摩擦攪拌溶接(FSW)

特徴

• FSWでは、突合わせ面にプローブ(ピン)を回転させながら圧入し、この回転による摩擦発熱で溶接部の塑性流動を生じさせる
• 溶接部の最高温度は軟化温度以上であるが、溶融温度には達していない
• 溶接機構は固相接合に分類される
• FSWの特徴は、溶接変形が少ないことである

詳細説明

摩擦攪拌溶接（Friction Stir Welding、略称：FSW）は、1991年にイギリスのTWI（The Welding Institute）によって開発された、固相接合技術の一つです。従来のアーク溶接やレーザー溶接などと異なり、材料を融解させることなく接合するのが特徴であり、特にアルミニウム合金などの軽金属の接合において優れた性能を発揮します。

原理とプロセス

FSWでは、特殊な回転工具（プローブとショルダーから構成される）を使用します。回転する工具を接合したい材料の接合線上に押し付けながら進行方向に移動させることで、以下のようなプロセスが進行します。

1. 加熱
   回転工具が摩擦熱を発生させ、材料の接合面近傍を塑性変形可能な状態（高温だが融点以下）に加熱します。
2. 攪拌
   工具のプローブ部分が材料を攪拌し、塑性状態の材料が混合されます。これによって接合面の酸化皮膜や汚れなどが破壊・除去され、クリーンな金属同士が接触する状態になります。
3. 凝固（冷却）
   攪拌された材料は工具が通過した後、圧力を受けたまま冷却・固化し、強固な接合部が形成されます。

このプロセスは材料が液体にならないまま進行するため、融接法に比べて接合部の品質が高く、ひずみや欠陥が少ないとされています。

特徴と利点

FSWには以下のような多くの利点があります：

• 高品質な接合
  気孔（ピンホール）や割れ、溶け込み不足といった溶接欠陥が発生しにくく、優れた機械的特性を持つ接合部を形成できます。
• 低ひずみ・低残留応力
  融解を伴わないため、熱による材料変形が少なく、構造精度を維持しやすいです。
• 環境負荷が小さい
  溶接中に有害なガスやスパッタが発生しないため、作業環境に優しく、保護ガスも不要です。
• 異種材接合が可能
  アルミニウムと銅、アルミとマグネシウムなど、異なる金属同士の接合にも応用可能です。

主な用途

FSWはその特性から、多くの産業分野で利用されています：

• 航空宇宙産業
  航空機の翼や燃料タンクのアルミ構造に使用されており、軽量化と高強度を両立できます。
• 自動車産業
  車体やバッテリーケースのアルミ部品接合に用いられ、電気自動車の軽量化に貢献しています。
• 鉄道・船舶
  鉄道車両や高速船の構造部材にも適用されており、強度と耐久性が求められる大型構造物に向いています。
• 電子機器
  放熱板や筐体など、熱伝導が重要な部品の接合にも使われています。

課題と今後の展望

FSWは多くの利点を持つ一方で、いくつかの課題も存在します。

• 設備コスト
  高精度な工具と制御装置が必要なため、初期導入コストが高い傾向があります。
• 形状制約
  接合には一定の押し付け力が必要であり、板材など比較的平坦な形状に限られます。複雑形状への適用は難しい面があります。
• 接合可能材料の制限
  鉄鋼や高融点材料のFSWは難易度が高く、特殊工具や高いプロセス温度が必要になります。

今後は、ロボットとの連携による自動化や、三次元形状への適用、高融点材料への適用技術の進展が期待されています。また、FSWの原理を応用した「摩擦攪拌加工」や「摩擦攪拌接合（FSP）」などの新技術も開発されており、より広い分野での活用が進むと考えられます。

まとめ

摩擦攪拌溶接（FSW）は、従来の溶接技術とは一線を画す固相接合法であり、特に軽金属材料に対して高強度かつ高品質な接合を可能にします。環境負荷の低減や接合精度の向上といった利点により、航空宇宙、自動車、電子機器など多くの分野で重要性が高まっています。今後の技術進化によって、さらに広い応用範囲を持つことが期待される先進的な接合技術の一つです。