2195鋁鋰合金的補(bǔ)焊工藝

李 超，宋永倫，龐樹明

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100124)

0 前言

鋁鋰合金具有低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、耐高溫、優(yōu)良的超低溫性能及良好的抗蝕性等優(yōu)點(diǎn)。研究表明：與常規(guī)的鋁合金相比，其密度低8%～10%，彈性模量高10%～12%，而機(jī)械性能和可生產(chǎn)性又與常規(guī)鋁合金相似，因此把它用作結(jié)構(gòu)材料，潛在經(jīng)濟(jì)效益極大。美國在20世紀(jì)90年代中期啟動(dòng)的航天飛機(jī)外貯箱項(xiàng)目，用第三代鋁鋰合金即2195鋁鋰合金取代自60年代起使用的2219鋁銅合金，與2219鋁合金相比，2195鋁鋰合金在質(zhì)量上減輕7%，有效載荷增加10%～15%，低溫強(qiáng)度增加了30%。近年來，為了使航天器的貯箱結(jié)構(gòu)能夠重復(fù)使用，提出了對(duì)該種鋁合金的再焊接性的研究。因此，本研究開展焊縫缺陷修復(fù)技術(shù)的研發(fā)具有很大的工程價(jià)值。

采用傳統(tǒng)弧焊工藝對(duì)于2195鋁合金的焊接接頭主要存在四個(gè)問題：氣孔敏感性高、焊縫極易被氧化、熱裂紋敏感性高和接頭的機(jī)械性能低。在焊接修補(bǔ)過程中，焊縫金屬在熱循環(huán)的再次作用下，這些問題又更加凸顯，因此，需要探索一種有效的補(bǔ)焊修復(fù)工藝。

在此采用不同能量密度的TIG+填絲焊工藝，對(duì)原焊縫缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，并對(duì)修補(bǔ)后接頭的力學(xué)性能、顯微組織和斷口形貌進(jìn)行分析和對(duì)比。提出一種適用于2195鋁合金弧焊的新工藝。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

在焊接試驗(yàn)中，采用TIG復(fù)合高頻電弧和三電極TIG焊復(fù)合高頻電弧分別對(duì)厚度為5mm的2195鋁鋰合金原焊縫未熔透缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊分低速補(bǔ)、高速補(bǔ)和高速多次補(bǔ)，焊絲牌號(hào)是ER2319。2195鋁鋰合金和ER2319的化學(xué)成分如表1和表2所示。

表1 2195鋁鋰合金成分 %

表2 ER2319焊絲成分 %

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

三電極復(fù)合TIG焊即采用三臺(tái)焊機(jī)分別對(duì)三個(gè)彼此絕緣的鎢極同步脈沖供電，三個(gè)鎢極產(chǎn)生的電弧在自磁收縮作用下匯聚成一個(gè)能量密度較高的壓縮電?。ǚQ為 C-TIG：Condensing TIG）[1]。該 TIG電弧采用內(nèi)氣和外氣兩層保護(hù)氣，內(nèi)氣在三鎢極之間輸出，外氣在三鎢極周圍輸出，同時(shí)對(duì)電弧耦合一高頻能量，在電磁振蕩的作用下可有效清除氣孔，細(xì)化晶粒。焊接示意如圖1所示。

圖1 三鎢極復(fù)合自磁收縮電弧示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

初始焊縫采用C-TIG焊接方法，焊接速度為800 mm/min，不開坡口填絲一次焊成。當(dāng)電流偏小或散熱條件改變較大時(shí)易出現(xiàn)背面未熔透。補(bǔ)焊前，先對(duì)缺陷部分進(jìn)行挖補(bǔ)清除，并仔細(xì)清理待修補(bǔ)焊縫處及附近的氧化膜，防止氧化物夾雜，并用丙酮擦拭焊縫，清除焊縫表面附著的水汽，之后進(jìn)行焊接修補(bǔ)。焊接時(shí)將焊槍及被焊部位完全置于惰性氣體保護(hù)罩內(nèi)，以防止焊縫在高溫下氧化。補(bǔ)焊時(shí)分別用180 mm/min（低速）和 800 mm/min（高速）進(jìn)行修補(bǔ)，并觀測(cè)多次高速補(bǔ)焊對(duì)接頭性能的影響。補(bǔ)焊均采用特殊交流脈沖電流波形（脈沖峰值階段為直流，脈沖基值階段為方波交流），焊接波形如圖2所示。

1.2.1 補(bǔ)焊方法

低速補(bǔ)焊采用常規(guī)TIG并復(fù)合高頻電源進(jìn)行修補(bǔ)，主要工藝規(guī)范如表3所示。補(bǔ)焊前的焊縫背面形貌如圖3所示。

