
将两种不同的金属结合是非常困难的,特别是当它们的温度非常高的时候,更难将其均匀混合。
汽车行业中长期使用电阻点焊法将两块钢板结合在一起,但遇到钢和铝这两种不同金属时,该方法则并不适用。两种不匹配的金属经过熔池炼化并经过冷却后,金属间的脆性化合物和硬质化合物共存将会削弱金属间的连接强度。钢材在与镁和钛这类低密度金属焊接时结合度非常低。
然而,汽车轻量化是目前的大趋势,今后的车身结构要兼顾轻质、高强度,设计师也将在今后的车身设计中大量运用高强度钢材和铝合金,其目的都是为了达到2025CAFE燃效法规(54.5mpg)。今后汽车的车顶棚将采用铝材,B柱将采用高强度钢材。还有其他一些地方需要高强度/超高强度钢材与铝材进行结合,例如在钢结构车门中加入铝制门板以降低重量。
本田前不久开发出了一种摩擦搅拌点焊法能够成功地将铝钢结合,该技术已经应用于2013款本田雅阁轿车中。英格兰焊接研究所在1991年就开发出了摩擦搅拌技术的最初方案,利用机械工具在不加热(目的是为了不让金属达到熔点)两种金属的前提下混合,通过摩擦搅拌,金属被软化,并用压力机械对其施加高压,从而让两种金属牢固的结合。钢的熔点在1425-1535℃,铝的熔点在650℃。
美国犹他州杨百翰大学(Brigham Young University)制造工程技术教授Michael Miles表示:“摩擦搅拌在结合直管段的金属时非常有效,不过对于形态弯曲的部件则并不适用此。此外,摩擦搅拌技术中采用的切削磨具的磨损程度非常高,会增加生产成本。”他还指出,类似自冲铆接等技术也是较常见的金属结合技术,不过该方法已经逐渐无法满足先进钢材的加工需求,使用该方法的部件连接部位缺乏耐久性。

这些问题都是2006年Miles和他的团队开始研究金属结合新方法时面临的一些问题。目前,Miles和杨百瀚大学教授Scott Packer共同开发出一种叫做摩擦位连接(friction bit joining,FBJ)的技术。该技术能够使铝和高强度钢材实现非常牢固的结合。
2008年,该团队加入了美国橡树岭国家实验室,利用一台MegaStir机械与本田共同研究铝钢结合技术。此外,橡树岭实验室还负责不同金属连接件中的微观机构分析。目前,杨百瀚大学、Megastir公司和橡树岭实验室将重点对低成本量产技术进行优化。

摩擦位连接技术利用一个小型驱动件通过切割和摩擦的方式在金属间创建牢固的连接。“这有点像铆钉摩擦”Miles表示。该小型驱动件头部装有一个切割刀具,一开始以500-600rpm的转速对铝板顶部进行切割,随着刀具从铝板顶部向下切割此后刀具转速提升至2,000rpm,高转速使金属变热软化从而实现结合。

A356铝合金和灰口铸铁结合侧视图
Miles指出,该方法的要领在于,摩擦加热的程度需要控制在恰好到达钢材的熔点水平,不能过高也不能过低,只有这样,结合处的内部才不会有脆性结构。
在韩国蔚山大学领导的研究项目中,研究小组首先将该方法应用于铸铁和铝材结合。他们将铝轮毂与铸铁刹车片利用该方法结合,实验非常成功。通过在两种金属之间插入钢制薄片加强它们之间的结合度,相比在铁片中加入石墨润滑的方法在结合点强度方面提升了许多。
摩擦位连接技术尤其适用于两种硬度差别悬殊的金属结合,例如钛和铝。
Miles表示:“虽然我们在实验室中实现了将两种不同金属完美结合的方法,但将其投入实际运用还有很大困难,因为汽车零部件生产量实在太大并且对于生产成本非常敏感。”不过,他指出,该方法一旦成熟,不但可以应用于汽车制造中,还可运用于航天工业。







