电子束焊接Al 6082-T6板材时通过直流磁控溅射Nb填充层改善接头强度

《Sci》：Improved Joint Strength During Electron Beam Welding of Al 6082-T6 Plates by Means of a DC Magnetron Sputtered Nb Filler

　　

研究人员在电子束焊接Al6082-T6板材过程中，考察了将Nb以直流（DC）磁控溅射填充层形式引入焊缝体积内的可行性。实验在热源功率恒定条件下改变电子束振荡几何形状：圆形振荡半径rosc=0.2 mm，以及椭圆形振荡长l=2 mm、宽d=0.2 mm。研究人员对样品结构与部分力学性能进行表征，并建立数学模型，模型结果与实验值可比。采用圆形振荡时，Al与Nb混溶性差、Nb填充层熔化不良、缺陷浓度高，未检出金属间化合物（IMCs）。采用椭圆形束流振荡时，Al与Nb实现优良混溶，Al3Nb金属间化合物沿焊缝整体均匀铺展，使接头致密度提升，凝固孔等缺陷减少，焊缝内第二相粒子尺寸由33.11–61.41 μm降至3.63–7.75 μm；熔合区平均硬度由72.6±3.3 HV增至83.4±3.5 HV，平均抗拉强度由225±8 MPa增至275±8 MPa。

研究背景与立项依据：铝合金Al6082-T6因轻质、耐蚀、高强被广泛用于航空与结构件，但电子束焊接（EBW）热密度极高，冷却速度大，焊缝易产生凝固收缩孔、热裂与高内应力，导致接头力学性能下降。传统填充层多用Al-Si、Al-Cu、Cu等，进一步增效受限。Nb与Al可形成Nb_xAl_y系金属间化合物（IMCs），其中Al₃Nb硬度高、热力学稳定，若能受控融入可强化焊缝；但Nb熔点约2477 °C远高于Al，混熔困难。该研究旨在通过DC磁控溅射在对接面预置超薄Nb层（约2.5 μm），并调控EBW束流振荡轨迹，实现Nb向Al基体的受控集成与Al₃Nb均匀析出，从而抑制缺陷、提升接头强度。论文发表于《Sci》。

主要关键技术方法：研究人员选取100×50×8 mm的Al6082-T6板材，对接面铣平后，采用DC磁控溅射（工作压强8×10^?2 Pa、放电电压410 V、电流1 A、时长150 min）在EB2、EB3试样截面沉积约2.5±0.2 μm Nb层；EB1为无Nb对照。焊接使用Evobeam cube 400电子束焊机，真空度2×10^?2 Pa，加速电压60 kV、束流45 mA（功率2700 W）、频率200 Hz、焊速10 mm/s；EB1/EB2用圆形振荡（r=0.2 mm），EB3用椭圆形振荡（长2 mm、宽0.2 mm）。表征方面，X射线衍射（XRD）判相与织构，扫描电镜（SEM）与能谱（EDX）分析形貌与成分，ImageJ定量孔隙与第二相尺寸，维氏显微硬度（HV0.05）沿左板-热影响区(HAZ)-熔合区(FZ)-HAZ-右板分区测试，拉伸试验按ISO 6892-1测屈服(Rp_0.2)与极限抗拉强度(R_m)；同步采用基于格林函数的解析传热模型模拟温度场，表面源占10%、体积源占90%能量分配，对比圆/椭圆振荡热历史。

研究结果

3.1.1 X射线衍射（XRD）：EB1与EB2均仅见面心立方（fcc）Al相，EB2未检出Nb或IMC峰，说明圆振荡下Nb未有效合金化；EB3检出α-Al与Al₃Nb相，极密度计算显示织构由{100}转向{111}，{111}半高宽（FWHM）减小，表明熔池寿命延长使缺陷湮灭、晶粒取向致密化。

3.1.2 扫描电镜（SEM）：EB1见平均87.8±17.5 μm孔洞；EB2圆振荡+Nb时孔洞增至125.0±21.3 μm且残留大块未溶Nb团聚（33.11–61.41 μm）；EB3椭圆振荡下呈典型keyhole形貌，第二相细化至3.63–7.75 μm且全截面均匀分布。

3.1.3 能谱（EDX）：EB2团聚区为纯Nb；EB3白色析出经点扫确认为Al₃Nb，伴有少量未溶Nb，但尺寸浓度远低于EB2。

3.1.4 第二相尺寸：圆振荡Nb颗粒33.11–61.41 μm，椭圆振荡Al₃Nb/Nb混合相3.63–7.75 μm。

3.1.5 凝固孔：EB1孔径3.75–8.55 μm，EB2为1.31–3.67 μm，EB3为1.08–4.31 μm；Nb层使孔尺寸收窄，椭圆振荡下分布更稀疏。

3.1.6 硬度：母材约93 HV0.05；EB1-FZ 72.6±3.3 HV，EB2-FZ略升，EB3-FZ达83.4±3.5 HV且横向波动仅11.8 HV（EB1为21 HV），均匀性改善。

3.1.7 拉伸：EB1 R_m=225±8 MPa（YS 134±4 MPa）；EB2因Nb未溶、缺陷多，R_m反降至203±7 MPa；EB3 R_m=275±8 MPa（YS 165±9 MPa），达原始板材353 MPa的78%，UTS/YS=1.67接近母材1.62。

3.2 解析模型：圆振荡温度场集中、熔深非线性段约3 mm与实测顶部烧穿坑吻合；椭圆振荡束斑拉长使表层预热带增宽、熔池寿命延长、纵向穿透减至约5.5 mm但未烧穿，解释了Nb受控熔化与Al₃Nb析出机制。

讨论浓缩：高聚焦EBW致Al冷速过大，圆振荡虽增热输入但熔池驻留短，Nb难熔故团聚；椭圆振荡以纵向2 mm扫描换取横向预热，削弱Gibbs–Marangoni湍流，使Al₃Nb（体系自由能最低相）均匀形核。IMC硬而脆，但本研究中其细化弥散取代了粗缩孔，净效应为强韧性可接受、硬度与静拉强度双升。遗留问题：8 mm板厚未焊透、EB3仍有微量未溶Nb，需微调功率/驻留时间。

结论翻译：研究人员考察了不同工艺参数下EBW焊接含Nb填充层Al6082-T6板材的可能性，建立数值模型并与实验比对。圆振荡（r_osc=0.2 mm、2700 W）致材料过熔自底部逸出，熔池寿命短使Nb仅部分熔化、IMC难成；椭圆振荡（l=2 mm、d=0.2 mm）预热焊缝、延长熔池寿命，Al/Nb优良混溶且Al₃Nb金属间化合物均匀分散，焊缝致密度提升，硬度83.4±3.5 HV、抗拉275±8 MPa；所建热模型精度良好，可预判EB1/EB2表面过熔空腔。研究证实通过束流轨迹调控可将Nb以Al₃Nb形式受控掺入铝焊缝，但全熔深与残余Nb消除仍需参数优化。