摩擦攪拌接合に対する材料学的アプローチ
佐

.

は じ

め

藤

裕

に

摩擦攪拌接合(Friction stir welding，以後 FSW と略す)は1991年に英国溶接研究所( TWI)で開発された固相接合法である(1)．溶融・凝固を伴わないがゆえに，接合時の変形が小さい，溶接欠陥が少ない，接合部の機械的特性が良好であるなどの数多くの利点を有する．そのため，溶融溶接が難しい
Al 合金への適用が真っ先に検討され，開発から 20年余で代表的な接合方法の 1 つとしての地位を確立し，すでに Al 合金を中心に航空宇宙，自動車，船舶，橋梁などさまざまな分
野で実用化されている(2)(3)．近年，FSW の規格化も進められており， Al 合金の FSW に関しては 2011 年 12 月に国際規格(ISO 25239)が成立し(4)，近々 JIS も発行される予定である(JIS Z3608)．
FSW の原理を図に示す(5)．ショルダとプローブから成る非消耗接合ツールを回転させながら被接合材へ押し入れ，接合線に沿って移動させるという単純な原理に基づいている

図1

FSW の原理．

が，接合ツール周りで生じる材料流動や接合部の形成機構などの基礎現象は直接観察が難しいため明らかになっていなかった．現時点でも未解明な事象が数多く残されているが，種件を用いれば，接合欠陥のない継手が得られ，攪拌部には微々の材料学的解析により FSW 基礎現象への理解が深まりつ

細な等軸結晶粒組織が形成される(図(5)に代表的な接合部

つある．

断面マクロと組織分類を示す)．微細な結晶粒組織は動的再

本稿では，材料学的アプローチにより等軸的な微細粒組織

結晶によって形成されると言われていたが，いかにして母材の形成機構，酸化膜の挙動，材料流動，接合メカニズムなど組織から微細な結晶粒組織が生成するのかについての知見はの解明に寄与した研究成果を紹介する．また，鉄鋼やチタン

あまりなかった．2004～2005年にかけて Al 合金の FSW 過合金の FSW を可能にする接合ツール材料の研究・開発の動程での組織変化をストップアクション法により凍結し，向についても解説する．

EBSD 法によって解析した結果が報告された(6)(7) ． 2195Al

合金の FSW 過程で接合ツールの移動と回転を強制停止し，

.

微細粒組織の形成

接合ツール前方で生じた組織変化を EBSD 解析した(7) ．その結果，回転する接合ツールが近づくにつれて，母材組織がFSW では，非消耗接合ツール/被接合材の間で発生する

ツールの回転に引き摺られるように変形して伸長粒になると摩擦熱と被接合材の加工発熱によって軟化した被接合材がツともに，元々の結晶粒界が波打ち始め，さらに元々の結晶粒ール周りを流動することで接合が達成される．適切な接合条に小角度粒界が導入されて結晶粒のサブディビジョンが生東北大学准教授大学院工学研究科(〒980
8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602)
Fundamental Understanding of Friction Stir Welding Based on Materials Science; Yutaka S. Sato(Tohoku University, Sendai)
Keywords: friction stir welding, microstructure, recrystallization, oxide layer, microtexture, welding tool
2015年11月 5 日受理[doi:10.2320/materia.55.53]

ま て り あ 第55巻 第 2 号(2016)
Materia Japanじ，接合ツール近傍では小角度粒界の方位差が増加して等軸位差の増加による連続再結晶が主に生じるが，積層欠陥エネ

的な微細結晶粒が形成されるという微細化機構を提案していルギーが低い金属材料では，転位の再配列が生じにくいためる．また Mironov ら(8) は，純鉄 FSW 部の接合方向に垂直

連続再結晶は生じにくく，元の結晶粒界が波打って新しい結な断面において，母材部から攪拌部に至る広い領域で晶粒が形成される不連続再結晶が主体的になることが示され

EBSD 解析を行い，母材の粗大粒組織が攪拌部の等軸微細ている(15)(19)．また，再結晶挙動は接合条件にも依存する．

粒組織へ変化する過程を調べた．その結果を図に示す．

中くらいの積層欠陥エネルギーを有する銅における FSW 過Al 合金のストップアクション法で得られた結果と同様，結程での組織形成をストップアクション法にて調べた結果，回晶粒のサブディビジョンと小角度粒界の方位差増加によって転速度(接合温度)が低い場合には連続再結晶が生じるが，回微細粒が形成されることを示している．その後，種々の Al

