國(guó)家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心(上海市 200436)

李 昊 劉紅兵 鄧景煜

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(150001)

陶 汪 韓 冰 陳彥賓

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鋁鋰合金T型接頭雙側(cè)激光同步焊接組織合金調(diào)控研究

國(guó)家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心(上海市 200436)

李 昊 劉紅兵 鄧景煜

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(150001)

陶 汪 韓 冰 陳彥賓

針對(duì)2060/2099鋁鋰合金機(jī)身壁板T型接頭雙側(cè)激光同步焊接組織的改善及力學(xué)性能的提高，采用焊縫合金化手段對(duì)焊縫組織進(jìn)行合金調(diào)控，研究了合金元素對(duì)焊縫熱裂紋敏感性及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，2060/2099鋁鋰合金雙側(cè)激光同步焊接組織內(nèi)存在特殊的等軸細(xì)晶區(qū)，為接頭薄弱區(qū)域；焊縫晶界主要由AlLiSi和Al6CuLi3兩種晶間相及Al-Cu，Al-Si共晶組織構(gòu)成；采用Al-Si-Cu系新焊絲CW3能夠促進(jìn)Al6CuLi3相及二次枝晶的形成，有效提高晶界強(qiáng)度并抑制熱裂紋的產(chǎn)生，等軸細(xì)晶區(qū)內(nèi)顯微硬度水平的提高使T型接頭的綜合力學(xué)性能得到明顯改善，其縱向抗壓載荷提高為92.7 kN，橫向抗拉強(qiáng)度提高為412 MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的80%以上。

激光焊 T型接頭 鋁鋰合金 合金調(diào)控 焊絲

0 序 言

飛機(jī)機(jī)身壁板上的T型結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)桁和蒙皮構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)主要依靠鉚接技術(shù)進(jìn)行連接。為了克服鉚接存在的機(jī)身重量增加和生產(chǎn)效率較低的局限性[1]，由于激光焊具有焊接效率高、熱影響區(qū)域小、與工件非接觸、方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，因此航空制造業(yè)開(kāi)始嘗試?yán)眉す夂讣夹g(shù)部分代替鉚接技術(shù)[2-4]。20世紀(jì)90年代初德國(guó)空中客車有限公司率先開(kāi)展了雙側(cè)激光同步焊接技術(shù)的研究以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)身壁板輕質(zhì)、高效、低成本的加工制造[5]。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，該技術(shù)于2003年首先應(yīng)用在空客A318的批量化生產(chǎn)中，在相同的結(jié)構(gòu)剛度情況下，機(jī)身重量減輕約20%，制造成本降低約25%，同時(shí)，生產(chǎn)效率得到大幅度提高。目前，這一技術(shù)已成功應(yīng)用在空客A318，A340，A350，A380等型號(hào)的批量化生產(chǎn)過(guò)程中[6]。

隨著合金材料的更新發(fā)展，鋁鋰合金(Al-Li)作為一種新型金屬結(jié)構(gòu)材料，以其低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度等特點(diǎn)而越來(lái)越受到航空界的青睞[7],未來(lái)的飛機(jī)機(jī)身將越來(lái)越多地采用新型鋁鋰合金制造。然而，已有的研究發(fā)現(xiàn)，鋁鋰合金焊接時(shí)有較高的熱裂紋傾向[8]，嚴(yán)重制約其被進(jìn)一步推廣應(yīng)用。前期研究發(fā)現(xiàn)，采用Si含量為12%的ER4047Al-Si12焊絲并不能完全抑制2060/2099鋁鋰合金T型接頭雙側(cè)激光焊縫內(nèi)的熱裂紋缺陷，而且ER4047焊絲對(duì)焊縫的強(qiáng)化作用并不明顯， T型接頭橫向抗拉強(qiáng)度低于母材抗拉強(qiáng)度的80%，并不能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

針對(duì)2060/2099鋁鋰合金T型接頭雙側(cè)激光焊縫中熱裂紋及力學(xué)性能不足的問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)焊絲合金成分對(duì)焊縫組織進(jìn)行合金調(diào)控，研究了焊絲中Si，Cu等元素含量對(duì)焊縫熱裂紋敏感性及力學(xué)性能的影響，對(duì)國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、高效、低成本的加工制造具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

