摩擦攪拌溶接とは
相手材に対して非常に固いロータリーツールを用いて、摩擦熱を利用して材料を溶接する方法です。この溶接プロセスでは、直接的に溶けた材料は生成されず、代わりに、プラスチック状態で材料が混合・結合されます。
開発背景と目的
1991年に英国のThe Welding Institute (TWI)によって開発されました。主な開発の目的は、アルミニウム合金などの溶接が困難な材料を効果的に溶接する新しい方法を提供することでした。従来の溶接方法では、これらの材料は高温により容易に劣化し、溶接後の品質に問題が発生することが多かったため、これを解決する新しい溶接方法が求められていました。
基本的な仕組み
主な作業プロセスは、回転する溶接ツール（ピンとショルダーで構成される）を溶接面に押し当て、摩擦熱により材料をプラスチック状態にすることです。ツールは材料を攪拌し、結合面を混合します。その後、ツールが引き上げられ、材料は冷却・固化し、溶接部が形成されます。
使用する主な設備やツール
専用の溶接ツールとCNCマシンやロボットなどの設備が必要となります。溶接ツールは、高い硬さと耐摩耗性を持つ材料（例えば、高速度鋼やポリクリスタルダイヤモンド）で作られ、一般的にはピンとショルダーで構成されます。これらのツールは材料を攪拌し、混合するために使用されます。
主な利点
その優れた性能と効率性から多くの利点を持ちます。以下に主なものを挙げます：
高品質の溶接：溶接部に優れた機械的特性と結晶構造を提供します。これは、直接的な溶融がないために生じる微細な結晶構造に起因します。
多様な材料への適用性：アルミニウム合金、銅、鉛、チタン、ニッケル合金など、伝統的な溶接方法で溶接が難しい材料に対しても適用可能です。
環境に優しい：溶接煙や放射線を発生させないため、作業環境が改善されます。また、溶接に使用するフラックスや保護ガスが不要なため、材料コストと廃棄物処理の問題が軽減されます。
限界や課題
しかし、いくつかの限界や課題も存在します。主なものは以下のとおりです：
複雑な設備要件：比較的高度な溶接装置とCNC機械やロボットを必要とするため、初期設備投資が大きくなります。
一部の材料に対する限定的な適用性：主に比較的軟らかい非鉄金属材料に適しており、鉄鋼などの硬度が高い材料に対する適用性は限定的です。
溶接速度の制限：ツールが材料を適切に混合できる速度に制限され、高速での溶接が困難です。
実用例
航空宇宙、自動車、鉄道、造船、電子製品などの産業で広く使用されています。たとえば、航空宇宙産業では、アルミニウム合金の翼や燃料タンクの製造に使用されています。また、自動車産業では、軽量化を目指してアルミニウム合金の使用が増えており、その結果、使用も増えています。
特に効果的とされる製造業の分野や状況
アルミニウム合金やその他の非鉄金属の製造に特に効果的です。これは、これらの材料がFSWのプロセスで高品質の溶接を達成しやすいためです。また、これらの材料は、従来の溶接方法では溶接に難しさが伴うことが多く、その解決策として優れた性能を示します。
安全性
比較的安全な溶接方法と見なされています。これは主に、溶接煙や放射線を発生しないため、作業者がこれらの危険から保護されるためです。しかし、溶接プロセス中に発生する熱やノイズ、振動から作業者を保護するための適切な安全対策が必要です。
基本的なガイドラインや準則
プロセスは、溶接ツールの選択、ツールの旋回速度と進行速度、押し付け力など、多くのパラメータによって影響を受けます。これらのパラメータは、溶接部の品質と溶接速度に直接影響を与えるため、適切な調整が必要です。これらのパラメータは、材料の種類、厚さ、溶接の設計要件などに基づいて選択されます。
また、比較的高い力を必要とするプロセスであり、適切な装置と設備の使用が必要です。溶接ツールは、適切な耐久性と性能を確保するために定期的に検査とメンテナンスが必要です。
まとめ
優れた溶接品質と広範な材料適用性を持つ効率的な溶接方法です。特に、アルミニウム合金やその他の非鉄金属の溶接においては、優れた選択肢となります。しかし、適切な設備とツールの選択、およびパラメータの適切な調整が、プロセスの成功にとって重要な要素となります。
