據(jù)悉，《自然·通訊》（Nature Communications）在線刊發(fā)了華中科技大學機械科學與工程學院蔣平教授團隊關(guān)于高強鋁合金激光焊接凝固裂紋缺陷抑制的最新研究成果，論文題目：“High-strength and crack-free welding of 2024 aluminium alloy via Zr-core-Al-shell wire（基于“鋯芯鋁殼”焊絲的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“無裂紋”難以兼顧的問題，開發(fā)了激光焊接微觀枝晶生長相場模型，闡明了微觀枝晶結(jié)構(gòu)和晶間相形貌對凝固裂紋的影響規(guī)律，揭示了超細等軸晶組織對凝固裂紋的抑制機理，并定量預測了其裂紋敏感性；設(shè)計開發(fā)了一種“鋯芯鋁殼”新型絞股焊絲，提出了基于新型焊絲的后置激光擺動-電弧復合焊接工藝，獲得了全焊縫超細等軸晶組織；實現(xiàn)了2024-T4鋁合金焊接凝固裂紋抑制，且在無熱處理條件下接頭抗拉強度達到349 MPa（強度系數(shù)78.9%）。

高強鋁合金（如2系和7系鋁合金）具有密度低、強度高、可加工性好等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天領(lǐng)域。焊接是實現(xiàn)高強鋁合金構(gòu)件制造的的重要基礎(chǔ)工藝。然而，在高強鋁合金熔化焊接過程中，熔池凝固通常產(chǎn)生粗大的枝晶組織與嚴重的溶質(zhì)偏析，在焊接應力的作用下，焊縫會沿著晶粒邊界開裂，形成凝固裂紋，嚴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(guān)重要。通常為遵循等強匹配原則，填充材料的成分一般與基體金屬的成分相近。以2024-T4高強鋁合金為例，在焊接時應選用同質(zhì)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(chǎn)生凝固裂紋。為此，生產(chǎn)上常選用4系鋁硅填充材料用于2024-T4高強鋁合金的焊接，其主要原因是硅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，由于鋁硅填充材料對2024-T4高強鋁合金基體成分的稀釋，焊接接頭強度較低（強度系數(shù)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的關(guān)鍵問題。

針對上述問題，論文設(shè)計開發(fā)了“鋯芯鋁殼”新型絞股焊絲，該焊絲由1根R60702焊絲（Zr焊絲）作為中心絲、6根與母材同質(zhì)的ER2319焊絲作為周圍絲絞制而成，并提出了基于新型焊絲的后置激光擺動-電弧復合焊接工藝，通過電弧熱源熔化焊絲、激光攪拌熔池促進合金元素均勻分布，以實現(xiàn)微觀組織調(diào)控和凝固裂紋抑制。

利用超景深光學顯微鏡、EBSD和TEM等多種表征方法，分析了焊縫截面的微觀結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部為均勻細小的非枝晶等軸晶組織，平均晶粒尺寸僅為4 μm，這種超細等軸晶組織的形成能夠有效抑制凝固裂紋缺陷。進一步闡明了含鋯形核相（Al3Zr）與母相（α-Al）完全共格的晶體學匹配關(guān)系，揭示了熔池凝固過程中超細等軸晶的異質(zhì)形核機制。

開發(fā)了激光焊接枝晶生長相場模型，分析了不同枝晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對晶間液相通道形貌及溶質(zhì)偏析行為的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)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，并降低了枝晶間的溶質(zhì)偏析以更好抵抗凝固裂紋。結(jié)合Kou準則定量預測了不同枝晶結(jié)構(gòu)下的凝固裂紋敏感性，發(fā)現(xiàn)細化的枝晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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349 MPa，達到2024-T4態(tài)高強鋁合金熔化焊接目前公開文獻報道的最優(yōu)水平?；趶娀瘷C制，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(fā)現(xiàn)細晶強化是導致力學性能提高的主要原因，為接頭強度提高貢獻47%。

上述研究得到了國家自然科學基金項目、廣東省基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)研究基金項目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金等資助。

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(wǎng)