摩擦溶接とは？原理、プロセス、メリット、用途を徹底解説

摩擦溶接とは

摩擦溶接は、相対運動するワーク間の機械的摩擦で熱を発生させ、側方からの圧力（「アプセット」と呼ばれる）を加えて材料を塑性変位・融合させる固相溶接技術です。

溶融を伴わないため融接ではなく、鍛造溶接に近い固相溶接に分類されます。金属・熱可塑性樹脂に対応し、航空・自動車用途で幅広く採用されています。

一見滑らかな表面も微視的には多数の微細突起（アスペリティ）で覆われています。相対運動時、これらアスペリティが相互作用して摩擦（運動を妨げる力）を生じます。

アスペリティの弾塑性変形相互作用で熱が発生します。摩擦溶接はこの現象を接合に利用します。誘導される機械運動で熱が発生し、接合材料が軟化・粘性状態になります。この状態でプロセスの機械運動が材料を混合し、結合を形成します。

摩擦熱と材料混合の様式は、採用する摩擦溶接プロセスに強く依存します。主な4プロセス：摩擦攪拌接合（FSW）、摩擦攪拌スポット溶接（FSSW）、リニア摩擦溶接（LFW）、ロータリ摩擦溶接（RFW）。

摩擦溶接の仕組み

FSWは非消耗工具を回転・挿入し、2ワーク界面で摩擦熱を発生させ材料を加熱・軟化させます。回転工具が軟化材料を機械的に混合して結合を形成します。FSSWはFSWの変種で、非消耗工具を回転・挿入・引き抜きしてラップジョイント配置の2ワークに「スポット」溶接を行います。FSSWでは工具はワークを貫通移動しません。

LFWとRFWは非消耗工具を不要とし、ワーク自体で摩擦熱と機械混合を生成します。LFWは圧縮力下で一方ワークを他方に直線往復振動させます。振動面間の摩擦で熱が発生し、界面材料が軟化・機械混合します。RFWはLFWと類似ですが、ワークが多くの場合円形で、互いに相対回転します。LFW・RFWでは圧縮力方向にワークが短縮（「バーンオフ」）し、フラッシュが形成されます。

バーンオフ時に酸化物・異物などの界面汚染物がフラッシュへ排出されます。汚染物除去後、純金属同士の混合が起こり一体的な結合が得られます。摩擦溶接中の温度は非常に高温ですが、材料は固相状態を維持します（溶融なし）。

用途

摩擦溶接は優れた産業用ローラー、チューブ、シャフトの製造に用いられます。工業用プリンタ、マテハン機器、自動車、航空宇宙、海洋、石油用途のサブアセンブリ製造に多用されます。

その他の部品例：ギア、アクスルチューブ、ドライブライン、バルブ、油圧ピストンロッド、トラックローラーブッシュ、ポンプシャフト、ドリルビット、コネクティングロッド等。

摩擦溶接のメリット

• 他工法では溶接困難な異種材料の接合が可能
• 狭い熱影響部（HAZ）
• 完全金属融合の安定・反復プロセス
• 継手準備は最小限（ノコ切り面で可）
• 短納期（鍛造品の6ヶ月以上リードタイムに対比）
• 設計自由度大幅向上（ブランク各部位に最適材料選択可能）
• 単品試作から量産まで多様な数量に対応
• フラックス・充填材・ガス不要
• 環境友好（ヒューム・ガス・煙なし）
• 固相プロセス（気孔・スラグ混入の可能性なし）
• 鋳造・鍛造ライクなブランクを高価な金型・最小ロットなしで製造
• 機械加工工数削減、消耗工具コスト低減、能力向上
• 全面溶接で重要部位の優れた強度確保
• バイメタル用途で原材料コスト削減（高価材料を必要箇所のみ使用）

摩擦溶接のデメリット

• 同一断面の丸棒に限定
• 角度・平面突合せ継手に限定
• セットアップコストが非常に高い
• ワーク準備が困難
• 非鍛造性材料は溶接不可
• 小型機械部品のみ対応、大型部品は非対応

摩擦溶接ビデオ