8.7 摩擦撹拌接合
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8.7 摩擦撹拌接合（FSW：Friction Stir Welding）
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1. はじめに
FSW（摩擦撹拌接合）は、1991年に英国のTWI（接合・溶接研究所：The Welding Institute）から、特許が出願された塑性流動を利用した接合方法です。固相接合法の一つに分類されます。
突起部（probe）を有するツールを回転させながら、接合部に挿入し、ツールの回転力と押付け圧力により、ツールと材質との摩擦による発熱により、材料を軟化させながら撹拌して、塑性流動させて接合します。
2. FSWの原理
FSWの基本手順を図1 に示します。
図1 FSWの基本手順 出典：M：鉄道車両のFSW（摩擦かくはん接合）技術
はじめに、先端にプローブと呼ばれる突起物を有するツールを高速回転させながら、突合せ継手部に挿入して継手長手方向に沿って移動させます。ツールを回転移動させながら摩擦撹拌熱で溶融温度以下に軟化させて継手部を接合します。終了点に到達するとツールを回転させたまま上方に引き上げます。
FSWは、アーク溶接と同等の強度を有しながら、接合温度が低く入熱量が少ないため、接合後のひずみが少ない特徴があります。最初は、6000系アルミニウム合金を対象とした鉄道車両のボディや、5000系アルミニウム合金を対象としたLNGタンクなどに適用されました。また、凝固割れが発生しやすく従来は溶融溶接が適用できないといわれた2000系および4元系7000系アルミニウム合金への適用が可能となり、これらの合金を主として用いる航空機製造への適用が進められています。このため硬さが低く撹拌が容易なアルニウム合金製の長尺薄肉構造物（鉄道車両のボディ、航空機の胴や翼）への適用から始まりました。
接合の手順についてもう少し詳細に記述します。突合せ継手面の突合せ面に、二段円筒型（細い先端部をプローブ（probe）またはピン（pin）、太くなる部分をショルダ（shoulder）といいます。）のツールを回転させながら挿入して、ショルダ面が母材表面に接した状態で接合すべき方向に移動させます。接合部の裏側まで完全に接合する場合、硬質の裏当て金の上に母材を拘束して接合します。プローブの長さは接合する母材厚さの8 ～ 9割程度とします。
図2 FSWの手順 出典：H：Introduction to Friction Stir Welding (FSW)
健全な継手を得るための接合条件として、ツールの回転数、接合速度、押付け力、ツールリード角、ツール形状などが主要なパラメータとなります。最適条件から大きく外れると撹拌部に長手方向にトンネル状の穴が生じたり、ショルダ端部が通過した表面にバリが顕著に生じることがあります。接合終了部には、ツールの移動を止めて抜き去った後に穴が残ります。
またFSWは、従来の溶融溶接法とは異なり、左右非対称な接合法です。ツールの回転方向と接合方向が一致する側を前進側（Advancing side）、反対方向になる側を後退側（Retreating side）といいます。
比較的低温での塑性加工性が良いアルミニウム合金への適用が多く、押出形材を幅方向に接合して幅広材にして鉄道車両、船舶、橋梁分野に盛んに適用され、圧延材を接合したものが電機、航空宇宙分野に適用されています。最近では、重ね継手や曲線、曲面の接合でも実績があります。
装置メーカは多数ありますが、ツールに付加される荷重が大きいことと、材料の拘束を強固に行う必要があるため、剛性の高い装置を選定した方が接合品質は広い条件範囲で安定します。
最近では，銅や鉄系材料、鋼とアルミニウム合金との異材接合などでの実績も出てきており、また派生技術として ボビン（糸巻き）形状のツールを用いることにより裏当て金を使用しないで、接合できるとともに、母材厚みの変動にも追従可能な、セルフリアクティング法等も開発されています。ツールの形状については後述します。
3. FSWの長所と短所
3.1 FSWの長所
FSWは固相接合法として、以下のような優れた特徴があります。
（１）接合部における結晶粒の粗大化が抑制され、強度低下は小さいです。また、回転ツールによる攪拌効果のため、結晶粒を微細化することも可能で、母材より強度が向上する場合もあります。
（２）ひずみが小さいです。アーク溶接（ミグ溶接）の数分の1以下に抑えられます。
（３）凝固割れが発生しやすく、これまで接合が困難であった2000系や7000系のアルミニウム合金、あるいは鋳造材や複合材料の接合も可能です。
