2195鋁鋰合金鎢極氬弧焊接工藝研究

溫斯涵 朱文俐 孫建秋 胡正根 焦好軍

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

文 摘 針對2195 鋁鋰合金在焊接時裂紋敏感性高、氣孔敏感性高、易氧化等問題，開展氬弧焊接工藝研究，對焊接頭的抗裂性、力學(xué)性能及顯微組織進(jìn)行了分析。研究表明，提高焊縫金屬中的Cu含量，可以有效降低2195 鋁鋰合金熔焊接頭的裂紋敏感性，裂紋率K1=0%，K2=0%。2195 鋁鋰合金單面雙層焊接接頭力學(xué)性能最佳，抗拉強(qiáng)度超過376 MPa，延伸率達(dá)到5.5%。提高焊接試板的清理深度可以解決焊接氣孔敏感性高的問題，增加氬氣拖后保護(hù)及背保護(hù)措施可以有效防止焊接氧化問題。熔焊工藝研究可為2195 鋁鋰合金的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

0 引言

鋰（Li）是最輕的金屬元素，密度僅為0.534 g/cm3，每添加1%（w）的Li 可以使合金的密度降低3%，彈性模量提高6%。2195 鋁鋰合金為第三代鋁鋰合金，提高了合金Cu/Li 的比例，并添加了Mg、Ag 等合金化元素，解決了第二代鋁鋰合金塑性和韌性較低，各向異性嚴(yán)重等問題，具備低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、高比剛度等優(yōu)點［1-8］，在航空航天及化工等領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。

熔焊技術(shù)是2195鋁鋰合金工程應(yīng)用所需的關(guān)鍵技術(shù)之一，研究表明，2195鋁鋰合金在熔焊時存在裂紋敏感性高、焊縫易氧化、焊接氣孔敏感性高、接頭塑性較差等問題［9-11］，阻礙其進(jìn)一步工程化應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者開展配用焊絲設(shè)計及熔焊工藝研究工作以解決2195 鋁鋰合金的焊接問題。國外NASA及Lockheed Martin 公司研制出編號為B218 的Al-Cu焊絲［12］，熔焊接頭拉伸強(qiáng)度為380 MPa，延伸率達(dá)到5%。國內(nèi)焦好軍等［13］也制備出2195 鋁鋰合金的配用焊絲，熔焊接頭強(qiáng)度超過380 MPa，延伸率超過3%，裂紋敏感性K1=0%，K2=0%。目前，2195 鋁鋰合金熔焊工藝研究主要以提高接頭性能為主，關(guān)于2195 鋁鋰合金通用熔焊工藝研究工作的公開報道較少。

本文針對鋁鋰合金易氧化、氣孔敏感性高、焊接裂紋敏感性高、接頭軟化等焊接問題，開展試板級2195 鋁鋰合金通用熔焊工藝研究，優(yōu)選坡口形式及焊接方式，細(xì)化過程控制，明確焊接注意事項，形成2195鋁鋰合金通用熔焊工藝方法。

1 實驗

1.1 材料

所用原材料為國產(chǎn)T8 態(tài)2195 鋁鋰合金軋制板材，厚度為6 mm，合金成分為Al-4Cu-1Li-0.4 Mg-0.4Ag-0.1Zr。焊接試驗填充材料選用自主研發(fā)的2195 鋁鋰合金配用焊絲，焊絲成分為Al-6Cu-0.25Ti-0.25Zr，焊絲直徑為3.0 mm。

