に達せず，固相状態で接合するため，接合部における強度低下がこれまでの溶融溶接に比べて小さいのが特長で，はじめに場合によっては接合部のほうが母材より高強度化される．
これまで，11 章〜14 章においては，アーク溶接，ろ

図 1- に 示 す よ う に ，ツ ー ル は 径 の 大 き い シ ョ ル ダ

う付･はんだ付，レーザ溶接について解説してきた．本章（%3:?7/0<）部とその先端にあるプローブ（"<:-0）部かで取り扱う %)（摩擦攪拌接合：<4.>4:9 %>4< )07/492）らなる．接合中はプローブのみを材料中に押し入れ，接は，これらの接合法とは異なり，材料が固相状態で接合合すべき突合せ面に沿って移動させる．この時，材料はが行われ，従来の溶接法にない種々の優れた特徴を有し裏当て板に拘束し，固体の状態を維持しながら，ツールている．このため，本手法は 1991 年に開発された比較的による塑性流動によって接合を行う．

新しい手法 1であるにもかかわらず，既に種々の分野で実用化されている 2−9．

回転ツール

また，その後の進歩も目覚ましく，当初は問題点とされていた事項に関しても解決されたものも多い．7 合金

回転ツールは接合部に発熱と攪拌を生じさせ，接合品以外にも，2 合金，? 合金等の %) はすでに実用化

質を左右する重要な要素である．アルミニウム合金を接されており，最近，炭素鋼 10−16やさらに融点が 2620℃の合する際には，回転ツールに %61 等の % あるいはモリブデン 17などの %) も可能になり，種々の産業分% 工具鋼を使うのが一般的である．プローブには，通野から注目を浴びている．

常ネジがきってあり，右ネジは左回転，左ネジは右回転

%) は，図 1, に示すように，ツール（&::7）と呼で用いる．また，ショルダ部は平面ではなく，通常はわばれるφ10〜2088 程度の棒状の工具を高速で回転させずかに凹面状になっていることが多いが 18，19，逆に凸形ながら材料と接触させ，材料との摩擦熱を利用して接合状になっているものもある 20．

する接合法である ．前述のように，最高到達温度が融点
4

図１



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プローブの長さは，板厚とほぼ等しく，裏あての板とFSWの原理図

藤井：第１章 溶接法および機器 1-5 FSW

図２ WhorlTM ツール

表１

Mx-TrifluteTM ツールを用いた限界接合速度
板厚(mm)

1.26.0

図３

材質

限界接合速度（mm/min）

2024-T4

960

6013-T4

6000

7075-T6

720

2024-T3

480

5083-H111

570

6082-T6

2100

7075-T7470

スクロールショルダツールのショルダ面と呼ばれるツールで，高速の接合に適した形状とされている 22．このツールを用いると，1288 の板厚の場合で通常のねじ溝を設けた円柱状ツールの約 175％の高速化を図ることができる．各々の材料において表１に示した速度で接合が可能である 23．
7 合金の %) と異なり，鉄鋼材料の %) においては，ツール材料に高温における高い強度と靭性，耐摩耗性，非反応性などの特性が要求される．研究初期におい図４ MX TrifluteTM ツールては，ツール材料に ) 合金 11，24，: 合金 11などが用いられたが，最近では，高融点金属材料の他，多結晶立方晶窒化ホウ素（" ）25，26を始めとしたセラミックス材接触しないように 0288 程度短いのが普通であるが，熱料や超硬合金 13−15，27−29が用いられ始めている．その後，伝導率が悪い材料を接合する際には，この長さをより板さらに高強度，長寿命な < 合金ツール 17なども開発され厚に近づける必要がある．直径に関しては，例えば 588ており，実用化に向けて大きく前進している．尚，超硬厚の板材を接合する際にはショルダが 1588 程度，プロ合金は，1000℃以上の接合には適さないが，650℃〜850℃

4ーブが 5〜6 が標準である ．これらの値は，一般に板程度まで接合温度を低下させることにより，他のツール厚が大きければ増加し，小さければ減少する．また，回と比較して強度，靱性にすぐれ，実用化に問題がない程

転ツールはプローブ先端が先行するように進行逆方向に度に長時間使用できる 13−15，27−29．また，スポット %)

