鋁鋰合金焊接技術的研究現狀分析

溫忠亮

摘? 要：鋁鋰合金作為輕質、高性能材料，得到廣泛的應用，鋁鋰合金連接質量和應用受到焊接方法的影響，采取不同焊接方法對于連接區域性能產生不同影響，可能會造成焊接區域性能改變，因此焊接方法成為人們研究的熱門問題。基于此，該文先對鋁鋰合金成分進行了深入分析，然后對鋁鋰合金焊接技術進行詳細分析。以期通過采取合適的焊接技術，可以減少焊接方法對于鋁鋰合金質量的影響，保證焊接連接區域性能滿足質量要求，推動鋁鋰合金的廣泛應用。

關鍵詞：鋁鋰合金;焊接方法;焊接縫;抗拉強度

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0 引言

鋁鋰合金是一種輕質金屬，由于添加大量Li元素，密度較低，具有較高彈性模量，經常用于航天航空工程中。有研究表明，鋁鋰合金每添加1%Li元素，可以降低鋁鋰合金密度3%，使彈性模量提高6%。鋁鋰合金耐蝕性較強，具有良好的抗疲勞性能和低溫性能，在軌道交通、核工業等領域具有廣闊的應用空間。隨著鋁鋰合金廣泛應用，合金焊接工藝受到了極大關注，焊接時合金出現晶粒粗大，產生氣孔等缺陷，影響合金質量和應用。因此研究焊接方法是保證合金焊接質量的關鍵。

1 鋁鋰合金成分

目前已經開發出第三代鋁鋰合金，將Li元素含量明顯減少，提高Cu元素含量，產生新強化相改善各向異性問題，使鋁鋰合金韌性得到提升，具有良好的焊接性。鋁鋰合金主要包括Li、Cu、Mg、Zr、Fe、Si、Zn、Mn。其中由于Li元素的活性在表面形成LiOH、Li2O等化合物，使得合金表面形成了氧化膜。氧化膜很容易和環境中的水分反應。焊接時若母材處理不當，造成焊縫中進入氫，形成氣孔，在焊接時將會產生沿晶界分布的共晶，使接頭出現沿晶熱裂紋，由于焊縫熱影響區和時效問題，在接頭焊后出現軟化，造成合金力學性能下降。因此焊接鋁鋰合金存在多種方法，以下進行詳細研究。

2 鋁鋰合金的焊接方法

2.1 弧焊

傳統弧焊方法成本低廉，具有較高的適應性和通用性，焊接時使用陰極霧化作用將表面氧化膜完全清除，焊接前深度清理母材，同時對合金氣純度起到保護作用，避免接頭氣孔多的問題。使用弧焊焊接存在很多優勢，由于弧焊溫度高，熱輸入大，容易導致晶粒粗大，造成接頭性能惡化。選擇合適的焊接工藝已經成為弧焊的關鍵條件。如使用變極性TIG對2195鋁鋰合金焊接，由于焊縫以及熱影響區晶粒較粗大，將會造成接頭位置力學性能出現下降，抗拉強度只能達到66%。TIG熱輸入大，焊接接頭晶粒粗化嚴重，造成接頭性能很難提高。在TIG焊接方法基礎上使用新工藝限制晶粒，進而提高焊接接頭性能。

使用填絲焊后，加熱焊絲可以分擔部分熱輸入，焊絲成分能夠對晶粒起到細化作用，對晶粒產生抑制作用。采取填絲TIG焊方法，添加不同種類焊絲有助于細化晶粒，使抗拉強度得到提升。填絲焊和復合焊能夠減小晶粒尺寸，但是接頭強度仍然不高。使用交流CMT工藝，可以得到細小晶粒焊縫組織，對接頭軟化問題得到改善，將抗拉強度提高至母材82%，相比于普通弧焊工藝，該方法將抗拉強度提高了15%。

2.2 高能束焊

激光焊是傳統焊接方法中熱輸入較少的方法，焊接合金時有助于降低晶粒粗化，熱影響區相對較窄，可以減少力學性能受到的影響。因此該方法具有一定的優勢。該方法具有較高的反射率，焊接過程中等離子光產生屏蔽作用，不利于焊接效果的優化。研究激光焊接接頭組織，使用YAG激光焊接方法，形成的接頭熔合區包含等軸樹枝晶構成，樹枝狀亞晶的粗細不均勻，熔合線附近存在細小球狀細晶區，激光焊接方法晶粒尺寸較為粗大，接頭區域晶粒大小分布不均勻，給接頭造成不良影響，影響合金的綜合性能。激光填絲焊接具有較高生產率，焊接變形相對較小，能夠對焊縫成形起到改善作用，使接頭力學性能得到提升，在鋁鋰合金焊接中廣泛應用。使用激光填絲焊接核心，得到的焊縫晶粒更加細小，很多晶粒屬于胞狀等軸晶，接頭硬度更加均衡，抗拉強度可以提高至73%。填絲焊提高接頭綜合性能，在電流輔助下，能夠進一步縮小晶粒尺寸，使晶粒尺寸更加均衡，使抗拉強度得到顯著提升。

