結 論

8.1 本 研 究 の 結 論

本 研 究 で は 5052 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 ， 2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 ,7075 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 用 い た 同 種 材 お よ び 2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 と 7075 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 組 合 せ た 異 種 材 料 の 摩 擦 攪 拌 接 合 を 行 い ，初 期 接 合 条 件 で あ る 工 具 挿 入 速 度 お よ び 予 熱 時 間 が 継 手 の 撹 拌 部 の 組 織 お よ び 機 械 的 性 質 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 検 討 し た 結 果 ,以 下 の 結 論 を 得 た .

(1) 本 研 究 で 用 い た 全 て の 組 合 せ に お い て ， 接 合 開 始 部 で は ， 撹 拌 部 の 組 織 は そ の 他 の 部 分 と 同 様 に 母 材 に 比 較 し て 著 し く 微 細 な 組 織 を 示 し ， 撹 拌 部 は 母 材 部 に 比 較 し て 硬 さ は 低 下 し 軟 化 域 が 認 め ら れ た 。ま た ，入 熱 量 が 大 き く な る 条 件 ，す な わ ち 工 具 挿 入 速 度 が 遅 い 場 合 と ，予 熱 時 間 が 長 い 条 件 で は 攪 拌 部 に 観 察 さ れ る オ ニ オ ン リ ン グ の 幅 は 広 く な り ，軟 化 割 合 も 大 き く な る 傾 向 を 示 し た 。

(2) 5052 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 継 手 に お い て ，工 具 挿 入 速 度 90mm/s，予 熱 時 間 0.1s の 条 件 で は ， 継 手 始 点 端 部 の 開 口 ， 継 手 端 部 の 浮 上 り ， 塑 性 流 動 不 足 に よ る キ ッ シ ン グ ボ ン ド お よ び 空 隙 の 発 生 が 認 め ら れ た が ，予 熱 時 間 5s～ 15s の と す る こ と で 接 合 欠 陥 の な い 健 全 な 継 手 が 得 ら れ た ．

工 具 挿 入 速 度 が 速 い 条 件 で は 予 熱 時 間 の 減 少 に 伴 う 軟 化 域 の 縮 小 が 顕 著 で あ っ た ．工 具 挿 入 速 度 が 遅 い 条 件 で は 予 熱 時 間 の 長 短 に よ る 継 手 引 張 強 さ に 及 ぼ す 影 響 は 小 さ く ， 約 200MPa の 値 を 示 し た ． 工 具 挿 入 速 度 が 速 い 条 件 で は 予 熱 時 間 0.1s お よ び 20s の 条 件 で は 継 手 強 度 は 低 下 し た が ， 予 熱 時 間 5s～ 15s と す る こ と で 引 張 強 さ は 向 上 し た ．本 実 験 範 囲 で は ，工 具 挿 入 速 度 90mm/s，予 熱 時 間 5s の 条 件 で 引 張 強 さ は 最 高 値 205MPa を 示 し ， 母 材 の 83%， 同 条 件 で の 伸 び は 14.2%と 母 材 と 同 等 の 値 が 得 ら れ た ．

(3) 2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 継 手 に お い て は ，5052 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 継 手 で 認 め ら れ た 接 合 開 始 点 端 部 の 開 口 お よ び 継 手 段 差 の な い 継 手 が 得 ら れ ，工 具 挿 入 速 度 お よ び 予 熱 時 間 の 増 加 に 伴 い 接 合 部 表 面 は 平 滑 と な っ た ． 工 具 挿 入 速 度 1mm/s，予 熱 時 間 0.1s の 条 件 で は 接 合 界 面 底 部 に キ ッ シ ン グ ボ ン ド が 認 め ら れ た が ，予 熱 時 間 を 長 く す る こ と に よ り キ ッ シ ン グ ボ ン ド の 発 生 は 抑 制 さ れ た ． ま た ， 予 熱 時 間 の 減 少 に 伴 い ， 軟 化 域 の 硬 さ は 時 効 硬 化 に よ り 大 き く 回 復 し た ．