1.2 試驗方法

T8 態(tài)試板尺寸為300 mm×100 mm×6 mm，對接縫長度為300 mm，焊接方向為板材的軋制方向。焊接試板加工出V 型焊接坡口，單邊坡口角度為60°，鈍邊高2 mm。焊接前，將焊接試板和焊絲進(jìn)行除油和酸洗處理，然后打磨刮削焊口表面，清表面的氧化膜，提高焊接質(zhì)量。使用鎢極氬弧焊接方法進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備為奧地利生產(chǎn)的Fronius MW 4000 型焊機(jī)，焊接電源為交流模式，鎢極直徑為3.2 mm，采用半自動焊接方式進(jìn)行焊接（手工送絲）。焊接時，將試板裝夾至不銹鋼材質(zhì)的焊接工裝上，保證試板的間隙及錯邊。焊接工藝分別選擇單面單層焊接（單層）、單面雙層焊接（打底+蓋面）及兩面三層焊接（打底+兩層蓋面），各層焊接之間均將溫度降至常溫，蓋面層采用擺動方式進(jìn)行焊接。焊接參數(shù)包括焊接電流、焊接速度及氬氣流量，各道次焊接參數(shù)如表1所示。

表1 熔焊工藝參數(shù)Tab.1 Processing parameters of the fusion welding

拉伸試樣由帶余高的熔焊接頭試樣沿橫向截取制備，試樣總長為175 mm，常溫拉伸試驗在國產(chǎn)的CMT5105電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，每種拉伸試樣取5個子樣。

使用X 射線衍射分析（XRD）對2195鋁鋰合金母材及熔焊接頭的相組成進(jìn)行分析。實驗設(shè)備為德國生產(chǎn)的AXS-D8 型X 射線衍射分析儀，衍射時采用Cu-Kα 靶，波長λ=0.1540 5 nm，掃描速度為6 °/min，掃描范圍為10°～90°。利用徠卡生產(chǎn)的DM4000M 金相顯微鏡觀察接頭的組織形貌。為了方便對樣品的界面進(jìn)行觀察，需要將樣品進(jìn)行冷鑲處理，并使用混合酸溶液進(jìn)行侵蝕。采用FEI 公司生產(chǎn)的Quanta 200F 場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡（SEM）分析熔焊接頭的微觀組織及拉伸試樣斷口形貌。檢測樣品時，使用二次電子像（SEI）觀察拉伸試樣斷口形貌，使用背散射電子像（BSE）觀察熔焊接頭的微觀組織。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接熔合比

航天鋁合金熔焊接頭焊后不再進(jìn)行熱處理，在焊后冷卻條件一定時，焊縫化學(xué)成分對接頭性能起決定性的影響作用。在熔焊時，焊縫的成分Ch是由母材成分Cm、焊絲成分Cs和熔合比θ三個參數(shù)決定的，滿足以下關(guān)系：

焊縫熔合比是指焊縫中熔化母材所占的比例，焊縫橫截面由兩部分構(gòu)成，母材熔化部分面積為S1，焊絲熔化填充部分面積為S2，熔合比θ為：

由于2195 鋁鋰合金母材的成分已經(jīng)確定，因此焊縫的成分主要由焊絲成分及熔合比決定。在熔焊過程中，控制熔合比的方法主要為調(diào)整焊接坡口角度及鈍邊的大小。在焊接6 mm 厚板材時，單邊坡口角度為60°，鈍邊高2 mm，熔合比約為0.5，填絲量較大；無坡口試板的焊接熔合比約為0.7，填絲量較少。

選用環(huán)形焊縫試驗方法對2195鋁鋰合金的焊接裂紋敏感性進(jìn)行評價，研究焊接熔合比對裂紋敏感性的影響。在圓環(huán)上進(jìn)行自熔焊接，觀察并測量裂紋長度，實驗結(jié)果見圖1。焊縫中心目視可見較長裂紋，表明2195鋁鋰合金材料本身的裂紋敏感性很高，需要添加合適的焊絲提高其抗裂性能。

