溫斯涵 周煉剛 孫建秋 焦好軍 吳素君

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

文 摘 為了解決2195 鋁鋰合金在焊接時(shí)裂紋敏感性高、焊接頭軟化等問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整焊絲的化學(xué)成分，添加微米級(jí)原位自生TiB2顆粒，制備出BJ?4210焊絲，并對(duì)焊接頭的抗裂性、力學(xué)性能及顯微組織進(jìn)行了研究。研究表明，TiB2顆粒在熔池中作為形核質(zhì)點(diǎn)，能夠降低焊縫晶粒尺寸并且改變晶粒形態(tài)，從而有效的降低接頭的裂紋敏感性，提高接頭的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到370 MPa，延伸率為3.1%。BJ?4210焊絲的研制可為2195鋁鋰合金的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

0 引言

2195 鋁鋰合金是一種低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、具備較好抗腐蝕性能及良好低溫性能的鋁合金，在航空航天領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。使用鋁鋰合金代替常規(guī)鋁合金，在強(qiáng)度提高15%～20%的同時(shí)能夠減重10%～20%，可以有效減輕航空航天推進(jìn)器結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升其運(yùn)載能力［1?8］。

隨著2195 鋁鋰合金的不斷應(yīng)用，其焊接性能得到相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注。研究表明采用傳統(tǒng)熔焊工藝焊接鋁鋰合金時(shí)，主要存在焊接氣孔敏感性高、焊縫易氧化、熱裂紋敏感性高、焊接頭軟化等問(wèn)題［9?12］。鋁鋰合金焊接缺陷產(chǎn)生的主要原因包括：（1）合金中含有Li、Mg 等化學(xué)活潑性強(qiáng)的合金元素，合金表面形成的氧化物易吸收水分，且Li 對(duì)H 的親和力強(qiáng)，已在澆鑄過(guò)程吸H，導(dǎo)致焊接氣孔產(chǎn)生［13］；（2）Li 元素化學(xué)性質(zhì)活潑，在焊接時(shí)極易被氧化；（3）合金的熱膨脹系數(shù)大、冷卻零塑性溫度低、脆性溫度區(qū)間大，導(dǎo)致合金的熱裂紋敏感性高［14］；（4）焊縫中的金屬熔化并重新凝固，焊縫區(qū)為鑄態(tài)組織，焊縫內(nèi)析出的強(qiáng)化相少于母材中的強(qiáng)化相，接頭力學(xué)性能下降。目前，通過(guò)焊接工藝及過(guò)程控制可以解決氣孔敏感性高及焊縫易氧化的問(wèn)題，還需要研制鋁鋰合金配用焊絲以改善其抗裂性和焊接力學(xué)性能。

本文針對(duì)2195 鋁鋰合金的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整焊絲的化學(xué)成分從而改善焊縫的微觀組織，降低接頭的裂紋敏感性，提高焊縫的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

所用母材為西南鋁生產(chǎn)的T8 態(tài)2195 鋁鋰合金板材，厚度為8 mm，將其加工為6 mm厚的焊接試板，合金為Al?Cu?Li 系合金，具體成分見(jiàn)表1。焊接試驗(yàn)共選用2 種焊絲，焊絲直徑為3.0 mm，其中BJ?380D 焊絲是2A14 鋁合金配用焊絲，為成熟牌號(hào)焊絲；BJ?4210 是為2195 鋁鋰合金而設(shè)計(jì)的配用焊絲。

表1 2195鋁鋰合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 2195 Al-Li alloy %（w）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將焊接試板和焊絲進(jìn)行除油、酸洗及打磨刮削處理，保證清除鋁合金表面氧化膜，防止焊接氣孔缺陷的產(chǎn)生，焊接過(guò)程在焊接區(qū)域?qū)嵤〢r保護(hù)措施，避免焊縫被氧化。焊接試驗(yàn)設(shè)備為奧地利生產(chǎn)的Fronius MW 4000型焊機(jī)，在AR 保護(hù)下進(jìn)行TIG 手工焊接，采用單面雙層焊接工藝，焊接電流為200 A，焊接速度為100 mm/min，Ar 流量為12 L/min。焊接后對(duì)試板進(jìn)行X光檢測(cè)，X光底片顯示焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足QJ 2698A—2011 I級(jí)焊縫要求。

