Comments
Description
Transcript
セミナー資料
アーク溶接 第1回石巻開成塾 お話の内容 新しい接合方法： 摩擦攪拌接合のお話 • 摩擦攪拌接合とは？ • アプリケーション 東北大学 大学院工学研究科 材料システム工学専攻 • 今後の展望 こ かわ 粉川 博之 平成25年2月18日 石巻ルネッサンス館 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding: FSW） 摩擦圧接 (Friction welding) 1991年 英国のThe Welding Institute (TWI)によって発明 摩擦を利用した固相接合法 アーク溶接における溶接金属の欠陥 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 摩擦攪拌接合（FSW）とは Graduate School of Engineering Department of Materials Processing FSW接合ツール 接合ツールの傾斜 Al合金、Mg合金用ツール 英語では、Friction Stir Welding。略して、FSW。 （摩擦） （攪拌） 日本語では、一般に摩擦攪拌接合（溶接）と呼ばれる。 非消耗接合ツールの回転による固相攪拌を用いて、さまざ まな構造材料（Al合金、Mg合金、Cu合金、鉄鋼、Ni合金、 Ti合金など）を高品位に接合できる方法 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 一般に、回転ツールを 約3～5度傾斜する。 （前進角） 工具鋼 1991年英国溶接研究所（TWI）で開発された固相接合法 ショルダー プローブ プローブにはネジが切ってある。 接合による摩耗はほとんどなし 無理な負荷を加えると折れることあり Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 新しい接合ツール形状 新しい接合ツール形状 CS4 (Convex Scrolled Shoulder Step Spiral) pin tool FSWの継手形式 ‐ FSW可能な板厚範囲が広い 適用可能板厚 最大 最小 板厚の許容： 基本板厚 ± 0.3mm程度 ‐ FSWツール傾斜が不要 2次元以上の接合に有利 PCBNツール MegaStir製 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing FSWの特長 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 溶融凝固に起因した欠陥なし 最高到達温度 表面 岡村：溶接学会誌, 69 (2000), 565. 1. 固相接合（溶融･凝固なし） - 凝固偏析なし, 気孔発生なし, 高温割れなし - 高強度Al合金を容易に接合可 (通常、溶融溶接はできない） - 溶接ひずみが小さい 2. さまざまな材料へ適用可 3. 溶融溶接法に比べて、異材接合が容易 4. 溶接速度は、アーク溶接と同等もしくはそれ以上 5. 接合前処理不要（突合せ面の洗浄、脱脂、酸化皮膜除去） 6. シールドガスや溶加材が不要 7. スパッタ、ヒューム、有害光線の発生なし 8. 機械的特性は溶融溶接部より良好 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing AA5083-O 板厚：4mm ツール回転方向 終端部のピン穴 滑らかで光沢のある表面 507 mm/min 1268 rpm 断面 550℃以下 → 固相接合 攪拌部 気孔なし 高温割れなし ＊ 欠陥が全くできないわけではない Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 均一な組織 溶接方向 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing FSWの適用例 溶接ひずみが小さい • アルミニウム合金 攪拌部 • アーク溶接 • • 攪拌部 母材 日立製作所のデータ Graduate School of Engineering Department of Materials Processing （チクソモールド材） • 押出し材、圧延材、鋳造材（ダイキャスト、チクソ材） • フェライト鋼、ステンレス鋼 • 銅合金 • 鉄鋼材料 • Ni合金 • Ti合金 凝固偏析なし 微細な等軸粒組織（固相攪拌に伴う動的再結晶による） Graduate School of Engineering Department of Materials Processing ジュラルミン(2024)、超々ジュラルミン(7075) 押出し材、圧延材、鋳造材 AZ91Dマグネシウム合金 金属基複合材料 • マグネシウム合金 FSW FSW 高強度アルミニウム合金 • Graduate School of Engineering Department of Materials Processing FSWによる異材接合 FSWの適用例 Al/Fe, Al/Cu, Al/Mg etc. • アルミニウム合金 • • • SUS304ステンレス鋼（板厚6mm） 高強度アルミニウム合金 • Ti-6Al-4V合金 （TWIのデータ） 突合せ：異材界面にツール挿入 軟質材側にのみツールを挿入 軟質材側にツールを挿入し、硬質材を擦る 2024 硬 Al Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Fe Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 可能な接合速度 可能な板厚 ツール形状、被接合材質に大きく依存 超々ジュラルミン 2024 Fe 重ね：軟質材側を上に配置 軟 軟質材側のみにツールを挿入 軟質材にツールを挿入し、硬質材をツール先端で擦る 硬 硬 2024(Al-Cu)/7075(Al-Zn-Mg)の接合 硬 Al 硬 軟 軟 FSWによる異種合金接合 回転数 小 重ね：軟質材側を上に配置 軟 軟質材側のみにツールを挿入 軟質材にツールを挿入し、硬質材をツール先端で擦る フェライト鋼、ステンレス鋼 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 回転数 大 硬 軟 Mg Al 軟 押出し材、圧延材、鋳造材（ダイキャスト、チクソ材） • Ni合金 • Ti合金 ジュラルミン 突合せ、重ね接合 硬 軟 突合せ：異材界面にツール挿入 軟質材側にのみツールを挿入 軟質材側にツールを挿入し、硬質材を擦る 押出し材、圧延材、鋳造材 金属基複合材料 • 銅合金 • 鉄鋼材料 • Al/Fe, Al/Cu, Al/Mg etc. 