Chapter8 わずか 1μm の融合 ( 株 ) 本田技術研究所, 本田技研工業 ( 株 ) 電蝕という魔のサビホンダは,1990 年のミッドシップスポーツカー NSXで, アルミニウム製モノコック車体を開発した 99 年のハイブリッドカーインサイトではアルミニウムの押し出し材を使ったアル

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きみかずはぎにわ
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1 8 Chapter わずか 1μm の融合 FSW Development of a Sub-frame in which and Alloy carried out FSW Dissimilar-metal Welding ( 株 ) 本田技術研究所, 本田技研工業 ( 株 ) FF 44

Chapter8 わずか 1μm の融合 ( 株 ) 本田技術研究所, 本田技研工業 ( 株 ) 電蝕という魔のサビホンダは,1990 年のミッドシップスポーツカー NSXで, アルミニウム製モノコック車体を開発した 99 年のハイブリッドカーインサイトではアルミニウムの押し出し材を使ったアルミニウム車体を開発しているもちろんそれ以前から,

ちなみに, 国内で販売されるアコードは, 全車ハイブリッドエンジンであるため, そのフロントサブフレームはオールアルミニウムとなっている ( 図 1) 電蝕とは, 異なる金属が直接接触することにより, 電位差が生じて金属が腐食することをいうとくに, クルマの構造部においては, 腐食することによって強度が落ち, クルマの走行に大きな支障を及ぼす恐れがあり, シャシに関しては禁じ手

2 Chapter8 わずか 1μm の融合 ( 株 ) 本田技術研究所, 本田技研工業 ( 株 ) 電蝕という魔のサビホンダは,1990 年のミッドシップスポーツカー NSXで, アルミニウム製モノコック車体を開発した 99 年のハイブリッドカーインサイトではアルミニウムの押し出し材を使ったアルミニウム車体を開発しているもちろんそれ以前から, アルミニウム合金のシリンダブロックを採用してきているなど, アルミニウムの活用は, 国内自動車メーカーの中でも豊富に経験してきているそのホンダが, 電蝕という難問を抱える, スチールとアルミニウムを接合して, フロントサブフレームに採用する挑戦を行ったこのスチールとアルミニウムのハイブリッド構造を持つサブフレームは, 北米で販売される新型アコードのガソリンエンジン搭載車に使われているちなみに, 国内で販売されるアコードは, 全車ハイブリッドエンジンであるため, そのフロントサブフレームはオールアルミニウムとなっている ( 図 1) 電蝕とは, 異なる金属が直接接触することにより, 電位差が生じて金属が腐食することをいうとくに, クルマの構造部においては, 腐食することによって強度が落ち, クルマの走行に大きな支障を及ぼす恐れがあり, シャシに関しては禁じ手といわれるほど, 注意を要する問題であったしかしホンダが, あえてその禁じ手に挑戦したのはなぜか本田技術研究所四輪 R&Dセンター企画室第 0ブック主任研究員の宮原哲也が経緯を語ったホンダが販売しているFF( フロントエンジンフロントドライブ ) 車では特に, 前を軽くすることは, クルマの運動性能の向上に効果がありますそれを, より多くの人に体験してほしいということで, 先に 05 年のレジェンドでフルアルミニウムのフロントサブフレームを採用しています続いて 08 年のアコードでも, フルアルミニウムの開発をしていたのですが, コストが見合わないので断念しましたそれでも, より軽く, 剛性が高く, そしてコストの見合う方法はないかということから, スチールとアルミニウムのハイブリッドができないか検討し始めたのです構造的にも, かなり軽くできそうだと思いましたしかし電蝕の課題は, 宮原も当然よく知っていることだ課題を乗り越えれば, 次への突破口になると考えましたもちろん, 市場で不具合 Power Plant Engine Mount Front Subframe No change component parts 図 1 サブフレームの基本的構造を出すわけにはいきません今回の開発では, 不具合を出さないための検査方法にも, 新たな取り組みがありますいかにも独創を以て旨とする, ホンダらしい難問への挑戦であったそして, スチールとアルミニウムを接合する方法に, ホンダは,FSW(Friction Stir Welding) という工法を選んだ Engine Mount Steering Gear Box Suspension Arm スチールとアルミニウム合金の FSW 異材接合 part スチールとアルミニウムを結合すると, 電蝕が起きるこれは, ほとんどの人が耳にすることのある, 異なる材料の結合の難しさを象徴していたしかし, それを実現したのが今度の開発であるカギを握るのは,FSW という結合方法だこれによって, 新型アコードの北米で販売されているガソリンエンジン車の, フロントサブフレームを, スチールとアルミニウムのハイブリッド構造にしたその理由は, 軽量化にある FF 車のフロントが軽くなることによって, 走行中の運動性能が高まるまた, 軽さは, 燃費の改善にもつながるさらに,FSW という工法は, それ自体, 省エネルギーでもあり, 製造と製品の双方で環境適合性の高い技術なのである従来,FSW は量産性にまだ十分な知見がなかったが, ホンダは, アコードという量産車で FSW を適合し, その品質保証も自らの発想で実現している不可能を可能にする, ホンダの独創が活きた開発といえる 45

