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切削工具を応用した摩擦攪拌点接合ツールの切削工具を応用した摩擦攪拌点接合ツールの塑性流動状態の解明
塑性流動状態の解明生田*生田明彦明彦

A. Ikuta
１．まえがき進行するものと考えられる．

摩擦攪拌点接合（以下，)66:）は，例えば自動車製造にそこで，本研究では，せん断変形を効率的に発生させる

おいて，非鉄金属の使用が増大してきている等の理由から，ため，プローブ形状に切削工具の知見を取り入れ，すくい従来の抵抗スポット溶接に代わる技術として注目されて角に相当する角度が正角となるようなツール形状を提案きている．)66: の特徴として，固相接合であるため変形する．これらツールは，これまでの円柱型プローブツールが小さい，接合困難な  系や  系のアルミニウム合とは全く異なる塑性流動状態となることが考えられる．そ金あるいは複合材，異種材料の接合に適しているなどがあのため，接合材料の塑性流動にともなう継手の組織形状をる．これらの特徴を活かして，さらなる利用拡大を図る際，特徴づけるため，組織形状パラメータを定義し，これらを)66: に求められる性能として，まず，継手の機械的性質測定することによって，ツールが塑性流動状態におよぼすの向上が挙げられる．その方法として，ツール形状の変更影響を定量化することを試みた．また，この塑性流動状態は有力な手段の一つであると考えられる．)66: におけると継手の機械的性質の関係を明らかにすることを目的と接合原理は，ツールの回転によって摩擦熱を発生させ，被した．

接合材料を軟化させながら塑性流動させることによって一体化するものである．そのため，近年では接合材料の塑２．実験方法

性流動に関する報告が多くなってきている．ここでも，塑 供試材料

性流動を積極的に発生させる存在がツールであることか

本研究において，接合材料として使用したアルミニウム

ら，)66: においてツールが重要な意味を持つと考えられ合金は，$+（以下，$）および $+（以る．

下，$）である．化学組成を表  に示す．材料の寸法)66: 用ツールにおいて，一般的なツール形状は，プロは，長さ PP，幅 PP，板厚 PP の $ および長さーブと呼ばれる突起部とショルダと呼ばれる平滑部を有PP，幅 ｍｍ，板厚 PP の $ とした．

する円柱状である．この中で，主にプローブ部と接合材料

 摩擦攪拌点接合方法との摩擦により，接合材料内に塑性流動が発生するとされ)66: の接合条件は，ツール回転速度を ，，ており，塑性流動性にはプローブ部の形状が大きな影響をおよび USP と変化させ，3OXQJLQJ 速度 PPV，'ZHOOおよぼすと考えられる．また，接合材料の塑性流動は主に時間（3OXQJLQJ 後の位置保持時間）V およびショルダ部せん断変形によるとの報告がある

．これらのことから，

3OXQJLQJ 深さ PP とした．接合方法は，上板を $，)66: 用ツールのプローブ部には，効率的な変形により塑

下板を $ アルミニウム合金とし，重ね代を PP とし性流動を発生させるような形状が望ましいと考えられる．て，その中心に接合を行う重ね合わせ継手を作製した．
 摩擦攪拌点接合ツール

一方で，ツールすなわち工具を用いて材料を加工する方法
として，切削加工がある．切削加工は工具を用いて被削材)66: に使用したツールは，6.' を機械加工して所定をせん断変形させることにより，切りくずを生成する除去の形状にした後，熱処理を行って，硬さを ～+5& とし加工であるが，工具が切りくずを生成するまでの過程は，たものを用いた．ツール形状を図  に示す．ツールはショ)66: でもほぼ同様であると考えられる．切りくず生成後，ルダ直径 PP およびプローブ長さ PP で，プローブの切削工具においては積極的に切りくずを排出するが，)66:断面形状が異なるものを使用した．プローブ断面形状が三においては切りくずつまりのような状態となって攪拌が日月形で切り欠き部分が大きいもの（以下，60 ツール），

表  接合材料の化学組成 ZW * 近畿大学

工学部

機械工学科教授- 39 -図  接合ツールの形状

図  組織形状パラメータ

プローブ断面形状が三日月形で切り欠き部分が小さいも流動を，それぞれ走査型電子顕微鏡を用いた反射電子像のの（以下，%0 ツール）および切り欠き部分を二カ所持つ観察を行った．上板の場合は 3&'PP に直径 ×深さ PPもの（以下，'0 ツール）をツールとして使用した．なお，のキリ穴を  つ配置し，下板の場合は接合ツール回転中心

これらのツールは，前述したようにせん断変形を容易にすから PP の位置に直径 ×深さ PP のキリ穴を  つ配置るとの考え方から，切削工具の知見を取り入れたものであし，超硬合金粉末を充填した．その後，通常と同条件でる．すなわち，切削工具のすくい角に相当する角度が正角)66: を行った継手を用いて観察を行った．

