Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem: tanie łączenie blach stalowych i innych materiałów o wysokiej temperaturze topnienia

Data publikacji:

2025-06-11

Honda opracowała technologię łączenia stali i stopów aluminium metodą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, odpowiednią do produkcji seryjnej. Japoński Uniwersytet Tohoku i Hitachi opracowały narzędzie mieszające ze stopu kobaltu, umożliwiające łączenie stali, tytanu i innych metali o wysokiej temperaturze topnienia. Zastosowania zgrzewania tarciowego z przemieszaniem (FSW: Friction Stir Welding), wcześniej na poziomie produkcji seryjnej ograniczone do metali niskotopliwych, takich jak stopy aluminium, miedzi i magnezu, zaczynają obejmować stal i inne metale o wyższej temperaturze topnienia*1.

*1 Przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym temperatura topnienia aluminium wynosi 660℃, miedzi 1083℃, a magnezu 651℃. W przypadku żelaza sięga ona 1539℃, a tytanu 1727℃.

Ciepło tarcia zmiękcza metal do stanu lepkiej masy

Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem to technologia łączenia dwóch płyt za pomocą cylindrycznego narzędzia z występem (trzpieniem mieszającym) na końcu. Obracające się narzędzie dociska się od góry w miejscu złącza dwóch płyt (materiałów rodzimych) ułożonych doczołowo albo na zakładkę, łącząc je ze sobą.

Ciepło tarcia między obracającym się trzpieniem a płytą zmiękcza metal wokół trzpienia do konsystencji lepkiej masy, umożliwiając jego zagłębienie w płycie. Zmiękczony metal wokół trzpienia miesza się wtedy (zachodzi płynięcie plastyczne), łącząc dwie płyty metalowe w jedną całość, lub na powierzchni ich styku tworzą się wiązania metaliczne, które scalają obie płyty.

Wcześniej brakowało głowicy mieszającej odpornej na wysoką temperaturę

Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem ma następujące cztery zalety: （1）ponieważ łączenie nie wymaga topienia materiału rodzimego (zgrzewanie w fazie stałej), odkształcenia i wady po łączeniu są niewielkie, co pozwala podnieść jakość produktów i obniżyć koszty; （2）zużywa mniej energii niż spawanie z przetopieniem; （3）nie wymaga gazu osłonowego; （4）jest ciche i nie wytwarza pyłu. Technologia ta jest również bardzo skuteczna przy łączeniu różnych materiałów, dlatego wzbudza duże zainteresowanie branży. Oczekuje się, że dobór odpowiedniego materiału do poszczególnych miejsc pozwoli m.in. zmniejszyć masę*2. Jak jednak wspomniano na początku artykułu, wcześniej materiały nadające się do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem w produkcji seryjnej ograniczały się do metali o niskiej temperaturze topnienia.

*2 W porównaniu ze spawaniem w fazie ciekłej, czyli spawaniem z przetopieniem materiału rodzimego, zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem odbywa się w niższej temperaturze, a ilość wprowadzanego ciepła łatwo kontrolować przez dobór warunków procesu. Dzięki temu łatwiej ograniczyć powstawanie związków międzymetalicznych — głównej przyczyny spadku wytrzymałości złącza. Zmniejszenie grubości warstwy tych związków zwiększa wytrzymałość miejsca łączenia. Przy zgrzewaniu tarciowym z przemieszaniem nadmierne mieszanie również powoduje powstawanie dużej ilości związków międzymetalicznych.

Zastosowania zgrzewania tarciowego z przemieszaniem były wcześniej ograniczone do metali o niskiej temperaturze topnienia z powodu braku niedrogich, odpornych na wysoką temperaturę narzędzi mieszających odpowiednich do produkcji seryjnej. Przy łączeniu stopów aluminium zwykle stosuje się narzędzia wykonane z materiałów stalowych, takich jak stal narzędziowa. Podczas łączenia nimi stali, stopów tytanu i innych metali o wysokiej temperaturze topnienia w obszarze temperatur wystarczających do zmiękczenia tych metali mięknie także narzędzie. Powoduje to jego intensywne zużycie i uniemożliwia użytkowanie. Choć opracowano narzędzia z materiałów innych niż stal, takich jak ceramika i stopy wolframowo-renowe, są one bardzo drogie i nie nadają się do produkcji seryjnej.

Bez mieszania można odsłonić świeżą powierzchnię stali

Opracowana przez Hondę technologia łączenia stali ze stopem aluminium metodą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem służy do łączenia nakładających się materiałów rodzimych ze stali i stopu aluminium. Jej najważniejszą cechą jest przemieszanie wyłącznie stopu aluminium bez przemieszania stali (dolna ilustracja na rysunku 1). Zapobiega to nadmiernemu wzrostowi temperatury narzędzia mieszającego.

Stal i stop aluminium można połączyć bez przemieszania stali, ponieważ między nimi powstają wiązania metaliczne. Technologia ta nie miesza zatem stali, lecz usuwa powłokę i warstwę tlenkową z jej powierzchni. W ten sposób odsłania się świeżą powierzchnię stali i tworzy wiązania metaliczne między nią a stopem aluminium, którego aktywność wzrosła wskutek mieszania. Obecność tych wiązań metalicznych scala stal ze stopem aluminium*3.

