CAMRIC, University of Toyama

Disc Friction JoiningA novel joining method from Toyama

富山大学大学院理工学研究部（工学） 材料機能工学科○教授柴柳敏哉、廣瀬周平、田尻典大、佐藤 智、石原 知

科学技術振興機構新技術説明会

於 JST東京本部別館ホール

２０１７年10月31日（火）

異種材料接合の新展開- 円盤摩擦接合技術 -

CAMRIC, University of Toyama

講演内容

１. 背景

２． Disc Friction Joining

３． Topics

（ⅰ） 工業用純アルミニウムと軟鋼

（ⅱ） 工業用純アルミニウムと樹脂

４．まとめ

CAMRIC, University of Toyama

（1）摩擦接合

（2）超音波接合

（3）圧延接合

（4）摩擦撹拌接合

（5）摩擦撹拌スポット接合

（6）Linear Friction Joining

摩擦攪拌接合継手断面組織の一例

摩擦現象を利用した接合法

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Friction Stir Welding: metal flow and onion ring

２０２４／７０７５Ａｌ合金異材摩擦攪拌接合組織

1mm

Ret.7075-T6Adv.2024-T3

(b)

(a) 1000RPM

(c)

可視化像 オニオンリング形成モデル

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FSW joint without onion ring

Adv.2024-T3 Ret.7075-T6

(ｄ) 400RPM

２０２４／７０７５Ａｌ合金異材摩擦攪拌接合組織

オニオンリングが形成されなくても接合される条件がある。

「攪拌」を必要としない界面接合もあり得る。

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（1）摩擦接合

（2）超音波接合

（3）圧延接合

（4）摩擦撹拌接合

（5）摩擦撹拌スポット接合

（6）Linear Friction Joining

接合継手に不可避的に形成される組織の不連続性を極小化するには,摩擦圧接のような界面接合機構を線接合に適用する可能性を検討する必要がある

摩擦攪拌接合継手断面組織の一例

摩擦現象を利用した接合法

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講演内容

１. 背景

２． Disc Friction Joining

３． Topics

（ⅰ） 工業用純アルミニウムと軟鋼

（ⅱ） 工業用純アルミニウムと樹脂

４．まとめ

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Disc Friction Joining (円盤摩擦接合)

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Disc Friction Joining machine

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Disc Friction Joining machine (close-up view)

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Disc Friction Joining： dimension of disc for DFJ

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Disc Friction Joining: video

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DFJ joints

10mm

A1016

A1016/軟鋼板

A1016/Sn-Zn合金

CFRP

PP板/Sn-Zn合金

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講演内容

１. 背景

２． Disc Friction Joining

３． Topics

（ⅰ） 工業用純アルミニウムと軟鋼

（ⅱ） 工業用純アルミニウムと樹脂

４．まとめ

背景と目的

自動車分野を中心に近年マルチマテリアル化が注目されている.

本研究では,マルチマテリアル化の根幹となる異材接合技術の一つとして工業用純アルミニウムと軟鋼板の接合実験を行い異材界面組織の特徴を調査することを目的とする.

溶接では継手に不可避的に組織の不連続が現れる。これを極小化するには,摩擦圧接のような界面接合機構を線接合に適用する可能性を検討する必要がある. 回転円盤による摩擦接合

円盤摩擦接合

軟鋼 アルミ

実験条件

供試材 A1070 軟鋼板 寸法2×10×30mm

条件1： Al/Al, 回転数3100rpm, 加圧力約40MPa

条件2：Al/軟鋼板, 回転数3100rpm, 加圧力約53MPa

100μm

組織観察:光学顕微鏡

元素マッピング:EPMA

温度測定:k熱電対 試料端面から3mm

100μm

評価方法

接合方法

接合外観

Al/Al

Fe/Al

10mm

軟鋼 A1070

継手断面のマクロ組織

Al/Al

1mm

1mm

Fe/Al

A

B

温度測定結果

0 10 200

100

200

300

400

500

時間[s]

温度

[℃]

