FSW 技術と自動車への適用例
大石郁 藤井英俊

る点が最大の特長であるが，鉄鋼材料では，それに留まらず，.

摩擦攪拌接合とその特徴

A1 点(変態温度)以下での接合が可能であることが明らかになってきた(10)(11)．この場合，変態を伴わないため，炭素量摩擦攪拌接合(FSW: Friction Stir Welding)および摩擦攪に関係なく接合可能であることから，炭素を多く含み高強度拌点接合(FSSW: Friction Stir Spot Welding)は，今からおな高炭素鋼の接合を可能にする技術として注目されている．

よそ 20 年ほど前にできた比較的新しい接合法であるが(1) ，FSW は固相で接合するため，以下のような種々の優れた

その優れた特性から，自動車だけでなく，鉄道車両，土木構特徴を有する．

造物，船舶等の様々な産業分野で幅広く実用化されている(2)(9)．

接合部における結晶粒の粗大化が抑制され，強度低下が小さい．また，回転ツールによる攪拌効果のため，結晶本手法は，q10～20 mm 程度の円柱状の工具(回転ツール)粒を微細化することも可能で，母材より強度が向上する場合もある．

を材料に押し当てることにより摩擦熱を発生させ，この回転ツールを界面に沿って移動させながら接合する方法である

(図)．自動車産業では，重ね接合にこれを用いることが多く，後述するように(図 4)，回転ツールを試料に押し当てた

変形が小さい．アーク溶接(ミグ)の数分の 1 以下である．



のち，移動させずに接合を完了させる摩擦攪拌点接合を用いこれまで接合が困難であった 2000 系や 7000 系のアルミニウム合金，あるいは鋳造材や複合材料の接合も可能でることが多い．

ある．

本手法は，融点以下，すなわち固相の状態で接合可能であ

異種材料の接合に適している．



開先加工や接合時の前処理が不要である．



接合中にヒューム，スパッタ，紫外線等の発生がない．



気孔，割れなどが発生しにくい．



アルミニウム合金の接合の場合には，シールドガスが不要である．鉄鋼材料の場合は必須ではないが，接合表面の酸化を防ぐために，シールドガスの使用が望ましい．



原則，フィラーが不要である．




接合部から合金成分の蒸発がほとんどない．



熟練技術が不要である．ただし，実施工のためには，FSW オペレータの認証を受ける必要がある．



鉄鋼材料では，高張力鋼など一部の材料を除いて HAZ軟化が生じにくい．



鉄鋼材料の場合， A1 点以下での接合が可能であり，鋼材の炭素量に依存することなく接合できる．

一方，以下のような問題点がある．
図1FSW(摩擦攪拌接合)．



剛性のある拘束治具が必要である．



ギャップの許容範囲が狭く，接合部の目違い，ギャップ

広島県立総合研究所副主任研究員(〒7370004 呉市阿賀南 2 丁目101)大阪大学接合科学研究所教授
Technical Topics and Automobile Applications of Friction Stir Welding; Kaoru Ohishiand Hidetoshi Fujii(Hiroshima Prefectural
Technology Research Institute, Kure. Joining and Welding Research Institute, Osaka University, Ibaraki)
Keywords: friction stir welding (FSW), friction stir spot welding (FSSW), solid phase welding, aluminum alloy, dissimilar metals
2014年 8 月 4 日受理[doi:10.2320/materia.53.603]

ま て り あ 第53巻 第12号(2014)
Materia Japan

の制御が必要である．

スポット溶接を実施している工場が多く見られる．しかし自

接合終端部に穴が残る．

動車の軽量化のためにアルミニウム合金を抵抗スポット溶接



裏面にキッシングボンドといわれる未接合部が生成しやするには大電流が必要であり，そのための設備の新設(増設)すい．

が必要となってしまう．またリベットなどの接合方法もある

すみ肉継手などの複雑形状の部材の接合が困難である．

が副資材が増えることによる管理負担やコストの問題，接合

高融点金属の材料に対しては，ツールの寿命等の課題が部の強度，施工能率などの面で一部の適用となっている．そ残る．

うした問題を解決するために前章で説明した摩擦攪拌接合にしかし，これらの問題点に関しても解決の方向にある．

FSW や摩擦攪拌点接合 FSSW (SFW, FSJ)が開発され，有関しては， FSW では約 1 mm 程度のギャップ裕度しかな力な接合技術として導入されてきている．以降に自動車に適く，ギャップが 2 mm 以上になると欠陥が発生するが，ギャ用された実用例を示す．

