华科大高强铝合金激光焊接凝固裂纹缺陷抑制的最新研究成果

据悉，《自然·通讯》（Nature Communications）在线刊发了华中科技大学机械科学与工程学院蒋平教授团队关于高强铝合金激光焊接凝固裂纹缺陷抑制的最新研究成果，论文题目：“High-strength and crack-free welding of 2024 aluminium alloy via Zr-core-Al-shell wire（基于“锆芯铝壳”焊丝的2024铝合金高强度和无裂纹焊接）”。

论文针对高强铝合金激光焊接“高强度”与“无裂纹”难以兼顾的问题，开发了激光焊接微观枝晶生长相场模型，阐明了微观枝晶结构和晶间相形貌对凝固裂纹的影响规律，揭示了超细等轴晶组织对凝固裂纹的抑制机理，并定量预测了其裂纹敏感性；设计开发了一种“锆芯铝壳”新型绞股焊丝，提出了基于新型焊丝的后置激光摆动-电弧复合焊接工艺，获得了全焊缝超细等轴晶组织；实现了2024-T4铝合金焊接凝固裂纹抑制，且在无热处理条件下接头抗拉强度达到349 MPa（强度系数78.9%）。

高强铝合金（如2系和7系铝合金）具有密度低、强度高、可加工性好等优点，广泛应用于航空航天领域。焊接是实现高强铝合金构件制造的的重要基础工艺。然而，在高强铝合金熔化焊接过程中，熔池凝固通常产生粗大的枝晶组织与严重的溶质偏析，在焊接应力的作用下，焊缝会沿着晶粒边界开裂，形成凝固裂纹，严重损害焊接接头的力学性能。

选择合适的填充材料对高强铝合金焊接至关重要。通常为遵循等强匹配原则，填充材料的成分一般与基体金属的成分相近。以2024-T4高强铝合金为例，在焊接时应选用同质的ER2319填充材料以保证焊接强度，但是采用该填充材料时焊缝组织粗大，容易产生凝固裂纹。为此，生产上常选用4系铝硅填充材料用于2024-T4高强铝合金的焊接，其主要原因是硅元素的引入能够形成大量低熔点共晶物，流动性好，降低了裂纹敏感性。然而，由于铝硅填充材料对2024-T4高强铝合金基体成分的稀释，焊接接头强度较低（强度系数60%左右）。因此，如何保证2024-T4高强铝合金焊接高强度且无裂纹是亟待解决的关键问题。

针对上述问题，论文设计开发了“锆芯铝壳”新型绞股焊丝，该焊丝由1根R60702焊丝（Zr焊丝）作为中心丝、6根与母材同质的ER2319焊丝作为周围丝绞制而成，并提出了基于新型焊丝的后置激光摆动-电弧复合焊接工艺，通过电弧热源熔化焊丝、激光搅拌熔池促进合金元素均匀分布，以实现微观组织调控和凝固裂纹抑制。

利用超景深光学显微镜、EBSD和TEM等多种表征方法，分析了焊缝截面的微观结构特征，发现焊缝内部为均匀细小的非枝晶等轴晶组织，平均晶粒尺寸仅为4 μm，这种超细等轴晶组织的形成能够有效抑制凝固裂纹缺陷。进一步阐明了含锆形核相（Al3Zr）与母相（α-Al）完全共格的晶体学匹配关系，揭示了熔池凝固过程中超细等轴晶的异质形核机制。

开发了激光焊接枝晶生长相场模型，分析了不同枝晶网络结构对晶间液相通道形貌及溶质偏析行为的影响规律，发现细化的等轴非枝晶组织显著缩短了枝晶间液相通道且通道更加曲折，并降低了枝晶间的溶质偏析以更好抵抗凝固裂纹。结合Kou准则定量预测了不同枝晶结构下的凝固裂纹敏感性，发现细化的枝晶网络结构显著降低了凝固末期的裂纹敏感因子（CSI）。

焊接接头在无热处理的条件下平均抗拉强度为349 MPa，达到2024-T4态高强铝合金熔化焊接目前公开文献报道的最优水平。基于强化机制，定量分析了细晶强化、第二相强化、位错强化和固溶强化对力学性能的贡献，发现细晶强化是导致力学性能提高的主要原因，为接头强度提高贡献47%。