搅拌摩擦焊接（Friction stir welding，FSW）是英国焊接研究所（TWI）于1991 年发明的一种固相连接技术[1-3]。在FSW 过程中，旋转的搅拌头与焊件摩擦生热，将材料加热到塑性状态。同时，塑性材料在搅拌头旋转作用下发生迁移且受到轴肩的顶锻作用，最终形成致密焊缝[4]。使用FSW 焊接铝合金、镁合金等可以解决传统熔化焊接时出现的热裂纹、气孔、元素偏析等缺陷，现已被广泛应用于多个行业中[5-6]。在航空航天领域，美国的波音公司首先将FSW应用在了Delta 系列运载火箭铝合金贮箱中间舱段的连接制造中，该火箭于1999 年成功发射升空；2002 年中国航空制造技术研究院与英国焊接研究所合作成立了中国搅拌摩擦焊中心，从而使FSW 技术正式引入中国。目前，FSW 技术已经在国内航空航天、轨道交通、新能源汽车等领域获得广泛应用。
随着制造业的快速发展，对大尺寸、大厚度、高质量、高效率的FSW焊接需求越来越高。研究表明，在生产中采用FSW 对铝合金挤压型材进行焊接，能够有效提高焊接质量与制造效率[7]。但传统的单面FSW（Single-sided FSW，SS-FSW）沿厚度方向产生了不均匀的热-力耦合作用，因而焊后冷却阶段易产生较大的变形与残余应力，不仅增加了焊后矫形工序，提高生产成本，严重时甚至导致产品不合格，因此亟需研发更灵活、更先进的FSW 工艺[8]。协同双面搅拌摩擦焊接（Synergistically double-sided FSW，SDS-FSW）是FSW的一种新的改进形式，在焊接过程中通过两面双搅拌头的同时使用，可以实现焊件上下表面的同步焊接成形，显著减小焊后变形，提高焊接效率，在大型/特殊铝合金、镁合金部件的焊接过程中有着广泛的应用前景。
1 协同双面搅拌摩擦焊接原理与发展历程回顾
经过30 多年的发展，FSW 已广泛应用于铝合金、镁合金等轻质材料的连接。但正如前文所述，SS-FSW在焊接过程中搅拌头轴肩只作用于工件单一表面，沿厚度方向不均匀的热-力耦合作用不仅容易产生较大的变形与残余应力，而且在焊接厚板和中厚板时，还容易产生不均匀的微观组织和根部缺陷，影响接头力学性能[9]。此外，SS-FSW 需要额外添加背部刚性支撑，不仅提高了对工装和设备刚度的要求，还使得SS-FSW难以实现中空型材等特殊结构的焊接。因此，有学者开始了双面搅拌摩擦焊接（Double-sided FSW，DSFSW）技术的研究，除本文所介绍的SDS-FSW 外，双轴肩搅拌摩擦焊接（Bobbin tool FSW，BT-FSW）和顺序双面搅拌摩擦焊接（Conventional sequentially double-sided FSW，CDSFSW）是目前研究较为广泛的两种DS-FSW 技术[10]。
DS-FSW 技术原理如图1 所示[11-13]，其中，图1（a）和（b）为BTFSW 焊接原理和搅拌头形貌[11-12]。与SS-FSW 相比，BT-FSW 通过增加下轴肩实现自支撑，同时降低了接头沿厚度方向的温度梯度，减小了接头组织的不均匀性，避免了根部缺陷的产生[4，14]。但在BT-FSW 过程中，上、下轴肩沿相同方向以相同转速旋转，搅拌针承受较大的拉应力、扭矩及弯矩，极易断裂且容易磨损，大大限制了其焊接速度及应用范围[14]。虽然目前根据BT-FSW 进一步研发出了可调间隙式、逆向旋转式及轴肩静止式BT-FSW 等特种双轴肩搅拌摩擦焊技术，但都只能在一定程度上优化BT-FSW 焊接工艺[4]。
图1 DS-FSW 示意图
Fig.1 Schematic view of DS-FSW
其实，早在1991 年英国TWI 就提出了双面搅拌摩擦焊接的概念，指出可以同时使用两个或两个以上的搅拌摩擦焊接工具对同一个工件进行焊接，也提到了可以在工件的上表面和下表面同时使用两个工具进行焊接[15]。在2009 年，日本三菱日立制铁机械株式会社申请了一项双面搅拌摩擦焊接工艺专利[16]。该专利采用分离式的双搅拌头在工件两面同时焊接，其中一个搅拌头前端部分存在突起部，而另一个搅拌头前端具有收纳该突起部的凹部，通过这两个搅拌头的相对配置实现工件上、下表面的同步搅拌。2012 年，国内哈尔滨工业大学刘会杰教授团队[17]也提出了一种双面对称搅拌摩擦焊接工艺，该工艺所使用的上下搅拌头几何尺寸相同，在焊接过程中，上下搅拌头相对于被焊工件始终处于对称位置。
此后，日本大阪大学Fujii 教授团队[18-19]利用双面搅拌摩擦焊接的原理成功实现了镁合金的焊接，焊接所使用的下搅拌头有平面（Flat-DFSW）和凹形（Concave-DFSW）两种，图2为Concave-DFSW 搅拌头形貌。研究表明，使用双面搅拌摩擦焊接能够获得更加复杂和充分的材料流动，在镁合金接头的搅拌区获得随机织构，从而提高了接头的力学性能。
