澤井 猛

摩擦圧接法は、異種金属の接合が可能である。しかしながら、ある種の材料の組合せでは接合が困難であることがわかっている。一方、同種金属での継手評価法として、入力（機械的仕事）および寄り代が有効であることを確かめており、この評価法が異種金属の摩擦圧接継手の場合にも適応できるか否かを検討した。その結果、あるアプセット過程の変形入力およびアプセット寄り代以上の場合に、安定した引張強さを持つ摩擦圧接継手が得られた。疲労限度で疲れ強さを判断すると、引張強さ同様に、あるアプセット過程の変形入力およびアプセット寄り代以上の場合に、C1100母材の疲労限度に対する継手効率93%以上の継手が作製できることが明らかとなった。

直径0.3mmのマイクロドリルを用いて送り量および回転速度を変化させた種々の切削条件で、Ti-6Al-4V合金の微細穴あけ加工を行った。そして、マイクロドリルの工具寿命、切削抵抗、切りくず、および切れ刃の状態を確認した。 その結果、切りくずが長くなる切削条件で、比較的早期にマイクロドリルが折損した。これは、マイクロドリルの溝が長い切りくずで埋まり、突発的に切りくずづまりが発生するためである。この切りくずの形状がマイクロドリルの寿命に大きく影響を及ぼすことが明らかとなった。

本研究では、極圧剤として2種類のMCCPsおよび長鎖塩素化パラフィン(LCCP)を用いた切削油剤を用意し、マイクロドリルの湿式微細穴あけ加工を行った。そして、これら塩素化パラフィンがこれら切削挙動に与える影響についての検討を行った。その結果、LCCPの添加率を増大するに伴い、マイクロドリルの工具寿命は延びる。LCCPの添加率が50Weight%では、500穴を超えて微細穴あけ加工が可能である。そして、LCCPよりMCCPの方が切削抵抗が高くなるが、マイクロドリルの工具寿命はLCCPよりMCCPの方が長くなることが明らかとなった。

本研究では直径0.3mmの超硬マイクロドリルを用いて、ビスマス入り黄銅、鉛入り黄銅および鉛無し黄銅のそれぞれに微細穴あけ加工を行い、ドリル寿命および切削挙動を比較検討した。 その結果、鉛入り黄銅のドリル寿命が一番長くなり、その次に長いのがビスマス入り黄銅、鉛無し黄銅の順となった。ドリル寿命の違いは、穴あけ加工終期段階の切りくずの排出状況の違いであることを明らかにした。

本研究では直径0.3mmの超硬マイクロドリルを用いて、ビスマス入り黄銅、鉛入り黄銅および鉛無し黄銅のそれぞれに微細穴あけ加工を行い、ドリル寿命および切削挙動を比較検討した。 その結果、鉛入り黄銅のドリル寿命が一番長くなり、その次に長いのがビスマス入り黄銅、鉛無し黄銅の順となった。ドリル寿命の違いは、穴あけ加工終期段階の切りくずの排出状況の違いであることを明らかにした。

本研究では直径0.3mmの超硬マイクロドリルを用いて、鉛入りと鉛無しの黄銅に微細穴あけ加工を行い、切削挙動を比較検討した。 その結果、マイクロドリルによる穴あけ加工では、鉛入り黄銅は鉛無し黄銅に比べて、ドリル寿命が延びる。鉛無し黄銅は、切れ刃の摩耗が早く進行し、切りくず詰まりが起こり、寿命が短い。有鉛黄銅では、鉛の固体潤滑作用によって切れ味は良好だが、長ピッチ形切りくずとなり、排出性は良いがドリル溝の拘束を受け切削抵抗が大きくなったものである。

純銅を用いて直径0.3mmの超硬マイクロドリルによる微細穴加工を行い、切れ刃形状と送り量の幾何学的関係、切れ刃摩耗、切りくず形状、バリ形状および切削挙動を明らかにした。

