摩擦熱と圧力を用いて母材を接合する摩擦圧接は、安定して強固に接合できるという特徴を持つことからさまざまな用途で使用されています。近年では環境への負荷が少ないことも注目を集めており、今後もさらに活用範囲が広がっていくことが期待されています。
今回は、摩擦圧接の基礎知識として、摩擦圧接のメカニズムや接合の手順、特徴を解説します。摩擦圧接機の主要メーカも解説するので、自社へ摩擦圧接を導入する際の参考にしていただければ幸いです。
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１．摩擦圧接とは何か？
（1）圧接とは？
圧接は、2つ以上の母材に対して熱や圧力を加えて接合する溶接加工です。融接やろう付けと並ぶ溶接加工の1種として幅広い領域で活用されています。
圧接には、本記事のテーマである摩擦圧接以外にも、ガス圧接や抵抗溶接などのさまざまな種類があります。どの圧接方法も機械的圧力を用いることから数値制御がしやすく、自動化に適しているという特徴があります。
圧接についての基礎知識や、摩擦圧接以外の圧接方法については、別の記事で詳しく解説しています。
（2）摩擦圧接とは？
①摩擦圧接の概要
摩擦圧接は、母材同士を突き合わせて高速で回転させることで発生する摩擦熱のエネルギーを利用する接合方法です。物と物を擦り合わせると摩擦熱が発生しますが、その摩擦熱によって母材を加熱しながら圧力をかけると、母材同士を接合させることができます。
摩擦圧接は、主に金属同士を接合させるために用いられており、比較的省エネルギーな方法でありながら接合部分が高い強度を得られるという特徴があります。また、他の圧接方法との大きな違いとして、同じ金属同士はもちろん、異なる金属同士も接合することができる点が挙げられます。
②摩擦圧接のメカニズム
金属は規則的に配列した原子で構成されており、原子同士が強固に結びついています。金属を引っ張って原子間の接合が大きく崩れると破断しますが、反対に圧力をかけて原子同士を近づけると接合します。ただし、金属表面は酸化皮膜や汚れなどの異物で覆われており、そのまま圧力をかけても接合できません。
摩擦圧接では、摩擦熱を使って接合面を軟化させながら、酸化皮膜や汚れをバリとして接合面の外に排出します。接合面の表面がきれいになった状態で圧力をかけ、母材同士を接合させます。
以上が、摩擦圧接のメカニズムです。実際はもう少し複雑な原理によって成り立っていますが、基本的な仕組みについてを紹介しました。
摩擦圧接で接合した母材同士は、接合面全体が原子レベルで強固に接合されており、元々の母材と同等か、それ以上の強度を持つようになります。
③摩擦圧接の手順
摩擦圧接では、上述したメカニズムに沿って接合が行われていきます。摩擦圧接で接合する手順を簡単にまとめていますので、1つずつみていきましょう。
１．母材同士を接触させる
摩擦圧接機に母材をセットして、一方の母材を回転させます。もう一方の母材を近づけて接触させます。
２．高速回転させて摩擦熱を発生させる(摩擦工程)
母材同士を突き合わせることで、摩擦熱が生まれます。回転と加圧を続けて、接合に適した温度になれば回転を急停止させます。
３．圧力をかけて接合を完了させる(アプセット工程)
強い圧力をかけることで接合が完了します。この時に、接合面の外側にカール状のバリが発生します。
（3）摩擦圧接の特徴（メリット・デメリット）
摩擦圧接には、次のようなメリット・デメリットがあります。
①摩擦圧接のメリット
- 接合強度が高く、母材と同等かそれ以上の強度が得られる
- 数値制御がしやすくて品質が安定しやすいため、自動化に適している
- 加工時間が比較的短い
- 他の接合方法に比べると省エネルギーで接合でき、環境への負荷が少ない
- 接合面以外への熱影響が少ない
- 異種金属同士の接合が可能である
②摩擦圧接のデメリット
- 摩擦圧接機を用いるため、高価な設備投資が必要である
- 円形断面を持ち、高速回転や高圧力に耐える母材でなければ接合が困難である
- 接合する母材に合わせた専用の治具を必要とする場合がある
２．摩擦圧接の用途