拉伸試樣由帶余高的焊接頭試樣沿橫向截取制備，試樣總長(zhǎng)175 mm，標(biāo)距為45 mm，拉伸試驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)CMT5105 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每種拉伸試樣取3個(gè)子樣，取其拉伸強(qiáng)度及延伸率的平均值作為該狀態(tài)下的力學(xué)性能。

利用德國(guó)生產(chǎn)的AXS?D8 射線衍射儀進(jìn)行X 射線衍射分析測(cè)試，將焊縫截面切割成長(zhǎng)方形樣品，要求測(cè)試面平整，實(shí)驗(yàn)條件：Cu?Kα 輻射，加速電壓40 kV，掃描速度6°/min。金相試樣采用混合酸溶液侵蝕，利用徠卡生產(chǎn)的DM4000M 金相顯微鏡觀察接頭組織形貌、晶粒尺寸及分布。在Quanta?650 掃描電鏡進(jìn)行接頭顯微組織分析、能譜分析（EDS）及拉伸斷口分析。在美國(guó)沃特仕生產(chǎn)的STDQ?600 差式掃描量熱儀上測(cè)量焊縫及2195 鋁鋰合金母材的DSC 曲線，獲得合金在凝固過(guò)程的初始結(jié)晶溫度、最終結(jié)晶溫度及凝固溫度區(qū)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊絲設(shè)計(jì)

使用BJ?380D 及BJ?4210 焊絲都是Al?Cu?Si 系焊絲，其中BJ?380D 焊絲添加Ti、Zr 等微合金化元素作為晶粒細(xì)化劑，BJ?4210 焊絲的化學(xué)成分是在BJ?380D 的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，將晶粒細(xì)化劑改變?yōu)槲⒚准?jí)的原位自生TiB2顆粒，以改善焊縫的微觀組織，提高焊縫的抗裂性及力學(xué)性能，兩種焊絲的成分對(duì)比見(jiàn)表2。根據(jù)優(yōu)化后焊絲成分，通過(guò)熔鑄、擠壓和拉拔等工序，制造出適合于手工氬弧焊接的小樣焊絲實(shí)物，絲徑為3.0 mm。

表2 焊絲化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of weld filler wire %（w）

2.2 抗裂性能

選用環(huán)形焊縫試驗(yàn)方法對(duì)2195鋁鋰合金及其配用焊絲的焊接裂紋敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)。環(huán)形焊縫試驗(yàn)法，類似于法蘭焊接結(jié)構(gòu)。內(nèi)外圓盤(pán)為母材，加工、裝配壓緊后進(jìn)行對(duì)接焊接，試片厚度不限，適合于手工焊和自動(dòng)焊。焊后分別測(cè)量結(jié)晶裂紋長(zhǎng)度和液化裂紋長(zhǎng)度，測(cè)量單條焊縫上的裂紋長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)從正、反兩面進(jìn)行，取數(shù)值較大者計(jì)算。

對(duì)母材環(huán)形試樣進(jìn)行自熔焊接，焊縫中心存在大量結(jié)晶裂紋，結(jié)晶裂紋敏感性K1＞14%，沿裂紋縱向方向制備金相試樣，觀察裂紋的擴(kuò)展途徑及裂紋與焊縫微觀組織的關(guān)系。焊接熱裂紋的宏觀及微觀形貌如圖1所示，2195 鋁鋰合金在焊接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋及液化裂紋，在金相顯微鏡下觀察其微觀形貌，焊縫中心的結(jié)晶裂紋在柱狀晶間及枝晶間形成，并沿晶界擴(kuò)展，而熔合線外側(cè)生成的液化裂紋沿母材HAZ 粗晶區(qū)晶界擴(kuò)展，利用機(jī)械法將焊接熱裂紋打開(kāi)，在掃描電鏡下觀察熱裂紋斷口形貌，見(jiàn)圖2，熱裂紋斷口主要呈現(xiàn)光滑顆粒特征（“鵝卵石”狀或“土豆”狀），且表面可見(jiàn)晶間低熔點(diǎn)共晶物或液膜褶皺，說(shuō)明焊接熱裂紋與晶界上的低熔點(diǎn)共晶物相關(guān)。研究表明，自熔焊接結(jié)果說(shuō)明材料本身的抗裂性能較差，需要添加合適的焊絲降低其裂紋敏感性。

