蘋果新 iMac 上所採用摩擦攪拌焊接（friction-stir welding）工藝指的是什麼？

01-05

Apple - iMac - 設計 | http://www.apple.com.cn/imac/design/

我們的工程師面臨的最大挑戰是如何將全新 iMac 的前和後接合在一起。iMac 的外殼極薄，無法使用傳統方法對各個部件進行焊接，所以我們四處尋找其他適合的方法。終於，我們從一種稱為摩擦攪拌焊接（friction-stir welding）的工藝中找到了靈感。這種工藝通常用于飛機機翼、火箭推進器燃料箱和其他不允許發生故障的部件。它利用通過劇烈摩擦產生的熱與壓力共同作用，對兩片鋁金屬表面的分子進行混合，以實現無縫、精密且強度超高的接合。你可能看不到這種工藝所留下的痕迹，但它對全新 iMac 來說是不可或缺的。

雖然從 2009 年末開始，iMac 就已經是鋁金屬一體成型設計（衝壓非 CNC），但其下巴部位，還是需要另外焊接一個鋁面以形成半封閉。又新一代 iMac （2012 年末）和前代最大的區別就是機身更纖薄，對應更加纖薄的鋁材外殼，普通工藝已經很難焊接這兩部分。所以才用了摩擦攪拌焊接（Friction stir welding）：

摩擦攪拌銲接 | http://web.nchu.edu.tw/~weite/chii/input-l02/My%20Webs/friction_stir_welding.files/FSW.html

摩擦攪拌銲接（Friction Stir Welding），簡稱為 FSW，是一項新的接合製程技術。其最初是由英國銲接研究所（The Welding Institute , TWI）於 1991 年所發展出來之新式銲接方式。有別於傳統銲接方式，此方法為一固相接合製程，可形成無缺陷的高接合品質，相較於一般熔融銲接，可得到良好的機械性質。基於上述原因，摩擦攪拌銲接最初是用於以傳統銲接方式難以接合的鋁合金上，例如：7075、2024 等。

台灣銲接協會 | http://www.twsroc.org.tw/homestyle_02.aspx

摩擦攪拌銲接製程是一項相當新的接合製程技術，目前此專利權乃歸屬於 The Welding Institute，ESAB AB 則將其發展成具有商業用途的製程技術。此項技術陸續衍生出許多常見的摩擦銲接方法，早期主要應用在鋁及其合金的接合技術。然而在最近幾年，摩擦攪拌銲接製程則已被廣泛地應用在其它輕金屬及其合金的接合技術。在摩擦攪拌銲接過程中，首先使用強而有力的夾治具將欲接合的工件夾持固定在支撐板（backing plate）上，再將具有特殊輪廓外形的旋轉工具沿著工件欲接合位置移動。由於材料受到壓力與摩擦熱的作用後將會使其產生塑化，因此可藉由銲接探針來傳送此接合部位所需的熱能，進而完成工件的接合。

一共就兩個人回答，其中一個還分不清楚摩擦焊和攪拌摩擦焊

我來點乾貨吧

攪拌摩擦焊的過程是這樣的，用一根很硬的棍子，這個棍子前段還有一根同樣很硬的針。把這根很硬的東西用力插入焊縫中並高速旋轉，一邊轉一邊向前移動。在半固態流動的狀態下將金屬連接在一起。必須要說的是，插入的時候一定要注意體位，垂直插入式不行的，要有一定的傾角。

攪拌摩擦焊這個東西是英國的TWI發明的，全世界都有研究。現在在鋁合金領域，FSW已經比較成熟了，目前的熱點是鋼鐵和異種焊接。美國有個摩門教區的什麼大學很著名，日本的話大阪大學做得比較多。至於第一個答案複製的灣灣嘛，TWI前兩年剛幫他們建好了一條焊船板的線。

另外題目裡面的說法肯定是有問題的，金屬，至少鋁合金這個東西裡面，是不存在分子這個概念的。不知道哪裡去找的文科生翻譯的新聞。

就說這麼多吧，真心全是乾貨，如果這都不能超過目前的兩個答案。我只能安慰自己知乎都是靠長度和圖片來求贊的了

摩擦攪拌技術在IMac中的使用是一種情懷，追求天衣無縫的情懷。剛考完這部分內容，這學期正好在上材料宏觀加工的一門課，答一波非常乾的乾貨。課的教授是柯伸道（Sindo Kou，北美焊接協會理事，經典教材《焊接冶金學(Welding metallurgy》的作者)。用柯教授的話來講，摩擦攪拌焊接（Friction Stir Welding）是革命性的焊接工藝。革命性主要體現在和傳統工藝的對比之上，摩擦攪拌焊完全是在固態下進行，相比於傳統的熔焊有極大的優勢。

1.傳統工藝

對於傳統的焊接工藝，可以拿最經典的 Shielded Metal Arc Welding（手工電弧焊）為例，這個就是最常見的熔焊（fusion welding）焊接方式，也就是小時候大人告訴我們在街上看到有焊接工人焊東西，眼睛不要去看，發出強光的那種焊接工藝。

Figure1.手工電弧焊示意圖.

