《Materials Science and Engineering: A》：Mechanisms of in-situ crack resistance in ultrafine-grained Al welds via laser oscillation and microalloying
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•提出了一种新颖的钛箔微合金化结合振荡激光焊接（OLW-Ti）策略，用以同时消除2219-T87铝合金激光焊缝中的凝固裂纹、降低孔隙率并缓解焊缝软化现象。•激光熔池搅拌与原位Al3Ti异质形核的协同作用显著细化了晶粒，使平均晶粒尺寸减少了约74%，并将粗大的柱状晶粒转变为均匀的超
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提出了一种新颖的钛箔微合金化结合振荡激光焊接（OLW-Ti）策略，用以同时消除2219-T87铝合金激光焊缝中的凝固裂纹、降低孔隙率并缓解焊缝软化现象。
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激光熔池搅拌与原位Al3Ti异质形核的协同作用显著细化了晶粒，使平均晶粒尺寸减少了约74%，并将粗大的柱状晶粒转变为均匀的超细等轴晶粒。
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原位形成的Al3Ti颗粒与α-Al的晶格失配率为9.52%，可作为有效的异质形核位点，并发挥Zener钉扎作用，破坏连续的脆性Al2Cu网络，抑制晶粒粗化。
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原位拉伸测试表明，分散的Al3Ti颗粒能够重新分布内部应力，延缓微裂纹的产生，并促使裂纹呈扭曲状扩展，从而将断裂模式从脆性晶间断裂转变为韧性-脆性混合断裂。
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OLW-Ti工艺实现了熔池搅拌、异质形核和晶界钉扎的三重协同效应，有效提升了铝合金焊缝的拉伸强度和延展性。
引言
作为典型的可热处理的高强度Al-Cu合金，2xxx系列铝合金因其优异的机械性能（在宽温度范围内表现良好）、良好的焊接性以及高断裂韧性，在航空航天领域被广泛用于大型承重结构和低温压力容器中[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。它被应用于关键部件，如运载火箭的液氢/液氧低温推进剂储罐、航天器的高温承重部件以及特殊的低温压力容器[6]、[7]、[8]。通过铜的固溶强化和时效强化，并添加Zr、V和Ti等微量元素以细化晶粒和稳定微观结构，该合金在从-269°C的超高低温到315°C的中高温范围内均能保持稳定的强度和韧性。这有效弥补了传统高强度铝合金的缺点，如焊接性差、低温脆性以及高温机械性能迅速下降的问题，使其成为先进航空航天焊接结构的首选轻量化高强度材料[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
现代制造业正朝着轻量化设计、高强度和高疲劳性能的方向发展。激光焊接技术因其高能量密度、高焊接速度和小的热影响区而在轻合金连接和加工领域受到了广泛关注[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。特别是对于铝合金的大型蒙皮-纵梁结构的制造，双激光束双边同步焊接成为研究焦点，因为它具有优良的密封性能、显著的重量减轻效果和高的生产效率。然而，激光焊接在航空航天制造中的广泛应用仍面临许多挑战，根本原因在于该领域对焊接结构的严格质量要求与新铝合金材料及新焊接工艺之间的不匹配[21]、[22]、[23]、[24]。具体而言，2xxx系列铝合金作为典型的高强度合金，在高功率激光焊接过程中存在严重的问题，主要表现为高热裂纹倾向和高孔隙率[25]、[26]、[27]。
为了解决这些问题，人们投入了大量精力进行工艺优化，尤其是光束振荡技术的研究。Chen等人[28]研究了不同铝合金6061/2A12的光纤激光振荡焊接，发现提高振荡频率和振幅可改善焊缝的平滑度和均匀性，最佳参数为200 Hz和0.4-1.2 mm；振荡焊接减少了偏析现象，较高频率还能增强Cu的混合均匀性。Chi等人[29]探讨了光束振荡对2219铝合金激光焊缝电化学腐蚀行为的影响，发现振荡焊缝具有更细的晶粒、较低的Cu偏析以及减少的残余应力，这些效果归因于强化熔体流动所诱导的溶质陷阱效应。Dakka等人[30]利用三维计算流体动力学模型研究了铝激光焊接过程中圆光束振荡的物理机制，发现低频振荡会扩大关键孔并增强压力平衡，而高频振荡则会激活次谐模式导致关键孔不稳定。基于此，他们提出了一种参数选择策略来抑制孔隙率。Zhao等人[31]进一步研究了不同合金对接接头的激光焊接，指出热输入是控制熔池温度差和显微硬度的主要因素。然而，这些工艺优化策略并未完全消除高强度2xxx系列铝合金中的凝固裂纹和焊缝软化现象。
