難接合材を接合可能にする
固相抵抗スポット接合法
大阪大学

接合科学研究所
教授 藤井 英俊
2021年5月28日

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従来技術とその問題点
従来の抵抗スポット溶接では、材料を溶融させるため、炭素量の多い鋼では割れが発生し、接合が困難であった。また、高強度鋼板の接合の際には、水素割れの問題も発生した。
本手法では、固体で接合するため、このような問題は生じない。また、線形摩擦接合等と異なり、薄板の重ね接合に適用可能である。
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新技術の特徴・従来技術との比較• 印加圧力により接合温度を制御する。700℃（A1点）以下で接合できるため、固相はもちろん、無変態で接合可能。
• したがって、炭素量の多い鉄鋼材料やAl合金等を、硬化も、軟化もなく接合できる。薄板の重ね接合にも用いることができるのが特徴。
• 硬度の特異点が存在しない。
• およそ1秒で接合が完了する。
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研究背景
抵抗スポット溶接

中・高炭素鋼板

被溶接材を銅電極で加圧し大電流を流し抵抗発熱をさせ、被溶接材間に溶融部を形成させて溶接を行う

炭素量の増加加圧

溶融

0.2mass%C以上の炭素鋼の溶接における問題➡冷却時にマルテンサイト形成
硬化・靭性低下・割れ

電流パス
被接合材

Temperature(℃)

電極

容易に高強度化を実現

900

𝛾

800 𝛼 + 𝛾
723℃
（A1点）
700
𝛼 + Fe3 C
10Composition (wt% C)

硬化・靭性低下・割れ溶接が困難

変態を伴わないA１点温度以下で接合
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大荷重通電圧接法（阪大独自技術）
被接合材の端部を突き合わせ、加圧を付与しながら通電することで得られる界面でのジュール熱による発熱を熱源とした接合方法

接合過程
通電

ジュール熱により接合面温度上昇

バリを外に排出し接合完了✓ 高圧力を付与することにより、接合温度をA１点（723℃）以下に低下
5接合温度低下の原理
接合機構
圧力をかけて界面を変形させバリを排出させることで接合；UTS

接合温度を低下させる

界面変形が低温度にて発生が必要
温度依存性の関係
高圧力を付与することにより、低温で変形高圧力を付与しながら通電低温の状態で界面の変形がはじまり、低温で接合が達成できる。

中炭素鋼S45Cにおける強度の温度依存性高圧力を付与することにより、接合温度が低下
6新技術の特徴・従来技術との比較

高圧力（大荷重） →低温• 印加圧力により接合温度を制御する。700℃（ A1点）以下で接合できるため、固相はもちろん、無変態で接合可能。
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新技術（平板での固相スポット接合）
先行技術
棒材での接合のみ

新技術
平板での固相スポット接合

加圧力制御により、スポット接合においてA1点温度（723℃）以下での接合を可能とする新たな接合法を開発する。
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新規接合装置＆実験
供試材
材料 ： 中炭素鋼 S45C
寸法 ： 40mm×125mm×厚さ1.6mm

接合装置
プレス機

組成詳細
鋼種
S45C

C0.48

組織観察用試験片成分（mass%）
SiMn
P
0.21 0.73 0.22S0.12

せん断引張試験用試験片

40125

4040125

母材組織

評価方法

フェライト
インバーター式
直流電源

125・光学顕微鏡
・FE-SEM
・ビッカース硬さ試験
・せん断引張試験

パーライト
9従来方法： 抵抗スポット溶接

高圧力

Cu電極が大荷重に耐えられない

銅電極

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新技術： 固相抵抗スポット接合法
高圧力を印加しながら入熱

銅電極

WC超硬合金
中心加圧軸二重電極構造とすることで高圧力の印加と通電の両立を実現
11新技術の特徴・従来技術との比較• 薄板の重ね接合• 硬度の特異点が存在しない。
• およそ1秒で接合が完了する。

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二重電極構造
サーボプレス機

高圧力

中心加圧軸
超硬合金（WC）

大荷重に耐えられるWC加圧軸で加圧銅電極
Cu電極で通電WC加圧軸

13固相抵抗スポット接合法
超硬合金の加圧軸により加圧中通電

高圧力を印加することにより、接合温度をA1点（723℃）以下に低下

14/1414低温

荷重8kN

荷重10kN

荷重12kN

2mm2mm2mm

800
600
4002000800
600
400BM
250HV 200
0Hardness [HV] Hardness [HV]

