アルミニウム合金とポリアミド樹脂の中間にインサート材料を用いる異種材料のレーザ接合技術とその要素技術の開発
広島工業大学 機械システム工学科准教授 桑野 亮一（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018210-B2）
キーワード：異種材料接合，半導体レーザ，熱可塑性エラストマーシート，陽極酸化，アルミニウム合金

１．研究の目的と背景

0%

0.005 %

0.01%

0.07%

0.5%

1.0%

0.02%

環境負荷の低減や CO2 排出の削減などの社会的な取り組みが行われている．輸送機器分野での取り組みでは，重量と燃費の間に強い相関があることから，車体の軽量化が進められている 1)．車体材料や構造設計の改良や材料の代替などを実現するためには，異なる材料を適切に使用するマルチマテリアル化が不可欠となっている．それに伴い異種図1

試作したインサートシートの外観

材料の接合は，ますます重要な基盤技術となっている．
異種材料の接合では熱膨張係数，ヤング率，融点，熱伝の接合用のインサートシートを試作した．主に接合界面で導率などの物性差が著しく異なる場合，熱応力や残留応力の光吸収の調整ができることと接合時や接合後に発生すの発生や長期的な継手の健全な維持などの問題が挙げらる応力を緩和する機能を備えていることを目標とした．よれる．これまでに，樹脂と樹脂，樹脂とアルミニウム合金，ってインサートシートについて，主成分として PA66 に熱チタン合金，ステンレス鋼などとの異種材料接合の報告が可塑性エラストマーシートを 15%，PA6 を 10%混合して製多数ある 2-4)．これらの多くは，被接合材同士を直接接合作した．またカーボンブラックを 0 から 1%の範囲で 7 種する接合方式であるため，接合加工中の加工安定性や材料類変化させて試作し，その外観を図 1 に示す．インサート

物性差による上記のような問題が懸念される．一方，本研シートは，カーボンブラックの濃度が増えるほど，黒い外究では，それらの問題を緩和するために被接合材料の間に観となった．また 7 種類ともそれらの厚みは 0.1 mm であインサート材料を用いるレーザ接合技術を開発している

る．以後，インサートシートをCB シートと称す．

5-7）

2・2質を左右する重要な周辺要素技術となる．

図2に半導体レーザを用いる接合方法について示す．材料．本接合方法で使用するインサートシートは，接合品接合方法

そこで本研究では，ポリアミド樹脂である PA66 とアルをA：PA66,B：CBシート,C：A5052の順に重ねて，それらのミニウム合金 A5052 の異種材料接合において，それらの中中心線に沿ってレーザを材料A側から走査し照射した．レ間に熱可塑性エラストマーシートを用いるレーザ接合技

ーザで接合加工中は，接合試験片をガラス板で固定し，土術の開発を行った．インサートシートの主要な目的は，接台に設けた空気圧シリンダを用いて加圧した．表1にレ ー合界面での光吸収の調整ができることと接合時や接合後ザ照射条件を示す．に発生する応力を緩和することである．ここでは，レーザCB シートの接合性能を評価する場合，接合熱量不足の加熱による PA66 同士，PA66 と A5052 の異種接合の結果，影響を除くためにヒータによる加熱で A5052 同士の接合

また試作したインサートシートの接合性能をヒータ加熱を行った．まず設定温度を一定にしたヒータ上に材料を上による A5052 同士の接合から評価した結果について報告

から A，B，C の順で重ねた．次に 19.6 N の重りで加圧し，する．

その状態で 300 s 加圧し接合した．その後，重りを取り除
き 30 s 空冷し室温に放置した．接合時の温度を CB シー

２．実験材料と実験方法
2・1

実験材料

実験材料には接合材として，ポリアミド系樹脂 PA66

ト部に熱電対を挿入し，285～300 ℃の温度条件のときに接合した．
2・3

異種接合後の評価（100 mm x 20 mm，t1，t3)と A5052（100 mm x 20 mm, t2)

接合部材の評価は，引張せん断試験を行い，そのときのを使用した．接合材料に供する A5052 には，表面未処理の破断荷重 N を測定した．破断後の A5052 の接合部表面を市販材料と陽極酸化処理の材料を用いた．陽極酸化処理を光学顕微鏡で観察した．また陽極酸化後の A5052 の表面形

