综述：关于焊接铝合金凝固裂纹的综述：机制、影响因素及填充金属的抗裂性 高增超、 于伟、 刘坤

《Coatings》：A Review on Solidification Cracking of Welding Aluminum Alloys: Mechanism, Influencing Factors and Crack Resistance of Filler Metal Zengchao Gao, Wei Yu and Kun Liu

　　摘要 铝合金的无裂纹焊接在制造轻质部件方面具有重要意义，因为铝合金在焊接过程中容易发生凝固裂纹。本文综述了目前对铝合金焊接过程中凝固裂纹研究的理解及进展。凝固裂纹通常形成于凝固过程的末端，即熔池后面的糊状区——该区域材料部分为固态，部分为液态。这一区域复杂的高温冶金行为在裂纹形成中起着关键作用。填充材料抗裂纹性能的研究取得了显著进展，为减少裂纹提供了宝贵的见解。本文涵盖了凝固裂纹的机制、影响因素以及填充材料的抗裂纹性能，并指出了未来研究方向，以加深对冶金机制的理解，并支持控制铝合金焊接过程中凝固裂纹的实际工程解决方案。

1. 引言
随着轻量化策略的实施和轻质材料的快速发展，迫切需要解决轻合金加工和制造中存在的问题[1,2,3,4]。作为一种轻质且高性能的结构材料，铝合金具有密度低、比强度高、比刚度大、耐腐蚀性好以及加工性能优异等优点，在能源、建筑、轨道交通和航空航天等领域具有广泛的应用前景[5,6,7,8,9]。铝合金的广泛应用大大减轻了汽车、高铁和地铁的重量，从而显著降低了能耗和排放[10,11,12,13]。随着高端设备制造领域的快速发展，人们对铝合金部件的高效高质量焊接技术更加关注[14,15,16,17,18]。然而，铝合金的高温冶金行为使其在焊接过程中极易发生凝固裂纹[19,20,21,22,23]。凝固裂纹的研究涉及许多因素，如机制、敏感性测试方法、冶金学和力学等。如图1所示，凝固裂纹是一种复杂的高温现象。如图1所示，铝合金中的凝固裂纹形成是一个多因素耦合过程，主要受四个核心因素的综合影响。首先是材料成分，包括合金元素的类型、凝固温度范围和裂纹敏感性指数；其次是凝固过程中的液相行为，涉及液相的生成量、分布状态以及临界液相供给；第三是微观结构特征，主要由晶界形态、晶粒尺寸和共晶相的分布决定；最后是外部焊接条件，包括焊接热输入、焊接速度和接头处的约束程度。这四个主要因素及其子变量相互作用，共同决定了铝合金在焊接过程中的裂纹敏感性。尽管铝合金的成分和制备工艺不断优化，焊接质量也得到了显著提高，但凝固裂纹仍然是铝合金焊接过程中最有害的缺陷之一[24,25,26]。凝固裂纹问题严重影响了结构的可靠性和安全性，直接限制了高强度铝合金焊接结构的制造和应用。

2. 凝固裂纹的机制与判据
铝合金具有较高的裂纹敏感性，在焊接过程中容易产生凝固裂纹。图2展示了凝固裂纹的宏观形态。凝固裂纹主要位于熔合区，其断裂表面呈现出典型的树枝晶形态，如图3所示。凝固裂纹发生在熔池后面的糊状区（固液两相区）。由于高温下影响凝固行为的因素众多（涉及冶金学、力学等），凝固裂纹的机制非常复杂。焊接过程中的凝固裂纹发生在高温下，涉及熔池凝固和树枝晶生长等复杂的冶金现象。合金在焊接过程中的凝固裂纹是由收缩阻碍引起的[22]。凝固中的焊缝金属由于凝固收缩和热收缩而收缩。随着焊池向前移动，凝固中的金属和工件都会冷却并收缩。由于固相的密度高于液相，会导致焊缝金属在凝固过程中收缩。铝合金的高热膨胀系数使得凝固收缩率可达6.6%[32]。根据热力学的基本定律，在没有外部强制约束应力的情况下，金属在熔化过程中的体积膨胀理论上等于其在凝固过程中的体积收缩。高热膨胀系数（CTE）会导致铝合金基材和熔池内部发生剧烈的体积膨胀，随后是同样剧烈的体积收缩。因此，高膨胀系数意味着更高的凝固收缩率，从而导致收缩应力的增加。6.6%的凝固收缩率是一个临界阈值；超过这个值后，液态金属无法及时补充相应的区域，最终导致严重的凝固裂纹[33,34,35,36,37]。在焊接过程中，由于工件被夹紧或与刚性体连接，凝固收缩受到阻碍，这会在糊状区产生拉应力。随着对凝固裂纹临界条件研究的深入，应变率被认为是影响凝固裂纹的重要因素。一旦应变率超过临界应变率，就会发生凝固裂纹。Clyne等人认为液相供给是另一个重要因素[38]。糊状区通常由柱状或等轴树枝晶组成。凝固后的树枝晶被连续的液膜分隔，在完全凝固之前无法牢固结合，因此糊状区的强度非常低。在凝固的最后阶段，液态成分不足以保证晶粒的移动或重排以适应拉应力，难以填充晶界之间的微小间隙，因此裂纹会在凝固结束时沿晶界产生。Rappaz、Drezet和Gremaud（RDG）模型[39]认为裂纹是由于凝固收缩和热收缩导致糊状区局部压力下降引起的。Eskin和Katgerman[40]研究了凝固裂纹的起始和传播机制，他们认为树枝晶不均匀热收缩引起的拉应力会导致孔隙的形成，这些孔隙会被液相填充和修复。随着温度的降低，拉应力持续积累，导致晶间液膜破裂。同时，热收缩会导致糊状区局部压力下降，液压不足以填充长而窄的间隙，从而产生裂纹。

