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
近畿大学 工学部 機械工学科准教授 生田明彦
（平成 24 年度一般研究開発助成 AF-2012010）
キーワード：摩擦攪拌点接合，ツール，塑性流動

１．研究の目的と背景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

摩擦攪拌点接合（以下，FSSW）は，例えば自動車製造にする．これらツールは，これまでの円柱型プローブツール

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，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きている．FSSW の特徴として，固相接合であるため変形特徴づけるため，組織形状パラメータを定義し，これらをが小さい，接合困難な 2000 系や 7000 系のアルミニウム合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影響を定量化することを試みた．また，この塑性流動状態る．これらの特徴を活かして，さらなる利用拡大を図る際，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

FSSW に求められる性能として，まず，継手の機械的性質した．の向上が挙げられる．その方法として，ツール形状の変更は有力な手段の一つであると考えられる．FSSW における接合原理は，ツールの回転によって摩擦熱を発生させ，被２．実験方法
2.1

供試材料

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本研究において，接合材料として使用したアルミニウム一体化するものである．そのため，近年では接合材料の塑合金は，A5052-H34（以下，A5052）および A6061-H651（以性流動に関する報告が多くなってきている．ここでも，塑下，A6061）である．化学組成を表 1 に示す．材料の寸法

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は，長さ 75mm，幅 25mm，板厚 1.5mm の A5052 および長さら，FSSW においてツールが重要な意味を持つと考えられ75mm，幅 25ｍｍ，板厚 3mm の A6061 とした．

る．

2.2

摩擦攪拌点接合方法

FSSW 用ツールにおいて，一般的なツール形状は，プロFSSW の接合条件は，ツール回転速度を 1000，1500，2250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および 3000rpm と変化させ，Plunging 速度 2.5mm/s，Dwellする円柱状である．この中で，主にプローブ部と接合材料時間（Plunging 後の位置保持時間）1s およびショルダ部との摩擦により，接合材料内に塑性流動が発生するとされ

Plunging 深さ 0.4mm とした．接合方法は，上板を A5052，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下板を A6061 アルミニウム合金とし，重ね代を 25mm としおよぼすと考えられる．また，接合材料の塑性流動は主にて，その中心に接合を行う重ね合わせ継手を作製した．

せん断変形によるとの報告がある

1)．これらのことから，

2.3

摩擦攪拌点接合ツール

FSSW 用ツールのプローブ部には，効率的な変形により塑

FSSW に使用したツールは，SKD61 を機械加工して所定の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．

形状にした後，熱処理を行って，硬さを 46～48HRC とした

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

ものを用いた．ツール形状を図 1 に示す．ツールはショルとして，切削加工がある．切削加工は工具を用いて被削材

ダ直径 10mm およびプローブ長さ 2.2mm で，プローブの断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面形状が異なるものを使用した．プローブ断面形状が三日加工であるが，工具が切りくずを生成するまでの過程は，月形で切り欠き部分が大きいもの（以下，SM ツール）
，プFSSW でもほぼ同様であると考えられる．切りくず生成後，ローブ断面形状が三日月形で切り欠き部分が小さいもの

切削工具においては積極的に切りくずを排出するが，FSSW（以下，BM ツール）および切り欠き部分を二カ所持つも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の（以下，DM ツール）をツールとして使用した．なお，進行するものと考えられる．

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

そこで，本研究では，せん断変形を効率的に発生させるるとの考え方から，切削工具の知見を取り入れたものであため，プローブ形状に切削工具の知見を取り入れ，すくいる．すなわち，切削工具のすくい角に相当する角度が正角

表1

接合材料の化学組成(wt%)

図1

接合ツールの形状

で，切りくずだまりが大きいもの（SM ツール)，同様に切りくずだまりが小さいもの（BM ツール）およびすくい角に相当する角度がほぼ 0°で，切りくずだまりが複数あるもの（DM ツール）となっている．
2.4

