AA5052-AA7075异种铝合金焊接热场、残余应力及抗拉强度的对比研究：冷却条件对焊接完整性的影响机制

为解决异种铝合金焊接中热场控制、残余应力及抗拉强度优化问题，研究人员通过对比水冷/非水冷FSW（摩擦搅拌焊）与TIG（钨极惰性气体保护焊）工艺，发现水冷FSW使焊接区峰值温度降低57.9%-80.6%，产生-20.2 MPa压应力，抗拉强度达264 MPa（较TIG提升16.4%），为航空航天等领域高强耐蚀接头提供新方案。

　　

铝合金在现代工业中扮演着关键角色，AA5052以其优异的耐腐蚀性广泛应用于船舶制造，而高强度AA7075则是航空航天结构的首选材料。然而，将这两种性能迥异的合金焊接在一起时，却面临巨大挑战——传统焊接方法会产生剧烈的热循环，导致残余应力集中、热影响区(HAZ)软化，最终影响接头强度和抗腐蚀性能。更棘手的是，航空部件往往需要承受极端环境，焊接接头的微小缺陷都可能引发灾难性后果。

为攻克这一难题，来自MLR理工学院的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表了一项开创性研究。他们首次系统对比了水冷摩擦搅拌焊(FSW)、常规FSW和TIG焊接对AA5052-AA7075异种接头的热场分布、残余应力和力学性能的影响。研究采用红外热成像(IRT)实时监测温度场，通过X射线衍射(XRD)定量分析残余应力，并结合拉伸试验评估接头强度。

关键技术方法

研究选取150×80×5 mm的AA5052和AA7075板材，采用钨钴合金工具进行FSW（转速1200 rpm，行进速度40 mm/min），其中水冷组通过浸没式水箱实现持续冷却。TIG焊接使用ER2219焊丝，电流210A。通过FLIR红外相机（精度±2°C）捕捉热场分布，XRD采用ψ-45°至+45°角度扫描测定残余应力，拉伸测试按ASTM E8标准执行。

热场分布

IRT数据显示：水冷FSW的搅拌区峰值温度仅224°C，较非水冷FSW（551°C）和TIG（1065°C）分别降低57.9%和75.7%。尤为关键的是，AA5052侧HAZ温度从TIG的514°C骤降至120°C，这种急剧的温度梯度控制有效抑制了HAZ晶粒粗化。

残余应力

XRD揭示水冷FSW在焊缝区产生-20.2 MPa的压应力，而非水冷FSW和TIG则分别产生63.1 MPa和30.6 MPa拉应力。这种应力符号的逆转归因于水冷加速的热量耗散，使材料收缩更均匀，从而抵消了拉伸应力形成。

力学性能

拉伸试验显示水冷FSW接头抗拉强度达264 MPa，较TIG（223 MPa）提升16.4%。断裂分析发现裂纹多起源于AA5052的HAZ，其锯齿状应力-应变曲线揭示了Portevin-Le Chatelier效应（动态应变时效现象），说明非热处理合金对热输入更为敏感。

这项研究为异种铝合金焊接提供了突破性解决方案：水冷FSW通过三重优势——低温焊接（<225°C）、压应力场、窄HAZ——实现了强度与耐蚀性的协同提升。其工程价值尤为显著：对于飞机蒙皮（AA5052）与骨架（AA7075）的连接、船舶耐压舱室的制造等场景，该技术可延长部件寿命30%以上。研究团队特别指出，水冷FSW的工艺窗口仍需优化，未来可通过调节冷却速率进一步调控微观组织，这为后续研究指明了方向。