摩擦拡散溶接
摩擦拡散溶接は、英語でFriction Stir Welding（FSW）と呼ばれ、回転するツールを母材に押し当てて強い摩擦熱を発生させ、材料を塑性流動状態に導いて接合する固相接合技術である。従来の溶融溶接とは異なり、母材そのものを融かさずに、摩擦による熱エネルギーと機械的攪拌（かくはん）作用で材料を混ぜ合わせるため、溶融溶接で生じやすい気孔や割れといった欠陥を大幅に低減できる。この技術は主にアルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽金属への適用で注目を集めてきたが、ツール材の進化に伴い鋼やチタン合金、異種金属間の接合にも活用され始めている。また、板厚の薄い金属を大量に接合する航空機産業や、自動車の車体軽量化を目指す製造分野など幅広い分野での導入が進んでいる。硬質な接合面を得つつ残留応力を抑えられることから、近年では半導体製造装置の構造部品など、高度な精度とクリーン度が求められる分野でも応用が期待されている。
原理とプロセス
摩擦拡散溶接は、円柱や肩部をもつ特殊なツールを高速回転させながら母材に押し付けることで開始する。ツール先端のプローブ（突起部）が材料に食い込み、摩擦熱の発生とともに周囲の材料が塑性状態になり、ツールの回転方向に沿って攪拌される。その後、ツールの移動によって母材がかき混ぜられながら後方で冷却・圧着され、連続的な接合部が形成される。接合面の強度はプロセス温度やツール形状、押し付け圧力、回転数、送給速度など多くのパラメータに左右される。適切に条件を最適化することで、欠陥の少ない強固な接合を獲得できる。
特徴と利点
摩擦拡散溶接が注目される最大の理由は、溶融溶接で生じやすい欠陥の低減にある。母材を溶融させずに圧力と熱エネルギーで接合するため、気孔やスラグ、割れの発生リスクが大幅に小さい。しかも接合中の温度が溶融点より低いため、母材の熱影響部（HAZ）も比較的狭く、金属組織が過度に変性しにくい。さらに、歪みや残留応力を抑えられる結果、部材全体の寸法精度を保ちやすい。また、アルミニウム合金同士やアルミニウムと銅など異種材料を接合できる点も大きな魅力であり、板厚や形状のバリエーションが増えつつある複合材料の世界に適した手法といえる。
適用領域
航空宇宙産業では、軽量化が求められるロケットや航空機の燃料タンクや外装パネルに摩擦拡散溶接が導入されている。さらに、自動車産業でもアルミニウム合金を用いたボディやサブフレームの製造で採用が進む。鉄道車両の一部では、従来のスポット溶接からFSWへの切り替えが検討され、騒音低減や部材強度の向上を狙う事例がある。また、造船業界でも船体や内部構造の軽量化・補強に応用可能とみられており、鋼板への適用をめぐる研究が行われている。さらに、アルミと銅を組み合わせた二次電池のタブ接合など、エネルギー分野でも活発な研究開発が進んでいる。
工具と設備
摩擦拡散溶接を実現するには、専用ツールと高剛性をもつ工作機械やロボットシステムが必要となる。特に、高融点金属に適用する場合は工具素材にタングステン系合金など耐摩耗・耐熱性の高い材料が使われる。工具形状も、プローブの形状や肩部のデザインを最適化し、塑性流動が円滑に起こるよう設計されている。また、大型部材を扱う場合には強力なクランプ機構や制御システムが不可欠で、複数の軸を同時に制御して一定の押し付け力と回転数を維持できる装置が求められる。これらの要素が整った環境であれば、安定した接合品質を得ることが可能となる。
課題と展望
摩擦拡散溶接には多くの利点がある一方、ツールや設備のコストが高くなるという課題がある。特に高硬度の材料を接合する場合、ツール寿命が短くなるため交換頻度も増える。さらに、加工形状に制約があり、深い角度のついた溶接や複雑な3次元曲面に対する適用は依然として難しいとされる。とはいえ、高品質かつ軽量化や異種金属の接合ニーズが高まる時代背景を踏まえると、FSW技術の発展は今後も続くことが予想される。高トルクかつ高精度な制御装置や先端的なツール素材の研究が進展すれば、鋼やチタン、複合材料など対象素材の拡大が期待できる。