coating film such as a primer, which will be described later, can be improved, and the metal plate material can be conveyed and processed without corroding the surface.
If the anodic oxide film 20 is not polished, the anodic oxide film remains in the friction stir welding portion 4 and the strength is lowered. Therefore, in the conventional friction stir welding method, the surface of the metal plate material is polished to produce an aluminum background. In this embodiment, the anodized film 20 is not polished.

また、金属板材としては、アルミニウムに限定されるものではなく、アルミニウム合金、マグネシウム合金等が採用可能である。
また、酸化皮膜としては、陽極酸化皮膜が最適であるが、これに限らず化学皮膜処理したものでも採用可能である。
Moreover, as a metal plate material, it is not limited to aluminum, An aluminum alloy, a magnesium alloy, etc. are employable.
The oxide film is optimally an anodic oxide film, but is not limited to this, and a chemical film treated film can also be used.

そして、上記の陽極酸化皮膜20の表面に、金属板材の素地と上塗り塗料との密着性を向上させるために、下地塗料として、特に摩擦攪拌接合を行う箇所に熱伝導性の良い粉末又はりん片を混入したプライマを塗布する。
なお、従来の摩擦攪拌接合による重ね合わせ接合部においては、接合部にプライマ等の防錆処理を行うと、プライマ摩擦攪拌接合部4内に取り込まれ、それが原因で接合部の強度が劣化するため、表面にプライマ等を塗らずに摩擦攪拌接合を行っていた。
即ち、熱伝導性の良い粉末又はりん片が混入されていない従来のプライマは、樹脂であるため熱伝導が悪く摩擦攪拌接合による短時間の加熱では溶融しない。
そのため、樹脂が接合部に巻き込まれて接合部に残存し、欠陥となり、強度低下を引き起こしていた。
Then, the surface of the anodized film 20, in order to improve the adhesion between the base material and top coating of metal plate, as a base coating, with a good thermal conductivity powder powder or in locations particularly performing friction stir welding Apply primer mixed with flakes .
Note that, in a conventional overlap joint by friction stir welding, if the joint is subjected to a rust preventive treatment such as a primer, it is taken into the primer friction stir joint 4 and the strength of the joint deteriorates due to this. Therefore, friction stir welding was performed without applying a primer or the like to the surface.
That is, the conventional primers good thermal conductivity powder powder addition Sakhalin piece is not mixed is not melted in a short heating by heat conduction is poor friction stir welding for a resin.
For this reason, the resin is caught in the joint and remains in the joint, resulting in a defect and a reduction in strength.

本実施の形態では、プライマ等の樹脂を短時間の加熱で溶融させるため、樹脂に混入しても問題なく且つ熱伝導の良いアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム合金、カーボン等の微粉末又はりん片をプライマに混合する。
混入する微粉末又はりん片は、アルミニウムが最適であるが、腐食しないカーボンも適正である。
In this embodiment, since a resin such as a primer is melted by heating in a short time, fine powders of aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, magnesium alloy, carbon, etc. that have no problem even if mixed into the resin and have good thermal conductivity end the mixing Sakhalin pieces primer.
Fine powder The Sakhalin pieces mixed is aluminum is optimal, carbon does not corrode also appropriate.

この熱伝導の良いアルミニウム等の微粉末又はりん片を、プライマ(エポキシ樹脂、溶剤、硬化剤等を含む)に5〜30重量%の割合で混入する。
5%より少ないと摩擦熱の伝導量が少なくなり樹脂の溶融が充分に行われない。また、30%より多くすると樹脂の量が少なくなるため、防錆効果が低下するとともに塗膜に割れが生じるなど、金属板材の重ね合わせ部分の隙間を充分に充填することができなくなる。
更に、プライマが乾燥した時にその塗装膜の強度が低下する。
The fine powder addition Sakhalin piece of good aluminum or the like having the heat conductivity, mixed in a proportion of 5 to 30 wt% in the primer (epoxy containing resin, solvent, curing agent, etc.).
If it is less than 5%, the amount of conduction of frictional heat is reduced and the resin is not sufficiently melted. On the other hand, if the amount is more than 30%, the amount of the resin is reduced, so that the rust prevention effect is lowered and the coating film is cracked.
Furthermore, when the primer dries, the strength of the coating film decreases.

