การเชื่อมเสียดทานแบบกวน: เชื่อมวัสดุจุดหลอมเหลวสูงอย่างแผ่นเหล็กกล้าด้วยต้นทุนต่ำ

เวลาเผยแพร่:

2025-06-11

ฮอนด้าพัฒนาเทคโนโลยีเชื่อมเหล็กกับโลหะผสมอะลูมิเนียมด้วยการเชื่อมเสียดทานแบบกวนที่เหมาะกับผลิตภัณฑ์การผลิตจำนวนมาก ส่วนมหาวิทยาลัยโทโฮกุของญี่ปุ่นและฮิตาชิพัฒนาหัวกวนโลหะผสมโคบอลต์ที่สามารถเชื่อมโลหะจุดหลอมเหลวสูง เช่น เหล็กและไทเทเนียมได้ การเชื่อมเสียดทานแบบกวน (FSW: Friction Stir Welding) ซึ่งในระดับการผลิตจำนวนมากแต่เดิมจำกัดอยู่เฉพาะโลหะจุดหลอมเหลวต่ำ เช่น โลหะผสมอะลูมิเนียม โลหะผสมทองแดง และโลหะผสมแมกนีเซียม ได้เริ่มขยายการใช้งานไปยังโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงกว่า เช่น เหล็ก *1

*1 ภายใต้ความดันบรรยากาศมาตรฐาน อะลูมิเนียมมีจุดหลอมเหลว 660℃ ทองแดง 1083℃ แมกนีเซียม 651℃ ส่วนเหล็กสูงถึง 1539℃ และไทเทเนียมสูงถึง 1727℃

ความร้อนจากการเสียดสีทำให้โลหะอ่อนตัวเป็นสภาพคล้ายของเหลวหนืด

การเชื่อมเสียดทานแบบกวน (Friction Stir Welding) หมายถึงเทคโนโลยีที่ใช้หัวกวนซึ่งมีส่วนยื่น (เข็มกวน) อยู่ที่ปลายด้านบนของทรงกระบอก โดยกดหัวกวนลงจากด้านบนของตำแหน่งที่ต้องเชื่อมของแผ่นสองแผ่นที่วางชนกัน (โลหะฐาน) หรือแผ่นสองแผ่นที่วางซ้อนกัน พร้อมกับหมุนไปด้วย เพื่อเชื่อมแผ่นทั้งสองเข้าด้วยกัน

ความร้อนจากแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างหัวกวนที่หมุนอยู่กับแผ่นวัสดุ ทำให้โลหะรอบหัวกวนอ่อนตัวจนมีลักษณะคล้ายของเหลวหนืด และหัวกวนที่หมุนอยู่จึงสามารถแทงเข้าไปในแผ่นวัสดุได้ ด้วยวิธีนี้ โลหะที่อ่อนตัวรอบหัวกวนจะผสมเข้าด้วยกัน (เกิดการไหลแบบพลาสติก) ทำให้แผ่นโลหะสองแผ่นหลอมรวมเป็นเนื้อเดียวกัน หรือเกิดพันธะโลหะที่ผิวสัมผัสของแผ่นโลหะทั้งสอง ทำให้ทั้งสองรวมเป็นหนึ่งเดียว

ก่อนหน้านี้ขาดหัวกวน (stirring head) ที่ทนอุณหภูมิสูง

การเชื่อมเสียดทานแบบกวนมีข้อดีสี่ประการดังนี้: (1) เนื่องจากสามารถเชื่อมได้โดยไม่ต้องหลอมโลหะฐาน (การเชื่อมสถานะของแข็ง) จึงเกิดการบิดเบี้ยวและข้อบกพร่องจากการเชื่อมน้อยมาก ทำให้ยกระดับคุณภาพผลิตภัณฑ์และลดต้นทุนได้; (2) ประหยัดพลังงานกว่าการเชื่อมแบบหลอมละลาย; (3) ไม่ต้องใช้ก๊าซป้องกัน; (4) เสียงรบกวนต่ำและไม่เกิดฝุ่น นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังมีประสิทธิภาพมากสำหรับการเชื่อมวัสดุต่างชนิดกัน จึงได้รับความสนใจจากวงการอุตสาหกรรม และคาดว่าจะบรรลุผลอย่างการลดน้ำหนักได้ด้วยการเลือกวัสดุที่เหมาะสมตามแต่ละส่วน*2 แต่ดังที่แนะนำไว้ตอนต้นบทความ วัสดุที่เคยสามารถใช้การเชื่อมเสียดทานแบบกวนในระดับการผลิตจำนวนมากได้นั้นจำกัดอยู่เพียงโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำเท่านั้น