軟鋼A1070

考察

拡散機構

鉄中のアルミの拡散距離は文献値よりおよそ1.3μm

軟鋼Al

アルミ中の鉄の拡散距離は文献値よりおよそ0.18μｍ

10μm

高

低

高

低 50μm

この接合法特有の塑性流動に伴う拡散機構があると考えられる

まとめ

・軟鋼と工業用純アルミの接合に成功した

・接合部近傍では塑性流動が観察された

・接合部近傍では特有の物質移動が観察された

・円盤近傍ではアルミに対して再結晶温度以上になっていることが観察された

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講演内容

１. 背景

２． Disc Friction Joining

３． Topics

（ⅰ） 工業用純アルミニウムと軟鋼

（ⅱ） 工業用純アルミニウムと樹脂

４．まとめ

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アルミニウムと樹脂の異材円盤摩擦接合

富山大学（学）工学部 ○田尻 典大富山大学（院）理工学教育部 廣瀬 周平富山大学 工学部 柴柳 敏哉富山大学 工学部 石原 知

Topics-3

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研究の背景 自動車の車体重量の軽量化

欧州車における材料構成割合

出展:OICA「STEEL PERSPECTIVES FOR THE AUTOMOTIVE INDUSTRY」

種類 用途

PP バンパ

ABS樹脂 ラジエータグリル

無機物強化PP ラジエータグリル

ポリカーボネイト アウトドアハンドル

自動車に用いられる樹脂の種類と用途

出展: プラスチック読本

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樹脂の種類

熱硬化性樹脂

熱可塑性樹脂 非晶質樹脂

結晶性樹脂

ポリスチレンポリ塩化ビニルABS樹脂アクリル樹脂ポリカーボネート

ポリエチレンポリプロピレンポリアミドポリエチレンテレフタレート（PET)

エポキシ樹脂フェノール樹脂不飽和ポリエステル樹脂

日本スチレン工業会

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アルミニウムと樹脂の接合研究例

１．射出一体成形

２．摩擦攪拌重ね接合

３．金属表面に微細な凹凸を施すNano Moulding Technology

４．金属表面に化学的処理を施すシランカップリング処理

５．レーザー接合

６．抵抗スポット溶接

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本研究の目的

１．Disc Friction Joining法により、(a) 異種金属材料の突き合わせ接合が可能であること(b) 金属と樹脂の突き合わせ接合が可能であること

を実証する。

２．接合界面組織の特徴を調べ、界面接合機構ならびに接合プロセスの最適化策定指針を検討する。

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実験方法

供試材A1070‐H24PET樹脂PP樹脂

接合条件加圧力 19.8MPa円盤回転数 2000rpm

継手評価組織観察: 光学顕微鏡引張試験: 島津オートグラフ5000型(A1070-H24－PET樹脂)

供試材寸法2×10×30㎜

円盤接触面積 20㎜²

A1070-H24 標準組織

温度測定:K熱電対 円盤接触部から2㎜及び5㎜の位置 (A1070-H24－PP樹脂)

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Video

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接合中の温度変化

0 10 200

100

200

300

Al 2mm

Al 5mm

PP 2mm

PP 5mm

Time, t /s

Tem

per

atu

re, T

/ ℃

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A1070-H24 アルミニウム板 と 樹脂との接合例

上部材料:PP下部材料:A1070

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断面マクロ組織、ミクロ組織

50μm

PET A1070-H24

(b)

(a)

1㎜

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室温引張試験

材料縦弾性係数[MPa]

引張強さ[MPa]

PET 2000～4100 48～73

A1070 69000 100

10㎜

引張試験前 引張試験後

ε₀ = 2.4×10-4 ｓ-1

T = R.T.

A1070-H24/PET 17.1MPa

0 0.1 0.20

10

20

X

・

Nominal Strain, e / %

No

min

al S

tres

s, σ

/ M

Pa

(a) (b)

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破面観察（A1070-H24アルミニウム/PET樹脂）

10㎜

アルミニウム板側に樹脂が残っている。

①

被接合材

円盤

・円盤との接触・摩擦により加熱・加圧により塑性変形・新生面が現れる

②

被接合材

新生面同士が接触し金属結合することで接合される

円盤の上部外縁部から順次接合される

接合部

未接合部

界面接合機構と継手強度向上の指針

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Joining ZoneFriction Zone

Joining Zoneにおいて作用させる圧縮荷重を

適切に制御することで板厚方向の全面接合が可能になる。

アンカー効果を最大化させる工夫

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接合可能な素材の組み合わせ

鉄鋼材料 非鉄金属 樹脂材料

軟鋼 ステンレス鋼 高張力鋼 純Al Al合金 Mg合金 Sn合金 CFRP PE PS PVC PP PET

PET 〇

PP 〇 〇

PVC 〇

PS 〇

PE 〇

CFRP 〇

Sn合金 〇 〇

Mg合金 〇

Al合金

純Al 〇 〇 今後実施する予定

高張力鋼

ステンレス鋼

軟鋼 〇

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まとめ

１．開発した円盤摩擦接合装置により工業用純アルミニウム板と軟鋼板ならびに樹脂板（PPならびにPET)の突き合わせ接合に成功した。

２．工業用純アルミニウム板と軟鋼板のDFJ継手界面には拡散層あるいは界面反応相が確認された。

３．工業用純アルミニウム板とPET板のDFJ継手界面にはアンカー効果を示唆する界面構造（凹凸）が観察された。

４．加圧機構ならびに送り機構の改善・改良により、異種金属も含めて、幅広い素材の組み合わせに本接合法が適用可能となる。（現在2号機を製作中）

お問い合わせ先

CAMRIC, University of Toyama

国立大学法人富山大学研究推進機構産学連携推進センター主任コーディネーター 髙橋 修

電話番号： 076-445-6120FAX番号 ： 076-445-6939E-mail: otaka84@ctg.u-toyama.ac.jp

ご静聴ありがとうございました。