プライマに混入するアルミニウム等の粉末又はりん片外径は、プライマが乾燥した時の塗膜厚が20〜30μmであるため、粉末又はりん片が表面に露出しないように、10μm以下とするのが望ましい。
乾燥塗膜厚以上とすると、プライマの乾燥後の塗膜の表面がなめらかにならず、二枚の金属板材を重ね合わせたときに隙間が大きくなり摩擦攪拌接合が充分に行われなくなる可能性がある。
The outer diameter of aluminum or other powder or flakes mixed in the primer is 10 μm or less so that the coating thickness when the primer is dried is 20-30 μm, so that the powder or flakes are not exposed on the surface. Is desirable.
If the thickness is more than the dry coating thickness, the surface of the coating after drying the primer will not be smooth, and there is a possibility that the gap will become large when two metal sheets are overlapped and friction stir welding will not be performed sufficiently. is there.

このプライマの樹脂としては、短時間の加熱で溶融するエポキシ樹脂が最適であるが、エポキシ樹脂以外としては、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂も採用可能である。また、硬化剤としては、ポリアミド樹脂または変質ポリアミン樹脂が使用される。そして、エポキシ樹脂と、ポリアミド樹脂または変質ポリアミン樹脂の硬化剤からなる二液形のプライマは、塗布後、常温乾燥で硬化する。
なお、粉末又はりん片入りプライマ塗布層22に換えて、熱伝導性の良い粉末又はりん片入り接着剤を接合部に塗布するようにしても良い。この接着剤は接合時の熱で軟化して、接合時に摩擦攪拌接合部4から外部に排除されるものが使用できる。
As the resin for the primer, an epoxy resin that melts by heating in a short time is optimal, but a urethane resin, a polyester resin, and a phenol resin can also be adopted as other than the epoxy resin. As the curing agent, a polyamide resin or a modified polyamine resin is used. And the two-component primer which consists of a hardening | curing agent of an epoxy resin and a polyamide resin or a modified polyamine resin hardens | cures by normal temperature drying after application | coating.
Incidentally, in place of the powdered late addition Sakhalin piece input Ri primer coating layer 22, a good thermal conductivity powder powder addition Sakhalin piece input Ri adhesive may be applied to the joint. This adhesive can be used that is softened by heat at the time of joining and is excluded from the friction stir weld 4 at the time of joining.

そして、スキン1の内表面のストリンガー2(又はフレーム3)と対峙する部分には、上述のアルミニウム等の微粉末又はりん片が混入されたプライマが塗布されて膜厚が20〜30μm程度の粉末又はりん片入り塗布層22が形成されている。
スキン1の上記以外の部分には、摩擦攪拌接合時の軟化を防ぎ、裏当て材14との溶着を防ぐために、微粉末又はりん片が混入されていない通常のプライマが塗布されて膜厚が10μm程度のプライマ塗布層21が形成されている。
Then, portions facing the stringer 2 of the surface of the skin 1 (or frame 3), the above-mentioned film thickness primers fine powder also Sakhalin pieces are mixed is applied such as aluminum is about 20~30μm powder powder the Sakhalin piece input Ri coating layer 22 is formed.
The portion other than the above-mentioned skin 1 prevent softening during friction stir welding, in order to prevent welding of the backing member 14, the usual primer fine powder also Sakhalin piece is not mixed is coated thickness A primer coating layer 21 having a thickness of about 10 μm is formed.

