リベット溶接技術における革新：伝統的プロセスから最新のハイブリッド解決策へ（リベット溶接頭部領域における微細構造-物性関係）

リベット溶接技術イノベーション：伝統的なプロセスから最新のハイブリッドソリューションへ
1 リベッティング技術の概要と分類
リベッティングは古典的な機械的接合技術として何世紀にもわたって開発されてきた。伝統的なリベッティングは、力の伝達を達成するために塑性変形を通して接続部位に機械的なロックを作る。技術の進歩、特に攪拌摩擦リベット接合などの新技術の出現により、リベット接合は純粋な機械的接合から、機械的ロックと冶金的接合を組み合わせたハイブリッド接合技術へと発展してきた。

現代のリベッティング技術は、リベッティングの形式とリベットの構造に基づくことができ、主にセルフ・リベッティング攪拌摩擦リベッティングとセルフ・ピアス・スピニング・リベッティングの2つのカテゴリーに分けられる。セルフ・リベット攪拌摩擦リベット接合では、異種材料の板の接合に既製リベットは使用されない。攪拌ヘッドの動きで、適切な形状の下板プレハブ穴では、同様のリベット構造を形成するために下板プレハブ穴に、軟化熱と押し出し下向きの流れの作用下で摩擦の上部材料。そして、自己貫通スピンリベットのプロセスは主に4つの段階を含む：リベットポイントを見つける、セルフタッピング穴をかき混ぜる、変形ロックと緊急停止固体溶接をかき混ぜる。

2 摩擦攪拌リベット接合技術の詳細
2.1 攪拌摩擦リベット解散原理とプロセス
攪拌摩擦リベット接合技術は、リベット接合技術の変形ロックと固相接合特性を保持しながら、熱を発生させるためにリベットの回転摩擦を採用する、異種材料の接続を安定させるための新しい技術である。摩擦攪拌リベット接合に関しては、国内外の様々な大学で関連研究が行われているが、その焦点は摩擦攪拌リベット接合継手の組織と機械的特性の特徴付け、および破壊形態の解析にある。

ハリスらは、多層Al/Cu超薄板を接続するためのマイクロ攪拌摩擦リベット溶接技術を研究し、試験結果は良好な層間接合とナノスケールの拡散層の存在を示した。ウィリアムは、両面攪拌摩擦セルフリベット溶接技術を研究し、連続リベットのような接続継手、材料レベルの冶金的結合を形成するだけでなく、効果的な機械的ロックの形成の下部のリベット溶接継手でも関節を形成するためにプレハブ穴でのテスト。ジョイントは、材料レベルの冶金的結合を形成するだけでなく、リベット溶接ヘッドの下部に効果的な機械的ロックを形成するだけでなく。

2.2 攪拌摩擦リベット接合の接合形態と接合メカニズム
攪拌摩擦リベッティングの接合形式は、リベッティングの形式及びリベットの構造によって4つのタイプに細分化できる：攪拌摩擦ブラインド・リベッティング技術（FSBR）、攪拌スピン・リベッティング（FSPR）、回転摩擦ドリルド・リベッティング（RFDR）及び回転摩擦プレッシャー・リベッティング（RFPR）。

典型的な攪拌摩擦セルフ・リベット溶接継手は、セルフ・ピアス・スピン・リベット攪拌摩擦リベット溶接継手とは構造が異なる。摩擦攪拌リベット溶接技術でアルミ合金と鋼を接合する場合、通常、アルミ板が上に置かれ、鋼板が下に置かれる。一般に、リベット接合後に強固なリベットのような接合部を形成するために、鋼板には一定の形状の穴があらかじめ形成されている。黄らの研究結果によると、攪拌摩擦セルフ・リベット接合によるアルミ合金と鋼の接合プロセスでは、材料充填の順序は次の法則に従う：まず、アルミ合金はリベットの先端で変形し、次に、アルミ合金はリベットのステム内で攪拌され、最後に、アルミ合金はリベットの送りにより押し込まれる。

3 リベット溶接継手部における組織と特性の関係
3.1 接合部の微細構造特性
摩擦攪拌リベット接合部位の微細構造の研究は、組織-物性関係のより深い理解を促進することができ、その結果、摩擦攪拌リベット接合部の全体的な性能をさらに制御することができる。

組織進化法則によると、攪拌摩擦セルフリベット溶接ヘッド領域は、攪拌領域（SZ）または溶接ブロック（WNZ）、熱機械影響領域（TMAZ）、塑性変形メタルフロー領域（PDZ）またはセルフリベット領域（SRZ）に分けられる。マトリックス組織と比較すると、SZ領域は著しく微細で、最も微細な結晶粒と微細な等軸晶の微細構造を持つ。PDZ領域は著しく粗いが、マトリックスよりも微細で、粗い等軸晶を持つ。TMAZ領域はより微細で、機械的攪拌の影響により結晶粒は著しく変形している。

