鋁鋰合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析

溫忠亮

摘? 要：鋁鋰合金作為輕質(zhì)、高性能材料，得到廣泛的應(yīng)用，鋁鋰合金連接質(zhì)量和應(yīng)用受到焊接方法的影響，采取不同焊接方法對于連接區(qū)域性能產(chǎn)生不同影響，可能會造成焊接區(qū)域性能改變，因此焊接方法成為人們研究的熱門問題。基于此，該文先對鋁鋰合金成分進(jìn)行了深入分析，然后對鋁鋰合金焊接技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。以期通過采取合適的焊接技術(shù)，可以減少焊接方法對于鋁鋰合金質(zhì)量的影響，保證焊接連接區(qū)域性能滿足質(zhì)量要求，推動鋁鋰合金的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋁鋰合金;焊接方法;焊接縫;抗拉強(qiáng)度

中圖分類號：? TG457? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

鋁鋰合金是一種輕質(zhì)金屬，由于添加大量Li元素，密度較低，具有較高彈性模量，經(jīng)常用于航天航空工程中。有研究表明，鋁鋰合金每添加1%Li元素，可以降低鋁鋰合金密度3%，使彈性模量提高6%。鋁鋰合金耐蝕性較強(qiáng)，具有良好的抗疲勞性能和低溫性能，在軌道交通、核工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。隨著鋁鋰合金廣泛應(yīng)用，合金焊接工藝受到了極大關(guān)注，焊接時合金出現(xiàn)晶粒粗大，產(chǎn)生氣孔等缺陷，影響合金質(zhì)量和應(yīng)用。因此研究焊接方法是保證合金焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 鋁鋰合金成分

目前已經(jīng)開發(fā)出第三代鋁鋰合金，將Li元素含量明顯減少，提高Cu元素含量，產(chǎn)生新強(qiáng)化相改善各向異性問題，使鋁鋰合金韌性得到提升，具有良好的焊接性。鋁鋰合金主要包括Li、Cu、Mg、Zr、Fe、Si、Zn、Mn。其中由于Li元素的活性在表面形成LiOH、Li2O等化合物，使得合金表面形成了氧化膜。氧化膜很容易和環(huán)境中的水分反應(yīng)。焊接時若母材處理不當(dāng)，造成焊縫中進(jìn)入氫，形成氣孔，在焊接時將會產(chǎn)生沿晶界分布的共晶，使接頭出現(xiàn)沿晶熱裂紋，由于焊縫熱影響區(qū)和時效問題，在接頭焊后出現(xiàn)軟化，造成合金力學(xué)性能下降。因此焊接鋁鋰合金存在多種方法，以下進(jìn)行詳細(xì)研究。

2 鋁鋰合金的焊接方法

2.1 弧焊

傳統(tǒng)弧焊方法成本低廉，具有較高的適應(yīng)性和通用性，焊接時使用陰極霧化作用將表面氧化膜完全清除，焊接前深度清理母材，同時對合金氣純度起到保護(hù)作用，避免接頭氣孔多的問題。使用弧焊焊接存在很多優(yōu)勢，由于弧焊溫度高，熱輸入大，容易導(dǎo)致晶粒粗大，造成接頭性能惡化。選擇合適的焊接工藝已經(jīng)成為弧焊的關(guān)鍵條件。如使用變極性TIG對2195鋁鋰合金焊接，由于焊縫以及熱影響區(qū)晶粒較粗大，將會造成接頭位置力學(xué)性能出現(xiàn)下降，抗拉強(qiáng)度只能達(dá)到66%。TIG熱輸入大，焊接接頭晶粒粗化嚴(yán)重，造成接頭性能很難提高。在TIG焊接方法基礎(chǔ)上使用新工藝限制晶粒，進(jìn)而提高焊接接頭性能。

使用填絲焊后，加熱焊絲可以分擔(dān)部分熱輸入，焊絲成分能夠?qū)ЯＦ鸬郊?xì)化作用，對晶粒產(chǎn)生抑制作用。采取填絲TIG焊方法，添加不同種類焊絲有助于細(xì)化晶粒，使抗拉強(qiáng)度得到提升。填絲焊和復(fù)合焊能夠減小晶粒尺寸，但是接頭強(qiáng)度仍然不高。使用交流CMT工藝，可以得到細(xì)小晶粒焊縫組織，對接頭軟化問題得到改善，將抗拉強(qiáng)度提高至母材82%，相比于普通弧焊工藝，該方法將抗拉強(qiáng)度提高了15%。

2.2 高能束焊

激光焊是傳統(tǒng)焊接方法中熱輸入較少的方法，焊接合金時有助于降低晶粒粗化，熱影響區(qū)相對較窄，可以減少力學(xué)性能受到的影響。因此該方法具有一定的優(yōu)勢。該方法具有較高的反射率，焊接過程中等離子光產(chǎn)生屏蔽作用，不利于焊接效果的優(yōu)化。研究激光焊接接頭組織，使用YAG激光焊接方法，形成的接頭熔合區(qū)包含等軸樹枝晶構(gòu)成，樹枝狀亞晶的粗細(xì)不均勻，熔合線附近存在細(xì)小球狀細(xì)晶區(qū)，激光焊接方法晶粒尺寸較為粗大，接頭區(qū)域晶粒大小分布不均勻，給接頭造成不良影響，影響合金的綜合性能。激光填絲焊接具有較高生產(chǎn)率，焊接變形相對較小，能夠?qū)缚p成形起到改善作用，使接頭力學(xué)性能得到提升，在鋁鋰合金焊接中廣泛應(yīng)用。使用激光填絲焊接核心，得到的焊縫晶粒更加細(xì)小，很多晶粒屬于胞狀等軸晶，接頭硬度更加均衡，抗拉強(qiáng)度可以提高至73%。填絲焊提高接頭綜合性能，在電流輔助下，能夠進(jìn)一步縮小晶粒尺寸，使晶粒尺寸更加均衡，使抗拉強(qiáng)度得到顯著提升。

