(57)【要約】【課題】  アルミニウム等を摩擦攪拌接合法により重ね合わせ接合する場合、接合後に接合部に水分が浸入して腐食することがないようにする摩擦攪拌接合用の金属板材表面処理方法を提供する。【解決手段】  重ね合わせ摩擦攪拌接合を行うアルミニウム板材において、アルミニウム板材の表面に形成されている陽極酸化皮膜を除去することなく、この陽極酸化皮膜上に熱伝導性の高いアルミニウム等の粉末状又はりん片状を混入したプライマを塗布する。このようにして表面処理されたアルミニウムを重ね合わせて摩擦攪拌接合すると、プライマは摩擦熱により溶融流出して、重ね合わせ部の隙間を埋めるので、水分が侵入することがなくなる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に酸化皮膜が形成された金属板材に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状又はりん片状を上記プライマに５〜３０重量％混入したことを特徴とする摩擦攪拌接合による重ね合わせ接合用金属表面処理方法。
【請求項２】
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ことを特徴とする請求項１記載の金属表面処理方法。
【請求項３】
上記プライマよりも熱伝導性の大きい物質の粉末状又はりん片状は、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状又はりん片状であることを特徴とする請求項１又は２記載の金属表面処理方法。
【請求項４】
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乃至３記載の金属表面処理方法。
【請求項５】
上記粉末状又はりん片状の外径は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４記載の金属表面処理方法。
【請求項６】
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５記載の金属表面処理方法。
【請求項７】
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あることを特徴とする請求項１乃至６記載の金属表面処理方法。
【請求項８】
上記粉末状又はりん片状を混入したプライマと上記粉末状又はりん片状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７記載の金属表面処理方法。
【請求項９】
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状又はりん片状が７〜４５重量％混入された粉末状又はりん片状入りプライマ層と、上記酸化皮膜の表面に塗布され上記粉末状又はりん片状が混入されていないプライマ層とを備え、上記粉末状又はりん片状入りプライマ層と上記粉末状又はりん片状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。
【請求項１０】
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記載の摩擦攪拌接合用の表面処理金属板材。
【請求項１１】
プライマ用塗料に、外径が１０μｍ以下のアルミニウム、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状又はりん片状を、５〜３０重量％混入したことを特徴とする摩擦攪拌接合用塗料。
【請求項１２】
上記摩擦攪拌接合用塗料は、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金属板材に塗布するものであることを特徴とする請求項１１記載の摩擦攪拌接合用塗料。
【請求項１３】
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、又はマグネシウム合金製の金属板材の表面に、該酸化皮膜上にアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウムのいずれかの粉末状又はりん片状を５〜３０重量％混入したプライマを塗布し、該プライマを乾燥させた後、上記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。
【請求項１４】
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１３記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１５】
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１３又は１４記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１６】
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１３又は１４記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１７】
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１３又は１４記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１８】
金属板材を重ね合わせ接合して製造された移動体において、重ね合わされた部分は、摩擦攪拌接合により接合された摩擦攪拌接合部分と、該摩擦攪拌接合部の周囲に形成され実質的に酸化皮膜のみが形成された部分と、該酸化皮膜のみが形成された部分の外周に形成され酸化皮膜及びプライマ層よりなる部分とよりなることを特徴とする摩擦攪拌接合により製造された移動体。
【請求項１９】
上記金属板材は、アルミニウム、アルミニウム合金、またはマグネシウム合金のいずれかの金属板材であることを特徴とする請求項１８記載の移動体。
【請求項２０】
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１８又は１９記載の移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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金属板材表面処理方法、表面処理金属板材、摩擦攪拌接合用塗料、摩擦攪拌接合方法、及び製造された移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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）
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−６１６６４号公報（段落〔００２７〕、〔００２８〕、図８、図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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、摩擦攪拌接合用塗料、摩擦攪拌接合方法、及びこれらの材料、方法により製造された移動体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、摩擦攪拌接合による重ね合わせ接合用金属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状又はりん片状を上記プライマに５〜３０重量％混入したことを特徴としている。
【００１３】
本発明の第２の手段は、上記第１の手段の金属表面処理方法において、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ことを特徴としている。
【００１４】
本発明の第３の手段は、上記第１又は２の手段の金属表面処理方法において、上記プライマよりも熱伝導性の大きい物質の粉末状又はりん片状は、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状又はりん片状であることを特徴としている。
【００１５】
本発明の第４の手段は、上記第１乃至３の手段の金属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。
【００１６】
