推進劑貯箱用2195鋁鋰合金激光焊接接頭疲勞性能測試

摘 要：航天燃料貯箱用2195鋁鋰合金以其高比強度、低密度及優(yōu)異耐腐蝕性能而在航空航天領域獲得廣泛應用。文章對其激光焊接接頭的組織與力學性能予以系統(tǒng)研究，借由微觀組織分析、拉伸、硬度及沖擊測試來評估焊接質(zhì)量及其對疲勞性能的影響。采用高周疲勞與低周疲勞試驗方法并結合裂紋擴展及斷口分析以揭示疲勞失效機理。進一步對焊接工藝參數(shù)、殘余應力及后處理工藝之于疲勞壽命的影響展開探討且提出優(yōu)化策略，以此提升焊接接頭的疲勞極限與服役可靠性。研究結果可為2195鋁鋰合金激光焊接技術的工程應用提供科學依據(jù)，進而促進航天結構件的輕量化與高可靠性發(fā)展。

關鍵詞：2195鋁鋰合金 激光焊接 焊接接頭 疲勞性能

相較于傳統(tǒng)鋁合金，2195鋁鋰合金加入的鋰元素不僅降低了材料密度，還提升了彈性模量和抗疲勞性能，在航天器貯箱、運載火箭艙段等結構中得到了廣泛應用。激光焊接技術因其能量輸入集中、焊接變形小、焊縫質(zhì)量高等優(yōu)點，已成為鋁鋰合金連接的重要工藝。然而，焊接過程中熱輸入的不均勻性及金屬冶金特性的變化，會導致焊接接頭微觀組織發(fā)生復雜演變，進而影響其力學性能和疲勞壽命。疲勞失效是航天結構件服役中的主要破壞形式之一，焊接接頭的疲勞性能直接決定了航天燃料貯箱的安全性與服役壽命。因此，深入研究2195鋁鋰合金激光焊接接頭的疲勞性能，并探討其影響因素及優(yōu)化策略，對于提升航天裝備的結構可靠性和使用壽命具有重要工程價值。

1 2195鋁鋰合金激光焊接接頭的組織與力學性能分析

1.1 2195鋁鋰合金激光焊接工藝特點

2195鋁鋰合金的焊接性較差，傳統(tǒng)熔焊方法容易導致焊縫缺陷、熱影響區(qū)軟化及疲勞性能下降。激光焊接作為一種高能束焊接技術，通過高能量密度的激光束實現(xiàn)瞬時熔化和快速凝固，有效減少了熱輸入對母材的影響，提高了接頭的組織均勻性和強度。與傳統(tǒng)熔化焊接方法相比，激光焊接的熱影響區(qū)較窄，焊接變形小，且能夠實現(xiàn)高精度、高重復性的自動化焊接。激光焊接過程中，激光束作用于焊接區(qū)域，使材料迅速熔化并冷卻，形成細小等軸晶組織，減少粗大柱狀晶及偏析問題。

1.2 焊接接頭微觀組織分析

激光焊接過程中，焊縫區(qū)域的快速凝固過程使其形成細小等軸晶或柱狀晶組織，相較于傳統(tǒng)熔焊方法，晶粒尺寸更小，有助于提高接頭的強度和耐疲勞性能。但受焊接熱循環(huán)影響，熱影響區(qū)的組織發(fā)生軟化，導致力學性能下降，成為接頭疲勞失效的薄弱區(qū)域。焊縫區(qū)的微觀組織主要由α-Al基體相及彌散分布的第二相粒子組成，其中Al2Cu、Al3Li等強化相的析出行為對焊縫的機械性能具有重要影響。焊縫金屬的快速凝固易導致枝晶偏析，使合金元素在晶界處富集，可能引發(fā)晶界脆化和裂紋敏感性增加。熱影響區(qū)由于受熱循環(huán)作用，部分強化相發(fā)生粗化、溶解或再析出，導致組織軟化，進而降低接頭的整體強度和耐疲勞性能。

