摩擦攪拌接合とは何ですか？-プロセスと用途
摩擦攪拌接合とは何ですか？
摩擦攪拌接合（FSW）は、回転工具によって発生する摩擦熱を使用して、ワークピースの材料を溶かすことなく、向かい合う2つのワークピースを接合するソリッドステート接合プロセスです。回転工具と被削材の摩擦により熱が発生し、FSW工具付近が軟化する。
ツールがジョイントラインに沿って移動する間、ツールは2つの金属片を機械的に混合し、粘土や生地を接合するのと同じように、ツールによって加えら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に使用され、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することができます。
最近では、ポリマーの溶接に使用されています。さらに、アルミニウムから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、現代の造船、列車、および航空宇宙アプリケーションで見つけることができます。
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を使用して実行されます。溶接中、プローブがワークピースに突き刺さり、肩がワークピースの表面に接触するまで、ツールは2つのクランプされたワークピース間の突合せ継手に送られます。
プローブは必要な溶接深さよりわずかに短く、ツールショルダーが作業面の上に乗っています。短い滞留時間の後、ツールは事前に設定された溶接速度でジョイントラインに沿って前方に移動します。
耐摩耗性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および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融せずに軟化させます。
ツールが前方に移動すると、プローブの特別なプロファイルにより、可塑化された材料が前面から背面に押し出され、大きな力が溶接部の鍛造された圧密を支援します。
金属の可塑化された管状シャフトの溶接線に沿ってツールが移動するこのプロセスは、ベース材料の動的再結晶を含む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
摩擦攪拌接合では、特別に設計されたツールを使用して、溶接する必要のある継ぎ目上を高速で回転します。ツールが金属上で回転すると、それらの間に熱が発生します。この熱により、金属はプラスチックになり、互いに融合します。摩擦攪拌接合では、次の2種類の接合部を溶接できます。
- ラップジョイント
- バットジョイント
摩擦攪拌接合に使用される工具は2つの部分に分かれています。肩と呼ばれる円筒形の部分が縫い目で回転し、プロファイルされたピンが肩から伸びています。
ピンは最初に縫い目にドリルで穴を開けられます。次に、最適な温度に到達して材料に吸収されるまで、肩がワークピースの上で一定時間回転します。
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。それは、ピンが軟化した粒子を融合させるために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。
摩擦攪拌接合の用途
FSWプロセスは、当初、ほとんどの先進国でTWIの特許を取得しており、183人を超えるユーザーにライセンス供与されています。摩擦攪拌溶接とその変形摩擦攪拌スポット溶接および摩擦攪拌処理は、造船およびオフショア、航空宇宙、自動車、鉄道用車両、一般製造、ロボット工学、およびコンピューター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産業での用途があります。
造船： FSWは、漁船用の中空アルミニウムパネルの溶接に最初に使用されました。今日、この溶接技術は、船の船体や船体に使用されるアルミニウム製冷凍庫パネルの溶接で一般的です。 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その形状を維持します。
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形の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ロケットの段間モジュールでFSWを使用しました。
FSWは、航空機の胴体に見られる軽量のアルミニウムフレームを結合するためにも使用されます。これは、このテクニックがボルト締めやリベット留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-補強材の押し出しに使用されます。
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目を向けています。したがって、FSWテクノロジーの主要な採用者の1つです。従来の溶接方法では、FSWのような高公差部品を再現することはできません。 FSWの溶接時間は短いため、他のアルミニウム溶接よりも魅力的です。
摩擦は溶接と摩擦溶接をかき混ぜます–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。一般的な摩擦圧接法では、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に熱が発生します。
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、これにより、ワークピースのセットアップに関して摩擦圧接が制限されます。これは、ワークピースが直線的な往復運動によって高速で移動できる必要があるためです。
摩擦攪拌接合は、ワークピースを所定の位置に固定し、次にツールをシームに沿って移動させ、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
摩擦攪拌接合の利点は、消耗品やシールド要素の技術を使用しない独自の溶接にあります。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審美的です
- アルミニウム2xxxおよび7xxx範囲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必要ありません
- 低いピーク温度は、亀裂の収縮と多孔性を防ぎます
摩擦攪拌接合の欠点
- 複雑または特別な器具の配置が必要です。
- 溶接プレートに目に見える穴を作成します。
- 初期費用またはセットアップ費用が高い。
- アーク溶接プロセスに比べて柔軟性が低くなります。
- FSWはフィラージョイントを作成できません。
- 鍛造不可能な材料は溶接できません。
産業技術