JP2019013956A - 異種金属接合体の製造方法および異種金属材料の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン系材料と鉄系材料の重ね接合をするに際し、異種金属の接触による腐食を防止する。
【解決手段】チタン系材料と鉄系材料を重ね接合して得られる異種金属接合体の製造方法であって、チタン系材料と鉄系材料の少なくとも一方の面に対し、チタン系材料と鉄系材料との重ね合わせ領域における少なくともチタン系材料と鉄系材料との接合部を含む領域に樹脂系のシーリング材を塗布する工程と、シーリング材がチタン系材料と鉄系材料の間に介在するように、チタン系材料と鉄系材料を重ね合わせる工程と、摩擦撹拌接合を用いてチタン系材料と鉄系材料を接合する工程と、を順に有し、接合する工程において、接合部の周縁から重ね合わせ領域の端部に至るまでシーリング材が介在する異種金属接合体の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、海洋構造物の喫水線近傍の耐食性向上に向け、構造用鋼に対して部分的にチタン系材料をライニングするための、摩擦撹拌接合による異種金属接合体の製造方法および異種金属材料の接合方法に関する。

海洋上に建設される空港や橋梁等の海洋構造物においては、常時厳しい腐食環境下に晒されている。特に、この海洋構造物の鋼矢板では、海面の干満差による変動によって海水と空気が交互に接触する領域が存在し、こうした領域では他の領域よりも更に優れた耐食性が要求される。

海洋構造物の耐食性を向上させるという観点から、これまでにも様々な技術が提案されており、その一つとして海洋構造物の鋼矢板表面をポリエチレンやウレタンエラストマーからなる防食層で被覆する技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、こうした技術では強度や耐久性の点で十分とは言えず、１０〜１５年程度で耐食性が劣化してしまい、その都度全面的な補集工事が必要になる。こうしたことから、海洋構造物における鋼矢板の耐食性を更に向上させるための技術の確立が望まれているのが実情である。

一方、チタン系材料は優れた強度や耐食性を有することが知られており、こうした特性を生かして幅広い分野で利用されている。また、チタン系材料を海洋構造物の防食技術に応用するという観点からも種々検討されている。例えば、特許文献１には、鋼板からなる基材表面に、当該基材の周縁部を残してチタン板またはチタン合金板をＭＩＧ溶接法によって接合し、防食用パネル構造体とした技術が開示されている。

また、特許文献２には、チタンクラッド薄鋼板（鋼板部）を鋼体（鋼矢板部）にアーク溶接にてライニングする構造において、チタンクラッド薄鋼板の端面および溶接によって生じた溶接金属部をロウ付け材にて封止した、チタンクラッド薄鋼板と鋼体との溶接部防食構造が開示されている。

更に、特許文献３には、チタン板と鋼板とを摩擦撹拌接合する方法であって、チタン板と鋼板の間にろう材を挿入し、摩擦撹拌接合を行うと同時に、その際発生する熱によりろう付けを行うことで、高い接合強度と端部の耐食性を有する接合継手の製造方法が開示されている。

特許第３９５４４７９号公報 特開平１１−３３３５８７号公報 特開２００３−３０５５８６号公報

「防食技術セミナー」、社団法人鋼材倶楽部、平成６年３月発行、第２０頁

ところで、チタン系材料を海洋構造物へ適用することを考慮した場合、チタンは他の金属元素に対して比較的高価であることから、チタン系材料の優れた耐海水腐食性を担保しつつも、鋼板へのチタン系材料のライニングは必要最低限の部位に適用するという経済性が要求される。