其中工件（workpiece）和焊條（stick）都接入電源，提供焊接需要的量。然後伴隨著焊條工作會有保護氣（氫氣，一氧化碳，水蒸氣，二氧化碳）產生，來源主要是預先放在焊條表面的纖維素（cellulose）或石灰石。這種焊接方式產生的保護氣是不清潔的，即便產生出的氫氣極容易對高強度的鋼材造成氫裂（Hydrogen Cracking）而且沉積率較低對焊接位置金屬元素的補償很有限。但好處，就是設備簡單成本低，廣泛運用於工地的維護修理，室外的環境等等，基本使用於焊接鋼鐵，不鏽鋼，鑄鐵，還有鎳合金。

注意這個幾乎不能來焊接鋁（純鋁）或鈦合金！！這也是為何之後摩擦攪拌 會再焊接工藝中脫穎而出的原因之一。

而為什麼不能焊接鋁？在鑄造鋁之前，需要有一道排氫的工藝，在這個工藝中，鋁水會被加入到一個攪拌稀釋的系統（Fluxing System)，如Figure2所示，在這個系統里，要從上往下輸入大量的氯氣（Cl?），來「殺死」鋁水中的氫，而最終勢必要造成氯元素在最終產物里的殘留。在焊接成品鋁的過程中，焊接條極其容易overheat，會導致氯氣或其他鹵素的蒸發，產生毒氣，對環境和工人都是危害，另外就是焊接結束，如果表面處理不及時，鹵素殘留會對金屬造成腐蝕。

Figure2. Fluxing System to remove Hydrogen before casting.

其次，相對傳統的焊接工藝還有和在前者基礎上改進的Gas-Metal Arc Welding（氣體保護電弧焊），區別於前者，此種方式使用惰性氣體做保護氣，並且沉積率較高易於焊接更厚實的金屬工件，此工藝可以用於焊接鋁合金，但是，由於焊槍太bulky很難去到達很小的區域還有角落裡。顯然也不適用於蘋果這種微電子產品的焊接。

2.摩擦攪拌焊接

以上為傳統焊接工藝的代表，現在進入正題，革命性的摩擦攪拌焊接（Friction Stir Welding). 這種焊接是完全在固態下進行的，金屬在焊接過程中是沒有被熔化的，而又由於它對於焊接鋁合金和鎂合金是一種最理想的方式，所以這是一種革命性的。這種工藝可以使用於點焊（spot welding）和線焊（linear welding）。

Figure3. 焊頭示意圖

在點焊中，這種焊接工藝就好比捏泥巴一樣，通過plunging（插入）-stiring（攪拌）-drawing out（拔出）這一系列流程完成焊接（如Figure4所示）。焊頭肩部（Shoulder）給放在上面的金屬受熱讓它軟化，然後焊頭中間的針（Pin）強烈的攪拌把上下兩塊金屬捏到一塊。但是在焊接過程中下方一定要有很強力的東西去back up焊接的工件，要固定的很好，才能防止過度摩擦造成工件的旋轉。

Figure4. 點焊流程

其次就是線焊，把兩塊並列的工件焊在一起，原理相同，操作稍微有變化，在焊的過程中，工件的外面兩端還是需要有鉗子夾緊固定，防止工件的旋轉。線焊流程如下圖Figure5所示。教授說過，在焊接實際過程中，焊頭並非垂直於工件，而是有大概3°左右的傾斜。

Figure5. 線焊流程

3.為甚麼熔焊（fusion welding）在這裡不好？

在摩擦攪拌焊接結束之後，在焊接的位置的表面，金屬的晶格會產生戲劇化的變化，從宏觀上看，圖案如同一圈一圈的洋蔥，在顯微鏡下，焊接之前金屬的晶格會完全消失，而產生極其多的再結晶晶粒（recrystallized grains），晶粒的大小遠遠要小於之前的。再結晶過程對延展性有所提高，但會一定程度降低金屬的強度和strength。至於這種晶粒形成的原因，沒有定論。

這只是一個引子，從這點出發，我們可以進一步去思考另一個很關鍵的問題，就是在熔融狀態下焊接的固態相變問題。金屬熔化然後再固化，這個再結晶的過程會發生相態的變化，也就是固態相變。這個問題太大，無法展開。

）。

Figure 6. Base Metal and Melt

以下只討論，在熔焊下金屬熔化再凝固的成核現象（nucleation）。如上圖Figure6所示，底下的base metal會包住熔化的金屬，可以把base metal看成一種極其高效的散熱器或冷源（摸摸你自己的蘋果筆記本外殼不難理解），於是這個會造成熔化金屬凝固時晶核（nuclei）毫無障礙的向外延(epitaxially）生長，而長成了Figure7中的樣子（向除了&<1 0 0&>之外的兩邊生長）。

