摩擦攪拌溶接（FSW：Friction Stir Welding）は、回転ツールの摩擦熱と攪拌作用で材料を軟化させ、溶かさずに接合する固相接合の溶接法です。アルミ合金などの高品質・低歪み接合に強く、軽量化や気密用途で採用が進んでいます。
摩擦攪拌溶接とは
摩擦攪拌溶接は、消耗電極やアークを使わず、工具（ツール）を回転させて材料同士を攪拌しながら接合する工法です。溶融を伴いにくいので、ブローホールや割れなど「溶かす溶接」で起きやすい欠陥を抑えやすい点が特徴です。
開発背景と目的
摩擦攪拌溶接は、溶融溶接が難しいアルミ合金などで、歪みや割れを抑えつつ高品質に接合する目的で発展してきました。軽量化・気密性・寸法精度が同時に求められる製品で、工程短縮と品質安定の両立を狙えます。
基本的な仕組み
回転するツール（ショルダーとピン）を継手に押し付け、摩擦熱で材料を塑性化させ、ツールが前進することで材料を攪拌・鍛接して接合します。固化は冷却で進み、溶融池ができにくいのがポイントです。
- ショルダー：摩擦熱の主な発生源。表面を押さえ、塑性流動を安定させる
- ピン：板厚方向へ材料を動かし、接合界面を攪拌する
- 押付荷重：塑性化と欠陥抑制に影響。過小は未接合、過大は薄肉変形の原因
- 回転数・前進速度：入熱と攪拌量を決め、溶け込みならぬ接合品質を左右する
種類
FSWには、形状・工程に合わせた派生工法があります。狙いは「直線継手」「点接合」「端部や曲線」などの適用範囲を広げることです。
- 通常FSW：突合せ・重ねの直線溶接で最も一般的
- スポットFSW（FSSW）：点接合（抵抗スポット溶接の代替候補）
- ボビンツールFSW：上下から挟む構造で裏当て不要を狙うタイプ
- 摩擦攪拌処理（FSP）：接合ではなく組織改質・表面改質を目的とする
主な適用材料と用途
FSWは非鉄金属、とくにアルミ合金で強みが出やすい工法です。寸法精度や気密性を重視する製品で、後工程の削減につながる場合があります。
- 材料例：アルミ合金、マグネシウム合金、銅系材料 など（材質・条件で可否が変わる）
- 用途例：車両・輸送機器の軽量パネル、熱交換器部材、筐体、バッテリー周辺部品、タンク・気密構造
- 狙い：低歪み、気密、外観品質、溶接欠陥の抑制、後加工の削減
メリット
FSWの本質的な利点は、溶融が起きにくい固相接合であることです。品質と歪みの課題を同時に改善しやすく、安定量産に向きます。
- 低歪み：入熱が局所化しやすく、変形と残留応力を抑えやすい
- 欠陥が出にくい：ブローホールやスパッタが発生しにくく、気密性を狙いやすい
- 作業環境：アーク光や溶接ヒュームが少なく、作業環境を整えやすい
- 消耗品が少ない：溶加材やシールドガスの比率を下げられる場合がある
- 再現性：条件が固まると品質が安定しやすく、自動化と相性が良い
デメリットと限界
一方で、FSWは「高い押付力」と「ツールの通り道」が必要です。設計自由度と設備要件の制約を理解した上で導入判断を行います。
- 設備要件：高い剛性と押付力が必要で、専用機・治具投資が発生しやすい
- 始終端の処理：ツール挿入・引抜きで端部に穴や欠陥リスクが残るため、逃げ代設計が重要
- 形状制約：狭所や複雑三次元形状は適用が難しい場合がある
- ツール寿命：材質によって摩耗が大きく、条件とツール材の選定が必要
- 材料適用：鉄鋼など高融点・高強度材は難易度が上がり、設備とツールの選択が厳しくなる
他工法との比較
選定は「歪み」「気密」「板厚」「量産性」「設備制約」で判断すると整理しやすくなります。FSWは特にアルミで、歪みと欠陥の両方を抑えたいときに優位になりやすい工法です。
| 工法 | 強み | 向く用途 | 注意点 |
|---|---|---|---|
| 摩擦攪拌溶接（FSW） | 低歪み、気密性、欠陥抑制 | アルミ構造、パネル、タンク、筐体 | 設備剛性・押付力、始終端処理、形状制約 |
| MIG/MAG | 高速、量産向き、設備汎用性 | 鋼構造、フレーム、汎用溶接 | 歪み、スパッタ、ヒューム、気密は条件次第 |
| TIG | 高品質、薄板、外観 | 少量多品種、補修、精密 | 速度が遅い、技能依存が出やすい |
| レーザー溶接 | 高速、低入熱、ライン組込み | 薄板量産、精密部品 | 継手精度要求、反射材や厚板で難易度が変動 |
選定基準
FSWがハマる条件は「アルミなど非鉄」「長尺直線」「歪み許容が厳しい」「気密が必要」の組み合わせです。逆に、三次元形状や端部処理が難しい設計では別工法の方が合理的な場合があります。