上記特許文献１〜３に示すような、海洋構造物などへの耐海水腐食性を対象としたチタン系材料のライニング技術にあっても、ある程度の耐海水腐食性を担保することができるものの、チタン系材料のライニングを必要最低限に適用する場合にあっては、必ずしも高い耐海水腐食性を満足させるものではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、チタン系材料と鉄系材料を重ね接合するに際し、異種金属の接触による腐食を防止することのできる異種金属接合体の製造方法および異種金属材料の接合方法を提供することにある。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、チタン系材料と鉄系材料を重ね接合するに際し、これら異種金属材料の界面に樹脂系のシーリング材を介した状態で摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）を行い、チタン系材料と鉄系材料を接合させ、接合部の周縁から重ね合わせ領域の端部に至るまでをシーリング材で介在させることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［８］に係るものである。
［１］チタン系材料と鉄系材料を重ね接合して得られる異種金属接合体の製造方法であって、
前記チタン系材料と前記鉄系材料の少なくとも一方の面に対し、前記チタン系材料と前記鉄系材料との重ね合わせ領域における少なくとも前記チタン系材料と前記鉄系材料との接合部を含む領域に樹脂系のシーリング材を塗布する工程と、
前記シーリング材が前記チタン系材料と前記鉄系材料の間に介在するように、前記チタン系材料と前記鉄系材料を重ね合わせる工程と、
摩擦撹拌接合を用いて前記チタン系材料と前記鉄系材料を接合する工程と、を順に有し、
前記接合する工程において、前記接合部の周縁から前記重ね合わせ領域の端部に至るまで前記シーリング材が介在することを特徴とする異種金属接合体の製造方法。
［２］前記接合する工程において、前記シーリング材を前記接合部の周縁に排出しながら接合を行う上記［１］に記載の異種金属接合体の製造方法。
［３］前記接合する工程において、前記接合部及びその周縁部の前記シーリング材が完全に硬化する前に接合を行う上記［１］または［２］に記載の異種金属接合体の製造方法。
［４］前記接合する工程において、前記チタン系材料と前記鉄系材料とが直接接合している上記［１］〜［３］のいずれか１つに記載の異種金属接合体の製造方法。
［５］前記シーリング材を塗布する工程において、前記シーリング材の塗布厚さが０．２５ｍｍ超え１．００ｍｍ未満である上記［１］〜［４］のいずれか１つに記載の異種金属接合体の製造方法。
［６］前記チタン系材料が板厚１．５ｍｍ以下の板材であり、前記鉄系材料が板厚１０ｍｍ以上の構造用鋼材である上記［１］〜［５］のいずれか１つに記載の異種金属接合体の製造方法。
［７］前記接合する工程において、前記摩擦撹拌接合のツール回転数が１５０ｒｐｍ未満、かつ、接合速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ未満である上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の異種金属接合体の製造方法。
［８］チタン系材料と鉄系材料を重ね合わせて接合する異種金属材料の接合方法であって、
前記チタン系材料と前記鉄系材料の少なくとも一方の面に対し、前記チタン系材料と前記鉄系材料との重ね合わせ領域における少なくとも前記チタン系材料と前記鉄系材料との接合部を含む領域に樹脂系のシーリング材を塗布する工程と、
前記シーリング材が前記チタン系材料と前記鉄系材料の間に介在するように、前記チタン系材料と前記鉄系材料を重ね合わせる工程と、
摩擦撹拌接合を用いて前記チタン系材料と前記鉄系材料を接合する工程と、を順に有し、
前記接合する工程において、前記接合部の周縁から前記重ね合わせ領域の端部に至るまで前記シーリング材が介在することを特徴とする異種金属材料の接合方法。

本発明によれば、チタン系材料と鉄系材料の重ね接合をするに際し、異種金属の接触による腐食を防止することのできる異種金属接合体の製造方法および異種金属材料の接合方法を提供することができる。