（４）鋼材とアルミニウム合金など、異種材料の接合に適しています。
（５）開先加工や接合時の前処理が不要です。．
（６）接合中にヒューム、スパッタや、紫外線などの発生が有りません。
（７）気孔や割れなどの欠陥が発生しにくいです。
（８）アルミニウム合金の接合の場合には、シールドガスが不要です。鉄鋼材料の場合は必須では無いが、接合表面の酸化を防ぐため、シールドガスの適用が望ましいです。
（９）原則、フィラー（溶加材）が不要です。
（10）接合部から合金成分の蒸発がほとんどありません。
（11）熟練技術が不要です。ただし、実際の施工のためには、FSWオペレータの認証（（一社）軽金属溶接協会）を受ける必要があります。
（12）鉄鋼材料では、高張力鋼など一部の材料を除いて、HAZ（熱影響部）軟化が生じにくいです。
（13）鉄鋼材料の場合、A1 点以下での接合が可能であり、鋼材の炭素量に依存することなく接合できます。従って、高強度の高炭素鋼の接合が可能です。
3.2 FSWの短所
（１）剛性のある拘束治具を必要とします。
（２）ギャップの許容範囲が狭く、接合部の目違い、ギャップの制御が必要になります。
（３）接合終端部に穴が残ります。
（４）裏面にキッシングボンド（kissing bond）といわれる未接合部が生成しやすいので、注意が必要です。
（５）すみ肉継手などの複雑形状の部材の接合は、困難です。
（６）高融点金属の材料に対しては，ツールの寿命等の課題が残ります。
これらの短所について、解決策が考えられているものもあります。
例えば、（２）のギャップの許容範囲についてですが、FSWでは訳1mm程度のギャップの余裕度が無く、2mm以上になると欠陥が発生します。これに対しては、ギャップに粉末を充填しながらFSWを行うことにより、3mm程度まで裕度が広がるといわれています。
（３）、（４）に関しては、ツールのプローブとショルダを別々に駆動する複動式ツールが有効です。後出するFSSW においても、ショルダ部の外側にバリの発生を防止する治具を備えて、ショルダ部から試料内に挿入することで、接合穴を残さないフラットな接合部が得られる手法も開発されています。
また、（５）に関しては、プローブのみを回転させて接合する方法がすみ肉溶接には有効であるとされています。．（６）に関しては、種々のツールの開発により鋼材等の FSWも可能となっています。
図3 に接合部の断面組織の模式図を示します。接合部中央には、攪拌部と言われる数μmの微細な等軸晶からなる再結晶組織が存在します。撹拌部の外側には、塑性変形により結晶粒が伸びた形状を持つ熱加工影響部（TMAZ：Thermo Mechanically Affected Zone）、その外側には、塑性変形していないですが、熱影響を受けた熱影響部（Haz：Heat Affected Zone）が存在します。
図3 FSWの断面組織 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
図4に、純Al、純鉄（IF鋼：Interstitial Free Steel）および 純Tiの撹拌部のTEM像を示します。これらからわかるように、何れの材料も非常に微細な再結晶組織が観察されます。アルミニウム合金はfcc構造ですが、積層欠陥エネルギーが高く、鉄鋼材料はbcc構造を有するため、冷却中に回復が生じやすく、最終部に撹拌部において転位の少ない再結晶組織が得られます。一方、チタニウム合金については、転位の多い再結晶組織になり、動的再結晶が生じることにより接合が行われています。
図4 純Al、純Feおよび 純Tiの撹拌部のTEM像 出典：B：FSW(摩擦撹拌接合) －鉄鋼材料を中心に－
4. FSWの設定パラメータ
4.1ツール形状
溶接品質と最大溶接速度の向上のためには、ツールの設計は重要な要素になります。
4.1.1ツールの材質
ツールの材質は、FSWにとって非常に重要です。ツール材質の選定については、被削材の材質や希望するツール寿命、ユーザー側の経験や好みによって異なります。理想的には、ツール材料は次の特性を持つ必要があります。
（１）ツールに負荷されると想定される鍛造力（forge force）よりも高温での圧縮降伏強度が高いこと。
（２）良好な強度、寸法安定性、および耐クリープ性を有すること。
（３）繰り返しの加熱と冷却のサイクルに耐える良好な熱疲労強度を有すること。
（４）ワークの材質と有害な反応が無いこと。
（５）挿入時および滞留時の損傷に耐える良好な破壊靱性を有すること。