転速度の増加に伴って結晶粒界の波打ちによる微細粒形成が合金(9)(10)，Mg 合金(11)(12)，Ti 合金(13)(14)，鉄鋼(15)(18)，銅見られ，連続再結晶から不連続再結晶へ遷移することが示さ合金(19)(20) の FSW に伴う組織形成機構が系統的に調べられている(20)．これは接合温度が増加すると粒界移動が生じれ，また単結晶を用いた基礎的検討(16)(18) も行われた． Al

やすくなることに起因していると考えられる．

合金や純鉄のように積層欠陥エネルギーの高い金属材料で

FSW は融点以下であるものの比較的高温で生じる巨大ひは，上述のような結晶粒のサブディビジョンと小角度粒界方

ずみ加工と言える．従って，組織形成には温度とひずみ速度が影響する．ひずみ速度の実測は難しいが，Masaki ら(21)はFSW の熱履歴を与えながら高ひずみ速度下で平面ひずみ圧

縮試験を行い，FSW 過程でのひずみ速度を実験的に予測した．すなわち， Al 合金の FSW 過程で実測した最高到達温度で，ひずみ速度を変えた平面ひずみ圧縮試験を実施し，
FSW 過程と同じ冷却速度にて冷却した試験片の結晶粒組織を攪拌部のものと比較した．その結果，ひずみ速度は約 2～
3 s－1 程度であり，モデリング等で予測される値よりも小さいことが示唆されている．

.

酸化膜の挙動Al 合金の場合，表面を強固かつ安定な酸化膜で覆われているため，固相接合の障害となる．FSW では，機械的なエネルギーにより酸化膜を分断し，2 つの部材間の金属結合を達成していると考えられていたが，FSW 過程での酸化膜の
図2

図3




(a)Al 合金 FSW 部の断面マクロと(b)組織分類．

挙動についての知見はあまりなかった． Al 合金 FSW 部の

純鉄 FSW 部から得られた EBSD 解析結果．(b)～(d)は(a)の各領域の拡大マップ．マップ中，白線は小角度)，黒線は大角度粒界(方位差15°以上)を示す．
粒界(方位差 2～15°

最近の研究

図4

AA7075 と AA2024 の異種合金 FSW 継手の断面
マクロ(AA7075を前進側，AA2024を後退側に配置 し て 突 合 せ FSW ． ツ ー ル 回 転 速 度  500
rpm，接合速度342 mm/min)．

図5
断面マクロをエッチング後に観察すると，断面にジグザグ模様が観察される場合がある．異種 Al 合金 FSW 部の断面マ
クロは図(22) のようにジグザグ模様を境に異種合金が分か

裏曲げ試験でルート部から割れる継手と割れない
継手のルート部の TEM 写真と模式図． TEM サ
ンプルは裏曲げ試験を採取した同じ継手からFIB にて採取．

れて存在することがあるため，ジグザグ模様は酸化膜が存在した初期突合せ面が移動した痕跡であることが分かる．エッ

流動を解析する手法としては，FSW 前の被接合材中に埋め

チング後にジグザグ模様が現れる Al 合金 FSW 部に対して込んだ別な材質の小球の動きを追うトレーサー法(28) ，エッ

裏曲げ試験を行うと，ジグザグ模様の下部から割れることがチング度が異なる異種合金の移動を調べるマーカー法(29)(30)，ある(23)．FSW では接合ツールを突合せ面に挿入して固相攪FSW 部に生成したミクロ集合組織の分布から変形方向を予拌しているが，接合ツールのプローブ先端は被接合材の下面測する手法(31)(33) などがある．図( a )に Mg 合金 AZ61 母に接触するまで挿入できない(接触すると被接合材は裏当て

