摩擦攪拌接合:固体金属接合プロセス

 本書では、摩擦攪拌接合がどのように機能するのか、なぜ融接よりも好ましいのか、自動車、航空宇宙などの主な使用分野、摩擦攪拌接合の最新開発に関する簡単な最新情報、摩擦攪拌スポット接合のようなさまざまなスピンオフプロセスについて説明します。この重要な金属接合プロセスに関するすべての重要な情報を網羅することを目的としています。

摩擦攪拌接合：固体金属接合プロセス

目次

はじめに

摩擦攪拌接合の原理

摩擦攪拌接合の利点

工具設計とプロセスパラメータ

摩擦攪拌接合の用途

金属接合への挑戦と最新の進歩

摩擦攪拌接合の革新的派生技術

摩擦攪拌接合の今後の展開

結論

よくあるご質問

摩擦攪拌接合（FSW）は、1991年に英国の溶接研究所で発明された新しい固体接合プロセスです。その誕生以来、摩擦攪拌接合は、融合接合プロセス以外の金属接合技術に頼っていた多くの金属加工産業分野を大きく変えました。FSWでは、消耗品ではない回転ツールを使用して、接合する材料の融点以下の摩擦熱を発生させます。これにより、金属が加熱され軟化し、欠陥のない高品質の接合部が形成されます。

凝固割れや気孔率のような問題がないため、FSWは融合の代替案よりも強度が高く、安定した溶接部を生成します。航空宇宙用アルミ合金に限らず、自動車、海洋、鉄道などでも使用されています。本稿では、摩擦攪拌接合の原理、摩擦攪拌接合の利点、摩擦攪拌接合の応用、摩擦攪拌接合の新展開など、摩擦攪拌接合の基本的な議論について説明します。その範囲は、この重要な金属接合プロセスのあらゆる側面を含みます。

動作原理

FSWは、母材を溶かすことなく、少ない熱量で材料を接合する新しいプロセスです。このプロセスでは、円筒形状のピンと円筒形状のショルダーを持つ電気加熱式非凝固電極を、隣接する部材の2つの表面に配置し、ワークジョイントの端から端まで移動させます。

摩擦による発熱

FSWツールのピンが回転し、材料内を移動すると、ワークピースに接触するショルダー面とピン面の間に摩擦熱が発生します。この熱により、突き合わされたワークの材料は融点に達することなく軟化します。その後、ピンが元の結合構造を破壊して軟化した材料を機械的に混合し、それらを一緒に鍛造します。

均一な溶接の形成

ピンの裏側で材料が冷却され、急速に再結晶化することで、元の2つの部品が固相接合されます。これにより、一般的に見られる溶融や凝固に関連する欠陥のない均一な溶接ナゲットが得られます。 溶融溶接。

従来の溶接に対する利点

優れた機械的特性

溶融および凝固に関連する欠陥がないため、FSW 溶接は、溶接されたままの状態の母材と同等かそれ以上 の優れた機械的特性を発揮します。

安全性の向上

ガスメタルアーク溶接のような溶融溶接工程に比べ、FSWにはヒューム、飛散物、紫外線放射がありません。そのため、より安全な溶接プロセスです。

充填剤不要

FSWは固体プロセスであるため、ワイヤーやフラックスのような充填材を必要とせず、プロセスが簡素化されます。

簡単な自動化

FSWの自動化されたシーケンシャルな性質は、様々な産業における大量生産でのロボットや自動化された実装に非常に適しています。

すべてのポジションで動作

一部の溶融溶接プロセスと異なり、FSWは、平坦、水平、垂直、または頭上の材料に対して、同等の効果で実施することができます。

良好な溶接外観

通常、摩擦攪拌接合は、融接に比べて歪みが少なく、平坦で均一な外観を有しています。

工具設計とプロセスパラメータ

工具設計の重要性

工具設計は、溶け込み深さ、発熱特性、ひいては溶接の品質を決定する上で重要な役割を果たします。高度な工具設計は、より高い溶け込み深さと厚い断面の溶接を達成するのに役立ちます。

ツール形状のバリエーション

工具設計では、プローブやピンのプロファイル（プロファイルは単純な円筒形からネジ付きピンや段付きピンまで様々）、ショルダー径、材料の流れに影響を与える形状を変えることができます。

プロセスパラメータの影響

工具の回転速度や移動速度、プランジ深さなどのプロセス・パラメーターは、溶接中の発熱や材料の流れに大きく影響します。厚い部分を深く貫通させるには、低速でエネルギーとトルクをあまり与えない方がよく、薄いゲージ材には高速が適しています。しかし、摩擦攪拌接合は、有望な固体接合技術のひとつであり、さまざまな産業向けの他の融接プロセスと比べていくつかの利点があります...ツール設計とプロセスパラメーターの継続的な進歩により、摩擦攪拌接合の能力はさらに向上します。

摩擦攪拌接合の用途

金属マトリックス複合材料

アルミニウム基複合材料の接合

炭化ケイ素(SiC)や炭化ホウ素(B4C)のような硬質セラミック粒子で強化された金属基複合材料(MMC)の溶接にFswプロセスを利用することに成功しました。この方法では、母材金属と同等またはそれ以上の機械的特性を持つ、Alマトリックス強化SiCおよびB4C微粒子の健全な接合部が得られます。

微細構造と強度の向上

MXY FSWを使用して製造された接合部は、溶融溶接技 術と比較して、溶接ナゲット内の補強材の分布がより 細かく均一です。これは、ベース複合材に近い高い接合強度につながります。FSWでは液化や再凝固の欠陥がないため、MMCの融解溶接でよく見られる割れや気孔の問題を防ぐことができます。

