回転摩擦溶接

回転摩擦溶接（RFW）は摩擦溶接の方法の1つで、摩擦の仕事を利用して分離できない溶接を作成する古典的な方法です。通常、溶接された要素の1つは、他の要素および鍛造（軸力によって押し下げられた）に対して回転します。材料の加熱は摩擦仕事によって引き起こされ、永久的な接続を作成します。この方法では、溶接される材料は同じ、異なる、複合^[1]または非金属材料にすることができます。摩擦溶接法は、多くの場合、固体溶接と見なされます。

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、^[4]回転摩擦溶接はこれらの方法の中で最も古いものです。^{[5] W. Richterは1924年に}イギリスで、1929年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。しかし、このプロセスの説明は曖昧で、 ^[5] H. Klopstockは1924年にソビエト連邦で同じプロセスの特許を取得しました。 ^[6]しかし、回転摩擦溶接に関連する最初の説明と実験は1956年にソビエト連邦で行われ、^{[4] [6]}機械工のAJ Chdikov（А. И. Чудиков ^[3]）によって、無数の科学的研究を調査した後、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。^[6]最初、彼は勤務していたエルブルスキー鉱山で偶然この方法を発見した。チディコフは旋盤のチャック内部の潤滑に十分注意を払わず、ワークピースを旋盤に溶接してしまったことを知った。^[3]彼はこの偶然を接合に利用できるのではないかと考え、高回転速度（2023年時点では^{[アップデート]}1秒間に約1000回転）で作業し、すぐにブレーキをかけて溶接部品を押さえつける必要があるという結論に達した。 ^[3]彼は冶金省に手紙を書くことを決意し、この溶接は不適切であるとの回答を受け取ったが、この方法に関する短いメモが連邦の新聞に掲載され、国立電気溶接機器科学研究所の所長であったユー・ヤ・テレンチェワの関心を呼び、時とともにチディコフの方法は広まっていった。^[3]このプロセスは1960年に米国に導入されました。^[4]米国の企業であるキャタピラートラクターカンパニー（キャタピラー-CAT）、ロックウェルインターナショナル、アメリカンマニュファクチャリングファウンドリーは、すべてこのプロセス用の機械を開発しました。特許はヨーロッパと旧ソ連全体で発行されました。イギリスで摩擦溶接の最初の研究は、1961年に溶接研究所によって実施されました。 ^[6]米国はキャタピラートラクターカンパニーとMTIを通じて1962年に慣性プロセスを開発しました。^{[4] [6]ヨーロッパは}KUKA AGを通じてトンプソンは1966年に産業用途の回転摩擦溶接を開始し、ダイレクトドライブプロセスを開発し、1974年には大型トラックの車軸用のrRS6ダブルスピンドルマシンを製造しました。^{[7] [8]}

1997年、「管状部材の摩擦溶接法」と題する国際特許出願が提出された。発明者A.グラハムは、直径152.4mmのパイプの溶接において、長いパイプを接続するための中間リングを備えたラジアル摩擦溶接を使用する方法を実証した。^{[9] [10] 1975年にいくつかの試みが行われ、 [11]}レニングラードの科学者が新聞でそのアイデアを理論化した後、ようやく成功した。 ^[3]英国の溶接研究所（TWI）で別の方法が発明され、実験的に証明され、1991年に特許を取得した。これは摩擦攪拌溶接（FSW）プロセスと呼ばれている。 ^[12] 2008年にKUKA AGは、 1000トンの鍛造力を持つSRS 1000回転摩擦溶接機を開発しました。^[7]改良された改良型は、EWIとManufacturing Technology Inc.（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る。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できます。^[13] 2020年現在、KUKAは44か国で事業を展開しており、1200以上のシステムを構築しています。 ^{[7] [14]}下請け施設向けも含まれています。^{[15][アップデート]}

しかし、世界には経験を持つ企業が他にもたくさんあります。例えば、The Welding Institute TWIは、プロセス開発に固有の50年以上の専門知識と洞察力を持っています。^[16] 2023年現在^{[アップデート]}、ますます多くの企業の協力により、摩擦溶接は科学的研究と産業用途の両方でさまざまな材料で世界中で普及しています。^[要出典]

回転摩擦溶接は製造業全体で広く導入されており、次のよう な多くの用途に使用されています。 ^{[17] [18] [19]}

• ガスタービンの部品、例えばタービンシャフト、タービンディスク、コンプレッサードラム、^[20]
• 自動車部品には、トラックの鋼製車軸^[21] およびケーシング、オーバーヘッドバルブエンジン、^[22]モーター中空ピストン、乗用車ホイールリム、乗用車オートマチックギア用コンバータ、ドライブシャフト、^[23]ヨークシャフト^{[24]が含まれます。}
• 航空機エンジン用タービン、^[25]
• モネルから鋼鉄製船舶用継手、
• ピストンロッド、
• 銅-アルミニウム電気接続、
• 熱交換器、
• ドリルビットを長くするための切削工具など[ ^26]
• ドリルパイプ、^[27]
• 原子炉圧力容器ノズル、^{[20] [28]}
• 異種金属（アルミニウム-チタンおよびアルミニウム -ステンレス鋼）を組み合わせた管状遷移ジョイント、
• 医療用途への可能性、^{[29] [30]}
• 工科大学の学習学生向け。