突合せ、重ね接合 ビード・オン・プレート ジュラルミン(2024)、超々ジュラルミン(7075) • マグネシウム合金 • FSWによる異材接合 厚さ1.2mm 2024 (Al-Cu): 高品質な接合部が 6013 (Al-Mg-Si): 7075 (Al-Zn-Mg): 得られる接合速度 厚さ6mm 2024 (Al-Cu): 5083 (Al-Mg): 6082 (Al-Mg-Si): 6000系、1000系： 高速接合が可能 7075 (Al-Zn-Mg): 厚さ25mm 板厚：大 2024 (Al-Cu): → 接合速度：小 5083 (Al-Mg): 7075 (Al-Zn-Mg): 7075 7075 75mm 6082-T6 (TWIのデータ） 960mm/min 6000mm/min 720mm/min 480mm/min 570mm/min 2100mm/min 470mm/min 2パス目 1パス接合 1パス目 120mm/min 120mm/min 120mm/min ~ 100 mm程度まで 溶接学会特別研究会最終報告会「摩擦攪拌接合の基礎と応用」資料より Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing FSW部の機械的特性 酸化皮膜の挙動 FSWでは、初期突合せ面の酸化皮膜を除去しなくてもよい。 50mm 6082-T6 (TWIのデータ） FSW部の機械的特性 疲労強度 5083Al合金 (固溶強化型) 研磨後 研磨 + エッチング (NaOH) 初期酸化皮膜の痕跡 Lazy S Lazy Sは機械的特性にほとんど影響しないと言われている。 ライン上に膜状酸化皮膜が残存 → ルート曲げ性を劣化 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 硬さ分布 引張特性 5083Al合金 (固溶強化型) 住友軽金属工業のデータ Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 住友軽金属工業のデータ FSWとアーク溶接の比較 接合温度 ミクロ組織 接合装置 アーク溶接 FSW 融点以上 融点の75%程度 凝固組織 微細結晶粒 均一組織 粗大結晶粒 凝固偏析 溶接ひずみ 大 延性 小 大 エネルギー消費量 大 溶融溶接の2/3 技術者 必要 不要 ツール荷重 ツール荷重に耐える構造および剛性 ツールの回転 ツールもしくは材料の上下駆動と横駆動 2.5kNの垂直荷重 汎用フライス盤でも代用可能 極めて小 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing ツール荷重に耐える構造および剛性 が必要 ツール挿入深さの精密な制御 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing ツール荷重 FSW中の垂直ツール荷重 Al合金： ～ 10kN 鉄鋼： 10～50kN Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 自己保持型ツールを用いたFSW Self‐Reacting tool: Bobbin‐tool: ツール荷重に耐える構造および剛性 自己保持型ツール ボビンツール ツール挿入深さの精密な制御 FSWの条件 • ツールの回転速度 (rpm) • ツールの接合（走行）速度 (mm/min) • プローブの挿入深さ 接合材 接合材 裏あて MTSの論文(4th FSW Symposium)より 突合せ面の残存： キッシングボンド ツール挿入深さ：1/10～1/100mmのオーダーで制御する必要あり Graduate School of Engineering Department of Materials Processing ボビンツール方式FSWのメリット ・接合治具の簡素化 ・接合部の信頼性向上（底面部の欠陥の防止） ・生産性（接合速度の向上） Graduate School of Engineering Department of Materials Processing FSWで発生する欠陥 キッシングボンド （Kissing Bond） ツール挿入深さの不足 軽金属に対する適用 これらの組み合わせが最適でなければ、欠陥が発生 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing アプリケーション デルタII、IVロケットの外部燃料タンク(Boeing, USA) ほとんど全てのアルミニウム合金、マグネシウム合金で適用可能 特に6000系アルミニウム合金で容易 6000系アルミニウム合金では高速接合も可能 トンネル状欠陥 材料の攪拌不十分 異種合金接合 高強度Al合金（ジュラルミン、超々ジュラルミン等） 鋳造合金 日立製作所のデータ Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing アプリケーション 航空機体 エクリプス500ジェット （小型ビジネスジェット） Eclipse Aviation, USA アプリケーション 鉄道車両 日本、欧州 FSW