李 超，宋永倫，龐樹明

(北京工業(yè)大學機電學院，北京100124)

0 前言

鋁鋰合金具有低密度、高強度、高彈性模量、耐高溫、優(yōu)良的超低溫性能及良好的抗蝕性等優(yōu)點。研究表明：與常規(guī)的鋁合金相比，其密度低8%～10%，彈性模量高10%～12%，而機械性能和可生產(chǎn)性又與常規(guī)鋁合金相似，因此把它用作結(jié)構(gòu)材料，潛在經(jīng)濟效益極大。美國在20世紀90年代中期啟動的航天飛機外貯箱項目，用第三代鋁鋰合金即2195鋁鋰合金取代自60年代起使用的2219鋁銅合金，與2219鋁合金相比，2195鋁鋰合金在質(zhì)量上減輕7%，有效載荷增加10%～15%，低溫強度增加了30%。近年來，為了使航天器的貯箱結(jié)構(gòu)能夠重復使用，提出了對該種鋁合金的再焊接性的研究。因此，本研究開展焊縫缺陷修復技術(shù)的研發(fā)具有很大的工程價值。

采用傳統(tǒng)弧焊工藝對于2195鋁合金的焊接接頭主要存在四個問題：氣孔敏感性高、焊縫極易被氧化、熱裂紋敏感性高和接頭的機械性能低。在焊接修補過程中，焊縫金屬在熱循環(huán)的再次作用下，這些問題又更加凸顯，因此，需要探索一種有效的補焊修復工藝。

在此采用不同能量密度的TIG+填絲焊工藝，對原焊縫缺陷進行修補，并對修補后接頭的力學性能、顯微組織和斷口形貌進行分析和對比。提出一種適用于2195鋁合金弧焊的新工藝。

1 實驗設(shè)備與方法

在焊接試驗中，采用TIG復合高頻電弧和三電極TIG焊復合高頻電弧分別對厚度為5mm的2195鋁鋰合金原焊縫未熔透缺陷進行補焊，補焊分低速補、高速補和高速多次補，焊絲牌號是ER2319。2195鋁鋰合金和ER2319的化學成分如表1和表2所示。

表1 2195鋁鋰合金成分 %

表2 ER2319焊絲成分 %

1.1 實驗設(shè)備

三電極復合TIG焊即采用三臺焊機分別對三個彼此絕緣的鎢極同步脈沖供電，三個鎢極產(chǎn)生的電弧在自磁收縮作用下匯聚成一個能量密度較高的壓縮電弧（稱為 C-TIG：Condensing TIG）[1]。該 TIG電弧采用內(nèi)氣和外氣兩層保護氣，內(nèi)氣在三鎢極之間輸出，外氣在三鎢極周圍輸出，同時對電弧耦合一高頻能量，在電磁振蕩的作用下可有效清除氣孔，細化晶粒。焊接示意如圖1所示。

圖1 三鎢極復合自磁收縮電弧示意圖

1.2 實驗方法

初始焊縫采用C-TIG焊接方法，焊接速度為800 mm/min，不開坡口填絲一次焊成。當電流偏小或散熱條件改變較大時易出現(xiàn)背面未熔透。補焊前，先對缺陷部分進行挖補清除，并仔細清理待修補焊縫處及附近的氧化膜，防止氧化物夾雜，并用丙酮擦拭焊縫，清除焊縫表面附著的水汽，之后進行焊接修補。焊接時將焊槍及被焊部位完全置于惰性氣體保護罩內(nèi)，以防止焊縫在高溫下氧化。補焊時分別用180 mm/min（低速）和 800 mm/min（高速）進行修補，并觀測多次高速補焊對接頭性能的影響。補焊均采用特殊交流脈沖電流波形（脈沖峰值階段為直流，脈沖基值階段為方波交流），焊接波形如圖2所示。