接合部の評価方法

図2

組織形状パラメータ

３．実験成果3.1

継手の引張せん断試験結果

図 3 は，各ツールを用いて作製した FSSW 継手の引張せ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た場合も，ツール回転速度 1000rpm において引張せん断強FSSW 後，得られた継手の引張せん断試験を行った．試さは最も高い値を示した．また，いずれの接合ツールもツ験方法は，得られた継手をそのままの状態で引張り，せん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断的に破壊した荷重で評価した．なお，引張速度は下する傾向を示した．この中で，DM ツールを用いた場合1mm/min である．また，引張せん断試験前後の継手を断面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方向に切断し，鏡面研磨後，ケラー試薬（フッ酸 2ml，塩くなる傾向を示した．なお，最も引張せん断強さが大きく

酸 3ml，硝酸 5ml および蒸留水 190ml）で腐食して，光学4

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

SM tool
BM tool
DM toolについては，接合部の状態を定量化するため，図 2 に示す
域幅 2)，プローブ表面からフック（上板材料と下板材料の界面に存在する酸化物層）3, 4)先端までの距離（以下，Y値）5)，フックと上板および下板の初期界面とのなす角（以下，曲度），攪拌領域幅と変形材料幅の和でもあり，プロ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Failure load, kN

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

321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観察を行った．上板の場合は PCD7mm に直径 0.8×深さ 1mmのキリ穴を 4 つ配置し，下板の場合は接合ツール回転中心0から 1mm の位置に直径 0.8×深さ 1mm のキリ穴を 1 つ配置

1000

2000

3000

Tool rotational speed, rpm

し，超硬合金粉末を充填した．その後，通常と同条件でFSSW を行った継手を用いて観察を行った．

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

図3

引張せん断強度とツール回転速度との関係

なる場合，3kN 以上を示すことから，同様の寸法のツール

度 1000rpm において，各接合ツールを用いて作製した FSSW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．いずれの接合ツられる．

ールを用いた場合でも，攪拌領域は不明瞭で，フック先端3.2位置は低いままであることが観察された．そのため，組織継手の組織観察結果

図 4 は，最も高い引張せん断強さを示したツール回転速形状パラメータを測定して特徴を定量化した．

(a)

(b)

(c)

1mm1mm(a) SM tool
図41mm(b) BM tool(c) DM tool

ツール回転速度 1000rpm における FSSW 継手の組織観察結果

2000

SM tool
BM tool
DM tool

Y value, m

Bonded width, m

1500
SM tool
BM tool
DM tool

1000

1000

500

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

01000

2000

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

03000

1000

図520003000

Tool rotational speed, rpm

Tool rotational speed, rpm
接合幅とツール回転速度との関係

図6

Y 値とツール回転速度との関係

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

10050SM tool
BM tool
DM tool
Welding conditions (A5052/A6061)
Shoulder penetration depth: 0.4mm
Plunging speed: 2.5mm/s
Dwell time: 1s

01000

2000

Hook height, mCurvature, °150

500

03000

曲度とツール回転速度との関係

2000

3000

Tool rotational speed, rpm

Tool rotational speed, rpm
図71000

図8

フック高さとツール回転速度との関係

図 5～8 は，それぞれ接合幅，Y 値，曲度およびフック(a)高さについて示したものである．接合幅を示した図 5 より，
DM ツールのみツール回転速度が増加するにつれて接合幅も拡大する傾向を示し，SM および BM ツールではツール回転速度が増加するにつれて接合幅は一旦拡大した後，減少する傾向を示した．Y 値を示した図 6 より，各ツールによ1mm

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(a) SM tool

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た．曲度を示した図 7 より，いずれのツールでも，ツール(b)回転速度が増加するにつれて接合幅は一旦拡大した後，減少する傾向を明確に示した．フック高さを示した図 8 より，
SM ツールは回転数に関わりなく低いフック高さを示したが，低回転領域でのみ非常に高いフック高さを示した．一方，BM および DM ツールは回転数に関わりなくほぼ一定の1mm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る傾向を示した．これらのことから，本実験に使用したツ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，(b) BM tool(c)

概ね，接合幅や Y 値はツール回転速度に関わりなく大きくなる傾向を示すことであると考えられる．また，曲度はツール回転速度が大きくなると急激に低下すること，および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1mmることであると考えられる．
図 9 は，最も高い引張せん断強さを示したツール回転速(c) DM tool