FSW 通勤電車 JR九州815系 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing アプリケーション Graduate School of Engineering Department of Materials Processing アプリケーション アプリケーション 5000系/6000系Al合金の重ねFSW Ford GT サスペンションアーム 700系新幹線用大型床材 (1300W x 5000L) つくばエキスプレス テクノスーパーライナー (TSL) 速度93km/h、貨物積載重量1000トン 世界最大のアルミ船体 本体：AA5083厚板、押出し材 上部構造：AA6N01押出し材 船体の大部分をFSWにより接合 三井造船、川崎重工 昭和電工 100mm 東日本大震災被災地支援2011年5月2日石巻港 AA6061押し出し材のFSW NISSAN CIMA Arbegast: Weld. J., 85-3 (2006), 32. Graduate School of Engineering Department of Materials Processing アプリケーション 新加古川大橋の拡幅部 住友軽金属、住軽日軽エンジニアリング Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing アプリケーション 今後どのような分野に拡がるか？ 液晶スパッタリング装置の冷却板 CuのFSW 日立伸銅 • 鋳造合金の改質 • 自動車産業への適用 • テイラードブランク材の作製 • 点接合 • 高融点金属への適用 FSW Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 鋳造合金の改質 凝固組織（不均一） → 均一な微細組織 靱性向上 鋳造欠陥の除去 鋳造合金の改質 AM60Bマグネシウム合金ダイカスト材の表面改質 鋳造合金の改質 NiAlブロンズ（船舶のスクリュー）の改質 Arbegast: Weld. J., 85-3 (2006), 28. Santella et al.: JOM, 58-5(2006), 56. 鋳造Al合金（AC4C） 接合可能 組織は微細かつ均質化 摩擦攪拌プロセシング Friction Stir Processing:FSP Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Rockwell Scientific Graduate School of Engineering Department of Materials Processing テイラードブランク材の作製 テイラードブランク技術 異なった板厚や強度の材料を溶接 プレス加工 板厚2.1mm 1.2mm Oak Ridge National Lab South Dakota School of Mines and Technology Ford Motor Comapny Graduate School of Engineering Department of Materials Processing テイラードブランク材の作製 酸化皮膜の問題 割れる場合 割れない場合 2mm 1mm ブランク材特性（強度、延性、成形性）の評価 2.1mm 2.5mm プレス加工 1.2mm ミクロ組織的な優位性 → 適用の可能性あり 接合速度の問題 Al合金のテイラードブランク材の作製プロセス（部材の接合技術） → FSW適用の可能性 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 酸化皮膜の問題 割れる場合 ⇔ 割れない場合 TEMレベルでは区別可能 光学顕微鏡レベルでは区別不能 浸透探傷、超音波探傷でも検出できない場合あり 酸化皮膜（品質保証）の問題 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Al-FSWのテイラードブランク 世界初 Al合金FSW部のテイラードブランク Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 摩擦攪拌点接合（スポットFSW） Friction Stir Spot Welding (FSSW) Friction Spot Joining (FSJ) FSSWによるフード、リアドアの製造 AUDI R8 Center Tunnelの衝突吸収構造部材 マツダ RX‐8 FSW継手の品質をどのように保証するか？ 原理 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Al2O3が膜状分布 Al2O3が粒状分布 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing トヨタ プリウス 摩擦攪拌点接合（スポットFSW） 摩擦攪拌点接合（スポットFSW） Friction Stir Spot Welding (FSSW) Friction Spot Joining (FSJ) スポットFSW(FSSW）の発展型 Al合金と鋼板の異材接合 「ロードスター」のアルミ合金製トランクリッド と鋼板製ボルトリテーナーの接合 マツダRX-8のリアドア、フード（Al合金） Al Steel 車体軽量化 ＋ 衝突安全性 ↓ マルチマテリアル化車体 （ハイブリッド構造） Al合金/鋼の異材接合技術の確立 スポットFSWはその候補の１つ FSJ 川崎重工カタログより Remove the exit hole Enlarge the stir zone 日経BP Tech-On! Automotive Technology http://techon.nikkeibp.co.jp/AT/index.html Graduate School of Engineering (GKSS, Germany) Department of Materials Processing 接合ツール材の開発状況 佐藤裕、粉川博之：FSWを取り巻く世界の潮流、溶接技術、58‐8 (2010), 96‐100. 