図１は、チタン系材料と鉄系材料を摩擦撹拌接合により接合している状態を示す概略図である。 図２は、接合線横断方向における短冊状の引張試験片の採取要領を示す図である。 引張試験結果の合否判断基準を説明するための概略図であり、図３（Ａ）は撹拌部での界面破断の状態を示す図であり、図３（Ｂ）は純チタン板での母材破断の状態を示す図である。 接合部断面の外観判断の合否判断基準を説明するための概略図であり、図４（Ａ）は撹拌部に開口する欠陥を有する状態を示す図であり、図４（Ｂ）は撹拌部に開口する欠陥を有さない状態を示す図である。 シーリング材の塗布条件についての探索試験の要領を示す図であり、図５（Ａ）はシーリング材を鉄系材料に塗布した状態でチタン系材料を重ね合わせて摩擦撹拌接合する際状態を示す図であり、図５（Ｂ）はシーリング材を鉄系材料に塗布した状態を示す斜視図である。 図６は、本実施例のＮｏ．６の継手断面における接合界面近傍のＥＤＳ線分析結果を示す図である。 純チタン板と構造用鋼板の重ね部への塩水噴霧状況の模式図であり、図７（Ａ）はシーリング材を介さない場合の例、図７（Ｂ）はシーリング材を介した場合の例である。 塩水噴霧試験による耐食性評価の結果を示す図である。

本発明者らは、チタン系材料と鉄系材料の重ね接合をするに際し、異種金属の接触による腐食を防止することのできる異種金属接合体の製造方法を提供するため、鋭意検討を行ってきた。

その結果、チタン系材料と鉄系材料との重ね合わせ面の間に樹脂系のシーリング材を介在させた状態で、シーリング材が硬化する前に摩擦撹拌接合を用いて接合することにより、異種金属の接触による腐食を効果的に防止できること、すなわち高い耐食性が図られることを見出した。また、後述する実施例で示すように、接合部の機械的特性（すなわち、接合継手強度）や塩水噴霧試験による耐食性を評価し、所望の性能を得るための摩擦撹拌接合条件やシーリング材塗布条件を種々検討したことにより、高い継手強度と高い耐食性の両立を効果的に実現し得るための異種金属接合体の製造方法を特定するに至った。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜異種金属接合体の構造＞
図１は、チタン系材料１０と鉄系材料２０を摩擦撹拌接合により接合している状態を示す図である。本実施形態におけるチタン系材料１０と鉄系材料２０との異種金属接合体１００は、チタン系材料１０と鉄系材料２０とが樹脂系のシーリング材３０を介して重ねられており、捨て板５０によりこれらの材料が固定されている。このような状態において、ツール４０を用いた摩擦撹拌接合により、チタン系材料１０と鉄系材料２０が接合される。なお、図１に示す各寸法値は、後述する実施例で用いた溶接継手における各部材の寸法を示している。

図１に示すように、チタン系材料１０と鉄系材料２０との間に介在するシーリング材３０は、チタン系材料１０と鉄系材料２０との接合部６０の周縁を取り囲むように配置されている。また、接合部６０の周縁からチタン系材料１０と鉄系材料２０との重ね合わせ領域の端部に至るまでシーリング材３０が介在している。

ところで、異種金属同士を接触させた場合には、異種金属接触腐食（ガルバニック腐食）が発生するケースが多いことが知られている。異種金属接触腐食は、腐食電位が卑な金属がアノード、貴な金属がカソードとなって電池を構成し、卑な金属の方の腐食が促進される現象である。例えば、チタン系材料１０と鉄系材料２０とを接触させた場合には、腐食電位がチタン系材料１０よりも卑な鉄系材料２０の腐食が促進される。その場合の腐食速度は、鉄系材料２０を単独で使用する場合よりも極めて大きく、早期に穴あきなどの損傷を引き起こすおそれがある。

しかしながら、本実施形態においては、接合部６０の周縁を取り囲みつつ、異種金属材料の重ね合わせ領域の端部に至るまでシーリング材３０が介在することにより、チタン系材料１０と鉄系材料２０の重ね端部にて腐食が停留し、重ね合わせ面の隙間への腐食の進行が抑制され得る。

チタン系材料１０と鉄系材料２０の重ね面の隙間はシーリング材３０で充填される一方、チタン系材料１０と鉄系材料２０との接合部６０においては、摩擦撹拌接合におけるツール４０による回転および加圧の作用に基づき、接合予定部位（接合部）に存在するシーリング材３０の少なくとも一部が接合部６０の周縁に排出される。シーリング材３０が接合部６０の周縁に排出されることにより、チタン系材料１０と鉄系材料２０とが直接接合され、接合部の機械的特性、すなわち接合継手強度が十分に確保され得る。

