沈航杨光教授团队丨电弧熔丝增材制造205A铝合金的搅拌摩擦焊接：组织与性能

为实现中大型复杂高强铝合金结构件的增材制造，增材制造结构件之间的连接是必不可少的。然而，传统的焊接工艺容易导致结构件的变形并引入其他缺陷。搅拌摩擦焊 (Friction stir welding, FSW) 是一种固态连接工艺，由于其较低的热输入与缺陷成形，已被广泛应用于航空航天、航海、汽车等领域。为了进一步发挥增材制造的优势，为中大型复杂高强铝合金结构件的增材制造提供新思路。本文以205A铝合金为研究材料，结合电弧熔丝增材制造技术以及搅拌摩擦焊接技术，对电弧增材205A铝合金结构件的搅拌摩擦焊接进行了系统研究，从其组织、性能及应用出发，为大尺寸电弧增材铝合金结构件的搅拌摩擦焊接提供了理论基础及工程指导。图1为电弧熔丝增材制造系统、搅拌摩擦焊接示意图、取样位置等。

图1. (a)WAAM系统；(b)搅拌摩擦焊示意图；(c)FSW接头取样位置和照片；(d)拉伸试样尺寸

2.结果

2.1 搅拌摩擦焊接接头宏观组织与显微组织

2.1.3 析出相          

通过透射电镜观察电弧增材205A铝合金和电弧增材205A铝合金FSW接头，如图5所示。在电弧增材205A铝合金的透射电镜图像中，观察到一些小尺寸θ相，未发现位错。然而，在FSW接头的搅拌区内发现了大量的位错，且位错之间相互作用，相互纠缠，形成的位错纠缠。在位错的扩展路径中，发现了一些点状θ'相和Cd相。

2.2  搅拌摩擦焊接接头力学性能          

电弧增材205A铝合金FSW接头的断口横截面照片如图7所示。可以看出，FSW接头与基材之间存在着良好的结合，断裂位置在基材区内，断口角度为45°。

在搅拌摩擦焊过程中，材料发生了严重的塑性变形。搅拌摩擦焊在大多数情况下是一种挤压过程。搅拌头前面的材料经过一定塑性变形后被挤压到搅拌头后面，导致了“洋葱环”结构。在塑性变形不充分的区域，部分层间区域得以保留。搅拌摩擦焊接头的气孔数量明显减少。搅拌摩擦焊接过程中严重的塑性变形导致气孔被分解和消除。在搅拌摩擦焊接过程中，塑性变形和热对焊缝区域不同位置的影响是不同的。因此，各个区域的组织演变不同，焊缝区域可分为轴肩影响区、焊核区、热机影响区、热影响区和基材区。

在搅拌摩擦焊过程中，晶粒的演化通常被认为是多种机制作用下的综合结果，如图8所示。搅拌头周围材料受到了强塑性变形、摩擦热和变形热的共同作用。在搅拌摩擦焊接的初始阶段，晶粒开始发生塑性变形，内部的内应力和位错密度逐渐增大。但在初始阶段的温度低于Al-Cu合金的再结晶温度，材料内部未发生动态再结晶。当温度高于Al-Cu合金的再结晶温度时，出现少量动态回复晶粒和再结晶晶粒。当温度达到峰值时，材料的塑性变形停止，材料开始冷却。此时材料内部的组织由细小的再结晶晶粒和动态回复晶粒组成。动态回复和再结晶过程中不断释放内应力和位错。当温度低于再结晶温度时，再结晶停止。但在高温和内应力的作用下，再结晶晶粒将持续生长，纳米级的初始再结晶晶粒将长大到微米级。

3.3 析出相演化          

3.4 搅拌摩擦焊接接头强化机制          

FSW接头的力学性能优于WAAM制造的205A试样。θ'相对FSW接头有一定的析出相强化作用，相较于基材区提升了约11.16 MPa的屈服强度。再结晶产生的细小晶粒提供的晶界强化能够提高屈服强度。与基材区相比，搅拌区的晶界强化效果提高了6.59 MPa。再结晶后保留了一些位错，对FSW接头起到了一定程度的位错强化作用。FSW处理后，搅拌区位错强化效果降低约3 MPa。综上所述，。因此，FSW接头的力学性能优于基材(电弧增材205A铝合金)。

4. 主要结论

(4) FSW接头的力学性能优于电弧增材205A铝合金(基材)。FSW接头的极限抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为224.4 MPa、116.2 MPa和9%。