電子束焊也經(jīng)常應(yīng)用于鋁鋰合金的焊接中，該方法產(chǎn)生的焊縫和熱影響區(qū)相對狹窄，在很大程度上減小了鋁鋰合金接頭軟化傾向。使用電子束焊，需要在真空中展開，能夠避免焊接氫氣孔的缺陷，電子束焊焊接期間冷卻速度相對較快，析出強(qiáng)化相較少，存在嚴(yán)重的成分偏析問題，必須要在焊接過程中加強(qiáng)控制。使用電子束焊焊接，焊縫位置包含柱狀晶和軸晶混合，在晶界位置存在嚴(yán)重的偏析問題，造成晶內(nèi)析出強(qiáng)化相較少。焊接時增加電子束掃描，焊縫組織均為細(xì)小等軸晶，焊縫中析出大量強(qiáng)化相，提高力學(xué)性能?？梢娛褂秒娮邮梢杂行岣吆缚p組織，提高強(qiáng)化相作用。但是強(qiáng)化相貧化原因在于焊后快速冷卻造成未及時析出。對接頭進(jìn)行焊接熱處理，可以有效加強(qiáng)強(qiáng)化相析出?？焖倮鋮s會造成強(qiáng)化相不充分析出，使接頭強(qiáng)度得到提升，焊后熱處理對于提高電子束接頭性能具有重要意義。提高接頭強(qiáng)度，但是接頭塑性無法達(dá)到母材水平，未來還需要對該問題進(jìn)行深入分析。

2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是無金屬熔化過程，焊接低沸點(diǎn)元素材料，不會出現(xiàn)元素蒸發(fā)的問題，抗拉強(qiáng)度更加接近母材。使用攪拌摩擦焊接頭，熱影響區(qū)較小，焊核區(qū)幾乎沒有強(qiáng)化相。由于焊縫析出強(qiáng)化相較少，通過提高冷卻速度，得到過飽和固溶體，焊后處理時效，使強(qiáng)化相析出，使得合金強(qiáng)度得到提高。對鋁鋰合金焊接過程中添加水浸涂料滾輪，快速冷卻，讓強(qiáng)化相數(shù)量快速增加，將抗拉強(qiáng)度提高28%。使用攪拌摩擦焊可以提高合金接頭性能，提高抗拉強(qiáng)度。攪拌摩擦焊強(qiáng)化相析出量少，對接頭力學(xué)性能起到阻礙作用。目前解決問題的方法停留在處理焊后上，還需要深入研究強(qiáng)化相控制。

2.4 擴(kuò)散焊

擴(kuò)散焊是一種固相焊接方法，擴(kuò)散焊縫缺少凝固組織，鋁鋰合金焊接時注意避免元素?zé)龘p，將焊縫強(qiáng)化相大量保留，并不存在裂紋和氣孔。需要耗費(fèi)大量擴(kuò)散時間，焊接的效率相對較低。鋁鋰合金的氧化膜會對原子擴(kuò)散產(chǎn)生阻礙作用，影響接頭性能，焊前需要深度清理母材對接面。使用擴(kuò)散連接鋁鋰合金發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度會隨著壓力和溫度變化增加，在11 MPa、520℃環(huán)境下，經(jīng)過1 h保溫可以達(dá)到最大值。使用合理的焊接參數(shù)可以有效提高焊接頭性能。因此擴(kuò)散焊接頭性能受到連接方式、中間層以及工藝參數(shù)的影響，使用合理工藝設(shè)計(jì)可以得到良好接頭，將接頭強(qiáng)度提高至母材90%。由于焊接要長時間保溫，焊接過程耗時長，需要著重研究這些問題，提高合金性能。

2.5 釬焊

釬焊也經(jīng)常用于鋁鋰合金的焊接上，由于鋁鋰合金氧化膜影響釬料潤濕母材，破壞氧化膜釬劑成為焊接成功的關(guān)鍵。由于合金固相線溫度較低，母材易出現(xiàn)過燒問題，因此加強(qiáng)釬焊溫度控制十分關(guān)鍵。使用釬焊方法焊接鋁鋰合金，可選擇釬料和釬劑十分關(guān)鍵，在530℃下使用Ag-Al-Cu-Zn釬料以及CsFAlF3作為釬劑可以取得良好抗剪強(qiáng)度。使用多組元重金屬釬劑，可以達(dá)到良好的氧化膜破壞效果。

3 結(jié)論

綜上所述，鋁鋰合金成分主要包括Li、Cu、Mg、Zr、Fe、Si、Zn、Mn。其中由于Li元素的活性在表面形成LiOH、Li2O等化合物，使得合金表面形成了氧化膜，對于焊接質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。常用鋁鋰合金的焊接方法包括弧焊、高能束焊、攪拌摩擦焊、擴(kuò)散焊、釬焊，這些方法都需要經(jīng)過對應(yīng)的改善，才能提高合金抗拉強(qiáng)度，保證焊接后合金仍然滿足使用要求。未來還需要深入研究焊接方法，提高焊接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]李玉龍，袁天保，陳玉波，等.鋁鋰合金攪拌摩擦焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J].電焊機(jī)，2019，49（2）：6-13.

[2]趙禮，王少剛，陳源，等.鋁鋰合金的高能束焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J].焊接技術(shù)，2017，46（10）：1-6.