2195铝锂合金钨极氩弧焊接工艺研究_温斯涵.pdf

宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期2195铝锂合金钨极氩弧焊接工艺研究温斯涵1 朱文俐2 孙建秋1 胡正根2 焦好军1（1 航天材料及工艺研究所，北京 100076）（2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076）文摘 针对2195铝锂合金在焊接时裂纹敏感性高、气孔敏感性高、易氧化等问题，开展氩弧焊接工艺研究，对焊接头的抗裂性、力学性能及显微组织进行了分析。研究表明，提高焊缝金属中的Cu含量，可以有效降低2195铝锂合金熔焊接头的裂纹敏感性，裂纹率K1=0%，K2=0%。2195铝锂合金单面双层焊接接头力学性能最佳，抗拉强度超过376 MPa，延伸率达到5.5%。提高焊接试板的清理深度可以解决焊接气孔敏感性高的问题，增加氩气拖后保护及背保护措施可以有效防止焊接氧化问题。熔焊工艺研究可为2195铝锂合金的工程应用提供技术支撑。关键词 铝锂合金，熔焊工艺，力学性能，微观组织中图分类号：TG442 DOI：10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.010Study on the TIG Welding Crafts of 2195 Aluminum-lithium AlloyWEN Sihan1 ZHU Wenli2 SUN Jianqiu1 HU Zhenggen2 JIAO Haojun1（1 Aerospace Research Institute of Materials&Processing Technology，Beijing 100076）（2 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076）AbstractThe welding crafts of 2195 aluminum-lithium alloy was investigated to solve the problems of high crack sensitivity，high porosity sensitivity，oxidation during welding of 2195 aluminum-lithium alloy.The crack sensitivity，mechanical properties and microstructure of the weld joints were analyzed.The results show that the increasing Cu content in fusion can effectively reduce the crack sensitivity of the weld joints，with K1=0%and K2=0%.The two pass welded joint display the best tensile properties.The tensile strength of joint is 376 MPa，while the elongation of joint is 5.5%.The problem of high porosity sensitivity is solved by increasing the cleaning depth of the welding plate.Using pure Ar gas for backward gas and root side purge gas can avoid the fusion welding from oxidation.The research of welding process provided technical support for the engineering application of 2195 aluminum-lithium alloy.Key words Al-Li alloy，Welding crafts，Mechanical property，Microstructure0 引言锂（Li）是最轻的金属元素，密度仅为 0.534 g/cm3，每添加1%（w）的Li可以使合金的密度降低3%，弹性模量提高6%。2195铝锂合金为第三代铝锂合金，提高了合金Cu/Li的比例，并添加了Mg、Ag等合金化元素，解决了第二代铝锂合金塑性和韧性较低，各向异性严重等问题，具备低密度、高比强度、高比模量、高比刚度等优点1-8，在航空航天及化工等领域中具有巨大的应用潜力。熔焊技术是2195铝锂合金工程应用所需的关键技术之一，研究表明，2195铝锂合金在熔焊时存在裂纹敏感性高、焊缝易氧化、焊接气孔敏感性高、接头塑性较差等问题9-11，阻碍其进一步工程化应用。国内外学者开展配用焊丝设计及熔焊工艺研究工作以解决2195铝锂合金的焊接问题。国外NASA及Lockheed Martin公司研制出编号为B218的Al-Cu焊丝12，熔焊接头拉伸强度为380 MPa，延伸率达到5%。国内焦好军等13也制备出2195铝锂合金的配用焊丝，熔焊接头强度超过 380 MPa，延伸率超过3%，裂纹敏感性 K1=0%，K2=0%。目前，2195铝锂合金熔焊工艺研究主要以提高接头性能为主，关于2195 铝锂合金通用熔焊工艺研究工作的公开报道收稿日期：2022-01-13第一作者简介：温斯涵，1991年出生，博士研究生，主要从事铝锂合金焊丝研制及焊接工艺研究工作。E-mail： 69宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期较少。本文针对铝锂合金易氧化、气孔敏感性高、焊接裂纹敏感性高、接头软化等焊接问题，开展试板级2195铝锂合金通用熔焊工艺研究，优选坡口形式及焊接方式，细化过程控制，明确焊接注意事项，形成2195铝锂合金通用熔焊工艺方法。