電子束焊也經常應用于鋁鋰合金的焊接中，該方法產生的焊縫和熱影響區相對狹窄，在很大程度上減小了鋁鋰合金接頭軟化傾向。使用電子束焊，需要在真空中展開，能夠避免焊接氫氣孔的缺陷，電子束焊焊接期間冷卻速度相對較快，析出強化相較少，存在嚴重的成分偏析問題，必須要在焊接過程中加強控制。使用電子束焊焊接，焊縫位置包含柱狀晶和軸晶混合，在晶界位置存在嚴重的偏析問題，造成晶內析出強化相較少。焊接時增加電子束掃描，焊縫組織均為細小等軸晶，焊縫中析出大量強化相，提高力學性能。可見使用電子束可以有效提高焊縫組織，提高強化相作用。但是強化相貧化原因在于焊后快速冷卻造成未及時析出。對接頭進行焊接熱處理，可以有效加強強化相析出。快速冷卻會造成強化相不充分析出，使接頭強度得到提升，焊后熱處理對于提高電子束接頭性能具有重要意義。提高接頭強度，但是接頭塑性無法達到母材水平，未來還需要對該問題進行深入分析。

2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是無金屬熔化過程，焊接低沸點元素材料，不會出現元素蒸發的問題，抗拉強度更加接近母材。使用攪拌摩擦焊接頭，熱影響區較小，焊核區幾乎沒有強化相。由于焊縫析出強化相較少，通過提高冷卻速度，得到過飽和固溶體，焊后處理時效，使強化相析出，使得合金強度得到提高。對鋁鋰合金焊接過程中添加水浸涂料滾輪，快速冷卻，讓強化相數量快速增加，將抗拉強度提高28%。使用攪拌摩擦焊可以提高合金接頭性能，提高抗拉強度。攪拌摩擦焊強化相析出量少，對接頭力學性能起到阻礙作用。目前解決問題的方法停留在處理焊后上，還需要深入研究強化相控制。

2.4 擴散焊

擴散焊是一種固相焊接方法，擴散焊縫缺少凝固組織，鋁鋰合金焊接時注意避免元素燒損，將焊縫強化相大量保留，并不存在裂紋和氣孔。需要耗費大量擴散時間，焊接的效率相對較低。鋁鋰合金的氧化膜會對原子擴散產生阻礙作用，影響接頭性能，焊前需要深度清理母材對接面。使用擴散連接鋁鋰合金發現抗剪強度會隨著壓力和溫度變化增加，在11 MPa、520℃環境下，經過1 h保溫可以達到最大值。使用合理的焊接參數可以有效提高焊接頭性能。因此擴散焊接頭性能受到連接方式、中間層以及工藝參數的影響，使用合理工藝設計可以得到良好接頭，將接頭強度提高至母材90%。由于焊接要長時間保溫，焊接過程耗時長，需要著重研究這些問題，提高合金性能。

2.5 釬焊

釬焊也經常用于鋁鋰合金的焊接上，由于鋁鋰合金氧化膜影響釬料潤濕母材，破壞氧化膜釬劑成為焊接成功的關鍵。由于合金固相線溫度較低，母材易出現過燒問題，因此加強釬焊溫度控制十分關鍵。使用釬焊方法焊接鋁鋰合金，可選擇釬料和釬劑十分關鍵，在530℃下使用Ag-Al-Cu-Zn釬料以及CsFAlF3作為釬劑可以取得良好抗剪強度。使用多組元重金屬釬劑，可以達到良好的氧化膜破壞效果。

3 結論

綜上所述，鋁鋰合金成分主要包括Li、Cu、Mg、Zr、Fe、Si、Zn、Mn。其中由于Li元素的活性在表面形成LiOH、Li2O等化合物，使得合金表面形成了氧化膜，對于焊接質量產生不利影響。常用鋁鋰合金的焊接方法包括弧焊、高能束焊、攪拌摩擦焊、擴散焊、釬焊，這些方法都需要經過對應的改善，才能提高合金抗拉強度，保證焊接后合金仍然滿足使用要求。未來還需要深入研究焊接方法，提高焊接質量。

參考文獻

[1]李玉龍，袁天保，陳玉波，等.鋁鋰合金攪拌摩擦焊接技術的研究現狀及其發展方向[J].電焊機，2019，49（2）：6-13.

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