7系高強鋁合金由于密度小、高比強度、良好的耐腐蝕性和焊接性等優良性能，已成為實現輕量化的理想材料之一?；?系鋁合金存在的焊接難點，激光焊接技術的應用使得焊接接頭性能有所改善，但是其焊縫中依然存在氣孔缺陷。采用擺動激光焊接，既能充分利用激光焊接的優點，又能減少常規激光焊接中存在的缺點。鑒于高強鋁合金焊接接頭內部組織結構的變化以及腐蝕環境的影響，結構件極有可能發生晶間腐蝕或應力腐蝕，所以研究高強鋁合金焊接接頭處的腐蝕行為具有重要意義。目前，大部分學者主要研究擺動模式對接頭力學性能的影響，而本研究不僅探討了不同擺動模式對7005鋁合金激光焊焊接件力學性能的影響，還研究了擺動模式對腐蝕性能的影響。同時歸納總結了擺動模式對接頭性能的影響機制，對高強鋁合金焊接具有重要指導意義和理論價值。

采用擺動激光焊焊接7系高強鋁合金，闡明了擺動模式對焊縫力學性能和腐蝕行為的影響作用，揭示了擺動模式對接頭性能的影響機制。

采用擺動激光焊焊接7005-T6鋁合金，獲得不同模式下成型良好的焊縫。圖1所示為焊接示意圖及擺動路徑。圖2所示為焊縫宏觀成型。從圖2中可以看出，無擺動時由于激光作用范圍窄，能量集中，同時存在裝配間隙，導致鋁合金實際連接面積極大減小。更換為擺動激光時，不僅擴大激光作用區域，還降低了裝配難度。其中無窮模式下焊縫正反面魚鱗紋呈現均勻，焊縫與母材之間過渡平滑，說明在該模式下能量可均勻分布，從而有利于焊縫成型。

圖1 擺動激光焊接示意圖及焊接路徑：(a) 擺動激光焊示意圖；(b) 無擺動模式路徑；(c) 三角模式路徑；(d) “∞”模式路徑

圖2 不同擺動模式焊縫正反面及橫截面形貌：(a) (b) (c) 為無擺動模式的前、后、橫截面；(d) (e) (f) 為三角擺動模式的前、后、橫截面；(g) (h) (i) 為“∞”擺動模式的前、后、橫截面

圖3所示為靠近熔合區焊縫的光學顯微形貌及焊縫縱剖面的氣孔形貌。三種模式接頭組織構成一致，焊縫區為等軸枝晶，熔合線附近的焊縫區為柱狀晶組織，無擺動接頭柱狀晶和等軸晶比較粗大。相比而言，激光擺動時焊縫晶粒細化，且柱狀晶區域寬度減少，如圖3(a)~(c)所示。激光擺動焊接時較大的成分過冷以及激光束對熔池的攪拌和對流效應抑制了柱狀晶的連續生長，使熔池內初生的柱狀晶斷裂，斷裂的柱狀晶不僅可以提供更多的形核位點，而且減小了柱狀晶區域寬度。得益于激光束對熔池的攪拌，三角模式和無窮模式焊縫縱剖面的氣孔缺陷少于無擺動模式，同時無窮模式氣孔的尺寸小于三角模式，如圖3(d)~(l)所示。

圖3不同擺動模式下焊縫光學顯微形貌及焊縫縱截面氣孔形貌：(a) 無擺動模式焊縫的光學顯微形貌；(b) 三角模式焊縫的光學顯微形貌；(c) “∞”模式焊縫的光學顯微形貌；(d) (e) (f) 無擺動模式焊縫的氣孔形貌；(g) (h) (i) 三角模式焊縫的氣孔形貌；(j) (k) (l) “∞”模式焊縫的氣孔形貌

圖4所示為不同擺動模式下焊縫處的EBSD測試結果。從圖4(a)~(c)中可以看出，擺動的引入明顯改變焊縫處晶粒形態，無窮模式晶粒更趨于細小等軸晶狀態。從圖4(d)~(f)中可以看出，無窮模式的平均晶粒尺寸最小，為31.4426 μm，表明光束擺動可以細化焊縫處晶粒，無窮模式效果好于三角模式。增加擺動不僅可以降低熔池峰值溫度，減少熱輸入，而且還能增加熔體流動性，促使枝晶尖端破碎，從而為等軸晶形核提供更多形核位點，達到細化晶粒的目的，從而提高力學性能。擺動模式不僅可以細化焊縫處晶粒，還可以降低焊縫處位錯密度，如圖4(g)~(i)所示。其中無窮模式最低，這是因為無窮模式下，雙向循環擺動促使熱量分配均勻、熔池攪動效果更明顯、熔池峰值溫度低于無擺動模式，這三個特點，均使得無窮模式位錯密度最低。從圖4(j)~(l)中可以看出，增加擺動可以降低織構指數，其中無窮模式的織構指數低于三角模式的織構指數，使得晶粒更趨于等軸晶，能夠提高焊縫的塑性變形能力。

