第２回次世代自動車公開シンポジウム「超軽量化技術の深化をめざして」

住友軽金属工業株式会社 熊谷正樹

Sumitomo Light Metal Ind., LTD. Masaki KUMAGAI

出典：日本アルミニウム協会統計

自動車 1130千ﾄﾝ34.8%

出典：日本アルミニウム協会統計

自動車におけるアルミ使用量の拡大

61

96

119

0

50

100

150

1990 2000 2010

75

117

144

1990 2000 2010

51

89

122

1990 2000 2010

Ｋｇ/台 日 本 北 米 欧 州

出典 ： ＤＵＣＫＥＲ社（2002年調査）

0

50

100

150

200

250

300

1990 1995 2000 2005 2010 2015

only hoods, motor/ chassisand interiorfrom aluminium

advanced usein BiW

kg

A4 190 kg

A2 258 kg

A8 546 kg

Automotive Aluminium Recycling published by European Aluminium Associacion

乗用車１台あたりのアルミニウムの使用量（EU）

A6 170kg

アルミ使用量（台当たり）

温暖化ガス削減(CO2)安全装置搭載電子機器搭載

自動車質量増大要因

安全基準強化(衝突安全性)

排ガス規制(SOx、NOx、PM)操縦安定性向上(快適性の追求)

燃費改善急務

車体構造改善のひとつとして「軽量化」が必要

ＣＯ２排出量規制強化

「わが国の乗用車の10・15モード走行時ＣＯ２排出量」

出典:『国土交通省自動車燃費一覧（平成21年3月版）』

ガソリンハイブリッドの実績

EU規制

2015年までに販売する新型車の平均ＣＯ２

排出量を130g/km※にする

※130g/kmは18.2km/ℓに相当

米国規制

2016年までに燃費を全車種平均で4割以上の向上を義務付け

●現行25mile/gal ⇒ 35.5mile/gal【目標燃費】

一般乗用車 ： 39mile/gal(17km/ℓ)SUV、ミニバン： 30mile/gal(13km/ℓ)

日本

2015年度の乗用車の燃費を平均で16.8km/ℓに義務付け

出典「2009年版ものづくり白書」

アルミ化のポイント１）運動性能の向上

車の運動性能を飛躍的に向上する一つの手段として、オールアルミボデーが採用されている。オールアルミボデーは、コストアップを吸収できる最高級車のAudi A8、Jaguar XJ やスポーツ車のBMW Z8、Ferrari 360、Aston Martin Vanquish 等から採用が始まった。

車重がアルミ車体で大幅に軽量化できるとエンジンやトランスミッション等も小型化でき、２次的な軽量化も相乗効果として期待できる。

Jaguar XJ（接着とリベットで接合） Aston Martin Vanquish

バックドアフード

新型プリウス外板への採用部位

熱交換器54％

その他46％

【自動車用板材】

熱交換器66％

その他34％

【自動車用押出材】

自動車用アルミ材の出荷量比率

（H21年度当社実績）

熱交換器54％

その他46％

【自動車用板材】

熱交換器66％

その他34％

【自動車用押出材】

自動車用アルミ材の出荷量比率

（H21年度当社実績）

アルミ溶接サブフレームの例（日産スカイライン）

アルミニウム車体へのレーザ溶接適用

半導体ﾚｰｻﾞ溶接

Ａｕｄｉ Ａ２スペースフレームAudi A6 ドア

ハイブリッドスペースフレーム（2006 アウディTTクーペ）

押出材や鋳物を使って部品点数削減

カラー：アルミシルバー：鋼

アルミ化のポイント２）車フロント部、リア部の軽量化

車の慣性モーメント軽減のために車の前後の重量の軽減が効果的である。前後重量バランスを考慮すると、必然的に重くなるフロント部の軽量化が操安性に寄与する。従って、フード、フェンダー、バンパーR/F、クラッシュボックス等のアルミ化が促進されている。最たるものはBMW5のフロント部である。

アルミニウム

BMW5シリーズの

アルミ化されたエンジンコンパートメントベンツEクラスのアルミ化部品

アルミニウムと鉄の接合 BMW 5 series

アルミ板とＧＡ鋼板のＭＩＧ溶接

汎用性の高いＭＩＧ溶接の適用を検討

ＧＡ（合金化溶亜鉛めっき鋼板）とアルミ合金板のアーク溶接は前例無し

異種金属（Al/Fe）ＦＳＷ点接合

回転工具形状

・ショルダー径：φ13mm

・プローブ径 ：φ4.5mm

長さ ：0.8mm

Al(1.0t)

Fe(0.7t)

上板位置

ショルダー位置

差込み深さ（定義）

回転工具形状

・ショルダー径：φ13mm

・プローブ径 ：φ4.5mm

長さ ：0.8mm

Al(1.0t)

