在中厚Al–Mg–Er–Zr合金的高速螺旋振荡激光-电弧混合焊接过程中，焊接成形和力学性能的改善

《Materials Science and Engineering: A》：Improvement of weld formation and mechanical properties in high-speed spiral oscillating laser–arc hybrid welding of medium-thick Al–Mg–Er–Zr alloy

高速螺旋振荡激光-电弧混合焊接实现了6mm Al-Mg-Er-Zr合金板单道次双面成形，通过增强激光-电弧耦合和熔池涡流抑制塌陷，螺旋模式在保持焊中心高能密度的同时无需额外功率，优化了合金微观组织（细化晶粒50%）和力学性能（强度达基体95%）。

　　

徐晓健|崔海超|兰玲|邵晨东|王亚琪|卢凤贵

上海交通大学材料科学与工程学院材料激光加工与改性国家重点实验室，中国上海200240

[摘要]

在中厚Al-Mg-Er-Zr合金的船舶制造工业应用中，提高焊接质量和接头机械性能至关重要。为此，采用了高速螺旋摆动激光-电弧混合焊接工艺来连接6毫米厚的Al-Mg-Er-Zr合金板。实验结果表明，在最佳摆动参数设置（频率250 Hz，直径2 mm）下，以3 m/min的速度进行单道焊接能够实现良好的双面成形。这种改进归因于激光-电弧耦合效果的增强以及激光搅拌产生的向上涡流，它们分别稳定了热输入效果并防止了熔池塌陷。与传统摆动模式不同，传统模式会使得能量密度均匀分布从而导致穿透力下降，而螺旋模式则保持了焊接中心的能量密度集中，从而无需额外功率即可实现完全穿透。此外，采用Er和Zr微合金化的填充金属、降低热输入以及激光搅拌共同作用，促进了完全细化的等轴晶粒的形成，并抑制了粗大沉淀物的生成。因此，与传统的激光-电弧混合焊接接头相比，优化后的接头表现出更优异的机械性能，其强度达到了基材的95%。这种增强效果归因于Mg固溶强化的改善和沉淀物细化的作用。

引言

轻量化设计是大型船舶运营的关键策略，旨在节约能源、减少排放并提升技术能力。最近，一种新型的Al-Mg-Er-Zr合金因其较低的密度、较高的比强度、优异的耐腐蚀性以及相比含Sc合金更低的成本而受到广泛关注，成为传统5xxx系列（Al-Mg）合金的有希望的替代品[1]、[2]、[3]。然而，高含量的Mg虽然增强了合金的强度，但微合金元素Er和Zr的添加导致晶粒细化，显著增加了焊接性的评估复杂性。因此，研究和改善这种合金的焊接性能至关重要，特别是在船舶制造中常用的中厚（4–6毫米）接头方面。

激光-电弧混合焊接（LAHW）因其出色的间隙桥接能力和增强的协同加热效果，已成为连接中厚铝板的有前景的技术。然而，传统的LAHW在实现Al-Mg合金的全穿透焊接时面临诸多挑战，包括气孔缺陷[4]、隆起现象[5]和接头软化问题。先前的研究表明，在高热输入条件下，这些缺陷会加剧。Katayama等人[6]指出，增加激光功率会通过加剧Mg蒸气对熔孔壁的冲击而加剧气孔形成。隆起现象源于Al-Mg熔池的低表面张力和高流动性，在全穿透和高能量条件下熔池会发生塌陷。同时，过高的热输入会促进晶粒粗化和树枝晶生长，这通常被称为接头软化。由于Mg的溶质分配系数小于1，在凝固过程中溶质倾向于在晶界处聚集[7]。随后形成的网状沉淀物增加了接头脆性断裂的倾向。

高速焊接通过减轻热影响，为解决这些问题提供了直接有效的方法。然而，更高的焊接速度会导致电弧波动和工艺稳定性下降。从激光-电弧相互作用的角度来看，激光产生的熔孔作为阴极点，通过电荷流动形成了通向填充丝尖端阳极的导电通道。这种等离子体交换稳定了电弧并引导了电弧的运动。为了进一步扩大阴极点（更大的熔孔入口）并增强激光-电弧耦合（更宽的等离子体交换），引入了摆动激光束，显著改善了电弧形状并促进了细小液滴的传输[8]。更重要的是，摆动激光-电弧混合焊接（OLAHW）在较低功率设置下表现出控制焊接缺陷和热软化的显著优势。Zhang等人[9]发现，对于厚度超过4毫米的Al-Mg-Si混合焊接，需要超过250 A的焊接电流来抑制气孔形成，这对微观结构和机械性能不利。相比之下，Wang等人[10]使用圆形摆动激光束，在200 A的电弧电流和2 m/min的焊接速度下有效抑制了5毫米厚焊缝中的气孔缺陷，这归因于熔孔壁的稳定和高速移动熔孔中气泡的顺利排出。Ge等人[11]利用1.4 m/min的焊接速度的圆形摆动激光束，增强了底部熔池的流动并改善了Al-Cu合金接头的背面质量。与传统的LAHW接头相比，OLAHW接头的晶粒尺寸细化了约50%，拉伸强度和延伸率分别提高了27%和105%。一些关于Al-Mg合金的摆动激光焊接研究显示，对熔池的额外搅拌作用有效抑制了β-Al₃Mg₂的沉淀[12]和Mg元素的偏聚[13]。然而，常见的摆动模式由于能量分布均匀化而牺牲了穿透深度，从而增加了实现全穿透的难度。为了在不增加功率的情况下实现全穿透，选择了螺旋摆动激光，因为它不仅保留了传统模式的优点，还保持了焊接中心的高能量密度，正如我们之前的工作所证明的[14]。