材と攪拌部中央から得られたミクロ集合組織を示す(33) ．

材と接合される)ため， FSW 部の下部の攪拌が相対的に弱{0001}底面が板面に平行に配置する母材の集合組織は FSW

くなり，初期突合せ面の酸化膜の分断が不十分になった結果に伴って約 90度回転している．攪拌部における{ 0001 }底面と言える．このような突合せ面下部に生じる未接合欠陥はの分布を調べた結果，図 6(b )のようなトレースを示しておと 呼 ば れ て い る(23)(26) ．

り，Mg 合金の主すべり面が接合ツールのプローブ表面にほエッチング前の断面マクロで未接合欠陥は確認されないが，ぼ平行に並ぶことから，FSW における変形は主に単純せん

Kissing bond も し く は Root flaw

裏曲げ試験で割れる試験片のジグザグ模様下部を TEM 観察断によって特徴付けられ，せん断方向はツール回転方向にほした結果，図に示すように酸化膜が連続的に残存しているぼ平行であることが示された．単純せん断の痕跡は Al 合ことが示された(23) ．一方，割れない試験片においては，局

金(9)(31)，鉄鋼(8)(15)(18)， Ti 合金(13)(14)(34)などでも観察され所領域に酸化物粒子が観察され，部分的に酸化膜のない金属ている．FSW による単純せん断で得られた主すべり面の回結合部分が存在することが示されている(図 5)(23)(27)．すな

転分布は材料流動に対する知見を提供するばかりなく，継手

わち，断面マクロのジグザグ模様は初期突合せ面上の酸化膜

性能に影響することがある(35)ため重要な基礎データと言えが分断されて局所領域に分布したものがエッチングによってる．

現れたものであり，酸化膜が連続的に存在しなければ機械的特性に大きな影響を及ぼさないことが示されている．

上述した材料流動の解析法は有益な情報を提供しているが，接合ツール周りで生じた最終段階での現象を反映しているに過ぎない．近年， Morisada ら(36) は高輝度 X 線透過シ

.

材 料

流

動

ステムを用いて FSW 中の塑性流動挙動を 3 次元可視化する
こ と に 成 功 し た ． 直 径 300 mm の W ト レ ー サ ー の 動 き を接合ツール周りの材料流動は接合欠陥の発生や酸化膜の分FSW 中に観察し，前進側( Advancing side )に形成される接断と関係するため， FSW にとって極めて重要である．材料

合欠陥の発生メカニズム(37)やひずみ速度(38)を調べている．

ま て り あ 第55巻 第 2 号(2016)
Materia Japan



図7

図6

( a ) Mg 合金 AZ61 母材と攪拌部中央から得られた{0001}極点図と(b)攪拌部内における{0001}底面の分布．

( a ) X 線透視画像を得るための装置配置図と( b )種々の回転速度で得られた W トレーサーの 3 次
元移動軌跡．

に分布している．酸化膜のない表面の形成には，ミクロ集合
組織解析の結果で示したとおり，単純せん断が寄与しているものと推察される．なぜなら，単純せん断を受けた材料はす
べり変形によりすべり面上に酸化膜のない表面が形成されるためである．また，FSW では被接合材中へ接合ツールを無図( a )に X 線透視画像を得るための装置配置図を示す．

理矢理押し入れているため，酸化膜のない表面同士は十分に1050Al 合金の FSW を種々のツール回転速度で実施した結密着することができる．実際に，水中で FSW を行っても，果(図 7( b))，接合欠陥が発生する場合には，ショルダによ水が攪拌部内に取り込まれることはない．

る上下方向の塑性流動不足とプローブ周囲における塑性流動

FSW の接合メカニズムを模式的に示すと図のようにな

速度のアンバランスが生じていることを明らかにした(37) ．

ると考えられる．接合ツールの回転によって被接合材は単純

また， W トレーサーの移動速度変化から FSW 過程でのひせん断を受けて，主にツール回転方向に移動する．このとずみ速度変化を求め，最終段階でのひずみ速度は－13.4 s－1

き，初期突合せ面の酸化膜が分断され，酸化膜のない表面がであることを示している(38) ．材料流動は被接合材料の種

現れる．酸化膜のない表面同士が密着することにより接合が類，接合ツールの形状，接合条件に大きく影響を受けるた

達成されているものと推察される．このとき，分断された酸

め，これらを系統的に変えたときの挙動，ひずみ速度に関す化膜は酸化物粒子として局所領域に残存するが，その周囲でる知見を得ることにより，接合プロセスの高度制御が可能に金属結合が達成されているため，機械的特性へほとんど影響なるものと期待される．

しないと考えられる．

.

