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，闡明了微觀枝晶結構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域。焊接是實現(xiàn)高強鋁合金構件制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(chǎn)生粗大的枝晶組織與嚴重的溶質偏析，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鍵問題。
針對上述問題，論文設計開發(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構特征，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系，揭示了熔池凝固過程中超細等軸晶的異質形核機制。
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)絡結構對晶間液相通道形貌及溶質偏析行為的影響規(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(fā)現(xiàn)細化的枝晶網(wǎng)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。基于強化機制，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、廣東省基礎與應用基礎研究基金項目、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金等資助。
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)
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