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November 2022

新構造材料技術研究組合（Innovative Structural Materials Association, 略称：ISMA）
広報誌

特集 マルチマテリアルを実現する「線形摩擦接合法（LFW）」の開発

大阪大学 教授

藤井英俊 氏れを可能にしたのが、藤井教授らのある大ISMAプロジェクト参画のきっかけとなった中高炭素鋼の接合技術教授らが取り組んだのが、固相摩擦接合技

きな発見でした。それは、材料同士を横ISMAプロジェクトの下、「固相摩擦接術の一種である「低温線形摩擦接合法から押し付ける力（印加圧力）を増加させ合技術」の研究開発を進めているのが、大阪大学接合科学研究所の藤井英俊教授を中心とする分担研究拠点です。

（LFW）」の開発です。

革新的な接合技術「LFW」のマルチマテリアルへの適用

自動車の次世代の構造材料として期待

LFWとは、材料同士を押し付けながされているものに、従来の鋼に比べて引張ら、擦り合わせることで、接合面で発生強度が高い「中高炭素鋼」があります。しする摩擦熱を利用して接合する方法でかし、鋼が相変態を起こす723℃以上の高す（図1）。

温で接合すると、冷却中に脆化するという中でも藤井教授らが本プロジェクトの課題があるため、従来の溶接技術では接初期に開発したLFWの特徴は高速かつ合がむずかしく、自動車には使われていま低温で接合できることにありました。そ線形摩擦接合（LFW)
炭素鋼板
接合時間：1秒
上後
High Speed Camera
2500f/s

前下yxz

図1. 材料同士を押し付けながら、擦り合わせることで、接合面で発生する摩擦熱を利用して接合する「線形摩擦接合法（LFW）」

合したい材料と材料の間に“センター材”をマルチマテリアルの摩擦接合法の開発
例１：Ti 合金とステンレス鋼（従来の LFW で接合可能）
ステンレス
加圧

両材料が変形交点あり

Ti合金

Ti合金

ステンレスAI合金

強度-温度依存性
材料強度 (MPa)UTS (MPa)強度-温度依存性

ような強度の温度依存性をもっているもの

Ti合金
振動 加圧

ステンレス
印加圧力はさむことでした。センター材には、図4の

例２：Al 合金と炭素鋼（従来の LFW では接合困難）炭素鋼炭素鋼を選びます。

振動加圧

加圧

そして、低温で接合するべきアルミニウムAl合金のみ変形

Al合金

交点なし

合金には高い圧力を、一方、高 温で接合す→強度の低いAl合金のみ変形
→接合困難

印加圧力

5mm

温度(℃)
グラフに交点が存在＝材料強度が等しくなる温度が存在する

べき炭素鋼には低い圧力を印加しながら、温度(℃)

交点における圧力を印加→ 両界面でバリが排出→ 高強度継手

センタードライブ両面LFWにより接合可能に両側から材料を押し付け、センター材だけ

図2. ステンレス鋼が示すグラフ（オレンジ色）とチタン合

図3. アルミニウム合金（緑色）と炭素鋼（ねずみ色）の強度を上下に振動させることで、3種類の材料を金の示すグラフ（青色）。グラフの交点は両者の材料強の温度依存性を表すグラフ。交点がないため、どの温度、度が等しくなる点を示している

印加圧力においてもアルミニウム合金が変形してしまう同時に接合することができるのです。
藤井教授はこの方法を「センタードライ
ブ両面LFW」（図5）と命名しました。
「これればさせるほど、接合温度が低下するといできるはずだと、藤井教授らは考えたのにより、継手 効率92％を達 成しました」

う現象です。この発見により、藤井教授らです。
「実際に接合してみたところ、100％（藤井教授）

は、中高炭素鋼同士を723℃よりも低い温の継手効率が得られることを確認しまし度で接合でき、しかも十分な引張強度を確た」（藤井教授）

保できることを実証しました。この原理をこのように、それぞれの材料の強度の温度依存性をもとに、最適な温度と印加圧力を割り出すことで、どのような異種材料で3種類の材料を同時に接合することができる「センタードライブ
両面LFW」

もとに、次にこのLFWを、異種材料同士の接合に適用することに挑戦したのです。

あっても接合が可能となりました。

2021年に「接合技術拠点」
を創設

まず、検討したのはステンレス鋼とチタ

さらに、藤井教授らはアルミニウム合金ン合金の接 合です。ここで着目したのと炭素鋼の接合を検討しました。両者のISMAプロジェクト終了後、藤井教授らが、両者の強度の温度依存性でした（図

強度の温度依存性を表すグラフは図3の通は2021年に創設した「接合技術拠点」
を基2）。ステンレス鋼が示すグラフとチタン合りで、交点がありません。これは、どのよ盤に、固相摩擦接合技術のマルチマテリ