＜異種金属接合体の製造方法＞
本実施形態における異種金属接合体１００は、以下の手順で製造される。まず、チタン系材料１０と鉄系材料２０の少なくとも一方の面に対し、チタン系材料１０と鉄系材料２０との重ね合わせ領域における少なくともチタン系材料１０と鉄系材料２０との接合部６０を含む領域に、絶縁性を有する樹脂系のシーリング材３０を塗布する。

シーリング材３０の塗布は、チタン系材料１０の表面のみ、鉄系材料２０の表面のみ、またはチタン系材料１０および鉄系材料２０の両面のいずれであっても良い。また、シーリング材３０は、後記する接合する工程において、シーリング材３０が接合部６０の周縁から重ね合わせ領域の端部に至るまで介在するものであれば、接合部６０を含む一部の領域に塗布しても構わない。しかし、耐食性をより確実に得るためには、シーリング材３０を重ね合わせ領域全体に塗布することが好ましい。

次に、塗布されたシーリング材３０がチタン系材料１０と鉄系材料２０との間に介在するように、チタン系材料１０と鉄系材料２０とを重ね合わせる。

そして、重ね合わされた異種金属接合体１００に対し、塗布されたシーリング材３０が好ましくは硬化する前に、ツール４０を用いて摩擦撹拌接合を行う。この際、接合部６０に存在するシーリング材３０の少なくとも一部は、ツールの回転力および加圧力の影響により接合部６０の周縁に排出されることが、耐食性および継手強度向上の観点より好ましい。接合部６０の周縁に排出されたシーリング材３０は、接合部６０の周縁に残存して、接合部６０を取り囲むような状態で硬化する。また、排出されたシーリング材３０は接合部６０周縁から重ね合わせ領域の端部に至るまで連続して介在している。

接合部に塗布されたシーリング材３０が、摩擦撹拌接合により接合部６０の周縁に排出されやすくするためには、接合部及びその周縁部のシーリング材３０が完全に硬化する前に摩擦撹拌接合を行うことが好ましい。なお、「完全に硬化する前」は、ツール４０の回転および加圧の際に、流動性を確保できるものであればシーリング材３０の一部が硬化したもの（例えば、シーリング材３０の表面のみが一部硬化したもの等）も含む趣旨である。

シーリング材３０が完全に硬化するまでの時間は、使用するシーリング材３０の種類や気温等により適宜選択されるものであるが、例えば、２時間以内であることが好ましい。

また、接合部６０は、摩擦撹拌接合により接合部６０に存在していたシーリング材３０の少なくとも一部が排出されることで、チタン系材料１０と鉄系材料２０とが直接接合され得る。なお、チタン系材料１０と鉄系材料２０とが直接接合される場合、接合部６０の少なくとも一部が直接接合されるものであれば良いが、接合部６０の機械的特性をより高める観点からは、接合部６０の全体が直接接合されている方が好ましい。

＜異種金属接合体およびその製造方法の各構成要素＞
本実施形態における異種金属接合体の製造方法で用いる樹脂系のシーリング材３０は、チタン系材料１０と鉄系材料２０との異種金属接触による腐食を防止し得るもの、すなわち絶縁性を確保できるものが求められる。また、摩擦撹拌接合時の温度に耐えうる程度の耐熱性（例えば、シーリング材３０の融点が摩擦撹拌接合時に生じる温度以上）を確保できることも求められる。上記の絶縁性および耐熱性を確保できるものであれば、特に種類は限定されない。上記性能を満足し得るものとして、例えば、一液性室温硬化型シリコーン接着剤（ＲＴＶ（Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｎｇ）型シリコーン接着剤）が例示される。また、一液性室温硬化型シリコーン接着剤以外に、一液性熱硬化型エポキシ樹脂系接着剤や二液性室温硬化型エポキシ樹脂系接着剤などを用いるのでも構わない。