希硫酸溶液 12%，1800 s から 3600 s の時間範囲で行った．

状の確認は，ショットキー電界放出形走査電子顕微鏡（日本研究では樹脂とアルミニウム合金の接合にインサート材料を用いる接合方法を開発している．そこで，それら

本電子社

JSM-7200F）で観察した．

50Z

DTA mV

押えガラス

A

A：PA66B

C

C：A5052

土台

302010

B：CB シート

ステージ

500

0-60

200-80100-100-1001020

レーザ接合方法

3040

5060

時間 分

試作した CB シートの熱的特性

レーザ照射条件
800, 1200, 2000

W

ビーム移動速度60, 80mm/s

レーザ照射面積0.81-1.40cm2

カーボンブラック濃度 0%7060３．実験結果および考察
インサートシートの熱特性と分光特性

CB シート（インサートシート）の熱的特性は接合工程にとって重要である．図 3 に試作した CB シートの熱重量測定（TG）と示差熱分析（DTA）の測定結果を示す．
測定はセイコーインスツルメンツ（株）TG/DTA6300 を用いて，昇温速度10 ℃/min；雰囲気ガス空気；雰囲気ガ

透過率%

レーザ出力

3・1-40300

図3表1-204000

エアシリンダ

図24020Temperature ℃

60v

600

TG %

70半導体レーザ

50403020100.001

0.010.1

カーボンブラック濃度

図41.0%

試作した CB シートの光学的特性

ス流量100 mL/min の条件で行った．加熱による温度上昇に伴い262 ℃に吸熱のピークが示されており，CBシー合結果を示す．照射条件はレーザ出力 800 W，ビーム移トの溶融開始状態が考えられる．さらに昇温が進み400℃

動速度 80 mm/s（Ed:240 J/cm2）で行った．縦軸に引張せ以上では熱分解が加速され，その重量は著しく減少しん断試験の破断荷重 N を示した．その値は，CB シートた．したがって，最大400 ℃以下での接合が適切であるのカーボンブラック濃度が増すと増加し，最大値を示したことがわかった．

後，減少する変化を示した．また板厚は厚い方が破断荷重

本研究の異種接合方法は，レーザで加熱するため，試作は高く，厚み 1 mm と 3 mm でのその最大値は，それぞした CB シートの分光特性は接合品質に大きな影響を与れ 895 N，1, 484 N であった．それらの接合強度を用いえる．試作した CB シートの透過率の測定結果を図 4 に示

た CB シートの面積 150 mm2 から求めると，それぞれ 6.0

す．カーボンブラックの濃度が増すとともに透過率は減少MPa（厚み 1 mm）, 9.9 MPa（厚み 3 mm）であった．

した．レーザ接合に用いる半導体レーザの波長は 808 nm

厚み 1 mm ではカーボンブラックの含有率が 0.01%とであり，その波長における透過率は炭素濃度 0%の CB シ0.02%，厚み 3 mm では 0.01%から 0.07%の場合，全てのートでは 64.6%であり，0.07 %のときに 51.9 %であった．

接合試験片は引張りせん断試験において PA66 自身が破さらにカーボンブラックの濃度が 0.5%以上から透過率が断した．カーボンブラックの濃度が高い 0.5%と 1.0%の著しく低下し，1.0%のときの透過率は 2.0 %ほどまでに低CB シートを用いたレーザ接合では，透過率と反射率の差下した．

で求めた吸収率が 92.3%と 93.5%と高い値であった．それ

3・2らを用いた接合試験片では，融合し接合されたような状態カーボンブラック濃度およびエネルギ密度の接合性への影響であったが，継手の破断荷重は 700 N（4.7 MPa）と低かPA66 と PA66 の接合に CB シートを用いたレーザ接合った．これはレーザの吸収率が高かったため，接合界面のについて調べた．基本的な接合条件はエネルギ密度 Ed を樹脂または CB シートに熱損傷や熱分解が生じた結果，継基準としてレーザ出力とビーム移動速度を変化させて接手の強度を低下させたことが考えられる．特に板厚が 1合可能な領域を調べた．その適正な条件は，接合できていmm ではその影響が大きかった．以上のように， PA66る状態と引張せん断試験後に界面破壊のないことから判の板厚と CB シートのカーボンブラック濃度の組合せに断し，エネルギ密度が 240 J/cm2 以上の範囲であることがよって，界面での加熱状態を調節できることがわかった．