（６）熱応力を軽減するためにプローブとショルダ材料の間の熱膨張係数差を低くなるように検討する。 (例: 炭化タングステン シャンクへの熱の移動を防ぐための多結晶立方晶窒化ホウ素 (PCBN) ツールの熱遮蔽コーティングの使用）
（７）ショルダやプローブの複雑な形状の製造を容易にする良好な機械加工性を有する。
（８）低コストまたは入手可能な価格。
FSW/P に使用されるツール材料を表5 および 表6 に簡単にまとめます。工具鋼は、アルミニウム合金用に最も広く使用されている工具材料です。 工具鋼の中では、Cr-Mo鋼であるSKD61（JIS G4404：相当鋼種A)SI H13）が最も一般的に使用されています。
当初は航空機エンジン部品用に設計されたニッケルおよびコバルトベースの超耐熱合金は、高い強度、延性、良好なクリープ性能もあり、ツール材料としての耐食性にも優れています。しかし、超耐熱合金の機械加工は非常に困難であるため、ツールプロファイルの溝や平坦部などの複雑な形状の製造は困難です。
タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタルなどの耐火金属（refractory metal：高融点金属）は、高温強度に優れているため、ツール材料として使用されます。 これらの合金の多くは単相材料として製造されており、機械的特性を 1000 ～ 1500 ℃まで維持できます。 ただし、粉末冶金は耐火合金の主な製造方法であるため、材料コストが比較的高くなります。
工作機械として一般的に使用される超硬材料は、雰囲気温度でFSW のプローブ/ショルダ材料として優れた耐摩耗性と適度な破壊靱性を備えています。
セラミック粒子強化金属マトリックス複合材もツール材料として使用されていますが、脆いのでツールの押込み段階で破損が生じる可能性があります。
多結晶立方晶窒化ホウ素は、もともとは工具鋼、鋳鉄、超合金の旋削および機械加工用に開発されましたが、その高い機械的性能と熱的性能により、現在では摩擦撹拌ツールの材料として広く受け入れられています。 しかし、PcBNの製造は、立方晶窒化ホウ素を高温高圧で焼結により製造されますが、高い製造コスト、寸法の制約、劣った機械加工性、および低い破壊靱性により、摩擦撹拌ツールの材質としての広範な用途には課題が生じています (特に複雑な幾何学的形状の場合)。
表5突合せ接合に用いられるFSW材質 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
表6 突合せ接合に用いられるFSW材質の性質 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
4.1.2ツールの種類
FSWツールには、図7 に示すように、固定式、複動式、ボビン（bobbin）式の 3 種類があります。
固定プローブツールは、ショルダとプローブの両方を含む単一のツールです（図7(a)）。 このツールは、プローブの長さが固定されているため、一定の厚さの母材にのみ溶接できます。プローブが著しく摩耗したり、破損した場合は、ツール全体を交換する必要があります。
複動式プローブツールは、プローブの長さを自在に調整できる形式です（図7(b)）。この設計では、ショルダとプローブを異なる材料を使用して製造でき、摩耗または損傷した場合にプローブを簡単に交換できます。 さらに、調整可能なプローブ長により、さまざまなゲージ厚のワークピースの溶接や、通常のFSWでは最後に残る出口穴を埋めることが可能になります。 多くのケースでは、固定式ツールと複動式ツールの何れも裏当て金が必要です。
ボビンタイプのツール (図 2c) は、上部ショルダ、プローブ、下部ショルダの3つのパーツで構成されています。このツールは、上部ショルダと下部ショルダとの間でプローブの長さを調整できるため、母材の厚みの変動に追従できるセルフリアクティング（self reactong）法も開発されています。
裏当て金は必要ありませんが、ボビンタイプのツールはワークピースの表面に対して垂直にのみ作業できます。 一方、固定式ツールと複動式ツールとは、縦方向と横方向に傾けることが可能です。
図7ツールの形式 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
4.1.3ツールの形状
1. ショルダ形状
FSツールのショルダは、ワークの表面を摩擦により加熱して、溶接の強化に必要な下向きの鍛造動作を行い、加熱された金属をショルダ表面の下に拘束するように設計されています。図8 は、典型的なショルダの外面、底端面、および端部の特徴をまとめたものです。
