茨城県工業技術センター研究報告 第 43 号

テーラードブランク材の加工技術に関する試験研究事業 (第 2 報)行武栄太郎 ＊ 磯山

亮 ＊ 上田

小林正憲 * 齋藤和哉 ＊ 山下
１.はじめに軽量化に資する研究開発が急速に進んでいる背景には省エネ・エコ活動及び地球環境に関する高い関心がある。特に，輸送機器のエコ活動はグローバルに拡大しており社会貢献できると同時に高い技術力を示すことができる。そのため，各メーカー間で激しい競争をしている。
異種金属の組み合わせ（テーラードブランク）による軽量化を目指した技術開発が進んでおり，自動車産業では鉄鋼材料において実用化されている。高機能化が求められる家電製品でも使用環境に応じ，異種材料を用いたマルチマテリアルによる製品設計が進んでいる。しかし，軽金属材料であるアルミニ
ウム合金，マグネシウム合金を用いたテーラードブランク材の実用化事例がない。これは，マグネシウム合金の耐食性，成形性がアルミニウム合金と異なることが一原因と考えられる。今後，軽金属材料を用いた異種金属との組合せによる重量，強度の最適化により製品の更なる軽量化が進むと予測できる。
２.目的
テーラードブランク材は，板厚や材質の異なる板材を接合し１枚にしたものである。その接合方法は溶融溶接（YAG レーザー，TIG 等）が一般的あるが，融点の異なる異種金属の接合は困難である。
本研究事業では，昨年度，異種金属接合を可能とする摩擦撹拌接合（FSW）を用いて，軽金属材料（マグネシウム合金，アルミニウム合金等）のテーラードブランク材を作製した。本年度は摩擦撹拌接合技術を用いた板厚の異なる材料の接合技術の検討，板厚方向に異種材料を積層する技術としてクラッド材製造技術の検討，及びテーラードブランク材の成形技術として金属ブロー成形技術を検討することを目的とした。
３.研究内容3.1 供試材
アルミニウム合金は一般市販材料である
A5052H34 の圧延材（板厚 2.0mm，表面研磨済み），マグネシウム合金は日本金属㈱製難燃性マグネシウム合金（板厚 2.0mm，1.5mm，表面研磨済み）圧延材である AZX411（Al4mass%，Zn1mass%,Ca1mass%）及びAZ31(Al3mass%,Zn1mass%)を用いた。
摩擦撹拌接合には幅 70mm，長さ 200 ㎜の短冊状の板材（圧延方向を長さ方向とする）とした。接合方向は圧延方向と同じ方向とした。クラッド材作製には，幅 70 ㎜及び 35mm，長さ 200mm を用いた。金属＊

先端材料部門

＊＊技術融合部門聖 ＊ 早乙女秀丸 ＊宏＊＊

ブロー成形ではφ180（板厚 1.5mm）のブランク材を板材より切り取り試験片とした。圧延方向はすべての接合条件で長さ方向（接合方向）として摩擦撹拌接合を評価した。
3.2 摩擦撹拌接合の検討
摩擦撹拌接合は，中心部に突起（プローブ）のある回転ツールを，高速で回転させながら被加工材へ挿入し，接合部に沿ってツールを移動させ接合する方法で，固相状態での接合が可能である。その結果，凝固割れがなく，熱ひずみも小さく接合後の変形が少ない特徴がある。摩擦撹拌接合の原理を図１に示す。ツール移動方向とツール回転方向が一致する側を AS（advancing side），ツール回転方向が一致しない側を RS(retreating side)と呼ぶ。 ツー
ル材質は SKD61 とし，ショルダー径φ12mm，ショルダー角 4°，プローブ径φ6mm，長さ 1.3mm，（板厚1.5mm 用）1.8mm（板厚 2.0mmm 用）を用いた。プローブには M6 のネジ加工を施した。接合条件は回転数 500rpm，1000rpm 及び 1500rpm の 3 条件，接合速度 5mm/s，10mm/s 及び 20mm/s の 3 条件とした。ツール接触後の予熱時間は 10sec，ツール角度は前進角度約 3°とし摩擦撹拌接合を行った。なお，プローブ挿入量は，バックプレートから 0.1mm の深さまで挿入し接合した。接合方向は圧延方向と平行（圧延方向同士を向い合せに突き合せたもの）とし，接合部表面は研削せず接合したままの状態とした。摩擦撹拌接合には日東制機㈱製 FF-20Ⅳ-FSW を用いた。
接合雰囲気は大気室温として，冷却なしで 200mm接合した。
回転ツール
AS：advancing side
ツール移動方向
プローブ
突合せ面
RS：retreating side