ストリンガー2(又はフレーム3)の内外表面にも、膜厚が0.5〜5μm程度の陽極酸化皮膜20が形成されている。
そして、ストリンガー2のスキン1と対峙する部分には、上述のアルミニウム等の微粉末又はりん片が混入されたプライマが塗布されて膜厚が10μm程度の粉末又はりん片入り塗布層22が形成されている。
また、ストリンガー2において、摩擦攪拌接合時に、プローブ12及び摩擦攪拌接合用工具10のショルダー13が接する部分には、プライマは塗布しない。
ストリンガー2の上記以外の部分には、摩擦攪拌接合時の軟化を防ぎ押当て材15と溶着を防ぐために、微粉末又はりん片が混入されていない通常のプライマが塗布されて、膜厚が20〜30μm程度のプライマ塗布層21が形成されている。
なお、粉末又はりん片入りプライマは、スキン1及びストリンガー2の対峙する両面に塗布した方が望ましい。
An anodized film 20 having a thickness of about 0.5 to 5 μm is also formed on the inner and outer surfaces of the stringer 2 (or the frame 3).
Then, portions facing the skin 1 of the stringer 2, the fine powder also thickness primers Sakhalin piece is mixed is applied the end flour of about 10μm The Sakhalin piece input Ri coating layer of aluminum or the like described above 22 is formed.
In the stringer 2, the primer is not applied to the portion where the probe 12 and the shoulder 13 of the friction stir welding tool 10 are in contact during the friction stir welding.
The portion other than the above stringer 2, in order to prevent Pushing material 15 and welded to prevent softening during the friction stir welding, with conventional primers fine powder also Sakhalin piece is not mixed is applied, the thickness A primer coating layer 21 having a thickness of about 20 to 30 μm is formed.
Incidentally, flour powder addition Sakhalin piece input Ri primer, it is desirable that was applied to both surfaces facing the skin 1 and stringer 2.

上述のごとく陽極酸化皮膜20、プライマ塗布層21、粉末又はりん片入りプライマ塗布層22が形成されたスキン1及びストリンガー2を重ね合わせ、裏当て材14上に載置する。
そして、押当て材15にてストリンガー2を押圧し、スキン1とストリンガー2とを密着させる。
その後、摩擦攪拌接合用工具10をストリンガー2上から押し当てて高速で回転させ、ストリンガー2及びスキン1を溶融しながら、摩擦攪拌接合用工具10を、接合線に沿ってストリンガー2上を移動させる。
この時、摩擦攪拌接合を行っている部分は400〜500℃に加熱されるが、個々の部位において温度が400℃以上を保持している時間は10秒以下と短く、摩擦攪拌接合用工具10の移動に伴い、摩擦攪拌接合部4すぐに冷却、固化される。
Anodized film 20 as described above, the primer coating layer 21, superimposed powder powder addition Sakhalin piece skin 1 and stringer 2 where entrance Ri primer coating layer 22 is formed, is placed on the backing member 14.
Then, the stringer 2 is pressed with the pressing member 15 to bring the skin 1 and the stringer 2 into close contact with each other.
Thereafter, the friction stir welding tool 10 is pressed from above the stringer 2 and rotated at a high speed, and the friction stir welding tool 10 is moved on the stringer 2 along the joining line while melting the stringer 2 and the skin 1. .
At this time, the portion where the friction stir welding is performed is heated to 400 to 500 ° C., but the time during which the temperature is maintained at 400 ° C. or higher in each part is as short as 10 seconds or less. With the movement, the friction stir weld 4 is immediately cooled and solidified.

なお、微粉末又はりん片が混入されていないプライマ塗布層21の一部も500℃に加熱されており、加熱時間が長い場合炭化するが、本実施の形態では個々の部位において温度が400℃以上を保持している時間は10秒以下のため、溶融、流動するに留まり炭化には至らない。
このようにして、スキン1とストリンガー2とは溶融し接合される。
A part of the primer coating layer 21 fine powder also Sakhalin piece is not mixed well and heated to 500 ° C., the heating time is carbonized is longer, the temperature in the individual sites in this embodiment is 400 Since the time for maintaining the temperature at 10 ° C. or higher is 10 seconds or shorter, it melts and flows but does not cause carbonization.
In this way, the skin 1 and the stringer 2 are melted and joined.