図8ショルダの外面、低端面および端部の状態 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
ショルダの外面は通常円筒面ですが、円錐台面も使用されます。ショルダがワークに食い込む量はわずかなので、ショルダ外面の形状が溶接品質に与える影響は少ないとされています。
底部のスクロールされたショルダー表面の特徴が材料の撹拌に重要な役割を果たす、プローブ不要のショルダー ツールを使用して健全な溶接が得られると報告しました。 この場合、ショルダー外面の形状や特徴も重要になる場合があります。
ショルダの端面の形状は、通常図8 に示す3種類の端面形状が使用されます。このうち、平坦なショルダー端面が最もシンプルなデザインです。 このデザインの主な欠点は、平坦なショルダー端面が底部ショルダの下面に流動する金属材料を保持するのには効果的ではなく、過剰にバリが発生することです。この対策として、凹面のショルダー端面が設計されました。ショルダ側面からの材料のはみ出しを制限するため、現在一般的に使用されるようになっています。このシンプルな形状は機械加工が容易で、健全な溶接を実現できます。 凹面ショルダは、平坦なショルダー端面からわずかな角度 (6 ～ 10°) 程度円錐状になっています。 ツールの押込みにより、プローブによって撹拌・流動した材料が、ツールのショルダの空間部に供給されます。 したがって、ツールショルダの凹面のプロファイルは、プローブから移動した材料の逃げ容積またはリザーバとして機能します。 ツールに下向きの力を加えることで、凹状のショルダプロファイルに保持され、移動した材料がツールの後方側の材料に鍛造作用を与えます。 ツールが前方へ移動することにより、新しい材料がショルダ肩部の下のキャビティに押し込まれ、既に有る材料がプローブの後ろに押し出されます。 このショルダを適切に操作するためには、ツールを1 ～ 3° をワークの法線から移動方向に対して傾ける必要があります。これは、材料保持部を維持し、ショルダの後縁が溶接部に圧縮鍛造力を生成できるようにするために必要です。
もう一つのショルダの端面の形状は凸状のプロファイルです。凸状ショルダプロファイルの主な利点は、凸状端面に沿った任意の位置でワークピースと接触できることであり、それによって、接合する2つのワーク間の平坦度または厚さの違いに対応できることです。
ショルダ端面の表面には、材料の摩擦、せん断、変形を増加させて、ワークの撹拌部での混合を高め、溶接品質を高めるためのいくつかの機能を含めることもできます。典型的なショルダ端面のスタイルには、フラット（滑らか）、スクロール、リッジ、ローレット加工、溝付きなどがあります。これらの特徴は、凹面、平坦、または凸面のショルダ端面に適用できます。
2. プローブ形状
プローブの役割は、ワーク材料の変形加熱と摩擦加熱を引き起こすことです。理想的には、ワークの接触面を破壊し、ツールの前方で材料をせん断し、ツールの後方で材料を移動させるように設計されています。
図9 は、プローブの形状とその主な特徴をまとめたものです。 プローブの先端形状は平底またはドーム型です。 製造の容易さを重視した平底プローブの設計は、現在最も一般的に使用されている形式です。 平底プローブの主な欠点は、押込み時の鍛造力が高いことです。 対照的に、ドーム状の端部形状は、押込み時の鍛造力とツールの摩耗を軽減し、局所的な応力集中を軽減することでツール寿命を延ばし、プローブの底部の溶接ルート部のの品質を向上させることができます。
テーパプローブでは、プローブと母材の接触面積が大きくなるため、摩擦熱が高くなり、塑性変形が増加します。 また、プローブは溶接部での高い押付け圧を与えます。これは、材料の撹拌と溶融部の完全性を高めるために非常に重要です。 一方、高温と押付け圧によりツールが著しく摩耗し易いです。
プローブの外面は、ねじ山、平坦部、溝などのさまざまな形状や特徴を持つことができます。 ねじのないプローブは、ねじの部分が摩耗しやすいため、高強度または摩耗性の高い合金に選択されます。
図9プローブ形状 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
4.2 溶接条件
接合の重要なパラメータは以下の4つです。
① プローブ挿入角度
② ツール押込み荷重
③ ツール回転速度
④ 接合速度
これらのうち、重要なパラメータはツール回転速度と接合速度です。接合を効率的に行うためには、最適な条件を選択する必要があります。
ツール回転速度を上げるか、接合速度を下げると、より高温での溶接が行われ、良好な溶接品質が得られます。
例として、高強度アルミニウム合金のFSW適正条件範囲を図10 に示します。