圖1 自熔圓環(huán)試驗Fig.1 Circular patch experiment of self fusion

圖2為填絲焊接圓環(huán)焊接試樣的宏觀形貌及X光檢測結(jié)果。X光結(jié)果顯示，環(huán)形焊縫未發(fā)現(xiàn)液化裂紋存在，即裂紋率K2=0%。無坡口圓環(huán)焊縫中心目視可見明顯裂紋，利用機(jī)械法將焊接熱裂紋打開，在掃描電鏡下觀察裂紋斷口形貌，見圖3，呈典型熱裂紋斷口形貌特征，斷口分布著“鵝卵石”狀光滑顆粒。經(jīng)測量裂紋長度達(dá)到6 mm，其結(jié)晶裂紋敏感性K1=3.5%。帶坡口試板熔焊接頭未檢測到裂紋產(chǎn)生，其結(jié)晶裂紋敏感性K1=0%。試驗結(jié)果證明，增加焊絲金屬填充量，降低2195鋁鋰合金焊接熔合比，提高焊縫金屬中的Cu 含量，可以有效降低2195 鋁鋰合金熔焊接頭的裂紋敏感性。因此，后續(xù)驗證試驗均采用帶坡口試板進(jìn)行。

圖2 圓環(huán)試驗及X光檢測圖Fig.2 Circular patch experiment and X-ray radiographs

圖3 焊接熱裂紋斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of welding hot crack

2.2 焊接工藝優(yōu)化

采用單面單層焊、單面雙層焊、兩面三層焊的方式，對6 mm 厚2195 鋁鋰合金試板進(jìn)行焊接，填充材料均選用自主研發(fā)的2195鋁鋰合金配用焊絲。焊接參數(shù)見表1。

利用三種工藝焊接2195 鋁鋰合金試板后，目視檢查焊縫外觀合格，X 光檢測結(jié)果顯示，焊縫均符合QJ2698A—2011 I級焊縫要求。利用X射線衍射儀分析焊縫組織，并使用Jade 軟件對特征峰進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果見圖4。熔焊工藝對接頭的相組成影響較小，接頭主要由α-Al及Al2Cu組成。

圖4 熔焊接頭X射線衍射分析Fig.4 X-ray diffraction pattern of the joint

對熔焊接頭的顯微組織進(jìn)行分析，接頭主要由焊縫熔化區(qū)（FZ）、熔合線半熔化區(qū)（FL）、熱影響區(qū)（HAZ）組成，考察不同熔焊工藝對焊縫熔化區(qū)組織形貌的影響，結(jié)果見圖5。焊縫熔化區(qū)組織呈典型的鑄態(tài)組織特征，單面雙層熔焊接頭晶粒細(xì)小均勻，平均晶粒尺寸僅為20 μm，見圖6（a）。兩面三層熔焊接頭形貌與單面雙層接頭類似，但是經(jīng)歷二次焊接熱循環(huán)作用后，蓋面層晶粒尺寸略有增大，經(jīng)統(tǒng)計其平均晶粒尺寸約為30 μm，見圖6（b）。單面雙層焊接及兩面三層焊接打底層同樣經(jīng)歷二次焊接熱循環(huán)作用，打底層晶粒尺寸約為40 μm，見圖6（c）。單面單層熔焊接頭組織較粗大，平均晶粒尺寸超過50 μm，這是因為單次焊接熱輸入量過大，導(dǎo)致形成粗大的鑄態(tài)組織，見圖6（d）。

圖5 熔焊接頭背散射分析Fig.5 Backscattered electron images of the welded joint

使用掃描電鏡（SEM）對2195 鋁鋰合金熔焊接頭的微觀組織進(jìn)行分析，通過背散射圖像確定焊縫中的相分布，對α-Al 基體上的析出相進(jìn)行能譜分析（EDS），確定其化學(xué)成分。三種熔焊接頭具有相似的背散射圖像，焊縫中心組織致密且均勻，亮白色析出相均勻的分布在灰色α-Al 基體上，見圖6。結(jié)合能譜分析可知，焊縫熔化區(qū)沿晶界分布的白色相及晶內(nèi)顆粒狀白色相為Al2Cu析出相，與XRD分析結(jié)果相吻合。