わかった．図 5 に PA66 の板厚が 1 mm と 3 mm での接特にカーボンブラックの添加量は，0.1 %以下の範囲で有厚み mm
1凝集破壊

PA66 の破壊

PA66
CB シート

破断荷重kN31.61.41.21.00.80.60.40.200.005A5052
1.00.070.020.01

カーボンブラック濃度 %C

図7C0.00520 mm

表面未処理A5052のレーザ異種接合状況

J/cm2 付近であることがわかった．
図 6 に引張りせん断試験の破壊の状態と位置を示す．図界面破断Stage0.010.020.070.5
カーボンブラック濃度 %1.06（a）に破断前の接合界面の位置を示す．図 6（b）と（c）に凝集破壊と被接合材の破壊の様子をそれぞれ示す．図 6（b）のような凝集破壊はカーボンブラック濃度 0.07 %以

CB シートによるレーザ吸収の効果

図50.5

上で多く確認された．両方の被接合体の接合部に CB シートが残存した状態であるが，接合力が低かったのは CB シートや PA66 の熱損傷による材料的な劣化が原因と考え

界面Ⅱ
荷重

荷重

ーボンブラック濃度 0.07 %以下で認められた．この接合界面Ⅰ（a）られる．一方，図 6（c）のような PA66 母材の破壊はカ状態は，界面が適正な接合温度範囲であったことが推察さ

引張せん断試験片と接合界面の位置れる．継手の破壊は， CB シートの周辺部から進行したIIIIことが観察された．
CBシートを用いたPA66 とA5052のレーザ接合性を調べた．図 7 に示すように 6 種類のシート全てで接合は困難

IIIIであった．原因として，A5052の放熱性が高いこととCBシートと A5052 との材料的な結合の難しさが考えられ

(b)

凝集破壊
図6(c) 母材破壊

接合試験片の破断の状態

効に機能した．破断荷重が高かった PA66 板厚 3 mm について，レーザ出力を 800W, 1200W, 2000W の条件で照射しており，出力が高いほど継手の破壊状態は PA66 母材で破断することが多かった．レーザ出力 2000 W，ビーム移動速度 80 mm/s（Ed : 700 J/cm2），カーボンブラック含有量 0.07%のとき，破断荷重は 1, 648N の最大値を示した．
この傾向は他のレーザ出力でも同様であった．レーザ出力800W（Ed : 240 J/cm2）でカーボンブラック濃度 0.005%の CB シートでは接合部の熱量不足のため接合力が低い界面破壊であった．カーボンブラック濃度が 0.5%以上の領域では，凝集破壊が多く，破断荷重は 1, 000 N 程度であった．カーボンブラック濃度が高いと，CB シートの蒸発や接合界面の熱損傷などで材料の劣化と実質的な接合面積が低下したことが原因と考えられる．このようにエネ
ルギ密度が 240 J/cm2～933 J/cm2 の範囲での引張りせん
断試験の結果から，エネルギ密度が 700 J/cm2（レーザ出力 2000 W，ビーム移動速度 80 mm/s）のときに最大値を示す傾向が得られた．さらにエネルギ密度が高い 933J/cm2（レーザ出力 2000 W，ビーム移動速度 60 mm/s）のとき，接合界面が過剰な入熱状態となり，破断荷重が低下した．以上から，適正な接合範囲はエネルギ密度 700る．しかし，PA66 とPA66 あるいは A5052 をヒータで加熱する接合の場合，PA66 に熱変形や熱損傷が発生したた
め，接合は困難であった．このことから，レーザ加熱では内部発熱の効果と CB シートの効果を利用できるため，異種材料接合における熱源の優位性が期待できる．
CB シート自体の接合性能を評価する上で接合熱量不足や熱源形状の影響を除く目的で，ヒータで加熱する A5052同士の接合を行った．まず A5052 の表面未処理の材料同士では，CB シートとの接合が困難であった．次に A5052を希硫酸で陽極酸化処理した材料では，異種接合が可能であった．その接合部材を製作後，引張せん断試験を行った結果を図 8（a）に示す．変位が増すとともに接合部材の担う荷重も増加した．変位 0.7 mm 以上では，A5052 の伸びと接合部付近の回転方向の変形による傾きの違いが認められた．破断後の接合試験片は，試験荷重によって曲げ変形が残っており，塑性変形に至るほどの応力を担う結合部を得られたことがわかった．製作した接合試験片間の変位と荷重の変形履歴も再現性がよく，接合工程に起因するバラツキは抑えられていた．破断荷重の平均値 5.7 kN
2を CB シートの面積 400 mm（□20mm）から求めると，14.3 MPa であった．この結果から試作した CB シートの接合力は，アルミニウム合金の 0.2 %耐力以上の接合力を有することが確認できた．図 9 に A5052 に陽極酸化処理に加え封孔処理（沸騰水処理，封孔剤使用，80 ℃-900 s）を行った A5052 同士のヒータ接合試験片の引張せん断試