图2 Concave-DFSW 搅拌头形貌[19]
Fig.2 Morphology of Concave-DFSW welding tools[19]
随着对铝合金焊接质量和生产效率要求的不断提高，西北工业大学李文亚教授团队[13]率先开始了SDS-FSW技术在铝合金应用上的研究，并与北京索德瀚智能科技有限公司合作开发了一种新型的SDS-FSW 设备。图3 为焊接设备和焊接过程中的装夹示意图，该设备具有上下两个机头，并分别由两个主轴控制，通过程序调控可实现精确控制与智能化对中。因此SDS-FSW 技术在焊接过程中可根据实际需要改变上下搅拌头的尺寸形貌、旋转速度、旋转方向、焊接倾角及相对位置，达成灵活焊接与协同控制，从而实现大型/特殊铝合金部件的高质量焊接。与目前国内外研究较多的CDS-FSW 技术相比，SDS-FSW 只需进行一次焊接，而CDS-FSW 是先完成一面的焊接，然后翻转工件焊接另一面，因此SDS-FSW 可以显著提高焊接效率，减小焊后变形[20-25]。
图3 SDS-FSW 焊接设备和工件装夹
Fig.3 Welding equipment of SDS-FSW and workpiece clamping
2 协同双面搅拌摩擦焊接技术特点
2.1 协同双面搅拌摩擦焊接铝合金接头显微组织及力学性能
SDS-FSW 的整体焊缝轮廓呈现“沙漏型”，表现为两个SS-FSW 焊缝的叠加，图4 所示为SS-FSW、CDSFSW 及SDS-FSW 接头焊缝横截面在光镜下的显微形貌。根据不同的热力学过程，SDS-FSW 接头的显微组织与SS-FSW 接头相同，可划分为焊核区（Weld nugget zone，WNZ）、热力影响区（Thermo-mechanically affected zone，TMAZ）、热影响区（Heat-affected zone，HAZ）和母材（Base material，BM）4个区域。此外，由图4 可知，在相同的焊接速度和搅拌头转速下，采用SDS-FSW 与SS-FSW 相比可以减少接头缺陷，与CDS-FSW 相比，材料流动更加充分，微观组织沿厚度方向的均匀性提高。
图4 SS-FSW、CDS-FSW 和SDS-FSW接头横截面宏观形貌
Fig.4 Cross-section morphology of SS-FSW,CDS-FSW and SDS-FSW joints
图5 为相同焊接参数下SS-FSW、CDS-FSW 和SDS-FSW 接头典型拉伸试样的应力-应变曲线，可知SDSFSW 在提高焊接效率的同时，拉伸性能可以达到与CDS-FSW 相当的水平，强度和延伸率与SS-FSW 相比分别提升了约30%和250%。此外，Zou 等[13]根据实际需要对8 mm 厚的6061-T6 铝合金进行了SDS-FSW和CDS-FSW 焊接试验，选择搅拌针长度为3 mm 的搅拌头；虽然两种焊接方式都没有焊透（产品需要），但结果表明与CDS-FSW 相比，SDSFSW 焊后变形量明显减小，接头横截面上的显微硬度分布更加均匀（图6），拉伸性能在不同焊接参数下始终优于CDS-FSW 接头。
图5 SS-FSW、CDS-FSW 和SDS-FSW接头应力-应变曲线
Fig.5 Stress-strain curves for SS-FSW,CDS-FSW and SDS-FSW joints
图6 SDS-FSW 和CDS-FSW 接头显微硬度云图[13]
Fig.6 Hardness maps of SDS-FSW and CDS-FSW joints[13]
2.2 协同双面搅拌摩擦焊接铝合金接头温度场
焊接过程中温度场的分布对FSW 接头的微观组织演变和焊接质量起着重要作用，随着有限元方法和计算机技术的发展，数值模拟已成为研究FSW 焊接过程的重要辅助方法，主要分为在焊件上施加焊接热源模型的方法[26]、基于计算固体力学（Computational solid mechanics，CSM）的方法[27-28]与基于计算流体力 学（Computational fluid dynamics，CFD）的方法[29-31]。基于CSM 的方法又分为任意拉格朗日-欧拉方法（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）与耦合欧拉-拉格朗日方法（Coupled Eulerian-Lagrangian，CEL）等，其中CEL 适用于处理大变形问题，可以模拟FSW 的全过程，且随着计算机技术的快速发展，目前该方法的仿真耗时已处于可接受的范围内。