度 1000rpm における，引張せん断試験後の組織観察結果を示したものである．いずれのツールを用いた場合も，破断

図9

経路はせん断的に攪拌領域を含む熱加工影響部を横断し張せん断試験後の破断位置

ツール回転速度 1000rpm における FSSW 継手の引ていた．最も高い引張せん断強さを示した DM ツールの場
合，図 5 に示したように，他のツールに比べて接合幅が大考えられる．

きくなっており，せん断面積が大きくなっていた．また，

3.3

図 7 に示したように曲度も大きいことから，ある程度まで

図 10 は，上板にトレーサ材料を配置した場合の塑性流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動状態を観察した一例として，ツール回転速度 1000rpm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における DM ツールを用いた場合を示したものである．ト

(1)

(1)

(2)

1(3)

図 102

塑性流動状態の観察結果

(2)

2(3)

3

3

1

Welding materials: A5052/A6061
Tool: DM toolTracer material: WC powder (Upper)
Tool rotational speed: 1000rpm
Shoulder penetration depth: 0.4mm
Plunging speed: 2.5mm/s
Dwell time: 1s

Welding materials: A5052/A6061
Tool: DM tool
Tracer material: WC powder (Lower)
Tool rotational speed: 1000rpm
Shoulder penetration depth: 0.4mm
Plunging speed: 2.5mm/s
Dwell time: 1s

ツール回転速度 1000rpm において DM ツールを

図 11

ツール回転速度 1000rpm において DM ツールを用いて作製された FSSW 継手の上板における塑性流動用いて作製された FSSW 継手の下板における塑性流動状態観察結果

状態観察結果レーサ材料は，点 1 に示すように当初配置した領域で多く(2)組織観察結果を用いて組織形状を定量化した結果，接観察され，バリの排出方向に向かって分布しており，点 2合幅や Y 値はツール回転速度に関わりなく大きくなる傾および 3 に示すようにキーホール方向では全く観察され向を示すことや，フックの曲度はツール回転速度が大きくなかった．

なると急激に低下すること，および，フック高さはツール

図 11 は，下板にトレーサ材料を配置した場合の塑性流回転速度に関わりなく，概ね一定であることが明らかとな動状態を観察した一例として，ツール回転速度 1000rpm

った．

における DM ツールを用いた場合を示したものである．ト(3) )本接合ツールを用いた場合，上板にはツール外周部

レーサ材料は，点 1 および 2 に示すように，キーホール側に向かってバリを排出するような，下板にはキーホールに面部および上板の内部の位置で，層状に観察された．また，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

点 3 に示すように，トレーサ材料はキーホールに沿ってごような塑性流動があると考えられる．

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

謝ず，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

辞本研究は公益財団法人天田財団平成 24 年度一般研究開発助成（AF-2012010）の助成を受けたものです．ここに謝意を表します．

があり，下板についてはキーホールに沿って上昇し，これ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

参考文献

流動があると考えられる．これらの結果は，一般的なツー

1)T. Shibayanagi, A. Gerlich, K. Kashihara and T. H.

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

North: Metallurgical and Materials Transactions A,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40A (2009), 920-931.

ると考えられる．また，本研究で指摘している切削工具の2)Y, H. Yin, N. Sun, T. H. North and S. S Hu: Science

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

and Technology of Welding and Joining, 15-1 (2010),

合とも塑性流動状態は異なっており 6)，本研究で使用した

81-86.

ツールが発生させる塑性流動が，非常に特徴的であることが明らかとなった．

3)H.

Badarinarayan,

International

Y.Shi,

JournalofX.Li

andMachine

K.Okamoto:Tools

andManufacture, 49 (2009), 814-823.

４．結論
せん断変形を効率的に発生させるため，プローブ形状に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，3kN 以上を示す．

4)G. Buffaa, G. Campanile, L. Fratini and A. Prisco:Materials Science and Engineering A, A519

(2009),

19-26.
5)Y. H. Yin, N. Sun, T. H. North and S. S. Hu: Materials
Characterization, 61(2010), 1018–1028.
6)生田明彦，尹玉環，T. H. North：溶接学会論文集，30(2012)，107-115