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
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
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
異材接合技術
54.6 24.7 7.2 7.2 4.1 1.1 1.1 金属／金属 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 その他／その他 割合（%） 組合せ 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
54.6 24.7 7.2 7.2 4.1 1.1 1.1 金属／金属 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 その他／その他 割合（%） 組合せ 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
平成２３年度NEDO調査（2012.3） ｢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
平成25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」代表的な機能構造材料
材料機能 代表的な構造材料 軽量性 ハイテン鋼、アルミ合金、マグネ合金、 樹脂、ＣＦＲＰ 耐熱性 ニッケル基合金、チタン合金、CrMo鋼 耐低温性(靭性) アルミ合金、ステンレス鋼、インバー合金 耐食性 チタン、ステンレス鋼、銅合金、タンタル 熱伝導性 アルミ合金、銅 電気伝導性 アルミ合金、銅 (中田作成）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
成形加工プロセスの異なる部材
(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 異種材料の組み合わせ 同種 金属基 異種 金属基 金属／樹脂 金属／CFRP 金属／セラミック 溶融溶接 アーク溶接 ◎ △ × × 電子ビーム溶接 ◎ ○ × × レーザ溶接 ◎ ○ ◎* × ろう付 ろう付 ◎ ◎ × ◎ 固相接合 拡散接合 ◎ ○ × × 圧接 ◎ ○ △ × ＦＳＷ ◎ ◎ ◎* × 接着 接着 ◎ ◎ ◎ ◎ 機械的 締結 リベット、ボルト、 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
接合プロセスの異材接合への適用性
(中田作成）異材接合技術の現状
・
第1世代：同種金属基（合金）
・
第２世代：異種金属（合金）
・
第3世代：異種材料
未解決課題の
解決とさらなる
適用拡大
斬新なアイデア、先進的・革新的な研究開発
異材接合の組み合わせ：
金属／樹脂／セラミックス
鉄／非鉄（Ａｌ,Ｍｇ,Ｔｉ,Ｃｕ等）等
鉄鋼材料同士等
(中田作成）3．金属材料における
平衡状態図から分かる異材接合の可能性
T.B.Massalski: Binary Alloy Phase Diagram, 2nd ed., ASM (1990) (a) 全率固溶 Cu-Ni Cu Ni 固溶体 (b) ２相分離 Fe-Cu Fe Cu 固溶体 (c) 一部固溶体＋金属間化合物 Al-Mg Mg Al 固溶体 金属間 化合物 (d)一部固溶体＋金属間化合物 Fe-Al Fe Al 固溶体 金属間 化合物
Ag Al Au Be Co Cu Fe Mg Mo Nb Ni Pt Re Sn Ta Ti W Al 2 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 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, 8thedition, America Welding Society, Miami, FL, 1991
平衡状態図的にはAl/FeやTi/Feの 溶接は不可能
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
・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 Al / Fe異材継手のティグアーク溶融形状 Al-Fe平衡状態図 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
アルミ／鉄異材継手の溶融溶接上の問題点
Al Fe Al Fe ビード 表面 ビード断面 溶融部接合プロセス
熱的平衡（準平衡） 高温反応接合界面構造
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）
(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）
M.Kreimeyer:Schw. & Schen 2002,DVS220,256. Al合金/Steel異材継手の断面マクロおよびミクロ組織 突合せ継手：レーザ照射置を Al側としAlのみ溶融 Al合金 鋼 Al合金 金属間化合物層 鋼 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 Al合金 金属間化合物層 溶融部 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
化合物なし 共晶 Al/Zn ○ 化合物形成 広い範囲で固溶体 △Zn
多数の化合物形成 × 全率固溶体 ○Ni
多数の化合物形成 × 化合物なし 2相分離 Cu/Fe ○Cu
多数の化合物形成 広い範囲で共晶 △ 化合物なし 2相分離 Au/Fe ○Au
全率固溶体 ○ 多数の化合物形成 ×Al
化合物形成 広い範囲で共晶 △ 化合物なし 2相分離 Fe/Ag ○Ag
Al
Fe
異材母材
ろう材 素材 (中田作成）ミグアークブレーズ溶接重ね継手(中田ら）
接合界面 ミクロ組織A1050/SPCC
フラックス内蔵
溶加材ワイヤ
BA4047(Al-12％Si合金)
A1050／SPCCの外観 断面 1~3mm厚さでAl母材破断T.Murakami, K.Nakata et al:ISIJ Int.43(2003)1596.