これにより接合された部分の断面の顕微鏡写真を図4に示す。また、図5は、図4の顕微鏡写真を模式図にすると共に、その左右部周辺を追加した図面である。
この図4、5は、本実施の形態の摩擦攪拌接合方法により製造された航空機等の外板を分析しても、同様の形状となる。
なお、図5の右側の部分は、摩擦攪拌用工具10を1個のみ使用して、1回のみ摩擦攪拌溶接を行ったときのアドバンス側を図示したものである。
摩擦攪拌接合用工具10の回転方向を換えて再度攪拌接合した場合、同じ回転方向で往復した場合、摩擦攪拌接合用工具10を2個並べて攪拌接合した場合は、図5の右側も左側と同様の形状となる。
A photomicrograph of the cross section of the joined portion is shown in FIG. FIG. 5 is a schematic view of the micrograph of FIG.
4 and 5 are similar in shape even when an outer plate of an aircraft or the like manufactured by the friction stir welding method of the present embodiment is analyzed.
The right part of FIG. 5 illustrates the advance side when only one friction stir tool 10 is used and friction stir welding is performed only once.
When the friction stir welding tool 10 is changed in the rotation direction and stirred again, when reciprocating in the same rotation direction, when two friction stir welding tools 10 are lined up and stirred, the right side of FIG. 5 is the same as the left side. It becomes the shape of.

図5に示すように、摩擦攪拌接合部4のアドバンス側(図5の左側)には、プライマ、陽極酸化皮膜は残留していない。
そして、陽極酸化皮膜は合金化しないが、摩擦攪拌接合部4内に分散される。
一方、摩擦攪拌接合部4のリトリーティング側(図5の右側)においては、陽極酸化したものは接合しにくいため、陽極酸化皮膜残存層5がスキン1とストリンガー2との重ね合わせ部付近に残留している。
この陽極酸化皮膜残存層5は、上述のごとく、摩擦攪拌接合用工具10を進行方向の前後方向に2個連設してお互いに反対方向に高速回転させるか、1個の摩擦攪拌接合用工具10で同一方向に高速回転させながら往復させるか、一度摩擦攪拌接合作業を行った後摩擦攪拌接合用工具10を反対方向に高速回転させて同じ場所を再度摩擦攪拌接合するかによって、消去される。
このようにして、摩擦攪拌接合部4の接合強度は確保される。
As shown in FIG. 5, no primer or anodized film remains on the advance side (the left side in FIG. 5) of the friction stir welding portion 4.
The anodic oxide film is not alloyed but is dispersed in the friction stir weld 4.
On the other hand, on the retreating side (the right side in FIG. 5) of the friction stir welding portion 4, since the anodized material is difficult to join, the remaining anodic oxide film layer 5 remains in the vicinity of the overlapping portion of the skin 1 and the stringer 2. is doing.
As described above, the anodized film remaining layer 5 is formed by connecting two friction stir welding tools 10 in the front-rear direction of the advancing direction and rotating them at high speed in opposite directions, or by one friction stir welding tool. 10 is reciprocated while rotating at high speed in the same direction, or once the friction stir welding operation is performed, the friction stir welding tool 10 is rotated at high speed in the opposite direction and the same place is friction stir welded again. .
In this way, the bonding strength of the friction stir welding portion 4 is ensured.