Fe(0.7t)

上板位置

ショルダー位置

差込み深さ（定義）

Al(1.0t)

Fe(0.7t)

Al(1.0t)

Fe(0.7t)

上板位置

ショルダー位置

差込み深さ（定義）

Ａｌ

Ｆｅ

Interface

2nm

Ａｌ

Ｆｅ

0.201nm

0.202nm2nm2nm

Ａｌ

Ｆｅ

0.201nm

0.202nm

界面には脆い金属間化合物はできずナノオーダーの厚さの金属ガラスの「のり」が形成

６月検討会資料 ２００５．６．２２研究開発センター第一部　熊谷正樹

ＦＳＷ点接合技術を利用した研究開発戦略

トピックス：　マツダのＡｌ／ＦｅのＦＳＷ点接合技術開発の記事（６月２日）より

Ａｌ／ＦｅのＦＳＷ点接合の実用化

マツダ殿 ロードスター トランクリッド

→リベット不要で大幅なランニングコスト削減が可能（今後増えることが予想される）

アルミニウム車体への接着技術適用

Range Rover Evoque（Alフード10kg／Alルーフ7kg 軽量化） Al Roof

（接着＋セルフピアシングリベット）

アルミ・樹脂 異種材料接合例

アルミと樹脂のハイブリッド車載用電池ケース（アルミ箔に樹脂を射出成形）

アルミと樹脂のＦＳＷ点接合

アルミ化のポイント３）衝突エネルギー吸収性向上

形材は断面形状の自由度が高いため、有効な衝突エネルギー吸収設計ができる。

クラッシュボックス（ベンツＳ）

バンパーＲ／Ｆ

（ＧＭセビル他）

ドアインパクトビーム（Ｌｕｐｏ－3Ｌ)

バンパーレインフォースメント及びクラッシュボックスの例

ルーフレール / サイドメンバー（アウディA8、2010）

http://golf4.blog65.fc2.com/blog-entry-222.html

アルミ化のポイント４）新しい成形技術：超塑性成形

アルミをボデー外板に適用する際に鋼板を超える意匠性を得る方法として超塑性成形技術が開発されている。オールアルミボデーが採用されている。アルミ板を加熱し、金型にガス圧で押し付けて成形するため、金型は片側だけで済む。Honda S2000のルーフやLegendのトランクリッドやフェンダーなどの少量多品種のプレス部品に適用されている。

Honda Legend

重ねブロー試作例（ｱｳﾀ/ｲﾝﾅ一体成形）

Ａ´

Ｂ Ｂ´

重ねFSW材のブロー成形による一体化成形技術

Ａ Ａ´Ａ Ａ´

重ねＦＳＷ材 外観

ブロー面 Ａ-Ａ´断面金型面

重ね材 ブロー面 Ｂ-Ｂ´断面金型面

外観

両側凸

Ｂ Ｂ´ Ｂ Ｂ´

アルミ化のポイント５）新しい接合技術：ＦＳＷ

アルミをボデー外板に適用する際に、鋼板で通常使われる抵抗スポット溶接よりも圧倒的にコストの安い摩擦攪拌点接合（Friction Stir Spot Welding）が開発されている。鋼製の

回転ツールを重ねたアルミ板に差し込んで抜くだけで、継手強度の高い点接合が可能である。Mazda RX-8をはじめ、Toyota Priusなどに多用されている。

FSWｽﾎﾟｯﾄ

ﾃｰﾗｰﾄﾞﾌﾞﾗﾝｸ

Mazda RX-8 Audi R8

ＦＳＷ点接合 (Friction Stir Spot Welding)

