摩擦攪拌接合（FSW；Friction Stir Welding）とは？

摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding、FSW）は、1991年にイギリスのThe Welding Institute (TWI) で開発された固相接合技術である。この方法では、回転する非消耗工具を使用して、接合する部材の接触面を摩擦熱で加熱しながら攪拌する。このプロセスにより、溶融することなく材料が接合される。

特にアルミニウム合金やその他の低融点の金属材料の接合に適しており、航空宇宙産業や鉄道車両、自動車産業などでの利用が増えている。FSWは、溶接に伴う溶融帯の形成やガスの取り込み、変形などの問題を回避できるため、品質の高い接合が可能となる。

Illustration of the principles of Friction Stir Welding

Our laboratory original FSW tool

摩擦攪拌成形（FSF；Friction Stir Forming）とは？

摩擦攪拌成形（Friction Stir Forming、FSF）は、摩擦攪拌接合（FSW）の原理を基にした成形技術である。FSFは、FSWと同様の工具を使用して、金属材料を局部的に摩擦熱で加熱しながら成形する技術である。

FSF技術の原理について：
摩擦熱の生成：回転する工具の肩部と材料との間の摩擦により、材料の局部が加熱される。この摩擦熱により、材料は軟化し、塑性流動と成形が容易になる。
攪拌作用：工具のプローブ部が材料の中に浸入し、攪拌作用をもたらす。この攪拌により、加熱された材料が均一に混ざり合い、組織が再結晶化する。
成形：ツールの圧力および摩擦熱と攪拌作用により軟化した材料を、工具の移動方向に沿って成形する。工具の形状や移動速度、回転速度などの条件を変えることで、さまざまな形状の成形が可能となる。

FSF技術は、従来の成形技術と比べて低温での成形が可能であり、また、成形後の材料の機械的性質や組織が優れているという特長がある。これにより、高強度の部品の製造や、複雑な形状の成形など、さまざまな応用が考えられる。
T. Nishihara, Mater. Sci. Forum, 426-432 (2003) 2971-2978

Illustration of the principles of Friction Stir Forming

摩擦撹拝成形(FSF)を用いたアルミニウム合金やチタン合金と光ファイバの機械的接合による新規スマート複合材料開発の試み

本研究では，摩擦攪拌成形（FSF）を用いることによってチタン合金と光ファイバを機械的に接合させる新規の異種材接合手法を提案する．FSFを用い，光ファイバを，その特性を損なうことなくチタン合金内部に埋め込んだ新規機能を持つ複合材料の開発について実験的に調べることを目的とする.

これによって得られるチタンに埋め込まれたファイバセンサは，非常に高温かつ過酷な環境で確実に動作できることが期待できる．本研究では，この新規複合材料をスマート構造の基礎材料として導入することを提案するが，それによりホストチタンの内部状態（温度と歪み）を検出するためのセンサとして情報を伝達することができると期待される．光ファイバの適用範囲は航空機用途に限定されず，回転機械，車両構造，およびリアルタイムの状態監視システムを必要とする航空宇宙や人工知能システムにおける用途にまで拡大することが期待される．

SEM photos of mechanical interlocked optical fiber after FSF showing cross-section perpendicular to the direction of processing, interlocked fiber within titanium and map analysis showing the plastic flow of Titanium alloy

Embedding Optical fiber inside Zn-22Al Plastic alloy by friction stir forming method

摩擦攪拌成形を用いたアルミニウム合金とステンレス鋼繊維の機械的接合による材料の局部的強化方法の提案

摩擦攪拌成形（FSF）という金属の新しい塑性加工技術を用いて，ステンレス鋼繊維とアルミニウム合金を機械的に接合し，アルミニウム合金を局部的に強化することが可能な新たな繊維強化金属（Fiber Reinforced Metal;FRM）の開発方法を提案しています．具体的には，アルミニウム供試材にスリットを設け，そのスリットに繊維を設置します．FSFを施すことにより，材料が軟化しスリット内に塑性流動して，繊維との機械的接合が行われます．ステンレスの優れた耐熱性を考慮すると，航空宇宙分野やエンジン部品の複合材料としての応用も期待できます．

Microstructure observation of the cross-section showing embedded strands inside the aluminum alloy matrix

SEM photo showing the plastic flow of the metallic alloy resulting in mechanical interlocking strands within the metal matrixing method

摩擦攪拌成形による超塑性成形と拡散接合を併用した超塑性制振鋼板の開発

摩擦攪拌成形(FSF)を用い、Zn-22Alと穴あけ鋼板を組み合わせ、ダンピング性能を更に向上させた新たな複合材料の創製方法を提案する。

FSFを用いることによりこれまでにない超塑性成形と拡散接合を組み合わせることにより、新たな制振用の複合合金を開発するとともに、摩擦攪拌中におきる超塑性および拡散接合のメカニズムを明らかにすることを目的とし、研究を進めている。

Developed vibration-damping composite by combining FSF & SPF/DB