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工 具 挿 入 速 度 0.1mm/s の 条 件 で は 予 熱 時 間 の 違 い に よ る 引 張 強 さ に 大 差 は 認 め ら れ な か っ た が ， 工 具 挿 入 速 度 1mm/s の 条 件 で は 予 熱 時 間 が 0.1s お よ び 10s の 条 件 で 引 張 強 さ は 著 し く 低 下 し た ． し か し ， 予 熱 時 間 を 20s と 長 く す る こ と で 引 張 強 さ お よ び 伸 び は 向 上 し ，本 実 験 範 囲 内 で は ，工 具 挿 入 速 度 1mm/s， 予 熱 時 間 20s の 条 件 で 引 張 強 さ の 最 高 値 423MPa を 示 し ， 母 材 の 約 90％ の 値 が 得 ら れ た .

(4) 7075 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 継 手 の 組 合 せ に お い て ， 工 具 挿 入 速 度 お よ び 予 熱 時 間 の 増 加 に 伴 い 接 合 部 表 面 は 平 滑 と な り ，本 実 験 範 囲 内 で は 外 観 上 の 欠 陥 は 認 め ら れ な か っ た ． 継 手 の 硬 さ 分 布 は 2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 と 類 似 の 傾 向 に あ り ，軟 化 域 の 硬 さ の 回 復 も 同 程 度 で あ っ た ． 継 手 の 引 張 強 さ は ，開 始 部 で は 工 具 挿 入 速 度 2mm/s で は 0.1mm/s に 比 較 し て 高 い 値 を 示 し ， 最 高 値 で 492MPa と 母 材 の 84％ で あ っ た ． 引 張 強 さ に は ， 工 具 挿 入 速 度 の 大 小 に 比 較 し て 予 熱 時 間 の 影 響 が 小 さ か っ た ．ま た ，伸 び は 実 験 の 範 囲 内 で 最 高 値 は 6.3％ と 母 材 の 約 50％ と 低 下 し た ．工 具 挿 入 速 度 及 び 予 熱 時 間 の 影 響 は 継 手 中 央 部 及 び 終 端 部 で は ほ と ん ど 認 め ら れ な か っ た ．

(5) 2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 と 7075 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 組 合 せ た 継 手 で は ， 組 合 せ る 素 材 の 配 置 に よ り 継 手 の 状 態 が 異 な る .

工 具 の 回 転 方 向 と 接 合 方 向 が 一 致 す る AS 側 に 2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 配 置 し た 継 手 で は 工 具 側 挿 入 速 度 2mm/s,予 熱 時 間 0.1s の 条 件 で ，7075 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 配 置 し た 場 合 は 工 具 側 挿 入 速 度 1mm/s お よ び 2mm/s， 予 熱 時 間 0.1s の 条 件 で 接 合 界 面 底 部 に お い て キ ッ シ ン グ ボ ン ド が 認 め ら れ た が ， 予 熱 時 間 を 長 く す る こ と で キ ッ シ ン グ ボ ン ド の 発 生 は 抑 制 さ れ た ． 硬 さ 分 布 に お い て は ，素 材 配 置 に よ ら す ，予 熱 時 間 0.1s の 場 合 ,工 具 挿 入 速 度 の 大 小 に よ る 軟 化 域 の 幅 と 位 置 が 若 干 異 な る が ，プ ロ ー ブ 部 で は 工 具 挿 入 速 度 の 違 い に よ る 硬 度 差 は 小 さ い ．ま た ，工 具 の 回 転 方 向 と 接 合 方 向 が 一 致 す る AS 側 に 2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 配 置 し ，予 熱 時 間 20s と す る と 工 具 挿 入 速 度 の 違 い に よ る 軟 化 域 の 幅 お よ び 硬 さ に 大 差 は な い が ，プ ロ ー ブ 部 で は 工 具 挿 入 速 度 0.1mm/s の 場 合 に 硬 さ が 低 下 し た ．ま た ，継 手 の 引 張 強 さ は ，工 具 挿 入 速 度 お よ び 予 熱 時 間 の 違 い に よ る 差 は ほ と ん ど な く 450MPa と 2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の 95%の 強 度 が 得 ら れ た ．

