摩擦かくはん接合（FSW）JIS Z 3608 の発注——判定レベル・継手効率・施工要領を決める

FSW を発注するときに使う規格

FSW は英語の Friction Stir Welding の略で、検索では別の意味の語と混ざるが、この記事は工業用の接合方法としての FSW を扱う。JIS Z 3608-1 は FSW を、接合面に沿って移動するツールの回転で発生する摩擦熱と材料の塑性流動によって、固相状態で接合部を形成する接合方法と定義している^[1]。ツールは、被接合材に押し込むプローブと、表面に接するショルダからなり、接合の終わりにはツールを引き抜いた跡に終端穴が残る^[1]。

規格は 2 部構成で、どちらも 2023 年 1 月 20 日に制定され、旧 JIS Z 3608:2016 を分割して置き換えたものである^[1][2]。第 1 部は ISO 25239-1・25239-2、第 2 部は ISO 25239-3・25239-4・25239-5 をもとに、技術的内容を変更して作られている^[1][2]。発注で押さえたい適用範囲は二つある。

第一に、この規格はアルミニウム及びアルミニウム合金の FSW の規格である^[1]。鋼やチタンの FSW の研究・実用例はあるが、それらに JIS Z 3608 を引いても規格の要求は当てはまらない。第二に、摩擦かくはん点接合には適用せず、そちらは JIS Z 3609 規格群が扱う^[1]。線で接合するのか、点で接合するのかで引く規格が違う。

溶接を含む部品の発注全般（方法・資格・検査の指定）は溶接を含む部品の発注で指定することで扱った。この記事は FSW ならではの指定に絞る。

FSW が向く継手、向かない継手

日立製作所の技術者による溶接学会誌の解説（2003 年）は、国内外で FSW が適用された製品（日本では鉄道車両、欧米では航空・船舶）の接合構造が、いずれも直線かつ長尺の単純構造であることを特徴として挙げ、これが FSW の特長を最も発揮できる構造だとしている^[3]。同じ解説は、6061-T5 の板の突合せで、FSW は接合長さが 50 m 以上でもツールが壊れない限り安定に接合できると書く一方、実製品に適用するうえでの課題として次の 5 つを挙げている^[3]。

1. 接合材表面へのツールの安定した接触が必要
解説はこれを最大の課題としている。長尺材や複雑な形の部材では、品質とコストを考えると意外に難しい場合が多い。

2. ツール荷重（反力）が大きい
ツールを押し付ける力が大きいので、接合機と治具にその反力を受ける剛性が要る。

3. 接合材の強固な拘束が必要
部材を動かないように押さえる治具・裏当てが品質を左右する。

4. 許容ギャップが小さい
突合せ面の隙間を小さく管理する必要がある。前工程の切断・加工の精度が効いてくる。

5. すみ肉継手形状の接合が困難
T 字の内側のすみ肉のような継手は、アーク溶接の感覚で FSW に置き換えられない。

発注側にとっての意味は、FSW を指定する前に、継手の形と前工程の精度を見直す必要があるということである。図面がアーク溶接前提で描かれている部品を、そのまま「接合方法：FSW」に変えると、治具が成り立たない、隙間が管理できない、という理由で見積が出ないか、出ても条件付きになる。

材料によっても条件の幅が違う。同じ解説は、6000 系は接合できる条件の範囲が広いが、6000 系以外は狭く、特に 5000 系は高速の接合が難しいとしている。5000 系のように高温での変形抵抗が大きい合金ほどツール荷重と入熱量が増え、ひずみが大きくなることも予測されている^[3]。5000 系の板の選び方はA5056・A5083 の発注とA5052 の発注で扱っている。

規格が「継手に規定せよ」としている事項

JIS Z 3608-2 の 4.2 は、継手に対して必要に応じて規定しなければならない事項として、次を挙げている^[2]。

1. 被接合材の仕様
形態（板・押出材などの区別）、合金、調質、厚さ。

2. 継手の種類又は板組
第 1 部の表 1 には、突合せ（片面・両面）、差厚突合せ、重ね、多層重ね、半重ね、T 継手、角継手、すみ肉継手、円周突合せが例示されている^[1]。

3. 接合前の表面状態（表面処理を含む）

4. 構成部材における接合部位及びツールパス

5. 仕上げに関する要求事項
接合のままか、接合後に仕上げるか。

6. 後熱処理

第 1 部の 4 は、図面上の接合物の寸法は最終寸法でなければならず、収縮による許容差を含んではならないとし、接合の記号は JIS Z 3021 に従い、必要な場合は記号の末尾に「FSW」と補足指示するとしている^[1]。溶接記号の読み方は溶接記号を発注側として読むを参照してほしい。