図10高強度アルミニウム合金のFSW適正条件範囲 出典：E：摩擦撹拌接合（FSW）の基礎
5. まとめ
・FSW（摩擦撹拌接合）は、1991年に英国のTWIから、特許が出願された塑性流動を利用した接合方法です。固相接合法に分類されます。
・突起部（probe）を有するツールを回転させながら、接合部に挿入し、ツールの回転力と押付け圧力により、ツールと材質との摩擦による発熱により、材料を軟化させながら撹拌して、塑性流動させて接合します。
・当初はアルミニウム合金の接合法として開発されましたが、銅合金や鋼材、鋼材とアルミニウム合金との異材接合など、広く用いられるようになりました。
・主要なパラメータは、次の4つです。① プローブ挿入角度、② ツール押込み荷重、③ ツール回転速度、④ 接合速度
参考文献
A：Review of tools for friction stir welding and processing Y. N. Zhang et al Canadian Metallurgical Quarterly 2012 VOL 51 NO 3
B：FSW(摩擦撹拌接合) －鉄鋼材料を中心に－ 藤井英俊 溶接学会誌 Vol.77 No.8 2008年
C：Friction stir welding Wikipedia DL：2023/11/23
D：Principles of Welding Robert W. Messler, Jr. Wikey-vch
E：摩擦撹拌接合（FSW）の基礎 中田一博 大阪大学接合科学研究所 平成26年
F：Welding Metallurgy 2nd ed. Sindo Kou Wilry-Interscience 2003年
G：Friction Stir Welding Handbook Erasmus+ 2017年
H：Introduction to Friction Stir Welding (FSW) Bob Carter NASA Glenn Reserch Center
I：Friction stir welding and processing R.S. Mishra, Z.Y. Ma Material Science and Engineering 2005年
J：航空機用アルミニウム合金のFSW技術 武久浩之 軽金属Vol.56 No.3 2006年
K：鉄道車両への摩擦撹拌接合の適用 宮道知典 電気製鋼Vol.78 No.2 2007年
L：摩擦撹拌接合（FSW）技術開発の動向 下田陽一朗, 鈴木励一 神戸製鋼技報 Vol.72 No.1 2023年
M：鉄道車両のFSW（摩擦かくはん接合）技術 和嶋武典 日本機械学会誌Vol.112 No.1084 2009年
N：航空機製造へのFSW、（摩擦撹拌接合）適用の現状と問題点 柿本晴彦 ぷらすとす 第3巻第26号 2020年
O：Friction Stir Welding and its Applications: A Review Getachew Gebreamlak, Balkeshwar Singh High Technology Letters 2020. Nov.
引用文献
図1 FSWの基本手順 出典：M：鉄道車両のFSW（摩擦かくはん接合）技術
図2 FSWの手順 出典：H：Introduction to Friction Stir Welding (FSW)
図3 FSWの断面組織 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
図4 純Al、純Feおよび 純Tiの撹拌部のTEM像 出典：B：FSW(摩擦撹拌接合) －鉄鋼材料を中心に－
表5突合せ接合に用いられるFSW材質 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
表6 突合せ接合に用いられるFSW材質の性質 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
図7ツールの形式 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
図8ショルダの外面、低端面および端部の状態 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
図9プローブ形状 出典：A：Review of tools for friction stir welding and processing
図10高強度アルミニウム合金のFSW適正条件範囲 出典：E：摩擦撹拌接合（FSW）の基礎
ORG:2023/12/04