FSW 継手の超音波探傷による検査技術検討
Ultrasonic Testing Technolgy applied to Friction Stir Welding Joint
武井徹 Toru TAKEI
吉 澤 正 皓 Masaaki YOSHIZAWA
福 元 誠 一 Seiichi FUKUMOTO岡田
石川寿 Hisashi OKADA
武 Takeshi ISHIKAWA

FSW 継手はトンネル状の内部欠陥や，キッシングボンドと呼ばれる線状の表面欠陥が発生しやすい．そのため，これらの欠陥発生を未然に防ぐとともに，欠陥を検出できる検査方法の確立が品質保証において重要となる．
そこでこれらトンネル状の内部欠陥やキッシングボンドを検出する方法として，超音波探傷試験による検査方法を検討，適用したので報告する．
FSW joint is easy to produce a tunnel-formed internal defect and linear surface detect called kissing bond. Therefore,
it is very important for quality assurance to prevent these defect from occurring, and to establish inspection method.
And so in this study, we established the inspection procedure by the ultrasonic testing, as a method to defect thesedefects.

１ はじめに置が高価であり，探触子の選定に注意を要する．そこでFSW（摩擦攪拌接合）はアーク溶接と比較し，低入今回，これらの内部欠陥とキッシングボンドを検出する

熱でひずみが少なく，ヒュームやスパッタが発生せず，ために汎用の超音波探傷器で，ペン型垂直探触子と小型溶加材が不要であるため，主にアルミニウム合金などで斜角探触子，表面波探触子を用いて検出する方法を検討，適用が拡大している．また固相接合であるため，溶融接適用したので報告する．

合に見られる凝固割れやブローホールなどの溶接欠陥の発 生 が 少 な い． さ ら に 鉄 道 車 両 構 体 で 多 用 さ れ る

２ FSW継手の超音波探傷試験の概要

A6N01S-T5などアルミニウム熱処理合金では，アーク２．１

溶接と比較して熱影響による軟化域が狭く，継手効率がアーク溶接とFSWの相違点がもたらす課題

アルミニウム合金のアーク溶接では球状のブローホー低下しにくい利点もある．

ルや，線状の溶込み不良，融合不良，割れなどの欠陥が一方でツール荷重や回転速度，ツール移動速度などの発生しやすい．これらは放射線透過試験や超音波探傷試

接合条件が適正値から外れた場合や，狙い位置のずれ，験，浸透探傷試験などで検出され，検出すべき欠陥の種ツールの磨耗や変形があった場合，被接合物の拘束が十類や構造物の形状，試験の実施場所などに応じて選択す分でなかった場合などには，トンネル状の内部欠陥や，る．

キッシングボンドと呼ばれる開口欠陥が発生する場合がそれに対しFSWで発生する内部欠陥は，板の圧延方ある．内部欠陥は断面積の欠損により継手の静的強度に向に平面で密着した形状である場合，放射線透過試験で影響を与えるほか，鋭角的形状のため応力集中係数が高は放射線透過量の変化によって生じる透過写真の濃淡のく，疲労強度にも影響を与える．またキッシングボンド差が少なく，きずを検出できない可能性がある．またキは，一般に溶接部の表面欠陥の検出に使用される浸透探ッシングボンドは小さいもので数μm程度（2）と，アーク傷試験では検出できないことがあるにもかかわらず，曲溶接で発生する溶込み不良と比較して幅が極めて狭いたげ試験で開口し，また疲労強度を低下させる．よって品め，微細なきずの検出能力が染色浸透探傷試験よりも高質保証上，これらの欠陥を確実に検出することが求めら

い蛍光浸透探傷試験（3） でも検出が難しいとされる（2）．

れる．しかし，一般に溶接継手の非破壊検査に用いられそこで内部欠陥とキッシングボンドの両方を検出できる

る放射線透過試験では撮影，現像，判定までに時間を要方法として超音波探傷試験の適用を検討した．FSW継するうえ，放射線を使用するため安全上の配慮も必要に手の断面マクロ観察写真を図1に示す．

