TIG焊接電流對C24S鋁鋰合金接頭組織和性能的影響

余愛武，顧　丹，胡　藍，張　軍，齊海雁

（上海航天設備制造總廠，上海200245）

TIG焊接電流對C24S鋁鋰合金接頭組織和性能的影響

余愛武，顧丹，胡藍，張軍，齊海雁

（上海航天設備制造總廠，上海200245）

采用四種不同的焊接電流對C24S鋁鋰合金進行TIG焊試驗，并研究了焊縫的成形及接頭的微觀組織和力學性能。結果表明，當焊接電流55 A時，焊接熱輸入量不足，導致焊縫未焊透；當焊接電流60 A時，焊縫成形良好，接頭的組織細小，抗拉強度達到母材強度的65％；當焊接電流繼續增加時，焊縫的寬度明顯增大，焊縫區強化相會大量溶解，晶粒明顯粗化，同時Li元素的蒸發及熱影響區的顯著軟化嚴重降低了接頭的力學性能。

C24S鋁合金；焊接電流；微觀組織；力學性能

0　前言

鋁鋰合金憑借其良好的減重效應及高的比強度和比剛度，已在航空航天、汽車船舶以及電工電子等領域得到了廣泛的應用[1-3]。目前鋁鋰合金多采用攪拌摩擦焊（FSW）來實現連接以避免熔焊過程中出現的氣孔、裂紋和接頭強度系數降低等現象[4-5]，但對于一些結構復雜及尺寸較小的鋁鋰合金構件，攪拌摩擦焊（FSW）也難以實現連接。而傳統的TIG焊方法以其操作方便，可達性強等優點，仍作為鋁鋰合金復雜件和小型件較為經濟、有效的焊接方法，但在鋁鋰合金TIG焊時，如何選用合理的焊接參數來控制焊接熱循環溫度，是盡可能保證接頭組織并提高性能的重要前提。本研究采用了四種不同的焊接電流對C24S鋁鋰合金進行了TIG焊實驗，并研究分析了焊縫成形及接頭微觀組織和力學性能。

1　實驗材料及方法

1.1實驗材料

實驗采用的母材為C24S-T8鋁鋰合金板材，試件尺寸200 mm×150 mm×2 mm，母材的抗拉強度為478 MPa。母材的組織形貌如圖1所示，母材化學成分如表1所示。

圖1　母材的微觀組織Fig.1Microstructure of base metal

表1　母材化學成分Tab.1Chemical composition of base metal％

1.2實驗方法

焊前采用不銹鋼鋼絲刷清理試板對接面兩側氧化膜，再用丙酮清洗對接面兩側的油污。采用lincoln TIG-355交直流氬弧焊機進行對接焊，采用單面焊雙面成形，焊接時保護氣體為純度99.99％的氬氣。焊接工藝參數見表2。焊后將焊接試件加工成標準拉伸試樣，在W9W-50型微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率2 mm/min；在401MVD型數字顯微硬度計上測定接頭的顯微硬度；使用4XB-TV型顯微鏡觀察接頭的微觀組織。

表2　焊接工藝參數Tab.2Welding process parameters

2　試驗結果及分析

2.1焊縫形貌

圖2給出了四組焊接參數下所得焊縫的形貌。由圖2可知，采用55 A電流時，焊縫金屬并未完全熔化，焊縫根部未融合；當增加焊接電流到60 A時，對接面完全焊透，且焊縫平整美觀；當焊接電流繼續增大時，焊縫寬度明顯增大，且在電流為70 A時，焊縫寬度最大，部分區域發生了燒穿。

圖2　不同焊接電流下的焊縫正反面形貌Fig.2Positive and negative morphology of welded joint with different welding current

2.2焊接接頭的微觀組織

圖3為不同焊接電流下所得焊縫的微觀組織。可見，采用55 A電流焊接所得的焊縫根部未焊透；采用60 A時，接頭成形良好，焊縫區由等軸晶和等軸支晶組成，熔合區為細小的等軸晶區，熱影響區長大趨勢并不明顯；當焊接電流達到65 A且繼續增大時，所得焊縫區的等軸晶逐漸消失，完全被粗大的等軸支晶取代，同時融合區的等軸晶區也逐漸消失，熱影響區的組織顯著粗化。

2.3焊接接頭的拉伸性能

四種焊接接頭的抗拉強度如表3所示。當焊接電流為60 A時，接頭抗拉強度最高，為308.2 MPa，達到母材強度的63.3％；當焊接電流繼續增大時，接頭的抗拉強度明顯降低，四組焊接接頭的斷裂位置都位于焊縫。

圖3　不同焊接電流下所得焊縫的微觀組織Fig.3Microstructure of welded joint with different welding current

表3　焊接接頭的拉伸性能Tab.3Tensile strength of welded joint with different welding wires

2.4焊接接頭的顯微硬度分布

60 A和70 A電流下所得焊接接頭的顯微硬度分布如圖4所示。由圖4可知，60 A和70 A電流下所得焊縫中心處的硬度最低，分別為91HV和80HV；遠離焊縫區，接頭的硬度都呈現出先升高后降低然后又升高至母材的硬度。其中60 A下的焊縫在距焊縫中心1.5 mm處達到峰值121 HV，在2 mm出現最低值；70 A下的焊縫在距焊縫中心2 mm處達到峰值107 HV；在3 mm處出現最低值。說明60 A電流下所得接頭焊縫區和熱影響區的寬度明顯較窄，且焊縫整體硬度明顯高于70 A下的焊縫硬度。

圖4　不同焊絲焊接接頭的顯微硬度分布Fig.4Micro hardness distribution of welded joint with different welding wires

