《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Synergistically double-sided FSW with dual-tool interaction
编辑推荐：
同步双面摩擦搅拌焊接（SDS-FSW）通过耦合热力学模拟与实验，证实其对6061-T6铝合金中厚度焊缝的优化效果。实验表明，SDS-FSW较传统单面焊接（CDS-FSW）可减少55%以上焊接变形，实现240MPa抗拉强度、159MPa屈服强度及5.2%延伸率的力学性能，其机理在于同步双工焊接形成高强度中厚度混合区并均匀化热应力分布。
苏宇|李文雅|杨希伟|唐一双|吴东|周梦然|陈高强|史青宇|卢西亚诺·伯格曼|本杰明·克卢塞曼
西北工业大学材料科学与工程学院，凝固加工国家重点实验室，摩擦焊接技术陕西省重点实验室，中国西安710072
摘要
协同双侧摩擦搅拌焊接（SDS-FSW）具有减轻中等厚度铝合金接头中贯穿厚度的热机械不均匀性的潜力，但其工艺与性能之间的关联仍不够明确。本文通过耦合热机械仿真和实验研究了6061-T6铝合金的SDS-FSW工艺，并以传统的顺序双侧摩擦搅拌焊接（CDS-FSW）作为基准。SDS-FSW将两个顺序不对称的热循环转化为一个强化循环，增强了中间层的混合，从而形成了无缺陷的接头。SDS-FSW接头的抗拉强度达到240 MPa，屈服强度为159 MPa，延伸率为5.2%，相对于CDS-FSW，焊接变形减少了55%以上。结果表明，SDS-FSW是提高铝合金接头均匀性和机械性能的有效方法。
引言
摩擦搅拌焊接（FSW）是一种固态连接技术，通过摩擦加热和严重的塑性变形实现连接，无需填充材料[1]或保护气体[2]。由于避免了熔化和凝固，FSW减少了典型的熔焊缺陷，如热裂纹[3]和气孔[4]。由于其优异的接头质量和环保性[5]，FSW已广泛应用于航空航天[6]、汽车[7]和造船工业[8]。然而，当应用于厚或中等厚度的铝板[9]时，单侧FSW变得越来越具有挑战性。使用大型焊接工具会导致沿板厚度的明显热机械不均匀性[10]，从而导致微观结构不均匀和机械性能下降[11]。
为了解决这些问题，提出了传统的顺序双侧摩擦搅拌焊接（CDS-FSW）工艺[12]，即先焊接工件正面，然后进行表面研磨、重塑，再进行反面焊接[13]。尽管CDS-FSW可以提高接头完整性[14]，但它不可避免地降低了焊接效率，增加了制造成本，并且焊接后的变形并未完全消除[15]。此外，第一次焊接造成的变形可能会妨碍第二次焊接的对准[16]，从而降低有效轴向力[17]并促进第二次焊接中空洞缺陷的形成[18]。另一种方法，即线轴工具摩擦搅拌焊接（BT-FSW）[19]，也引起了相当多的研究兴趣。然而，在BT-FSW过程中，工具探针会受到较大的扭矩和严重的磨损[20]，容易发生断裂[21]，并且限制了焊接速度及其在厚板上的工业应用[22]。这些限制突显了需要更灵活的双侧FSW技术，以更好地控制贯穿厚度的热机械条件。
协同双侧摩擦搅拌焊接（SDS-FSW）是对传统FSW的创新改进，其中两个独立的工具同时作用于工件的上下表面。两个工具的独立性使得可以灵活控制工具几何形状、焊接参数和相对位置，从而实现上下焊接之间的精确协调。SDS-FSW不仅可以提高焊接效率和灵活性，还可以通过对称的热量和应力分布减轻焊接变形，并减少焊接设备的机械负荷，从而延长其使用寿命[23]。
先前的关于双侧配置的研究表明，使用两个工具可以增强变形并改变材料流动。陈等人[24]发现，在焊接镁合金时，采用不对称的双侧配置可以产生更强烈的塑性变形和更复杂的材料流动。藤井等人[25]也成功地使用两个不对称的焊接工具焊接了镁合金，其中上工具的设计类似于传统的FSW工具，而下工具具有平面或凹面。结果表明，双侧FSW接头比单侧FSW接头具有更好的机械性能。然而，这种不对称方法通常仅适用于厚度约为4毫米的薄板[26]。
一般来说，双侧FSW在工件的两侧形成焊接特征[27]，接头形态和缺陷特性对工艺参数（如工具旋转速度、倾斜角度、焊接速度和工具几何形状）非常敏感[28]。对于CDS-FSW，Thakur等人[29]指出，倾斜角度不足会导致隧道缺陷，而适当的倾斜角度可以改善接头形成。此外，由于搅拌不足，双侧接头在中间层可能会形成弱结合区域，其中结合强度强烈依赖于局部温度和探针处的锻造作用[14]。此外，热历史也至关重要。徐等人[30]使用热电偶测量了2219铝合金CDS-FSW接头的峰值温度，发现当旋转速度从300 rpm增加到950 rpm时，第二次焊接过程中第一次焊接的再加热使接头底部温度从300°C升高到370°C，导致过时效和晶粒粗化。徐等人[31]使用CDS-FSW焊接了12毫米厚的7085铝合金，发现与相同旋转速度和焊接速度下的单侧FSW接头相比，焊接热输入相对较低。Gaddam等人[32]表明，在CDS-FSW焊接过程中，旋转速度过高或过低都会导致缺陷形成。当热输入过高时，高温会导致材料严重软化，使其以飞边的形式挤出；而如果热输入过低，则无法在焊接区域内产生理想的材料流动。
