交流CMT焊接工藝對2198鋁鋰合金接頭組織及性能的影響

汪殿龍，劉淑琦，陳彥朝，梁志敏

（1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點實驗室，河北石家莊050018）

交流CMT焊接工藝對2198鋁鋰合金接頭組織及性能的影響

汪殿龍1，2，劉淑琦1，陳彥朝1，梁志敏1，2

（1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點實驗室，河北石家莊050018）

鋁鋰合金是航空航天設(shè)備減重的理想輕質(zhì)高強材料。采用交流CMT工藝并填充ER4043焊絲焊接厚2 mm的2198-T8鋁鋰合金薄板，并采用金相顯微鏡、維氏顯微硬度計和拉伸試驗機研究交流CMT對2198鋁鋰合金接頭氣孔、顯微組織、力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，焊接電流90 A、電壓10.7 V、焊接速度80 cm/min時，焊縫成形良好，焊接接頭無宏觀裂紋缺陷；利用顯微鏡可觀察到焊接接頭存在較多的氣孔；熔合線顯微硬度最低為68 HV；接頭最大抗拉強度270 MPa，達(dá)到母材的64.3％，斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂。

鋁鋰合金；交流CMT；焊縫成形；力學(xué)性能

0　前言

鋁鋰合金因其密度低、比強度高、低溫性能和抗應(yīng)力腐蝕性良好等特點被認(rèn)為是航空航天最理想的結(jié)構(gòu)材料。研究表明，在鋁中每添加1％的鋰元素，合金密度降低3％，彈性模量增加6％。2198-T8作為第三代新型鋁鋰合金在成分上降低了Li含量，增加了Cu含量，并添加了Zr、Mn、Zn等元素，顯著降低合金的各向異性，提高強度和硬度，并獲得比第二代鋁鋰合金更好的焊接性[1]。由于Li的活潑性及高溫加工時形成的氧化層，鋁鋰合金焊接時氣孔問題更為嚴(yán)重；鋁鋰合金的強度提高，使焊接接頭軟化問題更突出，因此選擇熱輸入小的工藝方法是提高鋁鋰合金接頭強度系數(shù)的主要途徑[2]。

目前應(yīng)用于高質(zhì)量鋁鋰合金焊接的主要方法有弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊等。傳統(tǒng)弧焊如TIG、MIG、變極性等離子弧焊電弧溫度高、焊接熱輸入量大、熔深較大，更容易使熔池在高溫下吸收氫氣，造成嚴(yán)重的氣孔問題，一般不用于鋁鋰合金的焊接[3-4]。與弧焊相比，激光焊熱輸入較低，有利于減少氣孔和裂紋的產(chǎn)生，取得了較為良好的焊接效果；與熔焊相比，攪拌摩擦焊無輻射飛濺，焊縫中無裂紋、氣孔、收縮等缺陷，在中厚板焊接時無需開坡口，該方法用于飛行器上高強鋁合金焊接，可大大提高產(chǎn)品性能。激光焊和攪拌摩擦焊更多地應(yīng)用于鋁鋰合金的焊接。但以上焊接方法在焊接鋁鋰合金時均存在一定的局限性：鋁合金對激光束有強烈的反射效應(yīng)，低合金元素易揮發(fā)，改變激光的焦點位置，且激光熔池深寬比大，氣體不易逸出，設(shè)備成本較高；攪拌摩擦焊接焊接結(jié)束時會在焊縫端頭形成一個難以修補的鍵孔，且一般只適用于較為簡單的長直焊縫[5-6]。降低焊接熱輸入、有效清理氧化膜、加快氣孔逸出成為解決鋁鋰合金焊接問題的主要途徑。