回転摩擦溶接は、さまざまな形状の部品を接合することができます。典型的には、チューブとチューブ、チューブとプレート、チューブとバー、チューブとディスク、バーとバー、バーとプレートの接合です。さらに、回転リングを使用して長い部品を接続します。^[32]

部品表面の形状は必ずしも平坦ではなく、例えば円錐面などである場合もある。^[33]

回転摩擦溶接により、さまざまな材料の溶接が可能になります。

同じ名前または異なる金属材料（複合材料[ ^{1] 、} 超合金^[34]、非金属（例えば熱可塑性ポリマー^[35]））は溶接することができ、木材の溶接も研究されていますが^[36]、木材を溶接することはお勧めできません。金属合金の溶接性表はインターネットや書籍で見つけることができます。^[31]

互換性のない材料を接続するために中間層が使用されることもあります。^{[29] [37]}

摩擦溶接は熱可塑性プラスチック部品の接合にも使用されます。^[35]

ダイレクトドライブ摩擦溶接（連続駆動摩擦溶接とも呼ばれる）では、駆動モーターとチャックが接続されています。駆動モーターは加熱段階の間、継続的にチャックを駆動します。通常、クラッチを使用して駆動モーターをチャックから切り離し、ブレーキを使用してチャックを停止します。

慣性摩擦溶接では、駆動モーターが切断され、ワー​​クピースは摩擦溶接力によって押し付けられます。回転するフライホイールに蓄えられた運動エネルギーは、フライホイールの速度が低下するにつれて、溶接界面で熱として消散します。溶接の前に、ワークピースの 1 つが、所定の重量のフライホイールとともに回転チャックに取り付けられます。次に、ワークピースは高速回転して、フライホイールに必要なエネルギーを蓄えます。適切な速度で回転したら、モーターを取り外し、ワークピースを圧力下で押し付けます。回転が停止した後も、ワークピースに力が加わり、溶接が「固まる」ようにします。^[32]

• ステップ1と2、摩擦段階：部品の1つを回転させ、次に回転軸で他の固定部品に押し付けます。
• ステップ3、ブレーキ段階：ブレーキ時間中に回転部品が停止し、
• ステップ4、据え込み段階：溶接された要素は、鍛造圧力（押し下げられた）によってまだ鍛造されている。
• ステップ5：標準的なRFW溶接（標準パラメータ）では、フラッシュが生成されます。外側のフラッシュは溶接機で切断できます。^[38]

ただし、ステージチャートを参照すると、

• プロセスの変更が存在する、

  

• プロセスのバージョンによって異なる：ダイレクトドライブ、慣性摩擦溶接、ハイブリッド溶接、^[20]
• 溶接機には多くの種類があり、
• 多くの材料は、同じ特性ではなく、様々な形状で溶接される可能性がある。
• 実際のプロセスは、溶接機の理想的な設定と一致する必要はありません。

摩擦作業により溶接が作成され、円筒形のワークピースの場合は数学的に計算されると考えられます。

仕事：

（１）${\displaystyle W=M\times \alpha }$

力のモーメントMの一般式：

（２）${\displaystyle M=r\times F}$

力Fは摩擦力T（F=T）となるので、式（2）に代入すると次のようになります。

（３）${\displaystyle M=r\times T}$

摩擦力T は圧力Fに摩擦係数 μ を掛けた値になります。

（4）${\displaystyle T=\mu \times F}$

したがって、力のモーメントMは、

（５）${\displaystyle M=r\times \mu \times F}$

回転する円筒形のワークピースの軸とともに各点が移動するアルファ角度は次のようになります。

（6）${\displaystyle \alpha =2\pi \times n\times t}$

つまり摩擦の仕事は次のようになります。

（７）^{[検証が必要]}${\displaystyle W=n\times \pi \times r\times F\times \mu \times t}$

摩擦時間に対する変数μの値:

（８）${\displaystyle W=n\times \pi \times r\times F\times \int _{0}^{t}f(\mu )\,dt}$