接合メカニズム

.

鉄鋼・チタン合金用接合ツールの開発

固相接合を達成するためには，金属材料表面の酸化膜を分FSW の利点を鉄鋼でも活用するため，これらに対する適断し，酸化膜のない表面同士が密着して，2 つの被接合材中用研究が国内外で進められている．しかし，鉄鋼の FSW にの原子が安定な原子間距離に達する必要がある． FSW で耐えうる安価な接合ツールがほとんどないため，その実用化は，初期突合せ面の酸化膜は分断され，上述のように粒子状は進んでいない．




最近の研究

図8

図9

Co 基 合 金 ツ ー ル で 得 ら れ た Ti 6Al 4V 合 金
FSW 継手の外観写真と FSW 前後のツール外観
変化．

図10

硬質相のサイズと量を調整した Co 基合金ツールの FSW 前後の外観写真とツール断面形状プロフ
ァイル．

FSW の接合メカニズム．

鉄鋼の FSW では，被接合材が軟化する温度域で十分な高温強度，靱性，耐摩耗性を有するとともに，室温でも十分な硬さと靱性があり，被接合材との反応性が低いツール材料が必要となる(39) ．これまで W 25  Re 合金，多結晶の cBN( PCBN )， cBN / W Re 合金の複合材料が鉄鋼の FSW に使えるツール材料として，特に欧米で多用されているが，いず
れもツール単価が高額であり，汎用的に用いられるには至っていない．広く普及させるには，コストパフォーマンスに優れたツール材料の開発が不可欠であり，この分野の研究・開発は国内で活発に行われている．
これまで国内で開発されたツール材料としては，窒化ケイ素(40) ， Ni 基超・超合金(41) ， Ir 基合金(42) などがあるが，本稿では筆者らが開発した Co 基合金(43)(45) ， Ir 添加 Ni 基合合金よりも高温強度に優れたツール材であり，プローブ長 5

金(46)，W 基複合材料(47)について紹介する．

mm で SUS304ステンレス鋼の FSW も可能であることを報Co 基合金と Ir 添加 Ni 基合金は g/g′型組織を有する耐熱金属材料である． Co 基合金は g / g ′型組織の母相と硬質相告している(46) ．いずれもツール寿命の向上を目指して，ツール材の更なる組織制御が試みられている．

(炭化物や金属間化合物)からなる合金であり，フェライト鋼

W 基複合材料は W に種々のセラミック粒子を混合したもやチタン合金の FSW が可能なツール材料として市場展開さのである．セラミック粒子の種類や混合量を調整して，高温れている．特に a ＋ b 型チタン合金(例えば Ti 6Al 4V 合

強度を低下させることなく，靱性を向上させるとともに，接金)の FSW においては，図に示すようにアルミニウム合合ツール先端部の過熱を防止する目的で熱伝導率を向上させ

金並みの滑らかで光沢のある接合部外観が得られる(43)． Co

た．ツール表面にセラミック被膜をコーティングして基合金は FSW 時に割れることはなく摩耗するが，摩耗の程SUS304 ステンレス鋼の FSW に用いた結果，プローブ長

度は接合温度と硬質相の分布状態に依存し， 2 ～ 5 mm の硬1.8 mm のツールでは接合長 20 m 以上，プローブ長 3.8 mm

質相の体積率を増加させることにより耐摩耗性が向上するこでは接合長 12 m を達成した．現在，この W 基複合材料にとが示された(44)．そこで，硬質相の体積率を増加させた結おいても，混合する硬質粒子の種類や量，セラミック被膜の果，図に示すように中炭素鋼( S45C )を 3.6 m 接合しても最適化を試みているところであり，実用上問題のないツール

ツールはほとんど摩耗せず，初期開発合金に比べて 1.5倍以寿命と価格の実現を目指している．

上の長寿命化に成功している(45)．Ir 添加 Ni 基合金は Co 基

ま て り あ 第55巻 第 2 号(2016)
Materia Japan



.

