摩擦溶接

摩擦溶接（FWR）は、互いに相対的に動くワークピース間の機械的摩擦によって熱を発生させる固体溶接および接合プロセスです。このプロセスは、「アップセット」と呼ばれる横方向の力を加えて、材料を塑性的に変位させて融合するために使用されます。 ^[1]摩擦溶接は、鍛造溶接に似た固体溶接技術です。融着溶接プロセスの代わりに、摩擦溶接は、さまざまな航空および自動車用途で 金属や熱可塑性プラスチックに使用されます。

摩擦溶接のISO規格はEN ISO 15620:2019であり、^{[2]には金属および}合金の溶接性に関する基本用語、定義、表に関する情報が含まれています。

摩擦溶接に関連するいくつかのアプリケーションと特許は、20世紀初頭にまで遡ります。^[3]回転摩擦溶接は、最も古い方法です。^[4] W. Richterは、1924年^[5]にイギリスで、1929年^[5]にワイマール共和国で線形摩擦溶接（LFW）プロセスの方法の特許を取得しました。 このプロセスの説明は曖昧で^[4] 、H. Klopstockは1924年にソビエト連邦でこのプロセスの特許を取得しました。 ^[5]回転摩擦溶接に関する最初の説明と実験は、1956年にソビエト連邦で行われ、[ 3 ^{] [5]} AI Chudikovという機械工が科学的研究を調査し、この溶接方法を商業プロセスとして使用することを提案しました。[ 5 ^]このプロセスは1960年に米国に導入されました。^[3 ]ヨーロッパ全土とソ連でも特許が発行された。イギリスにおける摩擦溶接の最初の研究は1961年に溶接研究所によって行われた。 ^[5]

米国では、キャタピラー社とマニュファクチャリング・テクノロジー社（MTI）が1962年に慣性プロセスを開発しました。^{[3] [5]}欧州では、KUKA AGとThompsonが1966年に産業用途の回転摩擦溶接を発売し、^[6]ダイレクトドライブプロセスを開発し、1974年に^{[6]大型トラックの}車軸用にrRS6ダブルスピンドルマシンを構築しました。^[6]もう1つの方法は、1960年代半ばにソ連でYu. Klimenkoによって発明され、1967年に特許を取得しました。^[7]英国の溶接研究所（TWI）で実験的に実証され、商用技術に開発され、1991年に再び特許を取得しました。摩擦撹拌溶接（FSW）プロセス^[8]は、非消耗工具を使用して、ワークピースの材料を溶かさずに2つの向かい合うワークピースを接合する固体接合プロセスです。

標準的な摩擦溶接技術を改良したものが、EWIとMTIが開発したハイブリッド技術である低力摩擦溶接であり、「外部エネルギー源を使用して接合される2つの部品の界面温度を上昇させ、従来の摩擦溶接と比較して固体溶接を行うために必要なプロセス力を低減します」。^[9]このプロセスは、直線摩擦溶接と回転摩擦溶接の両方に適用されます。^[10]

摩擦溶接にはさまざまな形態がありますが、以下は最もよく使用される方法です。^[11]

回転摩擦溶接（RFW）は摩擦溶接の主な方法の1つです。溶接された要素の1つを他の要素に対して回転させ、押し下げます。材料の加熱は摩擦作業によって引き起こされ、分離不可能な溶接を作成します。^[12]

リニア摩擦溶接（LFW）は、固定された部品の表面上で単一の部品を直線的に往復運動させる行為である。^{[13] [14]}

摩擦撹拌接合 (FSW) は、非消耗工具を使用して、ワークピースの材料を溶かすことなく 2 つの向かい合ったワークピースを接合する固体接合プロセスです。回転する工具とワークピースの材料の間の摩擦によって熱が発生し、FSW ツール付近の軟化領域につながります。工具が接合ラインに沿って移動すると、2 つの金属片が機械的に混合され、工具によって加えられる機械的圧力によって高温で軟化した金属が鍛造されます。

摩擦肉盛は、摩擦溶接から派生したプロセスで、コーティング材料を基材に塗布します。コーティング材料でできたロッド (メクトロードと呼ばれる) を圧力下で回転させると、基材との界面のロッドに可塑化層が生成されます。

直線振動溶接では、材料を接触させて圧力をかけます。次に、外部からの振動力を加えて、加えられた圧力に対して垂直に、材料同士を滑らせます。

軌道摩擦溶接はスピン溶接に似ていますが、より複雑な機械を使用して、可動部分がジョイント全体のサイズよりもはるかに小さい小さな円で回転する軌道運動を生成します。

• 鍛造溶接
• 摩擦撹拌接合（FSW）^[8]
• 摩擦撹拌スポット溶接（FSSW）^[15]
• リニア摩擦溶接（LFW）^{[16] [17]}
• パイプラインの円周溶接部の摩擦圧接（FRIEX）^[18]
• 摩擦ハイドロピラーオーバーラップ処理（FHPPOW）^[19]
• 摩擦ハイドロピラー処理（FHHP）^[20]
• リニア振動溶接
• ポリマーのスピン溶接
• 低力摩擦溶接^[9]

