Materials Science and Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing｜7｜中科院1区Top｜ Q1｜

导读

厚板铝合金因具有高比强度而被广泛应用，但其焊接仍面临气孔、粗大微观组织及热影响区软化等挑战。为解决这些问题，本研究在对10毫米厚6082-T6铝合金进行激光-电弧复合焊接时，同时采用了光束振荡与锆（Zr）中间层微合金化技术。结果表明，最优的Zr中间层厚度为0.05毫米，能显著细化微观组织：熔合线附近的粗大柱状晶完全被细小等轴晶取代，焊缝中心的平均晶粒尺寸细化率达86.4%。这种微观组织转变带来了焊接接头优异的力学性能：极限抗拉强度达261.6 MPa（较未添加Zr的焊缝提高6.6%），延伸率为12.2%；焊缝平均显微硬度提升至96.5 HV，增幅达18.4%。这些改进主要归因于晶粒细化以及由纳米级L12-Al3Zr析出相促成的沉淀强化，该析出相充当了有效的异质形核核心和位错钉扎点。然而，过量的Zr添加会导致元素偏析，造成焊道成形不良并伴随咬边缺陷，从而损害焊缝的力学性能。

主要图表

图1. 实验装置示意图：(a) 总体结构，(b) 槽道尺寸，(c) 激光振荡路径，(d) 拉伸试样尺寸。

图2.锆中间层厚度（δ）对焊缝形成的影响：（a–c）表面形貌，（d–f）X射线 NDT 结果显示的焊缝孔隙率，（g–i）横截面形貌，其中AZ为电弧主导熔化区，LZ为激光主导熔化区。

图3.锆中间层厚度（δ）对焊缝形成特征参数的影响：(a)焊缝宽度与穿透深度，(b)LZ的深度与平均宽度。

图4.通过 EPMA 测试的焊缝中Zr元素分布随层间厚度（δ）变化的效应，(a) δ =0.05毫米，(b) δ =0.10毫米。

图5.锆中间层厚度（δ）对焊缝微观结构的影响：（a–c）整体微观结构；（d–f）焊缝中心A、B、C区的放大视图；（g–i）热影响区（HAZ）D、E、F区的放大视图。

图6.不同Zr中间层厚度（δ）下AZ焊缝中心的显微组织特征 EBSD ：(a) δ =0mm，(b) δ =0.05mm，(c) δ =0.10mm，(d)分别为中心AZ和LZ区域的平均晶粒尺寸。

图7.通过扫描电子显微镜(SEM)和元素分析仪(EDS)元素分布图分析 δ 为0.05 mm时焊缝中心的显微组织特征，(a–c) AZ，(d–f) LZ

图8.通过透射电子显微镜（TEM）对焊缝中心 δ 0.05mm处的显微组织特征分析：(a) HADDF 暗场图像，(b) HADDF 明场图像，(c)(b)框选区域的放大视图，(d–g)Al、Mg、Si、Zr的元素分布图，(h)晶界处Al3Zr相，(i)Al3Zr析出物附近的位错线，(j)晶内Al3Zr相，(k)(j)标记区域的高分辨率图像，(l)(h)标记区域的 SAED 形貌，(m)界面处的高分辨率图像，(n)(k)框选区域的放大视图，(o)边缘位错。

图9.焊缝中心球面像差分析结果（δ 为0.05毫米）：(a) HAADF 明场图像，(b)(a)中红色方框的放大视图，(c)(b)中方框的放大视图，(d)(a)中黄色方框的高分辨率图像，(e)(b)中方框的 SAED 图案，(f)L12-Al3Zr的原子分辨率EDS光谱。（关于图例中颜色标注的解释，请参阅本文网络版。）

图10.熔合区透射电镜（TEM）形貌（δ 0.05mm），(a) HAADF 明场图像，(b-d)分别显示铝、镁和硅的元素分布图，(e)(a)中圆圈区域的 SAED 图，(f)(a)中方框区域的高分辨率图像。

图11. δ 为0.05mm的HAZ的TEM形貌：(a) HAADF 明场图像；(b–g)Al、Mg、Si、Mn、Fe、Cr的EDS元素分布图；(h)(a)框选区域的 SAED 图；(i)(a)框选区域的高分辨率图像。

图12. 不同Zr中间层厚度下焊接接头的拉伸性能：(a) 抗拉强度与延伸率，(b) 应力-应变曲线。

图13.不同Zr中间层厚度（δ）下焊接接头的拉伸断裂形貌：(a1-b1) δ =0mm，(a2-b2) δ =0.05mm，(a3-b3) δ =0.10mm。

图14. 不同Zr中间层厚度下焊接接头的显微硬度分布：(a) 显微硬度分布，(b) 平均显微硬度。

图15.锆中间层厚度（δ）对焊缝形成及显微组织的影响机制：(a)和(d) δ =0mm，(b)和(e) δ =0.05mm，(c)和(f) δ =0.10mm。

主要结论

基于对Zr中间层厚度（δ）在10毫米厚6082-T6铝合金振荡激光-电弧复合焊接中影响的研究，得出以下结论：

（1）焊缝中激光主导熔化区（LZ）的深度相对于未添加Zr的情况有所降低。当Zr中间层厚度分别为0.05毫米和0.1毫米时，LZ深度分别减小约11.7%和21%。在中间层厚度为0.1毫米时，平均LZ宽度也缩短了35%。然而，过量引入Zr会导致其在局部焊缝区域偏析，降低成分均匀性。

（2）添加0.05毫米Zr中间层后，焊缝上部电弧主导区（AZ）和下部LZ的晶粒尺寸分别细化86.4%和86.0%，等轴晶比例分别提高至89%和92%。焊接接头的极限抗拉强度和延伸率分别达到261.6 MPa和12.2%。此外，焊缝平均硬度为96.5 HV，较未添加Zr时提高了18.4%。

（3）Al₃Zr析出相在焊缝凝固过程中发挥双重作用。首先，它作为异质形核剂促进晶核形成，从而细化焊缝微观组织，并将熔合线附近的柱状晶转变为等轴晶。其次，它通过钉扎效应抑制晶粒生长。等轴晶比例的增加降低了焊接接头的各向异性。

主要信息

Synergistic effect of beam oscillation and Zr micro-alloying on grain refinement and mechanical properties of laser-arc hybrid welded thick-plate aluminum alloy

https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.149723