これには検証が必要ですが、方程式から、回転数と力（または表面のない圧力）は摩擦仕事（W）に線形であることがわかります。したがって、たとえば、圧力が 2 倍に増加すると摩擦仕事も 2 倍に増加し、回転数が 2 倍に増加すると摩擦仕事も 2 倍に増加し、エネルギー保存の法則を参照すると、これにより材料が同じ温度まで 2 倍加熱されるか、温度が 2 倍に上昇する可能性があります。ただし、圧力は表面全体で同じ効果がありますが、回転は回転運動であるため、回転軸から離れた場所に大きな影響を与えます。熱伝導率を参照すると、摩擦時間はフラッシュ サイズに影響し、時間が短いほど、摩擦仕事はより狭い領域に集中します。^{[検証が必要]}${\displaystyle F=p({\text{圧力}})*A({\text{面積}})}$

または摩擦時間にわたる変数値μ、n、F：

（9）^{[検証が必要]}${\displaystyle W=\pi \times r\times \int _{0}^{t}f(\mu )f(n)f(F)\,dt}$

• t [ s ] - 摩擦時間（ピースが回転しているとき）、
• μ -摩擦係数、
• F [ N ] - 圧力、
• r [ m ] -ワークピースの半径、
• n [1/s] - 1秒あたりの回転数、
• W [ J ] -摩擦仕事。

したがって、この方法での計算は実際には信頼できず、複雑です。摩擦鋼（アルミニウムAl60611-アルミナ）の温度係数に依存する変数を考慮した例の記事は、マレーシアの著者によって、たとえばこの論文「摩擦溶接された軟鋼-Al6061-アルミナの特性とFEMモデルの評価」^{[45]で説明されており、この立場に基づいて、誰かが}Abaqusソフトウェアでステップバイステップではありませんが、説明的なシミュレーションビデオを作成しました。この論文では、著者が説明したシミュレーションでメッシュタイプの選択を見つけることができ、ジョンソンクック材料モデルの選択を使用するなどのいくつかの指示があり、散逸係数値、摩擦溶接条件だけでなく、記事には、ロッドの熱伝達方程式と対流、変形プロセスに関連する方程式など、著者が説明した回転摩擦溶接に関連する物理式も含まれています。^[45]論文には著者の研究のパラメータに関する情報が含まれていましたが、ビデオのようなステップバイステップの簡単な説明ではなく、文献の唯一の立場ではないことを付け加えています。結論には、「この研究で提案されたFEモデルは、より正確な分析に取って代わることはできませんが、溶接パラメータの開発にガイダンスを提供し、摩擦溶接プロセスの理解を深め、コストと時間のかかる実験的アプローチを削減します。」という情報が含まれています。^[45]

摩擦係数は温度によって変化し、内部摩擦（粘性、例えばカローの流体法則^[46]による動粘性）、鍛造、溶接中の材料の特性が変動する、塑性変形など多くの要因があります。

カローの流体法則:

一般化ニュートン流体では、粘度はせん断速度に依存し、次の式で表されます。 ${\displaystyle \mu_{\operatorname{eff}}}$${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$

（10）${\displaystyle \mu _{\operatorname {eff} }({\dot {\gamma }})=\mu _{\operatorname {\inf } }+(\mu _{0}-\mu _{\operatorname {\inf } })\left(1+\left(\lambda {\dot {\gamma }}\right)^{2}\right)^{\frac {n-1}{2}}}$

どこ：

• ${\displaystyle \mu _{0}}$、、は材料係数です。${\displaystyle \mu _{\operatorname {\inf } }}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle n}$
• ${\displaystyle \mu _{0}}$= ゼロせん断速度での粘度 (Pa.s)
• ${\displaystyle \mu _{\operatorname {\inf } }}$= 無限せん断速度での粘度 (Pa.s)
• ${\displaystyle \lambda }$= 緩和時間 (秒)
• ${\displaystyle n}$= パワーインデックス

RFWプロセス内で発生する摩擦熱のモデル化は、伝導摩擦仕事とその散逸係数の関数として実現でき、接触面上のノード𝑖の増分摩擦仕事は、回転中心からの軸方向距離、現在の摩擦せん断応力、回転速度、および増分時間の関数として記述できます。 [ ^47]散逸係数𝛽FR_は、摩擦仕事の90％が熱として散逸されることを意味する0.9に設定されることがよくあります。^[47]

(11) 𝑑𝑞 _FR (𝑖) = 𝛽 _FR ∙ 𝑑𝑊 _FR (𝑖) = 𝛽 _FR ∙ 𝜏𝑅(𝑖) ∙ 𝜔 ∙ 𝑟𝑖 ∙ 𝑑𝑡節点𝑖の接触面上^[47]

• 𝛽 _FR - 散逸係数、
• 𝑊 _FR - 摩擦仕事、
• 𝑟𝑖 - 回転中心からの距離、
• dt - 時間増分、
• 𝜏𝑅(𝑖) - 現在の摩擦せん断応力、
• 𝜔 - 回転速度。