工 具 の 回 転 方 向 と 接 合 方 向 が 一 致 す る AS 側 に 7075 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 配 置 し た 場 合 は ， 予 熱 時 間 20s の 場 合 , 予 熱 時 間 0.1s の 場 合 と 同 様 に ，

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同 一 側 の 最 軟 化 部 の 位 置 と 硬 さ に 若 干 差 は 認 め ら れ た が ，逆 側 で は 工 具 挿 入 速 度 の 違 い に よ る 硬 度 差 は な か っ た ． ま た ,最 軟 化 部 の 硬 さ は 予 熱 時 間 が 短 く ,工 具 挿 入 速 度 が 速 い ほ ど 高 く な っ た ． 継 手 の 引 張 強 さ は 工 具 挿 入 速 度 0.1s の 場 合 ,予 熱 時 間 10s で 引 張 強 さ は 最 小 と な り ， 挿 入 速 度 1mm/s と 2mm/s で は 予 熱 時 間 10s で 最 大 と な っ た ． ま た ， 工 具 挿 入 速 度 0.1s, 予 熱 時 間 0.1s の 場 合 に 引 張 強 さ は 最 大 値 449MPa と ，2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の 95%の 強 度 を 示 し た .

2024 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 と 7075 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 組 合 せ た 継 手 で は ， 素 材 の 配 置 に よ り 硬 さ 分 布 に 若 干 の 差 異 が 認 め ら れ ，工 具 回 転 方 向 と 接 合 方 向 が 一 致 す る 側 に 7075 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 配 置 し た 場 合 に ， 工 具 挿 入 速 度 と 予 熱 時 間 の 組 合 せ に 適 正 条 件 が 存 在 す る こ と が 明 ら か と な っ た ．ま た ， 適 正 条 件 で の 継 手 引 張 強 さ に は 差 異 は 認 め ら れ な か っ た .

(6) 初 期 接 合 条 件 は ， 接 合 開 始 部 よ り 離 れ た 部 分 で は 熱 伝 導 に よ る 温 度 変 化 も 小 さ く ，大 き な 影 響 を 及 ぼ さ な い こ と が 明 ら か と な っ た ．よ っ て ， 初 期 接 合 速 度 を 適 正 に 選 択 す る こ と に よ り ，全 体 が 均 一 な 強 度 を 持 つ 継 手 が 得 ら れ る ．

8.2 総 括

以 上 の 結 果 か ら ，本 実 験 範 囲 内 で の 各 種 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の FSW に お け る 工 具 挿 入 速 度 お よ び 予 熱 時 間 の 適 正 な 組 合 せ が 明 ら か と な っ た ．

A5052 継 手 ， A2024 継 手 ， A7075 継 手 , A2024／ A7075 継 手 の 接 合 に お け る 工 具 挿 入 速 度 お よ び 予 熱 時 間 の 組 合 せ と 継 手 始 点 部 の 継 手 強 度 を Table 8.1 に 示 す ．A5052 継 手 お よ び A2024 継 手 は ，工 具 挿 入 速 度 が 遅 い 条 件 で は 予 熱 時 間 を 付 与 す る 必 要 が な く ，工 具 挿 入 速 度 が 速 い 条 件 で は 必 要 最 低 限 の 予 熱 時 間 で 実 用 上 問 題 の な い 継 手 強 度 が 得 ら れ た ． A7075 継 手 は 工 具 挿 入 速 度 の 増 加 に 伴 い 継 手 強 度 が 向 上 し ， 予 熱 時 間 が 最 も 短 い 0.1s の 条 件 で 引 張 強 さ は 最 高 値 を 示 し た ． こ の こ と よ り ， 工 具 挿 入 速 度 を 速 く ， 予 熱 時 間 を 最 低 限 ま で 短 く す る こ と で FSW に 要 す る 時 間 が 短 く な り ，生 産 性 の 向 上 が 可 能 と な る と 考 え る ．

