Report

メタルフローを利用した新たな異材接合技術の開発

メタルフローを利用した
広島県立総合技術研究所 東部工業技術センター
新たな異材接合技術の開発担当部長 坂村 勝

（平成  年度 一般研究開発助成 $)）
 *坂村  勝

M. Sakamura
キーワード：摩擦アンカー接合，異材接合，亜鉛めっき鋼（*$鋼），アルミニウム合金

キーワード：摩擦アンカー接合，異材接合，亜鉛めっき鋼（GA 鋼），アルミニウム合金

１．研究の目的と背景
近年，地球温暖化防止策として，輸送機器産業では燃(a)

費向上を目的とした車体の軽量化が推進されている．そA5052
SPCCの一つとして，アルミニウム合金と鋼のハイブリッド構

(a1)

(a1)

1 mm

造が推奨されており，これに伴い，アルミニウム合金と500 μm鋼の異種金属接合が必要となっている．現在，この異種

図１ A5052/SPCC 接合材の断面マクロ及び光学顕微鏡

金属接合に対してセルフピアシングリベットや摩擦攪拌  写真（押込量 1.5mm）

接合などの様々な接合技術が検討され，実用化されている 1-5)．また，現在，輸送機器に利用されている鉄鋼材料

A5052の多くは，防食のために亜鉛めっきが施されているもの化合物層が数多く見受けられる．したがって，接合対象としてアルミニウム合金と亜鉛めっき鋼の組合せを視野に入れるGA必要がある．
一方，筆者らは，アルミニウム合金と鋼の重ね点接合

100μm

図２ A5052/GA 接合材の断面 SEM 写真（押込量 1.5 mm)を行う手法として摩擦アンカー接合を考案し 6)，これまで，A5052 と SPCC の 2 枚重ね継手，A5052/SPCC/SPCCの 3 枚重ね継手の機械的性質について報告を行ってきたアンカー接合を適用し，上記①，②の現象を抑制するこ

7,8)．摩擦アンカー接合は，一般的な摩擦攪拌点接合と同とを試みた．

様に，重ねて配置された 2 枚以上の供試体に，接合ツー

ところで，アルミニウム合金を対象とする摩擦攪拌接ルを回転させながら押し当てる接合手法である．本手法

合では工具鋼ツールで十分な耐久性が確保できていた．

では先端が球面の接合ツール（図４参照）を用い，このしかし，最近では，本接合法を鋼等の高融点材料へ適用

接合ツールを回転させながら下板の鋼側まで押し込む．

する研究が活発に行われている．その際に問題になるのそして，下板の鋼からなる突起部を上板のアルミニウムが接合ツールの耐久性であり，Ir 合金，Co 合金等の合金合金中に形成し，その突起部のアンカー効果により接合系接合ツール 11-13)や，厚膜コーティングを施した超硬合する．本手法で得られた接合材は，特に，十字引張強度金等の報告 14)がなされている．しかし，いずれの材料もが高いことを特徴としている．

コスト面に問題があり，自動車等の大量生産に適用する

しかし，本手法を A5052 と溶融亜鉛めっき鋼（GI 鋼）のは困難な状況にある．の重ね継手に適用すると，A5052 中に鋼突起を形成する

これに対して，筆者らはツール形状に着目し，安価なことができず，そのために得られた継手の接合強度が低窒化珪素球面を先端に有する接合ツールを提案し，これ位となることが分かった 9)．また，本手法を A5052 と合まで，東芝マテリアル㈱と共同で研究開発を行っている．

金化溶融亜鉛めっき鋼（GA 鋼）の重ね継手に適用する窒化珪素は超硬合金や Co 合金等と異なり，地球上に大と，以下の現象が発生し十分な継手強度が得られないこ量に存在する“窒素”と“珪素”から構成され，量産をとが判明した 10)．①A5052/SPCC の場合（図１）に比し行えば行うほど製造コストを低減できるという特徴を有鋼突起は高さが低くなり，ひだ形状を呈する．②鋼突起している．したがって，今後，接合ツール用窒化珪素のの周辺に多量の化合物層が存在する（図２）．これらの更なる耐久性向上が達成できれば，1 円/打点以下の低コ原因は，GA めっき膜とアルミニウムの直接接触であるストでの接合が可能であると推定している．（なお，川と考えている．そこで本研究では，この対策として，表崎重工業㈱も鋼の摩擦攪拌点接合の当面のコスト目標を面に陽極酸化被膜を有するアルミニウムと GA 鋼に摩擦1 円/打点以下としている 15）．）これらの背景より，本研* 広島県立総合技術研究所