1.3 焊接接頭的力學性能測試

為了全面評估2195鋁鋰合金激光焊接接頭的力學性能，通常進行拉伸、硬度和沖擊等測試。拉伸試驗用于測定接頭的極限強度、屈服強度及斷裂伸長率。由于激光焊接的高冷速特性，焊縫區(qū)組織較為致密，強度較高，但熱影響區(qū)因軟化現(xiàn)象，其強度往往低于母材，拉伸斷裂多發(fā)生于熱影響區(qū)。試驗數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化激光焊接參數(shù)可在一定程度上改善接頭的拉伸性能，使焊縫強度接近母材。硬度測試用于表征焊接接頭不同區(qū)域的硬度分布，通常采用顯微硬度計沿焊縫中心線和橫截面進行測量。結果顯示，焊縫區(qū)因晶粒細化效應，硬度較高，而熱影響區(qū)因組織軟化，硬度有所降低，形成“軟區(qū)效應”，影響疲勞壽命。沖擊試驗用于評價焊接接頭的韌性，特別是在低溫環(huán)境下的斷裂韌性。

2 2195鋁鋰合金激光焊接接頭疲勞測試方法

2.1 疲勞試驗方案與加載條件設計

疲勞試驗主要采用高周疲勞（HCF）和低周疲勞（LCF）兩種方式，以模擬航天燃料貯箱在服役過程中承受的交變載荷。試驗機選用MTS810電液伺服疲勞試驗系統(tǒng)，加載方式為軸向拉-拉循環(huán)載荷，加載頻率與應力比根據(jù)航天器結構工況設定。高周疲勞試驗的加載頻率設定在20 Hz，主要考察接頭在高循環(huán)應力下的疲勞壽命，疲勞應力幅度設定為母材屈服強度的30%～60%。低周疲勞試驗的加載頻率較低（1 Hz），采用應變控制模式，測試接頭在較大塑性應變作用下的疲勞壽命，塑性應變范圍設定在0.2%～1.5%。所有試驗均在室溫環(huán)境（25±2℃）下進行，并采用高精度引伸計監(jiān)測變形情況。

2.2 高周疲勞與低周疲勞測試方法

高周疲勞試驗采用梯度應力加載法進行S-N曲線測試，選擇五個應力水平，每個水平測試6個試樣，總計30個試樣。應力比設定為R=0.1，最大應力水平范圍為120～250 MPa，以模擬航天結構件的典型服役載荷。試驗過程中，試樣在恒定應力幅值的交變載荷作用下運行至失效或達到107次循環(huán)作為終止條件，記錄對應的疲勞壽命，并繪制S-N曲線。裂紋萌生位置、擴展路徑及斷口形貌采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行分析。低周疲勞試驗采用應變控制模式，以研究焊接接頭在高塑性變形下的疲勞行為。通過Manson-Coffin方程進行數(shù)據(jù)擬合，評估疲勞裂紋萌生壽命及疲勞裂紋擴展速率。設定的應變范圍分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.2%和1.5%，每個應變水平測試5個試樣，總計25個試樣。試驗采用三角波形加載，循環(huán)頻率1 Hz，每個試樣加載至斷裂。

2.3 試樣制備與測試數(shù)據(jù)采集

疲勞試樣按照ASTM E466標準加工，采用線切割技術切割成啞鈴形狀，焊接接頭位于試樣中心，保證試驗過程中疲勞裂紋萌生于焊接區(qū)。試樣表面經(jīng)過機械拋光處理，以減少表面缺陷對疲勞性能的影響。所有試樣按照嚴格的尺寸公差加工，并采用超聲波探傷檢測焊縫質(zhì)量，剔除存在顯著缺陷的試樣，確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)采集過程中，采用數(shù)字式疲勞試驗系統(tǒng)記錄加載力、位移、循環(huán)次數(shù)等關鍵參數(shù)。試驗數(shù)據(jù)見表1所示。

