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本田雅阁采用摩擦搅拌焊接工艺接合铝材和钢材,催化剂的铑用量减半
http://cn.newmaker.com 11/1/2012 10:04:00 AM  日经BP社
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本田宣布,2012年9月上市的美国版新款“雅阁”采用了以摩擦搅拌焊接(FSW)工艺接合铝(Al)合金和钢的副车架,以及铑(Rh)用量减半的催化剂。

老款雅阁将发动机及转向齿轮箱安装在井字形钢制副车架上,通过改变安装在副车架上的压铸成形铝合金部件将直列4缸发动机车型与V型6缸发动机车型区分开来。该铝合金部件是以螺栓固定安装的。

新款雅阁为了减轻副车架的重量,几乎全部用铝合金制成了副车架的后半部分。钢制部分在直列4缸发动机车型和V6发动机车型上通用,通过改变铝合金部分来区分,这一点与老款雅阁相同。接合钢制前半部分和铝合金后半部分时采用了FSW工艺。

通过增加铝合金部分,使副车架的重量减轻了25%(6kg)。由于还加大了横梁的尺寸,并提高了钢制部分与铝合金部分的接合强度,所以悬挂安装点的刚性也提高了20%。

FSW是从重叠的金属上方、在尖端设有突起的圆筒状工具旋转的同时对其进行按压,利用工具旋转产生的摩擦热量使金属处于塑性流动状态来完成焊接的工艺(图)。此前大多用于制造电车车厢等接合铝合金的用途,而此次为首次用来接合铝合金和钢两种不同的金属。本田在解释接合不同金属的原理时表示,铝合金与钢之间生成了金属间化合物(Fe4Al13),通过金属键合实现了接合。


FSW的接合原理
使顶端设有突起的圆筒状工具旋转的同时对其进行按压,通过工具旋转产生的摩擦热使铝合金变成塑性流动状态,以此完成接合。

接合铝合金和钢时令人担心的是电解腐蚀。针对这一点,本田通过在钢接合部分涂上密封胶之后再与铝合金重叠接合,实现了接合部分的防水性能(图)。


通过FSW接合的部分
铝合金和钢的界面十分清楚,可以看出并非扩散接合。利用密封胶来防水。

本田还新开发了接合装置。原来的FSW装置需要以重达约1tf(9.8kN)的负荷将工具按压至接合部分,因此是一种安装面积为49m2左右的大型门式设备。这种装置无法放置在汽车部件制造现场。于是本田在机器人手臂顶端安装了C型架,然后在C型架上部安装了FSW接合装置(图)。因为按压工具的反作用力由C型架下侧承受,所以不会对机器人施加很大的反作用力。这样一来,装置的安装面积便缩小到了5m2左右,只有原来的约十分之一。


新开发的接合装置
在机器人手臂顶端安装了C型架,并在C型架上部安装了用来按压工具的装置。反作用力由C型架承受,因此不会对机器人本身施加很大的反作用力。

而且,本田还新开发了能以非破坏方式检查并判断接合效果是否良好的装置。该装置可通过向接合部分照射半导体激光,利用高灵敏度红外线摄像头观察热能的反射,来判断接合效果是否良好。

提高Pd的反应速度

Rh用量减半的催化剂不仅符合全球最为严格的尾气规定之一——美国加利福尼亚州的低公害标准“LEV Ⅱ”规定的SULEV条款,而且可使贵金属的总使用量减少22%,催化剂成本也降低了37%。

此次开发新催化剂的背景是Rh价格不稳定。随着白金(Pt)的开采,Rh的开采比例达到了白金的约八分之一。因此,白金与钯(Pd)的年需求量为200吨左右,而Rh的年需求量达到了20~25吨左右,比前者少一位数。

而且因为汽车领域的需求量占总体需求的8成以上,所以Rh的价格会随着汽车需求的动向发生巨大变化。2008年雷曼危机前Rh的价格为每克300美元以上,暴涨到了2003年前后的10倍以上。尽管最近一直徘徊在50美元左右,但今后有可能会随着汽车需求的扩大而再次高涨,或者导致资源越来越难以保障。因此,本田的目标是,通过减少Rh的用量、增加Pd的用量,来实现与原来同等的净化性能。

催化剂使用Rh的原因是,可提高催化剂活性,而且HC(碳化氢)、CO(一氧化碳)的氧化反应和NOx(氮氧化物)的还原反应能够同时进行。而使用Pd的话,还原NOx时Pd自身也会被氧化成PdO,该物质会再次发生HC和CO的氧化反应,重新变成Pd,以这样的循环进行氧化还原反应(图)。由于反应分两个阶段进行,所以净化性能低于Rh。本田此次通过加快氧化还原反应的转移速度,使Pd的净化性能接近了Rh。尽管该公司未公开加快转移速度的具体方法,但称通过缩小Pd粒子的粒径,提高了与吸氧/释氧材料的反应性。 (记者:鹤原吉郎,《日经汽车技术》)


原来的催化剂与新型催化剂的比较
(a)原来的催化剂因Pd的氧化还原反应循环较慢,净化性能不足。(b)新型催化剂通过缩小Pd催化剂的粒子尺寸,加快了氧化还原反应的循环速度。


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