推進(jìn)劑貯箱用2195鋁鋰合金激光焊接接頭疲勞性能測試

摘 要：航天燃料貯箱用2195鋁鋰合金以其高比強(qiáng)度、低密度及優(yōu)異耐腐蝕性能而在航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。文章對(duì)其激光焊接接頭的組織與力學(xué)性能予以系統(tǒng)研究，借由微觀組織分析、拉伸、硬度及沖擊測試來評(píng)估焊接質(zhì)量及其對(duì)疲勞性能的影響。采用高周疲勞與低周疲勞試驗(yàn)方法并結(jié)合裂紋擴(kuò)展及斷口分析以揭示疲勞失效機(jī)理。進(jìn)一步對(duì)焊接工藝參數(shù)、殘余應(yīng)力及后處理工藝之于疲勞壽命的影響展開探討且提出優(yōu)化策略，以此提升焊接接頭的疲勞極限與服役可靠性。研究結(jié)果可為2195鋁鋰合金激光焊接技術(shù)的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而促進(jìn)航天結(jié)構(gòu)件的輕量化與高可靠性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：2195鋁鋰合金 激光焊接 焊接接頭 疲勞性能

相較于傳統(tǒng)鋁合金，2195鋁鋰合金加入的鋰元素不僅降低了材料密度，還提升了彈性模量和抗疲勞性能，在航天器貯箱、運(yùn)載火箭艙段等結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。激光焊接技術(shù)因其能量輸入集中、焊接變形小、焊縫質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，已成為鋁鋰合金連接的重要工藝。然而，焊接過程中熱輸入的不均勻性及金屬冶金特性的變化，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭微觀組織發(fā)生復(fù)雜演變，進(jìn)而影響其力學(xué)性能和疲勞壽命。疲勞失效是航天結(jié)構(gòu)件服役中的主要破壞形式之一，焊接接頭的疲勞性能直接決定了航天燃料貯箱的安全性與服役壽命。因此，深入研究2195鋁鋰合金激光焊接接頭的疲勞性能，并探討其影響因素及優(yōu)化策略，對(duì)于提升航天裝備的結(jié)構(gòu)可靠性和使用壽命具有重要工程價(jià)值。

1 2195鋁鋰合金激光焊接接頭的組織與力學(xué)性能分析

1.1 2195鋁鋰合金激光焊接工藝特點(diǎn)

2195鋁鋰合金的焊接性較差，傳統(tǒng)熔焊方法容易導(dǎo)致焊縫缺陷、熱影響區(qū)軟化及疲勞性能下降。激光焊接作為一種高能束焊接技術(shù)，通過高能量密度的激光束實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)熔化和快速凝固，有效減少了熱輸入對(duì)母材的影響，提高了接頭的組織均勻性和強(qiáng)度。與傳統(tǒng)熔化焊接方法相比，激光焊接的熱影響區(qū)較窄，焊接變形小，且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高重復(fù)性的自動(dòng)化焊接。激光焊接過程中，激光束作用于焊接區(qū)域，使材料迅速熔化并冷卻，形成細(xì)小等軸晶組織，減少粗大柱狀晶及偏析問題。

1.2 焊接接頭微觀組織分析

激光焊接過程中，焊縫區(qū)域的快速凝固過程使其形成細(xì)小等軸晶或柱狀晶組織，相較于傳統(tǒng)熔焊方法，晶粒尺寸更小，有助于提高接頭的強(qiáng)度和耐疲勞性能。但受焊接熱循環(huán)影響，熱影響區(qū)的組織發(fā)生軟化，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，成為接頭疲勞失效的薄弱區(qū)域。焊縫區(qū)的微觀組織主要由α-Al基體相及彌散分布的第二相粒子組成，其中Al2Cu、Al3Li等強(qiáng)化相的析出行為對(duì)焊縫的機(jī)械性能具有重要影響。焊縫金屬的快速凝固易導(dǎo)致枝晶偏析，使合金元素在晶界處富集，可能引發(fā)晶界脆化和裂紋敏感性增加。熱影響區(qū)由于受熱循環(huán)作用，部分強(qiáng)化相發(fā)生粗化、溶解或再析出，導(dǎo)致組織軟化，進(jìn)而降低接頭的整體強(qiáng)度和耐疲勞性能。