尽管近几十年来人们在理解铝合金凝固裂纹方面付出了大量努力，但尚未形成一个全面且被普遍接受的机制框架。虽然当前的模型和判据表明糊状区内发生的热机械-冶金过程显著加剧了裂纹的敏感性，但这些现象缺乏详细和系统的分析。因此，本研究的目的是弥合基础理论模型与先进评估方法和实际材料之间的差距。本文对各种凝固裂纹判据的理论边界和预测准确性进行了关键比较分析，并提出了一个新的视角，特别研究了凝固末期糊状区内局部应力-应变分布和液相供给行为的影响。最终，这项研究旨在超越当前的理论限制，为精确建模和开发适用于表面涂层应用的先进抗裂纹铝合金提供战略路线图。

3. 结论
铝合金具有较高的裂纹敏感性，在焊接过程中容易产生凝固裂纹。图2展示了凝固裂纹的宏观形态。凝固裂纹主要位于熔合区，其断裂表面呈现出典型的树枝晶形态，如图3所示。凝固裂纹发生在熔池后面的糊状区（固液两相区）。由于影响高温下凝固行为的因素众多（涉及冶金学、力学等），凝固裂纹的机制非常复杂。焊接过程中的凝固裂纹发生在高温下，涉及熔池凝固和树枝晶生长等复杂的冶金现象。合金在焊接过程中的凝固裂纹是由收缩阻碍引起的[22]。凝固中的焊缝金属由于凝固收缩和热收缩而收缩。随着焊池的前移，凝固中的金属和工件都会冷却并收缩。由于固相的密度高于液相，会导致焊缝金属在凝固过程中收缩。铝合金的高热膨胀系数使得凝固收缩率高达6.6%[32]。根据热力学的基本定律，在没有外部强制约束应力的情况下，金属在熔化过程中的体积膨胀理论上等于其在凝固过程中的体积收缩。高热膨胀系数（CTE）会导致铝合金基材和熔池内部发生剧烈的体积膨胀，随后是同样剧烈的体积收缩。因此，高膨胀系数意味着更高的凝固收缩率，从而导致更大的收缩应力。6.6%的凝固收缩率是一个临界阈值；超过这个值后，液态金属无法及时补充相应的区域，最终导致严重的凝固裂纹[33,34,35,36,37]。在焊接过程中，由于工件被夹紧或与刚性体连接，凝固收缩受到阻碍，这会在糊状区产生拉应力。随着对凝固裂纹临界条件研究的深入，应变率被认为是影响凝固裂纹的重要因素。一旦应变率超过临界应变率，就会发生凝固裂纹。Clyne等人认为液相供给是另一个重要因素[38]。糊状区通常由柱状或等轴树枝晶组成。凝固后的树枝晶被连续的液膜分隔，在完全凝固之前无法牢固结合，因此糊状区的强度非常低。在凝固的最后阶段，液态成分不足以保证晶粒的移动或重排以适应拉应力，难以填充晶界之间的微小间隙，因此裂纹会在凝固结束时沿晶界产生。Rappaz、Drezet和Gremaud（RDG）模型[39]认为裂纹是由于凝固收缩和热收缩导致糊状区局部压力下降引起的。Eskin和Katgerman[40]研究了凝固裂纹的起始和传播机制，他们认为树枝晶不均匀热收缩引起的拉应力会导致孔隙的形成，这些孔隙会被液相填充和修复。随着温度的降低，拉应力持续积累，导致晶间液膜破裂。同时，热收缩会导致糊状区局部压力下降，液压不足以填充长而窄的间隙，从而产生裂纹。