添加稀土元素如Sc、Er和Zr是通过引入L1₂-Al₃X相来制造新型铝合金的关键强化手段，这些相由于与FCC-Al基体的晶格失配较小，因此具有有效的晶粒细化作用[15]。在这些微合金元素中，Sc的强化效率最高，每原子百分比的强度增量最大。然而，其高昂的成本促使人们普遍采用Sc-Zr共添加，其中固溶度的相互降低促进了核心-壳层Al₃(Sc, Zr)颗粒的沉淀，从而具有更好的热稳定性[16]。为了进一步降低材料成本，低Sc或无Sc的合金已成为合金设计的主要方向[17]。最近的研究[18]、[19]、[20]表明，Er的沉淀行为与Sc类似，能够实现Al₃(Er, Zr)的共同沉淀，从而提供沉淀强化效果。Er和Zr也被成功添加到传统的5xxx合金中，以提高其再结晶温度，从而克服了不可热处理的固有局限性。实际上，微合金化的Al-Mg-X（X = Sc, Er, Zr）合金已在激光粉末床熔融领域得到广泛应用，其中L1₂-Al₃X强化颗粒促进了α-Al晶粒的非均匀形核，从而实现了晶粒细化和降低裂纹敏感性。值得注意的是，这些具有高强度等轴细晶（FG）和延展性外延粗晶（CG）层状结构的打印材料，在实现强度-延展性协同作用方面引起了广泛关注，这种协同作用可以通过适当的FG/CG比例和额外的背应力强化来优化。然而，在熔融焊接过程中，非均匀形核倾向于向熔池边界聚集，导致局部FG区域的形成。这些区域中的核聚集量会阻碍位错运动，引起局部应力集中，最终导致接头失效[21]、[22]、[23]。此外，负分配元素Mg倾向于在FG区域的晶界处偏聚并沉淀，形成脆性沉淀网络，进一步恶化了接头的完整性[24]。对于激光焊接Al-Mg-X（Sc, Er, Zr）合金，尤其是具有巨大潜力的Al-Mg-Er-Zr合金，异质结构——特别是CG和FG区域内的晶粒特性和沉淀特征——尚未得到充分研究，需要进一步研究以阐明其对机械性能的影响，并为提出的螺旋OLAHW工艺的强化机制提供理论支持。

在本研究中，系统地研究了高速（3 m/min）螺旋OLAHW工艺，以解决中厚Al-Mg-Er-Zr合金全穿透焊接中的焊接缺陷和机械性能下降问题。通过数字图像相关（DIC）和电子背散射衍射（EBSD）等先进表征技术，评估了摆动激光束对焊接成形、微观结构和机械性能的影响。通过进一步分析CG区域、FG区域和沉淀物在塑性变形中的作用，本研究阐明了OLAHW工艺实现强度-延展性提升的机制。这些发现为提高中厚Al-Mg-x（x = Sc, Er, Zr等）合金接头的焊接成形和机械性能提供了实用的处理方法和理论依据。

章节片段

材料与焊接设置

焊接实验中使用的基材为轧制状态的Al-Mg-Er-Zr合金板，尺寸为200×100×6毫米。填充金属采用了新型Er、Zr微合金化的Al-Mg合金（5E61）和传统的Al-Mg合金（5183），直径均为1.2毫米。基材和填充金属的具体化学成分列于表1中。图1(a)展示了激光-电弧混合焊接实验装置。多模激光机（FEIBO YDFL-8000/12000-PAM，CHN）提供了双同轴

摆动激光对混合焊接成形的影响

为了研究最佳的焊接工艺参数，比较了不同摆动条件下的焊接成形情况，并在图2中进行了列表。首先探讨了摆动直径（d）的影响。如图2(a)所示，单道激光-电弧混合焊接（LAHW）工艺表现出严重的不稳定性，表现为飞溅、咬边和隆起缺陷。当引入d = 1 mm的摆动时（图2b），焊接成形几乎没有改善。

结论

本研究系统分析了高速螺旋摆动激光-电弧混合焊接在提高海洋Al-Mg-Er-Zr合金成形和机械性能方面的应用前景。主要研究结果总结如下：

(1)

单道高速（3 m/min）螺旋摆动激光-电弧混合焊接工艺能够实现6毫米厚Al-Mg-Er-Zr合金板的良好双面成形。这归因于激光-电弧耦合效果的增强

CRediT作者贡献声明

徐晓健：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，实验研究，形式分析。崔海超：撰写 – 审稿与编辑，实验研究，概念化。兰玲：资源准备，实验研究。邵晨东：实验研究，概念化。王亚琪：实验研究，概念化。卢凤贵：撰写 – 审稿与编辑，资源准备，实验研究，概念化

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的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U2141213）和国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3407800）的支持。