重ね継手では「どちらを前進側にするか」まで

FSW はツールの回転方向と進行方向が同じ側（前進側）と逆の側（後退側）で、加熱の状態が違う非対称のプロセスである。第 1 部は、前進側は後退側より加熱される傾向があり、重ね接合では前進側と後退側でフック（重ね部に生じる未接合の曲がった面）の形成状態が異なることがあるため、強度や耐破壊特性が両側で異なる可能性があるとし、上板の端部側をどちらにするかを考慮することが重要だとしている^[1]。重ね継手では、ツールの中心線から重なり部の各端までの距離を施工要領書に指定しなければならない^[1]。図面に重ね代だけを書いて、どちら向きに接合するかを仕入先に任せると、試作と量産で向きが変わったときに強度が変わりうる。

接合不完全部の判定レベルは発注側が決める

JIS Z 3608-2 の附属書 A（規定）は、FSW の接合不完全部の種類ごとに、試験方法と、レベル D・C・B の判定基準を表 A.1 に示している。附属書は、これらは基本となるレベルで特定の分野に限った基準ではないとし、同じ製品の中でも継手ごとに異なる判定基準を適用することがあるとしている^[2]。そして目視試験・断面マクロ試験・非破壊試験のそれぞれで、対象とする接合不完全部の判定基準をどのレベルにするかを、設計仕様書又は該当する要求仕様に規定しなければならない（受渡当事者間の協定によってもよい）としている^[2]。表 A.1 から主なものを抜き出す。

出典: JIS Z 3608-2 の表 A.1 から抜粋^[2]。t は被接合材の公称厚さ、s はかくはん部の公称厚さ。「仕様による」は表で「判定基準は設計仕様書又は該当する要求仕様による」とされている欄。2.2 の開口した空洞は、表では D・C・B の 3 欄をまたいで「許容しない」とされている。厚さの異なる板を接合した場合は、判定にどちらの厚さを使うかも仕様で規定しなければならない^[2]。

レベルの選び方について附属書は、設計上の配慮、FSW の次工程、使用時の応力負荷の様式（静的か動的か）、使用条件、破壊に至る状況を考慮し、接合のコストだけでなく試験・検査・補修のコストも考えることが望ましいとしている^[2]。全部の継手にレベル B をかければ安全側だが、試験と補修の費用が上がる。荷重が繰返しかかる継手と、カバーのように荷重を受けない継手で、レベルを分けて指示するのが規格の考え方に沿う。

ルートフローとキッシングボンド

第 1 部はルートフローを、FSW 接合部の裏面部に生じる、深さ方向に形成された接合が不完全な部分と定義している^[1]。先の解説は、突合せ接合部の裏面に生じる「キッシングボンド」を FSW 特有で最も厄介な欠陥とし、ツール先端の周速が理論上ゼロに近く攪拌量が極めて少ないことから起き、接合速度が上がるほど長くなると書いている^[3]。機械切削で除去したかどうかで引張強さを比べると、6061 ではほとんど影響が無かったが、5083 と 2024 では引張強さ、特に伸びの低下が大きかった、とも報告している^[3]。

この欠陥は表面からは見えない。第 2 部は、ルートフローの検出のための超音波探傷試験は JIS Z 3083 を参考にして行うとしている^[2]。5000 系・2000 系の突合せで、裏面に引張がかかる継手なら、ルートフローの判定レベルと検出方法（曲げ試験、浸透探傷、超音波探傷など）を指定し、必要なら裏面の機械仕上げを図面に入れる。非破壊検査の指定全般は非破壊検査を発注で指定するときで扱った。

継手の強さは何と比べるか——O 材の下限と継手効率

JIS Z 3608-2 の 5.2.3.3.4 は、施工法試験の継手引張試験の判定基準を定めている。非熱処理型の合金と純アルミニウムでは、継手引張試験片の引張強さは、JIS などに要求されている被接合材の「O 材」の規格下限値未満であってはならない。表 3 の注では、試験に用いた被接合材の実際の調質（例えば H14）にかかわらず、O 材の値を用いるとしている^[2]。熱処理型の合金では、被接合材の引張強さの規格下限値に継手効率をかけた値以上でなければならない^[2]。

出典: JIS Z 3608-2 の表 3 から作成^[2]。時効処理の条件は設計仕様書又は要求仕様に従う。接合後に最高強度を得る熱処理をした場合は、この値で計算するより高い引張特性が得られ、その最小規定値は設計仕様書又は要求仕様に従う、という注がある。