The relationship between joint strength and deformation heat input at the upset stage and the relationship between joint strength and upset burn-off length were examined on friction welded joints of 1050 pure aluminum to C I 100 tough pitch copper. Joint quality was evaluated from the tensile strength and fatigue strength. It was found that both the deformation heat input at the upset stage and the upset burn-off length correlated well with joint strength. Additionally, when the deformation heat input at the upset stage or upset burn-off length exceeded a certain value, stable tensile strength was obtained. The mixing layer, intermetallic compounds of Al-Cu were interpolated into A 1050, formed at the weld interface, and joints having a thick mixing layer fractured at the weld interface. Joint efficiencies of sound joints for the fatigue limit of the A 1050 base metal were 88-100%. Judging front the fatigue limit, sound joints could be produced when either the deformation heat input at the upset stage or the upset burn-off length exceeded a certain value. [doi: 10.2320/matertrans.L-MRA2008836]

これまで、摩擦圧接継手強度を非破壊的に精度よく保証する方法が無く、その方法を模索している状況にある。そのため、本研究では、継手強度と相関のあるアプセット寄りしろをしきい値とした強度保証装置を試作し、A6061-T6合金を用いてその有用性を動作確認を行った。その結果、アプセット寄りしろは継手強度の保証因子になりうることを再確認するとともに、試作した強度保証装置が継手強度の良否を容易に判定し得ることを明らかにした。

The Ono's rotary bending fatigue test and the cantilever rotary bending fatigue test were carried out on friction-welded 6061 aluminum alloy joints, and the relationship between the deformation heat input in the upset stage or the upset burn-off length and fatigue strength was examined. In the Ono's type test, sound joints, which fractured in the heat affected zone in the tensile test, fractured in the heat affected zone also and the fatigue limit of these joints was slightly lower than that of 6061 aluminum alloy base metal. This is because joints fractured in the softened area in both tensile test and Ono's type test using smoothed test specimens. While, in the cantilever type test, the fatigue limit of sound joints was a little more than or a little less than that of 6061 aluminum alloy base metal. It seems that a weld and a structure at the weld interface affected fatigue strength in the cantilever type test using notched test specimens. Judging from the fatigue limit obtained, sound joints could be produced when either the deformation heat input in the upset stage or the upset burn-off length exceeded a certain value.

摩擦圧接法では、摩擦圧接機が異なると良好な圧接継手を作成できる圧接条件も異なることが問題となっている。そこで、入熱(機械的仕事)および寄りしろに着目し、同種摩擦圧接において、これらと摩擦圧接継手性能との関係について検討した結果、アプセット過程の変形入熱およびアプセット寄りしろが継手性能の評価に使用できることを確認した。そこで、本論文では、異種摩擦圧接法においても適用できるか否かを検討した。その結果、本研究の摩擦圧接条件範囲内では、アプセット過程の変形入熱およびアプセット寄りしろを用いることにより、引張強さおよび疲れ強さの評価が可能であることを明らかにした。

継手の評価方法としては、引張試験が最も一般的であるが、実際の機械部材の破壊は大部分が疲労破壊であり、強度設計の立場から疲労強度を知ることは極めて重要である。そこで本研究では、耐食性や表面処理性に優れ車両などに広く使用されている6061アルミニウム合金の摩擦圧接継手を作製し、アプセット過程の変形入熱およびアプセット寄りしろにより継手の疲労強度の評価を試みた。その結果、引張試験において圧接界面近傍で破断した継手の疲労強度は、小野式および片持回転曲げ疲労試験いずれの場合もA6061母材よりも著しく低い。また、継手強度の母材強度からの低下は、引張試験よりも疲労試験において顕著であった。疲労試験から求めた疲労限度で継手性能を判断すると、引張試験同様に、あるアプセット過程の変形入熱およびアプセット寄りしろ以上の場合に良好な継手が作成できることが明らかとなった。