お わ

り

に

FSW の基礎現象と接合ツール材料の開発状況について，

これまでの著者らの成果を交えて解説した．十数年に渡る基礎研究を通して，FSW 現象についての理解はある程度深まってきたが，例えば材料の流動単位や導入ひずみ量などの実測は実験的アプローチが難しく，未解決のまま残されている．また，継手品質に影響する接合因子が多く，それらの影
響度がはっきりしないため，公表された成果同士が結び付かない，実験結果とシミュレーション結果が一致しないといった状況が度々見られ，未だ学術的に成熟したとは言えない状
況にある．今後も基礎現象の解明に向けた実験研究により，地道なデータ取得が必要と考える．

文献( 1 ) W. M. Thomas, E. D. Nicholas, J. C. Needhan, M. G. Murch,
P. Temple-Smith and C. J. Dawes: International Patent Application PCT / GB92 / 02203 and GB Patent Application
9125978.8, UK Patent Office, London, December 6, 1991.
( 2 ) 粉川博之ら特集「摩擦攪拌接合の基礎と応用」，金属，833(2013), 333.
( 3 ) 溶接学会編摩擦攪拌接合 ―FSW のすべて―，産報出版，(2006).
( 4 ) 松岡茂樹軽金属溶接，51 (2013), 396401.
( 5 ) 摩擦圧接協会編摩擦接合技術，日刊工業新聞社，(2006).
( 6 ) R. W. Fonda, J. F. Bingert and K. J. Colligan: Scr. Mater., 51(2004), 243248.
( 7 ) P. B. Prangnell and C. P. Heason: Acta Mater., 53(2005),
31793192.
( 8 ) S. Mironov, Y. S. Sato and H. Kokawa: Acta Mater., 56(2008),
26022614.
( 9 ) U. F. H. R. Suhuddin, S. Mironov, Y. S. Sato and H. Kokawa:
Mater. Sci. Eng. A, 527(2010), 19621969.
(10) S. Mironov, K. Inagaki, Y. S. Sato and H. Kokawa: Metall.
Mater. Trans. A, 46A(2015), 783790.
(11) U. F. H. R. Suhuddin, S. Mironov, Y. S. Sato, H. Kokawa and
C.W. Lee: Acta Mater., 57(209), 54065418.
(12) S. Mironov, T. Onuma, Y. S. Sato and H. Kokawa: Acta
Mater., (2015), in press.
(13) S. Mironov, Y. S. Sato and H. Kokawa: Acta Mater., 57(2009),
45194528.
(14) S. Mironov, Y. S. Sato and H. Kokawa: Mater. Sci. Eng. A, 527(2010), 7498
7504.
(15) S. Mironov, Y. S. Sato, H. Kokawa, H. Inoue and S. Tsuge:
Acta Mater., 59(2011), 54725481.
(16) J. Jeon, S. Mironov, Y. S. Sato, H. Kokawa, S. H. C. Park and
S. Hirano: Acta Mater., 59(2011), 74397449.
(17) J. Jeon, S. Mironov, Y. S. Sato, H. Kokawa, S. H. C. Park and
S. Hirano: Acta Mater., 61(2013), 34653472.
(18) J. Jeon, S. Mironov, Y. S. Sato, H. Kokawa, S. H. C. Park and
S. Hirano: Metall. Mater. Trans. A, 44A(2013), 31573166.
(19) S. Mironov, K. Inagaki, Y. S. Sato and H. Kokawa: Philos.
Mag., 94(2014), 31373148.
(20) S. Mironov, K. Inagaki, Y. S. Sato and H. Kokawa: Philos.
Mag., 95(2015), 367381.
(21) K. Masaki, Y. S. Sato, M. Maeda and H. Kokawa: Scr. Mater.,
58(2008), 355360.
(22) Y. S. Sato, Y. Kurihara and H. Kokawa: Proc. 6th Intern. FSW
Symp., St Sauveur, Canada, (2006), CDROM.
(23) Y. S. Sato, H. Takauchi, S. H. C. Park and H. Kokawa: Mater.
Sci. Eng. A, 405(2005), 333338.

