異材接合の現状と課題 大阪大学接合科学研究所 中田一博 ( 一社 ) 溶接学会春季全国大会特別講演 2014 年 4 月 22 日
講演内容 1. 異材接合の目的 2. 異材接合技術への期待 3. 金属材料における異材接合の可能性 4. 第 2 世代異種材料接合 アルミニウム / 鉄の異材接合の現状 溶融溶接 ブレーズ溶接 固相接合 (FSW 等 ) 検討例 その他組み合わせ例 5. 第 3 世代異種材料接合 金属 / 樹脂異材接合 金属 / セラミックス異材接合現状と課題の俯瞰
1. 異材接合の目的
異材接合の目的 : 異なる機能を有する材料を適材適所で使用して 部材の多機能化 高機能化 高付加価値化とコスト削減を同時に図る マルチマテリアル化 材料 : 構造材料金属 高分子 ( 樹脂 ) セラミックス ( ガラス ) ( 複合材料 生体材料 半導体 ) 異材接合技術
2. 異材接合技術への期待
将来的に必要と考えられる異材継手の組み合わせ 組合せ 割合 (%) 金属 / 金属 54.6 金属 / セラミックス 24.7 金属 / プラスチックス 7.2 金属 / 複合材 7.2 金属 / その他 4.1 プラスチックス / 複合材 その他 / その他 1.1 1.1 NEDO[ 異材溶接技術の基礎研究 ] NEDO-ITK-0009(2001.3),68.
将来的に必要と考えられる異材継手の組み合わせ 組合せ 割合 (%) 金属 / 金属 54.6 金属 / セラミックス金属 / プラスチックス金属 / 複合材金属 / その他プラスチックス / 複合材 1.1 4.1 7.2 7.2 平成 23 年度 NEDO 調査 (2012.3) 24.7 省エネルギー社会構築に向けた異種材料接合技術開発動向調査 アンケート結果 実用化が期待される異材接合材料の組み合わせ : 鉄 / 樹脂 CFRP アルミ / 樹脂 CFRP 鉄 / アルミ その他 / その他 1.1 平成 NEDO[ 25 異材溶接技術の基礎研究年度開始の未来開拓国プロ ] 革新的新構造材料等技術開発 NEDO-ITK-0009(2001.3),68.
代表的な機能構造材料 材料機能軽量性耐熱性耐低温性 ( 靭性 ) 耐食性熱伝導性電気伝導性 代表的な構造材料 ハイテン鋼 アルミ合金 マグネ合金 樹脂 CFRP ニッケル基合金 チタン合金 CrMo 鋼 アルミ合金 ステンレス鋼 インバー合金 チタン ステンレス鋼 銅合金 タンタル アルミ合金 銅 アルミ合金 銅 ( 中田作成 )
成形加工プロセスの異なる部材 部材 溶融溶接性 圧延材 押出材 鍛造材 鋳造材 高圧鋳造 ( ダイカスト ) 材 粉末焼結材 複合材 発泡 ポーラス材 その他 : 非晶質材 強塑性加工材 容易 要注意 困難 不可 ( 中田作成 ) 異材接合 : 材料素材の組み合わせ + 成形加工の組み合わせ両方を考慮する必要がある
接合プロセスの異材接合への適用性 異種材料の組み合わせ 接合プロセス同種異種金属 / 樹脂金属基金属基金属 /CFRP 金属 / セラミック アーク溶接 溶融溶接電子ビーム溶接 レーザ溶接 * ろう付 ろう付 拡散接合 固相接合 圧接 FSW * 接着 接着 機械的リベット ボルト 締結かしめ 異材接合の可能性 : 高い 材料に大きく依存 低い 不可 * 特別な手法 ( 中田作成 )
異材接合技術の現状 異材接合の組み合わせ : 第 1 世代 : 同種金属基 ( 合金 ) 鉄鋼材料同士等 第 2 世代 : 異種金属 ( 合金 ) 未解決課題の解決とさらなる適用拡大 第 3 世代 : 異種材料 鉄 / 非鉄 (Al,Mg,Ti,Cu 等 ) 等 金属 / 樹脂 / セラミックス 斬新なアイデア 先進的 革新的な研究開発 ( 中田作成 )