蒙皮與長(zhǎng)桁分別采用2.0 mm厚2060-T8與2099-T83鋁鋰合金，均由加拿大鋁業(yè)公司專門(mén)為機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)研制生產(chǎn)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。試板尺寸分別如下：蒙皮500 mm×100 mm×2 mm，長(zhǎng)桁500 mm×28 mm×2 mm。為了抑制焊縫內(nèi)熱裂紋缺陷及提高焊縫力學(xué)性能，提出一種全新設(shè)計(jì)的Al-Si-Cu系CW3焊絲，焊絲直徑為1.2 mm，并與傳統(tǒng)的ER4047鋁硅焊絲進(jìn)行對(duì)比，焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表2。試驗(yàn)前嚴(yán)格清洗待焊試件表面以去除油污和氧化膜。

焊接設(shè)備采用的光纖激光器為德國(guó)IPG公司生產(chǎn)的YLS-5000和YLS-10000光纖激光器，其最大功率分別為5 kW和10 kW，波長(zhǎng)為1.06 μm，焦點(diǎn)處光斑直徑為0.23 mm，光束模式為多模分布，并配以德國(guó)KUKA六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人和奧地利FRONIUS KD4010送絲系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 2099和2060鋁鋰合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 ER4047和CW3焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用雙側(cè)激光同步焊接方法對(duì)鋁鋰合金T型接頭進(jìn)行焊接，激光與蒙皮成22°角傾斜入射，焊絲、保護(hù)氣噴嘴與激光束均在同一平面內(nèi)互成一定角度分布，焊接速度為10 m/min，激光功率為3.0 kW。焊接試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 雙側(cè)激光同步焊接過(guò)程示意圖

利用OLYMPUS GX71金相顯微鏡對(duì)T型接頭成形、焊縫組織微觀形貌及熱裂紋分布特征進(jìn)行分析；利用QUANTA 200F環(huán)境掃描電鏡對(duì)析出相形貌及成分進(jìn)行分析；分別根據(jù)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E9—09《金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)》和ASTM E 8M—04《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)T型接頭進(jìn)行縱向壓縮和橫向拉伸測(cè)試，試件尺寸分別如圖2和圖3所示。

圖2 縱向壓縮試件尺寸示意圖

圖3 橫向拉伸試件尺寸示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊絲成分對(duì)焊縫成形及微觀組織的影響

圖4為采用ER4047和CW3焊絲所得雙側(cè)激光焊縫的宏觀形貌。在采用ER4047 Al-Si12焊絲焊接得到的焊縫表面出現(xiàn)明顯的熱裂紋缺陷且主要沿垂直于焊接方向分布，如圖4a所示。然而，在采用CW3焊絲焊接得到的焊縫表面并未發(fā)現(xiàn)明顯的熱裂紋缺陷，因此說(shuō)明，CW3焊絲與ER4047焊絲相比較具有更低的熱裂紋傾向，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)2060/2099鋁鋰合金機(jī)身壁板T型接頭的可靠焊接。

圖4 不同焊絲激光焊縫宏觀形貌

進(jìn)一步分析不同焊絲成分對(duì)雙側(cè)激光焊縫橫截面上微觀形貌的影響。圖5為CW3焊絲雙側(cè)激光焊縫橫截面上位于上熔合線處的微觀形貌。如圖5所示，與先前的研究結(jié)果相比較，CW3焊絲的引入并未顯著改變焊縫組織特征，焊縫主要由焊縫中心的熔化區(qū)、緊鄰熔合線的等軸細(xì)晶區(qū)及部分熔化區(qū)、靠近母材的熱影響區(qū)組成，其中，熔化區(qū)又可被劃分為柱狀晶區(qū)和等軸枝晶區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，等軸細(xì)晶區(qū)為鋁鋰合金焊縫組織的特殊區(qū)域，利用異相形核機(jī)制形成，形核質(zhì)點(diǎn)多為母材中含量較多的Li和Zr等元素與Al基體形成質(zhì)點(diǎn)相。然而，與其它區(qū)域相比較，等軸細(xì)晶區(qū)具有較弱的抗晶間腐蝕性及沖擊韌性，裂紋容易沿其晶界萌生并擴(kuò)展。

圖5 CW3焊絲雙側(cè)激光焊縫微觀特征

以熔化區(qū)為代表，采用掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)對(duì)圖5中虛線框區(qū)域特征進(jìn)行微觀分析，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，焊縫組織晶界上主要存在T(AlLiSi)和T2(Al6CuLi3)兩種晶間析出相，及Al-Cu共晶和少量的Al-Si共晶組織。雖然，掃描電鏡無(wú)法對(duì)Li元素的含量及分布特征進(jìn)行精確測(cè)量，但是，通過(guò)對(duì)背散射電子像上較深色區(qū)域的觀察，能夠確定Li元素不僅存在于T和T2兩種晶間相中，而且還以共晶的形式存在于晶界上。

