摩擦攪拌接合（FSW）とは？原理、工程、メリット、用途を徹底解説

摩擦攪拌接合（FSW）とは

摩擦攪拌接合（FSW）は、回転工具による摩擦熱を利用して2つの対向ワークを、母材を溶融させずに接合する固相接合プロセスです。回転工具とワーク材の間の摩擦で熱が発生し、FSW工具近傍に軟化領域が形成されます。

工具が接合ラインに沿って移動すると、2枚の金属が機械的に混合され、工具が加える機械的圧力によって高温軟化金属が鍛造されます。これは粘土や生地をこね合わせるのに似ています。

主に圧延または押出アルミニウムに用いられ、特に高い溶接強度が要求される構造物に適しています。FSWはアルミ合金、銅合金、チタン合金、軟鋼、ステンレス鋼、マグネシウム合金の接合が可能です。

近年、ポリマーの溶接にも成功しています。また、アルミ-マグネシウム合金など異種金属接合も最近達成されました。FSWの適用例は現代の造船、鉄道車両、航空宇宙分野に見られます。

工具の進行に伴い、溶接ゾーンと工具ショルダー影響域が形成されます。

FSWは、プロファイル付きプローブ（ピン）を持つ回転円筒工具で行います。プローブ径はショルダー径より小さく設計されています。溶接時、工具を2枚のクランプされたワークの突合せ継手に押し込み、プローブがワークに貫入し、ショルダーがワーク表面に接触するまで挿入します。

プローブは必要溶接深さよりわずかに短く、ショルダーがワーク表面を乗る形になります。短い停留時間後、プリセット溶接速度で工具を接合ラインに沿って前進させます。

耐摩耗工具とワーク間の摩擦熱に加え、機械的混合プロセスと材料内の断熱熱により、撹拌材料は溶融せずに軟化します。

工具が前進すると、プローブの特殊プロファイルが軟化材料を前面から後面へ押し流し、高い力で鍛造圧接により溶接部を締固めます。

工具が溶接ラインに沿って移動し、軟化した金属の管状シャフト内で撹拌するこのプロセスにより、母材の動的再結晶化を伴う激しい固相変形が生じます。

FSWは、溶接が必要な継ぎ目上で高速回転する特殊設計工具を使用します。工具が金属上を回転すると間に熱が発生し、金属が可塑化して融合します。FSWで溶接可能な継手は2種類あります：

FSW工具は2部分からなります：継ぎ目上を回転する円筒部「ショルダー」と、ショルダーから突き出したプロファイル付き「ピン」です。

まずピンを継ぎ目に穴あけします。次にショルダーをワーク上面で一定時間回転させ、最適温度に達して材料に熱が浸透するまで待ちます。

その後、工具を継ぎ目に沿って移動させ連続溶接を行います。これは工具による体積加熱とプロファイルピンによる金属粒子の混合によって可能になります。ピンがワーク内部に入り込んで軟化粒子を文字通り「攪拌（スター）」し融合させることから「スター（攪拌）」の名が付いています。

FSWプロセスはTWIが主要工業国で特許取得し、183社以上にライセンス供与されています。FSWおよびその派生技術（摩擦攪拌スポット溶接、摩擦攪拌加工）は以下の産業用途で使用されています：造船・オフショア、航空宇宙、自動車、鉄道車両、一般製造、ロボティクス、コンピュータ。

FSWはアルミニウムを使用する幅広い産業で応用されています。

造船： FSWは最初に中空アルミパネルの漁船溶接に使用されました。現在では船体・船殻に用いられるアルミ冷凍パネルの溶接で一般的です。FSWは変形が最小限のため、長尺溶接でもアルミパネルが形状を保持します。

航空宇宙： 宇宙船用液体酸素貯蔵タンク（アルミ製）のドームと筒部接合にFSWを採用。ボーイングはデルタIIロケットのインターステージモジュールにFSWを使用し、1999年8月打ち上げ成功。

FSWは航空機胴体の軽量アルミフレーム接合にも利用されています。ボルト・リベットより大幅な軽量化が可能だからです。

鉄道： 高速列車製造用の中空プロファイル・T型スタビライザー押出材にFSWを採用。

自動車： 車体シャーシの最適材料としてアルミ採用が進み、FSW技術の主要採用業界となっています。従来溶接ではFSWのような高公差部品を再現できません。FSWの短時間溶接もアルミ向けに魅力的です。

摩擦熱を利用する溶接技術はいくつかあり、最も一般的なのは摩擦溶接です。典型的な摩擦溶接では、継ぎ目で一方のワークを他方に対して高速相対運動させて熱を発生させます。

2面間の摩擦で溶融・融合させます。しかし、ワークを高速直線往復運動させる必要があるため、ワークセットアップに制約があります。

FSWはワークを固定し、工具を継ぎ目に沿って移動させて溶接することでこの制約を克服しています。

FSWのメリットは、消耗品やシールドガスを使わない独自の溶接に由来し、以下の特性をもたらします：

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