高圧力（大荷重） →-3 -2 -1 0123800600
40020002000A

800
600
400
200
0-3 -2 -1 0123800600
400
200
0-3 -2 -1 0123800600
400
200
0-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4Distance from center [mm]Distance from center [mm]Distance from center [mm]

引張せん断強さ：4.7ｋN
界面破断

引張せん断強さ：5.4ｋN
界面破断

引張せん断強さ：7.6ｋN
界面破断

15界面近傍の組織

2mm5μm

12ｋN-2000A

5μm5μm

未接合部が存在

変形量 少
不純物排出量 少
16加圧軸形状の影響
加圧軸形状① 12 kN (360 MPa)

4.5mm
セメンタイト

加圧軸形状② 18 kN (360 MPa)

6.6mm
セメンタイト

未接合部

フェライト
未接合領域 9 ％せん断引張強さ：7.6 ｋN 界面破断

フェライト
未接合領域 1 ％
せん断引張強さ：9.8 ｋN 界面破断

加圧軸形状を最適化することで未接合部が大幅に減少。強度も向上

17圧力一定加圧
荷重一定 18 ｋN

630MPa → 360MPa

630MPa360MPa変形に伴い接合界面の面積が増加

圧力が低下
加圧による変形が停止界面の面積が増加

荷重一定条件では、変形に伴い印加圧力が低下。押し込みが困難

多段階の荷重変化

印加荷重 [kN]

圧力一定 450MPa

圧力を一定に制御
経過時間 [s]18圧力一定加圧 450MPa
セメンタイトHardness [HV]7.1mm

未接合部を消滅

8006004002000-3Hardness [HV]

フェライト-2-1012BM250
3 HV-10123800600
4002000-5-4-3-2

Distance from center [mm]

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プラグ破断

5せん断引張強度：14.9ｋN プラグ破断

圧力一定加圧とすることで未接合部が消滅し、接合強度が大幅に向上した。

19結 言• A1点温度（723 ℃）以下で高強度の接合を達成す
る、無変態固相抵抗スポット接合法の開発に成功した。
• 印加圧力を増加させることで接合温度を低下させ、中炭素鋼S45C材において、マルテンサイト組織のない接合継手を得ることに成功した。
• 荷重一定加圧から、圧力一定加圧とすることで良好な界面が得られ、せん断引張強度14.9 kNでプラグ破断示す高強度な継手を得ることができた。
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新技術の特徴・従来技術との比較• 炭素量の多い鉄鋼材料やAl合金等を、硬化も軟化もなく接合できる。

• 硬度の特異点が存在しない。
• およそ1秒で接合が完了する。
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新技術の特徴・従来技術との比較• 鉄鋼材料を700℃（ A1 ）以下の温度で、無変態で接合可能、材料の種類を問わない• Al合金の抵抗スポット接合も、HAZ軟化ナ
シで簡単に達成• 1秒で接合が可能
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想定される用途
ほぼあらゆる組み合わせで接合可能• 鋼ー鋼• Al合金ーAl合金• 異種接合（鋼ーAl合金など）• 自動車車体、部材• 鉄道車輌車体• Al合金部材
23実用化に向けた課題• 装置（実機）開発• 接合時間の短縮化• Al合金の接合• 異種材料の接合

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企業への期待• 装置（実機）開発• 自動車車体や鉄道車輌の接合を行う企業との共同研究を希望• 新規産業分野の接合技術に関するニーズを探索
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：固相点接合方法及び固相点接合装置• 出願番号 ：PCT/JP2021/009182（特願2020-043958）
• 出願人
：大阪大学
• 発明者
：藤井英俊、森貞好昭、釜井正善、相原 巧
26産学連携の経歴（任意）• 2010年-2015年 JST産学共創基盤基礎研究プログ
ラム「摩擦攪拌現象を用いたインプロセス組織制御によるマクロヘテロ構造体化技術の確立」• 2015年 科学技術分野の文部科学大臣表彰 科学技術賞（研究部門）• 2016年 ISO25239 JIS原案作成委員会委員長（摩擦攪拌接合）• 2019年～ JST未来社会創造事業「難接合材料を逆活用した接合／分離統合技術の確立」• その他
企業との共同研究多数
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お問い合わせ先（必須）大阪大学
接合科学研究所 菅哲男

ＴＥＬ ０６－６８７９ － ８６４７
ＦＡＸ ０６－６８７９－ ８６４７
e-mail suga@jwri.osaka-u.ac.jp

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