摩擦仕事は、エネルギー保存則を参照して、溶接に使用される電力と摩擦時間（摩擦時間×溶接機の電力 - 溶接機のエンジン）から計算することもできます。この計算は最も簡単に見えます。

(12) E = P x tまたは一定電力ではない場合 ${\displaystyle E=\int _{0}^{t}f(P)\,dt}$

• E - エネルギー、
• P - パワー、
• t - 電力実行時間。

ただし、この場合、溶接機の構造によってはフライホイールを使用すれば、 フライホイールにエネルギーを蓄えることもできます。

一般的なフライホイールエネルギーの式:

（13）${\displaystyle E_{k}={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}}$

どこ：

• ${\displaystyle E_{k}}$は蓄えられた運動エネルギーであり、
• ω は角速度であり、
• ${\displaystyle I}$フライホイールの対称軸周りの慣性モーメントです。

文献には、コンピューター シミュレーションによらないサンプル計算も存在します。たとえば、電力入力と温度分布に関連する計算は、1974 年のスクリプトに記載されています。

コーネル大学のKK WangとWen Linは「フライホイール摩擦溶接研究」で溶接プロセスを手動で計算し、この時点でも溶接構造を分析しました。^[4]

ただし、一般的には、計算が複雑になる可能性があります。

摩擦仕事は溶接部領域の温度上昇に変換され、その結果溶接構造が変化する。典型的な回転摩擦溶接プロセスでは、プロセス開始時の温度上昇は回転軸から離れた場所でより広範囲に及ぶはずである^{[31]。これは軸から離れた地点の方が線速度が速く、溶接時には溶接部品の}熱伝導率に応じて温度が分散するためである。

「技術的には、WCZ と TMAZ はどちらも「熱機械的影響領域」ですが、その微細構造が大きく異なるため、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、しばしば「TMAZ 厚さ」または塑性影響領域 (PAZ) と呼ばれます。この記事の残りの部分では、この領域を PAZ と呼びます。」^[52]

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。

さらに文献では穀物の種類によってさらに細分化されている。^[53]

溶接にも同様の用語が存在します。

通常の溶接では、最初は線速度が高いため、外側の領域がより熱くなります。

次に、熱が広がり、材料が外側に押し出され、溶接機で切断できる外側のバリが発生します。

溶接時に円筒状の棒のように熱が流れるという仮説 を立てることができ、棒内の熱流と熱流束の問題を知ることで、個々の場所と時間の温度を計算することが可能になります。たとえば、熱電対を使用して温度を読み取り、コンピューターシミュレーションと比較することができます。

• 
  ロッド内の熱の流れと、熱電対の配置例 1 。
• 
  ロッド内の熱の流れと、熱電対の配置例 2 。

プロセスに関する知識を提供するために、監視システムが頻繁に使用され、これはいくつかの方法で実行され、精度と測定パラメータのリストに影響を与えます。^[54]

測定および計算されたパラメータのリストは次のようになります。

• 軸力と圧力、
• 角回転速度、
• スピンドルの中心、
• 速度、
• 振動、
• 長さ（燃焼速度）、
• 温度。

溶接測定の例。文献では、熱電対^{[55] [56]}による溶接部の熱測定が見られ、非接触サーモグラフィー^{[56] [57]}法も使用されている。

ただし、溶接部とHAZの非常に小さな領域では、リアルタイムで熱を測定することが困難なため、特定のケースにも依存します^{[引用が必要]}。摩擦時間後に熱の流れを計算して後で計算することができます。^{[引用が必要]}

Arduino で作成された温度測定用のサンプル ソース コード。これはトピックからは程遠いですが、完全にオープンな摩擦溶接コードが欠落しています。シミュレーション用の無料のオープン ソース ソフトウェア (有限要素ソフトウェアのリスト) は存在しますが、このソフトウェアの溶接オープン コードと詳細な手順はありません。

溶接継手の品質要件は、アプリケーションの形態に依存します。たとえば、宇宙産業やフライ産業では、溶接エラーは許されません。^[58]科学者は高品質の溶接を得ようと努めており、また、一部の人々^[59]は長年にわたって溶接の知識に興味を持っているため、接合方法を説​​明した科学論文が多数あります。たとえば、2019年に発表されたバンナリアンマン工科大学では、論文の文献レビューで摩擦溶接に関心のある人々のリストを見つけることができますが、このリストにはすべての人が記載されているわけではありません。たとえば、mti youtubeチャンネルについては言及されておらず、低力摩擦溶接についても書かれていません。さらに、人々のリストは時間の経過とともに変わる可能性があります。

溶接試験では、溶接部の材料の機械的特性（例えば硬度試験^{[60] [48] [55]）}についての知識が得られ、また引張試験も行われる。^[48]引張試験に基づいて伸び曲線が作成され、極限引張強度、破断強度、最大伸び、絞りについての知識が直接得られ、これらの測定値からヤング率、ポアソン比、降伏強度、ひずみ硬化特性が作成される。