なお、比較例として従来のものの接合状況を図9、図10に示す。
図に示すように、プライマにアルミニウム等の粉末を混入しないで摩擦攪拌接合を行った場合、接合部60内には大きな欠間62が多数発生するとともに、接合部60の周囲には大きな隙間の残存プライマ61層が残存されている
As a comparative example, the joining state of a conventional one is shown in FIGS.
As shown in the figure, when the friction stir welding is performed without mixing the powder of aluminum or the like into the primer, a large number of large gaps 62 are generated in the joint 60, and a large gap is formed around the joint 60. 61 layers of remaining primer remain

また、摩擦攪拌接合部4のアドバンス側の境界の接合部隣辺6には、幅が3〜5mm程度の非常に薄い層が形成されている。
接合部隣辺6においては、プライマは殆ど排出され、陽極酸化皮膜20(図5では図示を省略)のみが残留している。
In addition, a very thin layer having a width of about 3 to 5 mm is formed on the adjacent side 6 of the boundary on the advance side of the friction stir weld 4.
At the joint adjacent side 6, most of the primer is discharged, and only the anodic oxide film 20 (not shown in FIG. 5) remains.

この接合部隣辺6の更に外側の境界の接合部周辺7(図5においてこの部分は誇張して図示)には、スキン1及びストリンガー2の表面に陽極酸化皮膜20とプライマ塗布層21(部分的には、粉末又はりん片入りプライマ塗布層22)が予め塗布、形成されている。 In the vicinity of the joint 7 at the boundary of the outer side of the joint adjacent side 6 (this part is exaggerated in FIG. 5), the anodized film 20 and the primer coating layer 21 (parts) are formed on the surfaces of the skin 1 and the stringer 2. specifically, the primer coating layer 22 Ri oN flour powder addition Sakhalin piece) is previously applied, is formed.

そして、摩擦攪拌接合部4に塗布され乾燥していた粉末又はりん片入りプライマ塗布層22は、摩擦攪拌接合時に摩擦熱により軟化点を越えて溶融し、流出して、流出プライマ23となり、接合部周辺7のスキン1及びストリンガー2のプライマ塗布層21と溶融し一体化する。なお、この一体化したプライマ塗布層21及び流出プライマ23には、アルミニウム等の粉末又はりん片が残留している。 The primer coating layer 22 flour powder was applied to the friction stir joining portion 4 Drying The Sakhalin piece input Ri is beyond the softening point was melted by frictional heat during the friction stir welding, and flows out the outflow primer 23 Thus, the skin 1 around the joint portion 7 and the primer coating layer 21 of the stringer 2 are melted and integrated. Note that the primer coating layer 21 and the outflow primer 23 that this integrated flour powder also Sakhalin pieces such as aluminum remaining.

なお、摩擦攪拌接合部4は400〜500℃に加熱されるが、個々の部位において温度が400℃以上を保持している時間は10秒以下と短いため、接合部周辺7の熱伝導の悪い通常のプライマ塗布層21は溶融しない。   In addition, although the friction stir welding part 4 is heated to 400-500 degreeC, since the time which temperature hold | maintains 400 degreeC or more in each site | part is as short as 10 seconds or less, the heat conduction of the junction periphery 7 is bad. The normal primer coating layer 21 does not melt.

さらに、この流出プライマ23の一部は、スキン1とストリンガー2との重ね合わせ端部から突き出して固化する。   Further, a part of the outflow primer 23 protrudes from the overlapping end portion of the skin 1 and the stringer 2 and is solidified.

従来のように、アルミニウム表面をきれいに研磨し重ね合わせて摩擦攪拌接合した場合は、摩擦攪拌接合部以外の重ね合わせ部には隙間が残っており、接合後にプライマを塗布しても、重ね合わせ部の隙間を完全に埋めることはできない。
そして、毛管現象等により水分が侵入しアルミニウムが腐食する。
これに対し、本実施の形態では、スキン1とストリンガー2との重ね合わせ部の隙間は、摩擦攪拌接合部4から溶融、流出した流出プライマ23により埋められるので、その隙間が残らなくなり、水密性が確保され水分が浸入することがなくなり、接合面を保護することができる。
When the aluminum surface is polished and overlapped and friction stir welded as in the past, a gap remains in the overlapped portion other than the friction stir welded portion, and even if a primer is applied after joining, the overlapped portion The gap cannot be completely filled.
Then, moisture penetrates due to capillary action and the aluminum corrodes.
On the other hand, in the present embodiment, the gap in the overlapping portion of the skin 1 and the stringer 2 is filled with the outflow primer 23 that has melted and flowed out from the friction stir welding portion 4, so that the gap does not remain, and the watertightness Is ensured and moisture does not enter, and the joint surface can be protected.