除了工具配置的改变外，最近的研究还采用了工艺辅助策略来增强材料流动和调整热机械条件，包括摩擦搅拌振动焊接（FSVW）以及使用中间层和增强材料。据报道，结合Zn中间层和工具偏移的振动辅助FSW可以细化焊接微观结构，减少残余应力和冶金缺陷，并促进Al/Mg接头中更有利的界面反应[33]。同样，Zn中间层和TiC增强材料，结合多道次焊接程序，可以通过改变搅拌行为和抑制脆性金属间化合物的形成来提高微观结构的均匀性和强度[34][35]。在颗粒增强系统中，晶粒细化和硬度/强度也受到热输入和增强材料流动驱动分布的强烈影响[36]。虽然这些方法依赖于中间层、振动、颗粒增强和多道次焊接策略，但目前的SDS-FSW通过一种独特的机制实现了接头完整性的提高，即同步双工具反向旋转耦合，增强了贯穿厚度的热机械均匀性，并在中层形成了以混合为主的区域。这种机制使得在中等厚度的铝合金中实现无缺陷焊接和更好的强度-延展性平衡，而无需额外的中间层或增强材料。
总之，目前关于双侧FSW的研究主要集中在CDS-FSW工艺上。相比之下，SDS-FSW仍处于早期发展阶段。SDS-FSW过程中的材料流动行为和微观结构演变，以及接头微观结构与机械性能之间的关系尚未完全了解。此外，尽管数值模拟在FSW工艺分析中的应用日益增多，但目前还没有系统地基于模拟研究SDS-FSW的报道。通过将SDS-FSW与单侧FSW和CDS-FSW接头进行比较，本研究旨在阐明8毫米厚AA6061-T6板材在SDS-FSW过程中的温度演变和材料流动行为，并建立微观结构与机械性能之间的关联，从而为其工程应用提供理论指导。
本文的其余部分结构如下。第2节阐明了焊接材料和不同的双侧FSW方法。第3节介绍了建立数值模型的程序。第4节分析了焊接过程中的温度场和材料流动行为的变化，并检查了SDS-FSW接头的微观结构特征。第5节研究了接头的再结晶行为和晶粒结构特征，并阐明了微观结构与机械性能之间的关联。最后，第6节总结了本工作的主要结论。
部分摘录
材料与方法
本节详细介绍了专为两种不同的双侧FSW方法设计的焊接工具。基材（BM）6061-T6铝合金及其相应的焊接参数也进行了全面描述。此外，还系统介绍了本研究中使用的实验表征技术和机械性能测试方法。
本研究使用了尺寸为150毫米×150毫米×8毫米的6061-T6铝合金板材
工艺建模
本节系统描述了本研究中采用的数值模拟方法。3.1节详细介绍了几何模型的开发过程和分级网格策略的实施。3.2节阐述了模型中包含的热生成机制，包括摩擦热生成和塑性变形加热，以及散热和边界条件的规定。
结果
本节系统地展示了数值模拟和实验结果。4.1节验证了模型，并研究了接头内特征位置和代表性路径上的温度演变。4.2节重点讨论了材料流动行为，以及控制缺陷形成和消除的机制。4.3节研究了宏观接头形成和微观结构特征
讨论
本节系统研究了两种类型的双侧FSW接头的微观结构和机械性能，揭示了SDS-FSW接头更优的接头形成质量和机械性能，以及这些优势背后的机制。5.1节全面分析了接头的再结晶行为、晶界分布和局部错位分布的演变
结论
本研究建立了一个结合热机械建模和实验的框架，揭示了通过SDS-FSW制造的6061-T6接头的过程-结构-性能关系，并与CDS-FSW进行了对比。SDS-FSW将CDS-FSW的两个顺序不对称热循环合并为一个强化循环，提高了峰值温度和高温区，同时增强了中间层的塑性变形，从而减少了贯穿厚度的热/应变梯度
CRediT作者贡献声明
苏宇：概念化、方法论、数据管理、调查、正式分析、可视化、撰写 - 原始草稿。李文雅：监督、撰写 - 审阅与编辑。杨希伟：调查、撰写 - 审阅与编辑。唐一双：数据管理、撰写 - 审阅与编辑。吴东：调查、撰写 - 审阅与编辑。周梦然：调查、撰写 - 审阅与编辑。陈高强：调查、撰写 - 审阅与编辑。史青宇：监督、撰写 -
CRediT作者贡献声明
苏宇：撰写 – 原始草稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。李文雅：撰写 – 审阅与编辑、监督。杨希伟：撰写 – 审阅与编辑、调查。唐一双：撰写 – 审阅与编辑、数据管理。吴东：撰写 – 审阅与编辑、调查。周梦然：撰写 – 审阅与编辑、调查。陈高强：撰写 – 审阅与编辑、调查。史青宇：撰写 – 审阅与编辑，