1 实验1.1 材料所用原材料为国产T8态2195铝锂合金轧制板材，厚度为 6 mm，合金成分为 Al-4Cu-1Li-0.4 Mg-0.4Ag-0.1Zr。焊接试验填充材料选用自主研发的2195 铝 锂 合 金 配 用 焊 丝，焊 丝 成 分 为 Al-6Cu-0.25Ti-0.25Zr，焊丝直径为3.0 mm。1.2 试验方法T8 态试板尺寸为 300 mm100 mm6 mm，对接缝长度为300 mm，焊接方向为板材的轧制方向。焊接试板加工出V型焊接坡口，单边坡口角度为60，钝边高2 mm。焊接前，将焊接试板和焊丝进行除油和酸洗处理，然后打磨刮削焊口表面，清表面的氧化膜，提高焊接质量。使用钨极氩弧焊接方法进行焊接，焊接设备为奥地利生产的Fronius MW 4000型焊机，焊接电源为交流模式，钨极直径为3.2 mm，采用半自动焊接方式进行焊接（手工送丝）。焊接时，将试板装夹至不锈钢材质的焊接工装上，保证试板的间隙及错边。焊接工艺分别选择单面单层焊接（单层）、单面双层焊接（打底+盖面）及两面三层焊接（打底+两层盖面），各层焊接之间均将温度降至常温，盖面层采用摆动方式进行焊接。焊接参数包括焊接电流、焊接速度及氩气流量，各道次焊接参数如表 1所示。拉伸试样由带余高的熔焊接头试样沿横向截取制备，试样总长为 175 mm，常温拉伸试验在国产的CMT5105电子万能试验机上进行，每种拉伸试样取5个子样。使用X射线衍射分析（XRD）对2195铝锂合金母材及熔焊接头的相组成进行分析。实验设备为德国生产的 AXS-D8 型 X 射线衍射分析仪，衍射时采用Cu-K靶，波长=0.1540 5 nm，扫描速度为6/min，扫描范围为1090。利用徕卡生产的DM4000M金相显微镜观察接头的组织形貌。为了方便对样品的界面进行观察，需要将样品进行冷镶处理，并使用混合酸溶液进行侵蚀。采用 FEI 公司生产的 Quanta 200F场发射环境扫描电镜（SEM）分析熔焊接头的微观组织及拉伸试样断口形貌。检测样品时，使用二次电子像（SEI）观察拉伸试样断口形貌，使用背散射电子像（BSE）观察熔焊接头的微观组织。2 结果与分析2.1 焊接熔合比航天铝合金熔焊接头焊后不再进行热处理，在焊后冷却条件一定时，焊缝化学成分对接头性能起决定性的影响作用。在熔焊时，焊缝的成分Ch是由母材成分Cm、焊丝成分Cs和熔合比三个参数决定的，满足以下关系：Ch=Cm+（1-）Cs（1）焊缝熔合比是指焊缝中熔化母材所占的比例，焊缝横截面由两部分构成，母材熔化部分面积为S1，焊丝熔化填充部分面积为S2，熔合比为：=S1/（S1+S2）（2）由于2195铝锂合金母材的成分已经确定，因此焊缝的成分主要由焊丝成分及熔合比决定。在熔焊过程中，控制熔合比的方法主要为调整焊接坡口角度及钝边的大小。在焊接6 mm厚板材时，单边坡口角度为60，钝边高2 mm，熔合比约为0.5，填丝量较大；无坡口试板的焊接熔合比约为0.7，填丝量较少。选用环形焊缝试验方法对2195铝锂合金的焊接裂纹敏感性进行评价，研究焊接熔合比对裂纹敏感性的影响。在圆环上进行自熔焊接，观察并测量裂纹长度，实验结果见图1。焊缝中心目视可见较长裂纹，表明2195铝锂合金材料本身的裂纹敏感性很高，需要添加合适的焊丝提高其抗裂性能。图2为填丝焊接圆环焊接试样的宏观形貌及X光检测结果。X光结果显示，环形焊缝未发现液化裂纹存在，即裂纹率 K2=0%。无坡口圆环焊缝中心目表1熔焊工艺参数Tab.1Processing parameters of the fusion welding层数单层打底盖面焊接电流/A290240200焊接速度/mmmin-110010080气流量/Lmin-1111111图1自熔圆环试验Fig.1Circular patch experiment of self fusion 70宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期视可见明显裂纹，利用机械法将焊接热裂纹打开，在扫描电镜下观察裂纹断口形貌，见图3，呈典型热裂纹断口形貌特征，断口分布着“鹅卵石”状光滑颗粒。经测量裂纹长度达到 6 mm，其结晶裂纹敏感性 K1=3.5%。带坡口试板熔焊接头未检测到裂纹产生，其结晶裂纹敏感性 K1=0%。试验结果证明，增加焊丝金属填充量，降低2195铝锂合金焊接熔合比，提高焊缝金属中的Cu含量，可以有效降低2195铝锂合金熔焊接头的裂纹敏感性。因此，后续验证试验均采用带坡口试板进行。2.2 焊接工艺优化采用单面单层焊、单面双层焊、两面三层焊的方式，对6 mm厚2195铝锂合金试板进行焊接，填充材料均选用自主研发的2195铝锂合金配用焊丝。焊接参数见表1。利用三种工艺焊接2195铝锂合金试板后，目视检查焊缝外观合格，X光检测结果显示，焊缝均符合QJ2698A2011 I级焊缝要求。利用X射线衍射仪分析焊缝组织，并使用Jade软件对特征峰进行标定，结果见图4。熔焊工艺对接头的相组成影响较小，接头主要由-Al及Al2Cu组成。对熔焊接头的显微组织进行分析，接头主要由焊缝熔化区（FZ）、熔合线半熔化区（FL）、热影响区（HAZ）组成，考察不同熔焊工艺对焊缝熔化区组织形貌的影响，结果见图5。焊缝熔化区组织呈典型的铸态组织特征，单面双层熔焊接头晶粒细小均匀，平均晶粒尺寸仅为20 m，见图6（a）。两面三层熔焊接头形貌与单面双层接头类似，但是经历二次焊接热循环作用后，盖面层晶粒尺寸略有增大，经统计其平均晶粒尺寸约为30 m，见图6（b）。单面双层焊接及两面三层焊接打底层同样经历二次焊接热循环作用，打底层晶粒尺寸约为40 m，见图6（c）。单面单层熔焊接头组织较粗大，平均晶粒尺寸超过50 m，这是因为单次焊接热输入量过大，导致形成粗大的铸态组织，见图6（d）。使用扫描电镜（SEM）对2195铝锂合金熔焊接头的微观组织进行分析，通过背散射图像确定焊缝中的相分布，对-Al 基体上的析出相进行能谱分析（EDS），确定其化学成分。三种熔焊接头具有相似的背散射图像，焊缝中心组织致密且均匀，亮白色析出相均匀的分布在灰色-Al基体上，见图6。结合能谱分析可知，焊缝熔化区