交流CMT（Cold Metal Transfer-冷金屬過渡）作為一種新型焊接方法，將焊絲運動與熔滴過渡結(jié)合起來，大大降低了焊接熱輸入量。其變極性特性可以快速清理鋁鋰合金表面的氧化膜；焊接熱影響區(qū)窄，無飛濺過渡，焊縫均勻一致，對焊件裝配精度要求低也是其突出優(yōu)點。交流CMT沒有激光焊時的反射效應(yīng)，不存在攪拌摩擦焊結(jié)束時的鍵孔，設(shè)備成本較激光焊和電子束焊低，靈活性好，可以焊接較為復(fù)雜的焊縫。交流CMT的出現(xiàn)使得采用操作簡單且成本較低的熔化焊方法進行鋁鋰合金的高質(zhì)量焊接成為可能[7]。

1　實驗材料和方法

實驗材料選用135 mm×95 mm×2 mm的2198-T8鋁鋰合金薄板，焊絲牌號ER4043，焊絲直徑1.2 mm，ER4043焊絲在焊接過程中可提供大量的Al-Si共晶物，有良好的填充能力，可愈合熔池凝固時產(chǎn)生的裂縫，減少熱裂紋的產(chǎn)生。其化學(xué)成分如表1所示。

表1　2198鋁鋰合金及ER4043名義化學(xué)成分Tab.lComposition of base metals and filler wire ％

為了有效消除宏觀氣孔，本實驗在施焊前用鋼絲刷及刮刀去除焊板焊接區(qū)兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)至少0.15 mm厚度的氧化膜，再用丙酮試劑擦除焊板表面的水漬油污，焊接環(huán)境的濕度低于50％[8]。

焊接系統(tǒng)采用Fronius CMT Advanced 4000R型交流CMT焊接專機、FANUC A10i型機器人及其他輔助設(shè)備，系統(tǒng)主要包括焊接電源、送絲機、遙控面板、焊絲緩沖器及帶有推絲和抽絲功能的焊槍、機器人控制器、機器人、氬氣等。采用平焊位置，并設(shè)置引弧板和收弧板，保護氣體為純氬氣。通過多次實驗，選出一組外觀成形和力學(xué)性能都較好的工藝參數(shù)作研究討論，具體工藝參數(shù)如表2所示。

表2　焊接工藝參數(shù)Tab.2Process parameters of AC CMT welding

焊接過程中采用高速攝像儀拍攝記錄電弧形態(tài)及熔滴過渡隨時間的變化過程，由圖1可知，交流CMT的熔滴過渡方式為短路過渡。在正極性階段，電弧呈發(fā)散的鐘罩形，對工件有強烈的“陰極霧化”作用，達(dá)到快速清理氧化膜目的；在負(fù)極性階段，電弧沿焊絲“上爬”，能夠加快焊絲熔化。交流CMT獨特的熔滴過渡方式，將對熔池的溫度場及流場產(chǎn)生根本的影響，從而對焊后焊縫的形貌、化學(xué)分、組織和性能產(chǎn)生重要影響[9]。

圖1　交流CMT電弧形態(tài)Fig.1Arc shape of ACCMT

焊接完成后，通過觀察焊縫成形情況，表明焊接電流90 A、電壓10.7 V時，焊縫成形良好。使用線切割方法切取成形良好試件的金相、硬度、拉伸試樣，如圖2所示。經(jīng)過研磨、拋光，并用keller試劑腐蝕制成金相試樣，使用德國蔡司Axiovert.A1型金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織；采用TMVS-1維氏顯微硬度計測試接頭纖維硬度，加載力500 g，加載時間15 s；使用SANS電子萬能材料實驗機做拉伸實驗，拉伸夾持力5 MPa，拉伸速度5 mm/min。

圖2　拉伸試樣示意（單位：mm）Fig.2Tensile specimens

2　實驗結(jié)果及分析

2.1焊縫成形

2198鋁鋰合金板材焊后成形如圖3所示，與傳統(tǒng)弧焊及激光焊相比，薄板焊后幾乎無變形，焊縫外形均勻美觀，焊接接頭呈金屬光澤，有均勻魚鱗紋，無內(nèi)凹、咬邊、焊瘤、未熔合、未焊透、夾渣等外觀缺陷。焊縫全貌如圖4所示，由圖4可知，焊縫中無宏觀裂紋缺陷，焊縫余高1.2mm，背面下塌量1.5mm。

