NACHITECHNICALREPORT

Materials

35A2Vol.

May/2019■ 寄稿・論文・報文・解説「摩擦撹拌接合ツール用材料の開発」
マテリアル事業

Development for Tool Material of Friction Stir Welding〈キーワード〉摩擦撹拌接合・FSW・マルチマテリアル・軽量化
電動化・アルミ・凝着・高温特性・異種材料接合

マテリアル事業部／技術部

船平 伸之

Nobuyuki Funahira「摩擦撹拌接合ツール用材料の開発」

要旨

摩擦撹拌接合（後に詳細説明）は、アルミ部材の接合技術として鉄道車両、航空宇宙、半導体製造装置部品などで実用化されている。また、アルミ部材のなかでも溶接が困難とされるアルミダイキャスト部材接合に展開されたことで、自動車部品への適用も増加している。これまで困難とされていたアルミ部材と、鉄や銅をはじめとする異種材料との接合が可能とされることから、次世代自動車部材の軽量化技術への展開が期待されている。
アルミ部材と比較して、軟化温度が高い鉄、銅、チタンなどとの接合においては、より高温強度の高いツール材料が必要となる。そのため、高温強度に優れた焼結金属やセラミック製ツール材料が研究開発されているが、摩擦開始時の冷間時の接触衝撃への対応、接合コストを含めた量産技術として展開するためには、最適な材料開発・選定が引き続き求められている。
NACHIマテリアル部門の特殊溶解と材料成分設計技術を活用し独自に開発した材料において、アルミ材との耐凝着特性や高温特性などに優れていることが確認されたことから、アルミ材と異種材料接合用ツールとしての特性検証をすすめた。

Abstract
Friction Stir Welding (of which detail is explained later)
has been put into practical use for the welding of aluminummaterials used in the trains, spacecrafts and the parts forequipment to manufacture semiconductors. The technology has
increasingly been applied to the welding of automobile parts,
since it was developed to weld the aluminum die-cast parts thatwere difficult to weld among aluminum materials. The technology
enables the welding of aluminum to other different materials
such as steel and copper, which has been considered difficult.
Thus, Friction Stir Welding is expected to be used in the
manufacturing of the lightweight parts for the next-generation
vehicles.
Compared with the welding of aluminums, the welding ofsteel, copper, or titanium to aluminum requires the tool material
with high-temperature strength since these metals have highersoftening temperatures than that of aluminum. For this reason,
the tool material made of sintered metal and ceramic withexcellent high-temperature strength have been researched anddeveloped. However, development and selection of the optimum
material are continuously sought to achieve this method asa technology for mass-production that poses the dealing withthe welding cost and contact shock in cooling at the beginningof friction.
Utilizing our own technologies of special melting and material
ingredient designing from NACHI’s material department, wehave developed our own tool material. It was confirmed that thematerial excels in adhesion resistance to aluminum andhigh-temperature characteristics, so we proceeded withverification of material characteristics of the tool for the weldingof the aluminum material to other different materials.
1

1. はじめに摩擦撹拌接 合（Friction Stir Welding：以 下FSW）は、専用ツールを回転させて工作物に押し当てることにより摩擦熱を発生させ、熱により軟化した材料をツール回転力により流動、混合させて接合する技術である。軟化した固体状態で接合することにより数々の利点が得られる。アルミ部材を接合する
FSWツールは、アルミ部材の軟化温度および軟化時の材料強度に耐えるためSKD61をはじめとする工具鋼ツールが用いられている。
近年、自動車の電動化が急速に進展するなか、PCU・DC−DCコンバータをはじめとする電装部品・バッテリーなど電動化装備の積載量増加やさらなる低燃費要求により、車両の軽量化ニーズが高まっている。鉄 製部材の全部または一部をアルミなどに置き換えるマルチマテリアル化のための接 合方法として注目を集めている。

