ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING

本紹介資料は、「International Congress Motor Vehicles & Motors 2024」で発表された「ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING」という論文に基づいています。

Figure 1 FSW process scheme (a), FSSW process stages (b) [8]
Figure 1 FSW process scheme (a), FSSW process stages (b) [8]

1. 概要:

  • タイトル: ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING
  • 著者: Nada Ratković, Dragan Adamović, Srbislav Aleksandrović, Vesna Mandić, Dušan Arsić, Marko Delić, Živana Jovanović Pešić
  • 発行年: 2024
  • ジャーナル/学会: 10th International Congress Motor Vehicles & Motors 2024
  • キーワード: welding, friction stir welding, welded joint, automotive manufacturing, steel

2. 抄録:

自動車の構造要素を接合するプロセスは、自動車産業における新モデル開発において重要な役割を果たします。自動車産業で代表される様々な技術の中でも、摩擦攪拌接合（FSW）技術は近年ますます適用されるようになっています。FSWは高品質の溶接継手を提供し、高いエネルギー効率、比較的簡単な装置、そしてプロセス自動化の可能性を持っています。また、有害なガス、放射線、閃光、または保護ガス雰囲気を必要としない最も環境に優しい技術であり、現代の自動車産業にとって非常に重要です。この自動化された摩擦接合プロセスは、自動車産業のような大量生産を行う産業によく適合します。この接合プロセスの適用により、自動車産業ではすでに異なった、新しく、より複雑な製品が作られています。一方、自動車メーカーは、車両の重量を削減するために、鋼とアルミニウムの接合など、全く異なる金属を組み合わせて接合する必要がある混合材料またはハイブリッド材料から作られた製品の設計にますます取り組んでいます。従来の溶接方法では、異なる金属の接合は不可能でした。さらに、産業用ロボットの使用により、複雑な接合ライン構成に沿って材料を接合したり、あらゆる溶接姿勢で板材を接合したりするFSWプロセスの適用が可能になります。本稿では、FSW技術プロセスの基本原理を提示します。次に、この溶接プロセスのすべての技術的構成要素を説明します。プロセス自体の物理的本質は、適切なツールと母材との相互作用に基づいています。ツールが母材を回転しながら通過することで、激しい摩擦と溶接材料の混合の結果として機械的エネルギーが解放されます。この機械的エネルギーは熱に変換され、接合領域の材料を加熱し、連続的で高品質の溶接部を形成します。本稿では、主要なグローバルメーカーによる自動車産業におけるFSWの適用例を紹介します。

3. 序論:

現代の製造業は、より速く、より高品質の溶接プロセスを要求しており、高品質基準を満たす必要性が高まっています。自動車および航空宇宙産業では、部品の重量を削減するためにアルミニウムやマグネシウムなどの軽量金属を使用する必要性が増大しています。抵抗スポット溶接やレーザースポット溶接などの従来の接合方法には、工具の摩耗、熱変形、気孔などの欠点があります。これらの課題は、摩擦攪拌接合（FSW）のような革新的で効率的、かつ環境に優しい溶接技術の必要性を浮き彫りにしています。FSWは固相圧接技術の一分野であり、近年その適用が増加しています。

4. 研究の要約:

研究テーマの背景:

自動車産業は、燃費を向上させ、環境基準を満たすために車両重量を削減する方法を常に模索しています。これにより、アルミニウム合金や高張力鋼（AHSS）などの軽量材料の使用が増加しました。これらの材料、特に鋼とアルミニウムのような異種材料を接合することは、従来の溶接方法では大きな課題であり、高度な解決策が求められています。

従来の研究状況:

抵抗スポット溶接などの従来の接合技術は広く使用されていますが、高いエネルギー消費、工具の劣化、熱変形などの欠点があります。レーザー溶接のような他の方法も欠陥を引き起こす可能性があります。これにより、母材を溶融させることなく高品質の接合部を生成できる能力から、摩擦攪拌接合（FSW）およびそのスポット溶接バリアントであるFSSWのような固相接合プロセスへの研究開発が促進されました。

研究の目的:

本稿は、摩擦攪拌接合（FSW）技術に関する包括的な概要を提供することを目的としています。FSWおよびFSSWプロセスの基本原理を提示し、主要な技術的構成要素とパラメータを説明し、主要なグローバルメーカーによる自動車産業での実用例を挙げてその有用性を示します。

中核研究:

本研究では、FSWが非消耗性の回転ツールを2つのワークピースの境界面に押し込んで接合する固相接合プロセスであることを説明します。ツールと材料の間の摩擦は熱を発生させて材料を可塑化し、この材料はツールの形状によって機械的に攪拌・鍛造されて高い完全性を持つ結合を形成します。本稿では、以下のようないくつかのバリエーションを詳述します：

