2195鋁鋰合金焊接技術(shù)研究進(jìn)展

元琳琳， 王煒， 陳曉宇

(1.北京有色金屬與稀土應(yīng)用研究所，北京 100012；2.北京市電子信息用新型釬焊材料工程技術(shù)研究中心，北京 100012)

0 前言

鋁鋰合金具有良好的綜合性能，第一代由美國及前蘇聯(lián)開發(fā)，至今已發(fā)展至第三代[1]。鋰的密度為0.534 g/cm3，是自然界最輕的金屬元素。研究表明，在鋁中每添加1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋰，合金密度可降低3%，彈性模量可提高6%。采用鋁鋰合金替代常規(guī)鋁合金，可使結(jié)構(gòu)剛度提高15%～20%，減重10%～15%，這對飛行器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化至關(guān)重要，是添加其他輕元素(Be，Mg等)所不能及的[2]。此外，鋰在鋁中的固溶度，630 ℃時最大為4.2%，室溫下則不到1%，這有利于合金在淬火和人工時效后硬化[3]。鋁鋰合金中，2195合金最初由美國Martin Maritta公司和Reynolds公司合作研制，該合金具有超高強(qiáng)度、優(yōu)良的可鍛性和低溫性能，在Weldalite鋁鋰合金系列中應(yīng)用最廣，可取代原來的2219和2014合金，應(yīng)用于大型運(yùn)載火箭的低溫推進(jìn)劑貯箱、導(dǎo)彈殼體油箱等結(jié)構(gòu)中，在航空飛行結(jié)構(gòu)體中也具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，美國已經(jīng)基本解決2195鋁鋰合金關(guān)鍵制造技術(shù)問題，并已用于制造大型貯箱，成功代替2219鋁合金，經(jīng)試驗(yàn)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求[4]。我國在“九五”期間，由西南鋁業(yè)與中南大學(xué)聯(lián)合成功研制高強(qiáng)鋁鋰合金大規(guī)格薄壁管和板材，性能與美國Alcoa公司產(chǎn)2195鋁鋰合金相當(dāng)[5]。隨著2195鋁鋰合金的廣泛應(yīng)用，其焊接技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注。

1 2195鋁鋰合金焊接特點(diǎn)

2195鋁鋰合金焊接熱裂紋尤其是凝固裂紋敏感性高，且該合金多用于大型焊接構(gòu)件，不能進(jìn)行焊后熱處理，因此焊態(tài)下接頭性能較低。該合金在焊接過程中主要存在接頭軟化、易產(chǎn)生氣孔和裂紋三類問題[6]。

1.1 接頭軟化

2195鋁鋰合金是典型的沉淀強(qiáng)化型鋁合金，采用普通的熔焊工藝方法焊接存在明顯的接頭軟化問題，強(qiáng)度愈高，接頭軟化問題愈突出。產(chǎn)生接頭焊縫軟化現(xiàn)象主要是由焊縫時效不足和熱影響區(qū)過時效導(dǎo)致。焊縫時效不足是由于焊接熔池凝固速度快，大量溶質(zhì)元素如Li等在枝晶間偏析，致使固溶體中的過飽和度不足，焊后時效過程中僅有少量硬化相析出。熱影響區(qū)過時效是由于強(qiáng)化相發(fā)生聚集長大和脫溶轉(zhuǎn)變，在基體中的數(shù)量減少，間距增大，宏觀表現(xiàn)為接頭強(qiáng)度降低[7]。

1.2 焊接氣孔

2195鋁鋰合金中Li元素對氫的親和力極強(qiáng)，因此該合金含氫量比普通鋁合金更高。同時，Li活性較強(qiáng)，在合金的高溫加工過程中表面形成Li2O，LiCO3，LiOH，Li3N等化合物，這些化合物在合金表面極易吸附周圍環(huán)境中的水分，焊接時導(dǎo)致氫進(jìn)入熔池，造成氣孔極易在焊接過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷。此外，由于焊縫中存在Li，Mg等低沸點(diǎn)活性元素，受熱時揮發(fā)至熔池也會形成氣孔[8]。