圖4 不同擺動模式下焊縫的反極圖、晶粒尺寸統計圖、KAM圖和極圖：(a) (d) (g) (j) 無擺動；(b) (e) (h) (k) 三角；(c) (f) (i) (l) “∞”

圖5所示為不同擺動模式下焊接接頭的硬度分布。從曲線整體來看，三種模式下焊接接頭的硬度分布均以焊縫為中心呈對稱分布，焊縫處硬度值最低(約120HV)，其次為熱影響區(約150HV)，母材處硬度最高(約180HV)。結果表明，無擺動模式焊縫硬度值最低，無窮模式最高。這個結果說明增加擺動有利于細化焊縫晶粒，達到細晶強化，從而提高焊接接頭力學性能的目的。

圖6所示為不同擺動模式焊接接頭的抗拉強度及伸長率。觀察試樣斷裂位置，發現斷裂位置均在焊縫靠近熔合區附近，原因可能如下：第一，焊縫區的硬度低于熱影響區和母材，使之成為最容易斷裂的位置；第二，熔合區附近的組織為指向焊縫中心的粗大柱狀晶，焊縫區為等軸樹枝晶，其組織不均以及柱狀晶組織均不利于塑性變形，導致斷裂發生。從圖6中可以看出，無擺動模式、三角模式及無窮模式焊接接頭的抗拉強度分別為 334.9 MPa、 350.8 MPa、 370.8 MPa， 伸 長 率 分 別 為 1.2%、1.3%、2%。無窮模式接頭具有較高抗拉強度的原因可能如下：1) 晶粒細化產生更多晶界，可阻止裂紋擴展，提高力學性能；2) 該模式下接頭的有效連接面積優于其他兩種模式，如圖2所示；3) 無窮模式下焊縫氣孔較其他兩種模式小。氣孔的存在會顯著降低力學性能。結合焊接接頭宏觀形貌結果，無窮模式接頭過渡平滑可以有效避免因尖銳或凹陷處的應力集中而產生的裂紋源。這也可能是無窮模式接頭抗拉強度高于其他兩者的原因。

圖5  不同擺動模式下焊接接頭硬度分布

圖6 不同擺動模式下焊接接頭抗拉強度及伸長率

圖7所示為室溫下不同擺動模式下焊縫區域在3.5% NaCl溶液中的Tafel圖和Nyquist圖。從圖7(a)中可以看出，無擺動模式下的腐蝕電壓最低，腐蝕傾向最大，擺動的引入可以減小腐蝕傾向，提高焊縫的耐蝕性。由于表面缺陷會對腐蝕過程有影響，所以腐蝕電流密度和腐蝕電壓結果略有差異。圖7(b)表明改變擺動模式可以增加電荷轉移電阻，從而提高焊縫的耐蝕性，其中無窮模式的電荷轉移電阻最大，耐蝕性較好。組織均勻性和化學成分均勻性程度會影響焊縫區域的腐蝕行為。擺動模式下焊縫的耐蝕性高于無擺動模式是因為激光束振蕩更有效地控制了焊縫中合金元素的分布，減輕了宏觀偏析。

圖7 不同擺動模式下焊縫處的Tafel圖和Nyquist圖：(a) Tafel圖；(b) Nyquist圖

圖8所示為焊縫各時間段失重情況，擺動的引入可以顯著降低失重，提高焊縫的耐蝕性，其中無窮模式下焊縫失重最少。截至24 h之前，無擺動模式下的焊縫腐蝕速率明顯高于三角擺動模式和無窮擺動模式。造成這個結果的原因可能是擺動的引入可以增加熔池存在的時間，增加強化元素的燒損，從而導致晶界析出相的尺寸和數量的減少。晶界析出相的不連續性可以減緩晶界腐蝕通道的形成，從而降低腐蝕速率。