金の示すグラフの交点は、両者の材料強うな温度、印加圧力においても強度の低アル化への適用に向けた研究開発を継続度が等しくなる点です。この交点の温度

いアルミニウム合金のみが変形することをしていく計画です。
「革新的な固相摩擦接と印加圧力で接合すれば、ステンレス鋼も表しています。

合技術の確立と1日も早い実用化を目指

チタン合金もともに変形し、高強度で接合

そこで、藤井教授らが考案したのが、
接マルチマテリアルの摩擦接合法の開発◎センタードライブ両面LFWします」（藤井教授）

センタードライブ両面LFW装置

強度-温度依存性

Al合金
UTS (MPa)

炭素鋼

試料
加圧 試料

温度(℃)
AI合金

各界面に異なる圧力を印加

センター材

振動

高圧力

炭素鋼

振動

加圧 試料

スペック
最 大 振 幅：±2mm
最大周波数：50Hz
最 大 荷 重：300kN

低圧力

三種の金属を同時に接合

図4. センター材の強度の温度依存性を示すグラフ（ピンク色）
。アルミ

特徴

・センタードライブ方式を有するLFW装置は現在唯一無二・左右の各圧力を独立制御できるニウム合金（緑色）とセンター材との交点、炭素鋼（ねずみ色）とセンター材との交点における温度と印加圧力で接合することで、センター

図5. ISMAで開発したセンタードライブ両面LFW装置。センター材だけを材を介してアルミニウム合金と炭素鋼を同時に接合可能。具体的に上下に振動させて3種類の材料を接合する。真ん中の小さなセンター材

は、アルミニウム合金とセンター材は、アルミニウム合金とセンター材とだけを振動させるので、振動させるのが困難な（同種の）大型構造物同士の交点における温度と印加圧力で接合し、炭素鋼とセンター材は、炭の接合も可能。また、本装置はセンター材を使わない2種類の材料の接素鋼とセンター材との交点における温度と印加圧力で接合する合にも対応しているNovember 2022 No.16

特集 革新的FSWによる超ハイテン接合部材の開発

左：株式会社日立製作所
主任研究員

保田雄亮 氏右：JFEスチール株式会社
主任研究員

松下宗生 氏超ハイテン材を高速で接合可能な「ハイブリッドFSW」の開発

は、接合速度が遅すぎて、量産化が不可能とJFEスチールの松下宗生氏は話します。という課題があります。そこで、JFEスチー

その後の解析により、摩擦攪拌による接衝突時の乗員保護と燃費向上のためのルは、超ハイテン材を高速で接合可能な合部の鉄の流動の仕方が、ツールが1個の軽量化を目的に、自動車用鉄鋼部材の高「ハイブリッドFSW」の開発に取り組みまし場合と2個の場合ではかなり異なっており、強度化が急速に進められています。そのた。これは、部材の両面からツールを押しそれが顕著な高速化をもたらしていること一 環として、「革 新 的 摩 擦 攪 拌 接 合 法付けて摩擦攪拌することで接合する「両面がわかってきました。また、ハイブリッド（FSW）による超ハイテン接合部材の開発」

FSW」（図7〜9）と、接合する箇所を高周波FSWにすることで、片面FSWと比べて約16に取り組んでいるのが、JFEスチールと日立

誘導加熱やレーザ照射などにより予熱する倍の接合速度が得られることも実証されまグループです。

プロセスを組み合わせたFSW技術です。

した。

まずは、
JFEスチールの取り組みから紹

一方、特性に関しても、従来のレーザ溶

片 面FSWに比 べ 両 面FSWにしたことで8倍の高速化を実現接と同等の性能が得られることが確認され乗員を事故から保護するには、キャビン

その結果、ハイブリッドFSWの接合速度ました。特に、超ハイテン材をレーザ溶接周りに高強度で信頼性の高い超ハイテン材

は、従来のレーザ溶接と同等の速度を達成

すると、接合部に水素が混入することで水を使うことが求められます（図6）。しかし、しました。
「特に、両面FSWの鉄鋼部材へ素割れ、水素脆化が起こりやすくなるので超ハイテン材の場合、一度溶かしたあとにの適用は初の試みで、どれくらい高速化がすが、両面FSWでは、水素の混入が非常に冷やし固めると脆くなる危険性が高いた

図れるか予測できませんでした。片面によ少ないこともわかりました。
「そこで、
自動車

め、従来の接合技術を使うことができませる接合速度の2倍程度になることを期待し部品を試作してみたところ、プレス成型がん。そこで、材料を溶かさない接合方法でていましたが、実際には、約8倍の高速化を十分可能であることが確かめられました。

