42あいち産業科学技術総合センター

研究報告2023

研 究 ノート摩 擦 撹 拌 接 合 を 用 いた 金 属 積 層 造 形 におけ る
銅 合 金 と アル ミニ ウ ム合 金 の 接 合 条 件 の 検 討
河 田 圭 一 * 1 、 児 玉 英 也 *1 、 加 藤 良 典 *1
In vesti ga tion of Wel din g C on di tion s of C op per Allo y an d Alu min u m Allo yin M et al A ddi tiv e M an u fac tu r in g Usin g Fr ic ti on Stir Weldin gKeiichi KAWATA *1 , Hideya KODAMA *1 and Yoshinori KATO *1Industrial Research Center * 1
 摩擦撹拌接合と切削を組み合わせて行う新しい金属積層造形技術の開発を行っている。異種金属材料を含 む 積 層 造 形 に 取 り 組 む た め 、 基 礎 実 験 と し て FSW ツ ー ル の 挿 入 深 さ が 銅 合 金 と ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の 接合強度に与える影響について調べた 。その結果、挿入深さにより接合境界部の様子は異なり、プローブ端面 と 接 合 境 界 と の 距 離 が 0.1mm の 条 件 の 時 に 最 も 引 張 せ ん 断 力 が 大 き く な っ た 。

1. はじめにるプローブの長さは 2.3mm とした。アルミ板材には

 近年、航空機部品や樹脂成形用金型などの製造工程をA5052、銅板材には C1100 を使用した。図
図 1 に、板材中心に、金属積層造形(Additive Manufacturing、以下に対する FSW ツールの挿入深さの関係を示した模式図AM)の実用化が進んでいる。これまで名古屋大学及び企を示す。本実験では、(a)(b)に示すようにプローブが上業と共同し、摩擦撹拌接合(Friction Stir Welding、以板を貫通しない場合と貫通する場合の 2 種類について検下 FSW)を利用した新しい金属 AM 技術 1)の研究開発に討した。さらに、貫通しない場合は接合境界面からプロ取り組んできた 2)。本技術は、マシニングセンタ内におーブ端までの距離が 0.3mm と 0.1mm の 2 条件を実施

いて、板材を FSW により重ね合わせ接合した後、切削した。本報では、ツール挿入深さを接合境界面とプローによる仕上げ加工を 1 層ずつ繰り返すことで三次元造形ブ端との距離と定義し、貫通しない場合をプラス表記、を行う技術であり、溶接断面積の大きい FSW を利用し貫通する場合をマイナス表記とした。接合する前にアルているため積層造形時間が比較的短いことや市販の合金ミ板材表面を切削して厚みを調整することにより、ショ板材を利用できることなどが特徴として挙げられる。一ルダの挿入量が 0.1mm で一定となるようにした。

方、輸送機器などでは軽量化、省エネルギー化を目的と0.1

FSW ツールした異種材料接合の利用が増えている。そこで、本研究では市販の合金板材を利用できる特徴を生かし、異種材料接合の金属積層造形に取り組んだ。本報では、銅合金(以下銅)とアルミニウム合金(以下アルミ)の積層造形を行うための基礎実験として、FSW ツールの挿入深さが接合強度に与える影響について報告する。

ショルダ

2.3

0.1RU0.3

2(a) 貫通しない場合

-0.4

プローブ

アルミ
銅(b) 貫通する場合

図 1  FSW ツールの挿入深さ
 FSW による接合経路の模式図を図図 2 に示す。図に示2 . 実験方 法 す経路で接合した後、ワイヤ放電加工機により点線部で2. 1 接合条件 と 引 張 試験 片の 製作 方法

切り出し、引張試験片として供した。接合状態を安定さ 本実験では、アルミの上板と銅の下板を重ね合わせ接せるため、評価部の接合を行う前に、温度がなるべく均合した時の接合強度を調べるため、引張せん断試験を実一となるよう助走部を設けた。評価部は積層造形時を想施した。銅とアルミの接合は、前報 2)と同様のマシニン

