基于搅拌摩擦焊的钢/铝异质接头固态解离技术研究及其循环利用价值

为解决汽车轻量化构件中钢/铝异质接头难以解离回收的难题，日本大阪大学Yoshihiko Hangai团队创新性提出搅拌摩擦焊(FSW)固态解离技术。研究表明，通过将钢材置于后退侧(RS)进行二次FSW处理，可使接头断裂应力降低至原始状态的1/50，隧道缺陷的生成显著促进了解离效率。该技术为金属构件绿色回收提供了无热能耗的解决方案，成果发表于《Journal of Alloys and Compounds Communications》。

　　

在汽车工业追求轻量化与高强度并重的今天，钢/铝异质接头已成为关键连接技术。然而这类构件在报废回收时面临严峻挑战——传统解离方法需依赖高温处理生成脆性金属间化合物，或通过发泡剂诱导界面分离，不仅能耗高且易造成材料性能劣化。更棘手的是，现有研究多聚焦于接头强化而非解离，导致循环经济背景下金属资源回收陷入瓶颈。

针对这一行业痛点，大阪大学接合科学研究所的Yoshihiko Hangai团队独辟蹊径，将原本用于材料连接的搅拌摩擦焊(FSW)技术逆向应用于接头解离。研究人员创新性地发现，当钢材处于搅拌工具后退侧(RS)时，FSW过程会显著削弱接头强度。这一现象启发了他们提出"搅拌摩擦解离"新概念：先通过常规FSW制备钢(SS400)/铝(A1050)对接接头，再沿原焊缝进行二次FSW处理，仅调整工具旋转方向使钢材处于RS位置，即可实现固态条件下的高效解离。

关键技术方法包括：采用工业纯铝A1050与结构钢SS400制备对接接头；设计两阶段FSW工艺，首阶段使钢材位于前进侧(AS)确保初始连接，次阶段切换至RS位置进行解离；通过控制工具偏移量(0.8 mm侵入钢材)、旋转速度(1500 rpm)和行进速度(150 mm/min)等参数诱导隧道缺陷形成；利用拉伸测试和显微结构分析评估解离效果。

【材料与方法】
实验采用厚度分别为5 mm和6 mm的SS400/A1050板材进行对接。关键创新在于二次FSW时工具轨迹设计：将搅拌针0.8 mm侵入钢材侧的同时保持主要作用区域位于铝侧，这种非对称热机械作用在界面处产生可控缺陷。

【结果与讨论】
显微分析揭示，当钢材位于RS时会产生贯穿性隧道缺陷，使接头断裂应力从初始的120 MPa骤降至2.4 MPa。特别值得注意的是，解离后的断面呈现典型脆性断裂特征，且缺陷尺寸与工具参数呈正相关性。这种"以焊促分"的逆向思维，实现了不依赖外部热源的材料解离。

【结论】
该研究证实搅拌摩擦解离技术可使钢/铝接头分离载荷降低98%以上，其中隧道缺陷的定向生成是削弱界面结合的关键机制。这项固态加工技术为汽车废件回收提供了新范式，其环保特性(无需熔融或化学处理)与工业纯铝的完整回收优势，对推动循环经济发展具有重要意义。成果不仅拓展了FSW技术的应用边界，更为异种金属构件设计提供了可拆卸性新标准。