3. 金属材料における 異材接合の可能性
平衡状態図から分かる異材接合の可能性 固溶体 固溶体 Cu Ni Al 金属間化合物 Mg (a) 全率固溶 Cu-Ni (c) 一部固溶体 + 金属間化合物 Al-Mg 固溶体 固溶体 金属間化合物 Fe Cu Fe Al (b) 2 相分離 Fe-Cu (d) 一部固溶体 + 金属間化合物 Fe-Al T.B.Massalski: Binary Alloy Phase Diagram, 2nd ed., ASM (1990)
状態図と関連づけた異材接合の可能性 ( レーザ溶接 ) Al 2 Ag Al Au Be Co Cu Fe Mg Mo Nb Ni Pt Re Sn Ta Ti W Au 1 5 Be 5 2 5 Co 3 5 2 5 Cu 2 2 1 5 2 Fe 3 5 2 5 2 2 Mg 5 2 5 5 5 5 3 Mo 3 5 2 5 5 3 2 3 Nb 4 5 4 5 5 2 5 4 1 Ni 2 5 1 5 1 1 2 5 5 5 Pt 2 5 1 5 1 1 1 5 2 5 1 平衡状態図的には Al/Fe や Ti/Fe の溶接は不可能 Re 3 4 4 5 1 3 5 4 5 5 3 2 Sn 2 2 5 3 5 2 5 5 3 5 5 5 3 Ta 5 5 4 5 5 3 5 4 1 1 5 5 5 5 Ti 2 5 5 5 5 5 5 3 1 1 5 5 5 5 1 W 3 5 4 5 5 3 5 3 1 1 5 1 5 3 1 2 Zr 5 5 5 5 5 5 5 3 5 1 5 5 5 5 2 1 5 1: 溶接可能 ( 固溶体形成 )2: ほぼ溶接可能 ( 複雑な組織形成 )3: 溶接には注意が必要 ( 溶接に関するデータが不十分 )4: 溶接には極めて注意が必要 ( 信頼できるデータ無し ),5: 溶接不可能 ( 金属間化合物形成 )*)Welding handbook, Vol.2, 8 th edition, America Welding Society, Miami, FL, 1991
第 1 世代 : 同種金属基 ( 合金 ) 鉄鋼材料を主に実用化され 施工法等がほぼ確立 整備 炭素鋼 / 合金鋼 / ステンレス鋼など アルミニウム合金 溶接材料 溶接法 溶接条件の最適化
第 2 世代 : 異種金属基 ( 合金 ) 金属の組合せにより実用化 の程度は大きく異なる 最もニーズの大きい組合せ : 鉄鋼 / アルミ合金 ( 状態図では極めて困難な異材組合せ )
4. 第 2 世代異種材料接合 アルミニウム / 鉄の異材接合の現状溶融溶接 ブレーズ溶接 固相接合 (FSW 等 ) 検討例 その他の組み合わせ例
アルミ / 鉄異材継手の溶融溶接上の問題点 Al-Fe 平衡状態図 Al/Fe 界面での脆い化合物 Al3Fe,Al2Fe5 の優先析出 融点差 :1538 /660 熱膨張係数差 :12x10-6 /23x10-6 対応法 : 脆い化合物の形成防止は困難なので化合物層の厚さを薄くする方法が主として検討されている Al Al Fe 溶融部 Fe ビード表面 ビード断面 Al / Fe 異材継手のティグアーク溶融形状