1.3 焊接熱裂紋

2195鋁鋰合金焊接時易出現(xiàn)焊接熱裂紋，這是因?yàn)?Li能增大鋁合金的凝固溫度區(qū)間和線膨脹系數(shù)，降低鋁熔液的表面張力。此外，2195合金具有較大的焊接熱裂紋敏感性，它的臨界應(yīng)變量εmin<0.19%。2195合金的焊接熱裂紋主要分布于焊縫、焊縫邊緣等軸晶區(qū)、弧坑等部位，其中焊縫和焊縫邊緣等軸晶區(qū)對焊接熱裂紋最敏感。

2 2195鋁鋰合金焊接方法及研究現(xiàn)狀

目前，2195鋁鋰合金可采用鎢極氬弧焊(TIG)、變極性等離子弧焊(VPPA)、電子束焊(EBW)、LW(激光焊)、攪拌摩擦焊(FSW)、釬焊和擴(kuò)散焊等方法進(jìn)行焊接，不同方法具有各自特點(diǎn)。氬弧焊方法成本低、通用性好，接頭強(qiáng)度有待提升。利用激光焊、電子束焊、攪拌摩擦焊、釬焊和擴(kuò)散焊獲得的接頭性能優(yōu)于氬弧焊，但這些方法一定程度上受構(gòu)件尺寸、壁厚、形狀、成本、設(shè)備等因素所限[9-10]。

2.1 TIG焊

鎢極氣體保護(hù)焊(TIG)是航天領(lǐng)域用鋁合金常用的焊接方法。針對2195鋁合金焊接熱裂紋問題，北京航空材料研究院采用手工鎢極氬弧焊方法，通過橫向變拘束試驗(yàn)和魚骨試驗(yàn)，對國產(chǎn)2195合金焊接熱裂紋敏感性進(jìn)行評定，并探討2195合金熱裂紋形成機(jī)理。在ER2319焊絲成分基礎(chǔ)上研制7中不同成分焊絲，嘗試?yán)靡苯鸫胧┛刂坪辖馃崃鸭y產(chǎn)生。研究表明，2195合金焊接中熱裂紋主要在焊縫和熔合區(qū)產(chǎn)生。與常規(guī)ER4043焊絲相比，采用含Sc焊絲焊接2195鋁鋰合金，由于細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用可獲得較高焊縫強(qiáng)度。且當(dāng)Sc含量為0.76%時，可顯著降低焊接接頭的熱裂紋敏感性，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)330 MPa，斷后伸長率4.9%。Sc含量超過0.76%時，晶界析出物粗化，對焊縫產(chǎn)生不利影響。

為降低2195鋁鋰合金焊接氣孔敏感性，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張玉岐等人[11-12]自主研制超聲TIG試驗(yàn)裝置，焊接原理如圖1所示。

圖1 超聲復(fù)合電弧焊接原理

試驗(yàn)采用ER2325焊絲對2195鋁鋰合金板材進(jìn)行焊接。由焊接區(qū)域微觀組織(圖2)可知，經(jīng)過超聲TIG焊，接頭中無明顯縮孔缺陷。這是因?yàn)槌暡ń?jīng)過電弧傳入焊接熔池，在傳播過程中間接對熔池產(chǎn)生振動攪拌作用，改善熔池液態(tài)金屬流動，克服普通TIG焊金屬凝固收縮不能補(bǔ)縮的缺點(diǎn)。TIG焊焊縫結(jié)晶金屬細(xì)化，接頭熔合區(qū)附近細(xì)晶帶，焊縫組織致密。因此，與普通TIG方法相比，超聲TIG焊接頭抗拉強(qiáng)度顯著提高，最高可達(dá)母材強(qiáng)度的67.4%，斷后伸長率由2.71%提升至4.07%。兩種方法焊接接頭斷裂均發(fā)生在熔合線處熱影響區(qū)內(nèi)。顯微硬度測試表明，超聲TIG焊由于熱輸入較小，熱影響區(qū)寬度較小，硬度降低區(qū)域窄，利于提高接頭力學(xué)性能。