記事には、次のような引張試験に関連するデータのみが記載されていることがよくあります。

• 降伏強度（MPa）
• 最大引張強度（MPa）
• 伸び率（% ）

SI の単位は、K、kg、N、m、s、Paです。これに関する知識は、データや材料特性を導入し、シミュレーション プログラムでエラーが発生しないようにするために必要です。

研究論文には、次のような情報も含まれることがよくあります。

• 接続されたコンポーネントの化学組成

包含プロセスのパラメータは明らかです。たとえば、

• 摩擦圧力（MPa）
• 摩擦時間（秒）
• 溶接速度（rpm）
• 圧縮圧力 (MPa)
• 動揺時間（秒）

研究文献には、溶接材料の機械的特性、微細構造、耐腐食性、耐摩耗性、さらには細胞毒性^[30]に関する記述も見られます。

しかし、細胞毒性は溶接とあまり関係のない主題であるにもかかわらず、なぜ研究が細胞毒性の話題を溶接に関連付けるのでしょうか（細胞毒性^[30]は細胞に対して毒性がある性質です）。この記事では、ポロニウムなどの有毒金属や金属蒸気も同様に存在すると書くことができます。高温で溶接すると有害な金属蒸気が放出される場合があり、その場合は新鮮な空気に触れさせてこれらの蒸気を屋外に排出するなどの保護が推奨されます。

溶接部の品質を判断する方法はいくつかあり^[20]、例えば溶接部の微細構造は光学顕微鏡^{[48] [55] [56]}や走査型電子顕微鏡^{[61] [55] [56] [48]で}検査されます。

コンピュータ有限要素法（FEM）は、回転摩擦溶接（RFW） ^[57]だけでなく、摩擦撹拌溶接（FSW）^{[62] [63]線形摩擦溶接（LFW） [52] FRIEX [11]}でもフラッシュと界面の形状を予測するために使用されます。

溶接試験に加えて、溶接熱影響部についても説明する。^[52]溶接プロセスにおける最高温度を知ることで、構造変化が生じる領域を特定することができる。^{[58]プロセス分析、例えば温度測定は、}研究資料、ジャーナルなどの科学的目的のために、接触型熱電対^{[55] [56]}または非接触型サーモグラフィー^{[57] [56]}法を用いて行われる。例えば、強塑性変形^{[64] [65]}や粉末冶金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場合は、大きな熱影響部は不要である。動的再結晶が起こるため温度によって材料特性が低下する可能性があり、溶接材料の結晶粒度や相変態^[66]が変化する可能性がある。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、セメンタイト、マルテンサイトの間にある。

溶接のさまざまなパラメータがテストされています。完全に異なるパラメータを設定すると、異なる溶接部が得られます。たとえば、構造の変化は同じ幅ではありません。より小さな熱影響部(HAZ) と塑性影響部 (PAZ) を得ることができます。溶接部の幅は狭くなります。結果は、たとえば、欧州宇宙機関向けの高回転数 ω = 14000 rpm ^{[61]または}ワルシャワ工科大学の別の例12000 rpm ^[41]で行われた溶接とは同じではなく、典型的な非常に短い摩擦時間はわずか 60ミリ秒^[42]ではなく、標準パラメータを使用します。さらに、この場合は超微粒子合金が溶接されましたが、この例では溶接されたロッドワークピースの直径はわずか 6 mm であったため、小さなロッド摩擦溶接です^[42]。これに近い、摩擦時間がわずか 40 ms などの別の例も文献に存在しますが、これも直径が小さい場合です。^{[60] [1]}残念ながら、非常に短時間での溶接は溶接の不連続性などの溶接欠陥のリスクを伴います。

溶接のいくつかのケースは、個別にのみ、または研究でのみ行われます。たとえば、100ミリ秒未満の溶接時間などの特定のパラメータで作成された溶接、^{[42] [41]、}たとえば適切な前面（円錐状の接触面）、^[67]溶接が困難な材料（タングステンと鋼）を使用した溶接、^[68]これらは必ずしも量産されるわけではありません。

研究文献に記載されている小径の回転数は、例えば25000rpmなど標準よりも高いこともあります。^[69]残念ながら、ワークピースの直径によって高速回転の使用が制限されることがあります。

理解すべき重要な点は、ホール・ペッチの関係に従って溶接金属材料の粒子が細かいほど強度が高くなるはずであり、この材料を得るための1つの技術を説明したパーシー・ウィリアムズ・ブリッジマンは、高圧ねじり(HPT)に関する成果を称えて1946年にノーベル物理学賞を受賞したことです^{[70] 。 [71]}しかし、高圧ねじりでは薄いフィルム厚の材料しか得られません。

