摩擦搅拌焊接3D打印ASA/ABS异质聚合物接头的多目标优化与性能表征研究

本研究针对3D打印ASA与ABS异质聚合物接头的固相连接难题，采用摩擦搅拌焊接（FSW）技术，通过Taguchi L9筛选和全因子优化设计，系统分析了焊接速度（TS）、旋转速度（RS）、肩部直径（SD）和销钉直径（PD）对力学性能（σBT、ET、σBF、EF）和工艺参数（FX、FY、FZ、TW、μ）的影响。研究首次实现了焊接效率超100%的异质接头（最高拉伸强度33MPa），并通过SEM、DSC、TGA和拉曼光谱揭示了微观结构演变与热性能变化规律，为增材制造多材料集成提供了技术支撑。

　　

随着增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的快速发展，熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）工艺制备的聚合物构件在航空航天、汽车工业和医疗器械等领域展现出巨大应用潜力。然而，单一材料打印往往难以满足复杂工况对构件多功能性的需求，而异质材料集成又面临连接技术的瓶颈。传统粘接和机械连接方式存在强度低、应力集中和耐候性差等问题，而热焊接易导致材料降解和变形。摩擦搅拌焊接（Friction Stir Welding, FSW）作为一种固相连接技术，通过机械搅拌和摩擦生热实现材料界面融合，理论上可避免熔化焊接的缺陷，但其在聚合物异质接头中的应用仍缺乏系统研究。

为此，研究团队在《Results in Engineering》发表论文，以丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物（Acrylonitrile Styrene Acrylate, ASA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）这两种典型工程塑料为对象，探索FSW在3D打印异质聚合物接头中的应用潜力。通过多阶段优化策略，系统评估工艺参数对接头力学性能、热行为和微观结构的影响，为增材制造多材料集成提供新思路。

研究采用两步优化设计：首先通过Taguchi L9正交阵列筛选关键参数（焊接速度T_S、旋转速度R_S、肩部直径S_D和销钉直径P_D），确定最优工具几何特征（S_D=10 mm, P_D=4 mm）；随后采用全因子设计聚焦T_S（3/6 mm/min）和R_S（1400/1800/2200 rpm）的优化组合。技术方法涵盖：① 力学性能测试（拉伸强度σ_B^T、弹性模量E^T、弯曲强度σ_B^F、弯曲模量E^F）；② 焊接过程监测（三向力F_X/F_Y/F_Z、焊接温度T_W、摩擦系数μ）；③ 材料表征（扫描电镜SEM观察断裂形貌，差示扫描量热DSC和热重分析TGA评估热性能，拉曼光谱分析化学结构变化）。所有试样均基于FDM工艺制备，采用标准测试方法获取基线数据。

焊接接头宏观形貌与工艺稳定性

全因子实验的六个参数组合中，Run 2（T_S=3 mm/min, R_S=1400 rpm）表现出最优焊缝成形质量，无可见缺陷且表面光滑。热成像显示焊接温度稳定在100-155°C区间，低于材料降解温度（ABS/ASA的初始降解温度IDT均＞300°C），证实FSW过程处于固相状态。三向力监测表明工艺稳定性良好，轴向力F_Z主导材料塑化过程（45-152 N），而横向力F_X和F_Y波动较小（-38至22 N）。

力学性能与焊接效率

Run 2接头展现出卓越的力学性能：拉伸强度σ_B^T=33.0 MPa（较ABS基线值28.4 MPa提升16%），弯曲强度σ_B^F=76.1 MPa（较ASA基线值62.1 MPa提升23%）。值得注意的是，接头效率（焊接件强度/基材强度）全面超100%，其中弯曲模量E^F效率高达246%，表明FSW接头不仅实现强度恢复，更通过应变硬化效应提升刚度。性能最差的Run 3（T_S=3 mm/min, R_S=2200 rpm）因过热导致材料降解，强度不足Run 2的50%，印证参数优化的必要性。

微观结构与失效机制

SEM分析揭示性能差异的微观成因：优质接头（Run 2）断裂面呈现均匀塑性变形特征，热机械影响区（Thermomechanical Zone, TMZ）材料流动纹路清晰，无明显空洞；而劣质接头（Run 3）存在显著 cavitation（空洞化）和焊接碎屑，导致应力集中。拉曼光谱证实异质界面分子级融合：1725 cm^-1（ASA酯基C=O伸缩振动）和2230 cm^-1（ABS氰基C≡N振动）在 nugget zone（熔核区）出现特征峰叠加，表明链段互扩散而非简单机械混合。

热行为与结构稳定性

DSC分析显示焊接后材料玻璃化转变温度（T_g）变化：ABS的T_g从102.9°C升至107.3°C，ASA从112.3°C升至120.3°C，反映焊接过程中分子链重排致密化。TGA曲线表明所有接头降解行为与基材一致，无新降解峰出现，证实FSW未引发化学分解。这种热稳定性为接头在高温环境应用提供保障。

本研究通过系统优化FSW工艺参数，成功实现3D打印ASA/ABS异质接头的高性能连接。最优参数组合（T_S=3 mm/min, R_S=1400 rpm, S_D=10 mm, P_D=4 mm）下接头强度超越基材，焊接效率达116-246%。微观分析证实固相连接机制包含机械互锁与分子链扩散双重作用，而热分析表明过程未损害材料本征稳定性。该工作不仅为解决增材制造多材料连接难题提供技术方案，更深化了对聚合物FSW机理的理解，为航空航天轻量化结构、医疗器械个性化组件等应用奠定基础。未来研究可拓展至更高性能聚合物（如PEEK、PEI）及金属-聚合物异质连接体系。