*3 Gdy między stal i stop aluminium dostanie się woda lub inne substancje, dochodzi do korozji bimetalicznej (elektrokorozji). Technologia ta zapobiega temu zjawisku przez wprowadzenie warstwy krzemu między stal a stop aluminium.

Honda zastosowała tę technologię w przedniej ramie pomocniczej nowego „Accorda” przeznaczonego na rynek północnoamerykański, uzyskując szereg korzyści (rysunek 2). Masa zmniejszyła się o 25％ w porównaniu z wcześniejszą stalową ramą pomocniczą, a zużycie energii elektrycznej podczas łączenia spadło o około 50％. Technologię wykorzystano również do zmiany konstrukcji miejsc mocowania zawieszenia do ramy pomocniczej, zwiększając ich sztywność o 20％, co przyczyniło się do poprawy właściwości jezdnych pojazdu.

Rozszerzanie zastosowań dzięki nowym materiałom

Z kolei Uniwersytet Tohoku, Hitachi i Hitachi Metals Precision Instruments opracowały stosunkowo niedrogie narzędzie mieszające odporne na wysokie temperatury, rozszerzając zakres zastosowań zgrzewania tarciowego z przemieszaniem (rysunek 3). Materiał tego narzędzia opracowały wspólnie Uniwersytet Tohoku i Hitachi, a technologię seryjnego wytwarzania tego materiału i narzędzia (odlewu) opracowały wspólnie Hitachi i Hitachi Metals Precision. Narzędzie umożliwia zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem stali, stopów tytanu, stopów cyrkonu i innych metali o wysokiej temperaturze topnienia. Rozpoczęcie sprzedaży zaplanowano na jesień 2013 roku. Choć Hitachi Metals Precision Instruments stwierdziła, że „cena będzie jeszcze omawiana”, oczekuje się ustalenia jej w przedziale pozwalającym na wykorzystanie w produkcji seryjnej.

Materiał opracowany przez Uniwersytet Tohoku i inne podmioty na narzędzia do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem jest stopem kobaltu, w którym rozmieszczono związki międzymetaliczne zachowujące wysoką wytrzymałość także w wysokich temperaturach. Konkretnie w stopie na bazie kobaltu rozmieszczono Co3（Al，W）. Kluczowe jest uzyskanie równomiernego, drobnego rozmieszczenia Co3（Al，W）oraz zbliżenie ilości wydzieleń i kształtu granic ziaren do pożądanego stanu. W tym celu zastosowano bardziej odpowiedni skład i metody obróbki cieplnej.

Obecnie przewiduje się zastosowanie tego narzędzia mieszającego do stali węglowej, stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, stopów tytanu (takich jak Ti-6Al-4V), czystego tytanu i stopów miedzi. Choć niektóre materiały trudno obrabiać tym narzędziem ze względu na wytrzymałość, grubość i inne czynniki, ogólnie jego zastosowanie obejmuje materiały, dla których temperatura narzędzia (temperatura łączenia) podczas zgrzewania tarciowego z przemieszaniem osiąga maksymalnie około 1000℃.

Poprzednia strona

Wydłużanie trwałości metalowych korpusów — pomyślnie opracowano samonaprawczy środek antykorozyjny Jufudun

FCSE | Badania na froncie nauki: „samonaprawcza” powłoka antykorozyjna napędzana światłem słonecznym

Następna strona

Poprzednia strona:

Wydłużanie trwałości metalowych korpusów — pomyślnie opracowano samonaprawczy środek antykorozyjny Jufudun

Następna strona:

FCSE | Badania na froncie nauki: „samonaprawcza” powłoka antykorozyjna napędzana światłem słonecznym

Powiązane aktualności

Prezentacja obróbki mechanicznej w 2026 roku — profesjonalne rozwiązania Wuhan Kaiming High-Tech do regeneracji metalowych powierzchni urządzeń mechanicznych

2026-08-15

Szczegółowe omówienie zasad obróbki mechanicznej w 2026 roku — praktyczna wiedza o profesjonalnej regeneracji metalowych powierzchni urządzeń mechanicznych

2026-07-31

Kompleksowe omówienie typowych problemów obróbki mechanicznej w 2026 roku — praktyczny poradnik usuwania problemów procesowych i skutecznej optymalizacji

2026-07-16

Zasady postępowania na wszystkich etapach obróbki mechanicznej w 2026 roku — praktyczny poradnik obniżania kosztów, poprawy jakości i unikania awarii

2026-07-01

Przegląd zastosowań obróbki mechanicznej we wszystkich branżach w 2026 roku — poradnik obniżania kosztów i zwiększania efektywności dzięki regeneracji powierzchni metalowych

2026-06-16

Najnowsze informacje z branży obróbki mechanicznej w 2026 roku: pełna analiza modernizacji technologicznej, redukcji kosztów i poprawy efektywności przedsiębiorstw produkcyjnych

2026-06-01

Udostępnij w

Powrót do listy