シーリング材３０の塗布厚さの下限としては、後述する実施例で示すように、０．２５ｍｍ超えであることが好ましく、０．５ｍｍ以上であることがより好ましい。また、シーリング材３０の塗布厚さの上限としては、後述する実施例で示すように、１．００ｍｍ未満であることが好ましく、０．７５ｍｍ以下であることがより好ましい。シーリング材３０の塗布厚さが０．２５ｍｍ超えであると、チタン系材料１０と鉄系材料２０が重ね合わされた隙間（板隙）にシーリング材３０が十分に充填されるため好ましい。一方、シーリング材３０の塗布厚さが１．００ｍｍ未満である場合、上記隙間へのシーリング材３０の過剰な充填を抑制できるため好ましい。

また、シーリング材３０が硬化した後、すなわち異種金属接合体１００が完成した後の、上記重ね合わせ領域の端部付近におけるシーリング材３０の厚さは、基本的にはシーリング材３０の塗布厚さと変わらない。ただし、摩擦撹拌接合の際、塗布されたシーリング材３０が、チタン系材料１０と鉄系材料２０との重ね合わせ面から排出される場合やシーリング材３０の硬化により膨張する場合もあり得るため、上記重ね合わせ領域の端部付近における硬化した後のシーリング材３０の厚さに対して±５０％以内の厚さを、塗布時のシーリング材の厚さと推定する。

本実施形態における異種金属接合体１００に用いられるチタン系材料１０は、純チタン材料あるいはチタン合金材料であることを示す。これら材料の材質については特に制限されない。例えば、純チタン材料としては、ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２）のＪＩＳ２種（ＴＰ３４０）が好適なものとして挙げられるが、海洋構造物として適用可能なものであれば、それ以外の純チタン材料（ＪＩＳ１種、ＪＩＳ３種、ＪＩＳ４種）であっても構わない。同様に、チタン合金材料も、例えばＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２）のＪＩＳ１１種、ＪＩＳ１２種、ＪＩＳ１４種が好適なものとして挙げられるが、海洋構造物として適用可能なものであれば、それ以外のチタン合金材料であっても構わない。

なお、チタン系材料１０の板厚の上限は１．５ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。チタン系材料１０の板厚が１．５ｍｍ以下であると、経済性（コストのかかるチタン系材料１０の使用量を必要最低限とすること）の観点により好ましい。

また、本実施形態における異種金属接合体１００に用いられる鉄系材料２０は、鋼材、鉄基合金など鉄を主成分とする材料であれば特に限定されない。例えば、ＪＩＳ Ｇ ３１０１（２０１５） ＳＳ４００が好適なものとして挙げられるが、海洋構造物として適用可能なものであれば、それ以外の鉄系材料であっても良い。

なお、鉄系材料２０の板厚の下限としては１０ｍｍ以上であることが好ましい。鉄系材料２０の板厚が１０ｍｍ以上であると、異種金属接合体１００の強度確保の観点により好ましい。

続いて、本実施形態における異種金属接合体１００の製造方法で適用される摩擦撹拌接合の各種条件については、本発明の目的を達成し得るものであれば特に制限されないが、摩擦撹拌接合におけるツール回転数は、後述する実施例で示すように、１５０ｒｐｍ未満であることが好ましく、１００ｒｐｍ以下であることがより好ましい。ツール回転数が１５０ｒｐｍ未満であれば、接合欠陥の抑制の観点により好ましい。

また、摩擦撹拌接合における接合速度は、１００ｍｍ／ｍｉｎ未満であることが好ましく、５０ｍｍ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。接合速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ未満であると、接合欠陥の抑制の観点により好ましい。