次に、図6につき、航空機等の製造過程において製造される外表面材の一部をなすスキン1につき説明する。
厚さ2mmのアルミニウム或いはアルミニウム合金の薄い金属板材を、図6に示すように所定の寸法に切断、折り曲げてスキン(外板)1が作成される。なお、陽極酸化皮膜20は予め形成されている。
スキン1の内表面の、ストリンガー2及びフレーム3を接合する部分には、熱伝導性の高い粉末又はりん片入りプライマが塗布されて、格子状の粉末又はりん片入りプライマ塗布層22aが形成されている。なお、乾燥したプライマには、アルミニウム等の熱伝導性の高い粉末又はりん片が7〜45%の割合で混入されている。
更に、スキン1の内表面のその他の箇所には粉末又はりん片が混入されていないプライマが塗布されて、プライマ塗布層21が形成されている。
Next, with reference to FIG. 6, a skin 1 forming a part of an outer surface material manufactured in the manufacturing process of an aircraft or the like will be described.
A thin metal plate made of aluminum or aluminum alloy having a thickness of 2 mm is cut and bent into a predetermined dimension as shown in FIG. The anodic oxide film 20 is formed in advance.
The inner surface of the skin 1, the portion for joining the stringer 2 and frame 3, high flour powder addition Sakhalin piece input Ri primer thermal conductivity is applied, the grid-like powder powder addition Sakhalin piece ON Ri primer A coating layer 22a is formed. The dried primer is mixed with 7-45% of a powder having high thermal conductivity such as aluminum or a flake.
Furthermore, the other portions of the inner surface of the skin 1 primer powder powder addition Sakhalin piece is not mixed is applied, the primer coating layer 21 is formed.

なお、スキン1の端部を重ね合わせ接合して航空機等の機体を製造する場合には、スキン1同士も摩擦攪拌接合されるため、スキン1の一方の端部の外表面にも、熱伝導性の高い粉末又はりん片入りプライマが塗布されて、粉末又はりん片入りプライマ塗布層22bが形成されている。 In the case of manufacturing an aircraft body such as an aircraft by superposing and joining the end portions of the skin 1, the skins 1 are also friction stir welded to each other, so that heat conduction is also applied to the outer surface of one end portion of the skin 1. and sexual high powder powder addition Sakhalin piece input Ri primer is applied, flour powder addition Sakhalin piece input Ri primer coating layer 22b is formed.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to said embodiment, A various change may be added to the specific structure within the scope of the present invention. .

本発明の実施の第1形態に係る摩擦攪拌接合法による接合状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the joining state by the friction stir welding method which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 本発明の実施の第1形態に係る接合前の詳細断面図である。It is detail sectional drawing before joining which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の実施の第1形態に係る接合部の断面の顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the microscope picture of the cross section of the junction part which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図4を模式化した説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing FIG. 4. 本発明の実施の第1形態に係るスキンへのプライマ塗布状況を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the primer application condition to the skin which concerns on 1st Embodiment of this invention. (A)は従来のものの溶接前の重ね合わせ接合部を示す断面図、(B)は溶接後の重ね合わせ接合部を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows the overlap joint part before welding of a conventional thing, (B) is sectional drawing which shows the overlap joint part after welding. 従来の溶接前に重なり合う加工物間に導入される耐食性材料の層がある重ね合わせ接合部の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a lap joint where there is a layer of corrosion resistant material introduced between the workpieces that overlap prior to conventional welding. 従来のプライマを塗布後に接合した時の接合部の断面の顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the microscope picture of the cross section of the junction part when joining after applying the conventional primer. 図9を模式化した説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram schematically showing FIG. 9.

