摩擦攪拌焊接：以低成本焊接鋼板等高熔點材料

2025-06-11　·　Wuhan Kaiming High-Tech Co., Ltd.

發佈時間：

2025-06-11

本田開發出適用於量產產品、透過摩擦攪拌焊接方式焊接鋼同鋁合金嘅技術；日本東北大學同日立開發出可焊接鋼、鈦等高熔點金屬嘅鈷合金攪拌頭。以往喺量產層面只限用於鋁合金、銅合金同鎂合金等低熔點金屬嘅摩擦攪拌焊接（FSW：Friction Stir Welding），其用途開始擴展至鋼等熔點更高嘅金屬*1。

*1 喺標準大氣壓下，鋁嘅熔點係660℃，銅係1083℃，鎂係651℃；鐵就高達1539℃，鈦高達1727℃。

摩擦熱令金屬軟化成黏稠狀

攪拌摩擦焊係利用圓柱頂端設有凸起（攪拌針）嘅攪拌頭，由對接或重疊嘅兩塊板材（母材）需要焊接嘅位置上方，一邊旋轉一邊加壓，將兩塊板焊埋一齊嘅技術。

旋轉嘅攪拌針同板材之間產生嘅摩擦熱，會令攪拌針周圍嘅金屬軟化成黏稠狀，旋轉嘅攪拌針就可以插入板材。咁樣，攪拌針周圍軟化咗嘅金屬會混合埋一齊（產生塑性流動），令兩塊金屬板融為一體；又或者喺兩塊金屬板嘅接合面形成金屬鍵，將兩者結合。

以前缺少耐高溫嘅攪拌頭

攪拌摩擦焊有以下四項優點：（1）唔使熔化母材就可以焊接（固相焊），所以焊後變形同焊接缺陷都好少，可以提升產品品質同降低成本；（2）比熔化焊接慳能源；（3）唔需要保護氣體；（4）噪音低，而且唔會產生粉塵。此外，呢項技術對異種物料嘅焊接亦好有效，所以備受業界關注，有望透過喺各個部位選用適當物料，達到輕量化等效果*2。不過，正如篇首所述，以前喺量產層面可以用攪拌摩擦焊嘅物料，只限於低熔點金屬。

*2 同會熔化母材嘅液相焊——熔化焊接相比，攪拌摩擦焊嘅焊接溫度較低，較容易透過設定焊接條件控制輸入熱量。所以，可以輕易減少令焊接強度下降嘅罪魁禍首——金屬間化合物嘅生成。減薄金屬間化合物層，可以提高焊接部位嘅強度。不過，攪拌摩擦焊如果攪拌過度，同樣會生成大量金屬間化合物。

攪拌摩擦焊以前只用於低熔點金屬，原因係缺乏適合量產、價錢低而又耐高溫嘅攪拌頭。焊接鋁合金時，一般會用工具鋼等鋼鐵物料製成嘅攪拌頭。用呢類攪拌頭焊接鋼同鈦合金等高熔點金屬時，喺足以令呢啲金屬軟化嘅高溫區域，攪拌頭本身亦會軟化，造成嚴重磨損而無法使用。雖然陶瓷同鎢錸合金等非鋼鐵物料製成嘅攪拌頭已經開發出嚟，但價錢非常高，唔適合量產。

唔使攪拌都可以露出鋼嘅新生表面

本田開發嘅攪拌摩擦焊技術，用於接合重疊嘅鋼同鋁合金母材。最大特點係只攪拌鋁合金，唔攪拌鋼（圖1中嘅下圖），咁就可以防止攪拌頭溫度過高。

唔使攪拌鋼就可以將鋼同鋁合金焊埋一齊，係因為兩者之間形成咗金屬鍵。即係話，呢項技術冇攪拌鋼，而係除去鋼表面嘅塗膜同氧化膜，令鋼嘅新生表面露出嚟，再同經攪拌而提高咗活性嘅鋁合金形成金屬鍵。呢啲金屬鍵令鋼同鋁合金融為一體*3。

*3 鋼同鋁合金之間入咗水等物質，就會發生雙金屬腐蝕（電蝕）；呢項技術喺鋼同鋁合金之間加入矽膜，防止呢種情況。

本田喺面向北美市場嘅新款「雅閣」前副車架採用呢項技術，取得多方面效果（圖2）。具體嚟講，重量比原本嘅鋼製副車架輕咗25％，焊接耗電量亦減少約50％。另外，採用呢項技術後，副車架同懸掛安裝部位嘅結構亦作出改動，令安裝部位剛度提高20％，有助提升車輛操控性能。

利用新材料拓展應用領域

另一方面，東北大學、日立製作所同日立金屬精密儀器公司開發咗可耐高溫而價錢較低嘅攪拌頭，擴闊咗摩擦攪拌焊嘅應用範圍（圖3）。攪拌頭所用材料由東北大學同日立製作所共同開發，而呢種材料同攪拌頭（鑄件）嘅量產技術，就由日立製作所同日立金屬精密共同開發成功。呢款攪拌頭可用於鋼、鈦合金及鋯合金等高熔點金屬嘅摩擦攪拌焊，預定2013年秋季開始發售。雖然日立金屬精密儀器表示「價格往後會再討論」，但估計會定喺適合量產使用嘅價格範圍。

東北大學等為攪拌摩擦焊嘅攪拌頭開發咗鈷合金材料，內部分佈嘅金屬間化合物喺高溫下仍然可以保持高強度。具體而言，鈷基合金內分佈咗Co3（Al，W）。關鍵係點樣令Co3（Al，W）均勻、細微噉分佈，並令分佈量同晶界形狀接近期望狀態。為此，採用咗更合理嘅成分同熱處理方法。

目前設想嘅該攪拌頭嘅適用材料為碳鋼、高張力鋼、鈦合金（Ti-6Al-4V等）、純鈦及銅合金。儘管有啲材料因強度及厚度等原因好難使用該攪拌頭，但大致嚟講，焊接對象為進行攪拌摩擦焊時攪拌頭溫度（結合溫度）最高為1000℃左右嘅材料。

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