1。3 双轴肩搅拌摩擦焊

1。3。1 双轴肩搅拌摩擦焊的原理

双轴肩搅拌摩擦焊接（BTFSW）是一种新型固相连接方法，是在常规搅拌摩擦焊基础上衍生发展而来，其原理如图1-2所示。在搅拌摩擦焊中，搅拌头的外观是影响摩擦产热、挤压成型、材料迁移的重要因素。与搅拌摩擦焊相比，双轴肩搅拌摩擦焊的搅拌摩擦头是由上轴肩和下轴肩以及一根较粗的搅拌针组成。焊接时，其搅拌头上下轴肩需要分别固定，使上下轴肩的表面和工件的表面贴紧，搅拌针通过螺母旋紧与轴肩固定。尽管两者在产热本质和原理上没有什么区别，但是双轴肩搅拌摩擦焊的产热更大，产生的热输入更高，因此对于焊接厚板的工件具有很大的优势。在双轴肩搅拌摩擦焊中,多出了下轴肩,从而省去了传统搅拌摩擦焊背部的垫板，这一变化使焊接过程中的顶锻压力下降，降低了设备的刚性要求，将零件装配和施焊的灵活性提高，提高了复杂结构零件搅拌摩擦焊接的可操作性，与此同时将刚性装置制造的成本降低。

图1-2 BTFSW焊接原理示意图

1。3。2 双轴肩搅拌摩擦焊的特点

双轴肩搅拌摩擦焊具有以下几点优势：

(1) 在传统的搅拌摩擦头中，组成部分是一个轴肩和一个搅拌头，在进行焊接时需要在背部添加刚性垫板从而提高稳定性。而双轴肩搅拌摩擦取消原来刚性支撑的垫板，节省了焊接所需的成本；使用下轴肩提高了焊接装配的灵活性，可以焊接中空部件、曲面结构、大型厚板等。

(2) 下轴肩的表面和工件表面摩擦产热，增加了一个热源。上轴肩和下轴肩同时旋转摩擦，加上搅拌针的旋转摩擦，对工件提供大量的热输入，在焊接大厚板的情况下解决了传统搅拌摩擦焊因为热输入不足而导致未焊透的问题。

(3) 对于不同材料不同板厚的工件，需要选定不同的单轴肩搅拌头。对于不同工件需要特别定制不同大小的搅拌头，从而增加了焊接成本。并且单轴肩的搅拌头的刚度有限，在定制时搅拌针的长度不能过长，因为在焊接中的振荡很容易导致较长的搅拌针的断裂。双轴肩搅拌摩擦头是由上下两个轴肩和一根搅拌针组成，可以根据试件的板厚从而灵活调节轴肩之间的距离，在焊接厚板的时候可以做到一次焊接双面成型。而传统搅拌摩擦焊焊接板厚的材料时需要进行双面焊接，这样导致工时增长，焊接周期增长，焊接成本提高。所以BTFSW增加了焊接热输入，焊接的效率变高，将焊接周期缩短，从而控制了焊接成本。文献综述

双轴肩搅拌摩擦焊也仍然存在着以下问题：

双轴肩搅拌摩擦焊焊接过程中搅拌头高速旋转，因此搅拌针在工件内部做旋转运动，受到了来自工件的挤压，搅拌针受到巨大的前进阻力和扭矩载荷。同时由于焊接过程中的搅拌摩擦作用，温度会比较高，因此搅拌针需要有较好的强度、耐高温和耐磨性。搅拌针的设计如果不合格，在焊接过程中会导致搅拌针的断裂，从而影响实验，提高了焊接成本。

1。3。3 双轴肩搅拌摩擦焊热过程的研究现状

焊接中的温度场决定了接头的质量，Hilgert等人在Comsol及Matlab中建立了BTFSW的3D热模型，并进行试验，结果发现模型的预测值和试验值相互吻合[14]。Marie等人分别对2024-T3和6056-T4进行FSW及BTFSW试验，对比其温度场，结果发现，BTFSW加热范围更宽，但FSW热稳定性好，而BTFSW则可能过热导致接头软化[15]。

李敬勇等人对6 mm的6082铝合金进行BTFSW时温度场进行研究，结果发现下轴肩一侧工件温度高于上轴肩一侧，而后退侧则高于前进侧，随焊速提高，峰值温度降低，而测温点距焊缝中心越远，则焊速对温度的影响越小[16]。刘雪梅等人模拟了6 mm的2014铝合金BTFSW的温度场，结果发现靠近上下轴肩区域的温度大于中间，前进侧温度低于后退侧[17]。