據(jù)悉，《自然·通訊》（Nature Communications）在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院蔣平教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于高強(qiáng)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(qiáng)度和無(wú)裂紋焊接）”。

論文針對(duì)高強(qiáng)鋁合金激光焊接“高強(qiáng)度”與“無(wú)裂紋”難以兼顧的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了激光焊接微觀枝晶生長(zhǎng)相場(chǎng)模型，闡明了微觀枝晶結(jié)構(gòu)和晶間相形貌對(duì)凝固裂紋的影響規(guī)律，揭示了超細(xì)等軸晶組織對(duì)凝固裂紋的抑制機(jī)理，并定量預(yù)測(cè)了其裂紋敏感性；設(shè)計(jì)開(kāi)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(dòng)-電弧復(fù)合焊接工藝，獲得了全焊縫超細(xì)等軸晶組織；實(shí)現(xiàn)了2024-T4鋁合金焊接凝固裂紋抑制，且在無(wú)熱處理?xiàng)l件下接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到349 MPa（強(qiáng)度系數(shù)78.9%）。

高強(qiáng)鋁合金（如2系和7系鋁合金）具有密度低、強(qiáng)度高、可加工性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。焊接是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件制造的的重要基礎(chǔ)工藝。然而，在高強(qiáng)鋁合金熔化焊接過(guò)程中，熔池凝固通常產(chǎn)生粗大的枝晶組織與嚴(yán)重的溶質(zhì)偏析，在焊接應(yīng)力的作用下，焊縫會(huì)沿著晶粒邊界開(kāi)裂，形成凝固裂紋，嚴(yán)重?fù)p害焊接接頭的力學(xué)性能。

選擇合適的填充材料對(duì)高強(qiáng)鋁合金焊接至關(guān)重要。通常為遵循等強(qiáng)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(qiáng)鋁合金為例，在焊接時(shí)應(yīng)選用同質(zhì)的ER2319填充材料以保證焊接強(qiáng)度，但是采用該填充材料時(shí)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(qiáng)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(diǎn)共晶物，流動(dòng)性好，降低了裂紋敏感性。然而，由于鋁硅填充材料對(duì)2024-T4高強(qiáng)鋁合金基體成分的稀釋，焊接接頭強(qiáng)度較低（強(qiáng)度系數(shù)60%左右）。因此，如何保證2024-T4高強(qiáng)鋁合金焊接高強(qiáng)度且無(wú)裂紋是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，論文設(shè)計(jì)開(kāi)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(dòng)-電弧復(fù)合焊接工藝，通過(guò)電弧熱源熔化焊絲、激光攪拌熔池促進(jìn)合金元素均勻分布，以實(shí)現(xiàn)微觀組織調(diào)控和凝固裂紋抑制。

利用超景深光學(xué)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(xì)小的非枝晶等軸晶組織，平均晶粒尺寸僅為4 μm，這種超細(xì)等軸晶組織的形成能夠有效抑制凝固裂紋缺陷。進(jìn)一步闡明了含鋯形核相（Al3Zr）與母相（α-Al）完全共格的晶體學(xué)匹配關(guān)系，揭示了熔池凝固過(guò)程中超細(xì)等軸晶的異質(zhì)形核機(jī)制。

開(kāi)發(fā)了激光焊接枝晶生長(zhǎng)相場(chǎng)模型，分析了不同枝晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)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(xì)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(zhǔn)則定量預(yù)測(cè)了不同枝晶結(jié)構(gòu)下的凝固裂紋敏感性，發(fā)現(xiàn)細(xì)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(wú)熱處理的條件下平均抗拉強(qiáng)度為349 MPa，達(dá)到2024-T4態(tài)高強(qiáng)鋁合金熔化焊接目前公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道的最優(yōu)水平?；趶?qiáng)化機(jī)制，定量分析了細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化對(duì)力學(xué)性能的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化是導(dǎo)致力學(xué)性能提高的主要原因，為接頭強(qiáng)度提高貢獻(xiàn)47%。

上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等資助。

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

文章來(lái)源：華中科技大學(xué)官網(wǎng)