圖1 焊接熱裂紋的宏觀及微觀形貌Fig.1 Macro and micro morphology of welding hot crack

圖2 焊接熱裂紋斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of welding hot crack

利用BJ?380D 及BJ?4210 焊絲對(duì)圓盤(pán)試樣進(jìn)行填絲氬弧焊接，環(huán)形焊縫抗裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。BJ?380D焊絲圓環(huán)試樣的熱裂紋出現(xiàn)在起弧處焊縫中心（結(jié)晶裂紋），裂紋長(zhǎng)度約為5 mm，未發(fā)現(xiàn)液化裂紋，經(jīng)計(jì)算裂紋敏感性K1=3.2%，K2=0%，與母材自熔焊接相比，抗裂性顯著提高。BJ?4210焊絲圓環(huán)試樣未發(fā)現(xiàn)焊接熱裂紋的存在，裂紋敏感性K1=0%，K2=0%，表明焊絲的抗裂性能優(yōu)異，可以滿足使用要求。

圖3 BJ?380D及BJ?4210焊絲抗裂試驗(yàn)Fig.3 Anti?crack experiment of BJ?380D and BJ?4210

為進(jìn)一步研究BJ?4210焊絲的抗裂性能，對(duì)其焊接頭的DSC曲線進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)溫度與熱流之間的關(guān)系，得到焊接頭在凝固過(guò)程的初始結(jié)晶溫度、最終結(jié)晶溫度及凝固溫度區(qū)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。4210接頭在熔化后凝固的過(guò)程，初始結(jié)晶溫度為607.2 ℃，最終結(jié)晶溫度為499.6 ℃，凝固溫度區(qū)間為107.6 ℃。與2195鋁鋰合金母材的DSC數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，合金初始結(jié)晶溫度為628 ℃，最終結(jié)晶溫度為511.6 ℃，凝固溫度區(qū)間116.4 ℃。結(jié)果顯示，4210接頭具備更低的最終結(jié)晶溫度，結(jié)合焊接時(shí)的熱場(chǎng)分布，在熱影響區(qū)熔合線外側(cè)晶界液化臨近結(jié)束前，焊縫內(nèi)金屬仍存在流動(dòng)性較好的液態(tài)低熔點(diǎn)相，有利于抑制液化裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)4210接頭初始結(jié)晶低于鋁鋰合金初始結(jié)晶溫度，具有更小的固?液態(tài)結(jié)晶溫度區(qū)間，在脆性溫度停留時(shí)間短，應(yīng)變量積累量減少，結(jié)晶裂紋傾向降低。該研究表明BJ?4210焊絲通過(guò)調(diào)整焊縫內(nèi)部化學(xué)成分，降低了合金的熱裂紋敏感性。

圖4 BJ?4210接頭DSC曲線Fig.4 DSC curve of BJ?4210 welded joint

2.3 力學(xué)性能

利用兩種不同焊絲對(duì)2195鋁鋰合金進(jìn)行單面雙層焊接后，試板厚度為6.0 mm，對(duì)接頭進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)量、統(tǒng)計(jì)抗拉強(qiáng)度及延伸率，并計(jì)算其平均值，結(jié)果記錄在表3內(nèi)。兩種接頭的拉伸斷口位置都處于熔合線內(nèi)側(cè)，其中BJ?4210接頭的拉伸強(qiáng)度可達(dá)到379 MPa，延伸率為3.1%，其強(qiáng)度達(dá)到使用需求；BJ?380D 接頭的拉伸強(qiáng)度超過(guò)350 MPa，延伸率為2.3%。結(jié)果顯示BJ?4210 接頭的力學(xué)性能超過(guò)BJ?380D 接頭，說(shuō)明TiB2顆粒增強(qiáng)可以大幅提高焊接頭拉伸強(qiáng)度的同時(shí)，提高一定的延伸率，但是由于添加了3%～4.5%的Si 元素，在接頭熔化再凝固的過(guò)程中會(huì)形成脆性相，導(dǎo)致BJ?4210接頭的延伸率數(shù)值仍然偏低，接頭塑性仍有待提高。