3.2 界面における金属間化合物とその効果
Huangらは、アルミ合金と鋼の摩擦攪拌リベット接合の界面が平滑で堅く接合され、明らかな亀裂や穴などの欠陥がないことを示した。TEM検査の結果、生成された金属間化合物はFe4Al13であることを示した。らは、6061アルミニウム合金と軟鋼の攪拌摩擦リベット接合界面で、薄片状のFe2Al5と拡散分布した塊状のFeAl6金属間化合物を検出した。

多くの研究が、Fe2Al5やFeAl3のようなAlリッチ金属間化合物の形成は、FeAlやFe3AlのようなFeリッチ金属間化合物の形成と比較して、界面接合や接合強度に悪影響を及ぼすことを示している。この発見は、リベット溶接プロセスを最適化するための重要な方向性を提供する。

4 リベット溶接プロセス最適化とパフォーマンス向上戦略
4.1 プロセスパラメーターの最適化
リベット接合工程パラメータは接合部の品質に決定的な影響を及ぼす。セルフ・ピアス・スピン・リベッティングでは、ルート・カットd（リベットとプレートの接合界面からリベットの先端までの半径方向距離）、リベット深さh（下側プレートへのリベットの深さ）、およびリベットステムに近いリベット間のプレート間距離はすべて重要なパラメータである。一般に、より大きなルート・カットとリベット深さはより強い機械的ロッキング協力を示し、一方δのより大きな値はリベット深さの減少と機械的ロッキング協力の弱化を意味する。

Wang Xijingらは、植え込み攪拌摩擦リベット接合の2つの接合形態が性能に及ぼす影響を調査し、実験結果は、裏側に釘キャップがある接合形態は、延伸プロセス中にアルミ柱が界面に沿って2つの部分に剪断されるのに対し、裏側に釘キャップがない接合形態は、延伸プロセス中にアルミ柱が穴から直接引き抜かれることを示した。従って、リベットの機械的ロックを達成するため、すなわちネイルキャップ構造を形成するためには、プレハブ穴の下に適切な適合金型を配置する必要があり、これはリベットの配置とスペースにより厳しい要求を課すことになる。

4.2 素材の最適化と表面処理
リベット溶接継手の性能は、材料の最適化と表面処理によって大幅に改善することができる。アルミニウムと鋼の摩擦攪拌リベット接合におけるZnの添加または亜鉛めっき鋼の使用は、Al-Zn金属間化合物の形成を促進し、有害なFe-Al金属間化合物の形成を減少させる。

AA611アルミニウム合金と亜鉛メッキ鋼リベットをセルフ・ピアス・スピン・リベット接合した場合のミクロ組織進化は、Minらによって観察され、特徴づけられた。接合部は、微細構造の進展に従って3つの典型的な領域に分けられ、それらはすべてリベットを中心とする円弧内に分布している：領域X（リベットの端から773μm以上）、領域A（リベットの端から363~773μmの範囲内）および領域B（リベットの端から88~363μmの範囲内）。異なる領域は、異なる熱機械履歴を反映して、異なる粒界特性と結晶粒微細化を有する。

5 リベット溶接技術応用の展望と発展動向
5.1 異種材料接合への応用の展望
産業分野での軽量化・省エネルギー化の要求が高まる中、アルミニウム合金やマグネシウム合金の応用がますます求められているが、アルミニウム合金やマグネシウム合金単独では強度や剛性が低く、鋼などの高強度材料と組み合わせて使用する必要がある。そのため、異種材料の接合、特にアルミニウム合金やマグネシウム合金のような軽量合金と鋼との接合は特に重要であり、高強度・高精度の異種材料の組み合わせの問題を解決する必要性に着目している。

異種材料を接合する伝統的な方法には、リベット、溶接、接着が含まれるが、これらの方法には、普遍性に乏しい、接続の強度と安定性に乏しい、精度を制御するのが難しいなど、多くの欠点がある。攪拌摩擦リベット接合や溶接などの新しい技術は、特に自動車、航空宇宙などのハイエンド製造分野において、これらの課題に対する効果的な解決策を提供し、幅広い応用の可能性を示している。

5.2 技術開発の動向
リベッティング技術の将来の発展は、工程精度、効率改善、適応性拡大にもっと注意を払う。一方では、工程パラメーターの精密な制御と工程監視の強化を通じて、接合品質の一貫性を向上させ、他方では、設備の革新と工程の最適化を通じて、生産効率を向上させ、生産コストを削減する。

デジタル化とインテリジェンスもまた、リベッティング技術の発展における重要な方向性である。センサー、データ分析、制御システムの統合を通して、リベット接合プロセスのリアルタイム監視と適応制御は、接合品質の安定性と信頼性を確保するために実現できる。同時に、デジタル・ツイン技術に基づく工程最適化もリベット溶接の品質を改善する重要な手段となる。