接合部
ショルダ部

図 1 摩擦撹拌接合の原理
3.3 クラッド材の製作の検討
図 2 に異種金属クラッド材作製に使用したロール
径φ160mm，ロール幅 210mm の温間 2 段圧延機（大野ロール㈱製 2DR-160D）の外観を示す。ロール温度を室温，150℃，200℃，250℃及び 300℃とし，圧延速度 0.3 ㎜/s～3mm/s の範囲とした。ロールと供試材には圧延前に潤滑材として離型剤（B・N スプレー耐熱性ボロンナイトライド）を接触面に噴霧し試験した。圧下率は 10％～70％としてアルミニウム合金（5052H34） ，マグネシウム合金（AZ31F）のクラッド材を試作し断面観察した。

みた。マグネシウム合金である AZ31 圧延材（板厚1.5mm 及び 2.0mm），AZX411 圧延材（板厚 2.0mm)を用いて試験評価した。
AZ31 圧延材では，AS,RS にそれぞれ板厚の異なる圧延材を配置し，接合ツールを突き合せ面に対して垂直に挿入した。プローブ先端がバックプレートか0.1mm の距離となるように押し込み量を設定した。
図 4 に板厚の異なる接合例として，接合ツール回転数 1000rpm，接合速度 10mm/s の条件での摩擦撹拌
接合後外観写真を示す。

RS 1.5mm

AS：2.0mm
接合方向
図 2 温間圧延機外観
3.4 金属ブロー成形の検討
図 3 に温間ブロー成形機（㈲リナシメタリ製）の外観を示す。本装置はボンベ圧を利用し，300℃～450℃の温度範囲で温間ブロー成形を可能とする。
試
験片形状は約φ100 ㎜の円形ブランクを用い，ブランクの周囲を一定負荷でクランプ密閉しガス圧，流量及び時間を制御しながら温間ブロー成形できる装置である。本実験ではガスに工業用アルゴンガスを用いた。試験片厚さ 1.5mm とし最大ガス圧，保持時間を変化させながらブランクの膨らみ高さを評価した。ガス圧は最大ガス圧に到達するまで直線的に増加させ，最大ガス圧で一定時間保持した後，直線的に減圧しブランク材を半球状に成形加工した。試験環境は大気雰囲気とした。

