LA103W鎂鋰合金TIG焊接接頭組織與性能研究

夏聰聰 馬立彩 魯傳洋 王 鋒 唐佳奇

（北京新風(fēng)航天裝備有限公司，北京 100080）

1 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天材料向著輕量化、高效、低成本等方向發(fā)展[1]。鎂鋰合金的密度一般為1.35～1.65g/cm3，比普通鎂合金輕1/4～1/3，比鋁合金輕1/3～1/2，是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，較好的減震性和電磁屏蔽性，且易回收再利用，在航空航天、兵器工業(yè)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，也是未來(lái)運(yùn)動(dòng)設(shè)備及便攜設(shè)備的主要材料，發(fā)展前途極為廣闊[2～4]。根據(jù)Mg-Li 二元相圖[5]可知，當(dāng)鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于5.7%且低于10.3%時(shí)，鎂鋰合金組織中同時(shí)存在密排六方結(jié)構(gòu)的α-Mg 相和體心立方結(jié)構(gòu)的β-Li 相，LA103W 鎂鋰合金作為典型的雙相結(jié)構(gòu)解決了鎂及鎂合金在室溫下滑移系較少、塑性較差的問(wèn)題，兼顧了α-Mg 相的高強(qiáng)度和β-Li 相的延展性，是航天領(lǐng)域中代替鋁和鋼的理想結(jié)構(gòu)材料[6]。鎂鋰合金雖然因優(yōu)良的力學(xué)性能在航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但在材料自身的加工性方面還需要克服大量的技術(shù)難題，尤其是鎂鋰合金的焊接性[7,8]。焊接成形是鎂鋰合金結(jié)構(gòu)件必不可少的加工成形手段[1]，目前關(guān)于鎂鋰合金焊接工藝的研究報(bào)道[9～11]大多集中在鎢極氬弧焊、攪拌摩擦焊、激光焊方面，并且采用正確的焊接工藝可以獲得無(wú)缺陷、高質(zhì)量的焊接接頭。LA103W 作為一種新型的鎂鋰合金材料，對(duì)標(biāo)同系列國(guó)標(biāo)牌號(hào)，LA103W 密度更低，強(qiáng)度大幅提高，可制備目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)格鎂鋰合金艙體結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)在新一代空天裝備上的工程化應(yīng)用。但目前尚沒(méi)有LA103W 合金焊接性能的研究，因此本文采用操作靈活、焊接適應(yīng)性強(qiáng)的鎢極氬弧焊（TIG）方式，以LA103W 鎂鋰合金作為研究對(duì)象，研究LA103W 鎂鋰合金的焊縫成形性、焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用LA103W 鎂鋰合金板材作為母材，試件尺寸為300mm×100mm×5mm，供貨狀態(tài)為軋制-T5態(tài)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。所選用焊絲與母材為同一材質(zhì)，即在母材上直接截取細(xì)條作為焊絲，規(guī)格為500mm×5mm×3mm。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用鎢極氬弧焊（TIG）方法焊接鎂鋰合金試件，接頭形式為對(duì)接接頭。焊前將3 對(duì)試件加工成V 形坡口，用丙酮清洗鎂鋰合金試件表面距離焊縫50mm 范圍內(nèi)的油污，吹干后用不銹鋼拋光輪打磨去除試件表面距離焊縫30mm 范圍內(nèi)的氧化膜，去除氧化膜后、焊接前再次進(jìn)行丙酮清理。由于試件壁厚較大，為減小熱輸入量、減少變形和缺陷，焊接采用填絲、單面雙層焊工藝，焊接時(shí)使用自制夾具將試件固定，保護(hù)氣體選用純度為99.99%的高純氬氣，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

首先檢查焊接接頭表面質(zhì)量，用X 射線探測(cè)焊接接頭的內(nèi)部質(zhì)量；用金相顯微鏡觀察焊接試驗(yàn)件接頭處的顯微組織，分析不同區(qū)域的焊接接頭顯微組織形貌。在CMT5105 微機(jī)控制電子材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取3 個(gè)拉伸試樣，試驗(yàn)后取平均值，拉伸試樣的尺寸與形狀如圖1所示；用顯微硬度計(jì)（FM-700）測(cè)量焊接接頭的硬度；并用GeminSEM 300 掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌。

圖1 拉伸試樣的形狀與尺寸

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊接接頭顯微組織形貌

圖2 為L(zhǎng)A103W 焊接接頭金相組織，分為母材區(qū)、熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫區(qū)4 部分。LA103W 焊接接頭母材區(qū)如圖2a所示，由α-Mg 相和β-Li 相組成，α-Mg相為白色顆粒狀和少量板條狀晶粒，且分布于β-Li 相界；β-Li 晶粒呈等軸狀，晶粒尺寸在30～50μm 之間。與母材相比，如圖2b所示，熱影響區(qū)內(nèi)的α-Mg 相含量明顯減少但尺寸無(wú)明顯變化，呈顆粒狀，且有少量α-Mg 相分布于β-Li 相晶粒內(nèi)；熱影響區(qū)內(nèi)的β-Li 相晶粒長(zhǎng)大，尺寸達(dá)到50～150μm，β-Li 晶界明顯。這是由于熱影響區(qū)組織受焊接熱量和殘余應(yīng)力的影響發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶。