表3 2195鋁鋰合金焊接頭拉伸性能Tab.3 Tensile properties of 2195 Al-Li welded joint

2.4 顯微組織分析

將焊接頭截面切割成長(zhǎng)方形樣品，利用X 衍射儀分析焊縫組織，使用jade 衍射特征峰進(jìn)行標(biāo)定分析后，在Origin 中繪制X 射線衍射分析圖譜，見(jiàn)圖5，對(duì)比XRD 圖譜與標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片庫(kù)可以發(fā)現(xiàn)，接頭的主要相組成為α?Al（PDF#04?0787）及Al2Cu（PDF#25?0012），由于其余相含量過(guò)低，因此未能體現(xiàn)在XRD圖譜上。

圖5 BJ?4210接頭Ⅹ射線衍射圖譜Fig.5 X?ray diffraction pattern of BJ?4210 welded joint

對(duì)BJ?4210 及BJ?380D 焊接頭的顯微組織進(jìn)行分析，圖6為兩種焊絲對(duì)2195 鋁鋰合金進(jìn)行單面焊接后的接頭組織。焊接頭由焊縫熔化區(qū)（FZ）、熔合線半熔化區(qū)（FL）、熱影響區(qū)（HAZ）組成。2195/BJ?380D 接頭焊縫中心晶粒也較為均勻，尺寸為40～50μm，熔合線內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較粗大的柱狀樹(shù)枝晶。2195/BJ?4210 接頭晶粒細(xì)小均勻，尺寸一般為25 μm 左右，與一般鋁合金熔焊焊縫熔合線晶粒形貌不同，接頭從熔合線到焊縫中心組織均為細(xì)小等軸晶，熔合線內(nèi)側(cè)無(wú)柱狀晶組織。這是因?yàn)锽J?4210 焊絲含有原位自生的TiB2微米級(jí)顆粒，在焊接過(guò)程中，難熔固態(tài)質(zhì)點(diǎn)TiB2隨焊絲進(jìn)入熔池中，懸浮在熔池的液體空間或空隙中，凝固過(guò)程液態(tài)金屬依附懸浮質(zhì)點(diǎn)的表面析出固態(tài)晶粒，最終形成全焊縫區(qū)域等軸晶。

圖6 BJ?4210和BJ?380D接頭金相組織Fig.6 Metallographic structure of BJ?4210 and BJ?380D welded joint

使用掃描電鏡（SEM）對(duì)BJ?4210 和BJ?380D 的微觀組織進(jìn)行進(jìn)一步分析，通過(guò)背散射圖像確定焊縫中的相分布，并利用能譜分析（EDS）對(duì)組織進(jìn)行分析。圖7為2195/BJ?4210 及2195/BJ?380D 接頭微觀組織，焊絲內(nèi)添加Si后，焊縫內(nèi)沿晶界分布白色低熔點(diǎn)共晶相，經(jīng)過(guò)EDS 分析可知（圖8），共晶相主要包含Al、Cu 以及少量的Si，晶粒內(nèi)含Si 量很少，絕大多數(shù)Si富集到晶界處，降低了最低結(jié)晶溫度，有益于抑制液化裂紋，但是晶界處富集的Si 會(huì)導(dǎo)致焊縫的脆性，體現(xiàn)在其焊接頭延伸率偏低，僅高于同樣為Al?Cu?Si 系的BJ?380D 焊接頭。2195/BJ?4210 接頭內(nèi)還存在一定量的微米級(jí)TiB2顆粒，細(xì)化了晶粒尺寸，在晶間低熔點(diǎn)共晶物較少的情況下，破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性，降低了焊縫的熱裂傾向。