図 3 温間ブロー成形機外観
４.研究結果と考察
4.1 摩擦撹拌接合
摩擦撹拌接合装置を用いて板厚の異なる接合を試回
転方
向AS：1.5 ㎜

RS：2.0mm

図 4 異板厚さ接合例（マグネシウム合金：AZ31）
AS に板厚 1.5mm，RS に板厚 2.0mm の AZ31 圧延材を配置し接合した場合，大きなバリが発生するが接合部には外観からは目視できる大きな表面欠陥は目視で確認されない。
X 線 CT 装置（ヤマト科学㈱製 TDM
3000H-FP）で内部を非破壊で観察したが同様に欠陥は観察されない健全な接合継ぎ手が得られた。接合時に接合ツール回転軸方向に最大約 15ｋN の負荷が挿入時に観察された。また，接合中（接合ツール移動中）は約 10ｋN 程度の負荷を維持しながら接合された。
接合ツール進行方向には約 2ｋN の負荷が連続的に観察された。
AS に板厚 2.0mm，RS に板厚 1.5mm の AZ31 圧延材を配置し接合した場合，同様にバリが発生するがその量は AS に板厚 1.5mm，RS に板厚 2.0mm の供試材より多い。また，接合部の表面状態は AS 側に微小な欠陥が観察された。X 線 CT 装置で内部を非破壊で観察した結果，不連続な欠陥が観察された。接合中の接合ツールへの負荷変化は AS に板厚 1.5mm，RS に板厚2.0mm に配置した場合と同様の結果が得られた。
AS に板厚 1.5mm，RS に板厚 2.0mm に配置し接合したサンプルより引張試験片を接合方向より垂直に採取し引張試験により継手効率を評価した結果，板厚1.5mm 側で破断するが，その断面積で破断応力を評価すると母材に比べ約 80％を達成しており，同板厚同士の突き合せ接合で得られた継手効率と大きな違いは確認されない。接合条件を変化させて接合した
結果，接合速度が大きくなると欠陥の数が増えるが，回転数による接合部外観に関する大きな変化は確認されない。欠陥が観察されない接合条件での接合部継手効率は約 80％を示す。しかし，接合部には大きな段差が確認され，変形応力が集中することで破壊の起点となり疲労強度の低下が予測される。
そこで，大きな段差が発生しないような接合方法
及びツール先端形状を検討した。ショルダー径を小さくし，段差のある突き合せ面に垂直挿入するのでなく，段差に併せて接合ツールを傾けて挿入することでなめらかな接合面を実現できる工法を検討した。
本接合装置では接合ツールを傾けて挿入することは困難なため，接合試験片を傾けて設置することで接合試験を試みた。
図 5 に異板厚接合方法の概略図を示す。ショルダー径φ8mm，プローブ M3 の接合ツールを 4°傾けた接合材に挿入し接合することでなだらかな接合面を有する継手を得られることが確認できた。接合方向は図に向かって奥方向とした。板厚差は最大で 1.0㎜程度まで健全な継手を得ることができる。
しかし，現在使用している治具での接合試験片の固定が困難であるため接合部の機械的特性を評価できる接合長さは最大 180mm 以上である。

ショルダー径：φ8mm
プローブ：M3
板厚：2.0mm

板厚：1.5mm
傾き：4°

図 5 異板厚さ接合方法の概略図
4.2 クラッド材の作製
クラッド材の作製には温間圧延機を用いた。アル
ミニウム合金（5052H34），マグネシウム合金（AZ31F）
は板厚 1.5 ㎜の圧延材を用いた。1 パスの圧下率を10％から 60％まで 10％間隔で増加させた。
50％以上の圧下率を与えることでクラッド材の作製が可能であることを確認した。圧延ロールの表面温度は150℃で，ロール軸受荷重が 30 トン以上を示した。
マグネシウム合金側では縁割れが発生するが 300℃
では 10 トン程度まで低下し縁割れなく圧延が可能である。しかし，圧延温度 250℃ではアルミニウム合金とマグネシウム合金で変形能の差が大きく，マグネシウム合金がアルミニウム合金に対して 10％以上大きく変形することが観察され，圧延温度300℃では 30％以上変形した。圧延温度 200℃では，アルミニウム合金とマグネシウム合金の変形能が同等で圧延後の板厚がほぼ同等となることが観察された。
図 6 に圧延温度 300℃，圧下率約 50％で得られたアルミニウム合金‐マグネシウム合金クラッド材の断面写真を示す。圧延温度 200℃で圧延するとアルミニウム合金とマグネシウム合金との板厚はほぼ同等であるが，圧延温度 300℃では，マグネシウム合金の板厚はアルミニウム合金と比べ 20％以下と大きく減少している。これは，300℃ではアルミニウム合金よりマグネシウム合金の変形能が大きいことが起因していると考えられる。また，マグネシウム合金-アルミニウム合金間には数μｍの明瞭な硬さHv200 以上の金属間化合物が観察された。
Mg（AZ31F）