MMCを機械部品として使用するには、穴加工やねじ切りなどの機械加工が必要である。しかし、MMCは超高硬度粒子や短繊維を含有するため、とくに切削加工では工具摩耗が激しく、加工が困難である。そこで本研究では、機械部品の締結に欠かせない、めねじの能率的な加工法を検討するため、被加工材を塑性変形させてめねじを形成する溝なしタップを用いて、MMCのタップ加工を試みた。実験には、HSS材とTiNコーティングを施した2種類の溝なしタップを用い、Al-15%SiC合金にタップ加工を行った。それらの加工特性を検討した結果、次の結論を得た。TiNタップは、HSSタップに比べて摩擦係数が小さく、耐摩耗性が優れているので、加工抵抗が小さく、工具寿命が約3.8倍延び、ねじ山を形成する際の塑性流動が全体的に小さい。そのため、TiNタップはHSSタップに比べて、ねじ山表面の加工硬化が約35%低く、ねじ山の盛り上げが効率よく行われることが明らかとなった。

6061アルミニウム合金のイナーシャ式摩擦圧接継手の強度に及ぼす入熱の影響を検討した。入熱は、最終圧接過程の寄り速度と推力より求め、継手強度は、引張強さを採用した。ブレーキ式摩擦圧接のアプセット過程に相当するイナーシャ式摩擦圧接の最終圧接過程は、入熱と継手強度の関係から模索した。その後、最も適切な最終圧接過程(最終圧接時間)を用いて、最終変形入熱と継手強度の関係、最終寄りしろと継手強度の関係、ばり形状と継手強度の関係、ばり形状と最終変形入熱の関係などを調べた。その結果、本実験範囲内で最終圧接過程(時間)は0.1秒と考えてよく、この期間における最小限界変形入熱、最小限界寄りしろは、それぞれ約19J/sと約0.3mmであった。

チタンのマイクロドリルによる微細穴加工の切削挙動を明らかにするため、直径0.3mmのHSS材にTiNコーティングを施したドリルを用いて穴あけを行い、切れ刃形状と送り量の幾何学的関係、切れ刃摩耗、切りくず形状、急停止実験による切れ刃部の挙動、バリ形状などを検討した。その結果、マイクロドリルの切れ刃には、すくい面から逃げ面につながる部分に約10μmの幅をもつ平面が存在し、この平面のエッジによって切削が行われている。したがって、切れ刃全般に渡ってミクロ的には大きな負のすくい角で切削される機構となり、切りくず形態、切れ刃の摩耗やコーティング層の剥離などに大きく関与することが明らかになった。

摩擦圧接における入熱は、摩擦トルク、寄り速度、推力(圧力)、回転数などで間接的に求められるが、各現象の測定誤差や計算の過程を考えると、間接的に求められた入熱が実際の値とどの程度一致するかは明らかではない。本研究では、熱量計を用いて実際の入熱を測定し、計算値の妥当性を確認すること、また、摩擦入熱と変形入熱、圧接方式と入熱の関係などを検討した。その結果、摩擦トルク、回転数、寄り速度、圧接圧力などの測定値から求めた計算値と熱量計で得られた実測値には高い相関が認められた。

アプセット過程の変形入力およびアプセット寄りしろによる継手強度の評価方法が、SUS304オーステナイト系ステンレス鋼の同種摩擦圧接継手にも適用し得るか検討した。継手の評価方法としては、引張試験と疲労試験も採用した。その結果、あるアプセット過程の変形入力およびアプセット寄りしろ以上で、良好な継手が作製可能であることを明らかにした。

