Uematsu Lab., Dept. Mechanical and Systems Engineering
Gifu university

渦溝ツールにより作製した
A6061/AZ31異種金属摩擦攪拌スポット
接合継手の疲労挙動
岐阜大学
○植松美彦
岐阜大学
柿内利文
岐阜県機械材料研究所 戸崎康成
豊和工業
麻地剛史

背 景

Al，Mg合金の使用が拡大

省資源
省エネルギー化

輸送機器の軽量化

自動車産業界においてAlとMgの接合が重要

溶融法では接合界面に脆い金属間化合物(IMC)を多量に形成

摩擦攪拌スポット接合(FSSW)・固相接合法であり，IMC形成が少なく異種材接合に最適
・AlとMgの接合実績はほとんどない
・従来のプローブツールでは穴が残る欠点

本研究の目的プローブのない渦溝ツールを用いたFSSWにより，A6061/AZ31継手を作製し，継手の疲労挙動を検討する
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渦溝ツールによるFSSW
ShoulderToolを回転させながら圧入

Material flow

Toolの回転と圧入により塑性流動発生

保持時間，回転と圧入を維持
Plunge and Stir

ツール形状

Retract

引き抜き

深さ0.5mmの渦溝
10mm

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供試材料
アルミニウム合金A6061-T6，Mg-Al系合金AZ31
Chemical composition of materials(wt.%).
Material
A6061

Si0.63

Mn
0.15

Mg
1Zn
0.01

Fe0.29

Ti
0.02

Cu
0.27

Material
AZ31

Al
3.29

Zn
0.75

Mn
0.3

FeSi
0.003 0.01

Cu
0.01

Cr
0.17

Mechanical properties of materials.
Material

0.2% proof
stresss0.2 (MPa)TensilestrengthsB (MPa)Elongationd (%)

Elasticmodulus
E (GPa)Vickers
hardness(HV)

A6061287

311

1567109

AZ31220290204556

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実験方法
接合条件
上板:A6061
下板:AZ31
侵入深さ:1mm
保持時間:5s
回転速度:1000rpm
引張試験 万能引張試験機
疲労試験 容量49kN電気油圧式サーボ疲労試験機
・室温大気中・繰返し速度 : f =10Hz・応力比 : R=0.1
破面分析 走査型電子顕微鏡(SEM)
エネルギー分散型X線分析装置(EDX)
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接合部断面EDX分析

1mmAlMg

A6061
IMC
AZ315μm

接合界面に白い層状の部分を確認
線分析⇒AlとMgの双方が存在厚さ数μmの金属間化合物(IMC)Al12Mg17が形成
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接合部断面EDX分析
IMC layer thickness ( m)150

Material flow
Shoulder radius

100

A6061
50

AZ3100510Distance from weld center (mm)線分析結果から接合部におけるIMC厚さ分布を測定
・外周付近に向かうにつれ，IMC層が厚くなる
・接合部中心付近で約5μm，4mmの位置で約140μm

外周付近では上方向の塑性流動によりIMCが巻き上げられる
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接合部断面EDX分析：中央から4mmの位置

50μm

AlMg

4mmでは上方向の塑性流動によりIMCが巻き上げられている
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Loading direction

A6061

AZ31

平均2.3kN > JIS A等級1.9kN
せん断破壊
AZ31/SPCC(2.5kN) = AZ31/AZ31 ≈ A6061/AZ31(2.3kN)
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疲労試験結果
Maximum load Pmax (N)

3000
2500
2000
1500
1000
500
0 210

AZ31/AZ31
A6061/AZ31
AZ31/SPCC
A6061/SPCC
10310

4510106710108

Number of cycles to failure Nf

A6061/SPCC>A6061/AZ31
AZ31/SPCC = AZ31/AZ31 ≈ A6061/AZ31

渦溝ツールによるFSSWは異種金属接合に有効な手法
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巨視的破面様相
Fatigue fracture(Pmax=1000N)

Fatigue fracture(Pmax=750N)

A6061 side

Fatigue fracture(Pmax=1250N)

AZ31 side

Loading direction

Fatigue fracture(Pmax=1500N)

荷重依存性
1500N,1250N ⇒せん断破壊
1000N⇒せん断破壊であるが，AZ31側で母材破壊の兆候
750N⇒AZ31側で母材破壊

1000Nが破壊の遷移域

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微視的破面様相：A6061, 1000N(B)

Loading direction

(A)
aCB

b10μm

(C)

c
10μm

(A)中心から3,4mmの位置にき裂⇒IMC層厚さが最大の位置と対応(B)鏡面な破面
EDX(a,b): Al12Mg17(C)平坦な破面
EDX(c): Al12Mg17

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微視的破面様相：AZ31, 1000N
(A)

(B)

Loading direction

aB

b10μm

C
(C)
cd10μm(A)半円周方向に沿ったき裂⇒ナゲット部の応力集中(B),(C)鏡面な破面
EDX(a~d): Al12Mg17

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微視的破面様相：AZ31, 1000N(D)

Loading direction

(A)

e

B10μm

C

(E)
DE
100μm

(D)平坦な破面
EDX(e): Mg(B),(C),(D)

Al12Mg17の内部かAl12Mg17とMgの界面をき裂が進展(E)ナゲット部から大きなき裂が発生
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A6061/AZ31異種金属FSSWの疲労破壊機構
EDX分析⇒A6061/AZ31はIMC(Al12Mg17)により接合
高荷重⇒せん断破壊:母材より脆性的なAl12Mg17の内部あるいはAl12Mg17とMgの界面をき裂が進展
せん断破壊した破面のAZ31側のMg露出部の面積を測定
Fracture load(N)Mg area(mm2)Area fraction(%)

1500
2.25
2.87

1250
9.2
11.7

1000
2.21
2.82

破面全体の約10%
Al12Mg17の内部のき裂進展が支配的

低荷重⇒母材破壊:Al12Mg17が十分な強度に達していたためナゲット部の応力集中により，AZ31側母材にき裂が進展
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結言1.接合界面では，ショルダーの下部で厚さ約5μm程度の金属間化合物Al12Mg17の層が形成された．
2.引張試験において，A6061/AZ31継手はすべて接合界面に沿ってせん断破壊した．その平均破断荷重は2.3kNであった．
3.疲労試験において，A6061-AZ31継手は渦溝ツールで接合したAZ31-SPCC継手とほぼ同等の強度を有した．
4.疲労破壊形態は，A6061-AZ31継手において荷重依存性がみられ，Pmax≧1000Nの荷重域では引張せん断試験同様に界面に沿ったせん断で破壊した．これに対してPmax<1000Nの場合は， AZ31側の母材部で，ナゲットの円周方向にき裂が発生し，板幅方向に進展して最終破断した．
5.疲労破壊は主として金属間化合物相の割れで生じており，金属間化合物相をより薄くすることで，より高い強度が達成可能と思われる．
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