2195鋁鋰合金焊接性能研究

咼永林，游 文，陳永來

（1.西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326；2.航天材料及工藝研究所，北京100076）

0 前言

鋁鋰合金材料是上世紀以來航空航天材料中發展最為迅速的一種新型輕質高性能結構材料，具有低密度、高彈性模量、高比強度和比剛度、疲勞性能好、耐腐蝕及焊接性能優良等諸多優異的綜合性能。用鋁鋰合金代替常規的高強度鋁合金可使結構質量減輕5%～15%，剛度提高15%～20%，因此，它在航空航天領域顯示出了廣闊的應用前景[1-3]。鋁鋰合金在航天應用的標志性成果是20 世紀90年代美國將2195 第三代鋁鋰合金用于航天飛機的燃料儲箱。采用2195合金制造的整體焊接結構貯箱，其中液氫箱可減重1907 kg，液氧箱可減重736 kg，因此被稱為超輕燃料貯箱。俄羅斯“能源號”運載火箭的低溫貯箱是采用1460 鋁鋰合金制成，成功地運載了“暴風雪號”航天飛機[2-4]。

焊接是制造鋁鋰合金航空航天產品如貯箱的主要工藝之一。前蘇聯對中強1420 鋁鋰合金焊接的研究時間長達10 多年，從焊接工藝方法、焊接組織、焊接性能及焊后熱處理都進行了深入的理論研究和探討。20 世紀80年代還開展了高強1460 鋁鋰合金可焊性的研究[5-7]。

2195鋁鋰合金由于含有合金元素Li，焊接裂紋敏感性很高，尤其是液化裂紋敏感性很高，結構焊接時易出現焊接液化裂紋。而液化裂紋的可補焊性很差，會導致結構焊接無法完成。為推動2195 鋁鋰合金在我國航天結構上的應用，西南鋁、航天703所聯合開展了2195鋁鋰合金焊接性能研究。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

實驗所用材料為西南鋁生產的2195 鋁鋰合金T8狀態板材，其化學成分如表1所示。

表1 2195鋁鋰合金化學成分（質量分數/%）

1.2 實驗方法

通過焊接熱模擬試驗對合金的焊接裂紋敏感性進行評定，在此基礎上選用現有的Al-Cu、Al-Si和Al-Si-Cu 系焊絲，通過十字搭接試驗進一步評定2195 鋁鋰合金焊接裂紋敏感性，以此確定適配焊絲的成分體系。

采用手工氬弧焊和非標的十字搭接裂紋敏感性試驗方法進行焊接裂紋敏感性試驗（如圖1 所示）。圖中的1、2、3、4為焊接順序，箭頭為焊接方向。

圖1 十字搭接裂紋敏感性試驗方法

焊后分別測量結晶裂紋長度和液化裂紋長度。測量單條焊縫上的裂紋長度時應從正、反兩面進行，取數值較大者。結晶裂紋率K1和液化裂紋率K2的計算公式為：

式中：Hi為第i 條焊縫上的結晶裂紋長度，mm；Ri為第i 條焊縫上的液化裂紋長度，mm；Li為第i條焊縫的長度，mm；n為焊縫總條數。

通過分析焊絲成分變化對2195 鋁鋰合金焊接結晶裂紋率、液化裂紋率的影響，優化2195 鋁鋰合金焊絲成分及進一步優化焊接方式及焊接工藝參數，實現焊接接頭綜合性能的提升。

2 實驗結果與分析

2.1 合金的焊接裂紋敏感性熱模擬

脆性溫度區間（BTR）是指在固相線附近、固-液并存時的溫度區間，上限是合金凝固過程中形成液態薄膜的溫度，下限為凝固終了的溫度。通常將母材的零強溫度作為BTR的上限，冷卻過程中的零塑性溫度作為BTR 的下限。液化裂紋與BTR有密切聯系。當焊接熱循環加熱與冷卻經過這一脆性溫度區間時，母材近縫區金屬由于晶界液膜的出現，塑性和強度都急劇下降。在收縮應力作用下，晶界處液-固相界面為裂紋的產生提供有利條件。脆性溫度區間BTR大小是判別液化裂紋敏感性的一個重要指標。

為此，采用Gleeble動態熱-力學模擬試驗機通過測量材料的熱塑性獲得材料的脆性溫度區間BTR，對2195 鋁鋰合金的液化裂紋敏感性進行評估，掌握合金的液化裂紋敏感性特征。表2為2195鋁鋰合金的零強度溫度NST測量結果。

表2 2195鋁鋰合金零強度溫度NST測量結果

圖2為2195鋁鋰合金熱塑性曲線測定結果。根據表2與圖2的試驗結果，可得出2195鋁鋰合金的脆性溫度區間BTR，如表3所示。

圖2 2195鋁鋰合金的熱塑性曲線

表3 2195鋁鋰合金的脆性溫度區間

2.2 適配焊絲成分體系

由于2195 鋁鋰合金具有較高的液化裂紋敏感性，并且主成分為Al-Cu-Mg-Li，因此，其適配焊絲成分體系應在Al-Cu、Al-Si 與Al-Si-Cu 系中進行選擇，表4為現有焊絲成分體系。