ま た ， 異 種 材 料 の 組 合 せ で は ， AS 側 に A2024 を 配 置 し た 場 合 は 工 具 挿 入 速 度 お よ び 予 熱 時 間 は 広 範 囲 に 選 定 が 可 能 で あ る が ，AS 側 に A7075 を 配 置 し た 場 合 は 適 正 な 工 具 挿 入 速 度 と 予 熱 時 間 の 組 合 せ が 存 在 す る た め ，両

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者 の 選 択 の 適 正 範 囲 は 狭 く な る こ と が 明 ら か に な っ た .

こ れ ら の 実 験 結 果 か ら 各 合 金 の 初 期 接 合 条 件 の 適 正 範 囲 を 実 用 的 に 使 用 を 考 慮 し て ， 引 張 強 さ に よ る 継 手 効 率 が 80%以 上 得 ら れ る 条 件 と 仮 定 し た 場 合 ， そ の 条 件 範 囲 は Table 8.1 に 示 す よ う に な る ． 表 に は 各 条 件 範 囲 の 中 で 最 高 値 を 示 し た 引 張 強 さ と 継 手 効 率 を 併 記 し た ．な お 異 種 材 料 の 組 合 せ で は 継 手 効 率 は 引 張 強 さ の 低 い 素 材 を 基 準 と し た ．

8.3 今 後 の 展 望

本 研 究 で は ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の う ち A5052， A2024， A7075 の 同 種 材 ,お よ び A2024 と A7075 を 組 合 せ た 異 種 材 の FSW に お い て 初 期 接 合 条 件 と し て 工 具 挿 入 速 度 お よ び 予 熱 時 間 を 変 化 さ せ て 実 験 を 行 い ,攪 拌 部 の 組 織 と 機 械 的 性 質 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 検 討 し ,適 正 値 を 明 ら か に し た .

本 研 究 の 結 果 に よ り ，工 具 挿 入 や 予 熱 と い っ た 接 合 初 期 の プ ロ セ ス が 継 手 の 組 織 や 機 械 的 性 質 に 与 え る 影 響 が 明 ら か と な っ た ． し た が っ て ，こ れ ら の 初 期 接 合 条 件 を 従 来 の 接 合 条 件 の 中 に 組 込 む こ と で ，均 一 な 継 手 が 得 ら れ る ．し か し ， 実 用 的 に は 接 合 長 が 長 く な る 可 能 性 も 容 易 に 推 定 で き る こ と よ り ，工 具 摩 耗 が 継 手 性 能 に 及 ぼ す 影 響 な ど も 継 手 の 均 一 性 に は 重 要 な 課 題 で あ る ． ま た ，物 性 値 が 大 き く 異 な る 鉄 鋼 材 料 や チ タ ン 合 金 な ど に

Table 8.1 Initial welding conditions and tensile strength of joints.

Materials Tool insert speed (mm/s)

Preheating time

(s)

Tensile strength

(MPa)

Joint efficiency

(％)

A5052 0.1 0.1～20 204 82.6

90 5～15 205 83.0

A2024 0.1 0.1～20 423 89.2

1 20 423 89.2

A7075 2 0.1～10 492 84.0

A2024/A7075 AS: A2024

0.1 0.1～20 446 94.1

1 0.1～20 438 92.4

2 0.1～20 453 95.6

A2024/A7075 AS: A7075

0.1 0.1～20 449 94.7

1 0.1～20 435 91.8

2 0.1～20 444 93.7

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応 用 す る た め に ，今 後 素 材 の 物 性 値 と 接 合 条 件 と の 関 連 を 明 ら か に す る 必 要 が あ る ．接 合 デ ー タ の 少 な い 金 属 な ど に 提 供 す る た め の 指 針 を 示 す デ ー タ ベ ー ス の 構 築 が 今 後 の 課 題 の 一 つ と 考 え る .