中間層の導入に関する研究もある。異種材料の接合は難しいことが多いが、接続品質を高めるために実験的な電着堆積技術によるニッケル中間層の導入がインド金属学会によって研究されてきたが、この場合ニッケル中間層の厚さは70μm （マイクロメートル）で、直径12mmの小さな棒だけが溶接された。^[37]このニッケル層は溶接部品の上だけにある。また、この話題は溶接とはあまり関係がないが、ニッケル層は耐食性に影響を与える可能性がある。 ${\displaystyle \mu }$

一部の科学者は材料研究について説明しています。既知の材料のグループは大きく、インコネルなどのニッケルベースの超合金、超微粒子アルミニウムなどの超微粒子材料、超低炭素ベイナイト鋼（ULCBS）などの低炭素鋼が含まれます。摩擦溶接は、ニッケルベースのインコネルなどの超合金を含む多くの材料の接続に使用されます。^[34]科学者はさまざまな材料の接続について説明しており、インターネットでこれに関する記事を見つけることができ、研究の同じ部分は超合金材料または特性が向上した材料の接合に関連しています。ニッケルベースの超合金は、優れた高温強度、高温腐食および酸化耐性、およびクリープ抵抗を示します。^[34]ただし、この研究を参照すると、ニッケルは最も一般的で安価な材料ではないことがわかります。化学元素の価格リスト。

• 回転数: 通常、回転数は材料の種類と溶接部品の寸法に応じて選択され、値は400～1450rpmですが、最大10000rpmになることもあります。^[31]一般的ではありませんが、研究文献では回転数は25000rpmです。^[69]
• 摩擦時間：通常は1秒から数十秒。研究文献では摩擦時間は数十ミリ秒になることもあるが、時間が非常に短くパラメータが一般的でない場合は、肯定的な結果を得るために多くの事前準備とテストが必要になることがある。^{[33] [1] [41]}
• 鍛造時間: 最大数秒。

しかし、異なるサイズの要素を溶接できるため、パラメータは異なります。たとえば、直径3mmの最小部品から直径400mmを超えるタービン部品まで製造できます。 ^{[7] [25]}

長い要素を接続する方法を組み合わせることで、将来の科学では、たとえば高速鉄道産業用のレールの摩擦溶接を研究し、予熱低力線形摩擦溶接^[72]または改良線形摩擦溶接（LFW）法と振動インサート（FRIEX法の回転インサートと同じ）を使用してこれを実行する可能性があります。機械が開発され、ほとんどの注意が旅行者の安全に向けられていることを追加すると、ユーザーの安全が最初に確保される必要があります。 ^[73]

同様の溶接と形状を含む予備調査では、引張強度が向上し、疲労試験でのパフォーマンスが向上したことが示されています。

研究における論争

1. 2022年8月現在、溶接部品の温度をシミュレートする方法について段階的にレビューされた手順書はありません。溶接のシミュレーションが可能なプログラムの共有ソースファイルはありません。一方で、一部の知識は理解しにくいものです^{[75] [76]。}たとえば、2022年8月の記事：Hamed、Maien Mohamed Osman「摩擦溶接プロセスの数値シミュレーション：任意のラグランジュ-オイラーアプローチ」^[76]がGoogle Scholarで共有されましたが、理解するのは困難です。
2. オープン記事レビューに問題があるか、レビューが存在しません。
3. 助成金の正しい使用、知識の繰り返し、例えば多くの記事の構造は似ており、時には一般的に次の資料のみが溶接されるため、新しいものは何もありませんが、研究の一部は助成金を受けます。
4. 摩擦溶接だけなので、一般的に難しいことは何もありませんが、一方で複雑な説明が多く、この記事の実用的な結果が欠けています。期待されているのは、これまで知られていない何か新しいものを作成することです。
5. 助成金の正しい使用、記事の時期、誰が最初か、大学が何か新しい革新的な装置を作りたいという願望を発表しているが、これは実行されていない:
   • ポーランド

Google Scholarは、2022年8月に「摩擦溶接」というフレーズに応答する246件の記事を見つけますが、これは利用可能なすべての研究の一部にすぎず、そのうちのいくつかには財政的な助成金が提供されています。ただし、たとえば2016年にポーランドの電子材料技術研究所は、Al / Al2O3複合材料の溶接に関するポーランド語の記事を公開しました。^[77]その2年後、ワルシャワ工科大学は2018年にポーランド語で超微粒子316L鋼の摩擦溶接に関する記事を公開しました。材料は異なりますが、プロセスパラメータは溶接機が同じであることを示唆しているため、この場合は電子材料技術研究所が最初にデータを公開し、この場合は次のように要約されています。2018年には新しい材料である鋼のみが溶接およびテストされ、機械は新しくありませんでしたが、これに対して助成金が得られました（843 920 PLN = 約US $ 177476）。両研究所に機械があり、摩擦時間の短い研究が行われて以来、それは記事には書かれていません。学生たちは大学が新しい革新的な摩擦溶接機を開発する意欲があることを知らされましたが、2022年8月現在、これに関する情報はなく、新しい研究記事はありますが、装置はまだ古いです（2019年に有効な情報）。