圖2 焊縫組織

2.2 MIG焊

熔化極氣體保護(hù)焊(MIG)工藝簡單、成本低廉，且焊接效率高于TIG焊接，但傳統(tǒng)MIG焊接焊縫表面容易出現(xiàn)氣孔、指狀熔深等缺陷[13]。因此，在常規(guī)鋁合金MIG焊工藝上又衍生一系列新型MIG焊工藝，如脈沖MIG、磁控MIG、激光MIG、雙絲MIG等[14-16]。但關(guān)于2195鋁鋰合金MIG焊的研究報(bào)道較少。束彪等人[14]采用單絲雙脈沖焊接工藝對2195鋁鋰合金進(jìn)行焊接。結(jié)果表明，單脈沖焊縫組織柱狀枝晶多且晶粒粗大。由于雙脈沖電弧壓力呈周期性變化，使得熔池液體發(fā)生攪拌作用。觀察到焊縫組織中等軸晶數(shù)量較多，且晶粒細(xì)小、均勻。雙脈沖焊接焊縫氣孔缺陷明顯減少甚至消除，焊縫美觀，焊縫強(qiáng)度和塑性提高。接頭強(qiáng)度由單脈沖的165.7 MPa提升到261.2 MPa，結(jié)合適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚?510 ℃×1 h固溶+150 ℃×11 h時效)，雙脈沖焊接接頭強(qiáng)度可達(dá)420.5 MPa，斷后伸長率約10%。熔合區(qū)及熱影響區(qū)軟化區(qū)硬度提高，接頭硬度分布較為均勻。

2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型固相連接技術(shù)，通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊材料表面間產(chǎn)生的摩擦熱，使材料在塑性狀態(tài)下受到擠壓而實(shí)現(xiàn)連接。與傳統(tǒng)熔化焊方法相比，攪拌摩擦焊不需要焊絲和保護(hù)性氣體，焊接溫度較低，可避免鋁鋰合金中Li元素的揮

發(fā)。焊后接頭不易形成脆性相以及氣孔和裂紋，但攪拌摩擦焊接鋁鋰合金接頭易出現(xiàn)接頭軟化問題[17]。

張華等人[18]采用攪拌摩擦焊對5 mm的2195-T8鋁鋰合金進(jìn)行連接，并對不同工藝參數(shù)下接頭表面質(zhì)量、微觀組織、抗拉強(qiáng)度、硬度及斷裂行為進(jìn)行研究。研究認(rèn)為：焊接速度為200 mm/min時，旋轉(zhuǎn)速度升高后，焊縫表面會出現(xiàn)毛刺和起皮，接頭焊核區(qū)從盆形轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形，抗拉強(qiáng)度明顯上升，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)600 r/min時，接頭抗拉強(qiáng)度最高達(dá)432.8 MPa，進(jìn)一步加大旋轉(zhuǎn)速度，抗拉強(qiáng)度下降。焊核區(qū)受熱循環(huán)程度最高，受到攪拌作用強(qiáng)烈，晶粒尺寸較小，接頭微觀硬度較高，而熱影響區(qū)微觀硬度較低。隨著熱輸入變化，接頭斷裂方式一種是發(fā)生在熱影響區(qū)的塑形斷裂，另一種為發(fā)生在焊核區(qū)的韌-脆混合型斷裂。

束彪等人[19]通過調(diào)整攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度，研究微觀組織、拉伸性能、顯微硬度分布。通過顯微組織分析可知接頭由焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)組成，焊核區(qū)組織為細(xì)小等軸晶，熱機(jī)影響區(qū)晶粒沿變形方向被拉長，熱影響區(qū)晶粒發(fā)生粗化。焊接速度v=100 mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω在700～1 300 r/min變化時，接頭抗拉強(qiáng)度隨旋轉(zhuǎn)速度ω增大而降低；當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω=1 000 r/min，焊接速度在60～140 mm/min變化時，接頭抗拉強(qiáng)度隨焊接速度增大而提高，v=140 mm/min時，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到426.5 MPa，斷后伸長率為8.1%。相同焊接條件下，旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度比值(ω/v)相近，接頭力學(xué)性能相近。焊后接頭出現(xiàn)明顯軟化，熱機(jī)影響區(qū)后退側(cè)硬度值最低。