1.3 焊接接頭的力學(xué)性能測試

為了全面評(píng)估2195鋁鋰合金激光焊接接頭的力學(xué)性能，通常進(jìn)行拉伸、硬度和沖擊等測試。拉伸試驗(yàn)用于測定接頭的極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷裂伸長率。由于激光焊接的高冷速特性，焊縫區(qū)組織較為致密，強(qiáng)度較高，但熱影響區(qū)因軟化現(xiàn)象，其強(qiáng)度往往低于母材，拉伸斷裂多發(fā)生于熱影響區(qū)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化激光焊接參數(shù)可在一定程度上改善接頭的拉伸性能，使焊縫強(qiáng)度接近母材。硬度測試用于表征焊接接頭不同區(qū)域的硬度分布，通常采用顯微硬度計(jì)沿焊縫中心線和橫截面進(jìn)行測量。結(jié)果顯示，焊縫區(qū)因晶粒細(xì)化效應(yīng)，硬度較高，而熱影響區(qū)因組織軟化，硬度有所降低，形成“軟區(qū)效應(yīng)”，影響疲勞壽命。沖擊試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)焊接接頭的韌性，特別是在低溫環(huán)境下的斷裂韌性。

2 2195鋁鋰合金激光焊接接頭疲勞測試方法

2.1 疲勞試驗(yàn)方案與加載條件設(shè)計(jì)

疲勞試驗(yàn)主要采用高周疲勞（HCF）和低周疲勞（LCF）兩種方式，以模擬航天燃料貯箱在服役過程中承受的交變載荷。試驗(yàn)機(jī)選用MTS810電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，加載方式為軸向拉-拉循環(huán)載荷，加載頻率與應(yīng)力比根據(jù)航天器結(jié)構(gòu)工況設(shè)定。高周疲勞試驗(yàn)的加載頻率設(shè)定在20 Hz，主要考察接頭在高循環(huán)應(yīng)力下的疲勞壽命，疲勞應(yīng)力幅度設(shè)定為母材屈服強(qiáng)度的30%～60%。低周疲勞試驗(yàn)的加載頻率較低（1 Hz），采用應(yīng)變控制模式，測試接頭在較大塑性應(yīng)變作用下的疲勞壽命，塑性應(yīng)變范圍設(shè)定在0.2%～1.5%。所有試驗(yàn)均在室溫環(huán)境（25±2℃）下進(jìn)行，并采用高精度引伸計(jì)監(jiān)測變形情況。

2.2 高周疲勞與低周疲勞測試方法

高周疲勞試驗(yàn)采用梯度應(yīng)力加載法進(jìn)行S-N曲線測試，選擇五個(gè)應(yīng)力水平，每個(gè)水平測試6個(gè)試樣，總計(jì)30個(gè)試樣。應(yīng)力比設(shè)定為R=0.1，最大應(yīng)力水平范圍為120～250 MPa，以模擬航天結(jié)構(gòu)件的典型服役載荷。試驗(yàn)過程中，試樣在恒定應(yīng)力幅值的交變載荷作用下運(yùn)行至失效或達(dá)到107次循環(huán)作為終止條件，記錄對(duì)應(yīng)的疲勞壽命，并繪制S-N曲線。裂紋萌生位置、擴(kuò)展路徑及斷口形貌采用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行分析。低周疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，以研究焊接接頭在高塑性變形下的疲勞行為。通過Manson-Coffin方程進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，評(píng)估疲勞裂紋萌生壽命及疲勞裂紋擴(kuò)展速率。設(shè)定的應(yīng)變范圍分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.2%和1.5%，每個(gè)應(yīng)變水平測試5個(gè)試樣，總計(jì)25個(gè)試樣。試驗(yàn)采用三角波形加載，循環(huán)頻率1 Hz，每個(gè)試樣加載至斷裂。

2.3 試樣制備與測試數(shù)據(jù)采集

疲勞試樣按照ASTM E466標(biāo)準(zhǔn)加工，采用線切割技術(shù)切割成啞鈴形狀，焊接接頭位于試樣中心，保證試驗(yàn)過程中疲勞裂紋萌生于焊接區(qū)。試樣表面經(jīng)過機(jī)械拋光處理，以減少表面缺陷對(duì)疲勞性能的影響。所有試樣按照嚴(yán)格的尺寸公差加工，并采用超聲波探傷檢測焊縫質(zhì)量，剔除存在顯著缺陷的試樣，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)采集過程中，采用數(shù)字式疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)記錄加載力、位移、循環(huán)次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所示。