Chapter8 解決したのはわずか 1μm の接合面 FSWとは摩擦攪拌接合のことで, スチールとアルミニウムを重ね合わせた箇所に, 先端にプローブという突起がある筒状のツールと呼ばれる工具をあてがい, それが回転することにより, アルミニウムを攪拌し, 軟化させ塑性流動を起こす ( 図 2) さらにスチール表面の塗装などが薄く削られたあと,

3 Chapter8 解決したのはわずか 1μm の接合面 FSWとは摩擦攪拌接合のことで, スチールとアルミニウムを重ね合わせた箇所に, 先端にプローブという突起がある筒状のツールと呼ばれる工具をあてがい, それが回転することにより, アルミニウムを攪拌し, 軟化させ塑性流動を起こす ( 図 2) さらにスチール表面の塗装などが薄く削られたあと, アルミニウムを強く押し付けることによってスチールとアルミニウムが合金のような組成になって, 結合される方法であるその合金部分の厚みは, わずか1 μmほどの薄さでしかない ( 図 3,4) この薄さが肝心です強固に接合したいと思い, 厚くしてしまうと, かえって脆くなるのです薄く, 緻密に接合することで, スチールとアルミニウムは強固に結合し, それによって, シャシという, クルマの構造部となる部分にも使うことができるのですこう説明するのは, 本田技術研究所四輪 R&Dセンター生産技術推進室 HG 生産技 Tool 図 2 Stir Zone Pressure Rotation Welding interface (IMC) IMC is formed in the welding interface FSW ウェルディングのメカニズム Probe 術戦略ブロック主任技術員の佐山満である FSWという接合方法は, ホンダの発明ではないイギリスのTWIという会社が 1991 年に特許を取得しているそして鉄道や宇宙産業, あるいは, 他の自動車メーカーでもスポット溶接の代わりに採り入れているところがあるしかし, 今回のホンダのように, 北米市場では中型乗用車の販売台数でしのぎを削るアコードのような大量生産の車種で, しかも, スポット ( 点 ) での接合ではなく, 筒状のツールを移動させながら, 線で接合する例はきわめてまれださらに, ホンダのFSWの利用の仕方に工夫があるフロントサブフレームは, 前と後ろでスチールとアルミニウムのダイカスト製リヤメンバからなる構成となっている前側のスチールは, 亜鉛メッキ鋼板に防錆処理の塗装が施されており, その表面に, シリコン系のシール材を塗布, その上からアルミニウムダイカストのリヤメンバを載せ, そしてFSWで接合する手順であることだこのとき, 接合に使われる筒状のツールは, 回転しながらアルミニウムを攪拌し, 同時にシール材やスチール表面の塗装を削り取り, スチール表面を出してから接合するので, 接合されて合金化した部分以外の箇所は, 元のまま残ることになるすなわち, スチール表面の塗装や, スチールとアルミニウムの間に挟まれたシール材が, 元のまま残るのである結果, その使われるシール材がスチールとアルミニウムが直接接触して錆びることを防ぐ上に, 重ね合わせた両者の隙間を埋め, 防水効果も発揮するのである一石二鳥どころか三鳥にもなるような結果をもたらしたのであったフロントサブフレームの, スチールとアルミニウムを, フロントサブフレームでどう使い分けるかは, 設計を担当した本田技術研究所四輪 R&Dセンター第 11 技術開発室第 3ブロック研究員の大浜彰介が考案した設計に際しては, エンジンが直列 4 気筒とV 型 6 気筒の2 種類あるので, いかに同じ部品で効率的に使うことができるか, また, サスペンション取り付け点の剛性をいかに高め, クルマの運動性能を向上させるかを念頭に考えましたフロントサブフレームのうち, リヤメンバ側をアルミニウムダイカストとしています理由は, 鋳物なのでリブを付けるなどによって, サスペンション取り付け部分の剛性を上げやすく, また直列 4 気筒とV 型 6 気筒ではステアリングギヤボックスとパワープラントを支持するエンジンマウントが異なるためですスチール部分は, すべて共用できる仕様としていますまた, リヤメンバのアルミニウムダイカストは, 国内で販売されているアコードハイブリッド車に搭載しているフルアルミニウムサブフレームにもそのまま使えるように工夫しましたとはいえ, アルミニウムダイカストによる一体成形であれば, 色々な機能を持たせることができ, スチールのプレス構造で構成するとした場合に比べ, ボルトやブラケットなどを減らせられるので, 重量で約 25% の軽量化, また, 製造段階での消費電力で約 50% の省エネルギー化を果たすことができました <Macro> Aluminu <SEM> insulates by sealant <TEM> x5,000 Less than 1 m Alloy x150,000 図 3 接合面と錆止め加工の分析図 4 プローブという突起のある筒状の工具をあてがいそれが回転して攪拌する 46