ップに粉末を充填しながら FSW を行うことにより， 3 mm程度まで裕度が広がると報告されている(12)．
 ， に関しては，ツールのプローブとショルダが別々に駆

マツダ株式会社における適用例

RX8(アルミニウム合金同士の接合)

動する複動式ツールが有効である(13)． FSSW においても，開発された摩擦攪拌点接合は図に示す 2003 年販売のマ

ショルダ部の外側にバリの発生を防止する治具を備え，ショツ ダ ・ RX 8 の ボ ン ネ ッ ト お よ び リ ア ド ア に て 採 用 さ れ

ルダ部から試料内に挿入することで，接合穴を残さない，フた(15)(16)．このボンネットやリアドアを製造する工場では図
ラットな接合部が得られる手法も開発されている．また，

に示す SFW ロボットシステムによる接合が実施されていに関しては，プローブのみを回転させて接合する方法が，する．これは回転する接合ツールがリアドアなどの接合箇所に

 に関しては，み肉溶接には有効であるとされている(14) ．

動き，挿入して，接合時の圧力を制御して接合するプロセス

種々のツールの開発により鋼等の FSW も可能となってきた．

を採る．接合ツールがワークを把持する際，付加する加圧力

図に接合部の模式図を示すが，接合部中央には，攪拌部はその姿勢による駆動部にかかる重力の影響により変化すると言われる微細な等軸晶からなる再結晶組織が存在する．攪

ため，姿勢変化に対する補正機能付加など制御するための工拌部の外側には，塑性変形により結晶粒が伸びた形状を持つ夫が施されている．

熱 加 工 影 響 部 ( Thermo Mechanically

AffectedZone,TMAZ)，その外側には，塑性変形は受けていないが，熱の影響を受けた熱影響部(Heat Affected Zone, HAZ)が存在す
る．
強加工後に，摩擦による昇温を伴うのが FSW, FSSW の特徴で，これにより，一般に数 100 nm ～数 mm の微細な等軸晶が得られる．このような微細な組織によって得られる機
械的特性は良好であるため，本プロセスは，接合のみならず，素材の改質にも使用可能である．

.

図3

FSSW(SFW)を採用した RX8 とリアドア．

図4

FSSW(SFW)接合の概略図とロボット写真．

自動車への適用例

近年，自動車業界では排出ガスに対する規制が厳しくなってきており，また市場の環境保全意識の高まりから CO2 排出削減，燃費向上が急務となっている．対策としてエンジン性能の向上，アイドリングストップ機能の付加など様々な技術が導入されている．さらに，これらの対策と並行して自動車車両の軽量化が注目を集めており，その軽量化の材料の一つとしてアルミニウム合金が用いられている．日本では抵抗図2



断面組織の模式図．

小特集このように開発された FSSW は，抵抗スポット溶接のよび鋼板の新生面同士が直接接触することが可能となり，さらうなスパッタやヒュームなどが発生しないため工場内の作業に上下のツールで材料を把持することで，新生面同士の冶金環境が向上した．また付帯設備が少ないため，抵抗スポット的な接合が進むことで高い接合強度を可能とした．

溶接機と比較して工場内の省スペース化を実現した．コスト

この接合技術は，図に示す 2005 年に発売を開始したロについては電力が約 1/80に抑えられており，また接合時間ードスターのトランクリッドの部品(ヒンジレインフォースへの影響についても生産効率の低下に影響は与えていない状メントと鋼板製ボルトリテーナーの接合)に採用してい況である．接合ツールも消耗が極めて少なく長寿命であるたる(18)(19)．

