摩擦溶接の原理、工法、種類、用途、メリット・デメリットを徹底解説

摩擦溶接とは

摩擦溶接は固相溶接プロセスの一種です。固相溶接とは、外部熱を適用せず、溶融や塑性状態を伴わない溶接プロセスを指します。この溶接タイプでは、固体状態で外部圧力を適用することで溶接が行われます。摩擦溶接プロセスでは、接合される両板または工作物が互いに相対的に回転または移動します。この相対運動により摩擦が生じ、接触面で材料が塑性変位します。溶接完了まで高圧力が適用されます。この溶接は、直径100mmまでの鋼棒、チューブの接合に使用されます。

原理

摩擦溶接は摩擦の基本原理で動作します。この溶接プロセスでは、摩擦を用いて干渉面で熱を発生させます。この熱はさらに、工作物表面に外部圧力を適用することで2つの工作物を接合するために使用されます。この溶接プロセスでは、塑性形成温度が達成されるまで摩擦を適用します。鋼の場合、通常900〜1,300℃です。この加熱フェーズ後、均一に増大する圧力が適用され、両金属工作物が永続的な接合を形成するまで継続されます。この接合は接触面での熱機械的処理によって生成されます。

作動手順

摩擦溶接プロセスには多くの種類があり、それぞれ異なる動作をします。しかし、これらすべてのプロセスには共通の作動原理があり、以下のように要約できます：

1. 両工作物を滑らかな方形表面に準備する。一方をローター駆動チャックに取り付け、他方を静止させる。
2. ローターを高速回転させ、取り付けられた工作物を回転させる。静止工作物に微小な圧力を適用し、バニシング作用で表面を清浄化する。
3. 静止工作物に高圧力を適用し、回転工作物に押し付けて高摩擦力を発生させる。この摩擦で接触面に熱が発生する。塑性形成温度に達するまで適用を継続する。
4. 所望の温度限界に達したら、ローターを停止し、圧力を増大適用し続けて接合全体が形成されるまで継続する。
5. この溶接は、他の方法では溶接できない金属と合金の接合に使用される。

摩擦溶接の種類

連続誘導摩擦溶接

前述の通りの溶接です。この溶接プロセスでは、ローターがバンドブレーキと接続されています。摩擦が塑性温度の限界を超えると、バンドブレーキが作動してローターを停止させますが、工作物への圧力は溶接が形成されるまで増大適用され続けます。

慣性摩擦溶接

このタイプの摩擦溶接では、バンドブレーキがエンジンフライホイールとシャフトフライホイールに置き換えられます。これらのフライホイールがチャックをモーターに接続します。溶接開始時、両フライホイールは互いに接続されています。速度または摩擦が限界に達すると、エンジンフライホイールがシャフトフライホイールから分離されます。シャフトフライホイールは慣性モーメントが小さいため、ブレーキなしで停止します。工作物への圧力は溶接が形成されるまで継続適用されます。

用途

• チューブとシャフトの溶接
• 航空宇宙、自動車、海洋、石油産業で主に使用
• ギア、アクスルチューブ、バルブ、ドライブライン等の部品を摩擦溶接
• 鍛造または鋳造アセンブリの置き換え
• 油圧ピストンロッド、トラックローラーブッシュ等を摩擦溶接で接合
• 電気産業で銅・アルミニウム機器の溶接に使用
• ポンプシャフト（ステンレス鋼-炭素鋼）の溶接に使用
• ギアレバー、ドリルビット、コンロッド等を摩擦溶接

メリットとデメリット

メリット

• 煙等を発生させない環境に優しいプロセス
• 熱影響部が狭く、熱感受性材料の特性変化がない
• フィラーメタル不要
• ほとんどのケースで溶接強度が強い
• 容易に自動化可能
• 高速溶接
• 高い溶接効率
• 幅広い金属をこのプロセスで溶接可能

デメリット

• 主に同一断面の丸棒のみに使用される
• 鍛造性のない材料は溶接不可
• 工作物準備がより重要かつ厳密
• セットアップコストが高い
• 継手設計が限定される

以上が摩擦溶接の原理、作動、種類、用途、メリット・デメリットについての解説です。ご質問がありましたらコメントでお知らせください。この記事がお役に立てば幸いです。ぜひソーシャルネットワークで共有し、当サイトを購読してさらなる興味深い記事をお楽しみください。