新疆工业学院新能源与矿业学院科研人员对微合金化5xxx系铝合金焊丝的研究取得新成果

在船舶制造等领域，5xxx系铝合金应用广泛，其焊接质量至关重要。传统增强铝合金性能的元素如钪（Sc）成本高昂，寻找替代元素迫在眉睫。针对这一问题，来自新疆工业学院、哈尔滨工程大学和南宁职业技术大学的科研人员创新性地将铒（Er）添加到焊丝中，系统探究其对焊接接头组织、力学性能及耐腐蚀性的影响。

研究人员选用三种焊丝（Al-Mg-Mn-Zr、Al-Mg-Mn-0.2%Sc-Zr、Al-Mg-Mn-0.2%Er-Zr），对4mm厚的冷轧Al-Mg-Mn-Er-Zr板材进行MIG焊接。通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等多种先进设备，详细观察焊接接头的微观结构；采用电子万能试验机和显微硬度测试仪检测力学性能；利用电化学工作站评估耐腐蚀性。

研究发现，在焊丝中分别添加Er和Sc后，焊接区晶粒显著细化，从47µm分别细化至29µm和31µm，这得益于具有L12结构的亚微米级Al₃Er和Al₃Sc相的异质形核作用（图1）。含Er和含Sc焊丝焊接的接头，其抗拉强度、断裂伸长率和显微硬度大幅提升，这是细晶强化和弥散强化共同作用的结果（图2、图3）。在耐腐蚀性方面，分别添加Er和Sc元素后，焊接接头的腐蚀电流密度降低，腐蚀电位升高，耐腐蚀性明显增强。这主要是因为形成了更致密的氧化膜，且析出相（Al₃Er和Al₃Sc）与基体之间的电位差达到平衡（图4）。本研究为5xxx系铝合金MIG焊接提供了更优的焊丝选择方案，明确了在0.2%的添加量下含Er焊丝可有效替代含Sc焊丝，且成本更低，有助于降低生产成本；另一方面，深入揭示了Sc和Er元素影响焊接接头性能的机制，为后续铝合金焊接研究奠定了坚实理论基础，有望推动铝合金在更多领域的广泛应用。

该成果发表在国际期刊《Metals》上，哈尔滨工程大学巫瑞智教授和新疆工业学院杨鑫赫为该论文的通讯作者。

图1. 焊接接头截面光学显微组织：(a) Wire-2焊接接头外观；(b)Wire-1焊缝区；(c)Wire-2焊缝区；(d) Wire-3焊缝区

图2. 三种焊丝焊接接头的应力-应变曲线

图3. 三种焊丝接头显微硬度的分布

图4. 焊缝区不同焊接接头的腐蚀形貌：(a) Wire-1；(b)Wire-2; (c) Wire-3; (d)不同焊接接头的极化曲线

论文信息：

Cunwei Zou, Ruizhi Wu*, Xinhe Yang*, Zhikun Ma, and Legan Hou. Effects of a Welding Wire Containing Er or Sc on the Microstructure, Mechanical Properties, and Corrosion Resistance of the 5xxx Aluminum Alloy MIG Joint[J]. Metals, 2025, 15(3): 287.

论文链接：https://doi.org/10.3390/met15030287