なお、ツール４０の材質については、本発明の目的を達成し得るものであれば特に制限されないが、チタン系材料１０との反応抑制の観点からはＣｏ系材料からなるツール４０を用いることが好ましい。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（摩擦撹拌接合の適正条件についての探索試験）
まず、チタン系材料として表１に示す化学成分（供試材）の純チタン板（ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２） ＴＰ３４０Ｃ：ＪＩＳ２種）を準備した。また、鉄系材料として表２に示す化学成分（供試材）の構造用鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３１０１（２０１５） ＳＳ４００）を準備した。なお、純チタン板の板厚は１．５ｍｍ、構造用鋼板の板厚は１０．０ｍｍとした。更に、純チタン板と構造用鋼板の間に介在させるシーリング材として、高い耐熱性を有する一液性室温硬化型（ＲＴＶ）シリコーン系シーリング材（商品名：ＴｈｒｅｅＢｏｎｄ１２０９、スリーボンド社製）を準備した。

次に、上記構造用鋼板における上記純チタン板との重ね合わせ面全体にＲＴＶシーリング材を塗布し（塗布厚さ：０．７５ｍｍ）、シーリング材が構造用鋼板と純チタン板の間に介在するように、構造用鋼板と純チタン板を重ね合わせた。

続いて、シーリング材が完全に硬化する前（シーリング材を塗布してから３０分以内）に、構造用鋼板と純チタン板との重ね合わせ面の一部の領域に対して摩擦撹拌接合を行った。摩擦撹拌接合は、Ｃｏ系の摩擦撹拌接合用ツールを用い、ツール前進角３ｄｅｇとした。また、純チタン板と構造用鋼板との接合面は、グラインダにより黒皮を除去することにより行った。

なお、本試験用の継手形状は、図１に示すような重ね継手とした。前述したように、図１に示す各寸法値は、実施例で用いられた溶接継手における各部材の寸法を示している。

純チタン板と構造用鋼板を接合した後、図２に示す引張試験片の採取要領に基づき、接合線横断方向における短冊状の引張試験片の採取を行った（図２に示す各数値の単位：ｍｍ）。具体的には、接合方向から見てほぼ中央部に位置する、幅３０ｍｍの３つの引張試験片を採取した。採取した各引張試験片につき、万能引張試験機（株式会社島津製作所製、商品名「オートグラフ２５０ｋＮ引張試験片(ＡＧ−２５ＴＤ−Ｒ竪型)」）を用いて引張試験を行い、接合継手の健全性を判断した。接合部の機械的性能（接合継手強度）の良否判断基準としては、上記引張試験において、純チタン板での母材破断を「良」とし、摩擦撹拌接合における撹拌部（接合部）での界面破断を「不良」とした（図３参照）。また、３つの引張試験片の全てにおいて、上記「良」であったものを総合判定として合格（○）とし、３つの引張試験片のうち１つでも上記「不良」であったものを総合判定として不合格（×）とした。

また、図２に示す引張試験片の採取要領に基づき、摩擦撹拌接合部位のスタート側（図２の左側）、センター側（図２の中央部）およびエンド側（図２の右側）の３箇所について、接合部断面のマクロ観察調査を実施した。具体的には、断面マクロ組織を５〜４０倍に拡大し、欠陥の有無を確認し、以下の外観判断基準により良否を判定した。外観判断の良否判断基準としては、摩擦撹拌接合における撹拌部（接合部）に開口する欠陥を有さないものを「良」とし、撹拌部に開口する欠陥を有するものを「不良」とした（図４参照）。また、３箇所の全てにおいて、上記「良」であったものを総合判定として合格（○）とし、３箇所のうち１つでも上記「不良」であったものを総合判定として不合格（×）とした。

表３に、摩擦撹拌接合の適正条件の探索試験で使用した各種試験条件を一覧で示す。本試験においては、表４に示すように、走行時のツール回転数を１００ｒｐｍ、１５０ｒｐｍ、２００ｒｐｍと３段階で変化させ、また、接合速度を５０ｍｍ／ｍｉｎ、１００ｍｍ／ｍｉｎの２段階で変化させた。

表４の結果に示すように、ツール回転数を１５０ｒｐｍまたは２００ｒｐｍとし、かつ、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとしたＮｏ．１またはＮｏ．２は、引張試験結果においては純チタン板での母材破断となったものの、接合部の外観判断結果において撹拌部に開口する欠陥を有していた。一方、ツール回転数を１００ｒｐｍとし、かつ、接合速度を５０ｍｍ／ｍｉｎとしたＮｏ．３は、引張試験結果においては純チタン板での母材破断となり、かつ、接合部の外観判断結果において撹拌部に開口する欠陥を有さなかった。

