金属の塑性流動を利用した新たな接合技術の開発
広島県立総合技術研究所 東部工業技術センター副部長 坂村 勝
（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016025）
キーワード：摩擦アンカー接合，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費向上を目的とした車体の軽量化が推進されている．その一つとして，アルミニウム合金と鋼のハイブリッド構造が推奨されており，これに伴い，アルミニウム合金と鋼の異種金属接合が必要となっている．現在，この異種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

(a)

(a1)

(a1)

A5052
SPCC

1 mm

500 μm

図１ A5052/SPCC 接合材の断面マクロ及び光学顕微鏡
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A5052

る 1-5)．また，現在，輸送機器に利用されている鉄鋼材料化合物層の多くは，防食のために亜鉛めっきが施されているものが数多く見受けられる．したがって，接合対象としてアGA

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100μm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

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，これまで，合では工具鋼ツールで十分な耐久性が確保できていた．

A5052 と SPCC の 2 枚重ね継手，A5052/SPCC/SPCC の 3

しかし，最近では，本接合法を鋼等の高融点材料へ適用

枚重ね継手の機械的性質について報告を行ってきた 6,7)．

する研究が活発に行われている．その際に問題になるの摩擦アンカー接合は，一般的な摩擦攪拌点接合と同様に，が接合ツールの耐久性であり，Ir 合金，Co 合金等の合金重ねて配置された 2 枚以上の供試体に，接合ツールを回系接合ツール 10-12)や，厚膜コーティングを施した超硬合転させながら押し当てる接合手法である．本手法では先金等の報告 13)がなされている．しかし，いずれの材料も端が球面の接合ツールを用い，この接合ツールを回転さコスト面に問題があり，自動車等の大量生産に適用するせながら下板の鋼側まで押し込む．そして，下板の鋼かのは困難な状況にある．

らなる突起部を上板のアルミニウム合金中に形成し，そこれに対して，筆者らはツール形状に着目し，安価なの突起部のアンカー効果により接合する．本手法で得ら窒化珪素球面を先端に有する接合ツールを提案し，これれた接合材は，特に，十字引張強度が高いことを特徴とまで，東芝マテリアル㈱と共同で研究開発を行っている．

している．

窒化珪素は超硬合金や Co 合金等と異なり，地球上に大しかし，本手法を A5052 と溶融亜鉛めっき鋼（GI 鋼）量に存在する“窒素”と“珪素”から構成され，量産をの重ね継手に適用すると，A5052 中に鋼突起を形成する

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ことができず，そのために得られた継手の接合強度が低している．したがって，今後，接合ツール用窒化珪素の位となることが分かった 8)．また，本手法を A5052 と合更なる耐久性向上が達成できれば，1 円/打点以下の低コ金化溶融亜鉛めっき鋼（GA 鋼）の重ね継手に適用するストでの接合が可能であると推定している．（なお，川と，以下の現象が発生し十分な継手強度が得られないこ崎重工業㈱も鋼の摩擦攪拌点接合の当面のコスト目標をとが判明した 9)．①A5052/SPCC の場合（図１）に比し鋼1 円/打点以下としている 14）．）これらの背景より，本研

突起は高さが低くなり，ひだ形状を呈する．②鋼突起の究では，摩擦アンカー接合ツール用材料として用いてい周辺に多量の化合物層が存在する（図２）．これらの原る窒化珪素球の耐久性向上についても取り組んだので，因は，GA めっき膜とアルミニウムの直接接触であるとその結果についても併せて報告する．

考えている．そこで本研究では，この対策として，表面に陽極酸化被膜を有するアルミニウムと GA 鋼に摩擦アンカー接合を適用し，上記①，②の現象を抑制することを試みた．
ところで，アルミニウム合金を対象とする摩擦攪拌接

２. 実験方法
2・1

供試材料及び接合方法

供試材としては，表面に陽極酸化処理を施したアルミニウム合金 A1100（厚さ 1.0mm，被膜厚さ 10µm，以下，(株)で開発した摩擦アンカー接合用球の合計 4 種とした．
接合ツールの寿命評価を行うための供試材として，300mm×200mm×3.2mm の SPCC を用いた．この供試材に Stir in Plate を行った後，レーザ変位センサー（㈱キーエンス製 LK-030）を用いて窪み部の断面形状測定を行った．これは試験片側の窪み形状を測定することによりツールの摩耗状況を推察することを目的としている．また，適当な打数の Stir in Plate 後に，30mm×80mm×1.0mm のSPCC の重ね点接合を行って引張せん断試験片を作製し，2・2（接合材の断面評価及び接合強度測定）と同様に引張せん断試験を実施した．なお，接合条件は，ツール押込量：1.6mm，接合時間：2.5 秒とした．
図３

摩擦アンカー接合用装置概略図

３. 結果及び考察
3.1 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鋼ホルダー

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．

セラミックス球

5 mm

5 mm(a) 側面より(b) 上面より

A1100
図４

摩擦アンカー接合用ツール外観

陽極酸化 A1100 とする）と合金化溶融亜鉛めっき鋼（厚さ 1.2mm，めっき厚さ 8µm，以下 GA 鋼とする）を用いGA100μm

た．供試材の形状は，引張せん断試験用は 30mm×80mm，十字引張試験用は 30mm×150mm とした．そして図３に

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)示すように，上側に陽極酸化 A1100，下側に GA 鋼を配置し，先端に窒化珪素球を埋め込んだ接合ツールを用い3.2 接合強度て，エアシリンダ上にセットした供試材を回転する接合

