第19回講演会（WEB開催）
アルミ車両 技術と情報

2022年7月１４日
14：30～15：10

軽金属異種材料の接合技術の紹介
Introduction of joining technology for light metaldissimilar materials
株式会社UACJ R&Dセンター〇森 久史※、箕田正、加藤勝也、田中宏樹、米光 誠※第一研究部 押出鋳鍛厚板研究室 主幹© UACJ Corporation. All rights reserved.

カーボンニュートラルに向けた産業政策

日本政府は2050年までにカーボンニュートラルを目指すことを宣言

参考：NTTData通信
HPより© UACJ Corporation. All rights reserved.

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カーボンリサイクル・マテリアル産業（自動車・鉄道）〇交通や移動にかかる時間等のコストを大きく低減する。
〇革新的金属素材による軽量化により、輸送機器の高速化が実現。
〇将来的な高速輸送機器に使用する部材として社会実装としての目標値を盛り込むなど、社会実装の在り方についても留意し、研究開発を実施。
〇強度や靭性等を更に高めた高強度鋼材により、地震等に強いだけでなく、構造物の長寿命化も実現。さらにマテリアルリサイクルの推進、希少金属使用からの脱却等

参考：AIST千野氏資料© UACJ Corporation. All rights reserved.

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鉄道車両の省エネルギー化
電気機器の効率向上

ル車
ギ両ー消費
エネ

駆動用エ
ネルギー

空気抵抗の低減回生ブレーキのさらなる利用
ランカーブの最適化
車両構体の軽量化

補機用エ
ネルギー

消費エネル
ギーの低減

軽金属材料の適用
インバータの効率向上

ギ付ー帯
エネ
ル

空調のＣＯＰ向上
駅の空調、照明、エレベータ、エスカレータ・・
秦 広：鉄道の省エネルギー,RRR, 69巻 ,5号(2012）,pp.4-7© UACJ Corporation. All rights reserved.

軽量化技術の適用による車体重量軽減（自動車）© UACJ Corporation. All rights reserved.

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これからの必要技術
信頼性設計ツール技術• 下記の技術の融合により、PSPMP関係をマルチスケー
ルで体系化し、信頼性設計ツールを構築マルチマテリアル接着・接合技術*• マルチマテリアルに対応する接着・接合技術• 接着・接合部の特性評価解析・信頼保証

接着部評価解析

接合部応力解析空孔

実環境・実部材信頼性評価*

侵入原子• 実環境・実部材での長期信頼性評価手法の適正化• 信頼性設計データベースの構築

置換
原子

最先端構造解析技術*

内部構造の非破壊可視化

原子レベルでの欠陥評価

粒成長シミュレーション

LCA解析• 原子レベルからの材料構造の微視的解析・評価技術の高度化• 製造工程の精緻・迅速・その場観察手法確立

計算材料科学活用• マルチスケール、トポロジー最適化等、各種シミュレーション手法の高度化• 順方向・逆方向シミュレーション手法の開発とAIの活用

製品LCA技術*• 製品ライフサイクルにおける価値・性能を検討• 最小環境負荷で最大性能を引き出す設計手法の導出© UACJ Corporation. All rights reserved.

参考：AIST千野氏資料

溶接・接合方法

参考：大阪大学
中田先生資料© UACJ Corporation. All rights reserved.

異種材接合に対する溶接プロセス方法

参考：大阪大学中田先生資料© UACJ Corporation. All rights reserved.

異種材接合技術の現状（大阪大 中田一博教授総括）© UACJ Corporation. All rights reserved.

異種材接合の可能性の評価（溶融溶接）
接合間の金属材料の間で、脆い金属間化合物が形成するかがカギ。
金属材料の状態図のタイプ

１．全率固溶体を形成するタイプ（状態図A)（Cu-Ni)
２．相が2相分離し、室温近くで析出相が若干認められる（状態図B)（Fe-Cu)
３．初相は固溶体を形成するが、第2相濃度とともに金属間化合物が形成する（状態図C)（Al-Mg)© UACJ Corporation. All rights reserved.