圖3　焊縫外觀成形Fig.3Weld appearance

圖4　焊縫宏觀全貌Fig.4Images of weld zone cross sections

2.2微觀組織形貌

放大200倍的焊縫金相組織如圖5所示，由圖5可知，焊縫區(qū)為典型的細(xì)密樹枝狀等軸晶（見圖5a）。圖5b為熔合線微觀組織，由于板厚較小且散熱較快，因此在熔合線靠近焊縫區(qū)無柱狀晶存在，但在熔合線上可觀察到一層細(xì)小的等軸晶帶，分析認(rèn)為母材中的Al3Zr和Al3Ti等微小粒子在熔池凝固過程中提供了大量的異質(zhì)形核點，促進了非均勻形核。圖5c為熱影響區(qū)微觀組織，靠近熔合線兩側(cè)的熱影響區(qū)出現(xiàn)了晶界融合晶粒長大現(xiàn)象，并且受焊接熱輸入的影響在α-Al基體中析出大量的σ（AlLi）相，最終導(dǎo)致出現(xiàn)焊接接頭硬度下降、接頭軟化的現(xiàn)象。

圖5　接頭金相組織Fig.5Micro-structure of the welded joints

2.3焊縫氣孔

焊縫氣孔分布如圖6所示。由圖6可知，氣孔數(shù)量較多且尺寸較小，直徑小于0.1 mm，散亂分布在焊縫內(nèi)部，其大小與分布與激光焊相比無明顯差異。焊縫氣孔主要是氫氣孔，是鋁及鋁合金焊接中最為常見且難以根除的問題。分析認(rèn)為，產(chǎn)生氣孔的主要原因是焊接所用母材厚度為2 mm，散熱較快，且由于CMT焊接冷熱交替的特點，使得焊接時的熱輸入量較小，熔滴凝固非?？?，此時溶解在液態(tài)熔滴中的氫氣孔無法長大和不能及時逸出，最終留在焊縫內(nèi)；同時氬氣純度不夠、工件焊前清理不足、環(huán)境的濕度也可能成為產(chǎn)生氣孔的原因[10]。

圖6　焊接接頭氣孔Fig.6Hydrogen pores in the welded joins

2.3顯微硬度

焊接接頭硬度分布曲線如圖7所示。焊縫中心硬度較高，在78～97HV之間，母材硬度約為165HV，焊縫區(qū)平均硬度達(dá)到母材的53.1％；熔合線區(qū)的硬度最低，在68～85 HV之間；熱影響區(qū)為焊縫兩側(cè)5～7 mm，硬度值在85～158 HV之間，硬度由熔合線區(qū)向母材呈遞增趨勢。由金相分析可知，在熱影響區(qū)由于焊接熱的作用，使原始母材在高溫的作用下發(fā)生過時效，強化相發(fā)生溶解長大，最終導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度下降。

圖7　焊接接頭硬度分布Fig.7Micro-hardness profiles of AC CMT welded joints

2.4拉伸性能

采用SANS電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸試樣尺寸及斷后形貌如圖8所示。從宏觀來看，斷口上均沒有明顯的宏觀塑性變形，斷口相對齊平并垂直于拉伸載荷方向；從微觀來看，斷口上有明顯的撕裂棱，斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂，準(zhǔn)解理裂紋源是晶粒內(nèi)部的空洞及雜質(zhì)等，準(zhǔn)解理由裂紋源從晶界向晶內(nèi)擴展，表現(xiàn)出明顯的河流走向，如圖9所示。熔合線為焊接接頭最薄弱的地方。