尽管近年来在理解铝合金凝固裂纹方面付出了大量努力，但尚未形成一个全面且被普遍接受的机制框架。虽然当前的模型和判据表明糊状区内发生的热机械-冶金过程显著加剧了裂纹的敏感性，但这些现象缺乏详细和系统的分析。因此，本研究的目的是弥合基础理论模型与先进评估方法和实际材料之间的差距。本文对各种凝固裂纹判据的理论边界和预测准确性进行了关键比较分析，并提出了一个新的视角，特别研究了凝固末期糊状区内局部应力-应变分布和液相供给行为的影响。最终，这项研究旨在超越当前的理论限制，为开发新型高强度铝合金和优化填充材料提供理论基础和技术支持。这对于促进轻质合金材料的高质量焊接应用也具有重要意义。值得注意的是，在激光熔覆、表面合金化和定向能量沉积（DED）等过程中，熔池会从局部熔化快速转变为高速凝固[27,28,29,30,31]。因此，铝合金焊接中常见的凝固裂纹问题仍然是表面涂层制造中的一个重大挑战。本研究为填充材料的优化提供了关键的理论框架和技术基础。本文讨论的理论见解为铝合金表面涂层的成分设计提供了基本依据。因此，阐明凝固裂纹的机制不仅对结构连接至关重要，也是实现高质量、无缺陷表面涂层的先决条件。

尽管近年来在理解铝合金凝固裂纹方面付出了大量努力，但尚未形成一个全面且被普遍接受的机制框架。虽然当前的模型和判据表明糊状区内发生的热机械-冶金过程显著加剧了裂纹的敏感性，但这些现象缺乏详细和系统的分析。因此，本研究的目的是弥合基础理论模型与先进评估方法和实际材料之间的差距。本文对各种凝固裂纹判据的理论边界和预测准确性进行了关键比较分析，并提出了一个新的视角，特别研究了凝固末期糊状区内局部应力-应变分布和液相供给行为的影响。最终，这项研究旨在超越当前的理论限制，为精确建模和开发适用于表面涂层应用的先进抗裂纹铝合金提供战略路线图。Kou使用凝固阶段末期的|dT/d(fS)1/2|max作为指标来预测合金的凝固裂纹敏感性。Kou准则考虑了局部收缩、晶粒生长和液态补充等因素。它在预测铝合金的凝固裂纹敏感性方面非常准确。然而，由于局部收缩和液态补充是两个无法量化的因素，因此很难预测凝固裂纹是否以及何时会发生。该模型没有考虑晶间液体的表面张力、第二相和固态相变对凝固裂纹的影响。我们必须解决一个关键问题：尽管精确量化凝固过程中的收缩应力和枝晶间液态补充极其困难，但为什么它们被普遍认为是凝固裂纹不可或缺的因素？从热力学的角度来看，凝固裂纹的形成本质上是一个涉及复杂冶金反应和微观结构演变的动态过程，这些过程难以实时检测。尽管如此，收缩应力在凝固的最后阶段对糊状区有深远的影响，是导致焊接接头失效的主要因素。同时，液态补充——即剩余液相渗透到枝晶间间隙以补充液膜——在决定裂纹敏感性方面同样关键。从根本上说，任何忽略这两个因素的模型都是有缺陷的，因为它违反了糊状区内质量守恒定律。这项研究的意义在于进一步阐明各种理论准则如何尝试将这些关键因素间接纳入其分析框架中。同时，它还研究了铝合金填充材料如何通过增强液态补充能力和降低收缩应变率来从根本上减少裂纹。展望未来，下一步的关键是应用多角度测试方法来验证和量化这两个重要参数。

最近，Hu等人[52]提出了一种基于枝晶形态的凝固裂纹模型，以准确预测合金的凝固裂纹敏感性。该模型考虑了机械和非机械因素，并且也关注了晶界行为。根据Feurer模型，Hu等人推导出了Kou准则中局部收缩和液态补充因素的具体表达式，并将合金成分、工艺参数和微观结构引入模型。通过Mg-Ce合金的凝固裂纹行为验证了该模型的有效性。此外，Hu还提出了基于等轴晶粒的凝固裂纹敏感性指数，即|dT/d(fs)1/3|在(fs)1/3 = 1附近，并验证了其准确性。虽然SKK准则率先提出了孔洞成核的概念——规定一旦孔洞超过某个临界尺寸就会发生裂纹——但它未能考虑其他影响因素[53,54,55]。同样，尽管RDG模型首次整合了应变率、液态补充和晶体力学——将凝固过程概念化为糊状区内的“流动和拉伸”现象——但它依赖于高度理想化的孔洞成核假设，这些假设在实际糊状区环境中很少实现[56]。在RDG模型的基础上，Kou准则进一步缩小了分析范围，以研究局部收缩应力和液态补充对裂纹敏感性的影响[57,58,59,60]。然而，它忽略了晶界液体的界面张力和第二相的影响。此外，其公式中某些经验常数的缺乏限制了其在实际工业生产中的适用性。最终，孤立的理论模型无法完全捕捉现实制造中复杂的热机械耦合；必须通过多种实验方法对其进行严格验证和探索。