金属間化合物Al（5052H34 ）

図 6 クラッド材断面写真
4.3 金属ブロー成形の検討
金属ブロー成形性を評価するために金型を加熱でき温間でブロー成形性を評価できる温間ブロー成形機を用いて，マグネシウム合金（AZ31）の温間ブロー成形性を評価した。
図 7 にマグネシウム合金を温間ブロー成形した後のブランク外観写真を示す。成形圧力 150kPa，試験験温度 150℃ではほとんど変形しないが，試験温度300℃では高さ 10 ㎜以上の変形が観察された。さらに，成形圧力を 300ｋPa にすると 15 ㎜以上の張出高さを示した。成形後（試験温度 300℃，成形圧力300kPa，材質：AZ31 マグネシウム合金）のブランク
結晶組織は完全に再結晶した等軸で平均粒径約数μm の結晶粒が観察された。

10 ㎜以上図 7 温間ブロー成形（マグネシウム合金：AZ31）
温間ブロー成形ではブランク周辺を完全固定しブランクに均一に圧力をかけて成形するため均一な張出成形が期待できる。また，金型を用いないため，供試材の表面形状が平滑でなくとも成形できる利点がある。そこで，各種成形条件での温間ブロー成形後の形状測定を行い，3 次元で評価した。
ブランク材φ105mm（材質：AZ31 マグネシウム合金），板厚 1.5mm，成形圧力を 150kPa と 300kPa の 2種類として成形した試作品について，三次元デジタイザにより形状データを取得した。試作は型を使用せずフリーブローによる成形とし，表面形状はドーム型となるため，ポイント測定を行う接触式の測定装置では，全体の評価が困難である。そこで，図 8に示す多関節アーム型の三次元デジタイザ（㈱小坂研究所製 VMC6666Mpls）の先端にレーザプローブ装着し，非接触で表面形状データを取得した。レーザは走査ライン幅 20mm，ピッチ 0.05mm，ライン数 60本/sec を選択した。取得した表面形状データから全体形状及び板厚分布の測定を行った。

点部の高さを計測すると，頂点部厚みは 150kPa が1.40mm，300kPa が 1.29mm，頂点部高さは 150kPa が12.1mm，300kPa が 17.0mm となっており，印加圧力を高めることで，材料がより伸ばされていることを確認した。

図 10 板厚分布（左：150kPa，右：300kPa）-50 -40 -30 -20-10010203040501020304050[mm]

発光部

受光部
-50 -40 -30 -20（a）装置外観（b）レーザプローブ-100[mm]

図 11 任意断面の板厚（上：150kPa，下：300kPa）
項目
投光部
測定精度

仕様
赤色半導体レーザ
690nm クラス 2±0.07mm

図 8 三次元デジタイザ
温間ブロー成形の加圧力とドーム形状の膨らみ状態の関係を把握するため，150kPa と 300kPa それぞれ成形品について内径を測定した。図 9 に示す測定結果から成形圧力 150kPa では内径 R70.1mm，300kPa
では内径 R54.9mm となっていることを確認した。

R70.1mm

R54.9mm

図 9 形状データ（左：150kPa，右：300kPa）
図 10 は，成形品の板厚分布をコンター画像として表している。
図 11 は成形品の頂点を通る断面位置の板厚を 5mm ピッチで示しており，150kPa と 300kPaどちらの成形条件でも板厚の分布は外側が厚く，頂点部に向けて徐々に薄くなっていることを確認した。
図 11 と図 12 により，成形後の頂点部の厚み及び頂12.1mm

17.0mm

図 12 頂点部高さ（上：150kPa，下：300kPa）
５.まとめ・マグネシウム合金（AZ31F）の異板厚（1.5mm，2.0mm）の摩擦撹拌接合が可能である。
・摩擦撹拌接合で最大板厚差 1 ㎜までマグネシウム合金で成功した。
・ロール温度 200℃以上，圧下率 50％以上の圧延条件でアルミニウム合金（5052H34）-マグネシウム合金（AZ31F）のクラッド材作製が可能である。
・圧延温度 300℃ではアルミニウム合金（5052H34）-マグネシウム合金（AZ31F）の界面で数μm の金属間化合物が生成される。
・マグネシウム合金（AZ31）では試験温 300℃，成形圧力 300kPa で高さ 15mm 以上の温間ブロー成形が可能である。