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アルミニウムの摩擦攪拌接合とは？

Q-摩擦攪拌接合という溶接方法があると聞いたのですが、どんなものですか？ かなり新しいもので、特にアルミニウムの溶接に適したプロセスらしいです。 摩擦攪拌接合 (FSW) プロセスは 1991 年に発明され、英国ケンブリッジにある溶接研究所 (TWI) で開発され、特許を取得しています。 最初の専用市販の摩擦攪拌接合機は、ESAB Welding and Cutting Products社がスウェーデンのラクサにある同社の装置製造工場で製造したものです。 このプロセスの開発は、従来の回転運動や直線往復運動による摩擦攪拌接合プロセスからの大きな変化であった。 摩擦圧接のプロセス群の中で、大きな柔軟性をもたらした。

従来の回転摩擦圧接プロセスは、接合する部品の少なくとも一方を回転させる必要があり、断面が円形で長さに制限のある定形部品の接合という実用上の制限があった。 短い管や同じ直径の丸棒などがその例である。

直線往復運動プロセスもまた、接合される部品の動きを必要とする。 この工程では、2つの部品間を直線的に往復運動させることで摩擦を発生させる。 このプロセスでは、接合される部品の規則性はそれほど必要ではありませんが、溶接中に部品が動くことは不可欠です。

これらのプロセスの明らかな限界は、接合設計と部品形状の制限です。 接合される部品の少なくとも1つは対称軸を持ち、その軸を中心に回転または移動可能でなければなりません。

摩擦攪拌接合（FSW）は、広範囲の材料の厚さと長さで、突き合わせ接合または重ね接合を製作することができます。 FSWでは、非消耗性の工具を接合する基板にこすりつけることで熱が発生し、工具を接合する材料に通すことで変形が生じます。 回転する工具が体積発熱するため、工具を進行させると連続した接合部が形成される。 FSWは、他の摩擦圧接と同様に、その大部分が固相状態である。 そのため、摩擦攪拌接合は、他の融接の障害となる凝固に関連した欠陥の影響を受けにくい。 図1にFSWの工程を示します。 接合する部品は、通常、突き合わせ状に配置される。 次に、回転する工具をワークピースに接触させる。 工具には、工具の下面から突出したプローブと、比較的大きな直径を持つショルダーの2つの基本部品がある。 プローブの長さは、通常、ワークの厚みに合わせて設計されている。 溶接は、まず回転するプローブをワークピースに突っ込み、ショルダーが部品上面に密着することで開始される。 回転するショルダー部が力を受けて部品上面をこすると、摩擦熱が発生する。 十分な熱が発生し、ワークピースに伝導すると、回転工具は前方に押し出されます。 材料はショルダーの加熱作用で軟化し、プローブによってボンドラインを横切って運ばれ、接合が促進されます。

FSWプロセスの制限の1つは、動作温度における工具の機械的安定性である。 FSWの間、工具は基材を鍛造温度まで加熱するだけでなく、鍛造の機械的作用も提供する役割を担っている。 そのため、金型材料は、変形する基材に接触した状態で、過度の摩耗や変形を起こすことなく、高い鍛造荷重と温度を維持できるものでなければならない。 そのため、FSW の用途の大部分は、低い鍛造温度の材料が用いられてきた。 このうち、最も重要な材料はアルミニウムである。 事実上すべてのクラスのアルミニウム合金の摩擦攪拌接合が成功しています。 1XXX、2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX合金、および新しいAl-Li合金が含まれます。 各合金系は冶金学的に区別されます。 さらに、あるクラス内の異なる合金は、異なる鍛造特性を持つ可能性があります。 その結果、各合金の処理は異なる場合があります。

いくつかのアプリケーション：

このプロセスに関連するいくつかのアプリケーションでアーク溶接よりも利点の可能性があるので、FSWはアルミニウムを扱う産業の多くの分野から関心を持たれています。 その利点とは、母材を溶かすことなく、アルミニウムで長尺の溶接を行うことができることです。 これは、従来のアーク溶接と比較して、重要な冶金的利点をもたらす。 FSWでは母材が溶融しないので、一部のアルミニウム合金のアーク溶接でしばしば問題となる凝固割れの可能性を排除することができる。 その他の利点としては、溶接時の低加熱に伴う低歪み、アルミニウムのアーク溶接時に問題となる気孔の排除、突合せ接合は通常角突きで行われるため端部の準備が最小限で済む、シールドガスや溶加材などの溶接消耗品が不要である、などが挙げられます。

摩擦攪拌接合プロセスは、航空宇宙、軍用車両、航空機、自動車、造船、鉄道車両業界、およびおそらくその他の業界で使用および評価されています。