わずか 1μm の融合 ( 株 ) 本田技術研究所, 本田技研工業 ( 株 ) 宮原は補足として, 次のように述べているスチールのプレスで製造すると, 付属する部品が細かくあって30 点ほど必要になるところ, アルミニウムのダイカストで一体成形すれば, 一つの部品で出来上がりますまた, 省エネルギーの点では, アーク溶接に比べ,FSWは使用電力が1/10と試算できます

5ブロックの研究員, 畑恒久であった材料と鋳造の専門家であるフロントサブフレームのリヤメンバは, ダイカストとしてはかなり大きな部品であるダイカストは, 溶融したアルミニウムを高速高圧で金型内に鋳込むこのサイズの部品を3500t 級のダイカストマシンで成形するには, 通常 1 個ずつ作るのが一般的であったしかしそれでは, 量産車のコストに見合わないサプライヤ( 部品供給会社 )

4 わずか 1μm の融合 ( 株 ) 本田技術研究所, 本田技研工業 ( 株 ) 宮原は補足として, 次のように述べているスチールのプレスで製造すると, 付属する部品が細かくあって30 点ほど必要になるところ, アルミニウムのダイカストで一体成形すれば, 一つの部品で出来上がりますまた, 省エネルギーの点では, アーク溶接に比べ,FSWは使用電力が1/10と試算できます筒状のツールを回転させるモータの電力だけで済みますからすなわち,FSWは, アルミニウム化を行い, 軽量化によってクルマの燃費を改善するだけでなく, 製造工程においても環境適合性の高い工法といえるのですひとつの金型から 2 個の部品を作るフロントサブフレームのリヤメンバ側のアルミニウムダイカストを担当したのは, 本田技術研究所四輪 R&Dセンター第 11 技術開発室第 5ブロックの研究員, 畑恒久であった材料と鋳造の専門家であるフロントサブフレームのリヤメンバは, ダイカストとしてはかなり大きな部品であるダイカストは, 溶融したアルミニウムを高速高圧で金型内に鋳込むこのサイズの部品を3500t 級のダイカストマシンで成形するには, 通常 1 個ずつ作るのが一般的であったしかしそれでは, 量産車のコストに見合わないサプライヤ( 部品供給会社 ) と一緒に, 高強度高品質を要求される大型ダイカスト部品を作れるように, コンパクトな真空バルブを開発し, 金型やダイカストの技術を構築していきましたしかも, 一つの金型から,2 個のリヤメンバが作れるようにしたのです通常は, スチールとアルミニウムダイカストをFSWで接合するフランジ面の肉厚は, 高い寸法精度が必要なので, 加工工程が入りますしかし, 今回はさらに, 機械加工の作業工程を減らすため, 出来上がったダイカストの厚みの公差を, 通常の半分程度の精度に高めることに挑戦しました金型変形やバラツキを抑え, 高精度に仕上げる技術の蓄積がサプライヤにあったので, 一緒に開発に取り組みました高い寸法精度の大型部品ダイカストでは, 世界トップレベルだと思います 3500t 級のダイカストマシンでありながら, 高強度高精度の大きな部品を,2 個一度に作り, なおかつFSW 接合部の肉厚公差を従来の半分にする, 高精度を実現したのです精度の高いダイカストを実現しようとした取り組みの背景にあったのは, 形状の自由度であった宮原は, アルミニウム部品の作りやすさからいえば, 初代インサイトで採用したような押し出し材が簡単ですしかし, 窓枠のアルミサッシのようなものですから, 