圖6 熔焊接頭顯微組織Fig.6 Microstructure of the welded joints

對熔焊接頭進(jìn)行常溫拉伸試驗，考核其抗拉強(qiáng)度及延伸率，試驗結(jié)果統(tǒng)計至表2中。單面雙層熔焊接頭的拉伸強(qiáng)度達(dá)到376 MPa，強(qiáng)度系數(shù)超過0.67，延伸率為5.5%，具備最優(yōu)異的拉伸性能。兩面三層焊接頭性能略有降低，抗拉強(qiáng)度下降到362 MPa，強(qiáng)度系數(shù)超過0.64，延伸率為5.3%。對比兩種氬弧焊接工藝可知，單面雙層焊接的力學(xué)性能最優(yōu)，且減少了焊接受熱次數(shù)，有利于避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生。利用單面單層工藝對2195 鋁鋰合金實施焊接后，熔焊接頭的力學(xué)性能明顯降低，拉伸強(qiáng)度僅為351 MPa，延伸率為3.8%。單面單層焊接輸入量過大，形成粗大的鑄態(tài)組織是接頭力學(xué)性能降低的主要原因。根據(jù)常溫力學(xué)性能測試結(jié)果，推薦利用單面雙層氬弧焊接方法焊接2195鋁鋰合金。

表2 焊接工藝對熔焊接頭拉伸性能影響Tab.2 Effect of welding technology on tensile property

2.3 焊接氧化

在焊接常規(guī)鋁合金時，通常僅需要利用氬氣、氦氣等惰性氣體在焊縫正面進(jìn)行保護(hù)。但是由于2195鋁鋰合金中的Li元素化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡附訒r，在焊縫背部及正面高溫區(qū)的金屬易被氧化，導(dǎo)致焊縫成形較差并形成焊接缺陷，使熔焊接頭力學(xué)性能下降。因此，在焊接2195 鋁鋰合金時，需采取與Ti、Nb等易氧化合金焊接時相同的保護(hù)措施，在焊縫正、反面都施加惰性氣體保護(hù)，并且增加拖后惰性氣體保護(hù)措施，以防止2195 鋁鋰合金氧化而造成的接頭性能降低。

為驗證惰性氣體保護(hù)措施的保護(hù)效果，目視觀察保護(hù)前后熔焊接頭的焊縫外觀，對比結(jié)果如圖7所示。在增加拖后保護(hù)及背保護(hù)后，2195 鋁鋰合金的焊縫呈現(xiàn)金屬光澤，為鋁合金焊縫正常外觀形態(tài)，見圖7（b），而僅在主弧氣體保護(hù)條件下的焊縫表面呈現(xiàn)灰白色，與正常焊縫外觀差異較大，見圖7（a）。

圖7 熔焊接頭宏觀形貌Fig.7 macro-structure of the welded joint

對比被氧化接頭及其補(bǔ)焊接頭的力學(xué)性能，以常規(guī)鋁合金的焊接方法焊接2195 鋁鋰合金對接試板，并進(jìn)行補(bǔ)焊，測試熔焊接頭的常溫拉伸性能，其抗拉強(qiáng)度及延伸率統(tǒng)計在表3內(nèi)。與保護(hù)良好焊縫的拉伸性能進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，被氧化熔焊接頭及其補(bǔ)焊接頭的抗拉強(qiáng)度均低于受保護(hù)接頭的抗拉強(qiáng)度，尤其是補(bǔ)焊接頭的抗拉強(qiáng)度有明顯降低。目前，已明確2195鋁鋰合金焊接時氧化不利于接頭的力學(xué)性能，但是氧化對拉伸性能的影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

表3 氧化對熔焊接頭拉伸性能影響Tab.3 Effect of oxidation on tensile property

綜上所述，在焊接2195鋁鋰合金時，需要在焊縫正、反面施加惰性氣體保護(hù)，并且增加拖后保護(hù)措施，以防止2195 鋁鋰合金氧化而造成的接頭性能降低。

2.4 焊接氣孔

由于2195 鋁鋰合金內(nèi)含有Li、Mg 等化學(xué)性質(zhì)活潑的元素，合金表面極易形成LiOH、Li2O、LiCO3、MgO 等化合物，可以吸收空氣中的水蒸氣，在焊接電弧下，含水氧化層分解析出原子態(tài)氫進(jìn)入到熔池中。