あるFSWに期待が寄せられていました

確認しました。そこまで高速化できるとは実用化を検討できるレベルに達することがが、FSWを使って鉄鋼部材を接合するに思っていなかったので、非常に驚きました」

できたのです」（松下氏）

介しましょう。

November 2022 No.16

合速度やツールの回転速度、両面FSW継手の特性の明確化

背 景自動車車体のマルチマテリアル化により適材適所に材料を選択ツールの挿入量などです」と日

供試鋼：板厚1.6mm-1.5GPa級冷延鋼板 板厚1.6mm-590MPa級冷延鋼板■ 接合方法・条件：■

車体軽量化に向けたマルチマテリアル化の一例
ルーフ：アルミorCFRP

パッケージトライ：アルミ
フロアパネル：アルミorCFRP

ボンネット：アルミorCFRP

カウル：アルミ

レーザビームレーザ溶接（現行）

トランクリット：アルミorCFRP

590MPa級鋼板

両面FSW
（開発）

主な成果は次の3つです。
接合方向

接合方向
1.5GPa級鋼板･溶接条件

正突部位：超高強度鋼板

ショックタワー：アルミ

フェンダー：アルミorCFRP

ドア：アルミorCFRP

■

下側ツール

レーザ出力：2.5kW
溶接速度：3m/min

継手マクロ
組織

将 来 課 題 ：超ハイテンの溶接においては、溶融により生じる割れ・脆化の感受性が高まる、溶接部強度確保が困難となる

両面FSW（開発）

1.5GPa590MPa1.5GPa590MPaです。2つ目は、目標としてい1.5GPa590MPa50mm

590MPa50mm

た長さ25mの連続接合の達1.5GPa1mm

1mm

アプローチ：非溶融接合である摩擦攪拌接合(FSW)の高能率化により、割れ・脆化の回避と満足な継手性能・施工能率の接合技術を開発する。

どちらも外観、内部において欠陥の無い健全な接合部が安定的に形成

図6. 搭乗者を事故から保護するには、キャビン周りに高強度で図7. 開 発した「両 面FSW」（右）と従 来のレーザ溶 接（左）。

信頼性の高い超ハイテン材を使うことが最適。そのためには

両面FSWでは、材料の両面から摩擦接合により材料を溶か超ハイテン材の接合技術の開発が不可欠さず高速で接合できる■

1つ目は、超ハイテン材に対する長寿命なFSWツール開発

接合部観察：継手外観

キャビン回りは衝突事故時に乗員保護の役割から変形しにくい構造が必要 ⇒ 超ハイテンが適材

1.5GPa級鋼板

ツール回転数：1500rpm
接合速度：3m/min･接合条件

レーザ溶接（現行）■590MPa級鋼板

リフトゲート：アルミorCFRP

側突部位：超高強度鋼板

立製作所の保田雄亮氏。

上側ツール成です。そして、3つ目は、最適化したツールをロボットに取り付け、接合条件を補正する制御機能を実装したことで、安定した品質で接合が可能となり、自動車部品を想定

一方、実用化に向けた課題は両面FSW

自動車部品の実用化に向けては複雑なしたプレス成形部材のアッセンブリ接合のツールのコストと耐久性です。そのた形状に対応可能な接合装置の開発が不の試作に成功したことです。
「今後はそれめ、同社では今後、ツールの製造企業との可欠です。そこで、日立グループではさまぞれの顧客の要望に応じたオーダーメイ連携により、実用化を目指す予定です。

ざまな形状の部品に対応可能な「ロボットド型のFSW装置やFSWツールの開発をさまざまな形状の超ハイテン材に対応可能な「ロボットFSW装置」の開発

FSW装置」による超ハイテン材のアセンブ進めていきます」（保田氏）

リー接合技術の開発を進めました（図10）。

両者は今後も超ハイテン材の自動車部「まず、超ハイテン材に対して、FSWツー品への適用に向けFSWによる超ハイテン

次に、日立グループの取り組みを紹介

ルを開発し、ロボット制御する際の接合条材の接合技術の1日も早い実用化を目指件を最適化しました。接合条件とは、接していきます。

しましょう。

上側回転ツール

接合部
下側回転ツール
図8. JFEスチールが開発した「ハイブリッドFSW」に対応した実 図9. 両面FSW装置での接合の様子。
図10. 日立グループが開発した「ロボットFSW装置」

験装置。超ハイテン材をレーザ溶接並みの高速で接合可能

さまざまな形状の超ハイテン接合部材に対応可能

イベント情報● 革新的新構造材料等研究開発「2022年度成果報告会」

ISMA REPORT November 2022, No.16©Innovative Structural Materials Association. 2022 All rights reserved.

日時：2022年12月20日（火） 場所：イイノホール（東京都千代田区内幸町）● オートモーティブワールド2023「第13回 車の軽量化 技術展」

日時：2023年1月25日（水）〜 27日（金） 場所：東京ビッグサイト（東京都江東区有明）● nano tech 2023 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議

日時：2023年2月1日（水）〜 3日（金） 場所：東京ビッグサイト（東京都江東区有明）● 革新的新構造材料等研究開発「最終成果報告会」

日時：2023年3月16日（木） 場所：イイノホール（東京都千代田区内幸町）

お問い合わせ先 新構造材料技術研究組合（ISMA）
技術企画部〒100-0006 東京都千代田区有楽町1-9-4 蚕糸会館10階
Tel：03-6213-5655 Fax：03-6213-5550
デザイン：高田事務所 撮影：石川典人（表紙ほか）
取材･執筆：山田久美