1〜5 度程度傾け，回転速度は１分間に数百から数千回においては，%43

転，接合速度は数十〜数百 88849 が一般的であるが，に有望であることが示されている 31．

数 8849 も可能である．

4にコーティングを施した素材が実用的

ツール形状に関しても，それぞれの被接合体に特化し前述のように，プローブ形状はねじ溝を設けた円柱状た，形状の最適化が必要である．上述のように，鉄鋼材が一般的であるが， ,A0= ら 21は図２に示す，断面が非料などの高融点金属に用いるツールに関しては， 高温で>::7）の強度や耐磨耗性を保持するセラミックス，超硬合金やや図３に示す，ショルダ底面に螺旋状の突起を設けた高融点金属などのツール材料が不可欠であるが，一般に（%.<:77 =3:?7/0< >::7）ツール（図３）を開発し，厚板材

これらの材料は加工が難しく，仮に複雑な形状を作製し円形（楕円，太鼓型）をした特殊なプローブ（)3:<7&の接合に効果があるとしている．ショルダ底面に螺旋状ても，それが割れの起点になりやすいため，できるだけの突起を付けるとツールを傾ける必要がなくなる利点も単純な形状でツールを作製することが必要である 32，33．

ある．図４は，らせん状の溝が切ってある B&<417?>0&
溶接学会誌 第 78 巻（2009）第４号

(a) 挿入深さが大きすぎる場合
図５(b) 挿入深さが 適正値(c) 挿入深さが 小さすぎる場合

ツール挿入深さと接合部表面性状の関係(a) 位置制御方式(b) 荷重制御方式

図６(c) モータトルク制御方式

FSWの制御方式

形状に対しても対応が可能である等の利点がある．今後，現地施工が可能な可般式の装置 38や接合材寸法を制約しFSW装置ない装置構造の開発が行われることで，%) の適用範囲
%) 装置に要求される特性はアーク溶接などと比較しが拡大していくことが期待される．て大きく異なり，以下の項目が挙げられる 4．
（1）材料に対してツールを大きな力（ツール荷重）で押FSWの特徴し付けるため，ツール荷重に耐える構造および剛性
%) は，従来の溶接法とは異なり，左右非対称な接合が必要である．
（2）ツール荷重に伴う材料の変形およびずれを防止する法である．図 1 に示すように，ツールの回転方向と接合ため，継手構造，ジグ構造および拘束方法を工夫す

方向が一致する側を前進側（/@,9.492 =4/0），反対を向る必要がある．

いている側を後退側（$0><0,>492 =4/0）という 4．

（3）材料へのツールの挿入深さが接合部の品質に敏感に接合部の断面組織の一例として，図 7 に 1080 アルミニ影響するため，ツールを被接合材料に挿入する深さウム合金の断面図とそれぞれの組織 439を示す．これらをを精密に制御する必要がある．

模式的に書くと図 8 のようになり，接合部中央には，攪

図５にツール挿入深さを変化させた場合における接合拌部と言われる数μ8 の等軸晶からなる再結晶組織が存

部の表面性状変化の一例 4を示す．図 5 , に示すように，在する．攪拌部の外側には，塑性変形により結晶粒が伸挿入深さが適正値よりも大きい場合には表面欠陥は発生びた形状を持つ熱加工影響部（&30<8:0.3,94.,77Cしないが，大きなバリが発生している．図 5 - に示すよ110.>0/ +:90 &+），その外側には，塑性変形は受けうに，挿入深さが適正値の場合には，表面欠陥は発生せていないが，熱の影響を受けた熱影響部（0,> 110.>0/ず，大きなバリも発生していない．一方，図 5 . に示す+:90 +）が存在する．

ように，挿入深さが適正値よりも小さい場合には，表面

%) の特徴をまとめると以下のようになる．

欠陥が発生している．このように，ツール挿入深さは接1 固相接合である．したがって，接合部における結晶粒合部品質を一定にする上で重要なパラメータである．特の粗大化が抑制され，強度低下が小さい．また，回転に挿入深さが適正値よりも小さい場合，欠陥発生に対しツールによる攪拌効果のため，結晶粒を微細化するこて敏感となるため，挿入深さが適正値よりも小さくならとも可能で，母材より強度が向上する場合もある．

