2195鋁鋰合金VPTIG焊接頭組織性能

施 軍，胡明華，朱迅強(qiáng)，陳偉杰

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

0 前言

2195鋁鋰合金具有密度低、比強(qiáng)度高、低溫性能及耐蝕性優(yōu)良等特性，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。隨著鋁鋰合金的不斷應(yīng)用，其焊接性能受到越來越多研究人員的關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)[4-6]：由于Li對氫的親和力極強(qiáng)，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(jìn)一步擴(kuò)大了合金的結(jié)晶溫度區(qū)間，造成Al-Cu-Li合金焊接時(shí)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(yīng)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(shí)遇到的問題。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(xué)成分和力學(xué)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(xué)成分如表3所示。

表1 2195鋁鋰合金化學(xué)成分 %

表2 2195鋁鋰合金的力學(xué)性能

表3 ER2325焊絲化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

采用平板對接的方式進(jìn)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(hù)；采用VPC450自動焊接設(shè)備實(shí)施焊接，焊接方向垂直于軋制方向，焊接保護(hù)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(jìn)行了大量的參數(shù)試驗(yàn)。經(jīng)過前期試驗(yàn)，得到初步的試驗(yàn)工藝見表4。

表4 VPTIG焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)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(jìn)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010要求，采用線切割制備成標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)機(jī)上測試焊接接頭的力學(xué)性能；采用Keller試劑對焊縫和母材表面進(jìn)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(qiáng)化相，同時(shí)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(xué)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(shí)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(dú)特的細(xì)晶組織，如圖7b箭頭所示。李小飛[6]等人的研究表明，細(xì)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(xì)晶區(qū)的原因：（1）焊接冷卻時(shí)，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(gè)明顯的細(xì)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(dǎo)致成分過冷度ΔTW的增大，促進(jìn)新相成核；另一方面則阻礙了微小晶體的成長，使晶粒細(xì)化，為焊縫熔合區(qū)細(xì)小等軸晶粒的形成提供了動力學(xué)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(xué)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(xué)性能

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

圖8 焊接接頭強(qiáng)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(qiáng)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(dú)特的細(xì)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。

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