定し、3 パス分をピッチ 2mm で接合し、接合幅が約グセンタと FSW ツールを使用して行った。FSW ツール7mm となるようにした。接合条件は、ツール 回転数のショルダ直径は 10mm とし、M3 のねじ山形状を有す1000rpm、接合速度 300mm/min とした。

*1 産業技術センター

自動車・機械技術室

43
100

4000

23000

10

評価部

N

ツール挿入
2

試験力

助走部とから試験力の変動は小さかったと思われる。

14引張試験片
22000-0.4mm

100020図 2 FSW による接合経路

0.1mm0.3mm0123ストローク mm45

図 4 引張試験機による測定結果の一例

2. 2 接合部の観 察と 引張 試験 方法
 接合部 の観 察は光 学顕微 鏡 ((株)キーエ ンス 、VHX-破断部6000)を用い て 行っ た。 引 張せ ん断 試験 は 引張 試験 機10mm((株)島津製作所、AGS-X10kN)を用いて行った。試験(a) 0.1mm

速度は 2mm/sec とし、それぞれの接合条件につき 2 回行った。

破断部

3 . 実験結 果 及び考 察 (b) -0.4mm

3 . 1 光 学 顕 微 鏡 によ る 接 合 部 の 観 察

図 5 破断後の試験片の外観

 光学顕微鏡による接合部の観察結果を図
図 3 に示す。挿入深さ 0.1mm の条件では、接合境界部に若干の凹凸が

図 6
 最大せん断力をツール挿入深さで比較した結果を図見られるものの、欠陥はなく、明瞭な境界が維持されてに示す。0.3mm と 0.1mm の条件を比較すると、接合のいる。0.3mm の条件においても同様な観察結果が得ら境界に近い 0.1mm の方が最大せん断力は大きくなった。

れた。一方、挿入深さ-0.4mm の条件では、ツールによ一方、-0.4mm の条件では、大きな内部欠陥が存在したり撹拌された銅がアルミ側にまで盛り上がっている様子

ものの、銅がアルミ部分にかぎ爪のように食い込んでいが観察された。さらに、プローブ端付近には比較的大きる効果により、0.1mm の条件と比較して本条件では大な内部欠陥が観察された。上板がアルミのため撹拌によきな強度低下は見られなかった。
4000

最大せん断力 Nる温度上昇が比較的低く、銅の塑性流動状態が悪かったと推察される。
アルミ

アルミ欠陥

銅0.1mm

銅

3000
2000
1000
01mm(a) 0.1mm(b) -0.4mm
図 3 光学顕微鏡による接合部の観察結果

0.30.1ツールの挿入深さ-0.4mm

図 6 最大せん断力の比較

4 . 結び3 . 2 引 張 試 験 機 によ る 測 定 結 果
 引張試験機による測定結果の一例を図図 4 に示す。挿入 本研究の結果は、以下のとおりである。

深さが 0.3mm と 0.1mm の条件に対し、-0.4mm の条件(1) 挿入深さにより接合境界部の様子は異なった。

図5にでは破断までの試験力に大きな変動が見られた。図(2) 接合境界からプローブ端までの距離が 0.1mm の時示す破断後の試験片の外観から分かるように、アルミと銅が混在することなく接合された 0.1mm の条件では、に最もせん断力が大きくなった。
文献

接合境界で破断したのに対し、アルミと銅が混在して接合された-0.4mm の条件では、接合部分がかぎ爪のよう1) 特許第 6587028 号に作用し、試験途中に部分的に剥がれても破断までに至2) 河田圭一, 児玉英也, 菅野祐介, 廣澤考司, 横山博:らなかったためと考えられる。図 5 には示していないが、

あ い ち 産 業 科 学 技 術 総 合 セ ン タ ー 研 究 報 告 , 11,0.3mm の条件も 0.1mm と同様、接合境界で破断したこ

54(2022)