2. FSW技術の特長
FSWの特長を以下に示す。

ツールおよびツールの回転数、送り速度などの①接合時の変形、ひずみの発生が小さい。

条件管理により、スキルを問わず③・④の特長を得る②溶接では接合ができない異種材料接合が可能。

ことができる。

③内部ブローホールなどの欠陥の発生が無い。

FSWは、回転するツールが工作物中を移動するが、④スキルが不要なため熟練溶接工の必要が無い。

アーク溶接のようなフューム、光の発生がなく、環境・安全面においても大きなメリットがある。

FSWは、専用ツールの回転による摩擦熱で軟化

一般に接合部は熱影響を受け材料強度が低下した材料を固体（融点以下）で流動させ接合する。

することが多いが、FSWは、接合条件を管理するツール周囲のみ発熱することから①に示す極めてことで組織制御を行ない、接合部の材料特性を改質、大きな利点が生まれる。

強度向上させることも可能となる。

接合材を溶融させないことから、②の融点が大きくFSWの概要図を図1に示す。

異なる部材でも軟化温度が近ければ接合することが可能となる。

進行方向
突きあわせ面FSWツール
プローブ部

撹拌接合部分図1

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FSW接合の概要図

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「摩擦撹拌接合ツール用材料の開発」

3. FSWツール用材料開発 4. アルミ凝着特性評価
FSWツール用材料の必要特性を検討した。

アルミ部材のFSWツール用材料としてSKD61の①アルミ部材の場合、工作物温度が十分低い間は、適用が報告されている。また一方で、工作物中でツールと工作物間において塑性加工・摩擦損耗が回転するプローブ周辺にアルミ合金成分の凝着が生じ、工作物温度が上昇すると、工作物のツール生じると、接 合荷重が不安定になるとともに接 合表面への凝着、工作物塑性流動によるかきとり不具合が発生することが観察されている。

作用による剥離を繰り返す。アルミ部材の合 金

今回、アルミ合金成分の凝着性に対して、SKD61

種類により、ツール表面への合 金 成分の部分より優れた材料を開発することができたので、その凝着が観察され、接合が不安定となる場合がある。

評価結果を紹介する。

ツール材特性として、アルミ合金成分の凝着特性に着目し、成分設計による解決をはかる。

その評 価条 件を表2に、また接 合評 価の接 合パターン、工作物クランプ状態を図3に示す。

②アルミ部材と異種材料（鉄、チタン、銅など）接合の所定の評価条件で、アルミとアルミの重ねあわせ場合、異種材料工作物側の軟化温度が重要となる。

接合を行ない、使用前と3万打点完了後の写真を流動可能な軟化温度に到達するまでのツール強度

図4に示す。

不足による損 耗・破損や、工作物軟化温 度がSKD61ツールはプローブ周辺にアルミ合金成分のツール材質の耐熱温度を超える場合などが考え凝着が確認されるが、開発材種FS03はアルミ合金られ、温度全域における高強度材料が必要となる。

成分の凝着がほとんど観察されなかった。

室温および高温において異種材料に対する十分な高強度を有し、機械加工が可能な耐熱合金開発をすすめる。
NACHIが保有する特殊溶解設備を図2に示す。
これらの設備を含めた工程設計・成分設計により、今回評価した開発材の特性イメージを表1に示す。

表2

アルミ凝着特性評価条件

項目
ツール材種

図2 特殊溶解設備の概要（真空溶解炉）
表1

SKD61

試験方法

アルミ合金板重ねあわせスポット接合

工作物

A5083 板厚2.5mm

押込み深さ

3.3mm

特性概念

ツール回転数2,000rpm

FS03

アルミ－アルミ接合用で耐凝着性を改善

押込み時間3.6秒

FSX01

アルミ－異種材料接合で高温特性を改善

接合
（打点）
数

30,000打点

開発材種名

3

開発材の特性概念

内容
（条件）
FS03
（開発鋼種名）打点位置②①③15mm
15mm15mm

クランプ方法
接合方向
工作物

クランプ

2セット（2枚重ね／セット）／ 1段取り
図3

打点位置とクランプ方法

使用前
ツール上部から観察
SKD61

FS03

1mm1mmSKD61（30,000打点後）
図4NACHI TECHNICAL REPORT

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FS03（30,000打点後）

凝着評価ツール（30,000打点評価）

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「摩擦撹拌接合ツール用材料の開発」

5. 異種材料接合でのツール材種評価
アルミと鉄などの異種材料を接合する場合、例えば3鉄に接触する側では赤熱することで、SKD61をはじめ2.5とする工具鋼ツールはツール材の軟化による著しい早期2損耗が生じる。このとき、高温強度の高い超硬合金や1.5焼結合金などのツール材質が使用されるが、とくに1冷間時の欠損に対する信頼性に課題があり、ツール0.5形状に制限を余儀なくされている。そのため、冷間および0高温時の強度と、機械加工および塑性加工が容易であることを両立する材料が必要と考えられる。
硬さが高く、高温時の強度低下が小さく、機械加工がSKD61

FS03

アルミ合金

図5純銅

FSX01
SS400

ツール材種と最大荷重評価可能なFSX01を開発したので、各種の工作 物に対するツール材種の評価を実施した結果を報告する。
評価は3材種（FSX01、FS03、SKD61）のツールをアルミ合金、純銅、SS400の単体工作物に押込み後走行させるビードオン試験とし、走行時に荷重データを測定した。その評価条件を表4に示す。
ビードが安定したと考えられる4ビード目の最終10秒でのZ軸 方向の最 大荷重を図5に示 す。ただし、SKD61ツールはSS400に対して早 期摩耗によりFSX01