形の自由度はありませんその点, ダイカストの方が形を自由に作れますと説明する C 型クランプ構造で 10kN の力をプラスマイナスゼロにこうして, 物づくりの目途が立ってきたら, 次はそれをどう量産していくか, 生産方法が課題となる FSWという接合方法については,2003 年ごろから開発が始められていたと宮原は振り返る燃料電池車のFCXクラリティで, 燃料電池を搭載するフレーム製造においてアルミニウムを使い,FSWで接合することを行っていますまた, フィットEVのサブフレームは, フルアルミニウム製で, これもFSWで接合していますしかし, それらは, 数が限られたクルマであり, 量産するとなると, 生産工場で, 通常の製造ロボットを扱うのと同じような取り扱いで生産できるようにならなくてはなりませんそこをどうするか実は, ここがかなり難問であった FSWでは, 筒状のツールを10kNの力で素材に押し付けながら回転させ, 接合する通常, 汎用のロボットで10kNの力を押すという仕事をさせたとすると, ロボット自身が壊れて, 後ろへひっくり返ってしまうのだ FSWの特許を持つイギリスや, ヨーロッパでは, 日本に比べFSWを先行して利用しているが, それらはみな, ロボットが壊 The load in the axial direction of the tool is canceled by C-frame structure C-shaped frame Articulated robots for industry in general 図 5 FSW のハイブリッド構造れないように強化して使っていた日本でも, 新幹線の車両など, 大型のものを作るうえでFSWを使う設備は, 大型のマシニングセンタのような大きさであるというそれでは, とてもクルマの生産工場で使える寸法ではないなんとか通常の製造ロボットでFSWを量産に使うことはできないか? ここで, 試作を担当する, 本田技術研究所四輪 R&Dセンター生産技術推進室 HG 生産技術戦略ブロックの主任技術員である佐山満のひらめきが, 事態打開の糸口を掴んだどうすれば,FSWを汎用ロボットで実現できるか考えていたとき, 私は生産現場にいますから, そこのマシニングセンタを見て, 改めてその全体の形がC 型クランプのように見え, これが使えるのではないかと思ったのです我々も日曜大工などの工作で, 材料を作業台に固定する際に使うクランプという道具があるこれは, 上下から素材を挟み込み, 力を加えて押さえておく締め具だ上下から挟むというやり方をすれば, 掛けた力が, 作用反作用でプラスマイナスゼロになるので, 汎用ロボットが10kNの力で壊れることもなくなるだろうと発想したのだ ( 図 5) 汎用のロボットを知る人にとってみると, ロボットに高荷重を与えること自体, 何か問題が起こるのではないかという不安を感じさせるようですしかし, 私はこの方法しかないと,C 型クランプという発想で 10kNの荷重をかけることをロボット専門 47

Chapter8 宮原哲也 Tetsuya MIYAHARA 株式会社本田技術研究所四輪 R&D センター主任研究員素晴らしい賞を戴き, 驚いています受賞することを狙って開発してきたわけではありませんが, 嬉しく, 有り難く頂戴しました世界初とは, 非常識に挑戦することです普通と違うよねということを, 本気で打ち破るためには, 仲間や関係者の力があって初めて達成できることです

