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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2022

研究論文

摩擦撹拌接合を用いた付加製造における接合経路が引張強度特性に及ぼす影響
河 田 圭 一 *1 、 石 川 和 昌 *1 、 児 玉 英 也 *1 、 菅 野 祐 介 *2 、 廣 澤 考 司 * 3 、 横 山 博 *3

Effect of Tool Path in Additive Manufacturing
Using Friction Stir Welding on Tensile Properties
Keiichi KAWATA * 1 , Kazumasa ISHIKAWA *1 , Hideya KODAMA *1 ,Yusuke KANNO *2 , Koji HIROSAWA *3 and Hiroshi YOKOYAMA *3
Industrial Research Center *1 *2 *3
造形時間を短縮できる摩擦撹拌接合を利用した新しい金属付加製造技術の研究開発が行われている。摩擦撹拌接合では、前進側と後進側で左右非対称の塑性流動現象が生じるため、複雑な接合経路により造形した場合、強度の不均一性が懸念される。そこで、本研究では接合経路が引張強度特性に与える影響について調べた。その結果、接合経路による影響は小さく均質な強度が得られることが分かった。

1. はじめにで、本研究では前報 2)に引き続き AM 部の機械特性の検

近年、航空機部品や樹脂成形用金型などの製造工程を証を目的に、接合経路が引張強度特性に与える影響につ中心に、金属付加製造(Additive Manufacturing、以下いて調べた。

AM)の実用化が進められている。金属の AM では、粉末床溶融結合法(Powder Bed Fusion、以下 PBF)や指向性エネルギー堆積法(Directed Energy Deposition)などが主に利用されており、切削加工などの従来技術では製造できない形状やラティス構造による軽量化などが実現できることから、様々な分野で利用が進んでいる。しかし、造形時間が長い、造形できる金属材料が限定されるなどデメリットもある。
一方、名古屋大学や企業を中心として摩擦撹拌接合(Friction Stir Welding、以下 FSW)を利用した新しい金属 AM 技術の研究開発が行われている 1) 。本技術は、FSW により板材を重ね合わせ接合した後、切削加工を1 層ずつ繰り返すことで三次元造形を行う。本技術の特徴として、造形時間が PBF と比較して短いこと、一般的な市販の板材を使用するので合金材料が限定されないこと、レーザ焼結が難しいアルミニウム合金や銅合金なAM 部

どの造形が可能なことなどが挙げられる。図 1 に本技術を用いて製作した金属 AM 例を示す。製作モデルは立形マシニングセンタ(YBM640V、安田工業(株))を使用し図1て製作した。縦 200mm×横 400mm×高さ 10mm の範FSW を利用して製作した金属 AM 例
(使用材料：A5052)

囲が AM 部である。AM 部は FSW により材料が撹拌、2. 実験方法接合され一体となっている。本技術を構造部品に使用するためには AM 部の材料特性の把握が重要である。そこ*1 産業技術センター*3 産業技術センター

自動車･機械技術室
金属材料室

2.1 接合ツール及び接合条件*2 産業技術センター

自動車･機械技術室（現総合技術支援・人材育成室）

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板材の接合に用いた接合ツールの概観を図 2 に、ツー材を接合し、引張試験を行うための AM 部材を作製した。

ルの主要寸法を表に示す。マシニングセンタを使用した FSW では、一般的な FSW 装置のようにツールを数度傾けて接合することが出来ないため、ショルダ部の端面に渦巻き状の溝を設けることで、接合時におけるバリの発生を極力抑えた。
FSW では、接合ツールの回転方向と接合方向が一致する側を前進側(Advancing Side、以下 AS)、反対側を後進側(Retreating Side、以下 RS)と呼び、AS と RS で左右非対称の塑性流動現象が生じることが知られている。
そこで、本実験では AS が残るように接合した経路と

図4

FSW による接合後の AM 部材RS が残るように接合した経路が AM 部材の強度特性に与える影響を調べるため、図 3 に示す接合経路により接2.3 加工力の測定方法合を行った。FSW の接合条件は、主軸回転数 2000rpm、図 3 に示した接合経路で接合する時に発生する加工力