Al / Fe 異材接合プロセスと接合可能な接合界面構造 ( 過去の文献等からの取り纏め結果 ) 接合プロセス 接合界面構造 熱的平衡 ( 準平衡 ) 高温反応 熱的非平衡 低温反応塑性流動現象 溶融溶接 抵抗溶接 ろう付 拡散接合 圧接摩擦圧接超音波爆接 FSW 高温反応のため金属間化合物層形成 金属間化合物層の厚さが支配因子 数 μm(1μm) 以下で良好な継手強度 金属間化合物層が SEM 程度では認められない 界面にアモルファス層形成 ( 数 nm 数十 nm 厚さ, 酸化物層 ) 化合物との複合層 ( 中田作成 )
アルミニウム / 鉄の異材接合 熱的平衡プロセス例
拡散接合の例 ( 熱的平衡プロセス ) 金属間化合物層形成 金属間化合物層厚さが継手強度の支配因子 金属間化合物層厚さ 1 2μm で最高強度 これより薄いと低下 ( 接触面積 ) これより厚いと低下 ( 金属間化合物層内破断 ) 黒田ら ; 溶接学会論文集, 17(1999),484
レーザ溶接例 ( 熱的平衡プロセス ) 突合せ継手 : レーザ照射置を Al 側とし Al のみ溶融 重ね継手 : レーザ照射位置を鋼板裏面とし間接加熱で Al のみ溶融 Al 合金 鋼 鋼 溶融部 Al 合金 Al 合金 鋼 鋼 金属間化合物層 金属間化合物層 M.Kreimeyer:Schw. & Schen 2002,DVS220,256. Al 合金 Al 合金 /Steel 異材継手の断面マクロおよびミクロ組織 F.Wagner: ICALEO 2001, C,1301
アルミニウム / 鉄のブレーズ溶接検討例 ( 熱的平衡プロセス )
状態図により推定した代表的なろう材素材の適合性 ろう材素材 Fe 異材母材 Al Ag 化合物なし 2 相分離 Fe/Ag 化合物形成広い範囲で共晶 Al 多数の化合物形成 全率固溶体 Au 化合物なし 2 相分離 Au/Fe 多数の化合物形成広い範囲で共晶 Cu 化合物なし 2 相分離 Cu/Fe 多数の化合物形成 Ni 全率固溶体 多数の化合物形成 Zn 化合物形成広い範囲で固溶体 化合物なし共晶 Al/Zn ( 中田作成 )
ミグアークブレーズ溶接重ね継手 ( 中田ら ) A1050/SPCC の外観 A1050/SPCC フラックス内蔵溶加材ワイヤ BA4047(Al-12%Si 合金 ) 断面 FeAlSi 3 元系化合物 FeAl2 元系化合物 接合界面ミクロ組織 1~3mm 厚さで Al 母材破断 T.Murakami, K.Nakata et al:isij Int.43(2003)1596.
Zn-Si 溶加材の出現とレーザブレージングによるアルミ合金 / 亜鉛めっき鋼板の異材接合 半導体レーザ フレア継手 GA 鋼板 /6022Al 合金 Zn6%Al 溶加材ろう付部破断 ( ホンダエンジニアリング ) Zn1%Si 溶加材 Al 合金母材破断 ピール試験後の継手断面 ( 脇坂 鈴木 : 溶接学会論文集 30(2012)274-279) FeAl 化合物厚さ 10mm Fe3Al2Si3 化合物厚さ 100nm 程度 a-fe/ 結晶整合性良好
アルミニウム / 鉄の固相接合 FSW 検討例 ( 熱的非平衡プロセス )
FSW 作動ビデオ 押さえジグ 回転ツール 開先 プローブ アルミ板 裏当金 被接合材 : アルミ合金板 板厚 6mm
FSW による Al 合金 / 鉄鋼の異材接合の提案 回転プローブによる接合界面の清浄化 / 活性化 低温 短時間接合と金属の塑性流動の活用 接合部断面とピン挿入位置 (a) 突合せ継手 (b) 重ね継手 鋼 接合界面 ピン アルミニウム アルミニウム 鋼 接合界面 岡村ら : 溶接学会誌 72(2003)436. 岡本ら : 軽金属溶接 42(2004)49.