具体的な数字に当てはめる。A5052P-O の引張強さの下限は、JIS H 4000 の表 3 で 170 N/mm²（厚さ 0.2〜75 mm）である^[4]。A5052P-H32 の板を FSW で突き合わせた場合も、継手引張試験の判定に使うのはこの O 材の値で、継手効率 1.0 をかけて 170 N/mm² 以上なら合格になる^[2]。H32 の板の下限（同じ表で 215 N/mm²、厚さ 0.2〜12 mm^[4]）は継手には保証されない。熱処理型の A6061P-T6 では、薄板の区分の引張強さの下限 295 N/mm²^[4] に、接合深さ 5 mm 以下・人工時効の継手効率 0.8 をかけて 236 N/mm²、自然時効なら 0.7 をかけて約 207 N/mm² が継手の最小規定値になる^[2]。

つまり、母材の調質で強さを出した部材の強度計算を、そのまま FSW の継手に当てはめることはできない。設計の強度計算が継手部をどの値で見ているかを、発注前に確かめる。合金と質別の関係はアルミは合金番号と質別で指定する、6061 についてはA6061 の発注で扱った。

7000 系では「時効と接合の順番」に注意

先の解説は、航空機用 7000 系アルミニウム合金で、時効処理の後に FSW した場合と、FSW の後に時効処理した場合を比べ、FSW 後に時効処理した方が応力腐食割れに対して良好な特性を示した一方、時効処理後に FSW すると析出相が再固溶して溶体化状態になり、攪拌部で応力腐食割れが生じることが報告されている、と書いている^[3]。T6 の材料を買って FSW し、そのまま使う工程は、7000 系では避けたい組み合わせである。7000 系で FSW を使うなら、接合後の熱処理を工程に入れるかどうかを、設計と仕入先で先に決めておく。後熱処理を行う場合、第 2 部は製造業者がその仕様と実施に全面的に責任を負い、記録を取ることを求めている^[2]。

施工要領の適格性確認：量産前に何を出させるか

第 2 部の 5 は、製造業者が量産接合の前に、適格性確認前の施工要領書（pWPS）を作り、施工試験を行って結果を施工法適格性確認記録（WPQR）に記録し、評価員又は評価機関の検査に合格したら施工要領書（WPS）とする手順を定めている^[2]。試験材の接合には評価員又は評価機関が立ち会わなければならない^[2]。

板の突合せ継手の試験では、表 1 により、目視試験（接合部全て）、断面マクロ試験（1 個）、継手引張試験（2 本）、継手の曲げ試験（裏曲げ 2 本と表曲げ 2 本）を行い、破断試験・浸透探傷・放射線透過・超音波探傷などは必要に応じて付加する^[2]。曲げ試験は全ての試験片で曲げ角度 180° とし、曲げた後に 3.0 mm を超える単一の割れがあってはならず、3.0 mm 以下の割れが複数あるときは合計が 7.0 mm を超えてはならない^[2]。

発注側が仕入先に求めるものは、この結果として作られる書類である。

1. 適用する WPS と、その根拠の WPQR
合金・調質・厚さ・継手の形が、自社の部品と一致しているか。

2. FSW セッターの技量適格性の記録
規格は、接合装置を設定・調整する FSW セッターに技量適格性確認を求め、装置の負荷・除荷など結果に影響しない操作だけを行う FSW オペレータには求めていない^[1][2]。

3. 装置の再現性試験と保守の記録
装置を新設・修理・移設したときは、WPS に従って少なくとも三つの接合継手を作り、いずれも健全であることを確認して記録する^[2]。

4. ツールの識別と検査の手順
生産に用いるツールには識別番号を消えないように印字又は刻印し、摩耗するので適切な間隔で検査しなければならない^[2]。

適格性は「その会社のその型の機械」に限られる

第 2 部の 5.2.4.2 は、製造業者が行った適格性確認試験は、同一の技術管理及び品質管理下にある作業場に設置された同じ型の接合機械による接合に対してだけ有効だとしている^[2]。仕入先が別の工場や別の型式の機械に生産を移す、別の会社に接合だけ外注する、といった変更は、WPS の適格性の前提を崩す。量産開始後の変更連絡の対象に、接合機械の型式と設置場所を入れておく（当方の提案）。量産承認で何を出させるかは量産前に仕入先に何を出させるかで扱った。

接合後の仕上げと補修

第 2 部は、接合部の端部に沿うばりや、接合部の陥没による底部の突出しは、被接合材の特性を損なわない方法で除去してよいとし、その処置は接合部と被接合材の厚さが許容範囲にとどまるように行わなければならず、実施の可否と詳細は必要な場合は受渡当事者間の協定による、としている^[2]。ばりを削ると板厚が減る。減肉（アンダーフィル）の許容値は表 A.1 にあるので、ばり取り後の板厚をどこで測るかを決めておく。