東部工業技術センター担当部長

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・ 接合材の断面評価及び接合強度測定

究では，摩擦アンカー接合ツール用材料として用いている窒化珪素球の耐久性向上についても取り組んだので，

 接合材の断面評価については，切断及び研磨後，日本その結果についても併せて報告する．

電子㈱製走査型電子顕微鏡 JSM-6010LA（エネルギー分２．実験方法

試験として，JIS Z 3136 にしたがって引張せん断試験を，散型Ｘ線分析（EDS）装置付属）を用いて行った．強度
・ 供試材料及び接合方法

JIS Z 3137 にしたがって十字引張試験を㈱島津製作所製

供試材としては，表面に陽極酸化処理を施したアルミオートグラフ AG-10TB を用いて実施した．引張速度は0.08mm/s とした．

ニウム合金 A1100（厚さ 1.0mm，被膜厚さ 10µm，以下，陽極酸化 A1100 とする）と合金化溶融亜鉛めっき鋼（厚・ 窒化珪素の耐久性評価

さ 1.2mm，めっき厚さ 8µm，以下 GA 鋼とする）を用い評価対象を，市販の窒化珪素球 3 種と東芝マテリアル

た．供試材の形状は，引張せん断試験用は 30mm×80mm，(株)で開発した摩擦アンカー接合用球の合計 4 種とした．

十字引張試験用は 30mm×150mm とした．そして図３に接合ツールの寿命評価を行うための供試材として，示すように，上側に陽極酸化 A1100，下側に GA 鋼を配300mm×200mm×3.2mm の SPCC を用いた．この供試材

置し，先端に窒化珪素球を埋め込んだ接合ツールを用いに Stir in Plate を行った後，レーザ変位センサー（㈱キーて，エアシリンダ上にセットした供試材を回転する接合

エンス製 LK-030）を用いて窪み部の断面形状測定を行っツールに押し込むことで接合した．使用したエアシリンた．これは試験片側の窪み形状を測定することによりツダは最大 12kN の垂直荷重を発生させることができる．

ールの摩耗状況を推察することを目的としている．また，接合ツールは，図４に示すように，先端の球径が φ12.7mm

適当な打数の Stir in Plate 後に，30mm×80mm×1.0mm ので鋼製ホルダーからの突出量は 5mm とした．また接合

SPCC の重ね点接合を行って引張せん断試験片を作製し，条件は，
ツール回転数 1500rpm，ツール押込量 1.1～1.8mm，・（接合材の断面評価及び接合強度測定）と同様に引接合時間 2.5 秒とし，シールドガスは用いなかった．な張せん断試験を実施した．なお，接合条件は，ツール押お，本実験での接合時間はエアシリンダにエアを供給し込量：1.6mm，接合時間：2.5 秒とした．ている時間を意味する．

３．結果及び考察 接合部の断面
図５に，ツール押込量を 1.5mm として接合した材料の突起部近傍の断面 SEM 反射電子像を示す． 図 ２のA5052/GA 接合材の突起部近傍と比較すると，鋼突起の高さ，ひだ形状は改善され，金属間化合物層生成は大幅に抑制されていることが分かる．

A1100

GA

図３ 摩擦アンカー接合用装置概略図

100μm

図５ 陽極酸化 A1100/GA 接合材の断面 SEM 写真            （ツール押込量 1.5 mm)
鋼 ホ ル ダー 接合強度
 図６にツール押込量と引張せん断強度及び十字引張強度の関係を示す．ツール押込量 1.8mm の条件で，引張せん断強度は約 1.2kN，十字引張強度は約 0.55kN に達してセラミックス球5 mmいる．また，図７には A5052 と GA 鋼の接合強度評価結5 mm

果を示す．ツール押込量 1.8mm の条件で，A5052 と GA

D 側面より  E 上面より

鋼の接合材では引張せん断強度約 2.6kN，十字引張強度

図４
 摩擦アンカー接合用ツール外観

約 0.8kN であった．

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 窒化珪素の耐久性評価
図９にレーザ変位センサーで測定して得られた SPCCの窪み測定結果の一例を示す．本研究では，図中の斜線部分の面積を求めることで摩耗の状態を定量化した．その結果を図  に示す．なお，図  の窪み部断面積は，各測定時の断面積を第１打点目の断面積で除し，規格化した値を示している．図  より，開発した窒化珪素球（材種 T）の耐久性が他の材料に比し高いことが分かる．
次に，市販材で最も耐久性の高かった材種 A と開発材
（材図６ 陽極酸化 A1100/GA 接合材のツール
押込量と接合強度の関係種 T）を用いて得られた接合材の引張せん断試験結果を
図  に示す．図  より，材種 A ではツールの摩耗に伴い引張せん断強度が顕著に低下しているのに対して，開発材（材種 T）では 1000 打点後もほとんど低下しないことが分かった．

図７ A5052/GA 接合材のツール押込量と接合強度の関係
 引張せん断強度と十字引張強度の比
今回の実験で用いた陽極酸化 A1100 と A5052 の引張試験を行ったところ，引張強度は陽極酸化 A1100 は約130MPa，A5052 は約 230MPa であった．このように陽極酸化 A1100 は，A5052 に比し母材強度が低位であるため，得られた強度そのものの比較はできない．そこで，これまでに得られている摩擦アンカー接合継手の引張せん断

図９ 窪み測定結果の一例

強度と十字引張強度の比をグラフ化したものを図８に示す．鋼突起が図１に示すように球面ツールに沿って細く長く伸びた形状を呈した場合は，十字引張強度の引張せん断強度に対する比は 0.6～0.8 になることが分かる．これに対して，A5052/GA 継手の場合は，その比が約 0.3 と非常に低位となっている．一方，今回得られた陽極酸化
A1100/GA 継手は約 0.45 となっている．これは，鋼突起の高さ及び形状が改善され，鋼突起近傍の金属間化合物生成が抑制されたことに起因するものと推定している．
図  各種窒化珪素球の打数と窪み部断面積の関係

図８ 各種摩擦アンカー接合継手の引張せん断
強度と十字引張強度の関係

図  材種 T,A の打数と引張せん断強度の関係

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４．まとめと今後の展望

参考文献

本研究では，摩擦アンカー接合を，陽極酸化処理を施

1)

中西栄三郎：溶接学会論文集, 23-1 (2005), 151.