ないように制御することが重要である 4．
図６に示すように，挿入深さを制御する方法として，

2 変形が小さい．アーク溶接（ミグ）の数分の１以下である．

（1）位置制御，（2）荷重制御，（3）モータトルク制御等

3 これまで接合が困難であった 2000 系や 7000 系のアルが開発されている 34−37．荷重制御およびモータトルク制

ミニウム合金，あるいは鋳造材や複合材料の接合も可

御は，接合温度や材質の影響を受けやすいが，曲面等の能である．



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藤井：第１章 溶接法および機器 1-5 FSW

図７ 1080 アルミニウム合金摩擦攪拌接合部の (a)断面写真，(b)光学顕微鏡写真と TEM 写真

ᤄධ➃
⫪㒊
ẕᮦ
ẕᮦ

ᨩᢾ㒊
ᨩᢾ㒊

図８

断面組織の模式図

ヨ

図９

ヨᩱ

⇕ຍᕤᙳ㡪㒊䠄TMAZ䠅⇕ᙳ㡪㒊䠄HAZ䠅

図 10

ヨᩱ

複動式ボビンツール（Self Reacting Pin Tool）

ᩱ

プローブーショルダー複動式ツール

4 異種材料の接合に適している．
5 開先加工や接合時の前処理が不要である．
6 接合中にヒューム，スパッタ，紫外線等の発生がない．

図 11厚板用複動式ボビンツール

6 低融点金属に限られる．
しかし，これらの問題点に関しても，これまでにさまざまな角度から検討され，解決の方向にある．特に，6 に

7 気孔，割れなどが発生しにくい．

関しては，鋼の %) が可能となり，大幅に改善した．

8 アルミニウム合金の接合の場合には，シールドガスが詳細については，専門書 4や解説 40を参照して頂きたい．

不要である．
9 原則，フィラーが不要である．
10 接合部から合金成分の蒸発がほとんどない．
11 熟練技術が不要である．

問題点の 2 4 5 も改善のためのいくつかの提案が行われている．
2 に関しては，ギャップが大きい箇所に粉末を充填しながら %) を行う方法 41，42が提案され，4 5 に関し

一方，以下のような問題点がある．ては，ツールのプローブとショルダが別々に駆動する複1 剛性のある拘束治具が必要である．

動式ツールが有効である 43．これにより，図９に示すよ2 ギャップの許容範囲が狭く，接合部の目違い，ギャッうに，板厚が場所により変化する材料の接合が可能になプの制御が必要である．

る．また，接合終了時に徐々にプローブを短くしていく3 すみ肉継手などの複雑形状の部材の接合が困難である．

ことで，接合部終端に残る孔を無くすことできる．この4 接合終端部に穴が残る．

構造に対して，図 10 に示すように，ピン先端に材料を支5 裏面にキッシングボンドといわれる未接合部が生成し持する部材を取り付けた，いわゆるボビンツールを適用やすい．

することでツール荷重をツールの内部応力で打ち消す構溶接学会誌 第 78 巻（2009）第４号

造も開発されている 44．この構造を採用することで，%)5083!，6061&6，7075&5 材（いずれも板厚 488，ショの欠点であるツール荷重を無害化することが可能になる

ルダ径 1588）について，ツールの回転速度と接合速度のが，ツールの耐久性が実用上の課題である．図 12 に 2588

適正範囲を示した例である 4，47．それぞれの材料によっての厚板用に開発された複動式のツール 45を示す．

適正条件範囲が異なることがわかる．高回転速度，低接合

図 12 は %) で接合可能と考えられる継手形式であ46

速度領域では，接合部に過剰な熱を与えるため，バリがる．突合せ継手 , や重ね継手 . また，その組み合わせ発生しやすくなり，外観は著しく悪くなる．一方，低回

-．& 継手 0 1，へり継手 2，などが可能である．ま

転速度，高接合速度領域では，入熱不足のため材料の塑た，3 に示すように，継手構造の工夫により，すみ肉継性流動が不完全となり，図 14 に示すように，入熱量が不手も可能とされている．