*2 การเชื่อมแบบเสียดทานกวน (Friction Stir Welding) เมื่อเทียบกับการเชื่อมแบบวัฏภาคของเหลวที่หลอมโลหะหลัก คือการเชื่อมหลอมละลาย มีอุณหภูมิในการเชื่อมต่ำกว่า และควบคุมความร้อนที่ป้อนเข้าสู่การเชื่อมได้ง่ายผ่านการตั้งค่าเงื่อนไขการเชื่อม ดังนั้นจึงลดการเกิดสารประกอบระหว่างโลหะ ซึ่งเป็นตัวการสำคัญที่ทำให้ความแข็งแรงของรอยเชื่อมลดลงได้อย่างง่ายดาย การลดความหนาของชั้นสารประกอบระหว่างโลหะจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงของบริเวณรอยเชื่อมได้ เมื่อทำการเชื่อมแบบเสียดทานกวน หากกวนมากเกินไป ก็จะเกิดสารประกอบระหว่างโลหะจำนวนมากเช่นกัน

สาเหตุที่การใช้งานการเชื่อมเสียดทานแบบกวนเคยจำกัดอยู่เพียงโลหะจุดหลอมเหลวต่ำ คือการขาดหัวกวนทนอุณหภูมิสูงราคาถูกที่เหมาะกับการผลิตจำนวนมาก เมื่อทำการเชื่อมเสียดทานแบบกวนกับโลหะผสมอะลูมิเนียม โดยทั่วไปจะใช้หัวกวนที่ทำจากวัสดุเหล็กกล้า เช่น เหล็กกล้าเครื่องมือ เมื่อใช้หัวกวนแบบนี้เชื่อมโลหะจุดหลอมเหลวสูงอย่างเหล็กกล้าและโลหะผสมไทเทเนียม ในช่วงอุณหภูมิสูงที่ทำให้โลหะเหล่านี้อ่อนตัวได้ หัวกวนก็จะอ่อนตัวไปด้วย ทำให้หัวกวนสึกหรอรุนแรงจนใช้งานไม่ได้ แม้จะมีการพัฒนาหัวกวนที่ใช้วัสดุที่ไม่ใช่เหล็กกล้า เช่น เซรามิกและโลหะผสมทังสเตน-รีเนียมขึ้นมาแล้ว แต่หัวกวนเหล่านี้มีราคาสูงมาก ไม่เหมาะกับการผลิตจำนวนมาก

ทำให้เหล็กเผยพื้นผิวใหม่ได้โดยไม่ต้องกวน

เทคโนโลยีเชื่อมเหล็กกับโลหะผสมอะลูมิเนียมด้วยวิธีเสียดทานแบบกวนที่ฮอนด้าพัฒนาขึ้น ใช้สำหรับเชื่อมวัสดุฐานเหล็กและโลหะผสมอะลูมิเนียมที่วางซ้อนกัน จุดเด่นที่สุดคือกวนเฉพาะโลหะผสมอะลูมิเนียมโดยไม่กวนเหล็ก (ภาพล่างในรูปที่ 1) วิธีนี้จึงช่วยป้องกันไม่ให้อุณหภูมิของหัวกวนสูงเกินไป

