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本田開發(fā)出了適用于量產(chǎn)品、通過攪拌摩擦焊方式焊接鋼和鋁合金的技術(shù)，日本東北大學(xué)和日立開發(fā)出了可焊接鋼和鈦等高熔點金屬的鈷合金攪拌頭。以前在量產(chǎn)水平上只限于鋁合金與銅合金、鎂合金這樣的低熔點金屬的攪拌摩擦焊（FSW：Friction Stir Welding）的用途開始擴大到鋼等熔點更高的金屬*1。

*1 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，鋁的熔點為660℃，銅為1083℃，鎂為651℃。而鐵高達(dá)1539℃，鈦高達(dá)1727℃。

摩擦熱使金屬軟化為粘液狀

攪拌摩擦焊是指，利用圓柱頂端設(shè)有突起（攪拌針）的攪拌頭，從對接的兩塊板（母材）或重疊的兩塊板的需要焊接的部位上方，使攪拌頭邊旋轉(zhuǎn)邊推壓，將兩塊板焊接在一起的技術(shù)（圖1）。

圖1：攪拌摩擦焊原理示意圖左為對接焊，利用了塑性流動。右為重疊焊，利用了金屬鍵（以篇首介紹的本田開發(fā)的鋼和鋁合金焊接技術(shù)為例）。

旋轉(zhuǎn)的攪拌針與板材之間產(chǎn)生的摩擦熱，會使攪拌針周圍的金屬軟化為粘液狀，旋轉(zhuǎn)的攪拌針借此插入板中。這樣一來，攪拌針周圍軟化了的金屬便會混合在一起（發(fā)生塑性流動），使兩塊金屬板融為一體，或是在兩塊金屬板的接合面形成金屬鍵，使二者融為一體。

以前缺少耐高溫的攪拌頭

攪拌摩擦焊的優(yōu)點有以下四點：（1）因為無需熔化母材即可焊接（固相焊），所以焊接后的變形及焊接缺陷都很少，因此可提高產(chǎn)品的品質(zhì)并降低成本；（2）比熔化焊接節(jié)能；（3）不需要保護氣體；（4）噪聲小且不產(chǎn)生粉塵。而且，該技術(shù)對異種材料的焊接也非常有效，因此備受業(yè)界關(guān)注，有望通過按各個部位選擇適當(dāng)?shù)牟牧�，來達(dá)到輕量化等效果*2。但正如篇首介紹的那樣，以前能在量產(chǎn)水平上使用攪拌摩擦焊的材料只限于低熔點金屬。

*2 攪拌摩擦焊與熔化母材的液相焊——熔化焊接相比，焊接溫度低，容易通過設(shè)置焊接條件來控制焊接輸入熱量。因此，可輕松減少導(dǎo)致焊接強度降低的罪魁禍?zhǔn)住�—金屬間化合物的生成。通過減小金屬間化合物層的厚度，可提高焊接部位的強度。進(jìn)行攪拌摩擦焊時，若攪拌過度，同樣會生成大量金屬間化合物。

攪拌摩擦焊的用途以前只限于低熔點金屬的原因在于，缺乏適合量產(chǎn)的低價位耐高溫攪拌頭。對鋁合金實施攪拌摩擦焊時，一般使用工具鋼等鋼鐵材料制成的攪拌頭。用這種攪拌頭焊接鋼及鈦合金等高熔點金屬時，在能使這些金屬軟化的高溫區(qū)域，攪拌頭也會軟化，導(dǎo)致攪拌頭磨損嚴(yán)重而無法使用。盡管采用陶瓷及鎢錸合金等非鋼鐵材料的攪拌頭已開發(fā)出來，但這些攪拌頭的價格非常高，并不適合量產(chǎn)。

無需攪拌就能使鋼露出新生面

本田開發(fā)的利用攪拌摩擦方式焊接鋼和鋁合金的技術(shù)，用于接合重疊的鋼和鋁合金母材。其最大特點是只攪拌鋁合金而不攪拌鋼（圖1中的下圖）。這樣便可防止攪拌頭的溫度過高。

無需攪拌鋼即可將鋼和鋁合金焊接在一起是因為，在鋼和鋁合金之間形成了金屬鍵。也就是說，該技術(shù)并未攪拌鋼，而是去除了鋼表面的涂膜和氧化膜。通過這種方法，使鋼的新生面裸露出來，并使其與通過攪拌而提高了活性的鋁合金之間形成了金屬鍵。這種金屬鍵的存在使鋼和鋁合金融為一體*3。

*3 鋼和鋁合金之間進(jìn)入水等之后會發(fā)生雙金屬腐蝕（電蝕），該技術(shù)通過在鋼和鋁合金之間插入硅膜防止了這種現(xiàn)象。

本田在面向北美市場的新款“雅閣”的前副車架中采用了該技術(shù)，并獲得了多種效果（圖2）。具體而言，不僅重量比原來的鋼制副車架減輕了25％，而且焊接時的耗電量減少了約50％。另外，還采用該技術(shù)更改了副車架與懸掛安裝部位的構(gòu)造，使安裝部位的剛性提高了20％，從而為提高車輛運動性能作出了貢獻(xiàn)。

通過新材料擴大應(yīng)用領(lǐng)域

另一方面，東北大學(xué)、日立制作所及日立金屬精密儀器公司開發(fā)出了可耐受高溫的價位較低的攪拌頭，從而擴大了攪拌摩擦焊的應(yīng)用范圍（圖3）。該攪拌頭采用的材料由東北大學(xué)和日立制作所共同開發(fā)，這種材料和攪拌頭（鑄件）的量產(chǎn)技術(shù)由日立制作所和日立金屬精密共同開發(fā)成功。該攪拌頭可用來對鋼、鈦合金及鋯合金等高熔點金屬實施攪拌摩擦焊，預(yù)定2013年秋季開始銷售。雖然日立金屬精密儀器表示“價格今后會討論”，但估計會設(shè)定在可在量產(chǎn)水平使用的價格帶。

圖2：利用攪拌摩擦焊工藝焊接鋼和鋁合金制成的前副車架示意圖

東北大學(xué)等為攪拌摩擦焊攪拌頭開發(fā)的材料為鈷合金，其內(nèi)部分布著高溫下也可保持高強度的金屬間化合物。具體而言，在基于鈷的合金中分布了Co3（Al，W）。關(guān)鍵在于如何使Co3（Al，W）實現(xiàn)均勻的微細(xì)分布，并且使分布量及晶界形狀接近希望的狀態(tài)。為此，采用了更為合理的成分及熱處理方法。 

圖3：東北大學(xué)和日立開發(fā)的耐高溫攪拌頭（右上）和鈦合金的焊接示例（下）

目前設(shè)想的該攪拌頭的適用材料為碳鋼、高張力鋼、鈦合金（Ti-6Al-4V等）、純鈦及銅合金。盡管有些材料因強度及厚度等原因很難使用該攪拌頭，但大致來說，焊接對象為進(jìn)行攪拌摩擦焊時攪拌頭溫度（結(jié)合溫度）最高為1000℃左右的材料。（日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）