到目前为止，世界各地的研究人员已经开发了多种测试方法来评估凝固裂纹敏感性[61,62,63,64,65]。其中，在焊接生产和研究中最广泛使用的方法是由Savage开发的Varestraint测试[66,67,68]。在焊接过程中，工件突然弯曲，工件表面的拉伸应变会在糊状区产生张力，从而导致凝固裂纹。总裂纹长度或最大裂纹长度被用作裂纹敏感性指标。在后续研究中，Senda等人[69,70]开发了Varestraint方法的横向模式，即工件在横向方向上弯曲。Arata等人[71,72]利用Varestraint方法确定了铝合金在凝固过程中的延展性曲线特性。Nakata和Matsuda[73]通过Varestraint方法研究了二面角和平均晶粒尺寸对铝合金凝固裂纹敏感性的影响。Varestraint方法在铝合金裂纹敏感性研究中取得了显著成果，但该方法仍存在一些局限性。Coniglio[74]指出，Varestraint测试中的拉伸应变是整体应变，而不是糊状区的局部拉伸应变。该方法中的应变率远高于实际焊接条件下的应变率。Coniglio和Cross[29]开发了一种受控拉伸焊接性（CTW）测试方法，在焊接处设置了一个伸长计，以测量引起凝固裂纹所需的最小横向变形率，并将其除以测量距离作为临界应变率。为了克服Varestraint测试方法的缺点（如熔化裂纹对凝固裂纹的干扰），Kou等人[75,76,77,78]开发了一种横向运动焊接性（TMW）测试方法。在TMW测试方法中，上板和下板采用搭接焊接。在TMW测试过程中，上板保持静止，下板以预定速度垂直于焊接方向横向移动，这仅在糊状区产生拉伸应变并导致凝固裂纹。引起裂纹所需的最小横向速度称为临界速度Vc。Vc的值越小，合金的凝固裂纹敏感性越高。目前，TMW方法已有效应用于研究铝合金[75,77,78]、不锈钢[79]、镁合金[76]等材料的凝固裂纹敏感性。TMW方法在新材料的研究与开发以及填充材料的匹配和抗裂性优化方面具有广阔的应用前景。

Coniglio[74]指出，Varestraint方法中的应变是应用于整个工件，而不是发生凝固裂纹的糊状区，且测试中的应变率远高于实际焊接条件和裂纹形成的临界应变率。Nakata[73]降低了应变率并开发了慢速弯曲Varestraint测试。然而，工件中的整体应变仍然无法反映导致凝固裂纹的糊状区局部应变。Matsuda等人开发了可变变形率（VDR）测试[47]，使用临界变形率作为裂纹敏感性指标，抗裂性更好的合金具有更高的临界变形率。Coniglio和Cross[48]开发了一种受控拉伸焊接性（CTW）测试方法。整体应变是指应用于整个焊接试样或结构部件的宏观变形，例如在Varestraint测试中施加的整体弯曲应变。整体应变的一个主要特点是可以通过常规外部设备轻松测量和控制；它直观地反映了工件的整体机械边界条件和结构约束。然而，整体应变无法代表实际的裂纹驱动力，因为整个焊接件中的变形分布非常不均匀。相比之下，局部应变表示严格集中在熔池糊状区内的微观变形，甚至是在特定的晶界处。糊状区的一个定义特征是其屈服强度远低于周围完全固化的金属和基材。因此，任何施加的整体宏观应变本质上都会在这个关键薄弱区域内局部化，并放大为严重的局部应变。从冶金学的角度来看，正是这种微观局部应变成为最终裂纹传播的主要催化剂。与整体应变不同，局部应变直接测量非常困难，并且对测量标距的选择非常敏感，通常需要先进的高分辨率仪器进行准确观察和分析[80,81,82]。为了测量焊接的变形（或位移），从而测量横向应变，在焊接下方连接了一个具有一定标距的伸长计。可以通过不同的速度重复测试，以确定引起凝固裂纹所需的最小速度，即临界变形率，并将其除以测量距离作为临界应变率。