5 Chapter8 宮原哲也 Tetsuya MIYAHARA 株式会社本田技術研究所四輪 R&D センター主任研究員素晴らしい賞を戴き, 驚いています受賞することを狙って開発してきたわけではありませんが, 嬉しく, 有り難く頂戴しました世界初とは, 非常識に挑戦することです普通と違うよねということを, 本気で打ち破るためには, 仲間や関係者の力があって初めて達成できることです技術的に常識を疑い, 前例の無いことにも, 恐れること無くやることによって, 新技術につながる後輩にものことを伝えるうえでも, 受賞ができて良かったと思いますし, 今後も, 新しいものを開発し, 受賞者があとに続くといいと思っています佐山満 Mitsuru SAYAMA 株式会社本田技術研究所四輪 R&D センター主任技術員ありがとうございます苦節十数年, FSW にかかわり, 試作の仕事が量産につながることでも最高に嬉しいことなのに, 裏方である我々が賞にかかわることができ, 表舞台に立ち感無量です諦めずに続けてきたことが受賞につながり, 二重三重の喜びです大浜彰介 Shousuke OHHAMA 株式会社本田技術研究所四輪 R&D センター研究員嬉しいですそして, 関係会社二社とホンダの中で色々と関わってくれたメンバーに感謝の気持ちです私はまだ入社 4 ~ 5 年なのですが, そういう若手に機会を与えてくれた会社と, 上司だった宮原にも感謝したいですこの先まだ研究所で働く時間はたくさんありますから, 次もまた受賞できるようにこれからも頑張っていきたいと思います矢羽々隆憲 Takanori YAHABA 本田技研工業株式会社鈴鹿製作所技術主任自分がやってきた仕事を人に話すことはないのですが, 受賞によって, 家族や, 職場のほかの人から, すごいことをやった, おめでとうと声を掛けられ, 新鮮な気持ちでした N S X を開発して間もないころはアルミの溶接はできないのではと同僚に言われたこともありましたし, 最近はマルチマテリアルの時代と言われながらなかなかブレークスルーできる具体的なものがなかったので, アルミニウムとスチールの結合が, 今回いよいよできて, ここまでこれてよかったと思っています畑恒久 Tsunehisa HATA 株式会社本田技術研究所四輪 R&D センター研究員随分, 昔に鉄とアルミニウムを鋳込みで金属接合する研究をしたこともありましたが, 実用的な方法で高強度に接合することは難しいと考えていましたそれが今回,FSW を初めとした新しい技術を開発し, 今までできなかったことが実現できましたこのプロジェクトに加われたことに, 不思議な巡り合わせを感じました研究所は多くの人が, 様々な研究開発を一所懸命努力している中で, この受賞は幸運でした息子にも自慢できました開発責任者宮原の強力なリーダーシップの下, 団結力が素晴らしかったと思います難しいことをやらない理由はたくさんありましたが, すべてひっくり返して実現できました若い大浜に負けないよう, これからも新しい技術にチャレンジしますメーカーに問い合わせ, 一緒に基礎テストをしてみましたすると, 問題ないことが分かったのです通常ロボットには, 許容される以上の荷重がかかると警告アラームを発して停止するような仕組みになっていますそれでも, 一緒に行った基礎テストの間, 一度もアラームが鳴ることはありませんでしたロボットメーカーから, 保証の範囲内だから大丈夫とのお墨付きを戴くことができたのですもう一つ佐山が編み出したのが,FSW を, スポット ( 点 ) ではなく, 線状に連続して接合する方法である FSWは, 従来, スポットでの接合では使われていましたが, それを, どう連続で横へ動かして線状に接合できるようにするか結論は, 素材と治具を一緒に横へ移動させてしまえばいいのではないかということでしたワークと治具を一体化し, その下をコロか何かで転がしてしまえばいいだろうとフロントサブフレームを, アコードほどの数を量産するためには,1 日に1500 個製造する能力がなければならない手際よく接合しなければ, とてもそれだけの量を一日で作ることはできない 48

わずか 1μm の融合 ( 株 ) 本田技術研究所, 本田技研工業 ( 株 ) 大量生産できる製造の仕組みは, これで考え付いたそれを, ごく一般的な汎用ロボットのどのような動きで作っていくか, ロボットの制御も重要な開発要素であったここも, ホンダだけでできることではなく, 量産を担当するサプライヤと一緒に開発したそれでも, 大量生産の仕組みがすべて完成するまでには,