表4 現有焊絲化學成分（質量分數/%）

采用現有焊絲成分體系，通過十字搭接裂紋敏感性試驗方法測定焊接裂紋敏感性，焊接工藝采用手工氬弧焊法。試驗獲得的焊接裂紋敏感性試驗結果如表5所示。

表5 2195鋁鋰合金焊接抗裂試驗結果

雖然采用Al-Cu系焊絲后2195鋁鋰合金焊接頭的抗裂性不能滿足使用要求，但其結晶裂紋率K1＝0，這表明后續焊絲研究工作可在Al-Cu 系焊絲基礎上通過調整Cu 含量來繼續進行。為此又設計一輪焊絲成分，通過十字搭接試驗研究焊絲成分對2195鋁鋰合金焊接裂紋敏感性的影響。表6為采用新一輪焊絲進行十字搭接裂紋敏感性試驗結果。由表可知，S2017 焊絲滿足抗裂性要求，K1=3.1%，K2=0。

表6 2195鋁鋰合金焊接裂紋敏感性試驗結果

表7為2195鋁鋰合金采用S2017焊絲的焊接接頭拉伸性能。可見其接頭拉伸強度平均值為336 MPa，接頭強度系數為0.6。

表7 2195鋁鋰合金采用S2017焊絲焊接的接頭性能

圖3為采用S2017焊絲的2195鋁鋰合金焊接接頭拉伸斷口。圖中顯示斷口表面有撕裂棱，為偏脆性斷裂特征。

圖3 采用S2017焊絲的焊接接頭拉伸斷口形貌

圖4為采用S2017焊絲的2195鋁鋰合金焊接接頭顯微組織SEM 照片。從圖中可看出焊縫組織存在AlSi相、AlSiCu相以及Al2Cu相。

圖4 采用S2017焊絲的2195鋁鋰合金焊接接頭SEM照片

綜上所述，采用Al-Cu-Si 系焊絲S2017 后，2195鋁鋰合金可以獲得結晶裂紋率K1=3.1%、液化裂紋率K2=0、接頭強度系數達到0.6 的焊接接頭，只是其延伸率略微偏低（δ=2.3%）。因此，后續需在Al-Si-Cu-Ce-Sc合金系S2017焊絲基礎上繼續進行成分優化。

2.3 焊接工藝參數

在S2017 焊絲基礎上新研制了S3406 焊絲，采用該焊絲對2195 鋁鋰合金進行不同工藝參數的手工氬弧焊接，評價2195 鋁鋰合金焊接接頭外觀質量。

圖5為2195鋁鋰合金采用不同工藝參數所獲得的氬弧焊焊縫宏觀形貌照片。由圖可知，焊接電流偏小時，焊縫背面熔合線處成形不好；焊接速度偏小時，焊縫正面局部塌陷。只有焊接電流與焊接速度匹配較好時，焊縫正面平整無塌陷，焊縫背面熔合線處成形良好。

圖5 2195鋁鋰合金在不同焊接工藝參數下氬弧焊縫成形宏觀形貌

2.4 試驗焊接方式

在焊接電流108A、焊接速度110 mm/min 的工藝參數基礎上，分別進行單面單層焊、單面雙層焊及兩面三層焊，并測試及觀察焊接接頭的力學性能和微觀金相組織，分析焊接接頭的斷裂特征。

對單面單層焊、單面雙層焊及兩面三層焊的焊縫進行了X射線檢測，結果均滿足QJ2698/I級要求。

2195 鋁鋰合金氬弧焊接頭室溫拉伸性能測試結果如表8所示。由表可知，單面單層焊的接頭強度與延伸率最低，兩面三層焊的接頭強度與延伸率最高，接頭強度系數可達0.64，延伸率為3.5%。

表8 2195鋁鋰合金氬弧焊接頭室溫拉伸性能測試結果

圖6 為2195 鋁鋰合金氬弧焊接頭的宏觀形貌。從圖中可以看出單面雙層焊與兩面三層焊各層的輪廓。

圖6 2195鋁鋰合金氬弧焊接頭宏觀形貌

圖7為2195鋁鋰合金氬弧焊接頭的顯微組織照片。可以看出單面單層焊、單面雙層焊第一層與兩面三層焊第一層焊縫中心組織形態相似，不過單面雙層焊與兩面三層焊第一層由于重復受熱晶粒長大，單面雙層焊第二層與兩面三層焊第二層、第三層焊縫中心的組織則均為樹枝晶組織。同時可以看到兩面三層焊晶粒內部析出很多強化相，重復受熱使得整個接頭的塑性提高，致使接頭的強度和延伸率都得到了提高。

圖8為2195鋁鋰合金氬弧焊接頭拉伸斷口形貌照片。從圖中可以看出，單面單層焊接頭斷口形貌為冰糖狀，主要為沿晶脆性斷裂，兩面三層焊接頭的斷口為河流狀花樣，為延性斷裂。

綜上所述，2195鋁鋰合金采用優化后的Al-Si-Cu-Ce-Sc合金系S3406焊絲，再匹配合適的焊接工藝參數及焊接方式，手工氬弧焊可獲得外部和內部質量良好的焊接接頭，接頭強度系數可以達到0.6以上，焊接接頭組織正常。

3 結論

（1）2195 鋁鋰合金焊接的適配焊絲成分體系為Al-Si-Cu-Ce-Sc合金系。

（2）采用焊接電流108A、焊接速度110 mm/min的焊接工藝參數對2195鋁鋰合金進行兩面三層焊，可以獲得結晶裂紋率K1＜5%、液化裂紋率K2=0，接頭強度系數達到0.6以上的焊接接頭。