從上面表格可以看出，高周疲勞下，焊接接頭的疲勞壽命隨應力水平降低而顯著提高，失效模式主要為焊縫或熱影響區(qū)斷裂，斷裂源多集中于焊縫微缺陷處。

3 2195鋁鋰合金激光焊接接頭疲勞性能分析

3.1 疲勞裂紋擴展特性與斷口分析

疲勞裂紋的萌生通常發(fā)生在焊縫區(qū)或熱影響區(qū)的微觀缺陷處，例如氣孔、未熔合、合金元素偏析導致的弱結合界面等。裂紋擴展行為受焊縫微觀組織、殘余應力分布及應力集中效應的影響，在高周疲勞條件下，裂紋擴展速度較低，主要以準解理斷裂和少量韌窩斷裂為主；在低周疲勞條件下，裂紋擴展速率顯著提高，擴展路徑沿晶界或弱化區(qū)發(fā)展，表現(xiàn)出明顯的沿晶斷裂特征。掃描電子顯微鏡（SEM）分析表明，焊縫區(qū)域的疲勞裂紋源通常位于焊趾處，這是由于焊縫表面存在較高的殘余拉應力和幾何不連續(xù)性，使應力集中程度較高。隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，裂紋沿焊接熔合線或熱影響區(qū)擴展，并在最終失效階段發(fā)生快速斷裂，表現(xiàn)為粗糙的解理斷口。斷裂韌性分析表明，熱影響區(qū)的裂紋擴展阻力較低，這與焊接熱輸入導致的組織軟化密切相關。

3.2 焊接工藝參數(shù)對疲勞壽命的影響

激光焊接的主要工藝參數(shù)包括激光功率、焊接速度、焦點位置、保護氣體類型和流量等，這些參數(shù)影響焊縫的成形質(zhì)量、微觀組織以及殘余應力分布。較高的激光功率能夠增加焊縫的熔深，提高接頭強度，但過高的功率可能導致合金元素過度燒損，引起焊縫脆化。焊接速度對疲勞性能的影響較大，過快的焊接速度容易導致未熔合缺陷，而過慢的速度則會增加焊接熱輸入，導致熱影響區(qū)組織軟化，從而降低疲勞壽命。焦點位置的優(yōu)化可以減少氣孔和裂紋的形成，提高焊縫致密性。實驗研究表明，在優(yōu)化的激光焊接參數(shù)條件下（激光功率 3.5 kW，焊接速度 3 m/min，焦點位置 0 mm），焊接接頭的疲勞壽命較高，焊縫微觀組織均勻，裂紋擴展阻力增強。相比之下，激光功率過低或焊接速度過快的情況下，焊接接頭的疲勞壽命顯著降低，疲勞裂紋容易在焊縫內(nèi)部缺陷處萌生，并沿晶界迅速擴展。殘余應力分析表明，優(yōu)化的焊接工藝可減少焊縫內(nèi)部的拉應力，提高疲勞抗損傷能力。

3.3 焊接接頭的疲勞極限與壽命評估

為了獲取2195鋁鋰合金激光焊接接頭的疲勞極限，采用梯度加載法進行高周疲勞測試，得到疲勞極限σ_f。實驗結果表明，在應力比 R=0.1 條件下，焊接接頭的疲勞極限為 165 MPa，低于母材的疲勞極限（210 MPa）。疲勞壽命測試采用 S-N 曲線表征疲勞壽命與應力水平的關系，具體數(shù)據(jù)見表2。