摩擦圧接法を用いて9種類のアルミニウム合金と銅との摩擦圧接継手を作成し、その接合性について系統的に比較検討を行った。次いで、これら継手の接合界面に形成された金属間化合物や破断の様相を調べ、継手強度との関係について検討した。その結果、A1050、5000系、6000系合金の場合は、80%以上の最大継手効率を示した。また、最適摩擦圧接条件で圧接した継手の接合界面付近には、銅と金属間化合物の巻き込みが生じる。A2011、A2024およびA7075の場合は、非常に激しい巻き込みとなり、破断はこの巻き込み層内と接合界面で生じることが明らかとなった。

これまで、同種摩擦圧接継手の強度が、アプセット過程の変形入力によって評価できることを明らかにした。さらに、アプセット寄りしろがアプセット過程の変形入力と密接な関係があり、アプセット寄りしろでも継手強度が評価できることも明らかにした。そこで本研究では、銅の同種摩擦圧接継手、および銅と各種金属との異種摩擦圧接継手を作製し、アプセット過程の変形入力およびアプセット寄りしろで、それらの継手強度の評価できるか否かを調べ、銅の摩擦圧接性について検討した。その結果、Cu/Mo、Cu/Tiでは良好な継手の作製が困難であったが、Cu/Cu、Cu/S35C、Cu/SNC631、Cu/SUS304、Cu/Niの場合には、あるアプセット過程の変形入力、あるいはアプセット寄りしろ以上で良好な継手が作製できることを確認した。

6061アルミニウム合金の摩擦庄接継手の継手強度に及ぼすアプセットタイミングの影響をアプセット変形人熱、およびアプセット寄りしろを評価因子として用いて検討した。その結果、ブレーキング開始後にアプセット圧力を負荷した場合には、アプセット変形入熱、アプセット寄りしろともに極度に小さく、完全継手が得られない。アプセット圧力とブレーキングを同期させたとき、アプセット圧力を大きく設定した場合には、ブレーキング中に設定庄に達しないことがある。アプセット圧力をブレーキング前に負荷した場合には、アプセット圧力とブレーキングを同期させた場合よりもアプセット変形人熱、アプセット寄りしろはともに大きく、完全継手が得れやすくなることが明らかとなった

Friction welding of aluminum alloys to copper was carried out in order to examine the weldability with particular reference to the effect of the intermetallic formation at the weld interface. The maximum joint efficiencies of A1050, 5000 and 6000 series alloys to copper were more than 80%, while those of 2000 series and A7075 alloys joints were less than 50% and scattered widely, For joints of A2024 and 5000 series alloys which contain rather high magnesium content, intermetallic compounds of Al-Cu-Mg system were formed at the weld interface in addition to that of Al-Cu system. In the other joints, only intermetallic compounds of Al-Cu system were formed. A mixing layer, in which pieces of copper and intermetallic compounds were incorporated into aluminum alloy, was formed near the weld interface. The mixing was very intense, in the joints with low efficiency, namely joints of A2011, A2024 and A7075 to copper, and these joints were fractured in this mixing layer and at the weld interface. On the other hand, the joints with high efficiency, namely joints of A5052 and A6061 to copper, had thin and even mixing layer. The mixing layers observed in the joints of A1050, A2017, A5056 and A6063 to copper were thinner than those of the other joints.

6061アルミニウム合金の摩擦圧接におけるアプセット過程の変形入熱およびアプセット寄りしろと静的強度の関係を検討した。実験の結果、引張試験においては、アプセット過程の変形入熱が約200J／s以上で引張強さが215～270MPa以上の安定した継手が得られた。また、曲げ試験およびねじり試験では、入熱が約500J／s以上で良好な安定した強度の継手が得られた。さらに、アブセット寄りしろでも継手強度の評価が可能であり、引張強さは約3mm以上、曲げ強さは約6mm以上、ねじり強さは約5mm以上の寄りしろで安定した強度の継手が得られた。