以上より、本実施例における摩擦撹拌接合の適正条件としては、ツール回転数が１５０ｒｐｍ未満、かつ、接合速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ未満であることが好適であると判断した。また、後記する「シーリング材の塗布条件についての探索試験」における摩擦撹拌接合の接合条件として、本実施例におけるＮｏ．３の接合条件を採用することとした。

（シーリング材の塗布条件についての探索試験）
シーリング材の塗布条件、すなわちシーリング材の塗布厚さの適正条件を探索するための試験を行った。図５に示すように、上記構造用鋼板上に上記シーリング材をへらを用いて塗布するに際し、シーリング材の塗布量は０．２５ｍｍ、０．５０ｍｍ、０．７５ｍｍおよび１．００ｍｍの４水準とした（表５を参照）。

続いて、シーリング材が構造用鋼板と純チタン板の間に介在するように、純チタン板を構造用鋼板に重ね合わせ、シーリング材が硬化する前（シーリング材を塗布してから３０分以内）に、構造用鋼板と純チタン板との重ね合わせ面の一部の領域に対し摩擦撹拌接合を行った。摩擦撹拌接合の条件は、上記４水準のすべてにおいて上記Ｎｏ．３の接合条件を採用した。なお、本試験用の継手形状も、「摩擦撹拌接合の適正条件についての探索試験」と同様、図１に示すものとした。

本試験においても、引張試験の採取を行い接合継手の健全性を判断した。試験片の採取方法や接合継手の健全性の判断基準は、上記「摩擦撹拌接合の適正条件についての探索試験」と同様である。

また、本試験では、接合部断面のマクロ観察調査として、構造用鋼板と純チタン板との重ね合わせ領域におけるシーリング材の充填状況を確認した。シーリング材の充填状況の合否判断基準は、上記重ね合わせ領域の全てにおいてシーリング材が充填されているものを合格（○）とし、一部にでも隙間が発生しているものを不合格（×）とした。

更に、摩擦撹拌接合後におけるシーリング材の劣化状況を目視により確認した。シーリング材の劣化状況の合否判断基準は、摩擦撹拌熱によってシーリング材が粉状になっていないものを合格（○）とし、シーリング材の少なくとも一部が粉状になっているものを不合格（×）とした。

表５の結果に示すように、シーリング材の塗布量を０．２５ｍｍとしたＮｏ．４は、引張試験結果において撹拌部（接合部）での界面破断となり、シーリング材充填状況において隙間が発生していることが確認された。また、シーリング材の塗布量を１．００ｍｍとしたＮｏ．７は、シーリング材充填状況において隙間の発生は見られなかったものの、引張試験結果において撹拌部（接合部）での界面破断が確認された。

一方、シーリング材の塗布量が０．５０ｍｍのＮｏ．５およびシーリング材の塗布量が０．７５ｍｍのＮｏ．６は、引張試験およびシーリング材充填状況のいずれにおいても良好な結果が得られた。なお、シーリング材の劣化状況については、上記４水準のいずれもが粉状になっておらず良好な結果であった。

以上より、本実施例におけるシーリング材の塗布厚さの適正条件としては、０．２５ｍｍ超え１．００ｍｍ未満が好適であると判断した。

なお、良好な結果が得られた上記Ｎｏ．６の継手断面における接合界面近傍を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）のＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析により確認した結果、図６に示すように、純チタン板と構造用鋼板（炭素鋼）との間には脆弱な金属間化合物の生成も見られず、またシーリング材も混入していないことが確認された。