接合速度 500mm/min、ツールの挿入深さ 2.4mm、接合の測定は、圧電式切削動力計(Type9139AA、キスラー)

ピッチ 2mm とした。

を用いて計測した。加工力はスラスト力とトルクを測定した。
表

ショルダ2mmプローブ

図2

接合ツール外観

ツールの主要寸法2.4 接合温度の測定方法

ショルダ径

φ 10mm

プローブ径

φ 3mm

プローブ長2.3mm

ねじピッチ

0.5mm

る温度計測方法であり、工具と材料との間で生じる熱起材質

SKH56

電力を利用して、加工中の温度を比較的簡易に測定でき接合温度は工具-被削材熱電対法 3) により測定した。
工具－被削材熱電対法は、切削加工分野でよく利用される方法である。本方法では、接合材料と接しているツー50ルのプローブからショルダ部の平均温度を測定すること40ができる。

3020AS 側

ツール回転方向示す絶縁部を設けるとともに、回転しているツールに同10開始位置0ロスコープにより計測した。

-20-30-40X -50質の材料を接触させることで熱起電力回路を形成した。
熱起電力はツール側、材料側の端部に繋がれているオシ-10Y

図 5 に工具-被削材熱電対法の構成概要を示す。図に

RS 側

供試材

発生する熱起電力から温度を求めるためには、発生する熱起電力と温度の関係を事前に求めておく必要がある。
そこで、FSW ツールとアルミニウム合金との接触部に-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

図3

FSW の接合経路

K 熱電対を挿入し、昇温した時の熱起電力と温度の関係を求めた。求めた温度校正結果を図 6 に示す。

2.2 FSW による AM 方法

FSW ツール

絶縁部

供試材には、厚さ 2mm のアルミニウム合金 A5052H34 の板材を使用した。はじめに、接合する板材をねじで固定し、FSW により一部を仮接合した。ねじを取り外した後、図 3 に示した接合経路により本接合を行っジグた。接合後の AM 部材を図 4 に示す。接合後の表面は、オシロスコープへ

図 4 のように FSW によるツールマークの起伏が大きく絶縁部荒れており、次の板材を上に設置できないため、上面0.3mm を切削加工により除去し、平滑にした。以上のFSW による接合と切削を繰り返すことで合計 36 枚の板

図5

工具－被削材熱電対法の構成概要

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23.2 接合温度
図 8 に図 3 の経路で 1 層目を接合しているときの工具

熱起電力 mV

1.5-被削材熱電対法による温度測定結果を示す。ツールの1挿入により急激に温度は上昇し、接合開始直後には約0.5合が始まると温度は徐々に上昇し、瞬間的には 450℃を250℃まで温度は上昇した。ツールが X 方向に移動し接超える結果が得られたが、AS 側、RS 側で温度に明確な00100200300400
温度 ℃
熱起電力の校正結果

図6500

差は見られなかった。開始から約 70 秒後以降、温度が下がる傾向や急激な温度変化が見られるようになった。
試験後のツール表面を観察すると、回転しているツールと熱起電力回路を形成するために同質材料を接していた

2.5 引張強度試験部分に酸化とみられる変色した部分が観察できた。酸化引張試験片形状は JIS Z 2241 14 号 B とし、幅 4mm、した異質材により熱起電力が変化するとともに、摩耗粉厚み 3mm とした。引張方向が積層方向となるように図による影響で変動が大きくなったのではないかと考えら

