《Materials Chemistry and Physics》：Recycled Filler-Induced Microstructural Modifications in Dissimilar Al-Alloy Welds via Laser-CMT Process
编辑推荐：
异种铝合金焊接中采用Mn/Cr改性回收填充材料，实现2.5wt% Fe含量稳定控制，抗拉强度达254.6MPa。通过设计Al-Fe-Mn-Cr-Si和Al-Fe-Mn-Mg-Cr-Si填充材料，抑制粗大β-AlFeSi相，促进致密α-Al(Fe,Mn)Si/α-Al(Fe,Mn,Cr)Si相形成，降低Fe偏析导致的应力集中。Si/Mg比例调控实现强度（+13.9%）与韧性（+22%）协同优化，断裂模式由脆性 cleavage 转为韧性 dimple 裂纹。微观结构显示细化组织与Fe偏析减少，证实成分设计填充材料可有效兼容4xxx/6xxx系列合金，为再生铝应用提供高性能焊接方案。
Z.Y. 张 | J.M. 余 | C. 徐 | Z.R. 胡 | X.N. 王 | H. 长海
中国苏州苏州大学钢铁学院，215137
摘要
使用经过Mn/Cr改性的回收填充材料对不同的A356/6082合金进行混合激光-电弧焊接，最终获得了254.6 MPa的抗拉强度，同时能够稳定地掺入高达2.5 wt%的Fe。通过设计Al–Fe–Mn–Cr–Si和Al–Fe–Mn–Mg–Cr–Si填充材料成分，可控的Mn/Cr添加量抑制了粗大的β-AlFeSi相的形成，促进了致密的α-Al(Fe,Mn)Si/α-Al(Fe,Mn,Cr)Si相的形成，减少了Fe引起的应力集中，并改善了金属间化合物的分布。通过调节Si/Mg比例，实现了双重的机械优化：屈服强度提高了13.9%（162.3 MPa vs 142.5 MPa），晶粒尺寸也得到了细化（56.98 μm vs 90.89 μm）；或者通过共晶细化和α相均匀化，抗拉韧性提高了22%。断裂模式相应地从脆性断裂转变为韧性凹陷断裂。微观结构分析证实了晶粒的细化和Fe偏析的减少。这些结果表明，经过成分设计的填充材料可以有效承受高含量的Fe，同时仍与4xxx/6xxx合金兼容，为回收铝的焊接提供了一种高性能的策略。
引言
4xxx（Al–Si–Mg）和6xxx（Al–Mg–Si）系列铝合金因其具有高比强度、低密度、优异的耐腐蚀性和良好的加工性能而被广泛应用于结构制造[1]、[2]。随着新能源汽车中轻量化设计的快速发展，这些系列不同合金的连接变得越来越重要，因为混合合金结构能够在性能、成本和可制造性之间取得更好的平衡[1]、[3]、[4]、[5]。其中，铸造A356和锻造6082分别是代表性的4xxx和6xxx系列合金，经常被用作不同合金连接的模型材料[2]、[3]、[6]。然而，它们在化学成分、凝固/加工历史和沉淀反应方面的差异导致焊接过程中的微观结构演变不同，即使在同一合金体系内，接头机械性能也会有显著差异[3]、[7]。因此，基于化学成分理解焊接过程中的微观结构发展对于提高接头可靠性至关重要。
这些Al–Si–Mg基合金的焊接性和机械性能受到沉淀物和金属间化合物的形成与再分布的控制。硅提高了熔体的流动性，减少了焊接引起的开裂和变形倾向；共晶硅也是控制强度和断裂行为的关键微观成分[6]、[8]、[9]。镁主要通过形成Mg2Si来强化基体，使得老化后能够产生显著的沉淀硬化[10]。相比之下，Fe是一种不可避免的杂质——尤其是在回收铝中——在凝固过程中容易形成富Fe的金属间化合物。这些相通常作为应力集中点和裂纹源，通过促进撕裂作用降低抗拉性能并削弱基体/颗粒界面[8]、[11]、[12]。因此，含Fe金属间化合物的形态和空间分布是评估焊接完整性和机械性能的关键指标。
典型的Al–Si–Fe金属间化合物包括β-AlFeSi和α-AlFeSi，它们在成分、晶体结构和形态上有所不同；β相通常呈现针状或片状特征，被广泛认为是最具危害性的[2]、[6]、[8]。β型和α型Fe金属间化合物的选择受Fe含量、冷却速率、Si/Fe比例以及其他合金元素或微量杂质的共同影响[2]、[6]、[8]。当Fe含量超过约0.2 wt%时，粗大的金属间化合物容易形成，α-Al8Fe2Si向β-Al5FeSi的转变更有可能发生，通常会导致抗拉强度下降[11]。这种效应在熔焊过程中尤为明显，其中陡峭的温度梯度和快速的热循环会显著改变沉淀物的分布（尤其是Mg2Si），从而影响接头的软化或脆化[3]、[9]。尽管4xxx/6xxx不同合金的连接在工业上具有重要意义，但以往的研究主要集中在传统的电弧焊接方法上，对于如何在苛刻的成分条件下处理富Fe金属间化合物知之甚少。