สาเหตุที่สามารถเชื่อมเหล็กกับโลหะผสมอะลูมิเนียมเข้าด้วยกันได้โดยไม่ต้องกวนเหล็ก คือมีพันธะโลหะเกิดขึ้นระหว่างเหล็กกับโลหะผสมอะลูมิเนียม กล่าวคือ เทคโนโลยีนี้ไม่ได้กวนเหล็ก แต่กำจัดฟิล์มเคลือบและฟิล์มออกไซด์บนผิวเหล็กออก ด้วยวิธีนี้จึงทำให้พื้นผิวใหม่ของเหล็กเผยออกมา และเกิดพันธะโลหะกับโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีความว่องไวเพิ่มขึ้นจากการกวน พันธะโลหะนี้ทำให้เหล็กกับโลหะผสมอะลูมิเนียมรวมเป็นหนึ่งเดียวกัน*3

*3 เมื่อมีน้ำเป็นต้นเข้าไประหว่างเหล็กกับโลหะผสมอะลูมิเนียม จะเกิดการกัดกร่อนแบบโลหะต่างชนิด (การกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมี) เทคโนโลยีนี้ป้องกันปรากฏการณ์ดังกล่าวโดยการสอดฟิล์มซิลิคอนไว้ระหว่างเหล็กกับโลหะผสมอะลูมิเนียม

ฮอนด้านำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในซับเฟรมด้านหน้าของ “แอคคอร์ด” รุ่นใหม่สำหรับตลาดอเมริกาเหนือ และได้รับผลลัพธ์หลายประการ (รูปที่ 2) กล่าวคือ นอกจากน้ำหนักจะเบากว่าซับเฟรมเหล็กแบบเดิม 25% แล้ว ปริมาณการใช้ไฟฟ้าขณะเชื่อมยังลดลงราว 50% นอกจากนี้ ยังใช้เทคโนโลยีนี้เปลี่ยนโครงสร้างของบริเวณติดตั้งระหว่างซับเฟรมกับระบบกันสะเทือน ทำให้ความแกร่งของบริเวณติดตั้งเพิ่มขึ้น 20% จึงมีส่วนช่วยยกระดับสมรรถนะการขับขี่ของรถ

ขยายขอบเขตการใช้งานด้วยวัสดุใหม่

ในอีกด้านหนึ่ง มหาวิทยาลัยโทโฮคุ บริษัทฮิตาชิ (Hitachi, Ltd.) และบริษัทฮิตาชิ เมทัลส์ พรีซิชัน ได้พัฒนาหัวกวนราคาค่อนข้างต่ำที่ทนอุณหภูมิสูงได้ จึงขยายขอบเขตการใช้งานของการเชื่อมกวนเสียดทาน (รูปที่ 3) วัสดุที่ใช้กับหัวกวนนี้พัฒนาร่วมกันโดยมหาวิทยาลัยโทโฮคุและฮิตาชิ ส่วนเทคโนโลยีการผลิตจำนวนมากของวัสดุนี้และหัวกวน (ชิ้นหล่อ) พัฒนาสำเร็จร่วมกันโดยฮิตาชิและฮิตาชิ เมทัลส์ พรีซิชัน หัวกวนนี้ใช้เชื่อมกวนเสียดทานกับโลหะจุดหลอมเหลวสูง เช่น เหล็กกล้า โลหะผสมไทเทเนียม และโลหะผสมเซอร์โคเนียม กำหนดเริ่มจำหน่ายในฤดูใบไม้ร่วงปี 2013 แม้ฮิตาชิ เมทัลส์ พรีซิชันจะระบุว่า “เรื่องราคาจะหารือกันต่อไป” แต่คาดว่าจะตั้งอยู่ในช่วงราคาที่ใช้ในระดับการผลิตจำนวนมากได้

วัสดุที่มหาวิทยาลัยโทโฮคุ (Tohoku University) และสถาบันอื่นๆ พัฒนาขึ้นสำหรับหัวกวนของการเชื่อมแบบเสียดทานกวน (Friction Stir Welding) คือโลหะผสมโคบอลต์ ซึ่งภายในมีสารประกอบระหว่างโลหะที่กระจายตัวอยู่และคงความแข็งแรงสูงได้แม้ในอุณหภูมิสูง กล่าวโดยเฉพาะคือ ในโลหะผสมที่มีโคบอลต์เป็นฐานมี Co3（Al，W）กระจายอยู่ หัวใจสำคัญคือทำอย่างไรให้ Co3（Al，W）กระจายตัวละเอียดอย่างสม่ำเสมอ และทำให้ปริมาณการกระจายตัวและรูปร่างของขอบเกรนใกล้เคียงสภาพที่ต้องการ เพื่อการนี้จึงใช้องค์ประกอบและวิธีการอบความร้อนที่เหมาะสมยิ่งขึ้น