從表2可以看出，疲勞壽命隨應力水平降低而顯著提高，焊縫區(qū)的疲勞壽命低于熱影響區(qū)。

4 2195鋁鋰合金焊接接頭疲勞性能優(yōu)化策略

4.1 激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化對疲勞性能的影響

激光功率、焊接速度、焦點位置和保護氣體流量等因素直接影響焊接熔深、焊縫微觀組織及殘余應力分布。在優(yōu)化焊接功率時，過高的功率會導致焊縫粗大晶粒形成，降低疲勞裂紋擴展阻力，而功率過低會導致未熔合和氣孔缺陷，使裂紋萌生提前發(fā)生。研究表明，在3.5 kW～4.0 kW范圍內(nèi)，焊縫致密性最佳，焊接強度和疲勞性能達到較優(yōu)水平。焊接速度的優(yōu)化同樣重要，過快的焊接速度會增加裂紋敏感性，而過慢的焊接速度會加劇熱輸入，導致熱影響區(qū)組織軟化。試驗結果表明，在3.0 m/min的焊接速度下，焊接接頭的微觀組織均勻，疲勞壽命最高。

4.2 殘余應力調(diào)控與疲勞抗損傷設計

激光焊接過程中，由于局部高溫熔化和快速冷卻，焊縫和熱影響區(qū)會產(chǎn)生較高的殘余拉應力，而拉應力的存在會加速疲勞裂紋的萌生和擴展，降低疲勞壽命。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、采用輔助工藝和后處理技術，可以有效降低殘余拉應力，提升焊接接頭的抗疲勞性能。實驗研究表明，采用超聲沖擊處理（UIT）能夠有效降低焊縫區(qū)域的拉應力，并在焊趾處引入有利的殘余壓應力，從而延緩裂紋萌生，提高疲勞壽命。噴丸強化處理同樣是一種有效的殘余應力調(diào)控手段，在焊縫表面形成塑性變形層，使表層產(chǎn)生有利的殘余壓應力，提高裂紋擴展阻力。優(yōu)化焊接順序與夾具設計，可降低焊接變形，減少應力集中效應，改善疲勞性能。

4.3 熱處理與后處理工藝對疲勞性能的提升

固溶時效處理能夠促進2195鋁鋰合金焊接接頭中強化相的析出，提高材料的抗疲勞性能。在540℃固溶處理后，結合160℃×18 h的時效處理，焊接接頭的疲勞極限和疲勞壽命均顯著提高，焊縫區(qū)的硬度恢復到接近母材的水平，減少了熱影響區(qū)的軟化程度。機械后處理工藝如振動時效處理（VSR）和低溫退火處理（LTA）能夠有效釋放殘余應力，提高焊縫抗疲勞裂紋擴展能力。數(shù)據(jù)顯示，采用優(yōu)化熱處理工藝的焊接接頭，其疲勞壽命比未經(jīng)處理的接頭提高40%以上，數(shù)據(jù)如表3所示。

從上面表格可以看出，固溶+時效處理可以顯著提高焊接接頭的疲勞壽命，主要原因是強化相的均勻析出增強了材料的微觀強度，同時減少了熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。

5 結論

研究表明焊接接頭微觀組織由細小等軸晶和柱狀晶組成且焊縫區(qū)較母材更易產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞裂紋主要萌生于焊縫或熱影響區(qū)微觀缺陷處并沿弱化組織擴展，斷口分析顯示高周疲勞主要呈準解理斷裂而低周疲勞有沿晶斷裂特征。焊接工藝參數(shù)經(jīng)優(yōu)化可有效提高接頭疲勞壽命，合適激光功率、焊接速度及保護氣體控制能減少焊接缺陷并改善組織均勻性。殘余應力調(diào)控技術借助超聲沖擊、噴丸強化等方法有效引入殘余壓應力以降低裂紋萌生風險。固溶時效處理可優(yōu)化焊縫微觀組織并提高疲勞極限且聯(lián)合機械強化手段能進一步提升疲勞性能。綜合分析表明的是通過工藝優(yōu)化、殘余應力調(diào)控及熱處理等措施可顯著提升焊接接頭抗疲勞能力從而為航天結構件可靠性設計提供科學依據(jù)。

基金項目：湖南省自然科學基金部門聯(lián)合基金項目（2023JJ60215）。

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