图7 为采用欧拉-拉格朗日热力耦合模型获得的SDS-FSW 和CDS-FSW 接头横截面及其中心线上的温度分布规律。可知，在相同的焊接参数下，SDS-FSW 与CDSFSW 接头温度分布的相同点：（1）高温区位于搅拌头直接接触区域，随着到搅拌头中心距离的增加，高温区向周围扩散形成明显的温度梯度；（2）前进侧（AS）和后退侧（RS）的温度以非对称的方式分布，RS 的温度高于AS。两者的不同点：（1）在SDS-FSW 焊接过程中，由于焊件同时受到了上下对称的两个搅拌头的影响，接头沿厚度方向的温度梯度减小，焊缝横截面的温度分布沿水平方向基本对称，同时峰值温度升高；（2）对于SDS-FSW，当上下搅拌头转动方向相同时（图7），上下焊缝中温度较高的RS 位于同一侧，因此温度场不对称性较为明显，但当上下搅拌头转动方向相反时，该现象会被改善；（3）在CDS-FSW 焊接过程中有“瞬时孔洞”形成，而SDS-FSW 焊接过程中双搅拌头的使用可以促进材料的充分流动与混合。
图7 SDS-FSW 和CDS-FSW 接头焊缝横截面及其中心线温度分布
Fig.7 Temperature distribution on the cross section and its center line of SDS-FSW and CDS-FSW joints
3 协同双面搅拌摩擦焊接技术应用展望
通过对铝合金SDS-FSW 的试验研究，可以看到SDS-FSW 作为FSW 的一种新的改进形式，与SSFSW、BT-FSW 和CDS-FSW 等 搅拌摩擦焊接技术相比具有以下优点。（1）提高焊接效率：SDS-FSW具有两个搅拌头同时产热，且仅需进行一次装夹，工序简单；（2）减小变形：SDS-FSW 从焊件两侧平衡地施加热量和压力，可以减小焊接件的变形和残余应力，有助于保持焊接件的尺寸稳定性和几何形状；（3）改善焊缝质量：SDS-FSW 采用两个搅拌头分别作用于被焊工件上下表面，避免了根部缺陷的产生，提高了接头沿厚度方向受到热-力耦合作用的均匀性，从而提高接头微观组织均匀性和力学性能；（4）适用性广泛：SDSFSW 焊接过程中可以灵活地调整两个搅拌头的相对位置、旋转方向和尺寸形貌，从而可以实现大型复杂部件的焊接；（5）提高经济效益：SDSFSW 改善了设备和搅拌头的受力情况，延长了设备和搅拌头的使用寿命。因此，SDS-FSW 适用于大尺寸、大厚度的铝合金、镁合金等板材或型材的焊接。但目前SDS-FSW 还处于基础研发阶段，对于焊接性较好的6061 铝合金实现了良好焊接，但对于2024 及7075 等高强铝合金缺乏可行性试验验证，其技术成熟度也远不如SS-FSW。
在航空、航天及汽车制造等领域中，轻量化已成为目前的主要发展趋势，其中铝合金被视为是实现轻量化的首选材料之一。SDS-FSW 可以很好地解决大型/特殊铝合金部件焊接变形大、焊接效率低的问题，提高了FSW 对结构的适应性，同时降低了制造成本，因而引起了广泛关注。目前，国内北京索德瀚智能科技有限公司已研制出可直接与机器人衔接的SDS-FSW 设备，截至2022 年，该设备已进驻多家企业，投入量产[32]。图8 所示为北京索德瀚智能科技有限公司分别采用CDS-FSW 和SDSFSW 焊接工艺生产的新能源汽车电池托盘及生产流程。可知，当采用CDS-FSW 焊接时，焊后平面度变形为几厘米，需要进行两次矫形工艺，不仅工序繁琐、效率低、成本高，而且影响了产品质量；而当采用SDS-FSW焊接时，焊后平面度≤1.5 mm，工序简化、效率提高，且产品质量有所提升。此外，英国焊接研究所在2023 年5 月展示了SDS-FSW 技术在钢材制造中的应用[33]。Matsushita 等[34]通过研究也证实了可采用SDS-FSW 焊接先进高强度钢用于生产汽车零件。随着对铝合金焊接质量、效率和多功能性要求的不断提高，SDS-FSW 技术在铝合金上的应用将逐步拓展，从而为航空航天铝合金材料的焊接提供更高效、更可靠的解决方案。
图8 采用两种焊接方式的新能源汽车电池托盘
Fig.8 New energy vehicle battery trays by two welding methods
4 结论
本文从协同双面搅拌摩擦焊接原理、发展历程、技术特点以及发展前景4 个方面介绍了这项新技术。（1）SDS-FSW 与传统FSW 具有相同的工作原理，但采用双搅拌头使其展现出了显著的优越性与灵活性，适用于大尺寸、大厚度的板材或型材的焊接，能够显著减小焊后变形并提高焊接效率。（2）目前对SDS-FSW技术的研究仍处于起步阶段，虽然在6061 铝合金上取得了很好的试验验证，但其实际应用还相对有限。（3）为了进一步优化焊接工艺以提升不同系列合金SDS-FSW 的接头性能，需要深入挖掘焊接工艺参数、组织演变、接头性能之间的相互关系，了解焊接过程中温度场演变及材料流动规律，从而促进SDS-FSW 在航空航天等工程中的实际应用。
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