圖8 不同擺動模式下焊縫各時間段失重曲線

圖9所示為焊縫析出相TEM圖。從圖9(a)中可以觀察到晶界上有連續析出相分布，可以歸因于凝固過程的偏析。強化元素Zn、Mg、Cu的高度富集使得晶界形成 S 相，同時發現少量 MgSi相，如圖9(a)中紅色虛線區域。經過晶面間距測量及衍射斑點標定，可以確定物相為Mg2Si相，如圖9(b)和(c)所示。元素偏析不僅導致晶界處S相的形成，與快速冷卻的結合也限制了晶內強化相的再析出，如圖9(d)所示的無窮模式試樣中黃色虛線區域。因此，焊縫中存在晶界及周圍的粗大硬脆相區和強化相較少的軟晶粒內部。晶界附近的硬相與軟晶粒內部塑性不相容，晶間硬相容易通過微孔洞成核和最后的連接而產生裂紋，最終導致試樣斷裂。對比無擺動模式和無窮模式晶界析出相的分布情況可知，無窮模式下硬相區域較少，故其微孔洞形核區域較少，結合激光束擺動可以降低其氣孔缺陷，且細化晶粒，所以無窮模式下的焊縫力學性能高于無擺動模式。晶內強化相再析出受到限制時，會使三角模式下焊縫內遍布晶內和晶界的位錯更容易開動，從而減弱位錯的強化效果，使得位錯密度和硬度結果有所差異。

探究擺動的引入對力學性能影響的同時，不能忽略對腐蝕行為的研究。從電化學腐蝕和剝落腐蝕的結果可以看出，無窮模式接頭的耐蝕性最好。造成這個結果的原因可能是無窮模式下，熔池存在時間增加，元素燒損增加可減少析出相的形成；熔池攪拌更加劇烈，使得析出相沿晶界更加彌散分布，如圖9(d)所示。焊縫的晶間腐蝕是由于在晶界或晶界附近析出了一些第二相顆粒。這些晶界析出物作為鋁基體的陽極或陰極，導致晶界或沿晶的無析出帶發生嚴重的腐蝕。晶界處 Mg2Si相電位(−1.01 V)略低于 S 相(−1.00 V)，容易最先發生溶解，其次S相電位低于鋁基體(−0.85 V)，可作為陽極進行溶解，并且Al2CuMg相的腐蝕速率遠高于純鋁。這主要是由于S相中的Mg元素容易溶解，而腐蝕后沉積的Cu元素可以使顆粒的電極電位升高，從而加速Mg的溶解。Mg溶解后電位正移，變為陰極，Al基體作為陽極溶解。粗大S相是點蝕的優先位點，連續的 S 相更容易形成腐蝕通道，加快腐蝕進行，不利于耐蝕性的提高。結合力學性能和腐蝕行為的結果，引入擺動有利于提高焊縫的力學性能和耐蝕性，從而達到輕量化的目的。

圖9 焊縫析出相TEM圖：(a) 無擺動模式焊縫析出相的TEM-HAADF圖和TEM-EDS圖；(b) Mg2Si相HRTEM分析；(c) Mg₂Si對應的選擇性電子衍射；(d) “∞”模式的晶界析出相形貌

（1）擺動的引入可以改善焊縫成型，增加焊縫有效連接面積，減少氣孔缺陷，同時降低柱狀晶區域寬度，減少組織不均勻性。

（2） 光束擺動增加熔池攪拌，不僅能減少柱狀晶尺寸，而且還能細化焊縫晶粒，提高接頭的硬度和抗拉強度，其中無窮模式性能較好。

（3） 擺動模式下熔池存在時間增加，結合強化元素燒損現象，無窮模式下焊縫晶界析出相尺寸減小且更加彌散分布，減緩腐蝕通道的形成，有利于減小腐蝕傾向和降低剝落腐蝕失重，能夠提高焊縫的耐蝕性。

極端環境材料團隊簡介: 團隊負責人，崔洪芝，教授、博士、博導，中國海洋大學材料學院院長。本科、碩士、博士分別畢業于山東大學、中國石油大學，曾在美國Northwestern University做高級研究學者。目前擔任海洋材料與防護技術教育部工程研究中心主任、海洋裝備特種材料山東省工程研究中心負責人；兼任中國兵器特聘首席科學家、山東省硅酸鹽學會理事長、山東省材料學會副理事長等。主要研究方向為極端環境耐蝕耐磨耐熱材料設計，高能束表面強化、焊接、增材制造等研究。先后承擔完成國家基金重點、國家863計劃、國際合作重點、山東省重大創新工程項目，以及其余縱、橫向項目50余項。以第一和通訊作者在Acta Materialia、Corrosion Science、J. Mater. Sci. Technol.、Nano Energy等發表SCI論文300余篇，他引10000余次，授權發明專利100余件，軟件著作權5項，出版專著3部。作為第一完成人，2019年獲得國家技術發明二等獎，2008年獲得國家科技進步二等獎，2022年獲得青島市科學技術最高獎，其余省部級獎勵10項，技術成果廣泛應用于海工、能源、交通、工程機械、軍工等領域。入選“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，享受國務院政府特殊津貼專家，山東省泰山學者攀登計劃專家等，榮獲全國杰出專業技術人才、全國三八紅旗手等稱號。2023年、2021年入選中國工程院院士有效候選人。

解雪云，碩士研究生，在崔洪芝教授的指導下進行研究，研究方向為鋁合金焊接。