標準的な摩擦溶接の改良版が、EWIとManufacturing Technology Inc. (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る。 ^{[78] [79]}「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。」^[13]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。^[13]

製造技術のブログとウェブサイトの情報によれば、この技術は有望である。

低摩擦力の利点：^[13]

• フラッシュはほとんどないか全くない、^{[80] [81]}

  

• これまで摩擦溶接に限定されていた部品の接合、^{[51] [68]}

例えば、モリブデン、タンタル、タングステンなどの高融点金属や、材料特性に違いがある場合などである。^{[51] [68]}

メーカーも同様の利点を挙げていますが、十分に説明されておらず、すべてのケースに当てはまるわけではありません。

• 機械の設置面積は縮小さ​​れるが^[82]、機械には追加の加熱要素が必要となる。
• 溶接サイクル時間は短縮されるが^[13]、予熱にも時間がかかる。
• より高い方向精度、^[13]
• 部品の再現性^[13]ですが、溶接が再現可能な場合は、従来の溶接機でもこれが発生することがあります。

さらに、2021 年には、たとえば Google Scholar 上の低力摩擦に関する科学論文の数は、界面温度を上げる外部エネルギー源を使用しない摩擦溶接に関する標準的な方法の説明と比較して少なくなっています。

構造によって異なりますが、標準的な溶接機には次のシステムが含まれる場合があります。

• 制御システム
• ダイレクトドライブ溶接機などのモーター
• 空気圧または油圧システム
• ハンドル
• 非回転バイス
• ダイレクトドライブ摩擦溶接機のクラッチ
• スピンドル
• 慣性摩擦溶接機のフライホイール
• ハウジング
• 測定システム

メーカーが提示するソリューションと溶接機には以下のものが含まれる: ^{[18] [83] [84]}

• 測定および制御次元システム：アクティブトラベルコントロール、燃焼速度測定、
• 自動化ソリューション、定義角度位置決め、コンポーネントリフター、自動ドア操作、溶接データのエクスポート、産業用ソリューション対応、主軸の自動温度制御、冷却ユニットの監視、サーボモーター制御、
• アーク、火花、煙、炎のないクリーンな環境のためのソリューションを提供します。
• 人間工学に基づいたワークスペース、素敵なデザイン、
• 特別な基礎や電源は必要ありません。
• プロセス制御および文書化システム：すべてのプロセスデータは数値とグラフィックで文書化され、プログラム管理、計算されたパラメータを備えています - スマートマシン
• HMIタッチスクリーンパネル、
• 摩擦要素のデータベースを生成するためのバーコードスキャナ、
• オプションの方法としては、QR、バーコードタグ付け（例えばレーザーバーコードなどの追加機械で製造された要素にタグ付けする）、または必要かつ可能な場合はタグ付けなどがあります。^[85]
• 溶接機のフラッシュカットオフ装置システム、フラッシュ除去および面取り、チップコンベア、
• 最先端の3Dプロセスシミュレーションを使用した特定の生産ワークフローに完全に統合されたソリューション。

• サービス支援: リモートサービス、アラーム状態、
• 証明書を持っている、
• 蒸気抽出器、

• 高度計測システム、^[54]

• 革新的なソリューションを含める：例えばハイブリッド技術低力摩擦溶接^[13]やこの技術に関連するシステムなど

しかし、市場には単一の製造業者^[86]はなく、単一の溶接機モデルもありません。さらに、常に同じ材料と直径が溶接されるわけではなく、優れたプレゼンテーション、技術の説明、デザインが最善の解決策を決定するかどうかはわかりません。溶接に関連する広告プレゼンテーションも存在します。

チャックの種類は使用される技術によって異なり、その構造は旋盤やフライス盤に似ている場合もあります。

• 作業を始める前に、短くても基本的な安全規則を知っておく必要があります。
• 労働安全衛生規制の遵守
• メーカーの推奨に従う
• 機械は安全な場所に設置してください。出入り口を塞がず、電線を水から離し、ユーザーが自由に移動できる場所に設置してください。
• 推奨されるセキュリティシステムの例: 緊急停止ボタン、機械の急停止の可能性
• 高温の物体に触れないように保護する。物体が高温であることは必ずしも目に見えない。溶接する材料にも依存する。例えば銅とアルミニウムの溶接など^。[87]
• 巨大な部品の持ち上げに対する保護