除了工艺优化外，还通过微合金化来优化成分以减轻这些缺陷。Zhu等人[32]将钛箔引入2219 Al-Cu合金的丝材电弧增材制造过程中，钛箔熔入熔池并与铝反应形成Al3Ti颗粒，这些颗粒作为异质形核位点显著细化了晶粒，使晶粒尺寸减小了62.4%，同时提高了拉伸强度而不牺牲延展性。Kairy等人[33]研究了Sc和Zr添加对2xxx系列Al-Cu合金微观结构、耐腐蚀性和硬度的影响，发现这些元素细化了微观结构，降低了腐蚀电流密度，减少了点蚀和晶间腐蚀，并提高了硬度。Zhou等人[34]设计了一种Sc/Zr/Ti/Er改性的2219铝合金，并通过丝材电弧定向能量沉积法制备了壁状构件，沉积样品显示出平均尺寸为34.8 ± 14.1 μm的细小等轴晶粒，经过热处理后其机械性能优于锻造微合金化铝合金。这些研究表明微合金化可以有效细化晶粒并提升机械性能。然而，大多数研究集中在增材制造或电弧基工艺上，而微合金化与光束振荡在激光焊接高强度2xxx系列铝合金中的协同效应尚不明确。
为了填补这一空白，本研究提出了一种基于钛箔改性的2xxx系列铝合金振荡激光焊接策略，旨在引入原位形成的Al3Ti颗粒作为异质形核位点，并结合光束振荡来调控激光焊接过程中的晶粒结构和缺陷形成。在此基础上，结合2219铝合金的材料特性和钛箔微合金化概念，系统研究了激光焊接参数优化、微观结构演变、机械性能响应以及缺陷控制机制，旨在建立适用于高强度铝合金激光焊接的钛箔微合金化工艺体系，为其在高端工程领域的应用提供理论基础和技术参考。
章节摘录
材料与方法
本研究使用的基材（BM）为2219-T87铝合金，尺寸为150 × 150 × 6 mm3。在基材中心放置了一层厚度为0.03 mm的纯度为99.99%的钛箔（Ti foil）。实验材料的化学成分见表1。图1a展示了振荡激光焊接系统的示意图。实验采用IPG 20000YSL激光器进行，该激光器的最大功率为20 kW，波长为900-1100 nm。
焊接形成
图2a-2e展示了样品#1-#5的焊接表面形态，图2f-2j展示了相应的X射线无损检测（X-ray NDT）结果。这些样品之间唯一的区别在于激光振荡频率，分别为0 Hz、100 Hz、200 Hz和400 Hz。当振荡频率为0 Hz（即无光束振荡）时，焊接表面出现明显的鱼鳞状起伏和飞溅痕迹。X射线无损检测结果显示焊缝存在明显的凝固裂纹和大量...
拉伸断裂行为
图12对比了LW（常规激光焊接）和OLW-Ti（振荡激光焊接）焊缝的拉伸断裂机制，通过三个阶段揭示了两种工艺的显著差异：裂纹起始、裂纹扩展和放大后的断裂截面。图12a和12b显示，在裂纹起始阶段，LW焊缝的晶粒粗大，晶界处存在连续的Al2Cu脆性相；拉伸应力容易集中在该相上...
结论
OLW-Ti工艺有效抑制了凝固裂纹，降低了焊缝孔隙率，并减轻了焊缝软化现象。在优化参数下（振荡频率300 Hz、振幅0.4 mm、焊接速度40 mm/s），焊缝具有更好的抗热裂纹能力和更优的焊接质量。
OLW-Ti焊缝区域实现了显著的晶粒细化，粗大的柱状晶粒转变为均匀的超细等轴晶粒，平均晶粒尺寸减小了...
作者贡献声明
Hui Chen：负责监督。 Mengjiao Deng：撰写初稿、开展研究、进行形式分析。 Yunfei Meng：方法论设计、数据整理。 Beibei Li：方法论研究。 Siyi Tang：数据可视化处理。 Yan Liu：数据可视化处理。 Zongtao Zhu：资源协调、项目管理。 Zhongping Hou：开展研究、进行形式分析。 Xiaohan Guo：数据整理。 JiaXing Li：数据可视化处理。
利益声明
作者声明没有已知的潜在利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
作者声明没有已知的潜在利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
资助
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52575454）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的潜在利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
Mengjiao Deng|Yunfei Meng|Zhongping Hou|Xiaohan Guo|Jiaxing Li|Beibei Li|Siyi Tang|Yan Liu|Zongtao Zhu|Hui Chen