符号の説明Explanation of symbols

1 スキン(外板)
2 ストリンガー(長手方向骨材)
3 フレーム(横方向骨材)
4 摩擦攪拌接合部
5 陽極酸化皮膜残存層
6 接合部隣辺
7 接合部周辺
10 摩擦攪拌接合用工具
11 回転子
12 プローブ
13 ショルダー
14 裏当て材
15 押当て材
20 陽極酸化皮膜
21 プライマ塗布層
22 粉末又はりん片入りプライマ塗布層
22a 粉末又はりん片入りプライマ塗布層(裏面)
22b 粉末又はりん片入りプライマ塗布層(表面)
23 流出プライマ
50 加工物
51 加工物
52 重ね合わせ接合部
53 耐食性材料のストリップ
54 外面
55 溶接ゾーン(摩擦攪拌接合部)
56 耐食性材料の層
57 耐食性ゾーン
60 接合部
61 残存プライマ
62 欠間
1 Skin (outer plate)
2 Stringer (longitudinal aggregate)
3 frame (lateral aggregate)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 Friction stir welding part 5 Anodic oxide film residual layer 6 Joining part adjacent side 7 Joining part periphery 10 Friction stir welding tool 11 Rotor 12 Probe 13 Shoulder 14 Backing material 15 Pushing material 20 Anodic oxidation film 21 Primer coating layer 22 powder powder The Sakhalin piece input Ri primer coating layer 22a powder The Sakhalin piece input Ri primer coating layer (back surface)
22b Powder The Sakhalin piece input Ri primer coating layer (surface)
23 Outflow primer 50 Work piece 51 Work piece 52 Overlap joint 53 Strip of corrosion resistant material 54 Outer surface 55 Weld zone (friction stir joint)
56 Corrosion Resistant Material Layer 57 Corrosion Resistant Zone 60 Joint 61 Remaining Primer 62 Notch

Claims (13)