陳永來等人則采用圓柱形與帶螺紋兩種攪拌頭制備2195-T8摩擦攪拌焊接頭。發(fā)現(xiàn)采用圓柱形攪拌頭時，前進(jìn)速度(焊接速度)與旋轉(zhuǎn)速度不匹配會造成摩擦攪拌焊接頭產(chǎn)生隧道型缺陷(連續(xù)孔洞)。通過調(diào)整攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度比值，或?qū)嚢桀^更換為帶螺紋型，可改善焊接時金屬塑性流動，消除孔洞缺陷。并通過EBSD觀察可知，接頭焊核區(qū)中心區(qū)域晶粒尺寸大于邊緣。雖然焊核區(qū)幾乎沒有強(qiáng)化相析出，但焊核區(qū)位錯密度大，晶粒細(xì)化效果明顯。采用帶螺紋攪拌頭、前進(jìn)速度及旋轉(zhuǎn)速度分別120 mm/min 和1 100 r/min 時，焊接接頭抗拉強(qiáng)度大幅度提高至430 MPa。

國外有學(xué)者針對2195鋁鋰合金焊接接頭疲勞壽命進(jìn)行了大量研究。Hatamleh等人[20]研究了不同表面處理工藝尤其是激光表面處理工藝(原理如圖3所示)對攪拌摩擦焊2195鋁鋰合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響，以便減少疲勞裂紋生長速率。評估了在不同噴丸條件下接頭區(qū)域裂紋的生長速率及不同焊接區(qū)域表面和厚度方向殘余應(yīng)力分布。結(jié)果表明，采用激光表面處理比噴丸處理更能明顯降低疲勞裂紋生長速率。隨后進(jìn)一步采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)確定表面處理對2195鋁鋰合金接頭不同區(qū)域的整體及局部力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)由于滲透深度不同，激光表面處理效果優(yōu)于噴丸處理，激光處理后試樣的屈服強(qiáng)度約提高60%左右，而噴丸處理后的試樣與未處理試樣相比僅拉伸性能略有提高[21]。表面激光處理后，攪拌摩擦焊試樣的裂紋生長率與基體材料相當(dāng)[22]。

圖3 激光表面處理工藝

天津大學(xué)于福盛[23]采用變極性鎢極氬弧焊(VPTIG)、攪拌摩擦焊(FSW)、電子束焊(EBW)等多種方法對熔煉型和噴射型2195鋁鋰合金進(jìn)行焊接研究，接頭焊接性能見表1。VPTIG和FSW對熔煉型2195焊接效果好，但都無法保證焊后接頭無缺陷，因此需要進(jìn)行補(bǔ)焊。VPTIG焊縫采用高能VPTIG自動補(bǔ)焊效果較好，接頭強(qiáng)度達(dá)到初始焊縫的92%，斷后伸長率為初始焊縫的80%。FSW焊縫采用FSW補(bǔ)焊一次攪拌后接頭抗拉強(qiáng)度345 MPa，斷后伸長率2.5%，二次攪拌后接頭抗拉強(qiáng)度375 MPa，斷后伸長率3.0%。S2195-F態(tài)鋁鋰合金焊接性較好，VPTIG焊和FSW焊接頭拉伸試樣斷裂均發(fā)生在母材側(cè)，同等焊接條件下接頭性能重復(fù)性較好。

2.4 激光焊

激光焊接作為一種高能束焊接技術(shù)，具有能量密度高、焊接熱輸入小、焊接速度快、自動化程度高、焊接結(jié)構(gòu)變形小、可達(dá)性和柔性強(qiáng)等特點(diǎn)。然而，由于鋁鋰合金存在熱膨脹系數(shù)大、熱導(dǎo)率高、室溫下對激光反射高、脆性溫度區(qū)間寬等特性，當(dāng)采用激光焊接鋁鋰合金過程中會出現(xiàn)焊接穩(wěn)定性差、焊縫氣孔和焊接熱裂紋等問題[24]。