圖2 特殊交流脈沖電流波形

圖3 補(bǔ)焊前焊縫背面未熔透的形貌

表3 低速補(bǔ)焊工藝規(guī)范

高速補(bǔ)焊采用三電極TIG并復(fù)合高頻電源進(jìn)行修補(bǔ)，主要工藝規(guī)范如表4所示。補(bǔ)焊后焊縫形貌如圖4所示。

圖4 經(jīng)高速補(bǔ)焊后的焊縫形貌

表4 高速補(bǔ)焊工藝規(guī)范

1.2.2 多次高速補(bǔ)焊方法

多次高速補(bǔ)焊采用三電極TIG并耦合高頻電源進(jìn)行修補(bǔ)，采用相同的規(guī)范對(duì)缺陷位置修補(bǔ)三次，并與單次修補(bǔ)做對(duì)比分析，觀測(cè)焊縫金屬在多次熱循環(huán)的作用下對(duì)接頭機(jī)械性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 對(duì)補(bǔ)焊接頭的機(jī)械性能分析

補(bǔ)焊后，接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率與初始焊縫相比均有下降，但低速補(bǔ)焊接頭的機(jī)械性能下降較大，而高速補(bǔ)焊接頭的機(jī)械性能下降較小，接近初始焊縫的機(jī)械性能，強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到母材的62.4%。可見，焊接速度對(duì)補(bǔ)焊接頭的機(jī)械性能有較大影響，即反映了不同的焊接熱循環(huán)對(duì)接頭的效果。提高補(bǔ)焊速度，有利于接頭機(jī)械性能的提高。補(bǔ)焊機(jī)械性能如表5所示。

表5 2195補(bǔ)焊焊縫及母材的機(jī)械性能

2.2 氣孔敏感性和氧化敏感性的對(duì)比分析

2.2.1 氣孔敏感性的對(duì)比分析

試驗(yàn)后對(duì)低速和高速補(bǔ)焊焊縫進(jìn)行X射線透視，其中，低速補(bǔ)焊的焊縫中有大量連續(xù)微氣孔，這些微氣孔使焊縫的有效承載面積減少，在外力的作用下容易成為裂紋源并相互串連和擴(kuò)展從而導(dǎo)致斷裂，氣孔缺陷是補(bǔ)焊接頭機(jī)械性能較低的主要原因之一。而高速補(bǔ)焊的焊縫中幾乎沒有氣孔，使焊縫的機(jī)械性能大幅提高。慢速焊焊縫的氣孔生成率高于快速焊的原因是氫氣在熔融鋁中的溶解度要高于固態(tài)鋁。在慢速焊中，熔池尺寸較大且停留時(shí)間較長，氫入侵熔融金屬的機(jī)會(huì)增加；而高速焊將焊接速度提高了4倍多，熔池尺寸較小且停留時(shí)間短，有利于減少氫對(duì)熔池的作用時(shí)間。

高速多次補(bǔ)焊焊縫中有少量氣孔存在，其原因?yàn)楹缚p在多次熱循環(huán)的作用下使熔融金屬吸氫的概率增大，熔池有充分的時(shí)間與氫結(jié)合形成氣孔，導(dǎo)致氣孔敏感性升高，因此應(yīng)盡量減少補(bǔ)焊次數(shù)，以保證接頭的高強(qiáng)度和延伸率。

2.2.2 氧化敏感性的對(duì)比分析

與其他鋁合金相比，鋁鋰合金的氧化敏感性更高，Li是高活性元素，在焊接過程中極易與周圍的氧原子反應(yīng)形成鋰化物，如LiO2、LiOH和Li2CO3等，焊接受熱時(shí)，這些化合物分解為CO2和H2氣體產(chǎn)物，并進(jìn)入熔池中形成氣孔。同時(shí)，這些鋰化物存留在焊縫晶界處使焊縫晶界與晶粒內(nèi)部相彈性模量相差過大，在外力作用下容易形成微孔并成為裂紋源，導(dǎo)致接頭的斷裂。

在做好焊前清理以及在無氧環(huán)境下焊接的同時(shí)，提高焊接速度可以有效地降低焊縫熔融金屬與周圍環(huán)境中氧的結(jié)合幾率，從而達(dá)到控制焊縫鋰化物含量的目的，提高接頭的強(qiáng)度和延伸率，這也是高速補(bǔ)焊的焊接接頭機(jī)械性能比低速補(bǔ)焊好的原因之一。