最近，Soysal等人[83]开发了一种新的静态熔池变形（SWPD）测试方法来评估凝固裂纹敏感性。在SWPD测试中，两个工件通过气体钨极弧焊（GTAW）方法连接，其中一个工件移动以诱导裂纹。在糊状区施加负载以确保裂纹是凝固裂纹。然而，仍然难以通过SWPD测试评估填充材料的抗裂性。尽管糊状区内的平均横向应变率可以近似为V（下焊边相对于上焊边的速度）除以焊宽W，但裂纹附近的局部应变率可能远高于V/W。鉴于临界应变率从根本上由板材成分、焊接参数和微观结构特性决定，不同的铝合金填充材料在实际制造场景中表现出不同的临界应变率。因此，准确评估它们的裂纹敏感性需要特定情境的分析，这对于延长材料的使用寿命至关重要。Li等人应用TMW测试方法研究了不同焊接模式对7075合金焊缝与7055和7150填充丝焊接的影响[84]。结果表明，冷金属转移（CMT）焊接模式可以降低7075合金焊缝的凝固裂纹敏感性。此外，CMT +脉冲（CMT + P）可以进一步降低凝固裂纹敏感性，如图4所示。图4. 不同焊接模式对7075合金焊缝与7055填充丝焊接的凝固裂纹敏感性的影响[84]：(a) 金属惰性气体（MIG）模式；(b) CMT模式；(c) CMT + P模式；(d) 不同电弧模式的比较。传统的Varestraint测试为铝合金的裂纹敏感性提供了重要见解；然而，它关注的是整体变形，而忽略了局部应变引起的收缩，这与实际生产条件不符。相比之下，如TMW这样的测试引入了横向临界速度来分离变量，并研究熔池糊状区内的局部应变如何影响裂纹起始。最终观察到，没有一种测试方法能够完美再现铝合金在焊接过程中经历的复杂热机械循环。因此，强烈建议采用多方面的方法来综合评估。

通过多种测试方法，研究人员可以精确量化特定热力学条件下各种铝合金焊缝的裂纹敏感性。然而，评估裂纹敏感性的最终目标不仅仅是材料测试；它旨在阐明潜在机制并制定有效的缓解策略。测试过程中测量的各种参数基本上受内在因素（如化学成分、微观结构演变和晶粒形态）以及外在焊接工艺参数的控制。只有通过理解这些基本影响机制并研究它们之间的复杂相互依赖性，我们才能有效地优化抗裂填充材料和高性能铝合金涂层，以适应实际工业应用。

铝合金在焊接过程中形成凝固裂纹是一个复杂的过程，受到冶金因素和机械因素的影响。研究人员通过实验和理论计算对影响铝合金焊接凝固裂纹的因素进行了大量研究。

4.1. 成分
在铝合金的焊接过程中，成分是一个重要因素，它影响最大凝固温度范围、晶粒结构和收缩应力。因此，合理控制熔合区的成分在降低铝合金的凝固裂纹敏感性方面起着重要作用。Eskin等人[85]评估了合金元素对各种铝合金凝固裂纹敏感性的影响。随着研究工具的快速发展，与实验研究相比，模拟方法可以大大缩短研究周期，并能够实现对多因素影响机制的高通量计算。通过模拟计算方法研究合金元素对铝合金凝固裂纹敏感性影响具有很大优势。Zhang等人[86]利用改进的Scheil[37]模型计算了AA2xxx、AA6xxx和AA7xxx铝合金的凝固裂纹敏感性，并计算了每系列合金中1000多种不同成分的裂纹敏感性指数（CSI）。在考虑了反向扩散效应后，利用模拟结果构建了这三系列铝合金的裂纹敏感性图。在匹配焊接合金的填充材料时，建议确保熔合区的成分远离图中高敏感性区域，以避免凝固裂纹。模拟方法解决了繁琐的测试方法和巨大工作量的问题。合金元素含量对凝固裂纹敏感性的影响在裂纹敏感性图中得到了清晰准确的表征，这对填充材料的匹配和抗裂性优化研究具有重要的指导价值。Al 6061以其高凝固裂纹敏感性而闻名。由于主要合金元素Mg和Si的存在，该合金在凝固过程中会发生复杂的冶金反应，导致最终共晶液体的体积不足，这显著增加了熔合区内裂纹发生的概率。相比之下，虽然Al 2219也是一种高强度合金，但其铜（Cu）含量在凝固的最后阶段形成了Al-Cu共晶相。这种液相作为有效的粘合剂，渗透并补充了晶界处的液膜，因此Al 2219的固有抗凝固裂纹能力从根本上优于Al 6061。

