结构轻量化需求快速推动着铝合金等轻质材料的广泛应用，针对铝合金中空型材/环壁结构件的焊接难题，如根部未焊合（弱连接）、刚性支撑需求等，双轴肩搅拌摩擦焊（Bobbin Tool Friction Stir Welding, BT-FSW）通过引入附加轴肩的方式，在强化背部热力作用的同时实现了单轴驱动同侧自支撑的特性，从而良好地实现了上述结构焊接，在航空航天、轨道交通等领域具有广阔的应用前景。

接头宏-微观成形特征密切依赖于焊接热力循环过程，被认为是决定其力学性能的直接因素。然而，高温、大应变及大应变速率下，BT-FSW中潜在的热物理过程仍不明晰，接头成形特征的起因尚未可知，严重限制了BT-FSW接头力学性能的改善。

针对上述难题，凝固技术国家重点实验室李文亚教授团队积极开展BT-FSW塑性材料流动行为、缺陷与质量控制等创新工作。研究工作主要着眼于BT-FSW过程常见的各类缺陷，如孔洞、汇流区以及S线等，建立耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）数值模型，在阐明BT-FSW焊接过程中温度、应变分布规律的同时，通过嵌入示踪粒子技术，实现了整体/局部材料流动行为的可视化，从而揭示了BT-FSW接头成形机制。结果表明：材料迁移行为在各方向上存在差异；水平方向上，前进侧材料位于剪切层内侧，受工具直接驱动沉积于前进侧后方，后退侧材料受间接驱动流动滞后于前进侧（图1）；厚度方向上的材料流动具有方位性，抵达前进侧后方前的流动较弱，保持近乎层流的特征，随后受两侧轴肩挤压作用而汇聚于板厚中心，最终形成对称的哑铃状的结构（图2）。在此过程中，随着焊接工具移动而在前进侧后方形成的瞬时空腔，被轴肩剪切-挤压导致向内偏转的材料以及搅拌针直接剪切的材料所填充，形成所谓的汇流区。当转速降低时，上述材料汇合程度减弱，易形成孔洞缺陷（图3）。与此同时，搅拌工具直接作用下的材料迁移以及汇流区材料的反向挤压最终决定了S线的形貌。上述结构特征结合梯度组织共同影响着接头的力学性能。由此，该研究良好地阐明了BT-FSW接头成形机制与失效行为，有利于指导焊接工艺的优化以及新型改性技术的探索【1】。

该研究成果以"In-depth understanding of material flow behavior and refinement mechanism during bobbin tool friction stir welding"为标题在国际重要期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》发表论文，该工作的第一作者为凝固技术国家重点实验室博士后褚强，通讯作者为凝固技术国家重点实验室李文亚教授和杨夏炜副教授。

图1 水平方向上轴肩（a）和搅拌针（b）附近材料流动行为

图2 竖直方向上轴肩（a）和搅拌针（b）附近材料流动行为

图3 BT-FSW接头特征成形示意图

此外，团队近期还研究了异种材料搅拌摩擦焊接，首次采用BT-FSW对异种铝合金材料进行了试探性的焊接，并研究了其拉伸过程中的变形行为。结果表明：接头无宏观缺陷，显著的PLC效应和变形行为仅发生在较软的材料一侧，无论接头是否存在缺陷【2】。该成果主要内容以"Effect of material configuration and welding parameter on weld formability and mechanical properties of bobbin tool friction stir welded Al-Cu and Al-Mg aluminum alloys"为标题发表在《Materials Characterization》期刊。

上述工作相关论文免费下载链接：

【1】https://authors.elsevier.com/c/1dxIY3AXKs8Tyd  (Free access before December 08, 2021)

【2】https://authors.elsevier.com/a/1dxSf3jWfE%7EHD9 (Free access before December 08, 2021)