なる．また，航空宇宙産業などでは超音波探傷試験の発展形であるフェイズドアレイも適用されているが（1），装

総合車両製作所技報第3号

32FSW 継手の超音波探傷による検査技術検討

縦波は粒子間隔の伸び縮みの方向，すなわち粒子の振動方向が，振動の伝わっていく方向と一致している波である．縦波は主に垂直探傷で板材の圧延きず，余盛を削除した平滑な溶接部の内部欠陥の探傷や，板厚測定などに用いられる．縦波の模式図を図2に示す．

㐍⾜᪉ྥ

Ἴ㛗

（a）継手断面全体

図2

縦波の模式図横波は粒子の移動方向，すなわち粒子の振動方向が振動の伝わっていく方向と直角になっている波である．横波は主に斜角探傷で，余盛ありの溶接部の溶込みの探傷などに用いられる．横波の模式図を図3に示す．

Ἴ㛗（b）点線部拡大図

図１

FSW 継手の断面マクロ観察写真

㐍⾜᪉ྥ
図3

２．２

横波の模式図超音波探傷試験の原理

超音波探傷試験は，探触子から発生する超音波が物質

表面波は材料の表面層だけを伝わっていく波である．

中を伝播し，伝播経路中の欠陥などからの反射波（エコ

表面から1波長分の非常に浅い層にエネルギの大部分がー，垂直探傷における健全部で見られるエコーを底面エ集中しており，表面付近の粒子は縦振動と横振動を混合コー，きず，欠陥からのエコーをきずエコー，欠陥エコしたような挙動を示す．表面波は主に板材の表面きずのーという）を検出し，欠陥の位置，大きさを調べるもの

探傷などに用いられる．表面波の模式図を図4に示す．

である．
音は空気の圧力振動による波であり，空気が圧力変化（疎密）の振動を繰り返しながら前方に進んでいく．音の高低は，1秒間あたりの振動数によって決まり，高い音は振動数が多いことを意味し，周波数が高いという．
周波数の単位は通常，Hz（ヘルツ）を使用する．耳に

図4

表面波の模式図

聞こえる音の周波数はおよそ20Hz ～ 20000Hz（20kHz）
で，20kHz以上の周波数の音波を超音波と呼んでいる（3）．
超音波には振動の種類により，縦波（固体，液体および気体中に存在できる），横波（固体中のみで存在できる），３ FSW継手の超音波探傷方法検討
３．１

探傷対象の継手形状

探傷対象は板厚4mmのアルミニウム合金A6N01S-T5

表面波（横波の一種）などがある．

33

2014年12月

押出形材の平板をFSWで接合した片面突合せ継手である．継手外観を図5に示す．継手止端部に発生する突起物はトウフラッシュまたはバリと呼ばれる．なお，探傷方法を検討するあたり，トウフラッシュは除去しないことを前提とした．

図6

図5
３．２

ペン型探触子による探傷

継手外観

垂直探傷

継手中に発生する内部欠陥は，板の圧延方向に平面形状であることが多いことから，FSW施工面（以下，表面とする）からの垂直探傷を検討した．探触子は二振動子探触子10C5 ／ 2NDとペン型探触子15K4Nの2つを用いた．検討用として，平板にφ0.6mm，φ0.8mmの2種類の平底穴を裏面から深さを0.5 ～ 2.0mmで段階的に変えた試験片を作製し，表面から探傷を行った．探傷結果を（a）きずエコーの分離が可能な場合（ペン型φ 0.6 深さ 0.5）

表1に，ペン型探触子による探傷を図6に示す．表中の○は平底穴が検出でき，底面エコーとの分離が可能，×は平底穴の検出ができない，またはできても底面エコーとの分離が困難であったことを示す．探傷画面を図7に示す．探傷器の画面で縦軸は反射エコーの強さを表しエコー高さと呼び，横軸は探触子から反射源までの距離でビーム路程と呼ぶ．垂直探傷の場合，きずエコーのビーム路程が探傷面からきずまでの深さとなる．

