摩擦攪拌接合とは - プロセスとアプリケーション

摩擦攪拌溶接とは?

摩擦攪拌接合 (FSW) は、回転するツールによって生成される摩擦熱を使用して、ワークの材料を溶かすことなく、2 つの向かい合ったワークを接合する固相接合プロセスです。回転工具と被削材の間の摩擦によって熱が発生し、FSW 工具の近くに軟化領域が生じます。

ツールがジョイント ラインに沿って移動している間、ツールは 2 つの金属片を機械的に混合し、粘土や生地を結合するのと同じように、ツールによって適用される機械的圧力によって高温で軟化した金属を鍛造します。

これは、主に鍛造または押し出しアルミニウムで使用され、特に非常に高い溶接強度を必要とする構造に使用されます。 FSW は、アルミニウム合金、銅合金、チタン合金、軟鋼、ステンレス鋼、およびマグネシウム合金を接合できます。

最近では、ポリマーの溶接に使用することに成功しています。さらに、アルミニウムとマグネシウム合金などの異種金属の接合は、最近 FSW によって達成されました。 FSW のアプリケーションは、最新の造船、列車、および航空宇宙アプリケーションに見られます。

動作原理

ジョイントを通過するツールの進行状況。溶接ゾーンとツール ショルダーの影響を受ける領域も表示されます

FSW は、肩の直径よりも小さい直径のプロファイル ピンを備えた回転円筒形ツールで実行されます。溶接中、ツールは、プローブがワークピースに突き刺さり、ショルダーがワークピースの表面に接触するまで、クランプされた 2 つのワークピース間の突合せジョイントに送り込まれます。

プローブは必要な溶接深さよりもわずかに短く、ツールの肩が作業面の上に乗っています。短い休止時間の後、ツールは事前設定された溶接速度でジョイント ラインに沿って前進します。

耐摩耗工具とワークの間に摩擦熱が発生します。この熱は、機械的混合プロセスと材料内の断熱熱によって生成される熱とともに、攪拌された材料を溶かさずに軟化させます。

ツールが前方に移動すると、プローブの特殊なプロファイルが可塑化された材料を前面から背面に押し出し、そこで高い力が溶接の鍛造強化を支援します。

可塑化された金属の管状シャフトのウェルド ラインに沿って工具が移動するこのプロセスは、母材の動的再結晶を伴う深刻な固体変形をもたらします。

摩擦攪拌接合のプロセス

摩擦攪拌溶接では、溶接する必要がある継ぎ目の上を高速で回転する特別に設計されたツールを使用します。ツールが金属上で回転すると、それらの間で熱が発生します。この熱により、金属がプラスチックになり、互いに融合します。摩擦攪拌接合は、次の 2 種類の接合部を接合できます。

• ラップジョイント
• お尻の関節

摩擦攪拌接合に使用されるツールには 2 つの部分があります。ショルダーと呼ばれる円筒形のパーツが縫い目で回転し、プロファイルド ピンがショルダーから伸びます。

ピンは最初にシームにドリルで穴を開けます。次に、最適な温度に達して材料に吸収されるまで、一定時間ワークピースの上でショルダーが回転します。

次に、ツールがシームを横切って移動し、連続的な溶接が作成されます。これは、ツールによって生成される体積加熱と、プロファイルされたピンによる金属粒子の混合によって可能になります。これは、ピンが融合のために軟化した粒子を文字通り攪拌しているため、「攪拌」という名前が付けられたワークスペースに入るプロファイルされたピンからのものです。

摩擦攪拌接合の応用

FSW プロセスは、ほとんどの先進国で TWI によって最初に特許が取得され、183 を超えるユーザーにライセンスされています。摩擦攪拌溶接とその変種である摩擦攪拌スポット溶接と摩擦攪拌処理は、造船とオフショア、航空宇宙、自動車、鉄道用車両、一般製造、ロボット工学、コンピューターなどの産業用途に使用されます。

摩擦攪拌接合は、アルミニウムを使用するさまざまな業界で応用されています。

造船: FSW は、最初に漁船用の中空アルミニウム パネルの溶接に使用されました。現在、この溶接技術は、船体や船体に使用されるアルミ製フリーザー パネルの溶接で一般的に使用されています。 FSW は歪みを最小限に抑えるため、アルミニウム パネルは長い溶接でも形状を保持します。

航空宇宙: 極低温酸素を貯蔵するために宇宙船で使用されるアルミニウム燃料タンクは FSW を利用します。接合技術は、これらの燃料タンクを構成する円筒構造にドームを溶接します。ボーイングは、1999 年 8 月に打ち上げに成功したデルタ II ロケットの中間モジュールで FSW を使用しました。

FSWは、航空機の機体に見られる軽量アルミフレームの接合にも利用されています。これは、この技術がボルト締めやリベット締めよりもはるかに軽い代替手段を提供するためです.

鉄道: 摩擦攪拌接合は、高速列車を製造するための中空プロファイルと T 補強材押出材に使用されます。

自動車産業: 自動車業界は、車のシャーシを準備するための最適な材料としてアルミニウムに注目しています。したがって、それは FSW 技術の主要な採用者の 1 つです。従来の溶接法では、FSW のような高公差部品を再現することはできません。また、FSW は溶接時間が短いため、アルミニウムの他の溶接方法よりも魅力的です。

摩擦攪拌接合と摩擦接合 – 違い

いくつかの溶接技術は摩擦を使用して熱を発生させますが、その中で最も一般的なのは摩擦溶接です。典型的な摩擦圧接方法では、継ぎ目で 1 つのワークピースを別のワークピースに対して移動させることにより、2 つのワークピース間で熱が発生します。

2 つの表面間の摩擦により、2 つの表面が溶けて融合します。

ただし、直線的な往復運動によってワークピースを高速で移動できなければならないため、ワークピースのセットアップに関しては摩擦溶接に制限が生じます。

摩擦攪拌接合は、ワークピースを所定の位置に固定してから、継ぎ目に沿ってツールを動かし、その過程で溶接を作成することにより、この制限を克服します。

摩擦攪拌接合の利点

摩擦攪拌溶接の利点は、消耗品やシールド要素技術を使用しない独自の溶接から生じます。これにより、溶接に次の特性が与えられます:

• 完成した溶接はシームレスで美しい
• アルミニウム 2xxx や 7xxx のような他の方法では扱いにくい合金を溶接できます
• 完全に自動化されたプロセス
• フラックスやシールド剤は不要
• ピーク温度が低いため、亀裂の収縮と多孔性が防止されます

摩擦攪拌接合の欠点

• 複雑な、または特別な備品の配置が必要。
• 溶接プレートに目に見える穴ができます。
• 高い初期費用またはセットアップ費用
• アーク溶接プロセスに比べて柔軟性に欠けます。
• FSW はフィラー ジョイントを作成できません。
• 非鍛造材料は溶接できません。