め，ツール交換の手間などを省くことができた．
株 だけではなくトヨタ自動車
株 のプリウス，現在，マツダ

クラウン，SAI，レクサス(GS, IS, LS, HS, CT)などでも摩擦攪拌点接合が適用され，用途先が拡大しつつある(17)．


ロードスター(アルミニウム合金/鋼板の接合)



本田技研工業株式会社における適用例

ホンダでは， 2012 年 9 月米国発売のアコードのフロントサブフレームに FSW 技術が採用された(図)．ただし，ガソリン車とハイブリッド車では求められる軽量化の度合いが現在，自動車の軽量化に対してアルミニウム合金だけで構異なるため，使用する材料構成が異なる．つまり HV 用バ成すると強度とコストを両立することが困難なことから，アッテリーやモーターなどがあるハイブリット車では，より軽ルミニウム合金と鋼などを組み合わせたマルチマテリアル化

いオールアルミニウム合金のフロントサブフレームであり，が進められている．しかしアルミニウム合金と鋼板の接合にガソリン車ではアルミニウム合金/ GA 鋼板のマルチマテリ

おいて，抵抗スポット溶接などの溶融溶接では，接合界面にアル構造を採る．今回はガソリン車について紹介す金属間化合物が形成され，接合強度に悪影響を及ぼす問題がる(20)(22)．
発生する．

アコードガソリン車(アルミニウム合金/GA 鋼板の接合)

一方，摩擦攪拌(点)接合は，接合時の入熱量が少ないこと

図に示すようにアルミニウム合金側から回転する接合ツから金属間化合物の形成がない(少ない)特徴がある．マツダールを挿入し，前進角を設けずに FSW ・異種金属接合すではアルミニウム合金板とめっき鋼板の FSSW 接合に取り組んだ．これは図に示すとおり接合ツールを特定の加圧力で材料表面に押し付け，接合ツールとアルミニウム合金板との撹拌時の摩擦抵抗による発熱で上板のアルミニウム合金板とめっきを軟化させる．そして接合ツールによって軟化したアルミニウム合金板が塑性変形することにより接合界面の酸化皮膜が破壊され，同時に界面のめっきも除去される．この結果，めっきが無くなった範囲ではアルミニウム合金板およ図7

図5

アコードとフロントサブフレーム．

FSSW(SFW)接合/異種金属接合の概略図．

図6

ロードスターとトランクリッド．

ま て り あ 第53巻 第12号(2014)
Materia Japan

図8

ホンダ採用の FSW 概略図．

る．使用される GA 鋼板はカチオン電着塗装しており，またアルミニウム合金と GA 鋼板との間には，電食防止のために液型変性シリコン樹脂系シール材を挟んだ状態にある．
回転する接合ツールのプローブ先端が GA 鋼板の表面に挿入されることによって，スチール表面のメッキ層，塗装，シール材を除去し，スチール表面に新生面が現れ，アルミニウム合金と反応して金属間化合物層が形成し接合している．形成する金属間化合物の厚さを 1 mm 以下に制御することで接合強度を高く保っている．


接合時の接合ツールの制御

FSW では安定した接合状態を管理するために，接合ツー

図9

品質管理の概略図．

ルの挿入位置が重要となる．すなわち接合ツールの挿入位置が浅いとメタルフロー領域が小さくなり，金属間化合物も形成されず接合強度も弱くなる．逆にプローブの挿入位置が深いとスチールのフック(巻き上げ)が大きくなり接合強度の低下，また接合ツールの寿命も短くなる問題が発生してくる．
使用する材料の板厚のバラツキや治具を含めた FSW 装置自体のたわみなど，接合時には様々な要因が複雑に影響する
ため接合状態を精密に制御することが難しい．ホンダでは接合時に圧力を感知しながら接合ツールの挿入位置を制御する
ことよって接合状態を管理している．さらに接合ツールの材質に Ni 系合金を用いることでツールの耐久性を向上させ，長時間安定した接合状態を保持している．


接合状態の品質管理手法

ホンダでは FSW 接合部の品質管理はアクティブサーモグ
ラフィの原理を採用している(図，)．これは接合箇所の表面に瞬間的にレーザを照射し，熱を加え，加えられた熱エネルギーが接合材の下部まで移動し，その後反射して表面ま

