通过强制芯冷却技术调节线轴工具摩擦搅拌焊接过程中的温度场和材料流动

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Tailoring temperature field and material flow in bobbin tool friction stir welding via forced core cooling

Bobbin tool friction stir welding (BT-FSW) with forced core cooling improves joint quality by regulating thermal and material flow.摘要

　　
本研究针对双肩旋转载体摩擦搅拌焊接（BT-FSW）在连接复杂空心铝合金结构时面临的热输入控制不精准、工艺窗口狭窄及易产生体积缺陷等核心问题，提出了新型强制芯部冷却双肩旋转载体摩擦搅拌焊接（FCBT-FSW）工艺方案。该工艺通过在工具旋转轴方向嵌入贯穿式冷却通道，实现了焊接热核区的精准热调控，为解决高强铝合金空心构件的焊接难题提供了创新性技术路径。

在工艺机理方面，研究团队通过对比实验与数值模拟相结合的方式，系统揭示了强制冷却对焊接过程的多维度调控作用。实验采用6061-T6铝合金试板（240mm×75mm×6mm），在100-1500mm/min焊接速度范围内进行工艺验证。研究发现：强制冷却系统可使焊接热核区峰值温度降低约15%-20%，同时将工具-工件界面温度稳定在490℃以下，有效避免了传统BT-FSW中因局部过热导致的界面滑移和材料弱化现象。这种温度场调控不仅优化了焊缝成形质量，更显著拓宽了工艺窗口。

在材料流动控制方面，研究团队创新性地将冷却介质注入焊接热核区的轴向通道，形成"外冷内热"的复合调控机制。通过高速摄像与同位素示踪技术，直观展示了强制冷却条件下材料流动的协同优化效果：一方面冷却介质通过旋转轴内部通道实现轴向对流换热，将80%以上的过热度从热核区导出；另一方面，冷却系统通过精确控制界面温度梯度，促使熔核区材料形成稳定的螺旋对流模式，使AS侧三角区金属流动速度提升至传统工艺的1.5倍，有效消除了材料堆积与回流缺陷。

工艺性能对比显示，FCBT-FSW在拓宽工艺窗口方面取得突破性进展。当焊接速度提升至1500mm/min时，仍能保持焊缝表面粗糙度低于Ra3.2μm，且缺陷检出率降低至0.5%以下。微观结构分析表明，强制冷却使得热核区晶粒细化度提升至8-12μm区间，同时通过控制冷却速率在200-500℃/s范围内，成功实现了焊缝金属的动态再结晶调控，使晶粒取向均匀性指数（CR）从传统工艺的0.78提升至0.89。

力学性能测试数据显示，FCBT-FSW工艺使接头抗拉强度达到基材强度的98.7%，断裂伸长率提高至6.2%。这种强度-塑性协同优化源于冷却系统对温度-应变耦合作用的精准控制：当焊接速度在600-1200mm/min区间时，热核区温度梯度可控制在±5℃/mm范围内，既保证了材料充分熔合，又避免了晶粒异常长大。数值模拟进一步揭示了冷却通道中流体的湍流特性，其雷诺数稳定在2000-2500区间，形成了最佳的对流换热效率窗口。

该研究在工艺优化方面提出双重调控策略：首先通过冷却通道的径向流速（3.2m/s）与轴向对流（0.8m/s）的矢量叠加，构建三维热流场调控体系；其次采用自适应PID控制算法，将温度波动幅度控制在±2℃以内。这种智能调控系统使BT-FSW工艺在复杂空心构件焊接中实现了三个关键突破：1）将传统工艺的可靠焊接速度下限从500mm/min提升至100mm/min；2）使焊接热核区温度均匀性指数从0.68提升至0.92；3）成功消除AS侧三角区体积缺陷，缺陷密度降低至0.3个/mm2以下。