圖8　Al-Li合金拉伸斷裂后試樣Fig.8Tensile test specimens of Al-Li alloy

圖9　拉伸斷口SEM形貌Fig.9SEM of tensile fracture morphology

3　結(jié)論

（1）交流CMT焊接鋁鋰合金焊縫成形良好，幾乎無變形，焊接接頭無熱裂紋，具有良好得焊接性。

（2）交流CMT焊接工藝熱輸入量小，高溫停留時間短，接頭軟化現(xiàn)象相較于攪拌摩擦焊輕。

（3）針對氣孔問題，交流CMT焊接工藝雖然一定程度上降低了氣孔率，與攪拌摩擦焊相比，仍未達(dá)到理想效果，但與激光焊相比并無明顯差別。

[1]黃蘭萍，鄭子樵，李世晨，等.鋁鋰合金的研究和應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報，2002，16（5）：20-23.

[2]王威，徐廣印，段愛琴，等.1420鋁鋰合金激光焊接氣孔形成機理[J].焊接學(xué)報，2005，26（11）：59-62.

[3]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，2002，54（1）：16-18.

[4]姜濤，馬勤，傅開武，等.常用鋁鋰合金的焊接技術(shù)及其改進[J].熱加工藝，2013，42（19）：152-155.

[5]楊武雄，張心怡，肖榮詩.2060-T8/2099-T83鋁鋰合金T型接頭雙光束激光焊接工藝[J].中國激光，2013，40（7）：89-93.

[6]邢麗，宋驍，柯黎明.2198和C24S異種鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能[J].中國有色金屬學(xué)報，2014，24（7）：1714-1720.

[7]曹睿，馮振，陳劍虹，等.工業(yè)純鈦TA2/紫銅T2異種金屬CMT焊接接頭的微觀組織和腐蝕性能[J].焊接學(xué)報，2015，36（1）：39-42.

[8]Xiao Rongshi，Yang Wuxiong，Chen Kai.Nd：YAG laser weldingof1420aluminum-lithiumalloy[J].ChineseJLasers，2007，34（s1）：239-241.

[9]張洪濤，馮吉才，胡樂亮.CMT能量輸入特點與熔滴過渡行為[J].材料科學(xué)與工藝，2012，20（2）：128-132.

[10]王威，徐廣印，王旭友，等.1420鋁鋰合金激光焊接氣孔抑制技術(shù)[J].焊接學(xué)報，2008，29（2）：5-7.

Effect of welding parameters on microstructure and mechanical properties of AC CMT welded 2198 aluminum-lithium alloy

WANG Dianlong1，2，LIU Shuqi1，CHEN Yanchao1，LIANG Zhimin1，2
（1.Materials Science and Engineering College，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China；2.Hebei Province Material Near Net Shape Technology Key Laboratory，Shijiazhuang 050018，China）

Al-Li alloy is an ideal high-strength，light-weight material for aerospace equipment.2198 Al-Li alloy was welded by using AC CMT welding and the influences of welding parameters on the porosity，microstructure and mechanical properties of welded joints were investigated by optical microscopy，Vickers hardness tester and tensile testing.Experimental results demonstrated that there was no significant deformation and macroscopic defects in the base material with current 90 A，voltage 10.7 V welding speed 80 cm/min.A considerable amount of pores in the welded joints could be observed by a microscope，hardness measurements showed the hardness of weldedjointsdecreaseddramaticallyandtheminimum valuewas68HV.The maximum hoop tensile strength of welded joints was 270 MPa，which was 64.3％of the base material and the fracture mode was quasi-cleavage fracture.

Al-Li alloy；AC CMT welding；weld formation；mechanical properties

TG457.14

B

1001－2303（2016）02－0043-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.09

2015－08－03；

2015－10－26

國家自然科學(xué)基金資助項目（51205106，51005069）

汪殿龍（1978—），男，教授，博士，主要從事焊接自動化、新型電源變換理論等方面的研究。