鉄鋼やチタン・チタン合金のFSW 1000℃付近でも十分な強度、靱性、耐摩耗性が必要 接合ツール材の開発状況 チタンおよびチタン合金のFSW すみ肉FSW 固定式ボビンツール 鉄鋼へのFSW適用例 主に、2010年5月、ドイツで開催された第8回国際FSWシンポジウムで公開された ネタを纏めたもの。 • • • • • • CS4 PCBN tool W合金 (cp‐W, W‐25%Re合金) Ir合金 WC‐Co (超硬) セラミックス (Al2O3, Si3N4) 超硬質材 (pcD, PCBN) 複合材料 (pcBN/W‐Re) 高温のFSW過程 pcBN tool 目標 pcBN WC-Co W 合金 MegaStir Technologies 高温靱性 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 複合材料ツール ～Qシリーズ～ 新しいFSWツール材料の開発 CS4: Convex scrolled shoulder, step spiral Produced by MegaStir Technologies Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 高融点金属材料 (鉄鋼, Ni合金, Ti合金 など) cBNとW‐Re合金の複合材料 L12構造のCo3(Al,W)により強化されたCo基合金 「精密鋳造 → 熱処理 → 切削」で作製可能 PCBNツールよりも耐摩耗性にやや劣る 靱性が高い → 予期せぬツール破断なし 摩耗後の再研磨可能 Co基合金ツール Ti‐6Al‐4V ショルダ アルミニウムのような仕上がり シャンク Q60ツール（6mmピン） ピン 304ステンレス鋼 42mのFSW 安価 ＆ 高特性 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Convex-scrolled-shoulderstep-spiral (CS4) pin tool Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Co基合金ツール Q60、Q70、Q80 → 複合材料におけるcBN量が60、70、80% Graduate School of Engineering Department of Materials Processing (Hitachi, Japan) ツール材料 世界の潮流 • • • • • Swing FSSW Refill FSSW Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 耐摩耗性 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing チタンおよびチタン合金のFSW • 材料：工業用純チタン（板厚3mm） • 接合条件：200～400rpm、60mm/min • 接合ツール：Mo基合金 Tool after FSW チタンおよびチタン合金のFSW 表面荒れ ← 過熱が原因 低入熱：滑らかな表面 ⇔ 内部欠陥 （適温） 高入熱：表面荒れ 200rpm 欠陥なし （過熱） No tool wear （低温） ⇔ 内部欠陥なし （適温） 300rpm 欠陥なし 表面荒れ 低熱伝導率のため 400rpm 欠陥あり Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 20mm Graduate School of Engineering Department of Materials Processing チタンおよびチタン合金のFSW Graduate School of Engineering Department of Materials Processing すみ肉FSW 固定式ボビンツール 表裏面の温度差をなくす工夫が必要 ・VPTツール ・Stationary Shoulder FSW （ショルダ無回転FSW） 接合材 固定式ボビンツール Fixed geometry bobbin tool これまでのボビンツール 上ショルダ プローブと下ショルダ 別々に回転 特殊な装置が必要 VPTツール Graduate School of Engineering Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Department of Materials Processing 凹凸ツール方式を利用した両面FSW 凸ツール Probe Shoulder 攪拌部 特殊な装置が不要 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing プローブ穴の除去 Retractable probe tool 接合方向 凸ツール 上ショルダ、プローブ、下ショルダが一体 ISO 25239 Part 1 接合材 鉄鋼に対する適用例 最初の報告 1999年、TWIが純Wツールを用いた軟鋼と12%Cr鋼のFSW可能 性について報告 W.M. Thomas et al.: Sci. Techol. Weld. Joining, 4 (1999), 365. 凹ツール Recess 凹ツール All‐in‐One exit hole elimination technique Shoulder 鉄鋼用FSWツールの開発 Ex. PCBN (Polycrystalline cubic boron nitride), W alloys Thompson et al.: Proc. 9th FSW Symposium, 2012, CD‐ROM. 