摩擦攪拌接合（FSW）完全解説：プロセス、メリット、用途

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、ワークピース材料を溶融させることなく2つの対向ワークピースを接合する固相接合プロセスです。回転工具とワークピース材料の間の摩擦によって熱が発生し、FSW工具近傍に軟化領域が生じます。

工具が接合ラインに沿って移動しながら、2つの金属片を機械的に混合し、工具によって加えられる機械的圧力によって高温軟化金属を鍛造し、粘土や生地をこね合わせるように接合します。

主に圧延または押出アルミニウムに使用され、特に非常に高い溶接強度が必要な構造物に適しています。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、マグネシウム合金の接合が可能です。

より最近では、ポリマーの溶接にも成功しています。さらに、アルミニウム-マグネシウム合金などの異種金属接合もFSWによって最近達成されました。FSWの応用は、現代の造船、鉄道車両、航空宇宙用途で見られます。

動作原理

工具の接合部を通る進行、溶接ゾーンと工具ショルダーによる影響領域も示す

FSWは、プロファイル付きピンを持つ回転円筒工具で実行され、そのピンの直径はショルダーの直径より小さくなっています。溶接中、工具は2つのクランプされたワークピース間の突き合わせ継手に送り込まれ、プローブがワークピースに貫入し、ショルダーがワークピース表面に接触するまで進みます。

プローブは必要な溶接深さよりわずかに短く、工具ショルダーがワーク表面の上を乗る形になります。短い停止時間の後、工具はプリセット溶接速度で接合ラインに沿って前進します。

耐摩耗工具とワークピースの間に摩擦熱が発生します。この熱に、機械的混合プロセスによる熱と材料内の断熱熱が加わり、材料を溶融させずに軟化させます。

工具が前進すると、プローブの特殊なプロファイルが先行面から後方へ可塑化した材料を押し出し、そこで高い力が溶接の鍛造凝縮を助けます。

工具が溶接ラインに沿って金属の可塑化チューブ状シャフトを移動するこのプロセスは、母材の動的再結晶化を伴う激しい固相変形をもたらします。

摩擦攪拌接合のプロセス

摩擦攪拌接合は、溶接が必要な継手上を高速回転する特別に設計された工具を使用します。工具が金属上を回転すると、それらの間に熱が発生します。この熱により金属が可塑化し、互いに融合します。摩擦攪拌接合は2種類の継手を溶接できます：

• ラップ継手
• 突き合わせ継手

摩擦攪拌接合用工具は2つの部分で構成されます。継手上で回転するショルダーと呼ばれる円筒部分と、ショルダーから延びるプロファイル付きピンです。

ピンが最初に継手に穿入されます。次に、ショルダーがワークピースの上で一定時間回転し、最適温度に達して材料に吸収されるまで待ちます。

その後、工具が継手に沿って移動し、連続溶接を生成します。これは、工具による体積加熱とプロファイル付きピンによる金属粒子の混合によって可能になります。ピンがワークスペースに入り、軟化した粒子を文字通り「攪拌（スター）」して融合させることから、「スター（攪拌）」の名が付いています。

摩擦攪拌接合の用途

FSWプロセスは、ほとんどの工業化国でTWIによって特許取得され、183社以上にライセンス供与されています。摩擦攪拌接合とそのバリエーションである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。

摩擦攪拌接合は、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は最初に漁船の中空アルミニウムパネル溶接に使用されました。今日、この溶接技術は船体と船体に使用されるアルミニウムフリーザーパネルの溶接で一般的です。FSWは最小限の歪みしか生じないため、長尺溶接でもアルミニウムパネルは形状を保持します。

航空宇宙： 宇宙船で極低温酸素を貯蔵するアルミニウム燃料タンクにFSWが利用されています。この接合技術で、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。ボーイングはデルタIIロケットのインターステートモジュールにFSWを使用し、1999年8月に打ち上げ成功しました。

航空機胴体で見られる軽量アルミニウムフレームの接合にもFSWが利用されています。これは、ボルトやリベットよりもはるかに軽量な代替手段を提供するためです。

鉄道： 摩擦攪拌接合は、高速列車製造のための中空プロファイルとT型スタッフナー押出材に使用されています。

自動車産業： 自動車産業は、車体シャシーの準備にアルミニウムを最適材料として採用しています。したがって、FSW技術の主要な採用者の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できません。FSWの短い溶接時間も、アルミニウムの他の溶接形式より魅力的です。

摩擦攪拌接合 vs 摩擦溶接 — 違い

摩擦を利用して熱を発生させる溶接技術はいくつかあり、中でも最も一般的なのは摩擦溶接です。典型的な摩擦溶接では、継手で一方のワークピースを他方に対して高速で移動させることで、2つのワークピース間に熱を発生させます。

2つの表面間の摩擦により、それらは溶融して融合します。

しかし、これはワークピースセットアップに制約を与えます。ワークピースを直線往復運動で高速移動できる必要があるためです。

摩擦攪拌接合は、ワークピースを固定し、工具を継手に沿って移動させて溶接を生成することで、この制約を克服します。

摩擦攪拌接合の利点

摩擦攪拌接合の利点は、消耗品やシールド技術を使用しない独自の溶接から生まれます。これにより、溶接に以下の特性がもたらされます：

• 完成溶接はシームレスで美観に優れる
• アルミニウム2xxx系および7xxx系など、通常溶接困難な合金を溶接可能
• 完全自動化プロセス
• フラックスやシールド剤が一切不要
• 低いピーク温度により収縮と気孔・クラックを防止

摩擦攪拌接合の欠点

• 複雑または特殊な治具配置が必要
• 溶接プレートに目視可能な穴が生じる（工具貫入跡）
• 初期・セットアップコストが高い
• アーク溶接プロセスと比較して柔軟性が低い
• FSWでは充填継手を作れない
• 非鍛造性材料は溶接不可