(24) T. L. Dickerson and J. Przydatek: Int. J. Fatigue, 25(2003),
13991409.
(25) C. Z. Zhou, X. Q. Yang and G. H. Luan: Mater. Sci. Eng. A, 418(2006), 155
60.
(26) C. Mandache, D. Levesque, L. Dobourg and P. Gougeon: Sci.
Technol. Weld. Join., 12(2012), 295303.
(27) Y. S. Sato, F. Yamashita, Y. Sugiura, S. H. C. Park and H.
Kokawa: Scr. Mater., 50(2004), 365369.
(28) K. Colligan: Weld. J., 78(1999), 229s237s.
(29) A. P. Reynolds: Sci. Technol. Weld. Join., 5(2000), 120
124.
(30) T. U. Seidel and A. P. Reynolds: Metall. Mater. Trans. A, 32A(2001), 28792884.
(31) Y. S. Sato, H. Kokawa, K. Ikeda, M. Enomoto, S. Jogan and T.
Hashimoto: Metall. Mater. Trans. A, 32A(2001), 941948.
(32) D. P. Field, T. W. Nelson, Y. Hovanski and K. V. Jata: Metall.
Mater. Trans. A, 32A(2001), 28692877.
(33) S. H. C. Park, Y. S. Sato and H. Kokawa: Metall. Mater.
Trans. A, 34A(2003), 987994.
(34) S. Mironov, Y. Zhang, Y. S. Sato and H. Kokawa: Scr. Mater.,
59(2008), 2730.
(35) S. H. C. Park, Y. S. Sato and H. Kokawa: Scr. Mater., 49(2003), 161
166.
(36) Y. Morisada, H. Fujii, Y. Kawahito, K. Nakata and M. Tanaka:
Scr. Mater., 65(2011), 10851088.
( 37 ) 森 貞 好 昭 ， 今 泉 拓 也 ， 藤 井 英 俊  溶 接 学 会 論 文 集 ， 32(2014), 3137.
(38) Y. Morisada, T. Imaizumi and H. Fujii: Scr. Mater., 106(2015), 57
60.
(39) C. D. Sorensen and T. W. Nelson: Friction Stir Welding andProcessing, edited by R. S. Mishra and M. W. Mahoney, ASM
International, Materials Park, OH, USA, (2007), 111121.
(40) 総合車両製作所 HP(https://www.j
trec.co.jp/koukoku/toolcatalog06ol_2.pdf)( 41 ) 東 靖 子 ， 金 野 泰 幸 ， 高 杉 隆 幸  溶 接 学 会 論 文 集 ， 28(2010), 116122.
(42) T. Miyazawa, Y. Iwamoto, T. Maruko and H. Fujii: Sci. Technol. Weld. Join., 17(2012), 213218.
(43) Y. S. Sato, M. Miyake, H. Kokawa, T. Omori, K. Ishida, S.
Imano, S. H. C. Park and S. Hirano: Friction Stir Welding andProcessing VI, TMS, (2011), 39.
(44) Y. S. Sato, M. Miyake, H. Kokawa, T. Omori, K. Ishida, S.
Imano, I. Sugimoto, S. H. C. Park and S. Hirano: Proc. 10th
Int. FSW Symposium, Beijing, China, (2014), CDROM.
(45) Y. S. Sato, M. Miyake, S. Susukida, H. Kokawa, T. Omori, K.
Ishida, S. Imano, I. Sugimoto, S. H. C. Park and S. Hirano:
Friction Stir Welding and Processing VIII, TMS, (2015), 39
46.
(46) T. Nakazawa, Y. S. Sato, H. Kokawa, K. Ishida, T. Omori, K.
Tanaka and K. Sakairi: Friction Stir Welding and Processing
VIII, TMS, (2015), 7782.
(47)  あゆ里，山崎繁一，上西 昇，池ヶ谷明彦，佐藤 裕，薄田真一，粉川博之，伊石塚浩，森口秀樹溶接学会全国大会
概要集，96(2015), 62
63.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1997 年

佐藤裕

東北大学大学院工学研究科博士前期 2 年の課程修了
1997年 東北大学助手(2007年から名称変更で助教)
2003年～2004年 米国ブリガムヤング大学博士研究員
2008年10月 現職
専門分野溶接・接合工学◎各種溶接・接合部の組織解析，諸特性の改善等に従事．特に摩擦攪拌を用いた接合技術と組織改質法に関する材料学的研究を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

最近の研究