溶接継手の品質要件は用途形態によって異なり、例えば宇宙産業や航空産業では溶接ミスは許されません。^{[21]測定と数値的手法を用いて} 溶接品質試験保証が行われます。

例えば、強塑性変形^[22]などの技術によって得られる合金または金属の超微細粒組織が望ましく、高温によって変化しないため、大きな熱影響部は不要である。^{[23] [17]}

金属接合サイクル中に結晶粒構造が変化するだけでなく、高温の影響を受けた領域が発生する方法によって、相変態構造が発生します。たとえば、鋼では、オーステナイト、フェライト、パーライト、ベイナイト、^[24] セメンタイト、マルテンサイトの間で構造が変わります（鉄-炭素状態図を参照）。^[要出典]変化を避けるために、固体状態の溶接が望ましく、材料特性を弱める場合は大きな熱影響部は必要ありません。

個々の熱機械ゾーンは、例の記事を引用することで説明できます。

アンソニー・R・マクアンドリュー、ポール・A・コールグローブ、クレメント・ビューア、ベルトラン・CD、フリポ・アキレアス・ヴァイリス、「Ti-6Al-4Vリニア摩擦溶接の文献レビュー」、2018年。^[16]

技術的には、WCZ と TMAZ はどちらも「熱機械的影響領域」ですが、その微細構造が異なるため、別々に考慮されることがよくあります。WCZ では、著しい動的再結晶(DRX) が発生しますが、TMAZ では発生しません。HAZ 内の材料は機械的には変形しませんが、熱の影響を受けます。一方の TMAZ/ HAZ境界からもう一方の境界までの領域は、「TMAZ 厚さ」または塑性影響領域 (PAZ) と呼ばれることがよくあります。^[25]

ゾーン:

• WCZ – 溶接中心領域
• HAZ –熱影響部
• TMAZ – 熱機械的影響領域
• BM – ベース材料、親材料
• フラッシュ

溶接でも同様の用語が使われます。

摩擦圧接は、ベアリングなどの摺動面では意図せず発生することがあります。これは特に、低速、低温、油不足、過度のクリアランス、油の低粘度、表面の粗さの高さ、またはそれらの組み合わせにより、摺動面間の潤滑油膜が表面粗さよりも薄くなった場合に発生します。^[26]

耐焼付き性は、摩擦溶接に耐える材料の能力です。これは、ベアリング面、および一般に荷重がかかったスライド面の基本的な特性です。

• 摩擦圧接（マイクロ摩擦撹拌接合）もCNCマシンを使用して行われた。^[27]これは、フライス盤で安全かつ推奨されることを意味するものではない。
• 摩擦溶接は木材でも機能することが実証されている。^{[28] [29] [30]}

ISO (国際標準化機構) の ISO 15620:2019(en) 溶接 - 金属材料の摩擦溶接より:

軸方向力- 溶接される部品間の軸方向の力、

燃焼長さ- 摩擦段階での長さの損失、

燃焼率- 摩擦溶接プロセス中の部品の短縮率、

部品- 溶接前の単一部品、

コンポーネント誘発ブレーキ- インターフェース間の摩擦によって生じる回転速度の低下、

外部ブレーキ- 回転速度を低下させる外部ブレーキ。

接合面- 接合部を形成するために別の部品の表面と接触する部品の表面。

鍛造力- 部品間の相対運動が停止しているとき、または停止した時点で接合面に垂直に作用する力。

鍛造焼失長さ- 鍛造力の適用中に部品の全体の長さが短縮される量。

鍛造段階- 摩擦溶接サイクルにおける鍛造力の適用開始と終了の間の時間間隔。

鍛造圧力- 軸方向の鍛造力によって接合面にかかる圧力（単位面積あたりの力）、

鍛造時間- 部品に鍛造力が加えられる時間、

摩擦力- 部品間の相対的な動きがある間に接合面に垂直に作用する力。

摩擦段階- 摩擦溶接サイクルにおいて、溶接を行うために必要な熱が部品間の相対運動と摩擦力によって生成される時間間隔、すなわち部品の接触から減速の開始まで。

摩擦圧力- 軸方向の摩擦力によって接合面にかかる圧力（単位面積あたりの力）、

摩擦時間- 回転速度で摩擦力が作用しながら部品間の相対運動が行われる時間。

界面- 溶接作業の完了後に接合面間に形成される接触領域。

回転速度- 回転部品の1分間の回転数

突き出し- 部品が固定具またはチャックから相手部品の方向に突き出る距離。

減速段階- 摩擦溶接サイクルにおいて部品の相対運動がゼロまで減速される期間。

減速時間- 可動部品が摩擦速度からゼロ速度まで減速するのに必要な時間。

全長損失（アプセット） - 摩擦溶接の結果として生じる長さの損失、すなわち、バーンオフ長さと鍛造バーンオフ長さの合計、

総溶接時間- 部品の接触から鍛造段階の終了までの経過時間、

溶接サイクル- 機械が溶接部を作製し、初期位置に戻るために実行する一連の操作（部品の取り扱い操作を除く）

溶接物- 溶接によって接合された2つ以上の部品。^[2]