状態図A

状態図B

状態図C

異種材接合（対アルミニウム合金との溶接）（１）ダイキャスト・チクソモールド・鋳物材
これら材料では材料内に必然的に内包されたガスに溶接部にブローホールや空隙が発生、内圧ガス量やガス圧によっては溶融溶接は困難。この接合ではFSWが有利（２）金属基複合材料
金属基複合材料の溶接は。強化材の分解による気孔、空洞の発生、強化剤の凝集による劣化→FSWが適している。（強化粒子の種類によってはツールピンの摩耗が著しくなる（３）発泡材料・ポーラス材料・ハニカムパネル
これらの材料は基本的にサンドイッチ材等として介した間接的な溶接方法で組み立てる必要がある。
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異種材接合（対アルミニウム合金との溶接）（４）超微細粒材
微細化した結晶粒のスケールサイズを維持するために、溶接部及びその近傍の粗大化をいかに制御するかが課題→レーザ溶接・電子ビーム溶接。

（５）高窒素ステンレス鋼
耐食性・機械強度の向上かでは、Nを０．３～１．０％含んだ高窒素ステンレス鋼が注目されていた。ただし、溶接では、一般的なステンレスと同様、ブローフォール、割れ、クロム系炭化物の特性劣化が考えられており、摩擦圧接のような圧接の適用が好ましいと推奨されている。

(6)アモルファス金属
アモルファス化の高いアモルファス金属では、摩擦圧接、爆着圧接。レーザビー
ム溶接などで、結晶化させることなく、良好な溶接金属が得られることが示されている。

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以上
出典 中田一博：溶接学会誌、７２、１（２００３）、１２－１５．

Al/Fe の接合（TIGアーク溶接）

出典：中田一博 発表資料（2016年）© UACJ Corporation. All rights reserved.

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Al/Fe の接合（摩擦圧接）

参考：大阪大学
中田先生資料© UACJ Corporation. All rights reserved.

Al/Fe の接合（FSW）© UACJ Corporation. All rights reserved.

Al/Feの接合

参考：大阪大学
中田先生資料

部材軽量化→Al/ Mgの異種材接合に期待（状態図上では難しい）→金属間化合物のため© UACJ Corporation. All rights reserved.

Al/Mgの異種材接合（物性差）
物性値
密度（20℃）
融点
沸点表面張力比熱（20℃）
熱容量（20℃）
熱膨張率
熱伝導率（20℃）
電気抵抗率（20℃）
ヤング率© UACJ Corporation. All rights reserved.

単位
Mg/m3℃℃
ｍN/m
J/㎏・K
J/m3・K
10-6/K
W/ｍ・K

マグネシウム
1.74
651
1107
559
1022
1778
26.1
167

アルミニウム
2.7
660
2056
914
900
2430
23.9
238

10-8Ω・
m
GPa

4.2

2.67

4475

異種材接合の可能性の評価（溶融溶接）
状態図（C)

Al中にMgが最大で18.9at％（450℃）
Mg中にAlが最大で11.8at%（437℃）
中間層として、Al3Mg2 phase（β相）やAl12Mg17 phase（γ相）が認められる。
アーク溶接材、摩擦攪拌接合材の接合強度に強く影響を及ぼす。

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A6005C/AZX611（TIGアーク溶接）

A6005C

A6005C

溶加棒、温度分布、溶接方法について基礎的な検討を行い、溶接割れ防止の観点から、マグネシウム合金の溶加棒の適用は不適であること、溶接時には温度勾配を設けた方がよいこと、オフセット溶接が適することを見出している。
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A6005C/AZX611（FSW）© UACJ Corporation. All rights reserved.

爆発圧着法（爆着法）
爆着は固相接合で新しい技術の1つになっている。従来の溶接では接合が困難な異種金属の接合も爆着では可能であることから工業的に爆発圧着クラッドとして生産され、現在では、化学用機器、圧力容器等の分野に使用されている

接合する金属材料の上に爆薬を設置し、爆薬の一端を起爆させると、合せ材が下方に飛翔して,母材に衝突する。その際衝突点の前方に金属ジェットが発生し、これによって両金属の表面の酸化皮膜や吸着ガスなどが排出されて,新鮮な表面が現われ,爆発圧力によって密着して接合するメカニズムである
参考：旭化成提供
資料© UACJ Corporation. All rights reserved.

爆発圧着法（爆着法）の金属組織爆着材の断面組織（Al/Mg)

材料１及び材料２における波状界面の波長をそれぞれλ1，λ2，密度をρ1，ρ2とすると，波長と密度の関係は次式のように表すことができる。

接合界面をAZ31側で観察すると，せん断帯（A）と金属組織が部分溶融して凝固した痕跡（B）が認められた。
せん断帯は，接合界面の界面下50μm~100 μmの間において高密度に認められている。

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爆着材の界面成分（Al及びMg）分析© UACJ Corporation. All rights reserved.

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まとめ
新たな取り組みとして行っている異種材接合として爆着を入れて、異種材接合に関して紹介を行った。
マルチマテリアルの考え方のように、適材適所の材料が使われるようになり、それに応じて接合技術も使い分けられる時代がやってくると考えられる。
また、現在では、×である技術課題についても、将来的には有望な接合技術になると考えられ、精進していくことが重要かと考えられる。

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ご清聴を感謝いたします。

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