裏面からのきず深さ

表1

探傷結果

0.5

1.0

1.5

2.0

探触子  穴径
二振動子 φ0.6××

○

○

探触子

φ0.8××○○

ペン型φ0.6○○

○

○

探触子

φ0.8○○○○総合車両製作所技報第3号（b）きずエコーの分離が困難な場合（二振動φ 0.6 深さ 0.5）

図734

探傷画面

FSW 継手の超音波探傷による検査技術検討

超音波探傷は一般に周波数が高いほど，また振動子の器の画面を図11に示す．斜角探傷は超音波が探傷面に斜大きさが小さいほど，きず検出能力は高いと言われ，本めに入射するため，超音波の入射角度とビーム路程の三結果も同様となった．しかし，ペン型垂直探触子は超音角関数で探傷面からの位置を求める．画面中の3本の黄波ビームの幅が非常に狭いため，超音波ビームがきずに線をエコー高さ区分線と呼び，上から順にH線，M線，対してわずかでも斜めに入射した場合，きずを検出できL線と呼ぶ．H線は標準穴からの反射エコーを異なるビない恐れがあり，走査が難しい結果となった．超音波ビーム路程でプロットしたもので，探傷中にH線と同レベームの入射角度ときずエコーの関係を図8に示す．

ルの反射エコーが得られた場合，そのきずを横穴と仮定した場合，標準穴と同じ大きさであるとみなせる．

ab

2 0.8c（a）超音波ビームときずが直角のとき（b）きずが傾きを持っているとき（c）探触子が斜めのとき（a）ではきずエコーが高く，（b）
や（c）
ではきずエコーが低い

図8

超音波ビームの入射角度ときずエコーの関係

３．３

斜角探傷

図9

対比試験片形状

内部欠陥とキッシングボンドの両方を検出できる方法
として斜角探傷を検討した．しかし一般的なアーク溶接継手に使用される5C10×10A70や5C10×10A45などの斜角探触子をFSW継手に使用する場合，以下の不都合が生じる．
・アーク溶接継手中に発生するブローホールや溶込み不良，融合不良と比較して，FSW継手中に発生する内部欠陥とキッシングボンドは非常に小さい場合があり，反射エコーが小さく，きずが検出できない可能性がある．また探傷感度を高くするとSN比が悪くなる．

図 10・FSW後，止端に発生するトウフラッシュによる段差に対比試験片での探傷の様子

探触子が乗り上げ，超音波がうまく入射できない．
これらのことから，探触子は振動子サイズが小さい小型斜角探触子5K3×3A45を使用し，FSW後の表面からの直射法による探傷とした．
アルミニウム溶接部の超音波探傷試験に関するJIS規格には，JIS Z 3080:1995.アルミニウムの突合せ溶接部の超音波斜角探傷試験方法があるが，適用範囲を厚さ5mm以上としているためそのままの適用はせず，規定さMれるRB-A4 ALを参考に，標準穴の径をφ0.8mmとしてL作製した．穴径はISO25239-5:2011.Friction stir welding- Aluminum - Part5:Quality and inspection requirementsに，断面観察時の内部欠陥許容値が，板厚×0.2以下または4mmのいずれか小さいほう，とある規定を参考にした．
作製した対比試験片形状を図9に示す．
対比試験片での探傷の様子を図10に，そのときの探傷

図 1135探傷器の画面

2014年12月

３．４

表面波探傷

入射するため，探傷器画面に現れたきずエコーのビーム路程が探触子先端からきずまでの距離を意味する．

斜角探傷では，内部欠陥とキッシングボンドが超音波ビームの線上に混在した場合，内部欠陥のみしか検出しない，または両方を検出してもエコーが分散して小さくなり，きずの大きさが正しく判定できないおそれがある．
またキッシングボンドが単独で存在した場合でも，きずの深さ方向の長さが短いと，きずエコーを見落とす可能性もある（図12）．そこで，キッシングボンドのみを検出する方法として表面波探傷の適用を検討した．表面波探傷を図13に示す．表面波探傷はキッシングボンドを検出するのが目的であるため，FSW後の裏面から探傷した．

