摩擦攪拌接合機（FSW）
摩擦攪拌接合機（FSW）は、回転工具の肩部とプローブ（ピン）を被接合材に押し当て、摩擦熱と塑性流動を利用して固相のまま材料同士を鍛接する装置である。溶融を伴わないため、溶接金属の凝固欠陥や大きな残留応力が生じにくく、特にアルミニウム合金を中心に、自動車・鉄道車両・船舶・航空宇宙・圧力容器・熱交換器の長尺継手で広く採用されている。CNCガントリやロボット、専用ヘッドにより高い軸力・トルク・位置精度を制御し、一定の入熱で安定した継手品質を得ることができる。
作動原理と材料組織
工具を母材に貫入させて所定の回転数で走行させると、接触面で発熱し、材料が軟化して可塑化する。肩部の鍛圧とプローブ周囲の攪拌により、可塑化材が後方へ押し出され、鍛造圧力下で固相接合が形成される。継手内部には、微細等軸粒の「撹拌部（ナゲット）」、強い塑性変形を受ける「熱機械影響部（TMAZ）」、主として熱影響のみの「HAZ」が生じ、溶融溶接に比べて粒成長が抑制される。析出硬化型合金では、強化相の再析出や粗大化とのバランスが強度に影響する。
- ピーク温度は一般に融点以下であり、凝固由来のポロシティやホットクラックが回避される。
- 撹拌・鍛圧により欠陥の閉鎖が進み、疲労強度と寸法安定性に優れる。
装置構成とツール設計
接合機は高剛性フレーム、主軸回転系、軸方向の荷重・位置制御、冷却・モニタリング系から成る。工具材はアルミ系に工具鋼、難加工材にはPCBNやW-Re合金など高温強度材を用いる。肩部は平滑や同心溝・スクロールなどで塑性流動を制御し、プローブ形状は円柱・テーパ・ねじ付き・三角断面などが選択される。一般に肩径は板厚の約3〜5倍、プローブ長は板厚にほぼ一致させ、ショルダーの押付け圧で十分な鍛圧を確保する。
- 工具傾斜角（通常1〜3°）で後方鍛圧を付与し、表面フラッシュとルート欠陥を抑制する。
- ボビンツール（二重肩）を用いれば板厚全域で均一入熱が得られ、反りを低減できる。
主要パラメータと入熱管理
基礎パラメータは回転数、走行速度、軸方向荷重（または押込み量）、貫入深さ、工具傾斜角である。入熱が不足するとトンネル欠陥や「キスボンド」を誘発し、過大だと過度な軟化・フラッシュや組織粗大化を招く。アルミ合金では回転数400〜2000 rpm、走行100〜1000 mm/min程度が用いられるが、材質・板厚・工具形状で最適領域は大きく変化する。実務ではトルク・主軸電力・軸力・温度の時系列をフィードバックし、適正窓を維持する。
- 回転数↑：入熱↑・撹拌促進だが過大で粗大化。
- 走行速度↑：入熱↓・生産性↑だが欠陥リスク↑。
- 押込み量↑：鍛圧↑・ルート健全性↑だが表面フラッシュ注意。
継手形状とプロセス派生
突合せ・重ね継手のほか、ピンを残す点接合であるFSSW（フリクション・スティア・スポット）や、リフィルFSSWのようにキーホールを埋め戻す方式もある。両側からの二面加工や多層パスで厚板にも対応し、異材接合（Al-Cu、Al-Mgなど）では界面反応層の制御が要点となる。攪拌のみを目的とするFSP（摩擦攪拌プロセッシング）は表層改質や鋳肌欠陥低減に用いられる。
接合機のタイプ
長尺・高精度にはガントリ型、柔軟な治具にはロボット・CNCレトロフィット型、狭所や曲線には増設ヘッド型が用いられる。力制御と位置制御を併用し、ビード追従のためのシームトラッキングや熱膨張補正を実装する。
適用材料と産業分野
アルミニウム合金（2xxx、5xxx、6xxx、7xxx）が主対象で、Mg・Cu・Zn系にも適用される。Ti・鋼は高温強度工具と厳密な熱管理が前提で、工具摩耗と反応層が課題となる。用途は車体フロア・電池トレイ、車両側壁パネル、船殻・デッキ、航空機リブ・クライオタンク、放熱器・ヒートシンクなど多岐にわたる。機械的締結（例：ボルト）に比し、軽量化・気密性・疲労耐性の点で優位となる場面が多い。
利点（品質・生産性・環境）
固相接合ゆえ変形が小さく、溶加材・フラックスを要しない。スパッタやヒュームが少なく作業環境に優れ、エネルギ効率が高い。連続長尺継手で寸法・強度のばらつきが小さく、自動化に適する。熱影響が限定的で塗装前処理や機械加工の手戻りが減る。
- 疲労・衝撃特性の向上、気密・水密性の確保、リワーク容易性が評価される。
- 溶接後の機械加工量を抑え、トータルコスト低減に寄与する。
限界と代表的欠陥
走行終端にキーホールが残る（リフィル方式で低減可）。厚板・難加工材では工具寿命と入熱管理が制約となる。剛性の高い治具・拘束が必須で、開先ギャップや板厚差には敏感である。代表欠陥はトンネル欠陥、キスボンド、ルート未融合、過大フラッシュ等で、外観のみでは検出困難な場合がある。
- 非破壊検査にはフェーズドアレイUT、渦流、熱画像、X線CT等が用いられ、工程内モニタ（トルク・軸力・温度）と併用する。
規格・品質保証・安全
アルミニウムのFSWにはISO 25239が参照され、手順適格性、作業指示、作業者（オペレータ）承認、検査・記録要件が体系化される。生産ではPQR/WPSに相当する条件票を整備し、工具・設備キャリブレーション、トレーサビリティ、異常時の再現試験を運用する。安全面では高温・高荷重・飛散物への対策、遮音、切粉除去、工具破損時のフェイルセーフが重要である。
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