2.3 對(duì)補(bǔ)焊接頭的微觀組織分析

2.3.1 低速補(bǔ)焊結(jié)果分析

在低速補(bǔ)焊的焊縫金相圖片中，可以看到焊縫區(qū)內(nèi)粗大的晶粒，少量細(xì)晶粒團(tuán)不均勻分布在焊縫區(qū)內(nèi)，粗大晶粒與細(xì)小晶粒交錯(cuò)分布。沿熔合線分布有一條由細(xì)小等軸晶組成的細(xì)晶帶，在細(xì)晶帶靠近焊縫一側(cè)，柱狀晶生長較不充分。在斷裂面的金相圖片中可以看到裂紋是沿細(xì)晶帶的一側(cè)擴(kuò)展（斷裂面在細(xì)晶帶靠近焊縫一側(cè)）。焊態(tài)合金晶界上存在連續(xù)、粗大平衡相，而晶粒內(nèi)的沉淀強(qiáng)化作用不明顯，基體和晶界的彈性模量相差較大，在外力作用下變形不能協(xié)調(diào)，在晶界處位錯(cuò)塞積并萌生裂紋，裂紋主要沿晶界與基體間的界面擴(kuò)展，主要為沿晶斷裂，以脆性斷裂為主。低速補(bǔ)焊的顯微組織如圖5所示。

2.3.2 高速補(bǔ)焊結(jié)果分析

從高速補(bǔ)焊的焊縫金相圖片中可以看到，焊縫區(qū)內(nèi)晶粒細(xì)小，以等軸晶為主。熔合區(qū)中細(xì)晶帶非常狹窄，有些地方細(xì)晶帶基本消失，斷裂面不在熔合區(qū)上。焊縫中晶界上的連續(xù)、粗大平衡相較少，在熔池的快速凝固過程中強(qiáng)化相較充分的留在晶粒內(nèi)部，在外力的作用下，晶內(nèi)變形均勻，裂紋沿晶界或穿過晶粒內(nèi)部擴(kuò)展，呈現(xiàn)較好的穿晶斷裂特征，斷口以韌性斷裂為主。高速補(bǔ)焊的顯微組織如圖6所示。

2.3.3 高速多次補(bǔ)焊結(jié)果分析

從高速多次補(bǔ)焊的金相圖片中可以看到，初始焊縫區(qū)的晶粒在多次熱輸入的作用下明顯長大，在熔合區(qū)金相中可以看到沿熔合線處的一條明顯的細(xì)晶帶，與細(xì)晶帶相鄰的靠近焊縫側(cè)的是生長不充分的粗大柱狀晶；在斷口金相中可以看到明顯的微裂紋且沿微裂紋撕裂的特征，主要為沿晶斷裂，焊縫在多次補(bǔ)焊后機(jī)械性能有較大下降，因此應(yīng)盡量減少補(bǔ)焊次數(shù)，以保證接頭的性能滿足要求。高速多次補(bǔ)焊的顯微組織如圖7所示。

圖5 低速補(bǔ)焊接頭區(qū)微觀特征

圖6 高速補(bǔ)焊接頭區(qū)微觀特征

3 結(jié)論

（1）低速補(bǔ)焊焊縫接頭的機(jī)械性能低于高速補(bǔ)焊，高速補(bǔ)焊焊接接頭性能接近于初始焊縫性能。焊縫在多次修補(bǔ)后性能有較大下降，應(yīng)盡量減少補(bǔ)焊次數(shù)。

（2）高速焊焊縫的氣孔率要大大低于低速焊，在高速焊中耦合高頻能量，可有效的清除氣孔，結(jié)晶均勻，提高接頭質(zhì)量。

圖7 高速多次補(bǔ)焊接頭區(qū)微觀特征

（3）高速焊的氧化敏感性比低速焊小，焊接速度提高后可有效降低焊縫熔融金屬與周圍環(huán)境中氧的結(jié)合幾率，從而達(dá)到控制焊縫鋰化物含量的目的，提高接頭的強(qiáng)度和延伸率。

（4）低速補(bǔ)焊和高速多次補(bǔ)焊熔合線處細(xì)晶區(qū)寬度較大，與細(xì)晶區(qū)相鄰的是粗大晶粒區(qū)，在拉伸力的作用下細(xì)晶與粗晶交界處容易產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致接頭失效，高速補(bǔ)焊熔合線處細(xì)晶區(qū)很窄且不連續(xù)，在拉伸力的作用下裂紋不能沿細(xì)晶區(qū)擴(kuò)展，接頭的強(qiáng)度損失較小。

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