圖7 BJ?4210和BJ?380D接頭顯微組織Fig.7 Microstructure of BJ?4210 and BJ?380D welded joint

圖8 BJ?4210和BJ?380D焊縫組織能譜分析Fig.8 EDS analysis of BJ?4210 and BJ?380D welded joint

BJ?380D 及BJ?4210 焊接頭拉伸的斷口位置處于熔合線內(nèi)側(cè)，說(shuō)明接頭熔合線內(nèi)側(cè)區(qū)域?yàn)榻宇^最薄弱的位置，而TiB2顆粒作為非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)，降低晶粒尺寸的同時(shí)，改變了焊縫在凝固過(guò)程中的結(jié)晶行為，避免在熔合線內(nèi)側(cè)形成粗大的柱狀樹(shù)枝晶，使全焊縫區(qū)域形成細(xì)小等軸晶，可以有效提高接頭的強(qiáng)度及塑性，此外TiB2顆粒自身作為合金中的硬質(zhì)強(qiáng)化相可以阻礙焊接頭受力時(shí)的位錯(cuò)移動(dòng)，提高了接頭的強(qiáng)度，因此BJ?4210接頭具有更高的拉伸強(qiáng)度及延伸率。綜上所述，TiB2顆粒增強(qiáng)可以改善接頭的微觀組織，提高接頭的強(qiáng)度及塑性。

對(duì)2195/BJ?4210及2195/BJ?380D焊接頭斷口形貌進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖9。2195/BJ?380D斷口主要呈巖石狀，為典型沿晶斷裂特征，其延伸率指標(biāo)低；2195/BJ?4210 接頭斷口呈現(xiàn)混合斷裂特征，具有一定塑性變形能力，其塑性強(qiáng)于380D 接頭，斷口形貌與力學(xué)性能結(jié)果相符。

圖9 BJ?4210和BJ?380D接頭常溫?cái)嗫贔ig.9 Tensile fracture morphology of BJ?4210 and BJ?380D welded joint at room temperature

2.5 結(jié)構(gòu)件焊接

采用手工氬弧焊接方法及BJ?4210焊絲對(duì)結(jié)構(gòu)模擬件進(jìn)行焊接，考察焊絲在結(jié)構(gòu)件上的適應(yīng)性及焊接性，結(jié)構(gòu)模擬件由2個(gè)半球?qū)訕?gòu)成，焊接部位包括1個(gè)直徑為100 mm的嘴子和一個(gè)直徑為1 000 mm的環(huán)焊縫，焊口厚度為3.0 mm，如圖10所示。通過(guò)酸洗、裝配、定位焊后，實(shí)施一次焊接，焊接后的結(jié)構(gòu)模擬件焊縫成形良好，未出現(xiàn)氧化及開(kāi)裂現(xiàn)象，說(shuō)明BJ?4210焊絲可完成球形結(jié)構(gòu)件嘴子及大環(huán)縫的焊接。

圖10 結(jié)構(gòu)模擬件焊接Fig.10 Welding of simulation structure

3 結(jié)論

（1）新研制BJ?4210 焊絲抗裂性優(yōu)異，K1=0%，K2=0%。

（2）BJ?4210焊絲的力學(xué)性能優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度最高為379 MPa，延伸率為3.1%。

（3）焊絲中添加Si元素后，在焊縫晶界處會(huì)形成Al?Cu?Si低熔點(diǎn)共晶相，有利于降低焊接頭的熱裂紋敏感性，但是晶界處富集的Si會(huì)導(dǎo)致焊縫脆性，體現(xiàn)在其焊接頭延伸率偏低，且斷口呈沿晶斷裂特征。

（4）BJ?4210焊絲內(nèi)的原位自生TiB2顆粒，在熔池中作為形核質(zhì)點(diǎn)，可以降低晶粒尺寸，使焊縫形成均勻細(xì)小等軸晶，提高接頭的抗裂性和力學(xué)性能。

（5）BJ?4210焊絲可以完成嘴子及環(huán)焊縫的焊接，證明其在結(jié)構(gòu)模擬件的適應(yīng)性及可焊接性。