焊接金屬冷卻至凝固溫度時，氫在液態(tài)金屬中的溶解度將從0.69 cm3/100 g 急劇降低至0.036 cm3/100 g，過飽和析出氫在未熔化固態(tài)晶粒或枝晶表面形成氣泡，在凝固前無法逸出熔池的氣泡，就會在焊縫中形成氣孔缺陷。

利用2195鋁鋰合金原始軋制板材進(jìn)行氬弧焊接試驗，焊接后對焊縫進(jìn)行X 光檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫氣孔嚴(yán)重超標(biāo)，尤其是在熔合線區(qū)域極易出現(xiàn)超標(biāo)密集氣孔，無法滿足QJ2698A—2011 I 級焊縫要求，焊縫X光檢測結(jié)果見圖8（a）。將2195鋁鋰合金原始軋制板材的上下表面各去除0.2 mm，對試板進(jìn)行酸洗、打磨刮削處理后實施焊接，對焊縫進(jìn)行X 光檢測，熔焊接頭可以滿足QJ2698A—2011 I 級焊縫要求，焊縫X 光檢測結(jié)果見圖8（b）。

圖8 熔焊接頭X光檢測Fig.8 X-ray radiographs of the welded joint

測量氣孔缺陷超標(biāo)接頭的拉伸性能，研究氣孔對2195 鋁鋰合金熔焊接頭性能的影響，接頭抗拉強(qiáng)度及延伸率數(shù)據(jù)統(tǒng)計在表4中。抗拉強(qiáng)度由375 MPa 降低到326 MPa，延伸率由5%降低到2.8%，無法滿足工程使用要求。

表4 氣孔對熔焊接頭拉伸性能影響Tab.4 Effect of gas hole on tensile property

對正常熔焊接頭拉伸斷口形貌進(jìn)行分析。熔焊接頭拉伸斷口呈典型的韌性斷裂特征，圖9（a）中可見較深較密的細(xì)小韌窩，表明接頭在斷裂前有大量的塑性變形，接頭的塑性較好。氣孔超標(biāo)試樣的拉伸斷口形貌如圖9（b）所示，可見斷口表面有大量密集氣孔存在，這些氣孔缺陷減少了焊縫的有效承載面積，降低了接頭的強(qiáng)度及變形能力，導(dǎo)致焊接接頭的常溫拉伸強(qiáng)度及延伸率大幅降低。

圖9 熔焊接頭常溫斷口形貌Fig.9 Tensile fracture morphology of the welded joint at room temperature

試驗結(jié)果說明針對2195鋁鋰合金表面極易吸附水蒸汽等特點，焊接結(jié)構(gòu)表面需要經(jīng)過機(jī)加工及嚴(yán)格的焊前清理以防止氣孔缺陷的產(chǎn)生，導(dǎo)致熔焊接頭力學(xué)性能下降。

3 結(jié)論

（1）2195 鋁鋰合金接頭焊縫區(qū)組織主要由α-Al基體及Al2Cu相組成。

（2）焊接時增加焊絲金屬填充量，降低2195鋁鋰合金焊接熔合比，提高焊縫金屬的Cu 含量可以有效降低熔焊接頭的裂紋敏感性。

（3）利用單面雙層工藝對2195 鋁鋰合金實施焊接后，熔焊接頭的力學(xué)性能最佳，拉伸強(qiáng)度超過376 MPa，延伸率達(dá)到5.5%。

（4）在焊接2195鋁鋰合金時，需要增加拖后氬氣保護(hù)及背部氬氣保護(hù)措施，以防止合金因氧化而造成的補(bǔ)焊接頭力學(xué)性能大幅降低。

（5）2195 鋁鋰合金軋制板材表面應(yīng)去除至少0.2 mm，以防止焊接氣孔缺陷的產(chǎn)生，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度及塑性的降低。