摩擦圧接は、円形断面を持った母材の加工に適しており、接合強度が高くて自動化のしやすい優れた接合方法です。そのため、自動車や航空機といった信頼性の求められる業界を始めとして、産業機器、建築機械、日用品などの幅広い用途で使用されています。
摩擦圧接によって作られている製品の例を紹介します。
- アスクルハウジング
- クラッチハブ
- シャフト
- ロッド
- バルブ
- 切削工具
- ジョイント
- ピストンロッド
- ゴルフクラブのアイアンヘッド
次の動画では、自動車部品のプロペラシャフトが摩擦圧接によって製造される様子をみることができます。摩擦圧接機によっては、2つの母材を接合するだけでなく、3つ以上の母材を同時に接合することも可能です。
また、摩擦圧接の大きな特徴は異種金属の接合が可能なことです。他の方法では接合が難しかったステンレスと炭素鋼、銅とアルミ、アルミとステンレスといった組み合わせでも、摩擦圧接であれば接合が可能になります。
例えば、耐食性が求められる部分にはステンレスを、耐摩耗性が必要な部分には炭素鋼を使用するといったように、適材適所で素材を使い分けることで製品の機能性を高めることができます。また、必要な部分のみに高価で高機能な素材を使用し、それ以外は安価な素材を使用することでコストダウンを実現することもできます。
次の動画では、アルミとステンレス、S45CとS55Cの異種金属の組み合わせ例が紹介されています。
３．摩擦圧接機のメーカとそれぞれの特徴
摩擦圧接を行うためには、摩擦圧接機と呼ばれる専用の設備を導入する必要があります。摩擦圧接機のスペックによって接合精度や生産性が大きく変わるため、選定は慎重に行うべきだといえるでしょう。
ここでは、主要な摩擦圧接機メーカと特徴を簡単にご紹介します。摩擦圧接機を選定するときの参考としてください。
（1）日東制機株式会社
日東制機株式会社は、1966年の創業以来、各種摩擦圧接機を製作している摩擦圧接機の専門メーカです。摩擦圧接機の設計、製作、エンジニアリング、技術指導、販売まで手掛けています。摩擦圧接機の豊富なバリエーションを持ち、柔軟なカスタマイズ対応をしています。スタンダードモデルである「FFシリーズ」が主力製品です。
- 住所：愛知県愛知郡東郷町大字春木字追分72番地
- TEL：0561-38-5331
- URL：http://www.mb.ccnw.ne.jp/nitto/
（2）株式会社TOHO TEC
株式会社TOHO TECは、歪矯正機や摩擦圧接機、各種専用機を設計・製作・販売するメーカです。自動摩擦圧接機を取り扱っており、省スペースで使用できる竪型、生産性の高い横型の両方で豊富な実績があります。顧客ごとの要望に合わせた対応や、中古の圧接機の買取、販売まで行っています。
- 住所：岐阜県各務原市鵜沼朝日町1-249-2
- TEL：058-322-7171
- URL：https://www.tohotec.jp/
（3）KUKAロボティクスジャパン株式会社
KUKAロボティクスジャパン株式会社は、世界的な産業用ロボットメーカであるドイツのKUKA社の日本法人です。「KUKA Genius」という摩擦圧接機シリーズを取り扱っており、竪型のシングルヘッド、横型のシングルヘッド、横型のダブルヘッドの中から、用途に応じた設備を選定できます。
- 住所：神奈川県横浜市保土ケ谷区神戸町134 YBPテクニカルセンター2階
- TEL：045-744-7531
- URL：https://www.kuka.com/ja-jp
４．製造業のWebマーケティングに関するご相談は株式会社ストラーツへ
本記事では、摩擦圧接のメカニズムや接合手順、特徴に加えて、主要な摩擦圧接機メーカやおすすめの相談先を紹介してきました。
摩擦圧接は接合できる母材の形状などの制限はあるものの、多くのメリットのある優れた接合方法です。数値制御しやすく自動化に適しているため、製造現場の生産性を向上させるのにも役立ちます。本記事の内容を通じて、摩擦圧接についてご理解いただければ幸いです。
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