図10

接合箇所の合否判定の概略図．

で到達するまでの時間，到達時の温度や温度領域を測定す 金属間化合部が形成し，強固な接る．そして，接合状態(◯
 上下の異種金属が密着した状態，◯
 シール材・塗合状態，◯

ミニウム合金が中心であったが，近年鋼板や異種金属接合に装が残った状態)によって反射する時間や温度が異なるの

お い て も 実 用 化 さ れ て き て い る(26) ． さ ら に 2015 年 に はで，その位相差により接合状態を判断している．位相差と接FSW の基本特許が切れることから，ランニングコストが安

合強度の関係は事前に調査し，評価シートを用いて各溶接部

く，工程内の省スペース化，良好な作業環境などの特徴を活の品質を管理している．さらに検査時間は瞬間的であり，生かし，今後さらに実用化が増えていくものと期待される．

産工程を滞らせることがないため全数検査を可能としている．
以上の技術を導入することで，アルミニウム合金/ GA 鋼

文献板のマルチマテリアル構造が採用でき，従来のスチール製サブフレームに対し 25 の軽量化を達成して燃費向上に寄与するとともに，接合製造時の電力消費量も約 50 削減できた．

.

まとめ

株 シーマのサスペンシ
前述した自動車以外にも日産自動車

ョンアームではアルミニウム合金押出し材を FSW により接合している(23) ．このように摩擦攪拌接合技術の自動車業界へ実用化は着実に進んでおり，また自動車業界だけでなく航空機や鉄道業界，造船，一般機械に至る様々な分野で拡大してきている(17)(24)(25) ．また使用する材料としては銅やアル( 1 ) W. M. Thomas, E. D. Nicholas, J. C. Needhan, M. G. Murch,P. TempleSmith and C. J. Dawes: International Patent
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( 8 ) K. E. Knipstron and B. Pekkari: Weld. J., 76(1997), 5557.
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小特集

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Mater. Sci. Eng. A, 429(2006), 5057.
(11) L. Cui, H. Fujii, N. Tsuji and K. Nogi: Scripta Mater., 56(2007), 637640.
(12) K. Inada, H. Fujii, Y. S. Ji, Y. F. Sun and Y. Morisada: Sci.
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(13) C. J. Dawes and W. M. Thomas: Proc. 1st Int. Symp. on FSW,
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( 17 ) 江角昌邦，桔梗千明，佐藤広明，平野 聡，佐藤 裕金属83(2013), 231239.
(18) 川崎重工 Kawasaki News, 135(2004), 8.
( 19 ) 庄司庸平，高瀬健治，玄道俊行，垰 邦彦，森川賢一，野口竜弘マツダ技法，(2006), No. 18.
( 20 ) 宮原哲也，佐山 満，矢羽々隆憲，大浜彰介，畑 恒久，小林 勉ホンダ技術紹介，25(April 2013), 71.
( 21 ) 佐山 満，宮原哲也，矢羽々隆憲，大浜彰介，畑 恒久，小林 勉溶接学会全国大会講演概要，94(2014), S20.
(22) 畑 恒久第304回塑性加工シンポジウム「異種材接合技術が拓く次世代自動車の軽量化と高性能化」/自動車における接合技術2013/8/29.

ま て り あ 第53巻 第12号(2014)
Materia Japan(23) 篠田 剛軽金属，64(2014), 196
202.
(24) 奈良圭祐溶接学会誌，82(2013), 177180.
(25) 森 久史，野田雅史，富永誉也軽金属 57(2007), 506510.
(26) 藤井英俊溶接学会誌，77(2008), 731744.
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大石 郁
1998.4～2002.3 日之出水道機器株式会社
2002.4～2005.3 長崎大学大学院 生産科学研究科(博士課程）2005.4～ 現職
専門分野接合，鋳造◎接合や鋳造(アルミ合金，鋳鉄)に関する研究及び企業からの技術相談に従事．主に摩擦攪拌点接合・摩擦アンカー接合を中心に活動．

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大石郁

藤井英俊

