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接合界面制御学講座

教授
佐藤 裕

“くっつける”という人類5000年の試行錯誤。古今東西“ものづくり”の現場を悩ませてきた「溶接・接合技術」に材料組織学的アプローチ。

 

工業生産活動を支える基盤技術、その基礎的研究を担う。
金属と金属を“くっつける” 方法といえば「はんだ付け」を思い出される方も多いのではないでしょうか。すずと鉛の合金(近年、鉛フリーはんだも登場しています)を用いて母材(接合する材料)をつなぎ合わせるこの技法は、古代ローマで建設された水道管にも使われたという記録が残っています。溶接・接合技術は、すでに紀元前3000年までには登場していたとみられ、出土する青銅器などにその痕跡を見出すことができます。
くっつけることは、工業生産活動の要をなす技術。大型建造物や車両、船舶、航空機の製造過程で使われる以上、安全性と信頼性を担保する高い品質が求められます。しかし、溶接・接合するには、熱や圧力によって溶かしたり混ぜ合わせたり、また必要があれば溶加材(母材と母材の隙間を埋める金属)を使用したりします。すると材料が元々持っていた優れた性質が、多くの場合、低下してしまいます。こうした溶接・接合プロセスにおける材料組織学的な研究を行い、材料性能を維持する方法・技術を探究しているのが粉川研究室。当該分野での世界有数の研究拠点として知られています。

FSWの材料学的研究における世界のトップランナー。
次世代の接合技術として注目され、すでにアルミニウム合金を対象に実用化されているものに摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding;以下FSW)があります。従来の溶接・接合プロセスに比べ、数々の優れた性質を有するFSWは、自動車や新幹線車両、船舶などの製造の現場で導入されており、実は私たちの生活にとても身近な技術です。粉川研究室では材料組織学的なアプローチを通じて、FSWメカニズムや接合後の材料特性の解析、接合部位の高性能化、信頼性向上のためのプロセス改善などの研究を行っています。目下の研究課題は、FSWの実用範囲(鉄、チタン、異種金属)を広げるためのツール材料の開発。産業界からの要請も高まっています。
一方、発電や化学プラントなど過酷な環境で使用される耐熱耐食材料(オーステナイト系ステンレス鋼)の劣化現象の抑制に向けた粒界ナノ工学的制御も特筆すべき試み。粉川研究室がその作製に成功した「対応粒界が高密度に均一分布した粒界制御材料」は、世界最高の対応粒界頻度を誇り、特性を飛躍的に向上させたオーステナイト系材料の登場も視野に入ってきました。
工業製品に不可欠な接合プロセス。その発展を支える粉川研究室の取り組み。私たちの社会・暮らしと豊かな未来をしっかりつないでくれることでしょう。

Projects

母材を溶かさずに接合する摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding;FSW)

期待集める次世代の接合技術。実用化の広がりに向けた材料研究に挑む。

摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding;FSW)のプロセス。突き合わせた接合面に回転した接合ツール(先端のプローブ(ピン))が押し入る過程で摩擦熱が発生してそれが維持される。材料が軟化すると同時に接合面に沿ってツールを動かすと、母材が攪拌され接合される。

材料の優れた特性を損なわずにくっつけるには?

すべての“モノづくり”において欠かせないのが、材料や部材同士を“くっつける”というプロセスです。主に金属同士を接合させる方法に「溶接」があります。紀元前3000年の青銅器の遺物には、すでにその技術の片鱗が見られるそうです。先人が「いかにしてうまくくっつけるか」に英知と情熱を注いできたことは、想像に難くありません。
さて、2つ以上の材料を一体化して連続性を持たせるには、母材(接合したい材料)を熱や圧力によって物理的に溶かしたり混ぜ合わせたりする必要があります。しかしこのプロセスによって、接合部分の材料が元々持っている優れた特性が低下したり失われたりしてしまいます。特に大きな建造物や航空機、船舶、車両などは、溶接部分の品質や性能がそのまま信頼性・安全性に直結します(重大な事故につながらないよう、溶接部位には厳しい検査による品質管理が徹底されています)。母材が持つ金属としての特性を損なわないよう、母材を溶融せずに接合する技術として摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding;以下FSW)があり、すでに実用化されています。FSWの材料学的な研究において世界を牽引してきたのが粉川研究室です。

ツールの材料開発で、もっと“使える”技術に。

1991年、英国の研究機関TWIによって開発されたFSWは、「接合部位のひずみが少ない」「溶加材(母材と母材を埋める金属材料)や接合前の処理が不要」「凝固収縮がない」などの優れたメリットがあります。金属構造材を溶融して溶接するには、かなりの高温(融点以上)が必要とされますが、FSWは低い温度で接合できる、つまり少ないエネルギーで効率的にくっつけることができます。省エネ型エコ接合法といわれるゆえんです。FSWはアルミニウム合金を対象にすでに実用化が進んでおり、その適用範囲は、鉄道車両、自動車、船舶、航空機、橋梁、さらには最大限の技術的信頼性が求められるロケット製造の現場まで広がっています。
FSWの次なるステージは鉄、チタン、異種金属接合への実用化であり、粉川研究室ではそれに向けたツール材料の開発に力を注いでいます。またFSWのプロセス研究から発せられる疑問や解明が待たれる現象に、材料学的見地からの回答を導き出すのも重要なミッション。発信する情報・論文は、常に世界からの注視を集めています。溶接・接合は、あらゆる産業を底支えするキーテクノロジー。粉川研究室では「くっつける」という古くて新しいテーマで、未来としっかり架橋していきます。

Topics

旬の味をいただきます『かつお祭り』
調達から調理まで、すべて自分たちの手で。

目には青葉 山ほととぎす 初鰹(山口素堂)―青葉山キャンパスがみずみずしい木々の緑で縁取られる頃、粉川研では毎年恒例のパーティーが賑々しく開催されます。その名も「かつお祭り」。旬の味を食べよう!と始まったこのイベント、主役のかつおやその他の魚介類は塩釜水産物仲卸市場で買い求めるというこだわりよう。もちろんたたきやお刺身に調理するのも学生さんたち。節おろしもお手のもの、冴えわたる包丁さばき(笑)です。
また、年に数度、突発的に開かれる「粉モン」パーティーももはや粉川研の伝統(コナつながりで)。各イベントの楽しげな様子は、インターネットの学生ページで詳しくご紹介しています。
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