Kitkatappihitsaus: teräksen ja muiden korkealla sulavien materiaalien edullinen liittäminen

Julkaistu:

2025-06-11

Honda kehitti sarjatuotantoon teräksen ja alumiinin kitkatappihitsauksen. Japanin Tohoku-yliopisto ja Hitachi kehittivät kobolttityökalun teräkselle, titaanille ja muille korkealla sulaville metalleille. Aiemmin alumiini-, kupari- ja magnesiumseoksiin rajoittunut FSW eli kitkatappihitsaus laajenee teräksen kaltaisiin materiaaleihin*1.

*1 Normaalissa ilmanpaineessa alumiinin sulamispiste on 660 °C, kuparin 1083 °C ja magnesiumin 651 °C. Raudalla se on jopa 1539 °C ja titaanilla 1727 °C.

Kitkalämpö pehmentää metallin viskoosiksi

Kitkatappihitsauksessa lieriömäisen työkalun päässä on uloke eli sekoitustappi. Pyörivä työkalu painetaan kahden vastakkain tai päällekkäin asetetun levyn liitoskohtaan ylhäältä. Kitka ja sekoitus yhdistävät levyt.

Pyörivän tapin ja levyn välinen kitkalämpö pehmentää ympäröivän metallin viskoosiksi, jolloin tappi tunkeutuu levyyn. Pehmennyt metalli sekoittuu plastisesti ja liittää levyt yhteen. Myös liitospinnan metalliset sidokset yhdistävät levyt yhtenäiseksi kokonaisuudeksi.

Aiemmin puuttuivat kuumuutta kestävät kitkatappihitsauksen työkalut

Kitkatappihitsauksen neljä etua ovat: (1) kiinteän tilan liitos ilman perusmateriaalin sulatusta vähentää muodonmuutoksia ja hitsausvirheitä, parantaa laatua ja alentaa kustannuksia; (2) energiaa kuluu vähemmän kuin sulahitsauksessa; (3) suojakaasua ei tarvita; (4) melu on vähäinen eikä pölyä synny. Menetelmä soveltuu hyvin myös eri materiaalien liittämiseen ja herättää kiinnostusta kevyempiin rakenteisiin, joissa materiaali valitaan kohdekohtaisesti*2. Kuten alussa todettiin, sarjatuotantokäyttö rajoittui aiemmin matalalla sulaviin metalleihin.

*2 Kitkatappihitsauksessa lämpötila on matalampi kuin perusmateriaalin sulattavassa sulahitsauksessa, ja lämmöntuontia on helppo säätää hitsausolosuhteilla. Näin voidaan vähentää lujuutta heikentävien metallienvälisten yhdisteiden muodostumista. Niiden kerroksen ohentaminen parantaa liitoksen lujuutta. Myös kitkatappihitsauksessa liian voimakas sekoitus voi synnyttää runsaasti metallienvälisiä yhdisteitä.

Sarjatuotantoon sopivan edullisen kuumuutta kestävän työkalun puute rajoitti kitkatappihitsauksen matalalla sulaviin metalleihin. Alumiinille käytetään tavallisesti työkaluteräksistä valmistettuja työkaluja. Teräksen tai titaaniseoksen pehmentämiseen tarvittava lämpötila pehmentää myös tällaista työkalua, jolloin voimakas kuluma estää käytön. Keraamisia ja volframi-reniumseoksisia työkaluja on kehitetty, mutta ne ovat liian kalliita sarjatuotantoon.

Teräksen tuore pinta voidaan paljastaa sekoittamatta sitä

Hondan menetelmä liittää päällekkäisen teräksen ja alumiiniseoksen kitkatappihitsauksella. Erona on vain alumiinin sekoitus, ei teräksen, kuvan 1 alaosa. Se estää työkalun liiallisen kuumenemisen.

Teräs ja alumiini liittyvät toisiinsa ilman teräksen sekoittamista metallisen sidoksen avulla. Menetelmä poistaa teräspinnan maalikalvon ja oksidikerroksen sekoittamisen sijaan. Paljastunut tuore teräs muodostaa sidoksen sekoittamalla aktivoituneen alumiinin kanssa. Näin materiaalit yhdistyvät*3.