自動車ボデーへのＦＳＷ点接合の適用- マツダ殿記事より -

RX-8リアドアのＦＳＷ点接合

新ＦＳＷ点接合●穴もバリも残らない ●板厚が変わってもＯＫ

複動式ＦＳＷ点接合ロボット国際ロボット展より

アルミＦＳＷテーラードブランク

継手品質の安定するＦＳＷで接合

アルミニウム化の課題および解決方法

ﾊﾟﾈﾙ点数の削減鋼板よりもコスト高い テーラードブランク化

プレス前 プレス後

板厚や材質の違う素材を接合してからプレス成形

5182-O-0.8/1.4mmtﾄﾞｱｲﾝﾅｰ

6000系合金＋HAZ改善法

改善前

改善後

ＨＡＺ（熱影響部）

母材

●バルジ試験結果（SG112）

・成形高さが等厚で約５０％アップ

●トータルコストダウン・アルミ屑の削減・リインフォース用金型削減・リンフォース アセンブリ接合費削減

本田技術研究所殿ご提供

燃料電池車のサブフレーム

出典：軽金属溶接構造協会2004年度シンポジウム

大型押出形構造 ろう付けハニカム構造 ジュラルミン構造（航空機仕様）

300系新幹線700系新幹線N700新幹線

STAR21試験車両300X試験車両

山梨リニア試験車両500系新幹線

STAR21

ＪＲ東海殿ご提供

構体全面にFSW広幅形材を使用した最新リニアモーターカーMc5

550km/hでの走行で問題なし

● Face Sheet4045／6951 clad sheet

● Honeycomb Core6951 sheet

4045／6951 clad sheet

● Frame6063 extrusion

● Face Sheet4045／6951 clad sheet

● Honeycomb Core6951 sheet

4045／6951 clad sheet

● Frame6063 extrusion

● Face Sheet4045／6951 clad sheet

● Honeycomb Core6951 sheet

4045／6951 clad sheet

● Frame6063 extrusion

● Face Sheet4045／6951 clad sheet

● Honeycomb Core6951 sheet

4045／6951 clad sheet

● Frame6063 extrusion

ろう付けハニカム

溶接

車体構造

500系新幹線（1997～）

ハニカムパネル使用箇所

N700系新幹線（2008～）

ろう付けハニカムパネルの材料構成

ろう付ハニカムパネルのＦＳＷ- Brazed Haneycomb Panel （ＢＰ） -

EPMA-Si断面組織 ５００系新幹線用ＢＰ接合例

建材用ＢＰ

高剛性パネル（スマートシート）平板の剛性の１３～２２倍

高剛性形状 0.3mm平板※変形量5倍誇大表示

1N 1N

高剛性サンドイッチパネル（スマートコア）

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0.5 1 1.5 2

変位(mm)

荷重

(N)

スマート　0°方向

スマート　45°方向

ハニカム　0°方向

ハニカム　90°方向

基本コンセプト：①高強度, 高靭性, ②高耐食性, ③低コスト

787

MRJの主翼はカーブがきついため、CFRPではシートの積層時にしわが出やすい。シートを分割すればしわを防げるが枚数増加や補強材追加でアルミと質量が変わらない。

Alloy Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al

20130.6-1.0 0.40

1.5-2.0 0.25

0.8-1.2

0.04-0.35 0.25 0.15

Rem.

60130.6-1.0 0.50

0.6-1.1

0.20-0.8

0.8-1.2 0.10 0.25 0.10

Rem.

60610.40-0.8 0.7

0.15-0.40 0.15

0.8-1.2

0.04-0.35 0.25 0.15

Rem.

20240.50 0.50

3.8-4.9

0.30-0.9

1.2-1.8 0.10 0.25 0.15

Rem.

Alloy Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al

20130.6-1.0 0.40

1.5-2.0 0.25

0.8-1.2

0.04-0.35 0.25 0.15

Rem.

60130.6-1.0 0.50

0.6-1.1

0.20-0.8

0.8-1.2 0.10 0.25 0.10

Rem.

60610.40-0.8 0.7

0.15-0.40 0.15

0.8-1.2

0.04-0.35 0.25 0.15

Rem.

20240.50 0.50

3.8-4.9

0.30-0.9

1.2-1.8 0.10 0.25 0.15

Rem.

20132013開発目標(対2024合金)

・強度：2024-T3レベル以上

・押出性良好(ホロー押出可能)

・耐食性向上（Cu減）

・低密度（2%軽量化）

表 引張性質(A値)引張強さ 伸び耐力合金-調質

400 83652013-T6511

390 122902024-T3511

Ａ値：母数をn=100とし、母集団の99%が信頼できるとして、95%の信頼性を持った最低値

図 ポートホール押出例

- Eclipse Aviation社の記事より-

Eclipse 500

重ね継手

FSW機体第一号、従来のリベット構造の1/3の価格

ECLIPSE AVIATION社ご提供

先進のＦＳＷ 技術Self Reacting-FSW

裏当ての要らない接合（複動ツールの応用）プローブの先をワークの裏側に突き出し、裏側にもショルダーを取り付けてワークを挟んで線接合

メリット：中空のワークの接合が可能、ツールの押し付け荷重が減少

Ｈ－ⅡＢロケット （三菱重工業殿）

１９６１年１月芦有開発 株式会社 建 造建 示 （1955） 一 等 橋製作 株式会社 播 磨 造 船 所アルミニューム合金材 株式会社神戸製鋼所アルミニューム地金 日本軽金属株式会社

取扱商社 佐渡島金属株式会社

主桁も対傾構もアルミ床板はコンクリート

橋長 20.6ｍ（支間長20ｍ）×幅員7.12～

５０年経過したアルミニウム合金橋（芦有ﾄﾞﾗｲﾌﾞｳｪｲ）

橋梁床版（新加古川大橋）

FSW

歩道橋、デッキ

引野歩道橋 出水駅自由通路

一貴山川橋 西唐津駅自由通路

ご静聴ありがとうございました