如圖5～6所示，雙側(cè)激光焊縫內(nèi)的柱狀晶粒主要在焊縫橫截面內(nèi)結(jié)晶生長(zhǎng)，因此，通過(guò)對(duì)雙側(cè)激光焊縫沿焊接方向進(jìn)行縱向拉伸，能夠在焊縫斷口上獲得焊縫熔化區(qū)內(nèi)柱狀晶粒的特征形貌。圖7為ER4047和CW3焊絲焊接雙側(cè)激光焊縫采用以上方法得到的柱狀晶粒微觀形貌。如圖7a所示，由于ER4047焊絲內(nèi)的調(diào)控元素主要為Si，因此在柱狀晶界上形成了較多的T(AlLiSi)相，空間形貌為較規(guī)則的四面體結(jié)構(gòu)。由于T相的硬脆特性與基體存在明顯的差別，導(dǎo)致在相界面處應(yīng)力集中明顯，容易在此萌生裂紋，因此T相對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制及晶界的強(qiáng)化作用并不理想。此外，在枝晶間并未發(fā)現(xiàn)明顯的橋接特征，二次枝晶的生長(zhǎng)被明顯抑制，因此通過(guò)橋接作用提高晶界強(qiáng)度并抑制熱裂紋萌生及擴(kuò)展較為有限。然而，如圖7b所示，當(dāng)采用CW3焊絲時(shí)，所得焊縫晶粒形貌及晶界特征均發(fā)生了明顯的變化。首先，晶界上原有的T相被T2相代替，而T2相的特性更接近于基體性能，原本呈盤(pán)狀的T2相在晶間斷裂后產(chǎn)生明顯的塑性變形，說(shuō)明T2相比T相具有更好的塑性變形性能，從而能夠更好地抑制熱裂紋的萌生及擴(kuò)展；此外，枝晶間已經(jīng)形成明顯的橋接特征，二次枝晶豐富的二次枝晶將相鄰枝晶連接起來(lái)，明顯提高了晶界強(qiáng)度。綜上所述，采用CW3焊絲能夠顯著改善晶間沉淀相種類及性能并促進(jìn)二次枝晶的生長(zhǎng)，提高晶間強(qiáng)度并抑制熱裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。

圖6 CW3焊絲雙側(cè)激光焊縫晶間相組成

圖7 不同焊絲焊縫內(nèi)晶粒形貌

為了進(jìn)一步證實(shí)ER4047和CW3焊絲焊接雙側(cè)激光焊縫內(nèi)T和T2相的變化規(guī)律，分別對(duì)兩種焊絲的雙側(cè)激光焊縫組織進(jìn)行差示掃描量熱法(DSC)分析，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，在ER4047焊絲焊縫組織的DSC曲線上出現(xiàn)一吸熱峰A，出現(xiàn)溫度為616 ℃，峰A實(shí)則是由T相在616 ℃分解所形成；而在CW3焊絲焊縫組織的DSC曲線上變化十分明顯，代表T相分解的峰A已消失，取而代之的是吸熱峰B，出現(xiàn)溫度為597 ℃，峰B的出現(xiàn)則是反映了T2相在597 ℃發(fā)生分解的過(guò)程。通過(guò)以上結(jié)果能夠證明在CW3焊絲雙側(cè)激光焊縫內(nèi)T相的形成被明顯抑制，同時(shí)有效地促進(jìn)了T2相的形成。

圖8 不同焊絲焊縫DSC測(cè)試結(jié)果

2.2 焊絲成分對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響

圖9為采用ER4047和CW3焊絲所得雙側(cè)激光焊縫內(nèi)顯微硬度分布。硬度測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加焊絲中Cu,Mn等元素的含量能夠顯著提高等軸細(xì)晶區(qū)內(nèi)的顯微硬度水平，說(shuō)明焊絲中的強(qiáng)化元素能夠擴(kuò)散進(jìn)入等軸細(xì)晶區(qū)內(nèi)，從而有效改善該區(qū)域內(nèi)的硬度水平。

圖10為采用ER4047和CW3焊絲所得T型接頭縱向壓縮的載荷-位移曲線。如圖10所示，采用ER4047焊絲所得T型接頭的縱向抗壓載荷為90.5 kN，對(duì)應(yīng)位移為3.7 mm；CW3焊絲所得T型接頭的縱向抗壓載荷為92.7 kN，明顯高于ER4047焊絲T型接頭，對(duì)應(yīng)位移為2.8 mm，略微小于先前的位移值。