で，切りくずだまりが大きいもの（60 ツール ，同様に切りくずだまりが小さいもの（%0 ツール）およびすくい角

３．実験結果に相当する角度がほぼ °で，切りくずだまりが複数ある 継手の引張せん断試験結果

もの（'0 ツール）となっている．

図  は，各ツールを用いて作製した )66: 継手の引張せ 接合部の評価方法

4)66: 後，得られた継手の引張せん断試験を行った．試SM tool
BM tool
DM tool験方法は，得られた継手をそのままの状態で引張り，せんPPPLQ である．また，引張せん断試験前後の継手を断面方向に切断し，鏡面研磨後，ケラー試薬（フッ酸 PO，塩酸 PO，硝酸 PO および蒸留水 PO）で腐食して，光学顕微鏡により組織観察を行った．引張せん断試験前の継手については，接合部の状態を定量化するため，図  に示すように組織形状パラメータを測定した．測定項目は攪拌領
域幅  ，プローブ表面からフック（上板材料と下板材料のFailure load, kN

断的に破壊した荷重で評価した．なお，引張速度は321界面に存在する酸化物層）  先端までの距離（以下，<値） ，フックと上板および下板の初期界面とのなす角（以0下，曲度），攪拌領域幅と変形材料幅の和でもあり，プロ

Welding conditions (A5052/A6061)
Shoulder penetration depth: 0.4mm
Plunging speed: 2.5mm/s
Dwell time: 1s

1000

2000

3000

Tool rotational speed, rpm

ーブ表面から接合開始点までの距離（以下，接合幅）である．また，各ツールによる接合材料の塑性流動の状態を明図  引張せん断強度とツール回転速度との関係

らかにするため，トレーサ法により上板および下板の塑性- 40 -

ん断試験結果を示したものである．いずれのツールを用いする傾向を示した．< 値を示した図  より，各ツールによた場合も，ツール回転速度 USP において引張せん断強り若干の違いはあるものの，概ねツール回転速度が増加すさは最も高い値を示した．また，いずれの接合ツールもツるにつれて接合幅は一旦拡大した後，減少する傾向を示し

ール回転速度が増加すると，引張せん断強さはおおむね低た．曲度を示した図  より，いずれのツールでも，ツール下する傾向を示した．この中で，'0 ツールを用いた場合回転速度が増加するにつれて接合幅は一旦拡大した後，減の引張せん断強さは，他のツールを用いた場合よりやや高少する傾向を明確に示した．フック高さを示した図  より，くなる傾向を示した．なお，最も引張せん断強さが大きく

60 ツールは回転数に関わりなく低いフック高さを示したなる場合，N1 以上を示すことから，同様の寸法のツールが，低回転領域でのみ非常に高いフック高さを示した．一を使用した場合と比較しても高い値を示していると考え

方，%0 および '0 ツールは回転数に関わりなくほぼ一定のられる．

フック高さを示し，高回転領域でややフック高さが高くな 継手の組織観察結果

る傾向を示した．これらのことから，本実験に使用したツ図  は，最も高い引張せん断強さを示したツール回転速ールを用いて作製された継手における組織形状の特徴は，度 USP において，各接合ツールを用いて作製した )66:

概ね，接合幅や < 値はツール回転速度に関わりなく大きく継手の組織観察結果を示したものである．いずれの接合ツなる傾向を示すことであると考えられる．また，曲度はツールを用いた場合でも，攪拌領域は不明瞭で，フック先端ール回転速度が大きくなると急激に低下すること，および位置は低いままであることが観察された．そのため，組織フック高さはツール回転速度に関わりなくほぼ一定であ形状パラメータを測定して特徴を定量化した．

ることであると考えられる．

図 ～ は，それぞれ接合幅，< 値，曲度およびフック

図  は，最も高い引張せん断強さを示したツール回転高さについて示したものである．接合幅を示した図  より，速度 USP における，引張せん断試験後の組織観察結果'0 ツールのみツール回転速度が増加するにつれて接合幅を示したものである．いずれのツールを用いた場合も，破も拡大する傾向を示し，60 および %0 ツールではツール回断経路はせん断的に攪拌領域を含む熱加工影響部を横断転速度が増加するにつれて接合幅は一旦拡大した後，減少していた．最も高い引張せん断強さを示した '0 ツールの図  ツール回転速度 USP における )66: 継手の組織観察結果

Bonded width, m

2000

1500

SM tool
BM tool
DM tool

SM tool
BM tool
DM tool

Y value, m

1000

1000

500

Welding conditions (A5052/A6061)
Shoulder penetration depth: 0.4mm
Plunging speed: 2.5mm/s
Dwell time: 1s01000

2000

Welding conditions (A5052/A6061)
Shoulder penetration depth: 0.4mm
Plunging speed: 2.5mm/s
Dwell time: 1s03000Tool rotational speed, rpm