（塩水噴霧試験による耐食性の評価）
上記Ｎｏ．６の接合継手について、耐食性の評価として塩水噴霧試験を行った。評価試験方法としては、一般的な塩水噴霧試験であるＪＩＳ Ｚ ２３７１：２０００準拠の２４０ｈ噴霧条件とした。なお、評価の比較対象として、Ｎｏ．６の接合継手に対してシーリング材を介さないものを準備した。図７に、純チタン板と構造用鋼板の重ね部への塩水噴霧状況の模式図を示す。

評価部位は、純チタン板と構造用鋼板の重ね合わせ部と、摩擦撹拌接合による接合表面部とし、その他の試験片表面はテーピングを行うことで塩水噴霧試験の対象から除外した。なお、表６に塩水噴霧試験条件の詳細を示す。

図８の結果に示すように、シーリング材を介さない例においては、純チタン板と構造用鋼板が重ね合わされた隙間に腐食が進行していることが確認された。一方、シーリング材を介するＮｏ．６の例においては、純チタン板と構造用鋼板との重ね合わせ端部で腐食が停留しており、純チタン板と構造用鋼板が重ね合わされた隙間への腐食の進行が抑制されていることが確認された。

１０ チタン系材料
２０ 鉄系材料
３０ シーリング材
４０ ツール
５０ 捨て板
６０ 接合部
１００ 異種金属接合体

Claims (8)

1. チタン系材料と鉄系材料を重ね接合して得られる異種金属接合体の製造方法であって、
   前記チタン系材料と前記鉄系材料の少なくとも一方の面に対し、前記チタン系材料と前記鉄系材料との重ね合わせ領域における少なくとも前記チタン系材料と前記鉄系材料との接合部を含む領域に樹脂系のシーリング材を塗布する工程と、
   前記シーリング材が前記チタン系材料と前記鉄系材料の間に介在するように、前記チタン系材料と前記鉄系材料を重ね合わせる工程と、
   摩擦撹拌接合を用いて前記チタン系材料と前記鉄系材料を接合する工程と、を順に有し、
   前記接合する工程において、前記接合部の周縁から前記重ね合わせ領域の端部に至るまで前記シーリング材が介在することを特徴とする異種金属接合体の製造方法。
2. 前記接合する工程において、前記シーリング材を前記接合部の周縁に排出しながら接合を行う請求項１に記載の異種金属接合体の製造方法。
3. 前記接合する工程において、前記接合部及びその周縁部の前記シーリング材が完全に硬化する前に接合を行う請求項１または２に記載の異種金属接合体の製造方法。
4. 前記接合する工程において、前記チタン系材料と前記鉄系材料とが直接接合している請求項１〜３のいずれか１項に記載の異種金属接合体の製造方法。
5. 前記シーリング材を塗布する工程において、前記シーリング材の塗布厚さが０．２５ｍｍ超え１．００ｍｍ未満である請求項１〜４のいずれか１項に記載の異種金属接合体の製造方法。
6. 前記チタン系材料が板厚１．５ｍｍ以下の板材であり、前記鉄系材料が板厚１０ｍｍ以上の構造用鋼材である請求項１〜５のいずれか１項に記載の異種金属接合体の製造方法。
7. 前記接合する工程において、前記摩擦撹拌接合のツール回転数が１５０ｒｐｍ未満、かつ、接合速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ未満である請求項１〜６のいずれか１項に記載の異種金属接合体の製造方法。
8. チタン系材料と鉄系材料を重ね合わせて接合する異種金属材料の接合方法であって、
   前記チタン系材料と前記鉄系材料の少なくとも一方の面に対し、前記チタン系材料と前記鉄系材料との重ね合わせ領域における少なくとも前記チタン系材料と前記鉄系材料との接合部を含む領域に樹脂系のシーリング材を塗布する工程と、
   前記シーリング材が前記チタン系材料と前記鉄系材料の間に介在するように、前記チタン系材料と前記鉄系材料を重ね合わせる工程と、
   摩擦撹拌接合を用いて前記チタン系材料と前記鉄系材料を接合する工程と、を順に有し、
   前記接合する工程において、前記接合部の周縁から前記重ね合わせ領域の端部に至るまで前記シーリング材が介在することを特徴とする異種金属材料の接合方法。