作者：靳军 耿韶宁 舒乐时 蒋平
来自华中科技大学的研究团队在国际期刊Journal of Materials Science & Technology上发表文章Solidification cracking inhibition mechanism of 2024 Al alloy during oscillating laser-arc hybrid welding based on Zr-core-Al-shell wire。
01论文导读
本文主要研究2024高强铝合金在激光-电弧复合焊接易产生凝固裂纹的问题。由于合金中Cu、Mg等元素的存在，凝固温度区间较宽，且枝晶边界易形成低熔点共晶相，所以会导致凝固裂纹敏感性（SCS）较高传统方法如使用ER2319和ER4043填充材料虽能部分缓解裂纹，但效果有限。本研究提出一种新型镐芯铝壳焊接（ZCASW），结合摆动激光-电弧复合焊接工艺，成功实现无裂纹焊接，并通过实验与相场模拟揭示了其抑制机理，为铝合金焊接与增材制造提供了重要理论支持。
02全文概述
本文系统探讨了摆动激光-电弧复合焊接对铝合金焊缝凝固裂纹（SC）的影响，并从热输入、晶粒生长、应力释放等多个角度分析了裂纹抑制的机理。研究结果表明，摆动激光通过周期性的热输入调控熔池形态，使焊缝的温度梯度更加均匀，进而改善晶粒取向并促进等轴晶的形成。此外，Zr 元素的引入在焊缝中起到了细化晶粒的作用，有效降低了裂纹敏感性。本文还利用EBSD分析了焊接接头的微观组织，发现复合焊接方式能够显著改善焊缝质量，减少裂纹的形成。
03图文解析
（a）ER2319,（b）ER4043,（c）ZCASW,（d）裂纹长度和裂纹比率统计。
图1显示了不同填充材料的焊缝裂纹形貌。ER2319裂纹沿焊缝中心扩展（63 mm），ER4043裂纹较短（24 mm），而ZCASW无裂纹，直观体现其优越的抗裂性。
(a-b) 凝固裂纹沿枝晶边界发生，(c-d) 光滑和骨架微观结构, (e-f) 开裂区域的放大图像。
图2表明了ER2319焊缝断口沿枝晶边界的平滑断裂面，无明显塑性变形痕迹，枝晶表面或枝晶内部出现骨架状微观结构，符合凝固裂纹特征。
（a）裂纹主要扩展区域,（b-d）裂纹附近的代表性区域,（e，f）裂纹附近IPF图和KAM 图,（g-i）相邻晶粒的距离-取向紊乱分布,（j）焊缝的取向紊乱角分布图。
图3表明了裂纹沿焊缝横截面扩展，且在焊缝中较长，开裂在相邻晶粒之间萌生并沿晶界扩展，随后主裂纹分成两个分支并继续沿晶界扩展。主裂纹的分支与微裂纹的分支产生开裂融合，加剧了开裂行为。开裂附近的应力集中程度更高，裂纹倾向于在大角度晶界（HAGB） 上萌生并沿直晶界扩展。
图 4使用不同填充材料制造的焊缝的 IPF、枝晶尺寸统计、PF 和 KAM 图：（a）ER2319 填充材料（b）ER4043 填充材料（c）ZCASW 填充材料。
图4表明了等轴枝晶形貌更易于实现相邻晶粒的协调变形，从而调控凝固过程中的收缩应变。因此，更细小、等轴的枝晶形貌具有超强的抗 SC 能力。
图 5. （a）焊缝显微硬度图（b）沿焊缝中心的显微硬度分布（c）用 ZCASW 填充材料制成的焊缝的工程应力-应变曲线（d）焊缝和母材之间的拉伸性能组成（e，f）焊缝的典型断口形貌。
图5给出了 ZCASW 填充材料焊缝的力学性能和焊缝断口形貌。可以看出，焊缝整体硬度分布比较均匀，靠近焊缝熔合线处的显微硬度较大，但焊缝整体硬度低于母材，用 ZCASW 填充材料制备的焊缝的抗拉强度达到了母材的 78%。断口表面分布有大量等轴韧窝，且存在一定量的析出相。
图6 采用不同填充材料制备的焊缝在凝固过程中的晶粒和液道形貌演变 (a1–a4) ER2319 (b1–b4) ZCASW。
图6表明了相场模拟结果，ZCASW焊缝的非枝晶结构缩短液相通道，减少裂纹扩展路径，与实验结果一致。
04结论
本研究通过实验与相场模拟揭示了Zr芯铝壳焊丝（ZCASW）在2024铝合金摆动激光-电弧复合焊接中抑制凝固裂纹的核心机制,得到以下结论：
1、不同填充材料的抗裂性能依次为ER2319 < ER4043 < ZCASW，其中ZCASW填充材料成功实现了无裂纹焊接，裂纹长度从ER2319的63 mm降至0 mm，裂纹比例由74%完全消除。
2、裂纹抑制机理在于Zr元素诱导Al3Zr相的生成，该相与α-Al基体的晶格错配度仅为0.49%，形成高度共格界面，显著促进α-Al的异质形核，最终形成细小等轴非枝晶结构。这种微观结构缩短了枝晶间液相通道长度，并通过球状分布的枝晶间相增强液相补缩能力，从而降低凝固末期的裂纹敏感性指数。