1000

2000

3000

Tool rotational speed, rpm

図  接合幅とツール回転速度との関係

図  < 値とツール回転速度との関係

- 41 -

1000
Welding conditions (A5052/A6061)
Shoulder penetration depth: 0.4mm
Plunging speed: 2.5mm/s
Dwell time: 1s
SM tool
BM tool
DM tool

Hook height, mCurvature, °150

100
SM tool
BM tool
DM tool50

Welding conditions (A5052/A6061)
Shoulder penetration depth: 0.4mm
Plunging speed: 2.5mm/s
Dwell time: 1s

01000

2000

500

03000

Tool rotational speed, rpm

1000

2000

3000

Tool rotational speed, rpm

図  曲度とツール回転速度との関係

図  フック高さとツール回転速度との関係

場合，図  に示したように，他のツールに比べて接合幅が大きくなっており，せん断面積が大きくなっていた．また，
図  に示したように曲度も大きいことから，ある程度までフックに沿って破断が進展した後，せん断的に破断したと考えられ，このことが応力集中の低減効果にも寄与したと考えられる．
 塑性流動状態の観察結果
図  は，上板にトレーサ材料を配置した場合の塑性流動状態を観察した一例として，ツール回転速度 USPにおける '0 ツールを用いた場合を示したものである．ト
レーサ材料は，点  に示すように当初配置した領域で多く観察され，バリの排出方向に向かって分布しており，点 および  に示すようにキーホール方向では全く観察されなかった．
図  は，下板にトレーサ材料を配置した場合の塑性流動状態を観察した一例として，ツール回転速度 USPにおける '0 ツールを用いた場合を示したものである．トレーサ材料は，点  および  に示すように，キーホール側面部および上板の内部の位置で，層状に観察された．また，
点  に示すように，トレーサ材料はキーホールに沿ってごくわずかに観察される程度で，上板の表層には至っておらず，上板内では垂直方向上向きの塑性流動はほとんど無いと考えられる．
本実験に使用したツールの塑性流動は，上板についてはツール外周部に向かってバリを排出するような塑性流動図  ツール回転速度 USP における )66: 継手の引があり，下板についてはキーホールに沿って上昇し，これ張せん断試験後の破断位置

が上板に到達した付近で外側横向きに転ずるような塑性流動があると考えられる．これらの結果は，一般的なツーツールが発生させる塑性流動は，非常に特徴的であることが明らかとなった．

ルの場合，ショルダからプローブに沿って上方から下方への塑性流動が発生するとされている状態とは異なってい４．結論ると考えられる．また，本研究で指摘している切削工具のすくい角に相当する角度が，負角になるようなツールの場


せん断変形を効率的に発生させるため，プローブ形状に合とも塑性流動状態は異なっており ，本研究で使用した切削工具の知見を取り入れた摩擦攪拌点接合用ツールの- 42 -

図  ツール回転速度 USP において '0 ツールを図  ツール回転速度 USP において '0 ツールを用いて作製された )66: 継手の上板における塑用いて作製された )66: 継手の下板における塑性流動状態観察結果

性流動状態観察結果

参考文献

特徴を明らかにするため，継手の機械的性質および塑性流動特性を調査した結果，以下の結論を得た．


1)

本接合ツールを用いて作製した継手の引張せん断強+さは，低回転域で大きくなり，N1 以上を示す．

7UDQVDFWLRQV$$  組織観察結果を用いて組織形状を定量化した結果，

2)接合幅や < 値はツール回転速度に関わりなく大きく

1RUWK0HWDOOXUJLFDO

DQG

0DWHULDOV<+<LQ16XQ7+1RUWKDQG66+X6FLHQFH
DQG7HFKQRORJ\RI:HOGLQJDQG-RLQLQJ  なる傾向を示すことや，フックの曲度はツール回転

速度が大きくなると急激に低下すること，および，



76KLED\DQDJL$*HUOLFK..DVKLKDUDDQG73)+ %DGDULQDUD\DQ <6KL ;/L DQG .2NDPRWR

フック高さはツール回転速度に関わりなく，概ね一,QWHUQDWLRQDO -RXUQDO RI 0DFKLQH 7RROV DQG定であることが明らかとなった．

0DQXIDFWXUH  

本接合ツールを用いた場合，上板にはツール外周部

4)に向かってバリを排出するような，下板にはキーホ*%XIIDD*&DPSDQLOH/)UDWLQLDQG$3ULVFR
0DWHULDOV6FLHQFHDQG(QJLQHHULQJ$$  ールに沿って上昇し，上板に到達した付近で外側横

向きに転ずるような塑性流動があると考えられる．

5)< + <LQ 1 6XQ 7 + 1RUWK DQG 6 6 +X
0DWHULDOV謝 辞&KDUDFWHUL]DWLRQ  

–6)

本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究助成（$)）により実施した研究に基づいていることを付記するとともに，同財団に感謝いたします．

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生田明彦，尹玉環，7+1RUWK：溶接学会論文集，
  ，