據悉，《自然·通訊》（Nature Communications）在線刊發了華中科技大學機械科學與(yu) 工程學院蔣平教授團隊關(guan) 於(yu) 高強鋁合金激光焊接凝固裂紋缺陷抑製的最新研究成果，論文題目：“High-strength and crack-free welding of 2024 aluminium alloy via Zr-core-Al-shell wire（基於(yu) “鋯芯鋁殼”焊絲(si) 的2024鋁合金高強度和無裂紋焊接）”。

論文針對高強鋁合金激光焊接“高強度”與(yu) “無裂紋”難以兼顧的問題，開發了激光焊接微觀枝晶生長相場模型，闡明了微觀枝晶結構和晶間相形貌對凝固裂紋的影響規律，揭示了超細等軸晶組織對凝固裂紋的抑製機理，並定量預測了其裂紋敏感性；設計開發了一種“鋯芯鋁殼”新型絞股焊絲(si) ，提出了基於(yu) 新型焊絲(si) 的後置激光擺動-電弧複合焊接工藝，獲得了全焊縫超細等軸晶組織；實現了2024-T4鋁合金焊接凝固裂紋抑製，且在無熱處理條件下接頭抗拉強度達到349 MPa（強度係數78.9%）。

高強鋁合金（如2係和7係鋁合金）具有密度低、強度高、可加工性好等優(you) 點，廣泛應用於(yu) 航空航天領域。焊接是實現高強鋁合金構件製造的的重要基礎工藝。然而，在高強鋁合金熔化焊接過程中，熔池凝固通常產(chan) 生粗大的枝晶組織與(yu) 嚴(yan) 重的溶質偏析，在焊接應力的作用下，焊縫會(hui) 沿著晶粒邊界開裂，形成凝固裂紋，嚴(yan) 重損害焊接接頭的力學性能。

選擇合適的填充材料對高強鋁合金焊接至關(guan) 重要。通常為(wei) 遵循等強匹配原則，填充材料的成分一般與(yu) 基體(ti) 金屬的成分相近。以2024-T4高強鋁合金為(wei) 例，在焊接時應選用同質的ER2319填充材料以保證焊接強度，但是采用該填充材料時焊縫組織粗大，容易產(chan) 生凝固裂紋。為(wei) 此，生產(chan) 上常選用4係鋁矽填充材料用於(yu) 2024-T4高強鋁合金的焊接，其主要原因是矽元素的引入能夠形成大量低熔點共晶物，流動性好，降低了裂紋敏感性。然而，由於(yu) 鋁矽填充材料對2024-T4高強鋁合金基體(ti) 成分的稀釋，焊接接頭強度較低（強度係數60%左右）。因此，如何保證2024-T4高強鋁合金焊接高強度且無裂紋是亟待解決(jue) 的關(guan) 鍵問題。

針對上述問題，論文設計開發了“鋯芯鋁殼”新型絞股焊絲(si) ，該焊絲(si) 由1根R60702焊絲(si) （Zr焊絲(si) ）作為(wei) 中心絲(si) 、6根與(yu) 母材同質的ER2319焊絲(si) 作為(wei) 周圍絲(si) 絞製而成，並提出了基於(yu) 新型焊絲(si) 的後置激光擺動-電弧複合焊接工藝，通過電弧熱源熔化焊絲(si) 、激光攪拌熔池促進合金元素均勻分布，以實現微觀組織調控和凝固裂紋抑製。

利用超景深光學顯微鏡、EBSD和TEM等多種表征方法，分析了焊縫截麵的微觀結構特征，發現焊縫內(nei) 部為(wei) 均勻細小的非枝晶等軸晶組織，平均晶粒尺寸僅(jin) 為(wei) 4 μm，這種超細等軸晶組織的形成能夠有效抑製凝固裂紋缺陷。進一步闡明了含鋯形核相（Al3Zr）與(yu) 母相（α-Al）完全共格的晶體(ti) 學匹配關(guan) 係，揭示了熔池凝固過程中超細等軸晶的異質形核機製。

開發了激光焊接枝晶生長相場模型，分析了不同枝晶網絡結構對晶間液相通道形貌及溶質偏析行為(wei) 的影響規律，發現細化的等軸非枝晶組織顯著縮短了枝晶間液相通道且通道更加曲折，並降低了枝晶間的溶質偏析以更好抵抗凝固裂紋。結合Kou準則定量預測了不同枝晶結構下的凝固裂紋敏感性，發現細化的枝晶網絡結構顯著降低了凝固末期的裂紋敏感因子（CSI）。

焊接接頭在無熱處理的條件下平均抗拉強度為(wei) 349 MPa，達到2024-T4態高強鋁合金熔化焊接目前公開文獻報道的最優(you) 水平。基於(yu) 強化機製，定量分析了細晶強化、第二相強化、位錯強化和固溶強化對力學性能的貢獻，發現細晶強化是導致力學性能提高的主要原因，為(wei) 接頭強度提高貢獻47%。

上述研究得到了國家自然科學基金項目、廣東(dong) 省基礎與(yu) 應用基礎研究基金項目、中央高校基本科研業(ye) 務費專(zhuan) 項資金等資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45660-x

文章來源：華中科技大學官網