足するに従い，トンネル状の欠陥（&?9907 3:70），溝状の欠陥（<::@0 7460 /010.>），プローブの欠損につながる 48．
2024&6，5083!，7075&5 材は 6061&6 材に比べて，適正接合条件範囲はるかに適正条件範囲が狭く，接合しにくいことが分か
図 13 は代表的なアルミニウム合金である 2024&6，

図 12

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る．接合のしやすさは，接合温度における塑性流動のし継手形式

図 13

種々の Al 合金の適正接合条件

図 14

入熱量が不足の場合の欠陥の種類

藤井：第１章 溶接法および機器 1-5 FSW

7075-T66063-T6
6061-T65454-O
5083-O
5050-O
4032-T63003-O2218-T6
2024-T6
2014-T6
2011-T3
1100-O
051015202530

350.2%⪏ຊ䚷(N/mm2)

図 15370℃における種々のアルミニウム合金の耐力

ධ⇕㐣๫

2000

ᅇ㌿㏿ᗘ (rpm)

1750
1500

ረᛶὶື
␗ᖖ

6.9kN
9.3kN
11.8kN1250

14.2kN

1000
750500ධ⇕୙㊊25000250500

750

1000

1250

1500᥋ྜ㏿ᗘ (mm/min)
図 16

荷重一定制御の場合の適正接合範囲（ADC12，厚さ 4mm）やすさで決定される．2024&6，5083!，7075&5 などの合に，よりバリの発生が顕著になる．荷重一定制御の場

材料は，塑性流動性が悪いため，低回転速度，低接合速合には，一旦，温度が上昇し材料の軟化が始まると，よ度でないと健全な継手は得られない．接合のしやすさは，りツールが押し込まれる傾向になるため，適正な荷重の接合温度における材料の耐力を比較してもある程度予測設定が重要である．

できる．図 15 に各種アルミニウム合金の 370℃での耐力

図 16 に示すように，主な欠陥の発生原因をまとめるとを示すが，6000 系の高温での耐力が低いことがわかる．

以下のようになる．

一方，2000 系，5000 系，7000 系は高温での耐力が高く，

1 入熱過多（バリの発生，表面の荒れ）

%) しにくいと言える．

2 入熱不足（トンネル状欠陥，溝状欠陥，プローブの欠49しかしながら，2000 系や 7000 系は適正条件範囲が狭くても，従来の溶融溶接法では接合が不可能であったこ損）
3 塑性流動異常（トンネル状欠陥）とを考えると，%) が有効な接合法であることには変わ1 入熱過多は，試料の温度上昇によって塑性流動がよりない．尚，厳密には接合のしやすさは，接合温度におり容易に起こり，バリ等の発生が顕著になる場合である．

ける高温変形抵抗で比較するとより正確に推定できる 4．

2 入熱不足は図 14 に示すような種類の欠陥を生じる場

荷重一定制御の場合の適正接合範囲は 12 を例に合があり，入熱の不足量が増大するにつれ，トンネル状とると，図 16 のようになる．荷重が大きくなるにつれの欠陥（&?9907 3:70），溝状の欠陥（<::@0 7460 /010.>），て，適正条件範囲が大きくなり，荷重も重要な接合条件プローブの欠損と変化していく．

48の一つであることが分かる．しかし，ある程度荷重が大しかし，図 16 の右上の領域，高接合速度，高回転速度きくなると，欠陥の発生が起こりにくくなり，荷重依存の場合には，トータルの入熱量と直接関連のない欠陥が性は小さくなる．荷重一定制御の場合，十分な荷重を与発生する．これは後述するように，塑性流動の異常によえると，位置一定制御に比べ，内部欠陥が発生しにくいり発生する欠陥である．

特徴がある一方で，位置制御と比較して，入熱過多の場

適正領域の右下，すなわち接合速度が大きく，回転速溶接学会誌 第 78 巻（2009）第４号



図 17

塑性流動異常および入熱不足による欠陥（右側が前進側）

度が小さい場合には，ツールの回転速度の増加とともに，熱量 # ) は，適正な接合速度も大きくなるので，入熱量と直接関係が
1

あるといえるが，適正領域の右上のツールの回転速度が大きすぎる場合には，接合速度の増加とともに，適正なツール回転速度はむしろ減少する．と 表 せ る ．こ こ で ，μ：摩 擦 係 数 ，"：攪 拌 部 の 圧 力