FeAlSi
３元系 化合物
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
(脇坂、鈴木:溶接学会論文集、30(2012)274-279) （ホンダエンジニアリング） Zn6%Al溶加材 ろう付部破断 Zn1%Si溶加材 Al合金母材破断 ピール試験後の継手断面 半導体レーザ、フレア継手 GA鋼板／6022Al合金 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
FSW作動ビデオ
回転ツール 裏当金 押さえジグ 被接合材:アルミ合金板、板厚6mm アルミ板 プローブ 開先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 接合界面 鋼 アルミニウム ピン 接合界面 (a)突合せ継手 (b)重ね継手 鋼 アルミニウム 岡本ら：軽金属溶接 42(2004)49. 岡村ら：溶接学会誌72(2003)436.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
福本ら：溶接学会論文集22(2004)309 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 6の接合面は清浄面 では無い 前進側 後退側 前進側 後退側オフセット量の最適化
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
省エネ型スポット溶接プロセスとして注目
摩擦点接合の接合過程 ツ ー ル 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 接合条件のパラメータ ツール回転数 押込み荷重 ツール形状 接合時間回転ツール
アルミシート（上板）
アルミシート（下板） アルミ合金シート材の重ねスポット接合
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% 田中ら；軽金属，56(2006),317 Al: 6000系(Al-1Si-0.5Mg) Fe:SPCC鋼板とAl合金のFSW異材接合
実用化例:ホンダ
日経ものづくり 2012年10月p18-19サブフレーム
重ね継手へ
の展開
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
SUS304 A1070 接合界面 接合界面部 SUS304 A1070 工業用 純アルミ 破断面 直径24mm丸棒、 A1070／SUS304 摩擦圧接後 表面機械加工 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 Steel接合部
Ti母材破断部
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 A5052 10%Al2O3 6061MMCと6061アルミ合金とのFSW突合継手 (中田） ダイカスト材と圧延材との接合 気孔等の 発生により 溶融溶接 不可5. 第3世代異種材料接合
・金属／樹脂
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 ■接合界面（透過型電子顕微鏡観察） 樹脂が伸びる高強度接合を達成 ■接合継手（引張試験評価） ■接合プロセス 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 ■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 5 nm 金属:ステンレス鋼 樹脂:ペット 反応層 金属酸化皮膜を介したナノ接合 5 nm ※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 大阪大学接合科学研究所 片山教授・川人准教授
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 10 nm ■接合界面（透過型電子顕微鏡観察） ■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） 5 nm 金属:ステンレス鋼 反応層 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 複合材料:CFRP CFRP：（ナイロン基20%長炭素繊維）、(20 mmwx 3 mmt) ステンレス鋼：(30 mmwx 3 mmt) 接合強度：4,800 N（引張せん断荷重） SEMによる断面観察 炭素繊維 溶融なし 20 mm 複合材料：CFRP アルミニウム合金 接合部： アルミニウム合金 CFRP 外観 ■金属（Al）とCFRPとの接合継手 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 大阪大学接合科学研究所 片山教授・川人准教授 アルミニウム合金 にレーザを照射
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 PE Al合金 接合部 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 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
摩擦重ね接合FLJ
FLJ接合性に及ぼす樹脂材料･アルミ表面処理
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 未処理 ○: 樹脂母材破断 △: 界面破断 未処理 表面処理 EAA PE 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） 表面処理 （中田ら） 単 位 接 合 長 さ あ た り の 最 大 引 張 せ ん 断 荷 重 / N·m m -1 （エチレンアクリル酸コポリマー） （ポリエチレン） TEM像（試料：TRI処理／PE） ×900,000 PE 皮膜単 位 接 合 長 さ あ た り の 最 大 引 張 せ ん 断 荷 重 / N·m m -1 工業用純Al 工業用純Al Al母材 破断部 PPS 0 20 40 60 80 100 120 140 A B C D E ○: アルミニウム母材破断 △: PPS母材破断
PPS
（ポリフェニレンサルファイド） 熱可塑性耐熱樹脂各種PPSのFLJ接合性の違い
接合部 （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 10mm 熱可塑性CFRP板 Al合金板 接合部 CFRP破断部
FLJによるAl合金／CFRPの直接異材接合
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
レーザブレージング条件
レーザ加熱装置外観
X-Y table Laser oscillator
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) Thermo couple Heating area レーザブレージング法模式図 Glass fiber Specimen stage Beam head WC-Co Braze Single Crystal Diamond 5° Laser beam Transparent quartz Glass plate 活性金属ろう： （70%Ag-28%Cu-1.68%Ti) 厚さ 0.1mm t （炉中ろう付からインラインろう付への展開）
単結晶ダイヤモンド/ろう材の接合界面
2mm Single Crystal Diamond WC-Co 試料外観 Single Crystal Diamond Braze WC-Co 40μm 断面 組織 WC-Co Ag-Cu-Ti Braze 超音波顕微鏡像 2mm Diamond WC-Co Ag-Cu-Ti Braze Single Crystal Diamond WC-Co Jig 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
単 結 晶 ダ イ ヤ モ ン ド ／ろう材界面のEPMA 面分析結果 a) SEM Image 5μm b) Ag c) C d) Cu e) Ti Single Crystal Diamond Braze TiC反応層形 成cBN、サイアロン、アルミナ、SiC、黒鉛等の接合可能
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
異材接合の今後の展開
構造材料への適用は２０年後？
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)