C24S鋁鋰合金為固溶強化鋁合金，其強化相包括T1相(Al2CuLi)、S′相(Al2CuMg)和θ′相(Al2Cu)，而起主要強化作用的是T1相(Al2CuLi)，所以焊后接頭中Li元素的存在形式直接影響著接頭力學性能[6-7]。Li元素的沸點為1 317℃，TIG焊的電弧溫度通常在6 000℃以上，合金在焊接的過程中，含Li化合物會大量溶解，并引起Li元素的蒸發，很大程度減少了焊縫中強化相T1(Al2CuLi)的數量，焊縫強度顯著降低。本實驗中，當焊接電流為60 A時，焊接熱循環溫度較低，焊縫中強化相T1的溶解和Li元素的蒸發量較小，焊縫中仍保持較多數量的強化相；同時，熔池金屬凝固速度快，形核率高，焊縫組織不易長大，故接頭組織為細小的等軸晶和等軸枝晶，且接頭的抗拉強度可達到母材強度的63.3％。當焊接電流繼續增大時，焊接熱循環也隨之增大，這將導致焊縫中的強化相的進一步溶解和Li元素的進一步蒸發，熔池金屬形核率低，冷卻較慢，晶粒擇優趨向顯著，晶粒尺寸粗化明顯，最終焊縫組織被粗大的等軸枝晶所占據，故接頭的抗拉強度和硬度比60 A下所得焊縫的力學性能降低更加顯著，同時焊縫及熱影響區的寬度也隨著焊接電流的增加而逐漸變大。

焊接接頭不同區域的顯微硬度也與強化相的存在形式及晶粒的尺寸相關，由于焊縫區相對于熱影響區和母材金屬來說，經歷了高溫冶金反應，強化相數量顯著減少，故焊縫區的硬度最低。

熱影響區的硬度與母材相比發生了明顯的軟化。根據擴散第一定律得出的擴散方程

式中De為擴散常數；Q為擴散激活能；R為氣體常數；T為擴散溫度。

由式（1）、式（2）可知，當溫度T越高時，粒子擴散速度越快；當溫度不變時，合金元素的擴散速度主要由擴散常數De和擴散激活能Q決定。C24S合金中主要合金元素Li、Cu的擴散系數見表4[8]。

表4　Li、Cu原子的擴散速度Tab.4The diffusion coefficient of Li，Cu atom

由表4可知，Li原子的擴散常數遠大于Cu原子，而擴散激活能卻小于Cu，即Li原子的擴散速度明顯大于Cu。當焊接電流為60 A時，接頭熱影響區經歷了充分的加熱，Li元素擴散速度大，強化相的聚集長大、脫溶和析出速度均較大，從而引起了熱影響區的過時效軟化，且區域的組織與母材相比，發生了明顯的長大，故接頭的硬度在熱影響區會出現突降。當焊接電流達到65 A且繼續增加到70 A，由于焊接熱循環溫度的增加，接頭熱影響區的過時效軟化現象和組織的粗化程度會進一步加劇，該區域的硬度值相對于60 A電流時更低。隨著距焊縫中心距離越遠，受到焊接熱循環的影響越弱，析出相長大傾向減小，硬度又升高并逐漸達到母材硬度。

[1]陳建.鋁鋰合金的性能特點及其在飛機中的應用研究[J].民用飛機設計與研究，2010，23（1）：39-41.

[2]李勁風，鄭子樵，陳永來，等.鋁鋰合金及其在航天工業上的應用[J].宇航材料工藝，2012，42（1）：1706-1712.

[3]汪崧揚，葉宏，李暉，等.TIG焊接工藝參數對LY12CZ接頭性能的影響[J].電焊機，2003，33（2）：48-50.

[4]張華，孔德躍，陳雪峰，等.2A97鋁鋰合金攪拌摩擦焊[J].焊接學報，2012，33（5）：41.

[5]郭小娟，李光，董春林，等.1420鋁鋰合金攪拌摩擦焊接力學性能[J].焊接學報，2009，30（4）：45-48.

[6]張丹丹，曲文卿，尹娜，等.工藝參數對鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊接搭接接頭力學性能的影響[J].焊接學報，2013，34（2）：84-89.

[7]王大勇，馮吉才，王攀峰.攪拌摩擦焊接鋁鋰合金街頭的微觀組織及力學性能[J].金屬學報，2004，40（5）：504-508.

[8]Mondolf L F.鋁合金組織和性能[M].王祝堂譯，北京：冶金工業出版社，1988.

Effect of different welding current on microstructure and mechanical properties of C24S aluminum alloy TIG welded joint

YU Aiwu，GU Dan，HU lan，ZHANG Jun，QI Haiyan
（Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer，Shanghai 200245，China）

C24S aluminum alloy was welded by using four kinds of welding current with TIG welding method，and the weld joint forming，the microstructure and mechanical properties of the welded joint were investigated.The results show that the welding heat input shortage results in incomplete penetration when the welding current is 55 A.When the welding current is 60 A，the appearance of weld is good，the joint microstructure is smaller and the tensile strength of the joint can reach 65％of that of the base metals.When the welding current continues to increase，the width of the weld increases significantly，the strengthening phase in the weld zone will dissolve greatly，the grains get coarsening significantly，and the evaporation of Li elements and the heat affected zone soften seriously reduce the mechanical properties of the weld joint.

C24S aluminum alloy；welding current；microstructure；mechanical properties

TG457.19

A

1001－2303（2016）03－0113-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.24

2015－04－07；

2015－06－11

“高檔數控機床及基礎制造裝備”科技重大專項-航天大型構件充液拉伸裝備與工藝研究資助項目（13-K28-028005）

余愛武（1988—），男，安徽六安人，碩士，主要從事鋁鋰合金焊接性的研究工作。