図 17 に塑性流動異常および入熱不足の場合の接合部の（ 83）， ：ツール回転速度（=−1），$：ショルダ径（8）断面写真を適正条件で接合された場合の結果と合わせてである．この式では，回転ツールのショルダ部と接合金示す．これからわかるように，入熱不足の場合の欠陥と属の間のみで発熱すると仮定している．ここで，攪拌部塑性流動異常の場合の欠陥は，欠陥の発生位置も前進側の圧力 " とはショルダ部を押圧する単位面積あたりの荷でほぼ同様なため，これまで明確に区別されていなかっ重である．式 1 より発熱量 # は，圧力 " および回転速48に比例し，ショルダ部の直径 $ の３乗に比例するこた．しかし，回転速度が小さすぎる（入熱不足）の場合に度は，攪拌部の形状が適正条件範囲とほぼ等しいのに対し，とになる．したがって，ショルダ径の小さいマイクロ接回転速度が大きすぎる（塑性流動異常）の場合には，図 17

合等を考える場合には，１分間に 10000 回以上の高速回中の矢印で示すように，前進側の試料表面近傍で攪拌の転が必要となる 51．

流れがスムースでない領域が存在するのが分かる．このように，回転速度が大きすぎる（塑性流動異常）場合に一方で，式 1 を圧力でなく，荷重    を用いて表現
すると，は，塑性流動のバランスが悪くなり，欠陥が発生する．
2

これは，材料中の熱の伝達に比べ，回転ツールから材料表面への入熱量が大きくなりすぎ，表面温度のみが上昇するため，局部的に塑性流動が促進されたものと推察さとなり，数式上では，入熱は荷重，ツール回転速度，シれている 48．

ョルダ径のいずれにも比例することがわかる．

図 17 に示すように，入熱不足によって発生した欠陥

式 1 および 2 は，回転ツールを移動させない場合のは，荷重を増やすにつれてその大きさは小さくなるが，モデルである．回転ツールを移動させる場合には，接合表面の攪拌過剰によって生成する欠陥は，荷重を増やし速度 ( をツールの回転速度ても，あまりその大きさが変化しないのが特徴である．

（$0@:7?>4:9 "4>.3）が一つの指標となる．

で割った回転ピッチ

このように，2 入熱不足と 3 塑性流動異常の欠陥は一見，区別しにくい．しかしながら，これらを誤って判断

回転ピッチ＝(3

すると，本来回転速度を減少させるべき場合に，増加させてしまうなどの間違いを起こしてしまうので，十分な回転ピッチはツールが１回転する間に移動する距離で，注意が必要である．

図 18 に示すような %) 後に接合部表面に形成する筋の間隔に相当する．回転ピッチが大きいということは，筋接合条件と入熱量の関係の間隔が大きい，すなわち１回転の間に移動する距離が大きいことに相当するため，入熱が減少すると言える．

<42,,</ ら 50によると，%) 中に材料に投入される溶接接合教室−基礎を学ぶ−

入熱量と接合強度は密接な関係にある．図 19 は 1050

藤井：第１章 溶接法および機器 1-5 FSW



300

ᘬᙇᙉ䛥
(MPa)
Tensile stressof FSW joints/ MPa

6N01S-T54mmt
250200150

100Clearance㛫 㝽50Misaliẁ nment
ᕪ00

図 18100

図 203025

Tensile strength
0.2% proof strength
Elongation

6ᘬᙇᙉ䛥 (MPa)