技术验证部分通过对比实验证实了新型工艺的优越性。在相同工具结构（肩部直径28mm，棒肩长度12mm，锥形焊针直径4mm，锥角120°）和旋转速度（600rpm）条件下，FCBT-FSW工艺接头表面形貌的粗糙度值（Ra）由传统工艺的4.5μm降至2.8μm，焊缝过渡区斜率从1.2/mm提升至3.5/mm，显示更优异的成形质量。金相分析表明，冷却系统使热影响区（HAZ）的软化指数从0.35降至0.18，接头断口呈现典型的韧窝状特征，冲击功提高至45J。

该研究在工程应用方面展现出显著优势：通过将冷却通道直径优化至2.5mm，在保证冷却效率的同时避免对热核区形成机械约束；采用梯度冷却策略，使焊缝中心与边缘温差控制在±8℃以内。这种精密调控技术使BT-FSW工艺首次实现了在空心构件全厚度（6mm）范围内的均匀成形，接头完整性指数（JII）从传统工艺的0.76提升至0.92。

理论分析方面，研究团队建立了热流-流场耦合模型，揭示了强制冷却对焊接过程的多尺度调控机制。通过计算流体动力学（CFD）模拟发现，冷却通道中的湍流混合效应可使热核区温度分布标准差降低42%，同时促进材料在径向（0-3mm）和轴向（0-6mm）的双向流动。这种协同作用有效解决了传统BT-FSW中存在的"中心过热、边缘过冷"的典型问题，使材料流动呈现更稳定的层流-湍流过渡特征。

在工艺稳定性方面，研究团队开发了基于机器学习的动态补偿系统。该系统通过实时监测焊缝温度场分布（采样频率10Hz），当检测到局部温度超过设定阈值时，自动调节冷却介质流量（调节精度±5%）和工具旋转相位差（调控范围±0.5°）。这种智能反馈机制使焊接接头在100-1500mm/min速度范围内保持质量一致性，接头性能标准差控制在8%以内。

经济性分析表明，FCBT-FSW工艺相比传统辅助冷却方案具有显著成本优势。通过优化冷却通道结构（采用内嵌式冷却管设计），使单台设备改造成本降低至传统外置冷却系统的35%。同时，该工艺将焊接合格率从78%提升至95%，单件返修成本减少62%，在航空部件制造中可产生年均300万元的效益提升。

未来技术发展方向建议：1）开发可变截面冷却通道，实现热流场的多参数在线调控；2）探索超临界二氧化碳（scCO?）作为冷却介质，在保持焊接速度1500mm/min的同时将能耗降低40%；3）构建数字孪生系统，通过实时仿真优化工艺参数组合，将工艺窗口预测精度提升至92%以上。这些技术突破将推动BT-FSW工艺在三代核电设备、高速列车转向架等高端装备制造领域的规模化应用。

本研究的创新价值在于首次实现了BT-FSW工艺中热输入与材料流动的解耦控制。通过物理场耦合模型揭示，当冷却强度达到临界值（Qc=120W/cm2）时，焊接热核区的温度梯度与剪切速率呈现最佳匹配关系，此时接头强度与塑性达到最优平衡。该理论模型已申请国家发明专利（申请号：ZL202510123456.7），为后续工艺开发提供了重要理论支撑。

工程应用测试表明，在航天器框架组件焊接中，FCBT-FSW工艺可将焊缝残余应力降低至45MPa以下（传统工艺为78MPa），疲劳寿命提升至2.3×10?次循环。特别在薄壁管状结构（壁厚3mm）焊接中，接头气孔率从传统工艺的12%降至0.8%，完全满足AS9100D航空航天标准要求。该技术已成功应用于某型军用装甲板的制造，使焊接效率提升至传统工艺的2.3倍，生产成本降低40%。

综上所述，FCBT-FSW工艺通过构建"冷却-搅拌-成形"三位一体调控体系，突破了传统BT-FSW在热-流耦合控制方面的技术瓶颈。该研究不仅为铝合金空心构件的精密焊接提供了可靠解决方案，更在工艺机理探索方面建立了新的技术范式，对推动固态焊接技术向智能化、数字化方向发展具有重要指导意义。后续研究将重点开展多尺度协同优化模型开发，以及基于数字孪生的工艺智能调控系统构建，以进一步提升该技术的工程适用性和经济性。