因此，通过合金化来减轻Fe的影响受到了相当多的关注，特别是通过Mn和Cr的辅助改性。增加Mn/Fe比例可以将有害的β-Al5FeSi针状相转化为更致密的含Mn的α型相，从而改善Fe相的形态和铸造质量[13]。Mn和Cr的添加还用于在熔炼过程中促进富Fe化合物的沉淀，从而降低回收A356合金中的有效Fe含量[14]。在高Fe含量的Al–Mg–Si体系中，通过协调调节Mn、Mg和Si可以在一定的Fe范围内抑制β-Al5FeSi的形成，同时通过晶粒细化、分散效应、沉淀和固溶体贡献来增强强度[15]。然而，抑制β针状相并不总是完全有效的；在某些情况下，较高的Mn含量会促进中文字符表示的α-Al15(Fe,Mn)3Si2的形成，从而提高强度但牺牲了韧性，这凸显了富Fe成分中固有的强度-韧性权衡[16]。
最近，混合光束振荡激光-电弧焊接作为一种有前景的铝连接方法出现，它结合了深度穿透、更好的间隙适应性和通过光束诱导的熔池均匀性[4]、[5]、[17]。然而，其在不同4xxx/6xxx合金中的应用尚未得到充分探索，特别是在耐杂质、面向回收的冶金背景下。同时，可持续制造越来越需要低能耗工艺和减少对初级原材料的依赖，这推动了闭环材料循环和更多利用回收铝[18]。一个主要障碍是Fe的积累，它会导致有害的富Fe金属间化合物的形成；如果能够建立超过2 wt%的Fe容忍度，将大大扩展回收原料的工业应用范围，并推进循环经济目标。
基于此背景，本研究提出了一种综合策略，结合杂质调控、成分定制和先进的混合焊接技术，以生产高性能的回收铝不同合金接头。有意选择了2.5 wt%的高Fe含量作为严格的模型系统，用于焊接设计，并探索稳健的Fe中和途径。采用激光-冷金属转移（CMT）混合焊接方法，使用经过改性的Al–Fe–Mn–Cr–Si和Al–Fe–Mn–Mg–Cr–Si填充材料连接A356和6082合金，同时保持与基体Al–Si–Mg成分的兼容性。目标引入的Mn和Cr旨在促进有益的含Fe金属间化合物的形成并抑制有害的β型形态，从而改善焊接微观结构和机械性能。本研究旨在证明，适当设计的回收填充材料可以实现耐杂质的、高质量的不同铝合金焊接，并为先进连接应用中的循环材料设计提供一个可转移的框架。
材料与焊接工艺
本研究使用了两种基材（BM）：T6状态的铸造A356和锻造6082铝合金板，尺寸为100 mm × 45 mm × 3 mm。填充材料包括ER4043和ER5183焊丝，以及两种回收铝合金板，分别标记为RW1（Al-2.4Si-2.4Fe-2.9Mn-0.6Cr，按重量计）和RW2（Al-4.6Si-3.3Mg-2.6Fe-1.8Mn-0.6Cr，按重量计）。这两种材料都是使用常见的汽车车身用6xxx系列Al–Mg–Si铝合金回收制成的
焊接区的微观结构
图2显示了两种不同接头熔合区（FZ）中心的微观结构。如图所示，树枝晶向焊接内部生长，反映了焊接过程中的凝固过程。焊接区主要由α-Al晶粒、晶间Al-Si共晶结构以及各种沉淀相组成。ER4043-RW1和ER5183-RW2接头都表现出多孔性（暗区）和大量的等轴晶粒（图2c和图2d），同时具有树枝晶结构
结论
本研究系统地研究了使用经过Mn和Cr改性的回收填充材料对A356-6082不同铝合金进行激光-CMT混合焊接的情况，发现这种改性可以有效抵消高Fe含量对焊接性能的不利影响。尽管设计填充材料中的名义Fe含量高达2.5 wt%，但焊接金属中的实际Fe浓度会因基材的稀释效应而有所不同。尽管如此，Mn/Cr微合金化显著提高了焊接性能
CRediT作者贡献声明
Z.Y. 张：撰写 – 原始草稿、方法论、研究、正式分析、数据管理。C. 徐：软件、方法论、正式分析、数据管理。贾敏余：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、研究、概念化。X.N. 王：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。Z.R. 胡：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、正式分析。H. 长海：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源获取
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金的资助，授予编号为52150710544的资助。