圖11為采用ER4047和CW3焊絲所得T型接頭縱向壓縮斷口顯微形貌。如圖11所示，不同焊絲所得T型接頭縱向壓縮斷口上均為直徑5 μm左右的等軸晶粒，說(shuō)明斷口位于緊鄰熔合線的等軸細(xì)晶區(qū)，該區(qū)域?yàn)門(mén)型接頭的薄弱區(qū)域。然而，不同焊絲所得T型接頭縱向壓縮斷口上晶間析出相的種類卻存在明顯的不同，如圖11a所示。采用ER4047焊絲所得T型接頭縱向壓縮斷口上的晶間析出相為T(mén)相，斷裂形式為明顯的沿晶斷裂；而如圖11b所示，改用CW3焊絲后，斷口上析出相由T相變?yōu)門(mén)2相，而且出現(xiàn)了明顯的穿晶斷裂特征，斷裂形式變?yōu)檠鼐?穿晶混合斷裂，說(shuō)明等軸細(xì)晶區(qū)內(nèi)的晶界強(qiáng)度得到明顯提升，表現(xiàn)為T(mén)型接頭抗壓載荷的提高。

圖9 不同焊絲焊縫內(nèi)顯微硬度

圖10 不同焊絲焊接T型接頭縱向抗壓載荷比較

圖11 不同焊絲焊縫縱向壓縮斷口形貌

圖12為采用ER4047和CW3焊絲所得T型接頭橫向拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。如圖12所示，采用ER4047焊絲所得T型接頭的縱向抗拉強(qiáng)度為375 MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的75.0%；CW3焊絲所得T型接頭的縱向抗拉強(qiáng)度為412 MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的82.4%，與ER4047焊絲所得T型接頭相比已有明顯的提高。

圖12 不同焊絲焊接T型接頭橫向抗拉強(qiáng)度比較

圖13為采用ER4047和CW3焊絲所得T型接頭橫向拉伸斷口顯微形貌。如圖13a所示，在ER4047焊絲所得T型接頭橫向拉伸斷口上存在較多等軸細(xì)晶組織，說(shuō)明斷裂位于等軸細(xì)晶區(qū)內(nèi)，該區(qū)域?yàn)門(mén)型接頭上薄弱環(huán)節(jié)。而如圖13b所示，CW3焊絲所得T型接頭橫向拉伸斷口特征明顯不同，斷口上布滿較深且均勻的韌窩，母材軋制層間特征明顯，說(shuō)明斷裂位于部分熔化區(qū)內(nèi)，該區(qū)域?yàn)門(mén)型接頭上薄弱環(huán)節(jié)，而等軸細(xì)晶區(qū)的晶間性能已得到改善。

圖13 不同焊絲焊縫橫向拉伸斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)在對(duì)2060/2099鋁鋰合金機(jī)身壁板T型接頭進(jìn)行雙側(cè)激光同步焊接過(guò)程中，CW3焊絲與ER4047焊絲相比具有更低的熱裂紋敏感性，能夠有效抑制焊縫內(nèi)熱裂紋缺陷。

(2)CW3焊絲的雙側(cè)激光焊縫組織晶界析出相主要為強(qiáng)化效果更好的T2(Al6CuLi3)相，而較硬脆的T(AlLiSi)相明顯減少，此外，柱狀晶上二次枝晶的生長(zhǎng)得到明顯促進(jìn)，枝晶間出現(xiàn)橋接特征，晶間析出相和晶粒形態(tài)的改變是熱裂紋被有效抑制的主要原因。

(3)CW3焊絲對(duì)焊縫組織的強(qiáng)化作用明顯，接頭上最薄弱的等軸細(xì)晶區(qū)的力學(xué)性能得到有效改善，顯微硬度值明顯提高；T型接頭的縱向抗壓載荷已由先前的90.5 kN提高為92.7 kN，斷口位于等軸細(xì)晶區(qū)內(nèi)，斷裂形式為沿晶-穿晶混合斷裂；T型接頭的橫向抗拉強(qiáng)度已由先前的375 MPa提高為412 MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的82.4%，斷口位于部分熔化區(qū)，斷裂形式為穿晶斷裂。

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2016-06-21

上海市經(jīng)信委產(chǎn)學(xué)研合作課題(CXY-2013-3)

TG456.7

李 昊，1985年出生，碩士，高級(jí)工程師。主要從事先進(jìn)焊接技術(shù)研究，已發(fā)表論文4篇。