*3 Teräksen ja alumiiniseoksen väliin pääsevä vesi tai muu neste aiheuttaa galvaanista korroosiota. Tässä tekniikassa niiden väliin asetetaan piikalvo tämän estämiseksi.

Honda käytti tekniikkaa Pohjois-Amerikan uuden Accordin etuapurungossa, kuva 2. Paino väheni teräsrakenteesta 25 % ja hitsaussähkö noin 50 %. Myös jousituksen kiinnitysrakennetta muutettiin, jolloin kiinnitysjäykkyys parani 20 % ja ajettavuus koheni.

Käyttöalojen laajentaminen uusilla materiaaleilla

Tohoku-yliopisto, Hitachi ja Hitachi Metals Precision Instruments kehittivät puolestaan edullisemman kuumuutta kestävän kitkatappihitsaustyökalun, joka laajentaa menetelmän käyttöä, kuva 3. Materiaalin kehittivät Tohoku ja Hitachi, ja materiaalin sekä valetun työkalun sarjavalmistusteknologian Hitachi ja Hitachi Metals Precision. Työkalu sopii teräkselle, titaaniseoksille, zirkoniumseoksille ja muille korkealla sulaville metalleille. Myynti suunniteltiin alkavaksi syksyllä 2013. Hitachi Metals Precision Instruments kertoi hinnan olevan vielä keskusteltavana, mutta sen arvioitiin sopivan sarjatuotantokäyttöön.

Tohoku-yliopiston ja muiden kitkatappihitsauksen työkalulle kehittämä materiaali on kobolttiseos, jossa metallienväliset yhdisteet säilyttävät suuren lujuuden myös kuumassa. Kobolttipohjaiseen seokseen on hajautettu Co3(Al, W) -yhdistettä. Olennaista on saada Co3(Al, W) jakautumaan tasaisesti ja hienojakoisesti sekä saavuttaa tavoiteltu määrä ja raerajamuoto. Tätä varten käytettiin tarkoituksenmukaisempaa koostumusta ja lämpökäsittelyä.

Tämänhetkisen suunnitelman mukaan sekoitustyökalu soveltuu hiiliteräkselle, lujalle teräkselle, titaaniseoksille, kuten Ti-6Al-4V, puhtaalle titaanille ja kupariseoksille. Joillekin materiaaleille työkalun käyttö on vaikeaa esimerkiksi lujuuden tai paksuuden vuoksi. Yleisesti hitsauskohteiksi soveltuvat kuitenkin materiaalit, joiden kitkasekoitushitsauksessa työkalun lämpötila eli liitoslämpötila on enintään noin 1000°C.

Edellinen sivu

Metallirakenteiden käyttöikää pidentävä itsestään korjautuva Jufudun-korroosionestoaine kehitettiin onnistuneesti

FCSE | Tutkimuksen kärjessä: auringonvalon aktivoima itsestään korjautuva korroosionestopinnoite

Seuraava sivu

Edellinen sivu:

Metallirakenteiden käyttöikää pidentävä itsestään korjautuva Jufudun-korroosionestoaine kehitettiin onnistuneesti

Seuraava sivu:

FCSE | Tutkimuksen kärjessä: auringonvalon aktivoima itsestään korjautuva korroosionestopinnoite

Aiheeseen liittyvät uutiset

Vuoden 2026 koneistustuotteiden esittely: Wuhan Kaimingin ammattimaiset ratkaisut koneiden metallipintojen korjaukseen

2026-08-15

Koneistuksen toimintaperiaatteet vuonna 2026: asiantuntijatietoa koneiden metallipintojen korjauksesta

2026-07-31

Koneistuksen yleiset ongelmat vuonna 2026: käytännön opas prosessihäiriöiden ratkaisemiseen ja tehokkaaseen optimointiin

2026-07-16

Koneistuksen koko prosessin huomioitavat asiat vuonna 2026: käytännön opas kustannusten vähentämiseen, laadun parantamiseen ja vikojen ehkäisyyn

2026-07-01

Koneistuksen käyttökohteet eri toimialoilla vuonna 2026: metallipintojen korjauksella kustannussäästöjä ja tehokkuutta

2026-06-16

Koneistusalan ajankohtaiset uutiset vuonna 2026: valmistusyritysten tekninen kehitys, kustannussäästöt ja tehokkuus

2026-06-01

Jaa

Takaisin luetteloon