FS03

Z軸荷重が低下したため、2ビード目の最大荷重を採用した。
アルミ合金、純銅、SS400のいずれの工作物に対しても、SKD61の荷重が最も高く、FSX01が最も低い値となった。また、SS400での3材種ツールの走行時ビードを図6に、FSX01ツールのアルミ合金、純銅での走行時ビードを図7に示す。
表4

異種材料でのツール材種評価条件

項目内容
（条件）
FSX01
（開発材種名）

ツール材種

SKD61
図6 SS400でのツール走行評価ビード外観（ツール走行：右→左、下から1ビード～ 4ビード）

FS03（開発材種名）
SKD61
アルミ合金
（A5083）

工作物材種

純銅
SS400

試験方法

単独工作物上でのツール押込み走行

押込み深さ0.25mm

ツール回転数52,000rpm（アルミ合金、純銅）
1,500rpm（SS400）

走行速度100mm/min.

走行距離100mm×4ビード

測定項目

走行時荷重
（X、Y、Z軸）キスラー製荷重計

アルミ合金

純銅

図7 FSX01ツールでのアルミ合金、銅のビード外観（ツール走行：左→右、下から1ビード～ 4ビード）6. アルミ合金と異種材料接合 7. まとめ
アルミ合金と異種材料を接合する場合、FSX01は今回、FSWの課題となるアルミ凝着や異種材料

SKD61と比較し、安定した低い荷重で接合できる接合の観点から新たにツール材種開発および評価可能性が高いと考えられる。

試験を行ない、以下の結果が得られた。

そこでFSX01ツールを使用して、アルミ合金（A5083）①アルミ凝着抑制の効果を確認するためスポット接合と純銅、純チタン、SS400の重ねあわせ接合を想定

評価を実施した。SKD61はアルミ合金の凝着がした評価を実施し、接合前後のツール外観状態と観察されたが、FS03は観察されなかった。これはその接合面を観察した。

ツール構成材料成分による表面性状の影 響と接合条件を表5に、またその接合面観察を図8に示す。
接合界面では異種材料との混合状態が確認できた。
表5

異種材料接合評価条件

項目
ツール材種内容（条件）
FSX01（開発鋼種名）純銅

工作物材種考えられる。
② 異 種 材 料 接 合を想 定し、アルミ合 金、純 銅、SS400工作物単体へのツール押込み・走行評価を実施した。高温特性に優れたFSX01の走行荷重が最も低く、次いでFS03、SKD61となった。高温強度や熱伝導率などによる入熱の差異が発生して純チタンいるものと考えられ、FSX01は高温領域でも優れたSS400接合特性を発揮することが期待される。

試験方法

重ねあわせFSW

押込み深さ0.4mm

ツール回転数2,000rpm

走行速度100mm/min.

走行距離100mm③FSX01ツールによるアルミ合 金と異種 材料との接合実証試験を実施した。アルミ合金を上に、純銅、純チタン、SS400それぞれ重ねあわせFSWを実施した。純銅および純チタンにおいて、接合界面でのアルミ合 金と異種材料の混 合状態が観察された。今回の評価条件において、SS400では良好な接合界面が得られなかったが、いずれの条件においても、ツール早期損耗、工作物凝着は観察されず、接合条件を最適化することにより、アルミ合金と異種材料において、良好な接合が純銅（下側）得られることが期待できるものと考えられる。

純チタン（下側）

SS400（下側）
図8

異種材料接合の界面観察例

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8. 今後の展開
FSWは、接合することを基本にして、さらなる応用と発展が期待されている。
①接合解析では接合時の荷重や温度測定、接合品の機 械 的 特 性 試 験やSEM・EPMAにより物理的かつ化学的な評価が重要となる。流動解析
により、何が起こっているのかを可視化することにより事象の解明をすすめていく。
②FSWツールはその材質のみならず形状、表面性状などが複合して機能を発揮する。NACHIの材料技術、熱処理・表面処理技術、機械加工技術を駆使し、新たな市場に向けたツールを自社完結で製作、さらにロボットを活用した自由度の高いFSW接合システムへ繋げていく。
③FSWによる複合部材、組織制御、金属間化合物生成などの事象を発展させ、EV車体部材のみならず、二次電池、センサー、触媒などに向けた特殊機能を有した材料開発の新たな手法としての可能性を追求していく。
今 後もFSWを活用して次 世 代 市 場 の開 拓をすすめていき、新たな成果や知見が得られれば、改めて報告したいと考える。

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May / 2019〈発行〉2019 年 5 月 20 日株式会社 不二越 技術開発本部
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