Development of simultaneous friction welding technique with low heat input for difficult materials combination with insert metal
| Project/Area Number |
21K03775
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
木村 真晃 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (90285338)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 摩擦圧接 / A7075 / 軟鋼 / 純Ti / インサート材 / 同時接合 / アプセット圧力 / 摩擦速度 / 低入熱 / 難接合材 |
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| Outline of Research at the Start |
今世紀における“ものづくり”を持続させつつ次世代へと繋げていくためには，これまでよりも一層の省エネルギ化，低コスト化を実現させつつ生産活動の実施を行うことが不可欠となる．そのような状況の下，近年，異なる材料を適材適所に配して使う「マルチマテリアル化」が求められ，異材継手を利用することが想定されるが，その実現は容易ではない．
本研究では，難接合材料と他の材料との直接接合について，接合性の良いインサート材を介して低入熱同時摩擦接合を行い，接合部で破断することのない良好な異材継手が作製できる接合条件を確立することで「マルチマテリアル化」を容易に実現できる接合手法の提案を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，超々ジュラルミン(A7075)のようなアルミニウム(Al)合金の中でも変形能の悪さや軟化を生じやすいことから溶接が難しい難接合材料を用いた異材継手を摩擦圧接法により接合し，接合部から破断しないという良好な継手を得ることができる低入熱同時摩擦接合技術を確立・提案することを目的としている．今年度も昨年度に引き続き直接合が極めて難しいA7075と鉄鋼材料との組み合わせを取り上げ，両材料に対して比較的接合性の良い純Tiをインサート材として選択し，同時接合を行った際の接合条件と接合端部形状に関する検討を中心に行った．
まず昨年度の研究結果を受け，A7075側におけるばり割れを生じない試みとして，純Ti製のインサート材のA7075側と接触する接合端部の形状を種々変化させて検討を行った．摩擦速度27.5s-1，摩擦圧力90MPa，摩擦時間0.7s，アプセット圧力90MPaの一定条件として検討を行った結果，純Ti側の接合端部直径10mmに対してA7075のそれを12mm以上と大きくしたときにばり割れを生じないことを示した．しかし，得られる継手強度をさらに増加させるためには，アプセット圧力を増加させて接合することが不可欠であることも示唆した．
一方，マルチマテリアル化に向けての低入熱接合手法拡大のため，実験装置の変更・改造のための部品製作も上記の実験と平行して実施するとともに，将来に向けての適用範囲拡大への基盤作りに対する検討を行った．特に，摩擦圧接では接合端部の直径が変化すると同じ接合条件で継手を作製しても同様な結果が得られない場合が指摘されていることから，接合端部直径が異なる場合どのように接合条件を選定すれば良いかの検討を行った．AC8AとA6061との中空材形状同士を対象として検討を行い，接合端部直径と接合条件との関係性を示すとともに接合条件の選定指針を見いだした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要の欄でも記したように，今年度においても，A7075と鉄鋼材料との組み合わせに関し，両材料に対して比較的接合性が良いとされている純Tiをインサート材として選択し，これらを摩擦圧接法により同時接合できるかの検討を中心に進めた．その結果，A7075側に生じるばり割れを防止できる接合端部形状を見いだすことができた．しかし，接合部から破断しないような強固な継手を作製するためには，継手性能に影響を及ぼす接合条件のパラメータの１つであるアプセット圧力を付加して接合する必要性も明らかとなった．
ところで，上記の接合実験は研究代表者が所有の接合実験装置を用いて検討を行ったが，一部の部品が古いことにより広範囲な接合実験ができない場合があることも明らかになった．また，研究代表者所属先での建屋耐震改修にともなう実験装置類の移設もあり，それにより明らかとなった各種部品の劣化交換と改修，並びに将来に向けての実験範囲拡大への基盤作りも含めた実験装置の改造・改良もあわせて実施した．
一方，マルチマテリアル化に向けての接合手法の拡大と将来に向けての第１歩として，接合端部の直径が変化すると同じ接合条件で継手を作製しても同様な結果が得られない一因として考えられる接合面内における相対速度に注目し，その接合端部直径が異なる場合どのように接合条件を選定すれば良いかについての検討を行った．具体的には，研究代表者がこれまでに実施してきた実験の組み合わせの中からAC8AとA6061との中空材形状同士を選択し，接合端部直径と接合条件との関係性を示すとともに接合条件の選定指針となり得るパラメータを見いだした．
以上のように，研究の実施計画と進捗状況は，研究代表者所属先での建屋耐震改修にともなう移設などがあったために当初の計画とは多少異なったものの，研究はおおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
前述したように，昨年度に実施した研究により，A7075側のばり割れを防止できる接合端部形状を実験的に明らかにすることができた．しかし，得られた継手強度が低いことから，それを向上させるために接合条件の一つであるアプセット圧力に注目し，それを増加させた場合の検討を行う．また，本組み合わせは異種材料を組み合わせた異材継手であることから，継手強度に影響を及ぼすことが示されている金属間化合物の生成状態なども明らかにする必要があるため，得られた継手の冶金的な検討も実施し，低入熱状態で接合が達成されているかなどの検討も行う．
一方，摩擦圧接の場合，接合端部の直径が変化すると同じ接合条件で継手を作製しても同様な結果が得られない場合も指摘されており，その一因として前述した接合面内における相対速度の変化が挙げられる．特に，マルチマテリアル化に向けて本接合手法を拡大するためには，より広範囲な接合実験を実施し，それを証明する必要がある．昨年度は，その第１歩として，AC8AとA6061との中空材形状同士を選択し，接合端部直径と接合条件との関係性を示すとともに接合条件の選定指針を見いだすことができたが，データの更なる蓄積を図るとともに接合条件の選定指針となり得るパラメータを確固たるものとして示すことが不可欠である．そこで，昨年度に実施した接合端部直径とは異なる直径においても検討を加え，接合条件の選定指針の確立を目指す．
さらに，マルチマテリアル化を推進するために鉄鋼材料とステンレス鋼などの各種材料を用いた場合の接合条件の選定指針を確立するため，これらの材料での接合も実施し，接合部から破断しない継手が得られる接合条件を見いだす．
以上の様な方策で，研究を実施していく予定である．
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
