近年、地球環境保護や省エネルギー化への強い要求から、輸送機器に対し軽量材料であるアルミニウム合金の適用が模索されている。特に自動車車体の軽量化対策として、アルミニウム鋳造材またはアルミニウムダイキャスト材の適用が有望視されている。ただし、高い強度の要求される部位には依然として鉄鋼材料が用いられることから、全体の構成に際し、アルミニウム合金と鉄鋼材料など異種金属材料間の接合が不可欠となる。
現在実用レベルにあるアルミニウム/鉄鋼材料間の有効な接合方法には、ロウ付け法、機械結合法、電子ビーム溶接、CD(Capacitor
Discharge)溶接などがあるが、強度不足、生産性、接合体の前処理などいくつか問題がある。また、一般的な接合法として知られている溶融溶接では、アルミニウム合金と鉄鋼材料の接合は不可能とされている。そのため、これら材料と鉄鋼材との有効な接合法が模索される中で、固相状態で連続した接合の可能な摩擦攪拌接合法適用の可能性が吟味されている1、2)。 |
| 摩擦攪拌接合(FSW＝Friction Stir Welding)は、英国公立溶接研究所(TWI)が1991年に国際特許を取得した接合法である。図１に示すように、部材突合わせ部に工具を押し込み、界面に沿って回転移動させることで、摩擦熱により塑性流動状態で攪拌される部材同士が効率よく接合される。この接合法の利点は、基本的に材料を溶かさないため材料固有の特性が維持される、入熱量が小さいために接合後の材料の歪みが少ない、ヒュームや有害光線が発生しない等である。最近では新幹線、宇宙用ロケット等を構成するアルミニウム合金同士の接合法として、すでに実用化されている。また同法は、溶融による接合の困難な異種材料間の接合にも適用され、すでにアルミニウム合金／銅、
アルミニウム合金/ステンレス鋼等の接合製品も報告されている。しかし、自動車部品として使用され、その需要範囲が高いアルミニウムダイキャストADC12についての研究報告がほとんどなされていなく、基礎的研究調査の必要性が強く求められている。 |
図１ 摩擦攪拌接合法（Friction Stir Welding：FSW）
| 利点 |
欠点 |
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本研究では、摩擦攪拌作用を用いて自動車部品に使用されるアルミニウムダイキャスト材ADC12と一般構造用鋼材SS400のような異種材料の直接接合の可能性について調査を行うと共に諸影響因子の特定を通して異種材料としてADC12と一般構造用鋼材SS400の直接接合に対する基礎的知見を得ることを目的としている。
異種金属材料接合実験装置は、回転数及び、ロッドピン位置制御が正確に行えるように、マシニングセンター（エンシュウ（株）社製、S400型）を使用した。装置外観を図2に示した。図中のX,Y,Z及びロッドの回転数を、制御盤からの指令により制御出来るようになっている。指令はプログラム制御である。
図2 異種金属材料接合実験装置 |
摩擦攪作用を用いる場合、ロッドや実験装置にかかる負荷は、ロッドの回転数と接合速度に大きく起因している。接合開始前の材料（金属）は室温のため非常に硬くなっている。そこに、回転させたロッドを押し込むと、材料とピンの間で摩擦熱が発生し、その摩擦熱により材料が軟化する。つまり、ロッドの回転数が大きく、接合速度が小さいと、より摩擦熱が大きくなり、材料が攪拌されやすくなるのでロッドにかかる負荷が減少する。この負荷を制御できれば、装置や攪拌ロッドの破損を極力低減出来ると考えられる。そこで、本実験で用いた比較的硬質である鉄鋼材とAl材の接合を行う場合におけるロッド回転数及び接合速度を変化させた場合の、ロッドにかかる負荷の基礎的な研究調査を行った。図3に、荷重測定方法を示す。実験は、ロッド回転数及び、接合速度に対しロッドにかかる荷重がどのような変化を示すのか調査している。
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図3 荷重測定方法
接合技術を実際の製品に適用するためには、接合部の高品質化（機械的性質,接合内部欠陥,接合後の外観など...）はもちろん、ある程度の接合速度が求められる。そこで、アルミニウム合金材と鉄鋼材料を実用レベルでの接合速度で接合を行い、・表面外観・機械的特性・断面組織観察などから接合特性を調査している。
現在、アルミニウム合金材と鉄鋼材料接合において1m/min以上の接合速度で、良好な接合強度（引張り試験においてアルミニウム母材破断）を有する接合体の作製に成功している。 |
【本研究室で接合可能としている金属材料例】
- 鉄鋼材料（一般構造用圧延鋼板）-アルミニウム合金（ダイキャスト材）
- 鉄鋼材料（機械構造用炭素鋼）-アルミニウム合金（引抜き材）
- 鉄鋼材料（機械構造用合金鋼）-アルミニウム合金（引抜き材）
- 鉄鋼材料-銅合金
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図 本研究室で接合可能とした異種金属材料の成功例
【参考文献】
1) 篠田 剛，溶接学会誌，67-4(1998)326-329
2) M. R. Johnsen, Welding J., 78-2(1999)35-39
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