  • 摩擦攪拌スポット溶接（Friction Stir Spot Welding, FSSW）: ツールの直線的な移動なしに局所的なスポット溶接を生成します。
  • リフィルFSSW（Refill FSSW, RFSSW）: 独立して動く2つの部品（プローブとスリーブ）からなるツールを使用し、従来のFSSWツールで残る「抜け穴（exit hole）」なしにスポット溶接を生成する高度なバリエーションです（Figure 2, Figure 3）。
  • スイープFSSW（Swept FSSW）: ツールが円形の経路に沿って複雑な回転運動を行い、より広い混合領域とより強力な接合部を生成するプロセスです（Figure 4, Figure 5）。
    また、この研究では、ツールの形状、回転速度、押し込み深さ、保持時間などの重要なプロセスパラメータが、溶接された接合部の最終的な品質を決定すると明記しています。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本稿は、記述的レビューとして設計されています。FSW技術の基本原理を説明し、そのバリエーションを分類し、現在の適用状況をレビューすることで既存の知識を統合します。

データ収集および分析方法:

この研究は、ジャーナル論文、学会発表資料、公開されている技術報告書などの既存の科学文献のレビューに基づいています。著者らはこの情報を分析してFSWのメカニズムを説明し、他の方法と比較し、自動車分野における産業応用の実例と画像を提示します。

研究テーマと範囲:

本稿の範囲は、自動車製造の文脈における摩擦攪拌接合（FSW）とそのバリエーションに焦点を当てています。基本プロセス、FSSWおよびRFSSW、スイープFSSWなどの高度な方法への進化、主要なプロセスパラメータとツール設計、そして主要な自動車メーカーによる文書化された適用事例をカバーしています。

6. 主な結果:

主な結果:

  • FSWは、アルミニウムや鋼などの同種および異種材料において高品質の接合部を生成できる、先進的でエネルギー効率が高く、環境に優しい溶接技術です。
  • 摩擦攪拌スポット溶接（FSSW）のようなバリエーションは、従来のスポット溶接を置き換えるために開発されています。リフィルFSSW（RFSSW）のような高度な方法は、抜け穴という主要な制限を克服し、滑らかな表面仕上げを実現します。
  • スイープFSSWプロセスは、材料の混合領域を広げる複雑なツールパスを使用することで、より大きく、より強力な接合部を作成します。
  • 溶接部の品質と機械的特性は、工具の回転速度、押し込み深さ、保持時間、工具形状など、慎重に選択されたプロセスパラメータに大きく依存します（Figure 6, Figure 7）。
  • FSWは、マツダ、トヨタ、フォードなどの主要な自動車会社によって、アルミニウム製のフード、リアドア、ボディパネルなどの軽量部品の製造にすでに使用されています（Figure 9, Figure 10, Figure 11, Figure 12）。

図のタイトルリスト:

Figure 2 Schematic of the Refill FSSW process with indentation shoulder [10]
Figure 2 Schematic of the Refill FSSW process with indentation shoulder [10]
Figure 3 Schematic of the Refill FSSW process with an indentation probe [10]
Figure 3 Schematic of the Refill FSSW process with an indentation probe [10]
Figure 4 Scheme of the Swept FSSW welding procedure [6]
Figure 4 Scheme of the Swept FSSW welding procedure [6]
Figure 7 FSSW tool components: a) clamping ring, b) sleeve, c) pin [9]
Figure 7 FSSW tool components: a) clamping ring, b) sleeve, c) pin [9]
Figure 9 Example of FSW application in the automotive industry in Japan [12]
Figure 9 Example of FSW application in the automotive industry in Japan [12]
  • Figure 1 FSW process scheme (a), FSSW process stages (b) [8]
  • Figure 2 Schematic of the Refill FSSW process with indentation shoulder [10]
  • Figure 3 Schematic of the Refill FSSW process with an indentation probe [10]
  • Figure 4 Scheme of the Swept FSSW welding procedure [6]
  • Figure 5 Path of tool movement in the Swept FSSW procedure [6]
  • Figure 6 Tool model for FSSW in the joining process
  • Figure 7 FSSW tool components: a) clamping ring, b) sleeve, c) pin [9]
  • Figure 8 Robotic arm (a), tool (b), joint surface (c) [15]
  • Figure 9 Example of FSW application in the automotive industry in Japan [12]
  • Figure 10 FSW at the Lincoln factory [11]
  • Figure 11 Application of FSW for rear doors on the Mazda RX-8 [11]
  • Figure 12 Automotive components connected using the FSW procedure of the German company Inpro [11]

7. 結論:

FSWのような先進的な溶接技術の適用は、より高品質で、より効率的、費用対効果が高く、環境に優しい製造への需要の増大に応えるため、自動車産業で成長しています。FSWプロセスは、非線形の材料流動と熱力学を含む科学的に複雑ですが、高い強度と疲労耐性を含む優れた接合特性を提供します。最適なパラメータとツールを選択することで、FSWは優れた結果を提供し、自動車セクターおよびそれ以外の分野で成功裏に適用されています。

8. 参考文献:

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  • [14] Shen. J., Lage. S.B.M., Suhuddin. U.F.H., Bolfarini. C., Santos. J.F.: Texture development and material flow behavior during refill friction stir spot welding of AlMgSc, Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 49, 241-254, 2018.http://dx.doi.org/10.1007/s11661-017-4381-6
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  • [16] Ratkovic. N., Nikolic., R., Samardzic. I.: Structural, chemical and deformation changes in friction welded joint of dissimilar steel, Metalurgija, Vol.53, No. 4, ISSN 0543-5846, 2014. Pp 513-516.

9. 著作権:

  • 本資料は、「Nada Ratković, Dragan Adamović, Srbislav Aleksandrović, Vesna Mandić, Dušan Arsić, Marko Delić, Živana Jovanović Pešić」の論文です。「ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING」に基づいています。
  • 論文の出典：[提供されたテキストにはDOI URLがありません。ここに関連するDOIが挿入されます。例：参考文献[1] https://doi.org/10.1155/2014/697170]

本資料は上記の論文を基に要約されており、商業目的での無断使用を禁じます。
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論文要約:

研究に関する主な質問と回答:

本稿は、自動車産業でますます使用される先進的な固相接合技術である摩擦攪拌接合（FSW）プロセスをレビューします。FSWおよびそのバリエーションである摩擦攪拌スポット溶接（FSSW）の原理を詳述し、プロセスパラメータとツール設計が接合品質にどのように影響するかを強調します。この研究は、FSWが軽量で高品質な車両部品を製造するために主要メーカーで実際にどのように適用されているかを示しています。

Q1.

自動車産業において、FSWが従来の溶接方法に対して持つ主な利点は何ですか？

A1.

FSWは環境に優しい固相プロセスであり、有害なガス、放射線、または母材の溶融なしに高品質の接合部を生成し、従来の方法で見られる気孔や高い熱変形などの問題を克服します。（出典：「INTRODUCTION」、「ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING」）

Q2.

標準的な摩擦攪拌スポット溶接（FSSW）の問題点と、その解決策は何ですか？

A2.

標準的なFSSWは、ツールが引き抜かれた後に抜け穴（exit hole）を残します。この問題は、リフィルFSSW（RFSSW）と呼ばれるバリエーション技術によって解決されます。この技術は、特殊な二重構造のツールを使用して穴を埋め、滑らかで欠陥のない表面を作り出します。（出典：「THE FRICTION STIR WELDING PROCESS」）

Q3.

スイープFSSW（Swept FSSW）プロセスは、従来のFSSWプロセスとどのように異なりますか？

A3.

スイープFSSWでは、ツールが自身の軸で回転しながら、円形の経路に沿って複雑な運動を行います。この動作により、より広い領域でより多くの材料が混合され、従来のFSSWに比べて機械的に優れた接合部が形成されます。（出典：「CLASSIFICATION OF FSSW WELDING PROCESSES AND THE SFSSW PROCESS」、Figure 4、Figure 5）

Q4.

摩擦攪拌スポット溶接の品質を制御する主要なパラメータは何ですか？

A4.

主要なパラメータには、ツールの押し込み深さ、ツールの回転速度（rpm）、保持時間（浸漬時間）、ツールの押し込み速度、およびツールに加えられる軸方向の力が含まれます。欠陥を防ぎ、接合部の完全性を確保するためには、これらのパラメータを慎重に選択することが重要です。（出典：「BASIC PARAMETERS OF THE PROCESS AND TOOL GEOMETRY」）

Q5.

FSWは異種材料の接合に使用できますか？また、これが自動車製造にとってなぜ重要ですか？

A5.

はい、FSWは鋼とアルミニウムなどの異種材料の接合に効果的です。これは、車両重量を大幅に削減して燃費を向上させ、排出ガスを削減するという自動車産業の目標にとって非常に重要です。（出典：「ABSTRACT」、「INTRODUCTION」）

Q6.

すでにFSW技術を使用している主要な自動車会社はどこですか？

A6.

FSWとそのバリエーションは、マツダ、カワサキ、トヨタ自動車、ゼネラルモーターズ、フォードモーター、フィアット・クライスラー・オートモービルズ、PSA・プジョーシトロエンなど、いくつかの主要なグローバル企業で、アルミニウム製のフード、リアドア、ボディパネルなどの部品に使用されています。（出典：「APPLICATION OF FSW IN THE AUTOMOTIVE INDUSTRY」）

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