表1 不同方法焊接2195鋁鋰合金接頭性能

上海交通大學(xué)倪彪等人[25]采用CO2激光焊機(jī)對板厚為3.7 mm的2195-T8鋁鋰合金進(jìn)行了激光焊接，并研究了不同焊接工藝參數(shù)對焊縫成形質(zhì)量的影響及焊態(tài)和固溶時效態(tài)激光焊接接頭的組織和力學(xué)性能。研究表明：高激光功率，高焊接速度下，接頭焊接熱裂紋增加，氣孔率增大，采用較低的激光功率和焊接速度更易得到成形良好的焊縫。焊縫中間區(qū)域組織以等軸晶與粗大樹枝晶為主，焊縫中強(qiáng)化相析出很少，導(dǎo)致焊縫區(qū)域嚴(yán)重軟化。接頭拉伸強(qiáng)度為296 MPa，斷后伸長率0.93%。經(jīng)505 ℃固溶處理45 min，水淬后160 ℃人工時效12 h，焊縫組織中支晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，析出細(xì)小強(qiáng)化相。與焊態(tài)相比，抗拉強(qiáng)度提高至343.86 MPa。

2.5 電子束焊

真空電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊焊件所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接的方法，電子束焊具有能量密度高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄和焊接變形小等特點(diǎn)[26]。但由于電子束焊焊接速度快，熔池金屬冷卻速度快，焊縫金屬處于欠時效狀態(tài)。此外，接頭熱影響區(qū)受到焊接熱循環(huán)作用，處于過時效軟化狀態(tài)。因此，鋁鋰合金電子束焊接頭需進(jìn)行固溶+時效處理。

針對2195鋁鋰合金電子束焊接頭焊后熱處理工藝，南京航空航天大學(xué)趙禮等人[27]對不同時效處理后接頭的微觀組織與力學(xué)性能進(jìn)行評價。研究發(fā)現(xiàn)，時效處理后接頭焊縫區(qū)域有強(qiáng)化相析出，且強(qiáng)化相數(shù)量與尺寸隨時效溫度升高而增加。與單級時效處理相比，雙級時效處理后析出強(qiáng)化效果更加明顯且產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效果。時效后接頭拉伸強(qiáng)度均得到提高，塑韌性改善(見表2)。經(jīng)雙級時效HT3(155 ℃×16 h+130 ℃×12 h)熱處理，接頭抗拉強(qiáng)度從焊態(tài)368.4 MPa提高到熱處理后492.5 MPa，斷后伸長率4.37%。

表2 不同狀態(tài)下焊接接頭拉伸性能

哈爾濱工業(yè)大學(xué)尹乾興[28]為了改善2195鋁鋰合金電子束焊接后接頭表面下塌現(xiàn)象，減少電子束焊過程中母材高溫熔化量，降低Li元素?zé)龘p，嘗試采用電子束熱擠壓焊接方法對2195進(jìn)行連接，示意圖如圖4所示。發(fā)現(xiàn)雖然電子束擠壓焊可以保證熱輸入，降低冷卻速度，使熔池中強(qiáng)化相充分析出，但由于未獲得有效連接接頭抗拉強(qiáng)度僅為母材的64%。在母材上磁控濺射納米鍍Cu層后進(jìn)行電子束熱擠壓焊接，熔池最高溫度與Li元素?zé)龘p率降低，熔化區(qū)強(qiáng)化相明顯增加，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)367 MPa，但接頭底部仍未完全有效連接。因此采用1 mm厚含Sc 2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋁鈧合金作為高強(qiáng)度中間層，進(jìn)行2195合金電子束焊連接。Sc元素的添加大幅提高焊縫細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，減少焊縫晶界處脆性相析出，降低脆性相對晶界性能的惡化作用，接頭抗拉強(qiáng)度420 MPa。

圖4 電子束熱擠壓焊接示意圖

3 結(jié)束語與展望

鋁鋰合金熔化焊時存在接頭強(qiáng)度系數(shù)低，軟化現(xiàn)象嚴(yán)重等問題，這影響了鋁鋰合金焊接結(jié)構(gòu)件的使用性能，因此焊接技術(shù)是2195鋁鋰合金應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。目前對于鋁鋰合金的焊接研究主要集中在焊接方法與焊接工藝對焊接接頭微觀組織與力學(xué)性能的研究上，通過攪拌摩擦焊、電子束焊結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳色@得較高抗拉強(qiáng)度的焊接接頭。隨著2195鋁鋰合金應(yīng)用的不斷推廣，其焊接工藝及配套焊料將得到更多關(guān)注。國內(nèi)關(guān)于2195鋁鋰合金用焊接材料的開發(fā)與制備報(bào)道較少，急需與之配套的焊接材料及制備技術(shù)，以滿足鋁鋰合金的應(yīng)用要求。