從上面表格可以看出，高周疲勞下，焊接接頭的疲勞壽命隨應(yīng)力水平降低而顯著提高，失效模式主要為焊縫或熱影響區(qū)斷裂，斷裂源多集中于焊縫微缺陷處。

3 2195鋁鋰合金激光焊接接頭疲勞性能分析

3.1 疲勞裂紋擴(kuò)展特性與斷口分析

疲勞裂紋的萌生通常發(fā)生在焊縫區(qū)或熱影響區(qū)的微觀缺陷處，例如氣孔、未熔合、合金元素偏析導(dǎo)致的弱結(jié)合界面等。裂紋擴(kuò)展行為受焊縫微觀組織、殘余應(yīng)力分布及應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，在高周疲勞條件下，裂紋擴(kuò)展速度較低，主要以準(zhǔn)解理斷裂和少量韌窩斷裂為主；在低周疲勞條件下，裂紋擴(kuò)展速率顯著提高，擴(kuò)展路徑沿晶界或弱化區(qū)發(fā)展，表現(xiàn)出明顯的沿晶斷裂特征。掃描電子顯微鏡（SEM）分析表明，焊縫區(qū)域的疲勞裂紋源通常位于焊趾處，這是由于焊縫表面存在較高的殘余拉應(yīng)力和幾何不連續(xù)性，使應(yīng)力集中程度較高。隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，裂紋沿焊接熔合線或熱影響區(qū)擴(kuò)展，并在最終失效階段發(fā)生快速斷裂，表現(xiàn)為粗糙的解理斷口。斷裂韌性分析表明，熱影響區(qū)的裂紋擴(kuò)展阻力較低，這與焊接熱輸入導(dǎo)致的組織軟化密切相關(guān)。

3.2 焊接工藝參數(shù)對(duì)疲勞壽命的影響

激光焊接的主要工藝參數(shù)包括激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、保護(hù)氣體類型和流量等，這些參數(shù)影響焊縫的成形質(zhì)量、微觀組織以及殘余應(yīng)力分布。較高的激光功率能夠增加焊縫的熔深，提高接頭強(qiáng)度，但過高的功率可能導(dǎo)致合金元素過度燒損，引起焊縫脆化。焊接速度對(duì)疲勞性能的影響較大，過快的焊接速度容易導(dǎo)致未熔合缺陷，而過慢的速度則會(huì)增加焊接熱輸入，導(dǎo)致熱影響區(qū)組織軟化，從而降低疲勞壽命。焦點(diǎn)位置的優(yōu)化可以減少氣孔和裂紋的形成，提高焊縫致密性。實(shí)驗(yàn)研究表明，在優(yōu)化的激光焊接參數(shù)條件下（激光功率 3.5 kW，焊接速度 3 m/min，焦點(diǎn)位置 0 mm），焊接接頭的疲勞壽命較高，焊縫微觀組織均勻，裂紋擴(kuò)展阻力增強(qiáng)。相比之下，激光功率過低或焊接速度過快的情況下，焊接接頭的疲勞壽命顯著降低，疲勞裂紋容易在焊縫內(nèi)部缺陷處萌生，并沿晶界迅速擴(kuò)展。殘余應(yīng)力分析表明，優(yōu)化的焊接工藝可減少焊縫內(nèi)部的拉應(yīng)力，提高疲勞抗損傷能力。

3.3 焊接接頭的疲勞極限與壽命評(píng)估

為了獲取2195鋁鋰合金激光焊接接頭的疲勞極限，采用梯度加載法進(jìn)行高周疲勞測試，得到疲勞極限σ_f。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在應(yīng)力比 R=0.1 條件下，焊接接頭的疲勞極限為 165 MPa，低于母材的疲勞極限（210 MPa）。疲勞壽命測試采用 S-N 曲線表征疲勞壽命與應(yīng)力水平的關(guān)系，具體數(shù)據(jù)見表2。

