摩擦攪拌接合：鋼板などの高融点材料を低コストで接合

公開日：

2025-06-11

ホンダは、量産品に適用でき、摩擦攪拌接合方式で鋼とアルミニウム合金を溶接する技術を開発し、東北大学（日本）と日立は、鋼やチタンなどの高融点金属を溶接できるコバルト合金製の撹拌ツールを開発した。これまで量産レベルでは、アルミニウム合金、銅合金、マグネシウム合金のような低融点金属に限られていた摩擦攪拌接合（FSW：Friction Stir Welding）の用途が、鋼などのより融点の高い金属にまで広がり始めている*1。

*1 標準大気圧下では、アルミニウムの融点は660℃、銅は1083℃、マグネシウムは651℃です。一方、鉄は1539℃、チタンは1727℃にも達します。

摩擦熱によって金属が軟化し、粘性のある状態になる

摩擦攪拌接合は、円柱先端に突起（攪拌ピン）を備えた工具を使い、突き合わせた二枚の板（母材）または重ねた二枚の板の接合箇所の上から、工具を回転させつつ押し付けて二枚の板を接合する技術です。

回転する攪拌ピンと板材の摩擦熱により、ピン周辺の金属が粘液状に軟化し、回転するピンを板に挿入できます。こうして周辺の軟化した金属が混ざり合い（塑性流動が生じ）、二枚の金属板が一体化するか、または二枚の板の接合面に金属結合が形成されて一体化します。

以前は耐高温の攪拌ヘッドがなかった

摩擦攪拌接合には次の四つの利点があります：（1）母材を溶かさずに接合できる固相接合のため、接合後の変形や欠陥が少なく、製品品質を高め費用を抑えられます。（2）溶融接合より省エネルギーです。（3）シールドガスが不要です。（4）騒音が小さく、粉塵が発生しません。また、異種材料の接合にも非常に有効で、業界から注目されており、部位ごとに適切な材料を選ぶことで軽量化などの効果が期待されます*2。ただし冒頭で紹介したとおり、従来、量産レベルで摩擦攪拌接合に使える材料は低融点金属に限られていました。

*2 摩擦攪拌接合は、母材を溶かす液相接合である溶融溶接と比べて、接合温度が低く、接合条件の設定によって入熱量を制御しやすいです。そのため、接合強度低下の元凶である金属間化合物の生成を容易に抑えることができます。金属間化合物層の厚さを小さくすることで、接合部の強度を高められます。摩擦攪拌接合を行う際、攪拌しすぎると、同様に大量の金属間化合物が生成されます。

摩擦攪拌接合の用途がこれまで低融点金属に限られていたのは、量産に適した低価格の耐高温攪拌ツールがなかったためです。アルミニウム合金に摩擦攪拌接合を行う場合は、一般に工具鋼などの鉄鋼材料で作られた攪拌ツールを使用します。このツールで鋼やチタン合金などの高融点金属を接合すると、それらの金属が軟化する高温域ではツールも軟化し、ツールの摩耗が激しく使用できなくなります。セラミックスやタングステン・レニウム合金などの非鉄鋼材料を用いた攪拌ツールも開発されていますが、価格が非常に高く、量産には適していません。

撹拌せずに鋼の新生面を露出させる

ホンダが開発した摩擦攪拌方式による鋼とアルミニウム合金の溶接技術は、重ね合わせた鋼とアルミニウム合金の母材を接合するためのものである。その最大の特徴は、アルミニウム合金だけを撹拌し、鋼は撹拌しないことである（図1の下図）。これにより、撹拌ツールの温度が高くなりすぎるのを防げる。

鋼を撹拌せずに鋼とアルミニウム合金を溶接できるのは、鋼とアルミニウム合金の間に金属結合が形成されるためである。つまり、この技術は鋼を撹拌するのではなく、鋼表面の塗膜や酸化膜を除去している。この方法により、鋼の新生面が露出し、撹拌によって活性が高められたアルミニウム合金との間に金属結合が形成される。この金属結合の存在によって、鋼とアルミニウム合金が一体となる*3。

*3 鋼とアルミニウム合金の間に水などが入ると異種金属接触腐食（電食）が発生しますが、この技術は鋼とアルミニウム合金の間にシリコン膜を挿入することで、この現象を防止しています。

ホンダは、北米市場向けの新型「アコード」のフロントサブフレームにこの技術を採用し、さまざまな効果を得た（図2）。具体的には、重量が従来のスチール製サブフレームより25％軽くなっただけでなく、溶接時の消費電力も約50％削減された。さらに、この技術を用いてサブフレームとサスペンション取り付け部の構造を変更し、取り付け部の剛性を20％高めたことで、車両の運動性能の向上にも貢献した。

新材料による応用分野の拡大

一方、東北大学、日立製作所および日立金属精密機器会社は、高温に耐えられる比較的低価格の攪拌ツールを開発し、摩擦攪拌接合の適用範囲を広げました（図3）。この攪拌ツールに使われている材料は東北大学と日立製作所が共同開発したもので、この材料と攪拌ツール（鋳造品）の量産技術は日立製作所と日立金属精密が共同で開発に成功しました。この攪拌ツールは、鋼、チタン合金、ジルコニウム合金などの高融点金属の摩擦攪拌接合に使用でき、2013年秋に販売を開始する予定です。日立金属精密機器は「価格は今後検討する」としていますが、量産レベルで使用できる価格帯に設定されるものと見込まれます。

東北大学などが摩擦攪拌接合ツール用に開発した材料はコバルト合金で、内部には高温でも高強度を保てる金属間化合物が分布している。具体的には、コバルトベースの合金中にCo3（Al，W）が分布している。重要なのは、Co3（Al，W）をいかに均一かつ微細に分布させ、分布量および結晶粒界の形状を望ましい状態に近づけるかである。そのため、より合理的な成分と熱処理方法が採用された。

現在想定されているこの攪拌ツールの適用材料は、炭素鋼、高張力鋼、チタン合金（Ti-6Al-4Vなど）、純チタン、および銅合金です。強度や厚さなどの理由から、このツールの使用が難しい材料もありますが、大まかに言えば、接合対象は、摩擦攪拌接合を行う際の攪拌ツールの温度（接合温度）が最高で約1000℃となる材料です。

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