3 の AS 側、RS 側それぞれの中央付近から切り出した。

れる。
500

引張試験機を用いて引張強さと伸びを測定した。N 数は400

ツール
挿入350

温度 ℃

(SEM:JCM-6000PLUS、日本電子)により観察した。

3. 実験結果及び考察

接合開始

4503 とした。また試験後、破断面を走査型電子顕微鏡

300250200150

3.1 接合時の加工力

100

1 層目を図 3 の経路で接合した時のスラスト力と加工5000トルクの測定結果を図 7 に示す。図 7 の AS1 から RS650100150

時間 秒

は、図 3 の点線枠内に示した AS 側、RS 側を X 方向に

図8接合時の温度測定結果移動して接合しているときのそれぞれの経路の順番を示している。スラスト力は、接合開始から時間が経過する

3.3 引張強度試験につれ徐々に高くなる傾向が見られた。一方、加工トル

図 9 に引張強度試験による試験結果を示す。AS 側、

クは、時間経過とともに僅かだが下がる傾向が見られた。

RS 側ともに比較的再現性の良い波形が得られており、これは、FSW ツールが材料を撹拌するときに発生する材料はほぼ均一に撹拌されていると思われる。
3より、実質のツール挿入深さが増加しスラスト力は上昇2.5し、またワーク温度の上昇による材料軟化により、加工トルクは低下したと推測される。実際、接合前後のツー試験力 kN

熱に起因し、ツールやワークの温度上昇に伴う熱膨張にル及びワークの温度を測定すると 100℃以上上昇してい21.5
10.5た。一方、AS 側と RS 側においてスラスト力及び加工00

トルクに大きな差は見られなかった。

スラスト力 kN

加工トルク

525201531025RS2RS4RS5 RS6RS1RS3AS2AS1AS3AS4AS5 AS600

図750100456785678AS 側

3413(a)302.5

試験力 kN

スラスト力

62ストローク mm

加工トルク kNm

7121.510.5001234ストローク mm0(b)150

加工時間 sスラスト力と加工トルクの測定結果

図9RS 側引張強度試験結果

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図 10 に AS 側、RS 側の引張強さ及び伸びの測定結果

分かり、FSW による金属 AM において接合経路によらを示す。参考として供試材として用いた A5052-H34 のず強度的に均質な材料が得られることが確認できた。

試験結果も示す。AS 側、RS 側ともに、引張強さは供試材に対し約 5%低下した。一方、伸びは AS 側で約 30%、RS 側で約 10%増加した。FSW による金属 AM では、造形する形状により接合経路が複雑になり、AS またはBA

RS の影響で材料の均質性が得られないことが危惧されツールマーク1mm

たが、本結果から接合経路による強度に違いは見られず、(a)30030250252002015015100105050

伸び %引張強さ MPaほぼ均一であることが分かった。

5µm(b)

破断面全体

A 拡大部

100µm(c)

B 拡大部

図 11

SEM による破断面の観察結果(AS 側)

0AS
図 10

RS
引張強さ

A5052-H34
伸びA

引張強さ及び伸びの測定結果

3.4 破断面観察

B

ツールマーク1mm(a)

5µm(b)

破断面全体

A 拡大部

図 11、図 12 に引張試験後の破断面を SEM により観察した結果を示す。破断面全体を見ると、AS 側、RS 側ともにツールの送り方向に起因するツールマークが観察された。ツールマークのピッチを測定すると、おおよそ50µm

ツールの一回転あたりの送りに相当することが分かった。
また、ツールマークがある破断面の A の部分を拡大する(c)B 拡大部と(b)のようになっており、数 μm 程度のポーラス状の破図 12

SEM による破断面の観察結果(RS 側)断面が観察された。一般に FSW の撹拌部では微細な結付記晶粒組織が得られることが知られており、本実験においても、AM 部全体が数 μm 程度の微細な結晶粒組織となっていた。このことから、(b)のような破断面が生じて本研究は、「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」で行った研究の一部である。

いると思われる。一方、ツールマークとツールマークの文献間には、(c)に示すような一般の延性材料にみられるディンプル状の破断面も観察されており、複雑な破断面と1) 特許第 6587028 号なっていることが分かった。

2) 河田圭一, 児玉英也, 菅野祐介, 廣澤考司, 横山博:
あ い ち 産 業 科 学 技 術 総 合 セ ン タ ー 研 究 報 告 , 10,

4. 結び
本実験では、AS が残るように接合した AM 部材と RSが残るように接合した AM 部材の引張強度特性について調べた。その結果、両材料には大きな違いがないことが44(2021)3) 浅 井 毅 , 野 村 俊 雄 , 石 塚 春 陽 , 原 昭 夫 : 精 密 機 械 ,44(524), 1009 (1978)