自動車および航空宇宙産業

航空機の主翼と胴体パネル

大手航空機メーカーは、主翼、胴体、尾翼のアルミニウム合金パネルの接合にFSWを多用しています。エンブラエルは、Eジェットの主翼のスキンとスパーの製造にこの技術を使用しています。ボーイング社では、747-8のパネルにFSWを使用し、33kmを超える溶接を行っています。

自動車ボディおよびシャシー部品

ボンネット、ドア、リア・ボディ・パネル、サスペンション・リンクなどの自動車構造部品は、トップ・メーカーによってFSW接合されています。マツダは、大型トラック「ボンゴ」を含む複数のモデルでこのプロセスを採用。フォードはF-150ピックアップとエクスペディションSUVのアルミボディにFSWを採用。

海洋・運輸

造船と船舶

イタリアの造船会社フィンカンティエリは、フェリーや客船の上部構造、甲板、隔壁をすべてFSW接合アルミニウム板で建造しています。Dockwise社は、大型輸送船のポンツーンスリーブの接合に摩擦攪拌突合せ溶接を使用しています。

地下鉄と高速鉄道

デリー、ムンバイ、シドニーなどの都市の地下鉄列車は、アルミニウムの車体パネルとアンダーフレームをFSW接合しています。日本の新幹線車両は、構造部品と外皮に摩擦攪拌接合アルミニウム合金を使用しています。

要約すると、摩擦攪拌接合は、航空宇宙、自動車から海洋、輸送、電子機器に至るまで、さまざまな産業でさまざまな金属や合金の効率的で欠陥のない接合を可能にします。摩擦攪拌接合の用途は、継続的なプロセス開発により、新たな分野へと拡大し続けています。

金属接合への挑戦と最新の進歩

難溶接材料

摩擦攪拌接合技術は、従来は接合が困難とされてきた材料の接合に応用されています。

鋼とチタン合金の接合

亀裂のために溶融溶接が困難な高強度鋼やチタン合金を接合するためのFSWの実現可能性について、かなりの研究が行われています。予備的な研究では、異種鋼-アルミニウムおよびチタン-アルミニウム溶接で望ましい強度が得られることが示されています。

異種金属接合

FSWは、アルミニウムと銅、マグネシウム、炭素繊維強化プラスチックなどの異種材料の接合についても研究されています。ジルコニウム合金と鋼の溶接に成功し、固体プロセスの多用途性を実証しました。

プロセス最適化研究

ツール設計の改善

ねじ切り、ベント、高度なショルダー機能を備えた工具設計は、接合部の溶け込み、ヒートフロー、材料の混合を改善するために研究されています。輪郭のあるピンは、厚い断面の溶接部の欠陥低減に役立ちます。

パラメータ最適化

研究では、プランジ力、回転速度、移動速度、工具形状など、相互に依存するパラメータを最適化します。実験と連動した熱モデルにより、欠陥防止に関する洞察が得られます。

微細構造の進化

攪拌ゾーンの粒径と組織を支配する因子を調べる研究。冷却速度とツールの特徴を調整することで、困難な合金の組み合わせの微細構造と機械的特性を改善。

革新的なデリバティブ

摩擦攪拌スポット溶接

この開発により、シートアセンブリのスポット接合が可能になりました。抵抗スポット溶接よりも優れており、自動車のクロージャーやボディパネルに応用されています。

摩擦攪拌加工

この技術は、注意深く制御された攪拌作用によって材料特性を変化させます。用途としては、金属マトリックス複合材料の特性向上や傾斜ナノ構造の作製などが挙げられます。

フリクションハイドロピラー加工

FSWと押し出し成形のハイブリッドにより、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼などの材料から管状部品や中空部品を製造する選択肢が広がります。

継続的な進歩により、摩擦攪拌接合の用途は、材料、設計、大量生産の新領域へと拡大し、業界を横断しています。

結論

結論として、摩擦攪拌接合は1991年の発明以来、金属接合に革命をもたらしました。もともとはアルミニウム合金の融接の代替技術として開発された摩擦攪拌接合は、現在では成熟した技術として、従来技術では困難とされていた用途にさまざまな産業分野で利用されています。優れた機械的特性、欠陥の低減、安全性、自動化能力、幅広い金属合金の接合能力など、摩擦攪拌接合独自の利点により、好ましい製造方法となっています。材料流動挙動の解明、プロセスパラメーターの最適化、高度なツールの設計を目的とした継続的な研究により、摩擦攪拌接合の範囲と生産性はさらに向上しています。摩擦攪拌スポット溶接や摩擦攪拌加工などの革新的な派生技術により、摩擦攪拌接合の応用範囲は新たな製造領域にも広がっています。継続的な開発努力により、摩擦攪拌接合とその亜種は、従来の製造アプローチを破壊し続け、将来的には産業界全体で高度な合金の組み合わせと部品設計の製造を可能にすると思われます。

よくあるご質問

溶融溶接と比較して、FSWの主な利点は何ですか？

ポロシティやクラックのような欠陥のない、より強靭で高品質な溶接部が得られます。また、より安全で自動化され、あらゆる位置で作動し、歪みも少なくなります。

FSWは平らな板やプレートの接合に限られますか？

いいえ、進歩により、複雑な3D形状、管状/中空部品、異種/多材質の組み合わせのFSWが可能になりました。スポット溶接ツールにより、パネル組立が可能です。

溶接品質に影響する要因は何ですか？

主な要因は、工具設計（ピン/ショルダープロファイル）、回転/移動速度、プランジ深さ、材料と厚みに合わせたピン力です。熱、材料の流れ、接合強度は最適化されます。

他の接合技術はFSWに取って代わることができますか？

多くの用途では、同じ程度の一貫性と機械的完全性を提供する代替案はありません。しかし、FSWツールへのアクセスが制限されている場合には、特殊な締結具が使用できる場合があります。