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2012 年度 実績報告書

単結晶アルミニウムを用いた摩擦関与接合現象の機構解明

研究課題

研究課題/領域番号 23360324
研究機関富山大学

研究代表者

柴柳 敏哉  富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 教授 (10187411)

研究分担者 高橋 誠  大阪大学, 接合科学研究所, 講師 (10294133)
研究期間 (年度) 2011-04-01 – 2014-03-31
キーワード摩擦攪拌スポット接合 / 透明流体 / 非ニュートン流体 / PIV
研究概要

摩擦攪拌スポット接合における塑性流動現象を透明流体を用いてシミュレートする技術を確立した。さらに、それを用いて接合ツール周囲の流動を観察し、金属材料内で実際に生ずる攪拌組織形成過程と類似の様相を呈することを確認した。
本研究では摩擦関与現象を利用した接合における接合機構を金属材料の高温変形の観点で究明することを主題としているが、塑性変形モードを知ることが極めて重要なポイントになる。これまでに単結晶アルミニウムを用いた研究で複数の変形モードの競合関係であることまでは突き止めてきたが、本年度の可視化研究により材料内のどの場所でどのタイプの塑性変形が主になるのかを推定する手がかりを得た。
金属材料は降伏応力を持つのでニュートン流体を作動流体として用いることは論理的矛盾がある。したがって、非ニュートン流体の中から最適な粘性ならびに粘性の温度依存性を有する物質を探索し、2,3の候補材料に絞り込んで粘性測定、実際の接合装置を用いた流動観察予備実験を経て最終的に一つの物質にたどり着いた。
流動の可視化にあたり、微細粒子を懸濁する手法を採用した。この懸濁粒子を含んだ作動流体にスリット光を照射し、ビデオカメラで流動状況を観察したが、撮影映像から粒子速度場解析法(PIV法)による画像計測を施して流動状況の定量解析も行ない、攪拌部(いわゆるSZ)内の流動速度がその周囲のものよりも相対的に小さいことを見出した。
以上の結果は摩擦攪拌スポット接合の接合ツール形状の最適化へ結びつく基礎知見として有用であり、これらの観察結果をベースにして物理モデルを構築していくことが最終年度の課題となる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまで見過ごされてきた塑性流動の動的観察を可能にした。さらに、速度場の解析手法の適用により、定量的な流動イメージをつかむことに成功し、この結果は接合中の欠陥発生挙動の機構解明は言うまでも無く、変形モードの特定へと具体的に結びつく。
本研究では、単結晶を用いる変形モード解析手法がすでに確立されており、詳細な実験データの解析結果が蓄積されてきている。これらの知見と本年度得られた流動解析結果を照合し、より正確な塑性流動の描像を手にすることで摩擦現象が関与する接合において何が支配的な要因として接合界面組織形成に寄与するのかが浮かび上がってくる。
最も難しいと思われた可視化技術が確立でき、本研究の山場を超えたと考えている。

今後の研究の推進方策

3年間の研究期間の2年間で新しい解析手法が確立し、正確なデータが得られるようになったので、本研究の主題である変形機構解明に向けた全ての実験が一本の基軸の上で議論できるようになった。
今後は、単結晶アルミニウムならびに他の金属材料を用いた摩擦圧接、摩擦攪拌スポット接合における塑性流動の観察を繰り返し、金属材料の力学物性、接合条件、接合ツール形状がそれぞれ接合部組織形成過程に及ぼす影響を整理・考察し、より一般的に適用できる基本原理を明らかにしていくことになる。
また、可視化技術を移動型の摩擦攪拌接合に拡大適用し、より複雑な塑性流動の本質を究明することになる。
最終的には、接合機構に依拠した接合ツール形状の最適化指針を確立することになる。これにより産業界へ科学的根拠を持った技術を還元することになる。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2012 その他

すべて 学会発表 (7件) (うち招待講演 3件)

  • [学会発表] Visualization of Metal Flow in Friction Stir Spot Welding using Translucent Materials2012

    • 著者名/発表者名
      T.Yamane, K.Nagae, H.Watanabe, T.Shibayanagi and M.Yoshida
    • 学会等名
      Visual-JW 2012,
    • 発表場所
      Hotel Hankyu Expo, Osaka, Japan
    • 年月日
      20121127-20121130
  • [学会発表] Metal Flow and High Temperature Deformation during Friction Stir Spot Welding of Pure Aluminum2012

    • 著者名/発表者名
      Toshiya Shibayanagi and Takeshi Yamane
    • 学会等名
      7th International Conference on the Physical Properties and Application of Advanced MATerials(ICPMAT2012)
    • 発表場所
      Trondheim, Norway
    • 年月日
      20120617-20
  • [学会発表] 混合感温液晶法における色温度較正法

    • 著者名/発表者名
      谷口拓弥,山根岳志,吉田正道,柴柳敏哉
    • 学会等名
      スマートプロセス学会 秋季総合学術講演会
    • 発表場所
      大阪大学荒田記念館
  • [学会発表] 摩擦攪拌接合における塑性流動

    • 著者名/発表者名
      柴柳敏哉
    • 学会等名
      一般社団法人軽金属学会 第90回軽金属シンポジウム「軽金属材料の摩擦攪拌接合(FSW)」
    • 発表場所
      日本大学理工学部駿河台キャンパス
    • 招待講演
  • [学会発表] アルミニウムの先進プロセッシング -摩擦撹拌接合とレーザ局所熱処理-

    • 著者名/発表者名
      柴柳敏哉
    • 学会等名
      軽金属学会北陸支部 平成24年度春期講演会
    • 発表場所
      富山大学工学部大会議室
    • 招待講演
  • [学会発表] 溶接・接合における移動現象問題 -遅れ破壊ならびに異材界面反応-

    • 著者名/発表者名
      柴柳敏哉
    • 学会等名
      富山大学材料研究会
    • 発表場所
      富山大学工学部
    • 招待講演
  • [学会発表] ポリエチレンの摩擦攪拌スポット接合挙動

    • 著者名/発表者名
      平 博仁,青木秀憲,柴柳敏哉
    • 学会等名
      溶接学会 平成24年度秋季全国大会
    • 発表場所
      奈良商工会議所(奈良市)

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公開日: 2014-07-24  

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