วัสดุที่คาดว่าจะใช้ได้กับหัวกวนนี้ในขณะนี้ ได้แก่ เหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กกล้าความต้านทานแรงดึงสูง โลหะผสมไทเทเนียม (Ti-6Al-4V เป็นต้น) ไทเทเนียมบริสุทธิ์ และโลหะผสมทองแดง แม้วัสดุบางชนิดจะใช้หัวกวนนี้ได้ยากเนื่องจากความแข็งแรงและความหนาเป็นต้น แต่โดยทั่วไปแล้ว วัสดุที่เป็นเป้าหมายการเชื่อมคือวัสดุที่อุณหภูมิของหัวกวน (อุณหภูมิการเชื่อมติด) ขณะทำการเชื่อมแบบเสียดทานกวนสูงสุดประมาณ 1000℃

หน้าก่อนหน้า

ยืดอายุการใช้งานของโครงสร้างโลหะ พัฒนาสารป้องกันการกัดกร่อนแบบซ่อมแซมตัวเองจฺวี้ฟู่ตุ้น (聚复盾) สำเร็จ

FCSE | งานวิจัยล้ำสมัย: สารเคลือบป้องกันการกัดกร่อนแบบ “ซ่อมแซมตัวเอง” ที่ขับเคลื่อนด้วยแสงอาทิตย์

หน้าถัดไป

หน้าก่อนหน้า:

ยืดอายุการใช้งานของโครงสร้างโลหะ พัฒนาสารป้องกันการกัดกร่อนแบบซ่อมแซมตัวเองจฺวี้ฟู่ตุ้น (聚复盾) สำเร็จ

หน้าถัดไป:

FCSE | งานวิจัยล้ำสมัย: สารเคลือบป้องกันการกัดกร่อนแบบ “ซ่อมแซมตัวเอง” ที่ขับเคลื่อนด้วยแสงอาทิตย์

ข่าวที่เกี่ยวข้อง

แนะนำผลิตภัณฑ์งานตัดเฉือน ปี 2026 โซลูชันการซ่อมแซมพื้นผิวโลหะของเครื่องจักรกลระดับมืออาชีพโดยอู่ฮั่นไคหมิงไฮเทค

2026-08-15

อธิบายหลักการทำงานของงานตัดเฉือน ปี 2026 ความรู้เชิงลึกเกี่ยวกับการซ่อมแซมพื้นผิวโลหะของเครื่องจักรกลระดับมืออาชีพ

2026-07-31

วิเคราะห์ปัญหาที่พบบ่อยในงานตัดเฉือน ปี 2026 คู่มือปฏิบัติการแก้ไขความขัดข้องของกระบวนการและการเพิ่มประสิทธิภาพ

2026-07-16

ข้อควรระวังตลอดกระบวนการตัดเฉือน ปี 2026 คู่มือปฏิบัติเพื่อลดต้นทุน เพิ่มคุณภาพ และหลีกเลี่ยงความขัดข้อง

2026-07-01

สรุปสถานการณ์การประยุกต์ใช้งานตัดเฉือนทั้งอุตสาหกรรม ปี 2026 คู่มือการซ่อมแซมพื้นผิวโลหะที่สนับสนุนเพื่อลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ

2026-06-16

ข่าวสารล่าสุดของอุตสาหกรรมงานตัดเฉือน ปี 2026 วิเคราะห์ครบถ้วนสำหรับวิสาหกิจการผลิตในการยกระดับเทคโนโลยี ลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ

2026-06-01

แชร์ไปที่

กลับไปที่รายการ