4.2. 液体补给
焊接过程中的凝固收缩和热收缩是铝合金凝固裂纹的重要原因。如果收缩产生的空洞能够及时被液体有效填充，就可以有效防止凝固裂纹。在裂纹起始的初期，液体补给可以有效地修复裂纹。液体补给通常发生在凝固结束时沿着晶界进行，并且受到补给通道大小和形状的显著影响。Soysal和Kou[87]使用TMW方法评估了2024、2219、6061和7075铝合金的凝固裂纹敏感性，研究了液体通道对铝合金凝固裂纹敏感性的影响，并分析了裂纹周围高应变区的微观结构。在主裂纹周围可以发现许多以共晶形式存在的细小修复裂纹。2219铝合金的液体补给通道宽而短，这使得液体补给修复裂纹变得更加容易。在凝固结束时，大量液体填充了柱状晶粒之间的收缩，因此2219铝合金的凝固裂纹敏感性较低。然而，6061铝合金的液体补给通道窄而长，凝固结束时液体补给困难，因此其凝固裂纹敏感性较高。液体相补给通道的影响也体现在Kou准则中。根据Kou准则中的三个凝固裂纹因素，柱状晶体的根部半径R与(fS)1/2成正比。如果dT/dR较大（即dT/d(fS)1/2值较大），即在冷却过程中，横向生长dR较小，此时柱状晶体的横向生长缓慢，难以横向结合以抵抗裂纹（抗裂效果减弱）。此外，柱状晶体的纵向生长加快，晶粒间的液相通道变长，导致液体相补给困难（抗裂效果减弱），最终导致凝固裂纹敏感性增加。

4.3. 晶粒尺寸和微观结构
对于铝合金而言，细小的等轴晶粒可以更好地实现晶粒间的协调变形，以适应焊接过程中的收缩应变，从而具有较低的裂纹敏感性。同时，细小等轴晶粒对液体相补给和裂纹修复的效果更好，因此形成细小的凝固结构是抑制铝合金凝固裂纹的有效手段。如图5中的加工分类图所示，制造过程中的微观结构演变从根本上受到基本载荷类型（热载荷、机械载荷和化学载荷）相互作用的影响。图5中的三元图根据这些载荷类型的主导性对不同的加工表面改性进行了分类。传统的熔焊主要受强烈的热载荷（快速加热和定向冷却）驱动，这通常位于加工图的“热”顶点（左下角）。这种强烈的热载荷通常会导致粗大的、定向生长的柱状晶粒。有许多细化晶粒的方法，如调整Cu含量、添加晶粒细化元素和增加电弧摆动，这些方法都有良好的细化效果。关键的是，引入动态扰动，如增加电弧摆动或束流振荡，是一种将工艺条件从纯热载荷转变为热机械耦合状态的战略性方法（将条件向上移动到图5中的“机械”顶点）。Kou和Le[88,89,90]研究了磁控电弧摆动对铝合金凝固裂纹的影响。低频横向电弧摆动改变了柱状晶体的结晶方向，交替的柱状晶粒阻碍了凝固裂纹的传播。与没有电弧摆动的状态相比，具有横向电弧摆动的铝合金的凝固裂纹长度明显减少。与2014铝合金不同，5052铝合金含有0.043%的Ti。使用高频电弧摆动可以促进异质形核，细化焊缝晶粒，并降低凝固裂纹敏感性。在激光焊接铝合金过程中，振荡束流也被认为是一种有效的方法，可以促进熔合区内等轴晶粒的形成，并通过搅拌效应提高抗裂性。

在研究凝固结构对铝合金凝固裂纹影响的过程中，不仅电弧摆动会影响晶粒形态，熔池的形状也会产生影响。Kou最近讨论了熔池形状对凝固裂纹敏感性的影响[51]。测试结果表明，“泪滴”形熔池在焊缝中心的凝固裂纹敏感性高于“椭圆形”熔池。在“泪滴”形熔池中，相邻柱状晶粒之间的角度更尖锐，当它们相对生长时会在焊缝中心形成低熔点偏析。晶粒生长速率降低，液相补给效果减弱，从而增加了焊缝中心的凝固裂纹敏感性。在熔池凝固过程中，液固界面的行为对凝固微观结构有重要影响。溶质原子从液相向固相的反向扩散对晶粒生长和凝固裂纹敏感性有重要影响，在研究某些铝合金的凝固裂纹敏感性时不能忽视这一点。当Liu[91,92]计算Al-Mg合金的裂纹敏感性时，结果显示Al-Mg合金的裂纹敏感性指数高于Al-Cu合金。如果不考虑溶质原子的反向扩散，Al-Mg合金在T-(fS)1/2曲线上的最大切线斜率大于Al-Cu合金。根据Kou准则，Al-Mg合金应该具有更高的裂纹敏感性。然而，一些研究者发现Al-Mg合金中的裂纹数量少于Al-Cu合金。Liu[91]研究了铝合金糊状区的高温微观结构特征，发现2014铝合金糊状区尾部有大量的液膜，这促进了凝固裂纹的产生。而5086铝合金糊状区尾部的液相膜是不连续的，大量的晶粒结合在一起抵抗裂纹，这主要是由于溶质原子的反向扩散，减少了凝固温度范围。糊状区的成分测量证实了溶质原子Mg在液固界面区域的反向扩散。因此，在模拟计算凝固裂纹敏感性时不能忽视液固界面区域溶质原子的反向扩散效应。