機 独立した 回転機構 能 効 傾斜角度 十分な押圧力による高速接合を実現 回転方向 逆回転による薄板の接合を実現 接合板厚に応じてツール間の距離を変化させることで、 凸ツール プローブが凹みに 1種類のツールである範囲の板厚に適用可能 凹ツール 挿入できる構造 主軸負荷制御により、接合途中の板厚や突合せギャップ Graduate School of Engineering の変化に柔軟に対応可能 Department of Materials Processing 適用可能性試験、継手特性評価 果 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 純鉄 HSLA鋼 パイプライン鋼 高張力鋼 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 炭素鋼 超微細粒鋼 ステンレス鋼 高窒素鋼 etc. 鉄鋼FSWの要件 摩擦攪拌によるナイフ製造 鉄鋼FSWの適用例 摩擦攪拌 → 撹拌部での著しい硬さ上昇を利用 SUJ2軸受鋼 （Fe‐1.0%C‐1.4%Cr） PCBNツール 400rpm、76mm/min 高剛性な装置 ツール軸方向荷重 > 50kN 回転モータ出力 > 11kW 回転軸ぶれ < 0.05mm Nominal chemical composition of D2 tool steel (wt%). C Cr Mn Si Ni Mo V 1.4‐1.6 11.0‐13.0 0.6 Max 0.60 Max 0.30 Max 0.70‐1.20 1.10 Max 東北大のFSW装置 日東制機製 仕様 接合ツール 高温で強度、耐摩耗性が高い 靱性が高い 接合材との反応性が低い 軸方向荷重: 53kN 回転速度: 100～3000rpm 接合速度: ～10m/min Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 摩擦攪拌によるナイフ製造 接合欠陥なし 顕著なツール摩耗なし 撹拌部にマルテンサイト形成 著しい硬さ上昇 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Y.S. Sato et al.: Scripta Mater., 57 (2007), 557. Y.S. Sato et al.: ISIJ Intern., 48 (2008), 71. 摩擦攪拌によるナイフ製造 Sorensen et al.: Friction Stir Welding and Processing IV, TMS, 2007, 409. Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 鉄鋼へのFSWの適用例 パイプ用板材のFSW Global tubing LCC http://www.diamondbladeknives.com/ 1本 389.99米ドル よく売れているらしい。 FSP レーザ切断 研磨 Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 高融点金属のFSW パイプライン用鋼（X65） MegaStir Technologies, BYU, Exxon Mobile, ORNL etc. (USA) Property of MegaStir Technologies and Tecnara Tool Systems Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 鉄鋼FSWの適用例（計画段階） パイプライン（鋼のFSW） MegaStir, BYU, ExxonMobil, ORNL etc. (USA) 鉄鋼へのFSWの適用例 パイプのFSW （計画段階） Property of MegaStir and Tecnara FSW Company Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Conventional Welding Friction Stir Welding Multiple stations to support multiple passes Single station with one‐pass welding Graduate School of Engineering Department of Materials Processing 鉄鋼へのFSWの適用例 船舶のFSW （計画段階） HSLA65のFSW （6mm厚×2.4m幅×20m長） 1パス20mm厚のFSW 新グレードのPCBN: MS90 プローブ長：18.8mm シャンク径：50mm 船舶製造現場での施工に成功 溶接ひずみはほとんどなし 最大推力：30トン 5軸 まとめ 摩擦攪拌接合（FSW）は、多くの利点を有する画期的 な固相接合プロセスであり、開発から２０年の間に多く の実用例が報告されるに至っている。しかしながら、未 解決事項、施工時の問題点なども多数残されているた め、更なる研究・開発が行われることにより、今後、さま ざまな分野へ適用範囲が拡がることが期待される。 軟鋼（1018 steel）（20mmt） 200rpm、76mm/min Graduate School of Engineering Department of Materials Processing ご清聴ありがとうございました。 FSW研究開発 ・鉄鋼コンソーシアム ・Tiコンソーシアム 問い合わせ先： 〒980-8579宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉6-6-02 東北大学大学院工学研究科 材料システム工学専攻内 マテリアル・開発系FSW接合センター 粉川博之 email: [email protected] 佐藤 裕 email: [email protected] Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing Graduate School of Engineering Department of Materials Processing