接合性に及ぼすピン回転方向と試片配置の組合せの影響 前進側 後退側 プローブに削られた清浄面 4 に塑性流動アルミが押し付けられる 後退側 6 の接合面は清浄面では無い 前進側 オフセット量の最適化 福本ら : 溶接学会論文集 22(2004)309
摩擦撹拌点接合 :FSJ,FSSW 1. アルミ合金の抵抗スポット溶接の代替 2. 高張力鋼シート材の抵抗スポット溶接の代替 3. アルミ合金 / 鉄鋼シート材の重ね異材接合 接合時間 ツール ツール回転数 押込み荷重 被接合材 回転方向塑性流動 上下方向塑性流動 ( 1) ピン圧入 ( 2) 攪拌 一体化 ( 3) ピン引抜き 摩擦点接合の接合過程 ツール形状 接合条件のパラメータ 省エネ型スポット溶接プロセスとして注目
摩擦撹拌点接合 : 動画 アルミ合金シート材の重ねスポット接合 回転ツール アルミシート ( 上板 ) アルミシート ( 下板 )
摩擦攪拌点接合による Al 合金 / 鉄鋼異材接合 ( 熱的非平衡プロセス例 ) Mg-Si-O 系アモルファス層 2 4nm 接合界面全域 3.6kN(Al/Fe) / 3.9kN(Al/Al) = 92% Al: 6000 系 (Al-1Si-0.5Mg) Fe:SPCC 田中ら ; 軽金属,56(2006),317
鋼板と Al 合金の FSW 異材接合 実用化例 : ホンダ サブフレーム 重ね継手へ の展開 日経ものづくり 2012 年 10 月 p18-19 マツダ :2005 年アルミ材 / 鋼板の点接合実用化 : アルミ製トランクリッドヒンジ部
アルミ / 鉄の異材接合技術 : まとめ 現状 : アルミ / 鉄の異材溶接は平衡状態図的には困難 異材接合界面構造の制御で静的強度の高い継手の形成が可能 課題 : 動的機械的性質 ( 疲労強度など ) がどうなるか? 化学的性質 ( 腐食 ) は? 接合プロセス 継手強度の安定性 / 再現性の保証 生産現場への適用性 ( 研究から現場へ ) 品質評価法 コスト ( 装置, 維持など ) 規格化 標準化
摩擦圧接によるアルミニウム / ステンレス鋼異材接合 A1070 接合界面 SUS304 直径 24mm 丸棒 A1070/SUS304 摩擦圧接後表面機械加工 A1070 工業用純アルミ 破断面 SUS304 接合界面部 繰返し 90 度曲げアルミ母材部破断 ( 精密工業 提供 ) 異材接合継手の新しい JIS 評価法への取り組み ( 経産省産業技術環境局 )
第 2 世代異種材料接合 その他の組み合わせ例
FSW による純チタン / 鉄鋼 SPCC の重ね異材接合 Ti 母材破断部 接合部 Ti Steel CP-Ti SPCC FeTi+b-Ti 複合層 引張せん断試験後の外観と界面組織 ( チタン CP-Ti 母材破断 ) ( 中田ら )
成形法の異なる合金の組合せ (Al 合金の例 ) (FSW による異材接合例 ) 圧延材 / ダイカスト材 / 鋳造材 / 粉末成形材 / 複合材 後退側 前進側 ADC12 ダイカスト材と圧延材との接合 A5052 気孔等の発生により溶融溶接不可 10%Al 2 O 3 6061MMC と 6061 アルミ合金との FSW 突合継手 ( 中田 )
5. 第 3 世代異種材料接合 金属 / 樹脂 金属 / セラミックス
金属 / 樹脂 CFRP の異材接合 射出成型法 : 小物部品等で実用化 板材の接合 : 開発途上 ( 一部実用化 ) 接着剤 リベット等 かしめ 熱溶着 レーザ接合法 ( レーザエネルギー利用 ) 摩擦接合法 ( 摩擦エネルギー利用 ) マルチマテリアル化に向けた多様な接合プロセス
金属 / 樹脂の直接接合を可能にする新レーザ接合法 接合プロセス 接合継手 ( 引張試験評価 ) 大阪大学接合科学研究所片山教授 川人准教授 金属と樹脂を重ね レーザ照射し 接合界面でナノレベル反応層を形成することで接合する革新的な接合プロセス 接合界面 ( 透過型電子顕微鏡観察 ) 5 nm 反応層 樹脂 : ペット 5 nm 金属 : ステンレス鋼 樹脂が伸びる高強度接合を達成 期待される成果日本の成長分野 : 電気自動車の軽量ボディ 蓄電池などの次世代ものづくりを支えるキーテクノロジー 金属酸化皮膜を介したナノ接合 本研究成果は 朝日新聞 日刊工業新聞等の 10 社以上に掲載 (2006 年 ) 樹脂を用いた軽量 EV 車
