搅拌摩擦焊--铝合金与钢的创新连接工艺

在焊接人员眼中，将两种不同的材料连接在一起是颇具挑战的一件事，因为它们根本无法彼此相容，尤其在其中一方温度升高的情况下。以钢和铝为例，这两种材料就不适合采用电阻点焊——这种低成本焊接技术一直以来被广泛应用于汽车行业中，用来焊接钢板。钢与铝这两种不相容的金属在熔池中发生反应，形成易粹的金属间碳化合物，在冷却后会弱化接头的强度。此外，钢也同样很难与其他低密度金属如锰和钛相结合。

不过，为了生产出高强度、安全的汽车结构件，同时又要达到轻量化的要求，从而使车辆满足不断升级的排放法规的要求，似乎汽车制造商会不断提高高强度钢和铝合金在汽车上的用量。我们会看到越来越多的这种由不同金属结合而成的车身结构，以及不同金属结构件之间相连的情况，比如将铝合金车顶与高强度钢B柱或其他高强度或超高强度钢结构的连接，或在钢制车门框架中采用铝合金部件，来减轻重量。

本田对搅拌摩擦焊进行了创新，将其应用到钢和铝的焊接上，而且已经成功应用于2013 Accord车型上（见本刊上期专题报道）。搅拌摩擦焊最早于1991年由英国焊接协会开发出来，通过搅拌头在焊接工件温度没有达到熔点的情况下将两种金属混合在一起。在该工艺中，金属并没有熔化，而是被软化，在施加一定压力的条件下产生固态接头。钢的熔点在1425-1535°C之间，铝在650°C。

搅拌摩擦焊适合于焊接外形直的工件，但是对于带有曲面的工件却显得捉襟见肘。此外这种工艺采用的搅拌头磨损较快，使生产成本增加。其他一些连接工艺如自冲铆接也在汽车工厂中比较常见，但是对于一些先进钢种来说效果并不好，因为金属材料在铆钉周围的衔接问题使连接的耐久性很差。

来自美国杨百翰大学制造工程技术教授Michael Miles携手该校退休教授Kent Kohkonen及MegaStir Technologies公司工程师Scott Packer研发出了一种创新连接技术，称为摩擦塞焊（FBJ）。该焊接技术可以在铝合金和高强度钢之间形成坚韧的接头。

从2008年开始，该研发小组就与美国橡树岭国家实验室的冯智力（Zhili Feng，音译）团队展开合作。他们采购了一台MegaStir设备并与本田公司建立合作。除了在焊接工艺方面的合作，橡树岭实验室还对接头的微结构进行了分析。目前，杨百翰大学、MegaStir公司及橡树岭实验室的主要工作是对这项技术进行进一步的优化，以适应低成本大批量的汽车生产。他们获得了来自美国国家科学基金会、美国能源署、犹他州及韩国一家汽车供应商的资金赞助。

该工艺采用一个旋转的搅拌头，通过切削与摩擦两种方式在金属之间形成固态焊接头。搅拌头有一个切削头及梅花端。在一定的压力下，搅拌头首先切穿上面的铝合金板，转速约为500-600rpm。然后搅拌头的转速提高到2000rpm，通过产生的热量将搅拌头的头部焊接到下面的金属板上。由于摩擦产生的热量刚刚高于钢的熔点，因此可以形成比较坚实的金属键固态接头，内部几乎没有易碎的部件。

这种工艺解决了传统搅拌摩擦焊搅拌针高温软化失效问题，在焊接结束后，搅拌头与夹持部位通过剪断实现分离，使搅拌头留在接头中，从而解决了残留工艺孔的问题。

该工艺将首次应用于韩国蔚山大学一个项目中，用于焊接铸铁与铝合金。该大学与韩国汽车制造商现代公司有合作。据之前媒体报道，该工艺成功将一个轻量化铝合金制动毂与制动盘焊接起来。为了使该工艺得以应用，两个金属件之间增加了一个很薄的钢片，避免了铸铁中石墨粉末的润滑动作造成的干扰。

FBJ工艺适用于连接硬度较高和比较软的金属，比如钛和铝的连接效果就非常好。

“我们的工艺在实验室里算是一种技术上的成功，适用于焊接两种不同类型的金属，”Miles表示。“但是将其优化，使其适用于汽车生产将是一个非常大的挑战，因为汽车生产不仅产量高，而且对成本非常敏感。”

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