図６にツール押込量と引張せん断強度及び十字引張強ツールに押し込むことで接合した．使用したエアシリン度の関係を示す．ツール押込量 1.8mm の条件で，引張せダは最大 12kN の垂直荷重を発生させることができる．

ん断強度は約 1.2kN，十字引張強度は約 0.55kN に達して接合ツールは，図４に示すように，先端の球径が φ12.7mmいる．また，図７には A5052 と GA 鋼の接合強度評価結で鋼製ホルダーからの突出量は 5mm とした．また接合果を示す．ツール押込量 1.8mm の条件で，A5052 と GA

条件は，ツール回転数 1500rpm，ツール押込量 1.1～1.8mm，鋼の接合材では引張せん断強度約 2.6kN，十字引張強度接合時間 2.5 秒とし，シールドガスは用いなかった．な

約 0.8kN であった．

お，本実験での接合時間はエアシリンダにエアを供給している時間を意味する．
2・2

接合材の断面評価及び接合強度測定

接合材の断面評価については，切断及び研磨後，日本電子㈱製走査型電子顕微鏡 JSM-6010LA（エネルギー分散型Ｘ線分析（EDS）装置付属）を用いて行った．強度試験として，JIS Z 3136 にしたがって引張せん断試験を，
JIS Z 3137 にしたがって十字引張試験を㈱島津製作所製
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．
2・3

窒化珪素の耐久性評価

評価対象を，市販の窒化珪素球 3 種と東芝マテリアル

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

図７ A5052/GA 接合材のツール押込量と接合強度の関係
3.3 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

図９ 窪み測定結果の一例130MPa，A5052 は約 230MPa であった．このように陽極種 T）を用いて得られた接合材の引張せん断試験結果を

酸化 A1100 は，A5052 に比し母材強度が低位であるため，

図 11 に示す．図 11 より，材種 A ではツールの摩耗に伴得られた強度そのものの比較はできない．そこで，これい引張せん断強度が顕著に低下しているのに対して，開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発材（材種 T）では 1000 打点後もほとんど低下しないこ

強度と十字引張強度の比をグラフ化したものを図８に示とが分かった．

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 10

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 11

材種 T,A の打数と引張せん断強度の関係

3.4 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

４. 結言の窪み測定結果の一例を示す．本研究では，図中の斜線

本研究では，摩擦アンカー接合を，陽極酸化処理を施部分の面積を求めることで摩耗の状態を定量化した．そした，板厚 1.0mm のアルミニウム合金（A1100）と合金の結果を図 10 に示す．なお，図 10 の窪み部断面積は，化溶融亜鉛めっき鋼（GA 鋼）の２枚重ね継手に適用し，各測定時の断面積を第１打点目の断面積で除し，規格化その断面と機械的性質を評価した．その結果，陽極酸化した値を示している．図 10 より，開発した窒化珪素球処理を施した A1100 と GA 鋼の摩擦アンカー接合では，（材種 T）の耐久性が他の材料に比し高いことが分かる．

A5052 と GA 鋼の摩擦アンカー接合継手に比し鋼突起の次に，市販材で最も耐久性の高かった材種 A と開発材（材高さ及び形状が改善され，金属間化合物の生成が抑制された．これによって，特に十字引張強度の大幅な低減を夫, 前田正幸, 吉原靖昌, 福本幸司, 杉浦裕, 奥村明

一定程度抑制することが可能であることが分かった．こ敏：三菱自動車テクニカルレビュー, 18 (2006), 69.

れらの結果から，GA 鋼とアルミニウム合金の間に 10µm4)程度の薄いインサート材が存在するだけでも，GA 鋼と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

野口竜弘：マツダ技報, 24 (2006), 90.
5)効果があることが明らかとなった．今後はこの知見をも全国大会講演概要, 93 (2013), 40.
6)また，耐久性の高い摩擦アンカー接合ツール用窒化珪素を開発することができたが，被接合材は軟鋼（SPCC）

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.

8)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き行っている．

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.

7)である．一方，現在の自動車製造では大量の高張力鋼が使用されている．したがって，現在も高張力鋼や超高張

畑恒久，朝見明彦，松本恵介，平山貴邦，宮原哲也，大浜彰介，佐山満，小林努，矢羽々隆憲：溶接学会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ある．

庄司庸平, 高瀬健治, 玄道俊行, 垰邦彦, 森川賢一,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.

9)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, 34-1 (2016), 8.

10) T. Miyazawa, Y. Iwamoto, T. Maruko and H. Fujii:

謝 辞

Development of Ir based tool for friction stir welding of

本研究は公益財団法人天田財団一般研究開発助成及びhigh temperature materials, Science and Technology of大阪大学接合科学研究所共同研究員制度を利用して行われたものであり，ここに深く感謝の意を表します．
また，研究の推進に当たって適切なご指導を下さいました大阪大学接合科学研究所・藤井英俊教授及び産業技術総合研究所製造技術研究部門・村上敬主任研究員にこの場を借りて感謝いたします．

Welding and Joining, 16-2 (2011), 188.
11) 薄田真一, 三宅将弘, 佐藤裕, 粉川博之, 大森俊洋,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.
12) 佐藤裕, 薄田真一, 粉川博之, 山崎繁一, 辻あゆ里,
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.

参考文献
1)

中西栄三郎：溶接学会論文集, 23-1 (2005), 151.

2)

藤本光生：軽金属溶接, 47-11 (2009), 12.

3)松村吉修, 三崎利次, 吉田智美, 近藤崇敬, 佐久間淳

13) 宮崎博香, 内海慶春, 津田圭一：SEI テクニカルレビ
ュー, 187 (2015), 70.
14) 大橋良司，内海慶春，泰山正則：溶接技術, 64-7 (2016),48.