從表2可以看出，疲勞壽命隨應(yīng)力水平降低而顯著提高，焊縫區(qū)的疲勞壽命低于熱影響區(qū)。

4 2195鋁鋰合金焊接接頭疲勞性能優(yōu)化策略

4.1 激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化對(duì)疲勞性能的影響

激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置和保護(hù)氣體流量等因素直接影響焊接熔深、焊縫微觀組織及殘余應(yīng)力分布。在優(yōu)化焊接功率時(shí)，過高的功率會(huì)導(dǎo)致焊縫粗大晶粒形成，降低疲勞裂紋擴(kuò)展阻力，而功率過低會(huì)導(dǎo)致未熔合和氣孔缺陷，使裂紋萌生提前發(fā)生。研究表明，在3.5 kW～4.0 kW范圍內(nèi)，焊縫致密性最佳，焊接強(qiáng)度和疲勞性能達(dá)到較優(yōu)水平。焊接速度的優(yōu)化同樣重要，過快的焊接速度會(huì)增加裂紋敏感性，而過慢的焊接速度會(huì)加劇熱輸入，導(dǎo)致熱影響區(qū)組織軟化。試驗(yàn)結(jié)果表明，在3.0 m/min的焊接速度下，焊接接頭的微觀組織均勻，疲勞壽命最高。

4.2 殘余應(yīng)力調(diào)控與疲勞抗損傷設(shè)計(jì)

激光焊接過程中，由于局部高溫熔化和快速冷卻，焊縫和熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生較高的殘余拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力的存在會(huì)加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，降低疲勞壽命。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、采用輔助工藝和后處理技術(shù)，可以有效降低殘余拉應(yīng)力，提升焊接接頭的抗疲勞性能。實(shí)驗(yàn)研究表明，采用超聲沖擊處理（UIT）能夠有效降低焊縫區(qū)域的拉應(yīng)力，并在焊趾處引入有利的殘余壓應(yīng)力，從而延緩裂紋萌生，提高疲勞壽命。噴丸強(qiáng)化處理同樣是一種有效的殘余應(yīng)力調(diào)控手段，在焊縫表面形成塑性變形層，使表層產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，提高裂紋擴(kuò)展阻力。優(yōu)化焊接順序與夾具設(shè)計(jì)，可降低焊接變形，減少應(yīng)力集中效應(yīng)，改善疲勞性能。

4.3 熱處理與后處理工藝對(duì)疲勞性能的提升

固溶時(shí)效處理能夠促進(jìn)2195鋁鋰合金焊接接頭中強(qiáng)化相的析出，提高材料的抗疲勞性能。在540℃固溶處理后，結(jié)合160℃×18 h的時(shí)效處理，焊接接頭的疲勞極限和疲勞壽命均顯著提高，焊縫區(qū)的硬度恢復(fù)到接近母材的水平，減少了熱影響區(qū)的軟化程度。機(jī)械后處理工藝如振動(dòng)時(shí)效處理（VSR）和低溫退火處理（LTA）能夠有效釋放殘余應(yīng)力，提高焊縫抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。數(shù)據(jù)顯示，采用優(yōu)化熱處理工藝的焊接接頭，其疲勞壽命比未經(jīng)處理的接頭提高40%以上，數(shù)據(jù)如表3所示。

從上面表格可以看出，固溶+時(shí)效處理可以顯著提高焊接接頭的疲勞壽命，主要原因是強(qiáng)化相的均勻析出增強(qiáng)了材料的微觀強(qiáng)度，同時(shí)減少了熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。

5 結(jié)論

研究表明焊接接頭微觀組織由細(xì)小等軸晶和柱狀晶組成且焊縫區(qū)較母材更易產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞裂紋主要萌生于焊縫或熱影響區(qū)微觀缺陷處并沿弱化組織擴(kuò)展，斷口分析顯示高周疲勞主要呈準(zhǔn)解理斷裂而低周疲勞有沿晶斷裂特征。焊接工藝參數(shù)經(jīng)優(yōu)化可有效提高接頭疲勞壽命，合適激光功率、焊接速度及保護(hù)氣體控制能減少焊接缺陷并改善組織均勻性。殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)借助超聲沖擊、噴丸強(qiáng)化等方法有效引入殘余壓應(yīng)力以降低裂紋萌生風(fēng)險(xiǎn)。固溶時(shí)效處理可優(yōu)化焊縫微觀組織并提高疲勞極限且聯(lián)合機(jī)械強(qiáng)化手段能進(jìn)一步提升疲勞性能。綜合分析表明的是通過工藝優(yōu)化、殘余應(yīng)力調(diào)控及熱處理等措施可顯著提升焊接接頭抗疲勞能力從而為航天結(jié)構(gòu)件可靠性設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金部門聯(lián)合基金項(xiàng)目（2023JJ60215）。

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