接合不完全部の補修に溶接・接合が伴う場合は WPS に従って行い、協定によって WPS と異なる方法を用いてもよいが、補修はこの規格の要求事項に完全に適合した接合部をもたらすものでなければならない^[2]。補修を FSW で行うのか、アーク溶接で行うのかで、継手の性質は変わる。補修してよいか、補修したら連絡するかを発注時に決める。

終端穴にも扱いが要る。第 1 部は、可動プローブをもつツールなら始端部のばりと終端穴を過度に生成せずに接合できるとしており^[1]、第 2 部は pWPS に終端穴の位置や、始端・終端のタブ板の材質と設置方法を書くことを求めている^[2]。製品の中に穴が残ってよいのか、タブ板の上で終わらせて切り落とすのかは、図面か仕様書で決める。

注文書・仕様書の書き方の例

書き方に決まった様式があるわけではない。発注側として書いておきたい内容を一つの例にまとめる。

「接合方法：摩擦かくはん接合（JIS Z 3608-1・JIS Z 3608-2 による）。被接合材：A6061P-T6、板厚 4 mm、突合せ片面接合、接合部位とツールパスは添付図による。接合後は人工時効（条件は別紙）。継手の判定レベル：目視・断面マクロ・非破壊とも表 A.1 のレベル C、ただし図示の継手 A はレベル B。終端穴は製品外のタブ板上とし切除する。WPS・WPQR・FSW セッターの技量適格性の記録を初回納入前に提出すること。接合機械の型式・設置場所・ツール形状の変更は事前承認を要する。」

よくある質問

FSW の継手は母材と同じ強さだと考えてよいですか

非熱処理型の合金では、規格の判定基準は母材の調質にかかわらず O 材の引張強さの規格下限値で、熱処理型の合金では母材の下限値に 0.6〜0.8 の継手効率をかけた値である^[2]。H32 や T6 の母材の強さを継手にそのまま見込むことはできない。

鉄やステンレスの部品にも JIS Z 3608 を指定できますか

JIS Z 3608 はアルミニウム及びアルミニウム合金の FSW の規格である^[1]。他の金属の FSW では、この規格の判定基準や継手効率は当てはまらないので、試験と判定の基準を別に協定で決める。

判定レベルを書かずに「JIS Z 3608-2 による」とだけ書いたら

規格は、判定基準をレベル D・C・B のどれにするかを設計仕様書又は要求仕様に規定しなければならないとしている^[2]。書かなければ、仕入先が選んだレベルで判定されるか、合否が決まらない。継手ごとにレベルを書く。

まとめ

アルミの FSW は JIS Z 3608-1・Z 3608-2 で指定し、点接合は別の規格である。継手の基本事項（材料の形態・合金・調質・厚さ、継手の種類、表面状態、接合部位とツールパス、仕上げ、後熱処理）を規定し、接合不完全部の判定レベルを継手ごとに D・C・B から選んで書く。継手の引張強さは、非熱処理型では O 材の下限、熱処理型では母材の下限に継手効率をかけた値で判定されるので、強度計算と突き合わせる。7000 系は時効後に FSW すると攪拌部で応力腐食割れの報告があり、工程の順番を決めておく。量産前に WPS・WPQR と技量の記録を出させ、適格性は同じ型の機械にだけ有効なので、機械と場所の変更を連絡の対象にする。

同じ束では、硬質アルマイト、シルク印刷・パッド印刷、ロストワックス（精密鋳造）、砂型鋳造の発注も扱う。

出典・参考資料

1. JIS Z 3608-1:2023 摩擦かくはん接合－アルミニウム－第 1 部：用語及び接合継手の設計（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2023 年 1 月 20 日制定）
2. JIS Z 3608-2:2023 摩擦かくはん接合－アルミニウム－第 2 部：品質要求事項，接合施工要領及び接合要員（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2023 年 1 月 20 日制定）
3. 岡村久宣・青田欣也・高井英夫・江角昌邦「摩擦攪拌接合（FSW）の開発状況と適用上の課題」溶接学会誌 72 巻 5 号（溶接学会／2003 年）
4. JIS H 4000:2022 アルミニウム及びアルミニウム合金の板及び条（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2022 年 4 月 20 日改正）

WHITE PAPER

この記事の理解を深める
無料ホワイトペーパーをプレゼント

製造業の現場で使える実務資料（PDF）を無料でお届けします。"こんな資料が届きます" ↓ 下のボタンからどうぞ。

🔒 全文は無料ダウンロードで