4.4. 焊接工艺参数
焊接工艺参数对凝固特性、熔池应力和应变有重要影响，也可以作为控制凝固裂纹的重要手段。Fabrègue等人[97]对铝合金进行了激光对接焊接试验，并通过调整焊接工艺参数来减少凝固裂纹。在电弧送进速度较快或较慢的情况下，凝固裂纹的数量随着焊接速度的增加而增加。通过使用不同的背板来研究冷却速率的影响。适当降低冷却速率有利于减少凝固裂纹。电弧送进速度的变化会改变熔池的化学成分，增加电弧送进速度会导致Si含量的增加和凝固裂纹的减少。在凝固过程中，由于凝固收缩或热收缩引起的相邻晶粒之间的收缩应力也是导致凝固裂纹的重要因素。在焊接过程中，大部分应力由固定装置提供。对组件的约束越大，产生凝固裂纹的可能性就越大。研究者[97]使用不同的固定装置研究了约束对凝固裂纹的影响。作为重要的焊接工艺参数之一，焊接速度在抑制铝合金凝固裂纹敏感性方面起着重要作用。Schempp等人[98]通过调整焊接速度有效抑制了凝固裂纹的产生。提高焊接速度对焊缝金属的微观结构有显著影响。在低焊接速度下，较高的热输入会导致较大的温度梯度，从而减少晶粒数量并形成粗大的柱状晶体结构。随着焊接速度的提高，热输入与温度梯度的比值急剧下降，导致更大的过冷度。高冷却速率促进晶粒形成，产生大量细小的等轴晶粒，并抑制凝固裂纹的产生。此外，提高焊接速度不仅有利于等轴晶粒的形核，还能减少柱状晶粒的体积分数和尺寸，同时降低凝固裂纹的敏感性。虽然激光和电子束焊接工艺的特点是冷却速率极高，但研究标准电弧焊接所典型的“常规冷却速率”下的凝固裂纹同样重要。在这些较低的冷却速率下，温度梯度相对较小，熔池在较高温度下停留的时间较长。这种延长的热循环导致较宽且更膨胀的糊状区域，为宏观拉伸应变在晶界处积累和集中提供了更多时间。因此，这增加了晶间液膜被横向应力破坏的可能性。为了减轻这些常规条件下的裂纹敏感性，工程师不能依赖热源的快速凝固特性；相反，他们必须在热冶金循环中进行主动干预。可以采用减少净热输入、提高行进速度或使用脉冲电弧焊接等技术来间接加速局部冷却速率。此外，还可以战略性地修改焊缝金属的成分。通过引入含有有效形核剂的填充焊丝，可以利用延长的冷却时间来充分促进异质形核，从而显著细化晶粒，提高熔合区的抗裂纹能力。

M. Sheikhi等人[99,100]对铝合金进行了脉冲激光焊接测试，并指出预热可以有效降低凝固裂纹的敏感性并减少焊接产生的塑性应变。还指出，通过控制激光参数和适当的脉冲斜率下降形状也有助于减少凝固裂纹的敏感性。无论是使用高能量密度焊接方法（如电子束、激光束）还是低约束和适当的预热处理，其机制都在于减少应变以降低凝固裂纹的敏感性。材料的初始状态对裂纹敏感性有显著影响[101]，这一点在焊接和增材制造中也得到了研究，如图7所示。本文的第四部分系统回顾了决定铝合金焊接凝固裂纹的关键因素。如表1所列，凝固裂纹的起始是一个复杂的冶金和机械现象，受到材料成分、熔化-凝固过程中液相演变、微观结构演变以及施加的焊接参数的协同制约。

在焊接铝合金时，必须确保最终焊缝的金属成分远离裂纹敏感性图中的峰值区域，可以通过焊接材料的成分来控制焊缝成分，这对铝合金焊接材料的成分选择提出了特定的抗裂纹要求，特别是对于具有高凝固裂纹敏感性的铝合金（如6系和7系铝合金）。在研究焊接材料的抗裂纹性能时，应注意实际焊接过程中基材对焊缝成分的稀释作用，有效且准确的计算和预测可以大大减少抗裂纹试验的工作量。Soysal和Kou[77,86]计算并预测了不同铝合金焊丝对2024铝合金和6061铝合金凝固裂纹敏感性的影响，以|dT/d(fS)1/2|作为凝固裂纹敏感性指标。对于2024铝合金基材，4145铝合金焊丝具有最佳的抗裂纹性能，而2319铝合金焊丝的抗裂纹性能较差。对于6061铝合金基材，4043焊丝和4943焊丝具有相似的抗裂纹效果，可以有效抵抗凝固裂纹，但4943焊丝还可以提高焊缝金属的强度。Kou等人[77]通过TMW试验方法研究了不同系列铝合金焊接材料的抗裂纹效果。4043和4145焊丝在焊接铝合金（2系、6系和7系）时具有显著的抗裂纹效果。通过添加适当的焊丝，可以有效降低铝合金的焊接凝固裂纹敏感性。