した，板厚 1.0mm のアルミニウム合金（A1100）と合金

2)

藤本光生：軽金属溶接, 47-11 (2009),

化溶融亜鉛めっき鋼（GA 鋼）の２枚重ね継手に適用し，

3)

松村吉修, 三崎利次, 吉田智美, 近藤崇敬, 佐久間淳

12. 夫, 前田正幸, 吉原靖昌, 福本幸司, 杉浦裕, 奥村明

その断面と機械的性質を評価した．その結果，陽極酸化

敏：三菱自動車テクニカルレビュー, 18 (2006), 69.処理を施した A1100 と GA 鋼の摩擦アンカー接合では，
4)

A5052 と GA 鋼の摩擦アンカー接合継手に比し鋼突起の庄司庸平, 高瀬健治, 玄道俊行, 垰邦彦, 森川賢一,
野口竜弘：マツダ技報, 24 (2006), 90.

高さ及び形状が改善され，金属間化合物の生成が抑制さ5)れた．これによって，特に十字引張強度の大幅な低減を

畑恒久，朝見明彦，松本恵介，平山貴邦，宮原哲也，一定程度抑制することが可能であることが分かった．こ大浜彰介，佐山満，小林努，矢羽々隆憲：溶接学会

れらの結果から，GA 鋼とアルミニウム合金の間に 10µm

全国大会講演概要, 93 (2013), 40.6)程度の薄いインサート材が存在するだけでも，GA 鋼と大石郁, 坂村勝, 竹保義博: 日本国特許第 5854451 号(2015)

アルミニウム合金の摩擦アンカー接合継手の強度向上に7)効果があることが明らかとなった．今後はこの知見をも大石郁, 坂村勝, 大田耕平, 藤井英俊：溶接学会論文集, 32-1 (2014), 1.とに実用レベルで適用できる手法を検討していく所存で8)ある．加えて，最近，摩擦アンカー接合を応用すること

坂村勝, 大石郁, 大田耕平, 竹保義博, 水成重順, 藤井英俊：軽金属溶接, 52-12 (2014), 453.

で金属と樹脂を接合できる技術を考案しており 16)，金属
9)同士の異材接合以外に，金属と CFRP 等樹脂の異材接合

坂村勝, 大石郁, 大田耕平, 竹保義博, 水成重順, 藤井英俊：溶接学会論文集, 33-2 (2015), 187.

技術の開発も進めている．

10) 坂村勝, 大石郁, 大田耕平, 竹保義博, 水成重順, 藤

また，耐久性の高い摩擦アンカー接合ツール用窒化珪

井英俊：溶接学会論文集, 34-1 (2016), 8.

素を開発することができたが，被接合材は軟鋼（SPCC）である．一方，現在の自動車製造では大量の高張力鋼が11) T. Miyazawa, Y. Iwamoto, T. Maruko and H. Fujii:使用されている．したがって，現在も高張力鋼や超高張Development of Ir based tool for friction stir welding of

力鋼等にも適用できるツール用窒化珪素の開発を引き続

high temperature materials, Science and Technology of

き行っている．

Welding and Joining, 16-2 (2011), 188.
12) 薄田真一, 三宅将弘, 佐藤裕, 粉川博之, 大森俊洋,

謝 辞石田清仁, 今野晋也, 朴勝煥, 杉本一等, 平野聡：溶接学会全国大会講演概要, 95 (2014), 18.

本研究は公益財団法人天田財団一般研究開発助成 及び 大阪大学接合科学研究所共同研究員制度を利用して

13) 佐藤裕, 薄田真一, 粉川博之, 山崎繁一, 辻あゆ里,行われたものであり，ここに深く感謝の意を表します．

上西昇, 池ヶ谷明彦, 森口秀樹, 石塚浩：溶接学会全国大会講演概要, 96 (2015), 60.

また，研究の推進に当たって適切なご指導を下さいま

14) 宮崎博香, 内海慶春, 津田圭一：SEI テクニカルレビした大阪大学接合科学研究所・藤井英俊教授及び産業技

ュー, 187 (2015), 70.

術総合研究所製造技術研究部門・村上敬主任研究員にこ

15) 大橋良司，内海慶春，泰山正則：溶接技術, 64-7 (2016),の場を借りて感謝いたします．

48.
16) 松葉朗, 坂村勝, 竹保義博: 日本国特許第 6977996 号(2021)

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