金属薄板の摩擦攪拌接合技術の開発
デジタルものづくり課 柿内茂樹*1
1. 緒言

機能素材加工課 酒井康祐
3. 実験結果

金属薄板の接合は、構造物や部品を製造する上で欠く

図 2 に A6061 合金の接合部断面のマクロ組織と図の矢ことができない技術である。従来融接法を用いて金属薄印の位置に示す継手底部のミクロ組織を示す。図 2A、図板を溶接するとしばしば溶け落ち、溶け分かれが生じる 。

2B、図 2C のいずれの接合条件でも接合が可能であった。

そこで本研究は、固相接合として知られている摩擦攪拌

図 2B は図 2A、図 2C と比較して、攪拌部(SZ)が幅方向に接合(以下、FSW)に着目した。FSW は材料を溶かさず接小さくなり、図 2b にルートフローが観察された。ルート合するため金属薄板を接合する際の溶け落ち等の課題はフローは不完全接合部で、継手の引張強さや疲労強度の1）2)なくなる 。本研究は熱処理型のアルミニウム合金として低下させることが知られている 3)。ルートフローが観察さ知られている A6061 合金と A2024 合金薄板の FSW 接合れた接合継手は引張強さが低下するものと考えられる。

法の開発を目的とした。また、接合した継手の機械的性質

図 3 に R=1000 rpm、v=4000 mm/min の条件で接合したに与える FSW の接合条件の影響について検討した。

A6061 合金の接合部断面のマクロ組織と継手底部のミクロ組織を示す。v=1000 mm/min (図 2C)から 4000 mm/min

2. 実験方法にさらに増加させると、接合には至るものの溝状の欠陥

供試材料は A6061-T6 合金と A2024-T3 合金を用いた。

が発生し、ルートフローが観察された。この接合継手は接寸法はいずれも幅 115 mm、長さ 250 mm、厚さ 1 mm で合部の断面積が減少したことから継手の引張強さが低下ある。表 1 に供試材料の化学組成を、表 2 に引張特性をするものと考えられた。

示す。接合条件はツールの回転数(以下、R)は 1000～2000

次に図4 にA6061 合金の接合部断面の硬さ分布を示す。

rpm、接合速度(以下、v)は 300～4000 mm/min、接合長さ硬さの測定位置は母材の板厚の中心で行った。R=1000は 200 mm とした。ツール形状はショルダ径 φ8 mm、プrpm から 2000 rpm に増加させると軟化領域が幅方向に拡ローブ形状は M3、プローブ長は 0.6 mm である。ツール

大した。最低硬さは図 4A と図 4B はほとんど同等であっの押込量は 0.8 mm とした。図 1A、図 1B に接合試験と継た。SZ を拡大させる接合条件は軟化領域も拡大させた。

手の外観写真を示す。継手形状は突合せ継手とした。継手の評価は、断面組織観察と接合部断面の硬さ分布測定により行った。顕鏡試料の調整は、A6061 合金は 10%NaOH水溶液を、A2024 合金は dix-keller 試薬 (95 ml 蒸留水、2.5ml 硝酸、1.5 ml 塩酸、1 ml フッ酸) を用いた。
表 1 供試材料の化学組成
材質
A6061P-T6
A2024P-T3

SiFe Cu Mn Mg Cr Zn
Ti
Al
0.7 0.34 0.28 0.08 1.0 0.18 0.04 0.03 Bal.
0.07 0.19 4.4 0.56 1.4 0.02 0.13 0.03 Bal.

表 2 供試材料の引張特性
材質
A6061P-T6
A2024P-T3

引張強さ(MPa)
295440耐力(MPa)245295

伸び(%)
1015

図 2 A6061 合金接合部断面マクロ組織とミクロ組織(A, a: R=1000rpm, v=500 mm/min, B, b: R=1000 rpm,v=1000 mm/min, C, c: R=2000 rpm, v=500 mm/min)

図 1 A: 接合試験と B: 継手の外観写真

図 3 接合部断面のマクロ組織と継手底部のミクロ組織(R=1000rpm, v=4000 mm/min)*1 現

機能素材加工課
富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.37 (2023)

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200Hardness, HV0.2Hardness, HV0.2150
BM100500200

A-15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15
Distance from welded center, d/ mm

B150BM

図 5 に A2024 合金の接合部断面のマクロ組織と継手底部のミクロ組織を示す。図 5A、図 5B、図 5C のいずれも100接合が可能であったが、SZ の下部にルートフローが観察50された。図 5A の条件が最もルートフローの高さが低くな0った。A2024 合金の場合は、A6061 合金と同一の接合条件-15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15Distance from welded center, d/ mm

図 4 A6061 合金の接合部断面の硬さ分布で接合しても SZ が継手底部に拡大しがたく、R、v などの接合条件やツールの形状おいては、プローブ長さをさ(A, B: v=500 mm/min, A: R=1000rpm, B: R=2000 rpm)らに長くする必要がある。
次に図6 にA2024 合金の接合部断面の硬さ分布を示す。
硬さ測定における接合から図 6A は 52 日、図 6B は 50 日経過した後の硬さ分布を示す。R=1000 rpm から 2000 rpmに増加させても軟化領域の幅や最低硬さはほとんど同等であった。また同一接合条件の場合、A2024 合金の接合部は A6061 合金と比較して硬さの減少が小さかった。
4. 結言
本研究は、板厚 1 mm の A6061-T6 合金および A2024T3 合金薄板の FSW 接合法を開発するため、接合パラメータを変化させ、接合欠陥の有無と接合部の継手の機械的性質について検討した。その結果、A6061 合金と A2024

図 5 A2024 合金接合部断面マクロ組織とミクロ組織合金のいずれも接合が可能であった。また A2024 合金は(A, a: R=1000rpm, v=500 mm/min, B, b: R=1000 rpm,

A6061 合金と比べて接合部の硬さの減少は小さかった。
参考文献

200200

BM150

BM150

100
500AHardness, HV0.2Hardness, HV0.2

v=1000 mm/min, C, c: R=2000 rpm, v=500 mm/min)-15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15
Distance from welded center, d/ mm1) 物種武士, 竹野祥瑞: 溶接学会全国大会講演概要,(2012), 400-401.

1002) 佐藤章弘, 平野聡, 青田欣也: 溶接学会誌, 84, 3500B-15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15
Distance from welded center, d/ mm

図 6 A2024 合金の接合部断面の硬さ分布(A, B: v=500 mm/min, A: R=1000 rpm, B: R=2000 rpm)

(2015), 189-192.
3) Pedro M. G. P. Moreira, Lucas F. M. da Silva, Paulo M.
S. T. de Castro (Eds.): Structural connections forlightweight metallic structures, (Springer-Verlag Berlin,2012), pp.85-124.

キーワード：金属薄板、A6061-T6 合金、A2024-T3 合金、摩擦攪拌接合

Determination of Friction Stir Welding for Sheet Metals
Digital Manufacturing Section; Shigeki KAKIUCHI*1 and Functional Metal Processing Section; Kosuke SAKAI
Joining technology for sheet metals is an important technique for manufacturing structures and components. The sheet metals
are welded by laser welding, electromagnetic welding, and ultrasonic joining. In this study, it was focused on the friction stirwelding, which is a solid phase welding method and enable continuous welding, for joining sheet metals. The aim of propose
study was to investigate the joining conditions under which joints of aluminium alloy sheets can be obtained by various toolrotation speed and welding speed.

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Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.37 (2023)