Friction welding of 6061 aluminum alloy was carried out in order to examine the relationship among deformation heat input at the upset stage, upset burn-off length and joint performance. The joint performance was evaluated by tensile testing and fatigue testing. Stabilized tensile strength was obtained when the deformation heat input at the upset stage and the upset burn-off length exceeded 200 J/s and 4 mm, respectively. Weld condition at the weld interface and the width of softened area affected fatigue strength more than tensile strength That is, when the weld condition at the weld interface is good and the softened area is wide, fatigue strength increases because the stress disperses in the softened area. On the other hand, when the weld condition at the weld interface is good and the softened area is narrow, and when the weld condition at the weld interface is somewhat poor in spite of the Aide softened area, fatigue strength decreases because the stress concentrates at the weld interface. The fatigue limit obtained by the fatigue testing reveals that, when the deformation heat input at the upset stage and the upset burn-off length exceed a certain value, sound joints can be produced.

摩擦圧接法では、母材の種類、形状、寸法などにより、圧力、時間、回転数などの圧接条件を変更するが、接合可能な圧接条件を設定するには予備実験および経験に頼るしかなく、最適な圧接条件を短時間で設定するのは困難である。そこで、本研究ではニューラルネットワーク・モデルを用い、最適摩擦圧接条件を推測し得るか否かについて検討した。その結果、ニューラルネットワーク・モデルの範囲内ではあるが十分可能であることが明らかとなった。

工業用純アルミニウムとタフピッチ銅の摩擦圧接を行ない、入熱および寄りしろと継手強度の関係について検討した。その結果、最小限界アプセット変形入熱は約500J/s、最小限界アプセット寄りしろは3mmである。摩擦時間が長くなると、圧接界面に金属間化合物が多量に形成され、アプセット過程の変形入熱やアプセット寄りしろを大きくしても化合物層を排除できず、長時間で圧接された継手を含め、広範な圧接条件で作製された継手の引張破断様式をアプセット過程の変形入熱やアプセット寄りしろで評価できない。摩擦過程の全摩擦入熱を導入した入熱比を用いれば、引張強さおよび破断様式を同時に評価できる可能性があることを明らかにした。

6061アルミニウム合金の摩擦圧接に及ぼす母材直径と入熱の関係を調べるために、母材直径を10mm、12mm、14mm、および16mm に変化させ、制動式摩擦圧接機を用いて多くの圧接条件下で摩擦圧接を行った。圧接継手の継手強度評価は、引張強さで行った。一方、入熱は、アプセット過程の単位変形入熱のみとし、その入熱と継手強度の関係について検討した。さらに、アプセット寄りしろと継手強度の関係についても検討した。実験の結果、アプセット過程の単位変形入熱は、全ての直径で圧接された継手の継手強度と密接に関係があり、良好な継手作製に最低必要な最小限界単位変形入熱は直径が増大するに伴い、増加する傾向にあるが、単位面積当りの最小限界単位変形入熱は約1.6× で、ほぼ一定値とみなされる。さらに、アプセット寄りしろで継手強度の評価が可能であり、良好な継手作成に最低必要な最小限界アプセット寄りしろは約5mmであった。

S15CK炭素鋼の摩擦圧接における継手強度と入熱の関係を検討した。継手強度の評価には引張強さを用い、入熱は、摩擦圧接での仕事量を用いた。入熱は圧接熱源であり、摩擦過程およびアプセット過程のそれぞれで、摩擦入熱、変形入熱、およびそれらの総和である全入力の形で6つの入熱に分けられる。これらの入熱の中で、継手性能と最も密接に関係のある入熱を調べるために、多数の圧接条件で圧接された継手の入熱と引張強さが調べた。その結果、アプセット過程の変形入熱が継手強度と最も関係があり、100J/s以上の変形入熱によって完全継手が得られることが明らかとなった。さらに、継手強度はアプセット寄りしろで評価できる可能性が認められ、したがって、アプセット寄りしろが約1.2mm以上でも完全継手が得られた。