12Elongation, %50

250
200
150
100
500

継手の引張強さに及ぼす間隙と段差の影響

300䚷䚷䚷䚷ఙ䜃䠈䠂

1823502475

1.5
1Clearance and Misalignment / mm㛫㝽䜎䛯䛿ẁᕪ (mm)Ḟ㝗Ⓨ⏕⤖ᬗ⢏⢒኱໬

᥋ྜᙉᗘ䠈MPa
Strength, MPa

0.5

FSW後に接合部表面に形成される筋（この筋の間隔が回転ピッチ（接合速度／回転速度）に相当する）

Retreating䚷side

Advancing side

00

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0-2.5-2-1.5-1

図 19

強度と入熱量（回転ピッチ）の関係（A1050-H24，5mm 厚）

-0.5

00.5

11.5

22.5

䝒䞊䝹≺䛔఩⨨ (mm)䚷䚷䚷䚷ᅇ㌿䝢䝑䝏䠈mm/䡎
Revolutionary pitch, mm/r

図 21

継手の引張強さに及ぼすツールの狙い位置の影響

24 材（板厚 588）の引張強度と回転ピッチ（接合速度間隙を埋めるだけの材料が不足するためであり，接合部

ツール回転速度）の関係を示している 52．（ショルダ径の板厚を母材よりも増しておくなどの対策もなされてい1588，プローブ 6）回転ピッチが 028 の時，引張強る 54．したがって，基本的には間隙は 0588 以下に保つ

度は最大値を示し，それより回転ピッチが大きく（入熱必要があると言える．また，間隙の許容範囲を大きくすが小さく）ても，小さく（入熱が大きく）でも強度が低るためには，ショルダ径を大きくするのが一つの方法で下することが分かる．これは，入熱が大きすぎる場合にある．間隙の許容範囲はショルダ径に比例し，ショルダは，結晶粒の粗大化が起こり，強度が低下するのに対し，径が 4088 であると，間隙が 1588 を超えても欠陥は入熱が小さすぎる場合には，内部に欠陥が生じ強度が低発生しないという報告がある．また，最近の研究で間隙下することに起因する．尚，回転ピッチが 03 を超えてに粉末を充填すると，388 程度まで良好な継手が得られも，結晶粒そのものは小さくなる傾向にあるため，耐力るという報告 41，42がある．

は上昇し続ける ．
52

間隙がない場合であっても，段差があれば，大きな欠陥が発生する．特に，プローブが先に片方の板のみに接突合せ面の間隙，段差，狙い位置触するような場合には接合すら不可能である．
プローブの狙い位置が突合せ面から外れた場合，開先%) 接合を行う際，接合条件が不適切な場合に加えて面が前進側にあるか後退側にあるかによって内部に生じ開先のギャップや目違いなどがあると継手部に種々の欠る欠陥が異なる．図 21 にはツールの狙い位置が継手の引陥を生じる．溶融溶接の場合に生じる粒界の液化割れや張強さに及ぼす影響を示す．ツールが開先面に対して後ブローホールなどは認められないが，塑性流動の不足に退側にずれた場合には，288 程度ずれても引張強さの低よって生じる特有の欠陥が生成する．

下は少ないが，前進側にずれた場合には 188 を超すと図 2053，54に突き合わせ試料の間隙と段差が継手の引張引張強さは急激に低下する 53，54とされている．

強さに及ぼす影響を示す．これは板厚 488 の 6 01 合金
を %) 接合した場合の例であるが，いずれも 0588 をおわりにこえると継手の引張強さは急激に低下する．突合せ面の間隙を増すと内部にトンネル状の欠陥を生じる．これは最近の %) に関する進歩は目覚ましく，こうして解溶接学会誌 第 78 巻（2009）第４号

説記事をまとめても，しばらくすると古くなってしまう．
特に，鉄鋼材料の %) に関する研究が盛んに行われ，刃物等の表面改質においてはすでに実用化されている 20，55．この他にも，変態を伴わない %)13−15，56やレーザと%) を 組 み 合 わ せ て ，結 晶 粒 お よ び 炭 化 物 を と も に10098 程度に抑制できる技術 29は，実用化に向けて極めて有用である．また，ステンレス鋼を 18849 以上で接合する技術 57や，鉄鋼材料のスポット %) において，１つのツールで 3000 打点以上接合可能となったこと 31等は今後につながる技術と思われる．
本稿では，紙面の都合上，すでに実用化されている 7合金を中心に解説したが，%) はすでに 2620℃の融点を有する : まで接合可能となっている 17．このような高融点の金属の %) について興味のある方は，別報を参照して頂きたい 40．また，%) 全般や最新情報に関しては，詳しい著書 4がある．最後に，本書の出版にあたり，多くの論文，ホームページ等を引用させて頂いた関係各位に，深甚なる謝意を表す．

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藤井：第１章 溶接法および機器 1-5 FSW