暫時跑下題，來解釋為何Figure7的結構不好。在鑄鋁工業中，大野連鑄法是廣泛採用生產高質量鋁的方法(Ohno Continuous Casting)，在這套方法下，鋁水在出鍋爐讓它凝固之前要經過一個輕微加熱（3攝氏度高於熔點）的管道，來防止圖Figure7中的成核現象，而生成Figure 8中這種我們希望得到的結果。對比Figure 8和Figure7，Figure8是單晶結構（single crystal），這種結構不利於金屬的蠕變（creep），這個對提升材料的機械屬性很重要，而蘋果公司IMac也必然要採用這種鋁材。

Figure 7 equiaxed grain and columnar grain

Figure 8 single crystal

回歸正題，從以上的討論不難理解，熔焊之後，再凝固，相變產生的新的晶粒結構的焊縫，對於鋁合金相對就不是很結實，容易creep。

蘋果公司IMac的邊緣僅僅有5mm厚，蘋果官網自己說道，焊接如此之薄的邊緣，對於工程師是巨大的挑戰，他們摒棄了傳統的焊接方法，而採用了摩擦攪拌焊接，來焊接兩塊外面的鋁板。用蘋果公司自己的話說，這是一個seamless（無縫）的設計。而摩擦攪拌技術在IMac中的使用是一種情懷，追求天衣無縫的情懷。

Reference：

Kou,S. (2003) . Chapter 6 Welding of Metals,Macroprocessing of Materials, pp293-pp343.

Pixel by Pixel, a master piece. iMac - Design

攪拌摩擦焊，顧名思義就是用攪拌來加熱被焊金屬，達到焊接的目的。

攪拌摩擦焊方法與常規摩擦焊一樣。攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。不同之處在於攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針(welding pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。

焊接過程如上圖所示。在焊接過程中工件要剛性固定在背墊上，焊頭邊高速旋轉，邊沿工件的接縫與工件相對移動。焊頭的突出段伸進材料內部進行摩擦和攪拌，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，並用於防止塑性狀態材料的溢出，同時可以起到清除表面氧化膜的作用。
在焊接過程中，攪拌針在旋轉的同時伸入工件的接縫中，旋轉攪拌頭（主要是軸肩）與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的材料發生強烈塑性變形，然後隨著焊頭的移動，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背後，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。攪拌摩擦焊對設備的要求並不高，最基本的要求是焊頭的旋轉運動和工件的相對運動，即使一台銑床也可簡單地達到小型平板對接焊的要求。但焊接設備及夾具的剛性是極端重要的。攪拌頭一般採用工具鋼製成，焊頭的長度一般比要求焊接的深度稍短。應該指出，攪拌摩擦焊縫結束時在終端留下個匙孔。通常這個匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。針對匙孔問題，已有伸縮式攪拌頭研發成功，焊後不會留下焊接匙孔。

我就說一下，攪拌摩擦焊這個，是固相連接技術，被焊金屬是沒有融化的，只是達到塑性狀態而已。現在主要用來焊接鋁合金的。

就是攪拌摩擦焊嘛：攪拌摩擦焊（Friction Stir Weld，FSW）是一種新型的固相連接技術，於1991年在英國焊接研究所（The Welding
Institute，TWI）發明並獲世界範圍內專利保護。這種新型連接技術的出現，克服了傳統熔焊的缺陷，能夠更加容易地實現鋁合金等難焊接材料的焊接工藝過程，並且對能源的消耗少，對環境無污染，所以FSW被譽為「世界焊接史上的第二次革命」[1]。

FSW的原理非常簡單，由軸肩
（Shoulder）和攪拌針（Pin）組成的攪拌頭（Tool）插入焊接板材的對接處，攪拌頭邊旋轉邊前進，使前進側（Advancing
Side，AS）和後退側（Retreating Side，RS）的金屬產生塑性流動，形成焊接接頭，完成固相連接的過程。

這個在造船行業用了很多年了。

攪拌焊對設備要求較高，iMac應該用的是機器人攪拌焊的技術，一般情況下都是用標準龍門式攪拌摩擦焊，現在在設備方面，國內只有三家做的比較專業，北京賽福斯特、上海149和江蘇銳成機械，目前在國內的應用還主要在高鐵、軍用雷達、航空航天以及通訊行業控制箱的水冷板，民用行業還沒有普及，不過相信3-5年之後一定會發展起來的。

好吧樓上玉龍羅和左邊已經說得比較明白了我給你看幾個從實驗室拿出來樣品圖片吧

這個技術吧，在國內鐵路等大型裝備製造業上還是不太成熟的。因為設備，人工，等等的一些原因。

攪拌摩擦焊接技術已於2015年1月4日專利過期，任何人都可以進行相關的商業開發！我們航天領域用的還是比較多的！我們今年和北京世佳博公司做了幾個項目，他們做的很專業，他們的網站，http://www.sooncable.com ，推薦你們看一看。

我們正在做摩擦攪拌焊市場研究，對你說的這個國內鐵路應用遇到困境很有興趣，能不能說的詳細點兒，多謝了啊。