炭素繊維強化複合材料 CFRP と金属のレーザ直接接合による高強度継手 大阪大学接合科学研究所片山教授 川人准教授 金属 (Al) と CFRP との接合継手 接合界面 ( 透過型電子顕微鏡観察 ) 外観 CFRP:( ナイロン基 20% 長炭素繊維 ) (20 mm w x 3 mm t ) ステンレス鋼 :(30 mm w x 3 mm t ) アルミニウム合金にレーザを照射 アルミニウム合金 CFRP 接合強度 :4,800 N( 引張せん断荷重 ) 金属 : ステンレス鋼 接合部 : 溶融なし 金属と樹脂を重ね レーザ照射し 接合界面でナノレベル反応層を形成することで接合する革新的な接合プロセス アルミニウム合金 炭素繊維 複合材料 :CFRP 20 mm SEM による断面観察 10 nm 反応層 5 nm 期待される成果日本の成長分野 : 航空機から自動車 ( 電気自動車 ハイブリッド車の軽量ボディ ) 複合材料 :CFRP 金属酸化皮膜を介したナノ接合 本研究成果は 溶接ニュース (2010 年 ) 樹脂を用いた軽量 EV 車
摩擦エネルギー利用による軽量構造金属と樹脂との直接接合 摩擦エネルギーを活用した鉄鋼 非鉄金属 (Al,Mg,Ti,Cu 合金 ) と各種プラスチックスの直接接合プロセス 省エネ型低温接合技術 摩擦重ね接合 FLJ 大阪大学接合科学研究所中田ら ; 軽溶協異材接合委員会で基礎的検討 PE Al 合金 接合部
単位接合長さあたりの最大引張せん断荷重 / N mm -1 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 FLJ 接合性に及ぼす樹脂材料 アルミ表面処理 : 樹脂母材破断 : 界面破断 未処理 表面処理 EAA 未処理 PE 表面処理 アルミ合金表面処理の有無 ( 表面処理 :TRI 処理トリアジンチオール ) ( エチレンアクリル酸コポリマー ) ( ポリエチレン ) 皮膜 PE TEM 像 ( 試料 :TRI 処理 /PE) 900,000 ( 中田ら )
単位接合長さあたりの最大引張せん断荷重 / N mm -1 140 120 100 80 60 40 20 0 各種 PPS の FLJ 接合性の違い : アルミニウム母材破断 : PPS 母材破断 A B C D E 工業用純 Al Al 母材破断部 接合部 工業用純 Al PPS PPS( ポリフェニレンサルファイド ) 熱可塑性耐熱樹脂 ( 中田ら )
摩擦エネルギー利用による軽量構造金属と樹脂との直接接合 FLJ による Al 合金 /CFRP の直接異材接合 CFRP 破断部 接合部 Al 合金板 熱可塑性 CFRP 板 10mm 熱可塑性 CFRP 継手引張せん断試験後の試片断面 : CFRP 母材部での破断例 今後の課題 : Al 合金 / 樹脂 CFRP アルミニウム合金の表面処理 熱可塑性樹脂の接合性の改善 金属 + 樹脂 + 接合プロセスの連携 ( 中田ら )
金属 / セラミックス異材接合 ろう接法のトピックス
セラミックス / 金属異材レーザブレージング Laser oscillator X-Y table レーザ加熱装置外観 レーザブレージング条件 ( 炉中ろう付からインラインろう付への展開 ) Single Crystal Diamond Braze WC-Co Specimen stage Glass fiber Beam head Pulsed YAG average output : 0.134 kw CW LD output : 0.02 kw Pulse frequency : 100 Hz Scanning speed : 0.6-1.0mm/s Atmosphere : Ar (1atm) 5 Laser beam Heating area Thermo couple レーザブレージング法模式図 Transparent quartz Glass plate 活性金属ろう : (70%Ag-28%Cu-1.68%Ti) 厚さ 0.1mm t
単結晶ダイヤモンド / ろう材の接合界面 試料外観 Single Crystal Diamond Single Crystal Diamond Braze 断面組織 WC-Co 2mm WC-Co 40μm Ag-Cu-Ti Braze Diamond Jig Single Crystal Diamond Ag-Cu-Ti Braze WC-Co 超音波顕微鏡像 WC-Co 2mm WC-Co せん断試験によりダイヤモンドが破断
ダイヤモンド / ろう材界面の元素分析 a) SEM Image Single Crystal Diamond b) Ag c) C Braze 5μm d) Cu e) Ti TiC 反応層形成 単結晶ダイヤモンド / ろう材界面の EPMA 面分析結果 cbn サイアロン アルミナ SiC 黒鉛等の接合可能
異材接合の今後の展開 期待される新しい視点からの取り組み : 可逆接合 常温接合 構造材料への適用は 20 年後?
おしまい ご清聴有難うございました 本講演関連文献 : 日経ものづくり 2013 年 8 月号 118-121 最新接合技術の可能性 第 5 回異種材料接合 (1) 日経ものづくり 2013 年 9 月号 116-120 最新接合技術の可能性 第 6 回異種材料接合 (2)