0(a)

kN

Stage

破断荷重

kN
破断荷重

8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.01.0

8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
変位 mm

引張せん断試験における変位と破断荷重0

図9Stage

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
変位 mm

陽極酸化+封孔処理材の引張せん断試験

CB シートの残存A5052
A5052(b)

2 mm

変形方向

変形方向

引張せん断試験後の破断面と継手の曲げ変形
図8

CB シートの接合性能

担う荷重が増加した．これらの変位と荷重の変化は陽極酸化のみの図 8（a）と同様であった．陽極酸化のみと封孔処理も行った場合を比較すると，変位および破断荷重は，100 nm

100 nm験結果を示す．試験荷重の増加とともに変位と接合部材の（a）陽極酸化処理の表面形 （b）陽極酸化+封孔処理の状
表面形状
図10 A5052 の表面処理による表面形状

それぞれ 32.8%と 12.3%向上した．図 10（a）に陽極酸化

謝のみと図 10（b）に陽極酸化と封孔処理を行った材料の走辞

査電子顕微鏡像を示す．図 10（a）に示すように陽極酸化

本研究は，公益財団法人天田財団の 2018 度一般研究開処理のみの表面は，比較的滑らかな表層部が形成されてお発助成（AF-2018210-B2）を受けて実施されたものであり，り，直径が数百 nm から 1 m 規模にわたる大小の凹凸構厚く謝意を表します．また，本研究を遂行するにあたり，造が認められた．さらにそれらの表面は，数十 nm 程度の表面処理，表面分析，インサートシートの試作等で多大な微細孔が多数形成された微細構造を有していた．一方，図ご支援を頂いた広島工業大学の日野実教授，㈱サーテック

10（b）は，図 10（a）の表面形状を基盤とし，数十 nm永田の永田教人常務，富山県立大学の永田員也教授に厚く程度の微細突起状の凹凸形状が密に形成されていた．以上御礼申し上げます．の観察から，陽極酸化や封孔処理の表面処理によって，表参考文献

面に微細な起伏が形成されたことによる接合面積の増加とアンカ効果によって，接合力が向上したと考えられる．

1)佐藤千秋：表面技術, 67，12 (2016), 644.
2)中村秀生・寺田真樹：溶接学会誌, 72，3 (2003), 189.

４．結 言3)長谷川達也・前田知宏・中原修一・高井雄一郎・中村

ポリアミド系樹脂 PA66 とアルミニウム合金 A5052 と隆：日本機械学会論文集（C 編）,67, 661 (2001-9), 2997.の接合用として，カーボンブラック含有の熱可塑性エラス4)片山聖二・川人洋介・丹羽悠介・丹下章男・久保田修司：

トマーを添加したインサートシートを試作し，それによる異種材料接合の可能性と性能について検討した．試作したインサートシートは，その上下の界面を含む内部領域にお溶接学会論文集,25, 2 (2007), 316.
5)J. Holtkamp, A. Roesner, A. Gillner, Int J Adv ManufTechnol, 47 (2010) 923-930.

ける光吸収の調節と安定した接合加工が可能であった．

6)水戸岡豊・永田員也・日野

0.1 %以下のカーボンブラック含有量のとき，接合部材の7)水戸岡豊・日野接合力の向上効果が確認できた．接合後の引張せん断試験から，継手の破壊はインサートシートの周辺部を起点に生じたことがわかった．試作したインサートシートの接合能

実：特願 2006-177613.

実・永田員也：レーザ加工学会誌，14（2007）,250–254.
8)日野実・水戸岡豊・村上浩二・浦上和人・高田潤・金谷輝人：軽金属,59, 5 (2009), 236.

力は，A5052 の 0.2 %耐力相当以上あることが確認できた．

9)M. Hino, R. Kuwano, N. Nagata, K. Nagata, T.

インサートシートを用いて接合するためには，A5052 のKanadani : Materials Science Forum, ISSN: 1662-9752,

陽極酸化処理が必要であることがわかった．

941, 1815-1820.