本発明の第５の手段は、上記第１乃至４の手段の金属表面処理方法において、上記粉末状又はりん片状の外径は、１０μｍ以下であることを特徴としている。
【００１７】
本発明の第６の手段は、上記第１乃至５の手段の金属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。
【００１８】
本発明の第７の手段は、上記第１乃至６の手段の金属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。
【００１９】
本発明の第８の手段は、上記第１乃至７の手段の金属表面処理方法において、上記粉末状又はりん片状を混入したプライマと上記粉末状又はりん片状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。
【００２０】
本発明の第９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状又はりん片状が７〜４５重量％混入された粉末状又はりん片状入りプライマ層と、上記酸化皮膜の表面に塗布され上記粉末状又はりん片状が混入されていないプライマ層とを備え、上記粉末状又はりん片状入りプライマ層と上記粉末状又はりん片状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。
【００２１】
本発明の第１０の手段は、上記第９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。
【００２２】
本発明の第１１の手段は、摩擦攪拌接合用塗料において、プライマ用塗料に、外径が１０μｍ以下のアルミニウム、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状又はりん片状を、５〜３０重量％混入したことを特徴としている。
【００２３】
本発明の第１２の手段は、上記第１１の手段の摩擦攪拌接合用塗料において、上記摩擦攪拌接合用塗料は、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金属板材に塗布するものであることを特徴としている。
【００２４】
本発明の第１３の手段は、摩擦攪拌接合方法において、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、又はマグネシウム合金製の金属板材の表面に、該酸化皮膜上にアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウムのいずれかの粉末状又はりん片状を５〜３０重量％混入したプライマを塗布し、該プライマを乾燥させた後、上記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。
【００２５】
本発明の第１４の手段は、上記第１３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。
【００２６】
本発明の第１５の手段は、上記第１３又は１４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。
【００２７】
本発明の第１６の手段は、上記第１３又は１４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。
【００２８】
本発明の第１７の手段は、上記第１３又は１４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。
【００２９】
本発明の第１８の手段は、金属板材を重ね合わせ接合して製造された移動体において、重ね合わされた部分は、摩擦攪拌接合により接合された摩擦攪拌接合部分と、該摩擦攪拌接合部の周囲に形成され実質的に酸化皮膜のみが形成された部分と、該酸化皮膜のみが形成された部分の外周に形成され酸化皮膜及びプライマ層よりなる部分とよりなることを特徴としている。
【００３０】
本発明の第１９の手段は、上記第１８の手段の移動体において、上記金属板材は、アルミニウム、アルミニウム合金、またはマグネシウム合金のいずれかの金属板材であることを特徴としている。
【００３１】
本発明の第２０の手段は、上記第１８又は１９の手段の移動体において、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。
【発明の効果】
【００３２】
上述の本発明の第１の手段としての摩擦攪拌接合による重ね合わせ接合用金属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状又はりん片状を５〜３０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状又はりん片状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。
【００３３】
本発明の第２の手段としての金属表面処理方法によれば、第１の手段の効果に加えて、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いずれかの金属板材の薄板に適用することができる。
【００３４】
本発明の第３の手段としての金属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、プライマよりも熱伝導性の十分大きい物質の粉末状又はりん片状として、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状又はりん片状を使用しているので、摩擦攪拌接合時にこれらの粉末状又はりん片状は、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。
【００３５】
本発明の第４の手段としての金属表面処理方法によれば、第１乃至３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。
【００３６】
本発明の第５の手段としての金属表面処理方法によれば、第１乃至４の手段の効果に加えて、上記粉末状又はりん片状の外径を、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。
【００３７】
本発明の第６の手段としての金属表面処理方法によれば、第１乃至５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。
【００３８】
本発明の第７の手段としての金属表面処理方法によれば、第１乃至６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。
【００３９】
本発明の第８の手段としての金属表面処理方法によれば、第１乃至７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状又はりん片状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状又はりん片状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。
【００４０】
本発明の第９の手段として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状又はりん片状を５〜３０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、これらの粉末状又はりん片状は、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状又はりん片状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状又はりん片状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。
【００４１】
本発明の第１０の手段としての表面処理金属板材によれば、第９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。
【００４２】
本発明の第１１、１２の手段としての摩擦攪拌接合用塗料によれば、プライマ用塗料に混入する粉末状又はりん片状を、外径が１０μｍ以下のアルミニウム、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に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、粉末状又はりん片状が表面に露出することがない。
