摩擦溶接の仕組みと主要用途を徹底解説

摩擦溶接とは

摩擦溶接は、相対運動するワークピース間の機械的摩擦によって熱を発生させ、そこに「アプセット」と呼ばれる横方向の力を加えて材料を塑性変位・融合させる固相溶接技術です。

溶融が起こらないため、摩擦溶接は融解溶接プロセスではなく、鍛造溶接に近い固相溶接技術です。摩擦溶接は、金属と熱可塑性樹脂の両方に、航空機と自動車の幅広い用途で使用されています。

実際には、一見滑らかな表面も、微視的な突起（アスペリティ）で構成されています。一方の表面が他方に対して移動すると、これらのアスペリティが相互作用し、2つ以上の相互作用する表面間の運動を抵抗する力である摩擦を生成します。

これらのアスペリティの弾性的・塑性的降伏による相互作用が熱を生成します。摩擦溶接はこの現象を接合用途に利用します。摩擦溶接の誘導機械的運動が熱を生成し、接合される材料を軟化させ粘性状態にします。軟化状態で、プロセスの機械的運動が材料を混合して結合を作ります。

摩擦熱と材料混合の発生メカニズムは、利用される摩擦溶接プロセスに大きく依存します。主な4つのプロセスがあります：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）、ロータリー摩擦溶接（RFW）。

摩擦溶接の仕組み

FSWは、非消耗工具を回転させて2つのワークピースの界面に突き刺し、工具を界面に沿って移動させることで動作します。摩擦熱により材料が加熱・軟化します。

回転工具が軟化材料を機械的に混合して結合を生成します。FSSWはFSWのバリエーションで、ラップ継手配置の2つのワークピースに非消耗工具を回転・突き刺し・引き抜きして「スポット」溶接を作ります。FSSWでは工具がワークピースを貫通移動しません。

LFWとRFWは非消耗工具を必要としません。つまり、接合される個々のワークピース自体が摩擦熱と機械的混合を生成します。LFWは、圧縮力下で一方のワークピースを他方に対して直線往復振動させます。

振動する表面間の摩擦が熱を生成し、界面材料を軟化させ機械的に混合させます。RFWはLFWに似ていますが、ワークピースが多くの場合円形で、互いに相対回転します。LFWとRFWでは、ワークピースが圧縮力の方向に通常短くなり（「バーンオフ」）、フラッシュが形成されます。

バーンオフ中に、酸化物や異物などの界面汚染物質がフラッシュに押し出されます。汚染物質から解放されると、純粋な金属対金属の混合が起こり、完全な結合が生じます。摩擦溶接中の生成温度は非常に高温ですが、材料は固相状態を維持します（溶融は起こりません）。

用途

摩擦溶接は、より優れた産業用ローラー、チューブ、シャフトの製造に使用できます。このプロセスは、産業用プリンター、マテリアルハンドリング機器、自動車、航空宇宙、海洋、石油用途のこれらサブアセンブリの製造によく使用されます。

その他のコンポーネント例には、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などがあります。

摩擦溶接の利点

• 他の接合方法では通常溶接不可能な異種材料の接合を可能にする
• 狭い熱影響部（HAZ）を形成
• 完全な金属融合の一貫性と反復性のあるプロセス
• 継手準備が最小限 — ノコ切り面が最も一般的に使用される
• 短納期 — 現在6ヶ月以上かかる鍛造品の長いリードタイムと比較して
• 設計柔軟性が大幅に向上 — ブランクの各領域に適切な材料を選択可能
• 多様な数量に対応 — 単一プロトタイプから大量生産まで
• フラックス、充填材、ガスが不要
• 環境に優しいプロセス — ヒューム、ガス、煙が発生しない
• 固相プロセス — 気孔やスラグ介在物の可能性がない
• 鋳造または鍛造品質のブランクを生成 — 高価な金型や最小ロット要件なしで
• 機械加工工数を削減し、消耗工具コストを下げながら能力を向上
• 全面溶接により重要領域で優れた強度を発揮
• バイメタル用途で原材料コストを削減。高価な材料をブランクの必要な部分のみに使用

摩擦溶接の欠点

• このプロセスは同一断面の丸棒のみに使用可能
• 角度付きおよびフラットな突き合わせ継手に限定
• セットアップコストが非常に高い
• ワークピース準備が困難
• 非鍛造性材料は溶接不可
• 機械の小さな部品のみに使用可能。大型部品は非対応

摩擦溶接動画