6 わずか 1μm の融合 ( 株 ) 本田技術研究所, 本田技研工業 ( 株 ) 大量生産できる製造の仕組みは, これで考え付いたそれを, ごく一般的な汎用ロボットのどのような動きで作っていくか, ロボットの制御も重要な開発要素であったここも, ホンダだけでできることではなく, 量産を担当するサプライヤと一緒に開発したそれでも, 大量生産の仕組みがすべて完成するまでには, 数年の歳月を要したというさて, こうして大量生産できる段階までようやく到達した次は, その品質をどう確保し, 保証するかである人とくるまのテクノロジー展で出会った非破壊検査クルマが走る際に, 様々な入力の掛かるサスペンションが取り付けられるのが, フロントサブフレームである万が一, FSWの接合部分に不具合が出れば, 大変なことになるしかし, 冒頭で紹介したように,FSW は, 筒状をしたツールを回転させることによって, アルミニウムを攪拌し, 軟化して塑性流動させ, スチールとアルミニウムが合金のような組成になることによって接合されるしたがって, 表から接合部を見ても, そこが合金状になっているかどうかは判定できないその検査方法を確立したのが, 現在は本田の鈴鹿製作所ボディ工場ボディ管理ブロックの技術主任である矢羽々隆憲であった開発当時は, 研究所で材料と溶接の研究をしていましたそして, 長年アルミニウムボディにかかわってきました開発当初は, 非破壊検査をすることは考えておらず, 製造の作りこみ, モニタリングしながら管理すればいけるのではと考えていましたしかしながら現実にはそれだけでは 100% を保証することが難しいため安心して世の中に出すためには, ダメな物をはじくための技術が必要となりました一般的に, 接合をするという場合, 接合面はきれいに洗浄して, 板厚もきちんと揃えて作るのが常識ですが, 今回のFSWでは, 亜鉛メッキ鋼板にはカチオン電着の防 LD Laser Infrared camera IMC Measure the phase difference of heat energy reflection 図 6 レーザを使った非破壊検査技術錆がされており, アルミニウムのダイカストは, 鋳肌のままの表面で, しかもスチールとアルミニウムの間にはシール材が挟み込まれているという状態での接合ですそのようなところに, わずか1μmの厚さの合金ができているかどうか, 果たして検査できるのかと考えていたとき, 人とくるまのテクノロジー展で, ランプの熱を利用して赤外線カメラで検査するメーカーのブースを見て, これが使えるのではないかと直感が働いたのですそして, そのメーカーと連絡を取り, トントン拍子で話は進みました実際のFSWの検査方法としては, アルミニウムの熱伝導の高さと, 接合部の構造を考慮して, 従来のランプによる加熱ではハイブリッドサブフレームの構造について解説を聞くなく, 急速加熱が可能なレーザを用い, アルミニウム側から照射し反射光を測定する方法を採用している ( 図 6) 私は当初, 安価で, 短時間で加熱できる IH(Induction Heating: 誘導加熱 ) を推したのですが,2 枚のスチールを重ねたところの間に空気層があり,IHの熱を透過させて使う方法では無理でしたと佐山そこで, 矢羽々は, 自分は, 溶接でレーザを検討していた経験があったので, レーザでやろうと考えましたと話すアルミニウムダイカスト側からレーザを照射した熱が, 界面を通過しスチールまで到達して, 反射波が戻ってくる時間差を計測する高性能赤外線カメラを使い, わずか1 秒で確認することができるようにして, 大量生産に適した非破壊検査が確立できたのであったこの赤外線の反射波を使う手法は, 今後, ほかの検査にも使えると思っていますと, 矢羽々は話すこうして, 軽さと, 剛性と, コストの三つを同時に達成するFSWにより, 北米で販売される新型アコードのガソリンエンジン車用の, スチールとアルミニウムを結合するというフロントサブフレームが出来上がったまさに, 宮原が冒頭で述べたように, 課題を解決し, 次への扉が開かれたのであった 49

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( 公財 ) 航空機国際共同開発促進基金解説概要 22-7 この解説概要に対するアンケートにご協力ください FSW( 摩擦撹拌接合 ) の航空機への適用動向 1. 概要 1991 年に TWI(The Welding Institute : 英国にある公立の溶接 / 接合研究所 ) によって開発された FSW(Friction Stir Welding : 摩擦撹拌接合 ) は従来接合法に比べ