【００４３】
本発明の第１３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状又はりん片状を５〜３０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。
【００４４】
本発明の第１４の手段としての摩擦攪拌接合方法によれば、第１３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。
【００４５】
本発明の第１５、１６の手段としての摩擦攪拌接合方法によれば、第１３又は１４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。
【００４６】
本発明の第１７手段としての摩擦攪拌接合方法によれば、第１３又は１４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。
【００４７】
本発明の第１８、１９の手段としての移動体によれば、摩擦攪拌接合時に、摩擦攪拌接合部のプライマは、溶融して摩擦攪拌接合部の周囲の空間を埋めるように押し出されるので二枚の金属板材の重ね合わせ部には空間が存在せず、重ね合わせ部に水分が浸入して金属板材を腐食することはなく、移動体の耐食性、耐久性を高めるとともに、接合部の強度を確保することができる。
【００４８】
本発明の第２０の手段としての移動体によれば、第１８又は１９の手段の効果に加えて、上記酸化皮膜は陽極酸化皮膜であるので、耐腐食性のすぐれた移動体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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状又はりん片状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状又はりん片状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。
【００６５】
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状又はりん片状をプライマに混合する。
混入する微粉末状又はりん片状は、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。
【００６６】
この熱伝導の良いアルミニウム等の微粉末状又はりん片状を、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。
【００６７】
プライマに混入するアルミニウム等の粉末状又はりん片状の外径は、プライマが乾燥した時の塗膜厚が２０〜３０μmであるため、粉末状又はりん片状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。
【００６８】
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、粉末状又はりん片状入りプライマ塗布層２２に換えて、熱伝導性の良い粉末状又はりん片状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。
【００６９】
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状又はりん片状が混入されたプライマが塗布されて膜厚が２０〜３０μｍ程度の粉末状又はりん片状入り塗布層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、微粉末状又はりん片状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。
【００７０】
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状又はりん片状が混入されたプライマが塗布されて膜厚が１０μｍ程度の粉末状又はりん片状入り塗布層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、微粉末状又はりん片状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、粉末状又はりん片状入りプライマは、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。
【００７１】
上述のごとく陽極酸化皮膜２０、プライマ塗布層２１、粉末状又はりん片状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。
【００７２】
なお、微粉末状又はりん片状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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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
【００７６】
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。
【００７７】
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、粉末状又はりん片状入りプライマ塗布層２２）が予め塗布、形成されている。
【００７８】
そして、摩擦攪拌接合部４に塗布され乾燥していた粉末状又はりん片状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状又はりん片状が残留している。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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状又はりん片状入りプライマが塗布されて、格子状の粉末状又はりん片状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状又はりん片状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。
【００８３】
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状又はりん片状入りプライマが塗布されて、粉末状又はりん片状入りプライマ塗布層２２ｂが形成されている。
【００８４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】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。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】図４を模式化した説明図である。
【図６】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。
【図７】（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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】図９を模式化した説明図である。
【符号の説明】
【００８６】
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        粉末状又はりん片状入りプライマ塗布層
２２ａ      粉末状又はりん片状入りプライマ塗布層（裏面）
２２ｂ      粉末状又はりん片状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
【図１】
2005152971.tif 000003
【図２】
2005152971.tif 000004
【図３】
2005152971.tif 000005
【図５】
2005152971.tif 000006
【図６】
2005152971.tif 000007
【図７】
2005152971.tif 000008
【図８】
2005152971.tif 000009
【図４】
2005152971.tif 000010
【図９】
2005152971.tif 000011
【図１０】
2005152971.tif 000012