原位Zr微合金化结合光束振荡实现铝合金激光-电弧复合焊接的缺陷抑制与塑性提升

《Results in Engineering》：In-situ Zr micro-alloying coupled with beam oscillation enables defect suppression and ductility enhancement in laser-arc hybrid welding of aluminum alloy

　　

中等厚度铝合金在轻量化结构中的应用日益广泛，但其焊接面临气孔敏感性和粗大凝固组织等关键挑战。本研究采用双面激光-电弧复合焊接（laser-arc hybrid welding, LAHW）对15 mm厚6082-T6铝合金进行焊接，通过预置箔材实现了光束振荡与原位Zr微合金化的集成。结果表明，0.01 mm Zr箔结合圆形振荡可将焊缝气孔率从2.41%降至0.22%，晶粒尺寸从78.13 μm细化至14.42 μm，并获得最优的强塑性协同（抗拉强度（ultimate tensile strength, UTS）为234 MPa，延伸率为9.86%）。过量添加Zr（≥0.03 mm）可进一步将晶粒细化至2.99 μm，但导致Al₃Zr沿晶界偏聚，并使焊缝塑性恶化。微合金化通过改变表面张力梯度稳定了激光匙孔，而过量Zr则增大熔体黏度并削弱熔体流动。该工作阐明了冶金改性与激光搅拌的协同机制，为中等厚度铝合金构件的高质量高效率焊接提供了可行途径。

铝合金是高端装备的重要轻质结构材料，广泛应用于高速列车车体、船舶舱壁和航天器框架等关键承力部件。随着装备大型化与重载化，中等厚度铝合金结构件占比不断增加，其焊接质量直接决定整机服役安全。然而，常规电弧焊焊接中厚铝合金板材通常需要开坡口并进行多层多道焊，工序繁琐、效率低，且热输入大，易导致高气孔率和接头软化等问题。激光-电弧复合焊（LAHW）利用激光与电弧热源的协同效应，兼具高能量密度和良好桥接能力，可在无需或仅需小坡口条件下实现中厚板单道全熔透，并可通过双面焊进一步提高厚板接头质量。然而，单纯依靠光束振荡的物理搅拌作用对焊缝凝固组织的改善效果有限，粗晶和接头软化等问题难以根本解决。微合金化如添加Zr可在熔池中形成细小弥散强化相并细化晶粒，但现有研究多集中于薄板，缺乏对中厚板协同调控的定量分析，尤其是Zr溶质再分配、Al₃Zr析出演变及其对振荡复合热源下气孔形成机制的影响尚未系统阐明。为此，本研究以15 mm厚6082-T6铝合金为对象，充分利用双面激光-电弧复合振荡焊无需开坡口的工程优势，通过夹层法预置厚度为0.01 mm至0.10 mm的纯Zr箔，并结合高功率高频激光振荡，系统研究了Zr微合金化对焊缝成形、微观组织、力学性能和工艺稳定性的影响，旨在