基于|dT/d(fS)1/2|指数的凝固裂纹敏感性模型在最近的研究中显示出极大的优势。其主要优势在于能够将焊池的宏观热循环与微观冶金演变（即固相分数）定量联系起来。如图8所示，该热力学模型准确捕捉了动态热行为，并指出了晶间液通道变得危险的狭窄的关键终止冻结范围[84]。通过动态跟踪温度梯度与固相分数的平方根，该模型有效地可视化了凝固结束时敏感性指数的急剧上升。这种预测能力非常有价值：它不仅为先进焊接工艺（如冷金属转移技术）的抗裂纹机制提供了坚实的理论解释，还允许研究人员通过精确的合金设计和热输入优化有意绕过裂纹敏感性峰值区域，从而大幅减少对昂贵试错实验的依赖。

除了匹配焊接材料和优化焊接材料成分以提高抗裂纹性能外，近年来研究人员还致力于将纳米技术引入铸造和焊接领域以提高材料的抗裂纹性能[102,103,104,105,106]。纳米颗粒不仅可以改善金属基体的性能，还可以影响凝固过程中的晶粒生长，从而降低合金的裂纹敏感性[107,108,109,110]。为了探索纳米颗粒增强焊丝对7系铝合金凝固裂纹敏感性的影响，Sokoluk等人[111]使用纳米颗粒增强焊丝焊接了AA7075铝合金。含有TiC纳米颗粒的纳米颗粒增强焊丝有效抑制了凝固裂纹。含有TiC纳米颗粒的AA7075焊丝接头具有细小的球形晶粒和改善的次生相，这两者都显著降低了铝合金焊接过程中的凝固裂纹敏感性。Jin等人[112]开发了一种新的Zr核-Al壳焊丝，并结合振荡激光-电弧混合焊接工艺，获得了无裂纹的2024高强度铝合金接头。使用ZCASW填充材料时，Al3Zr相的形成促进了α-Al的异质形核，从而形成了更细小且等轴的非树枝晶结构，缩短了液相通道并降低了裂纹敏感性指数。Alireza Abdollahi等人[113]研究了3毫米厚Al7075板材在熔化电弧焊接中的可焊性，指出纳米颗粒能有效消除焊接凝固裂纹。提出了两种机制：(1) TiC纳米颗粒在凝固早期作为形核剂，使微观结构从树枝晶变为等轴晶并细化晶粒；(2) TiC纳米颗粒在凝固后期作为形核剂，使共晶沉淀物的形状从连续变为不连续，并促进Al-Cu-Mg相的形成，同时抑制有害的Mg(Cu, Zn)2 (η)相的形成。

本文总结了铝合金焊接中凝固裂纹的研究进展，主要分析了铝合金凝固裂纹的冶金机制，概述了新的凝固裂纹敏感性标准和新的测试方法，以及影响因素、抑制措施和铝合金焊接凝固裂纹的抗裂纹性能的研究。铝合金的凝固裂纹是一个高温、复杂的过程，受到冶金和力学等多种因素的影响。作者认为未来的相关研究可以关注以下几点：(1) 现有的凝固裂纹模型和标准指出了糊状区域中冶金行为的重要性。尽管凝固裂纹发生在凝固结束时，但关于裂纹最可能发生的接头位置仍没有更准确和公认的结论。固相分数的选择是经验性的，可以进行相关的实验研究。此外，需要提出能够反映实际焊接情况的定量凝固裂纹模型和敏感性标准，新的模型和标准需要描述和表达糊状区域中的凝固裂纹敏感性指数、晶间行为以及裂纹的起始和扩展。裂纹的起始可以关注凝固结束时糊状区域中的固液界面行为，而凝固裂纹的扩展则主要由机械因素主导，这为铝合金凝固裂纹的起始和扩展提供了更准确的预测。(2) 关于铝合金凝固裂纹敏感性的实验数据很多，但由于焊接条件和材料成分的差异，难以形成统一的评估和比较数据库。通过模拟计算和实验研究，建立了铝合金凝固裂纹敏感性的相关机制，并形成了准确有效的多因素敏感性图谱，这不仅有利于高效的理论研究，也满足了企业对新铝合金和焊接材料研发的需求。(3) 随着先进表征技术的发展，已经报道了高温下凝固裂纹起始和扩展的原位表征。随着原位技术的推广，将进一步研究新型铝合金焊接材料的抗裂纹机制，这也将为焊接材料的抗裂纹优化和高质量铝合金焊接提供强大的技术支持。