大阪大学接合科学研究所の藤井英俊教授、森貞好昭特任准教授らの研究グループは、あたかも接合部が存在せず、アルミニウム合金同士をそのまま連続的に接合することができる「完全接合」技術を世界で初めて確立しました。

これまでのアルミニウム合金の接合部では大幅な軟化を伴う熱影響部の形成が不可避であり、接合構造体の強度や信頼性は接合部によって決定されます。即ち、アルミニウム合金を高強度化しても、その恩恵を十分に享受することができませんでした。

今回、藤井英俊教授、森貞好昭特任准教授らの研究グループは、接合したい材料同士を押し付けながら昇温する固相接合に関して、「大きな接合圧力を印加することで接合温度が低下する」という意外な接合原理を発見しました。これを利用することでアルミニウム合金を200°C程度の低温で接合することに成功し、形成される接合部は母材と全く同じ硬度分を有することを明らかにしました。

これにより、接合部は特異点とはならず、母材と同等と見做すことができ、構造体の設計を極めて単純化できます。高強度アルミニウム合金の素材としての特性をそのまま活かした理想的な接合構造体を得ることができます。

図1　A6061アルミニウム合金継手の断面写真アルミニウム合金材同士が極めて薄い接合界面を介して接合されています。

図2　A6061アルミニウム合金接合部の硬度分布新接合技術で得られた接合部は母材と同じ硬度分布を有しています。このような接合部は、あらゆるアルミニウム合金に形成させることができます。

アルミニウム合金は鋼に次いで大量に使用されている極めて重要な金属構造材料です。特に、近年ではCO₂排出量の削減や省エネルギーの要求から自動車、鉄道車両及び航空機等の輸送用機器の軽量化が切望されており、比重が鋼の約1/3であるアルミニウム合金の更なる活用が期待されています。

金属構造体の製造には接合が不可欠であり、アルミニウム合金の接合方法についても盛んに検討が進められてきましたが、摩擦攪拌接合などの材料を溶かさない固相接合を用いた場合であっても、接合時の温度上昇に起因する接合部の軟化を抑制することが困難で、もとの素材の70%程度の強度しか得られず、接合部の強度に合わせた構造設計が必須になるという課題がありました。

藤井英俊教授、森貞好昭特任准教授らの研究グループは、固相接合法の一つである線形摩擦接合に着目し、接合温度を低下させる方法について鋭意検討したところ、被接合材同士を低い圧力で押し付けて慎重に温度制御するのではなく、逆に、被接合材同士を大きな圧力で押し付けることで接合温度が低下することを見出しました。これは、大きな接合圧力の印加により、より低い温度で被接合界面が変形するためであり、この原理に従うと、接合温度を極めて正確に制御することもできます。さらに、これらの接合原理は、既に広く産業利用されている摩擦圧接にも適用することができます。

本研究成果により、接合部における強度及び信頼性の低下を考慮することが不要となり、様々な手法で高強度化されたアルミニウム合金の材料特性がそのまま反映される良好な接合構造体を得ることができます。また、各種金属構造体の製造のみならず、部分的な補強技術や補修技術としての活用も期待できます。

さらに、材料特性の劣化に留意することなく、金属材を任意の形状及び大きさに組み上げていくことも可能となり、切削によって材料を除去する従来の製造方法から、必要最小限の材料を付加する製造方法(アディティブ・マニュファクチャリング)への転換にも寄与することが期待されます。