表面に酸化皮膜が形成されたアルミニウム製、アルミニウム合金製、またはマグネシウム合金製のいずれかの金属板材に
樹脂、硬化剤、溶剤を含むプライマを塗布するに当たり、
アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金又はカーボンのいずれかの粉末又はりん片を、乾燥したプライマにおける前記粉末又はりん片の乾燥重量が7〜45%になるように上記プライマに5〜30重量%混入したことを特徴とする摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法。
On the metal plate material made of aluminum, aluminum alloy, or magnesium alloy with an oxide film formed on the surface ,
In applying a primer containing resin, curing agent and solvent ,
Aluminum, aluminum alloys, magnesium, either a powder or flake of the magnesium alloy or carbon, so that the dry weight of the powder or flaky in dry primer is 7-45%, 5-30 wt above primer %. A surface treatment method for a metal plate material for friction stir welding, characterized in that the composition is mixed.
上記酸化皮膜は陽極酸化皮膜であることを特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法。 2. The surface treatment method for a metal plate material for friction stir welding according to claim 1, wherein the oxide film is an anodized film. 上記粉末又はりん片外径は、10μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法。 The surface treatment method for a metal plate material for friction stir welding according to claim 1 or 2, wherein the powder or the flake has an outer diameter of 10 µm or less. 上記プライマは、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法。 4. The surface treatment method for a metal plate material for friction stir welding according to claim 1, wherein the primer is an epoxy resin. 上記プライマは、エポキシ樹脂と、ポリアミド樹脂または変質ポリアミン樹脂の硬化剤からなる二液形の常温乾燥で硬化することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法。 The metal for friction stir welding according to any one of claims 1 to 4, wherein the primer is cured by a two-component room temperature drying comprising an epoxy resin and a curing agent of a polyamide resin or a modified polyamine resin. Surface treatment method for plate material. 上記粉末又はりん片を混入したプライマと上記粉末又はりん片を混入しないプライマとを塗り分けることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の摩擦攪拌接合用の金属板材の表面処理方法。 The surface treatment method for a metal plate material for friction stir welding according to any one of claims 1 to 5, wherein the primer mixed with the powder or the flakes and the primer not mixed with the powder or the flakes are separately applied. . アルミニウム製、アルミニウム合金製、またはマグネシウム合金製の金属板材と、該金属板材の表面に形成された酸化皮膜と、該酸化皮膜の表面に塗布されアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金又はカーボンのいずれかの粉末又はりん片が7〜45乾燥重量%混入された粉末又はりん片入りプライマ層と、上記酸化皮膜の表面に塗布され上記粉末又はりん片が混入されていないプライマ層とを備え、上記粉末又はりん片入りプライマ層と上記粉末又はりん片が混入されていないプライマ層とが塗り分けられていることを特徴とする摩擦攪拌接合用の表面処理金属板材。 Metal plate material made of aluminum, aluminum alloy, or magnesium alloy, oxide film formed on the surface of the metal plate material, and any of aluminum, aluminum alloy, magnesium, magnesium alloy or carbon coated on the surface of the oxide film A powder layer containing 7 to 45% by dry weight of powder or flakes or a primer layer containing flakes, and a primer layer coated on the surface of the oxide film and not mixed with the powder or flakes, A surface-treated metal sheet for friction stir welding, wherein a primer layer containing powder or flakes and a primer layer not mixed with the powder or flakes are separately coated. 上記酸化皮膜は陽極酸化皮膜であることを特徴とする請求項7に記載の摩擦攪拌接合用の表面処理金属板材。 The surface-treated metal sheet for friction stir welding according to claim 7, wherein the oxide film is an anodized film. 請求項7に記載の摩擦攪拌接合用の表面処理金属板材を重ね合わせ、回転する摩擦攪拌接合用工具を押し当てて重ね合わせられた上記表面処理金属板材を接合し、上記摩擦攪拌接合用工具を接合部分に沿って前進させて摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 The surface-treated metal plate material for friction stir welding according to claim 7 is overlaid, the rotating friction stir welding tool is pressed against each other, the overlaid surface-treated metal plate material is joined, and the friction stir welding tool is A friction stir welding method, wherein the friction stir welding is performed by advancing along the joining portion. 上記酸化皮膜は陽極酸化皮膜であることを特徴とする請求項9に記載の摩擦攪拌接合方法
The friction stir welding method according to claim 9, wherein the oxide film is an anodized film.
上記摩擦攪拌接合用工具を接合部分に沿って前進させた後、上記摩擦攪拌接合用工具を上記接合部分に沿って後進させることを特徴とする請求項9又は10に記載の摩擦攪拌接合方法。 The friction stir welding method according to claim 9 or 10, wherein the friction stir welding tool is moved forward along the joining portion after the friction stir welding tool is advanced along the joining portion. 上記摩擦攪拌接合用工具を接合部分に沿って前進させた後、上記摩擦攪拌接合用工具の回転方向を逆転させて、再度上記接合部分に沿って前進させることを特徴とする請求項9又は10に記載の摩擦攪拌接合方法。 11. The friction stir welding tool is advanced along the joining portion, and then the direction of rotation of the friction stir welding tool is reversed and advanced again along the joining portion. The friction stir welding method described in 1. 互いに逆転する摩擦攪拌接合用工具を2個用いて接合部分に沿って前進させることを特徴とする請求項9又は10に記載の摩擦攪拌接合方法。 The friction stir welding method according to claim 9 or 10, wherein two friction stir welding tools that are reverse to each other are used to advance along the joining portion.
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