圖2 焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織

焊接過(guò)程中，如圖2c所示，熔合區(qū)處于固、液態(tài)的半熔化區(qū)，有大量顆粒狀和細(xì)針狀的α-Mg 相在β-Li晶粒內(nèi)析出。與熔合區(qū)相同，如圖2d所示，焊縫區(qū)亦有大量細(xì)小的顆粒狀和細(xì)針狀α-Mg 相，但此時(shí)β-Li相晶界消失。這是由于焊接時(shí)焊縫區(qū)組織完全熔化，溫度高，冷卻速度快，焊縫處形成過(guò)飽和固溶體，隨后過(guò)飽和固溶體發(fā)生沉淀析出反應(yīng)，析出細(xì)小顆粒狀和細(xì)針狀的α-Mg 相。觀察發(fā)現(xiàn)LA103W 鎂鋰合金焊接接頭表面成型良好，無(wú)裂紋、錯(cuò)邊、未焊透、未熔合等缺陷。如圖3所示，X 射線檢測(cè)結(jié)果表明焊縫內(nèi)部質(zhì)量良好，無(wú)超標(biāo)氣孔、裂紋等缺陷。

圖3 LA103W 鎂鋰合金焊接接頭探傷結(jié)果

3.2 焊接接頭的力學(xué)性能

利用顯微硬度計(jì)（FM-700）分別測(cè)量焊接試件上母材區(qū)、熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫區(qū)的硬度，每個(gè)區(qū)域至少測(cè)試3 個(gè)硬度值，最后取平均值，具體結(jié)果見(jiàn)表3，焊接接頭母材區(qū)硬度最大，為68.5HV，熔合區(qū)的硬度與母材區(qū)硬度相差無(wú)幾，其次為焊縫區(qū)，熱影響區(qū)的硬度最低。熱影響區(qū)受焊接熱量影響，α-Mg 相會(huì)溶入β-Li 相基體，同時(shí)塑性較好的β-Li 晶粒快速長(zhǎng)大，導(dǎo)致硬度值最低。焊縫區(qū)硬度稍高于熱影響區(qū)，這是因?yàn)楹缚p區(qū)有大量硬度較高的α-Mg 相，使硬度升高。母材區(qū)為軋制-T5 態(tài)，晶粒細(xì)化，組織均勻，力學(xué)性能良好；熔合區(qū)經(jīng)歷半熔化過(guò)程，有大量顆粒狀和細(xì)針狀的α-Mg 相在β-Li 晶粒內(nèi)析出，α-Mg 相硬度較高，因此焊接接頭的母材區(qū)和熔合區(qū)硬度較大。

表3 焊接接頭各區(qū)域的硬度平均值HV

LA103W 鎂鋰合金母材和焊接接頭拉伸性能的平均值見(jiàn)表4。由表4 可知，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均略低于母材，分別為175MPa、169MPa 和13.5%，達(dá)到母材的92.1%、94.4%和90%。

表4 LA103W 鎂鋰合金的拉伸性能

3.3 拉伸斷口分析

焊接接頭拉伸斷口的宏觀照片見(jiàn)圖4，可以看出拉伸試樣斷裂于母材區(qū)。熔合區(qū)和焊縫區(qū)有大量細(xì)小彌散的α-Mg 相阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高了熔合區(qū)和焊縫區(qū)的強(qiáng)度。熱影響區(qū)β-Li 相晶粒內(nèi)析出的α-Mg 相粒子會(huì)起到第二相強(qiáng)化作用，因此拉伸斷裂在母材區(qū)。如圖4b、圖4c所示，焊接接頭拉伸試樣的斷口平齊，斷口與截面約呈45°。

圖4 焊接接頭的拉伸斷口宏觀照片

不同放大倍數(shù)的焊接接頭拉伸斷口SEM 形貌見(jiàn)圖5。斷裂在母材的拉伸斷口微觀形貌主要以水流花樣及解理臺(tái)階為主，并可觀察到少量韌窩存在，屬于韌性-解理混合斷裂。

圖5 焊接接頭的拉伸斷口SEM 形貌

4 結(jié)束語(yǔ)

a.對(duì)LA103W 鎂鋰合金進(jìn)行TIG 焊，得到的焊接接頭表面成型良好，焊縫中也無(wú)超標(biāo)氣孔和裂紋等缺陷。焊接接頭的組織由α-Mg 相和β-Li 相組成，母材區(qū)的β-Li 相晶粒為等軸狀，熱影響區(qū)的β-Li 相晶粒尺寸較大，焊縫區(qū)和熔合區(qū)中含大量顆粒狀和細(xì)針狀的α-Mg 相，且焊縫區(qū)的β-Li 相晶界消失；焊縫區(qū)與熱影響區(qū)之間的熔合區(qū)組織均勻，熔合良好，不易發(fā)生斷裂。

b.LA103W 鎂鋰合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均略低于母材，分別為175MPa、169MPa和13.5%，達(dá)到母材的92.1%、94.4%和90%。焊接接頭的母材區(qū)與熔合區(qū)硬度最大，其次為焊縫區(qū)，熱影響區(qū)的硬度最低。

c.焊接接頭的斷裂方式為韌性-解理混合斷裂，拉伸試樣斷裂在母材區(qū)。