図 15（a）内部欠陥とキッシングボンドが混在した場合→キッシングボンドに超音波ビームがあたらない

図 12

対比試験片での探傷の様子（b）キッシングボンドが短い場合→走査中にキッシングボンドを見落とす

図 13欠陥の見落とし

表面波探傷

アルミニウム合金の溶接部に関する表面波探傷のJIS規格がないため，長さ10mm，幅60μm，深さ100μmのスリットを入れた対比試験片を作製した．対比試験片の図 16形状を図14に示す．

探傷器の画面

前述のとおり，表面波は表面から1波長分の非常に浅い層にエネルギの大部分が集中し，波長と同程度の深さまでのきずが検出可能となる．探傷対象のアルミニウム合金A6N01S-T5の押出と直角方向の音速は約3000m/秒100 m（実測値）であり，5MHzの探触子の場合，探傷面表面から0.6mm程度までが探傷範囲となる．これは表面波探傷
ではキッシングボンドと探傷面近傍の内部欠陥を検出することになる．しかし内部欠陥は突合せ面から離れた位

図 14

置に発生し，キッシングボンドは突合せ面に発生する．

対比試験片形状

このことから表面波探傷の場合，内部欠陥とキッシング探触子は，5C10×10R ALを使用した．対比試験片でボンドが混在しても，突合せ面と探触子，ビーム路程のの探傷の様子を図15に，またそのときの探傷器の画面を位置関係を正確に把握することで，両者を分離して捕ら図16に示す．表面波探傷は超音波が探傷面表面に沿ってえることが可能であると考えられる．

総合車両製作所技報第3号

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FSW 継手の超音波探傷による検査技術検討

著者紹介

４ まとめ
アルミニウム合金A6N01S-T5のFSW継手で超音波探武井徹

生産本部技術部（接合技術センター）主任

傷による非破壊検査方法を検討し，以下の結果が得られた．
（1）φ0.6mm，0.8mm平底穴の探傷を，垂直二振動子探触子10C5 ／ 2NDとペン型垂直探触子15K4Nで行っ吉澤正皓

た．垂直二振動子探触子では穴深さが1mm以下の場

生産本部
技術部（接合技術センター）合，きずエコーと底面エコーとの分離が困難であった．ペン型垂直探触子15K4Nでは穴深さ0.5mmでもきずエコーと底面エコーが分離し，探傷できた．
（2）FSW継手部のトウフラッシュを除去しない前提で，小型斜角探触子5K3×3A45を使用した探傷を検討した．そしてISO25239に規定される断面試験での内部欠陥許容値φ0.8mmで横穴の対比試験片を作製

福元誠一
生産本部技術部（材料センター）主任

石川

し，小型斜角探触子5K3×3A45で探傷することができた．
（3）表面波探触子5C10×10R ALを使用し，長さ10mm，幅60μm，深さ50μmの人工きずを探傷することができた．また表面波探傷では，キッシングボンドだけでなく，探傷面近傍の内部欠陥も検出可能である．
そして内部欠陥とキッシングボンドが混在しても，突合せ面と探触子，ビーム路程の位置関係を正確に

武博士（工学）生産本部技術部（接合技術センター）課長

岡田寿

生産本部技術部（接合技術センター）課長把握することで，両者を分離して捕らえることが可能であると考えられる．
今後は，今回検討した方法をもとに，一般的なアーク溶接継手向けに探触子選定や感度調整を行い，より簡便に短時間で実施可能な方法を，超音波探傷以外の方法も含めて検討していく．
参考文献（1） 立 花 直 治， 他：「INTRODUCTION TO PHASEDARRAY ULTRASONIC TECHNOLOGYAPPLICATIONS 日 本 語 版 」，205-209，(2005)，
Olympus NDT（2）大岩直貴，他：「摩擦攪拌接合部における不完全部とその精密非破壊検査－構造用アルミニウム合金の摩擦攪拌接合継手の諸特性に関する研究（第1報）－」，軽金属溶接，45 ‐ 4，11-21（2007）（3）続木武彦，他：「非破壊検査シリーズ 浸透探傷試験
Ⅱ」，118，（2005），（一社）日本非破壊検査協会（4）裏垣博，他：「非破壊検査シリーズ 超音波探傷試験Ⅱ」，4 ，（2000），（一社）日本非破壊検査協会

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