- 材質：アルミ合金など固相接合のメリットが出る材料か
- 継手形状：突合せ・重ね・長尺直線が中心か
- 品質要件：気密性、歪み、外観、後加工の最小化が重要か
- 生産形態：量産で条件固定の価値が大きいか
- 設備制約：押付力を受ける治具と設備スペースを確保できるか
- 端部設計：挿入・引抜きの逃げや穴処理を設計で吸収できるか
導入手順
導入は設備選定よりも先に、継手設計と端部処理、治具構想を固めることが重要です。試作で欠陥モードを潰し、条件を固定してから量産へ移行します。
- 要求仕様の整理：歪み、気密、強度、外観、検査要件を明確化
- 継手・端部設計：逃げ代、穴処理方法、板厚公差の吸収方法を決定
- 治具構想：クランプ、裏当て、反力受けを設計し、変形を抑える
- 試作・条件出し：回転数、前進速度、押付力、ツール形状を最適化
- 検査設計：外観、寸法、必要に応じてUT、リーク試験、断面確認を定義
- 量産運用：条件表、ツール交換基準、点検、ログ管理で再現性を維持
コストの考え方
FSWは設備・治具・ツールにコストが寄る一方、手直しや後加工、欠陥対応の削減で総コストを下げられる場合があります。評価は「1本あたり加工費」ではなく、工程全体のコストで行うのが現実的です。
- 増えやすい費用：専用機/改造費、治具費、ツール費、試作・条件出し工数
- 減らしやすい費用：歪み矯正、溶接欠陥手直し、後加工、気密不良対応、消耗材
- 投資回収の見方：量産本数、歩留まり改善、後工程削減、検査簡略化の寄与で評価する
導入時の注意点
FSWは工程設計が品質を決める工法です。特にクランプ不足と端部設計不備は、立上げの失敗原因になりやすいので最優先で潰します。
- クランプと反力：押付力に負けない治具設計が必須
- ギャップ・段差管理：継手精度と板厚ばらつきが欠陥に直結する
- ツール管理：摩耗・欠けで品質が崩れるため、交換基準と点検を標準化する
- 始終端処理：穴や欠陥リスクを設計で逃がし、仕上げ方法を決めておく
- 熱管理：低歪みでもゼロではない。固定条件と冷却条件を合わせて管理する
安全性
アーク光や溶接ヒュームが少ない一方、回転工具・高荷重・高温部への安全配慮が必要です。巻き込み防止、遮へい、騒音・振動対策、保全手順の整備が基本です。
- 回転体の巻き込み防止：保護カバー、非常停止、手袋運用ルール
- 高温部対策：やけど防止の表示、冷却時間の管理
- 騒音・振動：作業環境測定と必要に応じた保護具
- 保全：ツール交換時のロックアウト、点検手順の標準化
よくある質問（Q&A）
Q. 摩擦攪拌溶接はなぜ歪みが少ないのですか？
A. 溶融池を大きく作らず、摩擦熱で材料を軟化させて塑性流動で接合するため、入熱が局所化しやすいのが理由です。溶融溶接に比べて熱影響が小さく、変形や残留応力を抑えやすくなります。とはいえ固定条件や板厚によっては変形が出るため、治具設計が重要です。
Q. アルミ以外の材料にも使えますか？
A. 非鉄金属を中心に適用例がありますが、材質が硬くなるほどツール摩耗や必要荷重が増え、難易度が上がります。適用可否は材質、板厚、品質要件、設備剛性で決まるため、実機試作での確認が基本です。
Q. 始終端の穴は必ず残りますか？
A. 工程や設計によりますが、ツールの挿入・引抜きで端部に痕跡が残りやすいのは事実です。逃げ代を設けて後で切り落とす、終端処理を別工程で行う、端部を機械加工で仕上げるなど、製品要件に合わせて設計で吸収します。
Q. 気密性が必要な製品にも向きますか？
A. 向くケースがあります。ブローホールが起きにくく、溶融溶接に比べて欠陥を抑えやすい一方、条件不適合やクランプ不足でトンネル欠陥などが出る可能性があります。リーク試験を含む検査設計と、条件固定・ツール管理が前提です。
Q. 量産に向いていますか？
A. 向いています。条件が固まると再現性が高く、作業者差を抑えやすいからです。量産では、治具の耐久性、ツール寿命、点検周期、ログ管理をセットにして工程能力を維持することがポイントです。
まとめ
摩擦攪拌溶接は、回転ツールの摩擦熱と攪拌で材料を塑性化させ、溶かさずに接合する固相接合の溶接法です。アルミ合金などで低歪み・気密・欠陥抑制のメリットが出やすく、量産でも再現性を作りやすい一方、設備剛性、治具、始終端処理、ツール管理といった工程設計が成否を分けます。材質・形状・品質要件を整理し、試作で欠陥モードを潰して条件を固定することが、導入を成功させる最短ルートです。
