2195鋁鋰合金VPTIG焊接頭組織性能

施 軍，胡明華，朱迅強，陳偉杰

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

0 前言

2195鋁鋰合金具有密度低、比強度高、低溫性能及耐蝕性優(yōu)良等特性，在航空航天領域具有廣闊的應用前景[1-3]。隨著鋁鋰合金的不斷應用，其焊接性能受到越來越多研究人員的關注，研究發(fā)現(xiàn)[4-6]：由于Li對氫的親和力極強，Al-Li合金的含氫量比普通鋁合金更高，極易在焊接過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷，且接頭弱化效果明顯。此外，鋁鋰合金是典型的共晶型合金，具有較大的熱裂紋傾向；Cu元素加入后進一步擴大了合金的結(jié)晶溫度區(qū)間，造成Al-Cu-Li合金焊接時容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，一定程度上限制了2195鋁鋰合金的應用。本研究通過采用變極性TIG（VPTIG）新工藝，在很大程度上改善了2195鋁鋰合金在TIG焊時遇到的問題。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為2195鋁鋰合金板，尺寸400mm×100 mm×2 mm，熱處理狀態(tài)為T8態(tài)，其主要化學成分和力學性能分別如表1和表2所示。填充金屬選用直徑為φ1.6 mm的ER2325焊絲，其主要化學成分如表3所示。

表1 2195鋁鋰合金化學成分 %

表2 2195鋁鋰合金的力學性能

表3 ER2325焊絲化學成分 %

1.2 試驗方法

采用平板對接的方式進行拼接，利用琴鍵工裝壓緊試板，保證裝配間隙小于0.5 mm，背面采用氬氣保護；采用VPC450自動焊接設備實施焊接，焊接方向垂直于軋制方向，焊接保護氣為純氬。

焊態(tài)條件下，利用X射線探傷方法檢測焊縫內(nèi)部有無氣孔等焊接缺陷。

1.3 工藝參數(shù)選擇

為確定合適的焊接工藝參數(shù)范圍，對2195合金進行了大量的參數(shù)試驗。經(jīng)過前期試驗，得到初步的試驗工藝見表4。

表4 VPTIG焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 接頭宏觀形貌

根據(jù)表3中的工藝參數(shù)條件進行試板焊接，并觀察焊縫的宏觀形貌。圖1為在1#工藝參數(shù)條件下的焊接后的焊縫形貌。由于焊接電流偏小，熔深較小，焊縫背面出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象。

圖1 工藝1條件下的焊縫反面形貌

圖2為3#工藝參數(shù)條件下的焊接后的焊縫形貌。因焊接電流過大，焊縫成形較差，存在燒穿缺陷。

圖3是在2#工藝參數(shù)條件下的焊接后焊縫正反面形貌。由圖3可知，焊縫表面光滑，與母材圓滑過渡，反面成形均勻，焊縫保護較好，未出現(xiàn)咬邊、表面氣孔等缺陷。

圖4為2#工藝條件下焊縫的X射線探傷底片，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，焊縫內(nèi)部質(zhì)量良好。因此，確定2#工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。

圖2 工藝3條件下的焊縫形貌

圖3 最佳焊接工藝參數(shù)下的焊縫形貌

圖4 焊縫X射線探傷底片

2.2 顯微組織觀察

經(jīng)X射線探傷合格后的試板，按標準GB/T228.1-2010要求，采用線切割制備成標準的焊接接頭拉伸試樣，如圖5所示。

圖5 拉伸試樣示意

在EHC-300型拉伸試驗機上測試焊接接頭的力學性能；采用Keller試劑對焊縫和母材表面進行浸蝕，在Leica-DMR型金相顯微鏡上觀察焊縫和母材的顯微組織形貌。

2195合金母材的顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知，由于試板經(jīng)過軋制，母材呈現(xiàn)明顯的條帶狀組織，在α(Al)基體上分布著析出強化相，同時在晶界上分布著灰色第二相。

圖6 2195鋁鋰合金母材顯微組織形貌

焊接接頭顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可知，焊縫區(qū)組織由等軸晶和樹枝晶組成，等軸晶晶粒尺寸明顯小于母材；熱影響區(qū)（HAZ）組織相較于母材，晶粒大小略有一定的增長，造成該區(qū)域晶粒增大的主要原因是由于在焊接過程中，母材受熱，晶粒發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒長大，從而降低焊縫力學性能[7-8]。

焊接接頭的金相顯微組織中并未看到鋁合金焊接時常見的焊縫邊緣柱狀晶組織，但發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)附近存在一層獨特的細晶組織，如圖7b箭頭所示。李小飛[6]等人的研究表明，細晶層的存在有利于降低鋁鋰合金的焊縫熱裂紋敏感性，從而明顯改善其焊接性。

產(chǎn)生細晶區(qū)的原因：（1）焊接冷卻時，熔池結(jié)晶是由熔合線先開始的，結(jié)晶速度較大，從而能快速形核，晶粒來不及長大，所以產(chǎn)生一個明顯的細晶區(qū)。（2）Li在鋁中的分配系數(shù)小于1，且作為表面活性元素易富集在固液界面前沿的液相中使溶質(zhì)濃度增加，并吸附在晶核表面，一方面導致成分過冷度ΔTW的增大，促進新相成核；另一方面則阻礙了微小晶體的成長，使晶粒細化，為焊縫熔合區(qū)細小等軸晶粒的形成提供了動力學條件[5-6]。

圖7c為熱影響區(qū)顯微組織，由圖可知，除基體上分布著少量黑色顆粒狀的AlLi相外，晶界上還析出了大量的灰色的第二相，呈針狀、短桿狀，為CuAl2相。這些第二相的析出和長大，會顯著降低接頭的力學性能，成為材料破壞的源頭。

圖7 焊縫顯微組織形貌

2.3 接頭力學性能

圖8為最佳工藝參數(shù)條件下的焊接接頭的抗拉強度和延伸率。接頭平均抗拉強度約為373 MPa，約為母材強度的66.5%（母材σb=560 MPa），平均延伸率為7.4%，接頭強度穩(wěn)定。

圖8 焊接接頭強度及延伸率

3 結(jié)論

（1）VPTIG焊接方法可以有效焊接厚度為2mm的薄板2195鋁合金。

（2）在 I+=70~80 A，I-=90~100 A，氬氣流量 12~14 L/min，焊接速度200 mm/min的條件下，焊縫成形美觀，內(nèi)部質(zhì)量良好。

（3）在最佳工藝參數(shù)范圍內(nèi)，合金接頭的平均強度約為373MPa，延伸率為7.4%。

（4）焊縫中心組織為等軸晶組織，在熔合區(qū)附近存在獨特的細晶區(qū)域；焊縫組織中存在著少量第二相，在α(Al)基體上分布著黑色的AlLi相，晶界處有CuAl2相。

[1]Grimes R.，Cornish A.J.，Miller W.S.，et al.Aluminum-Lithium based alloys for aerospace applications[J].Metals and Materials，1985（1）：357-363.

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[4]李曉敏，申長吉，王 蕾，等.LY12薄板焊接熱裂敏感性探討[J].輕合金加工技術，1995（7）：23-25.

[5]束 彪.2195鋁鋰合金焊接工藝及其焊接接頭組織性能研究[D].沈陽航空工業(yè)學院，2010.

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