1.2.1 補焊方法

低速補焊采用常規(guī)TIG并復合高頻電源進行修補，主要工藝規(guī)范如表3所示。補焊前的焊縫背面形貌如圖3所示。

圖2 特殊交流脈沖電流波形

圖3 補焊前焊縫背面未熔透的形貌

表3 低速補焊工藝規(guī)范

高速補焊采用三電極TIG并復合高頻電源進行修補，主要工藝規(guī)范如表4所示。補焊后焊縫形貌如圖4所示。

圖4 經(jīng)高速補焊后的焊縫形貌

表4 高速補焊工藝規(guī)范

1.2.2 多次高速補焊方法

多次高速補焊采用三電極TIG并耦合高頻電源進行修補，采用相同的規(guī)范對缺陷位置修補三次，并與單次修補做對比分析，觀測焊縫金屬在多次熱循環(huán)的作用下對接頭機械性能的影響。

2 實驗結(jié)果

2.1 對補焊接頭的機械性能分析

補焊后，接頭的抗拉強度和延伸率與初始焊縫相比均有下降，但低速補焊接頭的機械性能下降較大，而高速補焊接頭的機械性能下降較小，接近初始焊縫的機械性能，強度系數(shù)達到母材的62.4%?？梢姡附铀俣葘ρa焊接頭的機械性能有較大影響，即反映了不同的焊接熱循環(huán)對接頭的效果。提高補焊速度，有利于接頭機械性能的提高。補焊機械性能如表5所示。

表5 2195補焊焊縫及母材的機械性能

2.2 氣孔敏感性和氧化敏感性的對比分析

2.2.1 氣孔敏感性的對比分析

試驗后對低速和高速補焊焊縫進行X射線透視，其中，低速補焊的焊縫中有大量連續(xù)微氣孔，這些微氣孔使焊縫的有效承載面積減少，在外力的作用下容易成為裂紋源并相互串連和擴展從而導致斷裂，氣孔缺陷是補焊接頭機械性能較低的主要原因之一。而高速補焊的焊縫中幾乎沒有氣孔，使焊縫的機械性能大幅提高。慢速焊焊縫的氣孔生成率高于快速焊的原因是氫氣在熔融鋁中的溶解度要高于固態(tài)鋁。在慢速焊中，熔池尺寸較大且停留時間較長，氫入侵熔融金屬的機會增加；而高速焊將焊接速度提高了4倍多，熔池尺寸較小且停留時間短，有利于減少氫對熔池的作用時間。

高速多次補焊焊縫中有少量氣孔存在，其原因為焊縫在多次熱循環(huán)的作用下使熔融金屬吸氫的概率增大，熔池有充分的時間與氫結(jié)合形成氣孔，導致氣孔敏感性升高，因此應(yīng)盡量減少補焊次數(shù)，以保證接頭的高強度和延伸率。

2.2.2 氧化敏感性的對比分析

與其他鋁合金相比，鋁鋰合金的氧化敏感性更高，Li是高活性元素，在焊接過程中極易與周圍的氧原子反應(yīng)形成鋰化物，如LiO2、LiOH和Li2CO3等，焊接受熱時，這些化合物分解為CO2和H2氣體產(chǎn)物，并進入熔池中形成氣孔。同時，這些鋰化物存留在焊縫晶界處使焊縫晶界與晶粒內(nèi)部相彈性模量相差過大，在外力作用下容易形成微孔并成為裂紋源，導致接頭的斷裂。

在做好焊前清理以及在無氧環(huán)境下焊接的同時，提高焊接速度可以有效地降低焊縫熔融金屬與周圍環(huán)境中氧的結(jié)合幾率，從而達到控制焊縫鋰化物含量的目的，提高接頭的強度和延伸率，這也是高速補焊的焊接接頭機械性能比低速補焊好的原因之一。