SUS304オーステナイト系ステンレス鋼の摩擦圧接継手を製作し、引張強さおよび疲労強さを調べ、アプセット過程の変形入熱およびアプセット寄りしろによる継手性能の評価を行った。その結果、アプセット過程の変形入熱が120J/s以上、アプセット寄りしろが1mm以上で、圧接界面近傍の熱影響部で破断する引張強さの大きい継手を得られた。良好な継手では、疲労強さはSUS304母材よりも大きくなり、引張試験と同様に、あるアプセット過程の変形入熱およびアプセット寄りしろで、良好な疲労強さの継手を製作できた。

6061アルミニウム合金の摩擦圧接継手を製作し、引張強さおよび疲労強さを調べ、アプセット過程の変形入熱およびアプセット寄りしろによる継手性能の評価を行った。その結果、アプセット過程の変形入熱が200J/s以上、アプセット寄りしろが4mm以上で、熱影響部で破断する引張強さの安定した継手を得られ、アプセット過程の変形入熱が1000J/s以上、アプセット寄りしろが9mm以上で、A6061母材とほぼ同等な疲労限度を持つ継手を作成できることが明らかとなった。

本研究では、入熱や寄りしろを用いた継手性能評価法が、6061アルミニウム合金管の摩擦圧接継手に適用できるか否かについて検討した。その結果、アプセット過程の単位変形入熱が500J/s以上、アプセット寄りしろが5mm以上で良好な継手と評価が可能であることを確かめた。

5056アルミニウム合金の摩擦圧接における熱入力に及ぼす母材直径の影響を調べるために、母材直径を10mm、12mm、14mm、および16mmに変化させ、ブレーキ式摩擦圧接機を用いて種々の圧接条件下で摩擦圧接を行った。その結果、アプセット過程の単位面積当りの変形入力は、全ての直径で圧接された継手の継手性能と密接に関係があり、良好な継手作製に必要な単位面積当りの限界変形入力は2.70× であった。さらに、変形入力とアプセット寄りしろに比例関係が認められ、それぞれの直径における限界アプセット寄りしろが求められた。

6061アルミニウム合金の摩擦圧接における入熱と継手性能の関係について検討し、良好な継手を作製するために必要な最適入熱と、最適入熱の最適過程について検討を行った。その結果、アプセット過程の変形入熱が継手性能と最も関係があり、200J/s以上の変形入熱によって完全継手が得られた。また、アプセット過程の変形入力とアプセット寄りしろに比例関係が認められ、2mm以上のアプセット寄りしろで良好な継手を作製できることを確認した。

熱入力と継手性能の関係について調べ、良好な継手を作製するために必要な最適熱入力と、最適熱入力の最適過程について検討を行った。その結果、アプセット過程の変形入力と継手性能に明確な関係にあることを明らかにした。また、アプセット過程の変形入力とアプセット寄りしろに比例関係が認められ、2mm以上のアプセット寄りしろで良好な継手を作製できることを確認した。

SUS304ステンレス鋼を用いて、摩擦圧接中に生じる種々の摩擦圧接挙動を用いた応答曲面法により最適圧接条件の選定の可能性を検討した。その結果、引張強度試験を行うことなく、接合評価値を用いて応答曲面法により最適圧接条件の選定が可能であることが明らかとなった。

6061アルミニウム合金とSUS304ステンレス鋼のアプセット圧力の異なる摩擦圧接継手を用いて回転曲げ疲労試験を行い、圧接継手の疲労強度および寿命分布特性について検討を行った。

6061アルミニウム合金と631ニッケルクロム鋼を多数の圧接条件で摩擦圧接し、その接合性を調べ、圧接条件の設定と継手性能の評価、および圧接入力の知見を得ることなどを目的に、入力因子による種々の圧接条件式を作成した。その結果、適切な圧接条件で圧接すれば母材破断となる継手の圧接が可能であり、さらに、圧接条件式を用いた継手性能の評価の可能性を示唆することができた。また、圧接条件の設定の目安と、今後の圧接入力の検討のための知見をも得ることができた。