• 高温で鋭利なものには注意してください。例えば、高温の溶接部品や、溶接機で切断されたチップなどです。

• 新鮮な空気、例えば、機械の近くの生産ホールでは喫煙しないでください。また、溶接機の蒸気抽出器を屋外に出す場合もあります。

• 可動部品のカバー

安全規則の説明は参加方法と状況によって異なりますが、新鮮な空気へのアクセス、電気接地、保護服の着用、目の保護が必要です。 ^[89]

ただし、個人用保護具の使用は推奨されますが、場合によっては不快であったり、不必要であったりする可能性があるため、保護は状況によって異なります。

• 人的要因も安全性に影響します。

スタッフの過失:

-銅の接地などの盗難、スクラップとして販売できるため、

- 健康診断を怠り、不注意に実施し、有償であっても、それは金儲けのためであってスタッフの健康のためではないためである。

-例えばシフト時間が終わったので掃除はできない、

-通勤途中の事故、

-アルコール、従業員の体調不良、

- 脊椎の緊張 - 例えば、製造された部品の品質管理を強制的な姿勢で数時間行う場合、管理職にとっては従業員の健康よりも労働生産性、品質、収益の方が重要となるため、

-アウトソーシング - 責任を他の会社に移譲する、

- 経営陣の怠慢。経営陣は金儲けだけを望み、従業員ではなく生産に目を向けることがある。

• 鍛造溶接
• 摩擦撹拌接合（FSW）^{[12] [63] [55]}
• 摩擦撹拌スポット溶接（FSSW）^[62]
• リニア摩擦溶接（LFW）^[52]
• パイプラインの円周溶接部の摩擦圧接に関する研究（FRIEX）^[11]
• 摩擦ハイドロピラーオーバーラップ処理（FHPPOW）^[90]
• 摩擦ハイドロピラー処理（FHHP）^[91]

溶接と接合- 定義は著者によって異なります。ケンブリッジ英語辞典の溶接は、「金属部品を接合する活動」 ^[92]コリンズ辞書では「熱とハンマーで軟化させて、または融合によって金属またはプラスチックを結合する活動」 ^[93]を意味しており、溶接は接続に関連していることを意味します。接合または接合は溶接と似た意味を持ち、英語辞典で同じ意味になることもあります。「物を接続または固定する」 ^{[94] [95]}ですが、接合には他の多くの意味があります。たとえば、「道路や川が合流する場合、特定の点で合流します」 ^[94] 。溶接とは対照的に、接合は一般的な用語であり、金属を接合する方法はいくつかあります。リベット、はんだ付け、接着剤、ろう付け、カップリング、固定、圧入などです。溶接は接合プロセスの1つのタイプにすぎません。 ^[96]

固体溶接 - 融点以下で接続し、

溶接工- 溶接機ですが、金属を溶接する人という意味もあります。

溶接- 材料を混ぜ合わせる接合箇所。^[97]

溶接性 - エラーなく溶接を行う容易さの尺度。^[97]

中間層- 間接的なコンポーネント、間接的な材料。

ISO（国際標準化機構、残念ながらすべてのISOテキストは無料で公開されているわけではない）を引用すると - ISO 15620:2019(en) 溶接

「軸力- 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、

燃焼速度- 摩擦溶接プロセス中の部品の短縮速度、

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- 機械が溶接部を作り、最初の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は除く。

溶接物- 溶接によって接合された2つ以上の部品。」^[98]

さらに、

• RFW - 回転摩擦溶接、
• LFW - リニア摩擦溶接、
• FSSW - 摩擦攪拌スポット溶接、
• FRIEX - パイプラインの円周溶接部の摩擦溶接に関する研究、
• FHPPOW - 摩擦ハイドロピラーオーバーラップ処理、
• FHHP - 摩擦ハイドロピラー処理、
• LFFW - 低力摩擦溶接、
• FSW - 摩擦撹拌接合、
• BM - ベース材料、
• HAZ - 熱影響部、
• PAZ - 塑性影響部、
• DRX - 動的再結晶化、
• TMAZ - 熱機械的影響領域、
• UFG - 超微粒子、
• SPD - 塑性変形を補助する
• HPT - 高圧ねじり、
• FEM - 有限要素法、
• SEM - 走査型電子顕微鏡、
• ADC - アナログからデジタルへのコンバーター。

• 溶接
• 摩擦
• 摩擦溶接
• 摩擦撹拌接合
• 温度
• 熱影響部
• 動的再結晶
• 粒界強化
• 激しい塑性変形

• 摩擦圧接（μFSW ）もCNCマシンを使用して行われた。^[99]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。
• 場合によっては旋盤で溶接を行うことも可能である。^[要出典]

• 科学者たちは接合中の音響放出の測定についても述べている。^{[54] [100]}

• Google Scholar の Rotary Friction Welding (回転摩擦溶接) - 科学検索エンジン。回転摩擦溶接に関する記事も多数掲載されています。
• TWI での回転摩擦溶接と TWI での検索結果