2.3 對補焊接頭的微觀組織分析

2.3.1 低速補焊結(jié)果分析

在低速補焊的焊縫金相圖片中，可以看到焊縫區(qū)內(nèi)粗大的晶粒，少量細晶粒團不均勻分布在焊縫區(qū)內(nèi)，粗大晶粒與細小晶粒交錯分布。沿熔合線分布有一條由細小等軸晶組成的細晶帶，在細晶帶靠近焊縫一側(cè)，柱狀晶生長較不充分。在斷裂面的金相圖片中可以看到裂紋是沿細晶帶的一側(cè)擴展（斷裂面在細晶帶靠近焊縫一側(cè)）。焊態(tài)合金晶界上存在連續(xù)、粗大平衡相，而晶粒內(nèi)的沉淀強化作用不明顯，基體和晶界的彈性模量相差較大，在外力作用下變形不能協(xié)調(diào)，在晶界處位錯塞積并萌生裂紋，裂紋主要沿晶界與基體間的界面擴展，主要為沿晶斷裂，以脆性斷裂為主。低速補焊的顯微組織如圖5所示。

2.3.2 高速補焊結(jié)果分析

從高速補焊的焊縫金相圖片中可以看到，焊縫區(qū)內(nèi)晶粒細小，以等軸晶為主。熔合區(qū)中細晶帶非常狹窄，有些地方細晶帶基本消失，斷裂面不在熔合區(qū)上。焊縫中晶界上的連續(xù)、粗大平衡相較少，在熔池的快速凝固過程中強化相較充分的留在晶粒內(nèi)部，在外力的作用下，晶內(nèi)變形均勻，裂紋沿晶界或穿過晶粒內(nèi)部擴展，呈現(xiàn)較好的穿晶斷裂特征，斷口以韌性斷裂為主。高速補焊的顯微組織如圖6所示。

2.3.3 高速多次補焊結(jié)果分析

從高速多次補焊的金相圖片中可以看到，初始焊縫區(qū)的晶粒在多次熱輸入的作用下明顯長大，在熔合區(qū)金相中可以看到沿熔合線處的一條明顯的細晶帶，與細晶帶相鄰的靠近焊縫側(cè)的是生長不充分的粗大柱狀晶；在斷口金相中可以看到明顯的微裂紋且沿微裂紋撕裂的特征，主要為沿晶斷裂，焊縫在多次補焊后機械性能有較大下降，因此應(yīng)盡量減少補焊次數(shù)，以保證接頭的性能滿足要求。高速多次補焊的顯微組織如圖7所示。

圖5 低速補焊接頭區(qū)微觀特征

圖6 高速補焊接頭區(qū)微觀特征

3 結(jié)論

（1）低速補焊焊縫接頭的機械性能低于高速補焊，高速補焊焊接接頭性能接近于初始焊縫性能。焊縫在多次修補后性能有較大下降，應(yīng)盡量減少補焊次數(shù)。

（2）高速焊焊縫的氣孔率要大大低于低速焊，在高速焊中耦合高頻能量，可有效的清除氣孔，結(jié)晶均勻，提高接頭質(zhì)量。

圖7 高速多次補焊接頭區(qū)微觀特征

（3）高速焊的氧化敏感性比低速焊小，焊接速度提高后可有效降低焊縫熔融金屬與周圍環(huán)境中氧的結(jié)合幾率，從而達到控制焊縫鋰化物含量的目的，提高接頭的強度和延伸率。

（4）低速補焊和高速多次補焊熔合線處細晶區(qū)寬度較大，與細晶區(qū)相鄰的是粗大晶粒區(qū)，在拉伸力的作用下細晶與粗晶交界處容易產(chǎn)生裂紋并導致接頭失效，高速補焊熔合線處細晶區(qū)很窄且不連續(xù)，在拉伸力的作用下裂紋不能沿細晶區(qū)擴展，接頭的強度損失較小。

[1]郭飛躍.2195鋁鋰合金焊接接頭組織與性能[D].湖南：中南大學碩士論文，2004.

[2]王 永，胡 捷，胡國平，等.可焊鋁鋰合金焊接研究現(xiàn)狀[J].有色金屬，2002(1)：16-18.

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[4]KHHou，WABaeslack.Characterization of the heat-affected zone in gas tungsten arc welded aluminium alloy 2195-T8[J].Journal of Materials Science Letters，1996(15)：239-244.