5米級鋁鋰合金瓜瓣攪拌摩擦焊接工藝及組織性能研究

宋建嶺，王 昆，李 超，孟占興，劉德博

（1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津，300462；2.北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著近年來航天事業的蓬勃發展，對運載火箭的運載能力也不斷提出新的要求。作為運載工具，降低運載火箭自身重量可有效提高載荷能力，而具有低密度、高比強度、高比剛度和高彈性模量的鋁鋰合金是降低火箭自重的關鍵材料。同時鋁鋰合金還具有良好的耐腐蝕性能、耐疲勞性能和耐低溫性能[1～5]。由于鋁鋰合金具有熱敏感性高、良好的導熱性及熔點低等特點，且鋁鋰合金化學特性活潑，在鋁合金表面會存在一層致密的氧化膜，氧化膜具有較強的硬度和較高的熔點，采用熔化焊方式焊接時易使焊縫形成氣孔、裂紋等缺陷，且焊后殘余應力較大，該些因素導致鋁鋰合金熔化焊接頭質量不理想[6～10]。

攪拌摩擦焊接作為一種固相連接手段，可通過高速轉動的攪拌針將機械能轉換為摩擦熱能，從而實現待焊件間的連接。攪拌摩擦焊接熱輸入低，能夠有效降低組織粗化的影響，可廣泛應用于低熔點金屬焊接，且在焊接過程中無需氣體保護和填絲操作，能夠避免氣孔和焊接熱裂紋等缺陷[11,12]。近年來 S.MALA R VIZHI等[13]對2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接工藝進行了研究，研究結果表明鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭性能顯著優于熔化焊接頭，但對于鋁鋰合金攪拌摩擦焊接在5米級貯箱箱底焊接中的工程應用研究較少，為此，本文針對5米級鋁鋰合金瓜瓣攪拌摩擦焊接工藝及焊接接頭組織性能開展了研究。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為Φ5000 mm鋁鋰合金貯箱球面箱底瓜瓣，待焊部位為瓜瓣縱縫焊接，該瓜瓣內型面曲率半徑為2499.5 mm，單塊瓜瓣為箱底圓環的1/12，在圓周方向上屬于 30°瓜瓣，如圖1所示。瓜瓣材料為2195鋁鋰合金，是由O態板材經蠕變成形后進行固溶時效熱處理而成的，材料厚度為8.0 mm，熱處理狀態為 T8，主要化學成分見表1，其抗拉強度Rm為 570 MPa，斷后延伸率A為8%。

圖1 瓜瓣結構Fig.1 Structure of Melon-valve

表1 2195 鋁鋰合金化學成分Tab.1 Chemical Comрosition of 2195 Al-Li Alloy

1.2 試驗設備及裝置

試驗所用設備為重載五軸龍門攪拌摩擦焊接設備，裝配工裝為根據Φ5000 mm瓜瓣內型面特點設計制造的專用模胎，該工裝包括焊接膜胎、機械壓條、壓緊螺栓。攪拌頭結構形式為圓錐螺紋+3個斜面結構的攪拌針，如圖2所示。

圖2 攪拌頭實物Fig.2 Picture of Stirring Head

1.3 試驗流程

瓜瓣試驗件焊接前首先需要對瓜瓣進行酸洗，去除表面油污，然后通過專用模胎裝配瓜瓣并進行縱縫兩側余量銑切，如圖3所示，再使用刮刀對瓜瓣待焊區端面及焊接區部位20 mm范圍內正反面氧化膜進行刮削去除，使待焊區表面出現金屬光澤，且嚴格控制待焊工件，8 h內進行焊接，避免試板氧化膜的再次生成。刮削后，對焊接區每隔100 mm范圍內進行厚度測量，以最小厚度值為標準確定正式焊接攪拌針長度。

圖3 瓜瓣裝配示意Fig.3 Sketch Maр of Assembled Melon-valve

瓜瓣試樣焊接完成后，垂直于拼焊方向在焊縫處截取金相試樣，通過低倍顯微鏡觀察接頭的顯微組織；分別在拼焊接頭瓜瓣小端、中部、大端垂直于拼焊方向切割拉伸試樣進行室溫力學性能測試及低溫力學性能測試，取樣及測試方法分別按照室溫GВ/T228.1-2010、低溫GВ/T13239-2006執行；分別在拼焊接頭瓜瓣小端、中部、大端垂直于拼焊方向切割彎曲試樣進行彎曲性能測試，取樣及測試方法按照GВ/T2653-2008執行；采用場發射掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣斷口形貌。

2 焊接接頭質量及分析

2.1 接頭成形質量

攪拌摩擦焊接參數包括攪拌針傾角、攪拌針下壓量、攪拌頭轉速、焊接速度、攪拌頭結構形式等，Φ5000 mm鋁鋰合金瓜瓣攪拌摩擦焊接參數見表2。

表2 瓜瓣試驗件工藝參數Tab.2 Welding Parameters of Melon-valve

試片焊縫表面成形及瓜瓣拼焊整體外觀如圖4所示。

圖4 試片焊縫表面成形及瓜瓣拼焊整體外觀Fig.4 Aррearance of Welded Plate Piece and Melon-valve

采用該焊接參數焊接平板試片，獲得的焊縫成形良好如圖4a所示，隨后采用相同焊接參數焊接Φ5000 mm 瓜瓣試驗件。正式試驗件焊接過程中，首先利用程序仿真以及弧形試片進行焊接軌跡試驗，驗證焊接程序以及軌跡擬合精度的準確性，然后裝配壓緊瓜瓣，進行多點定位焊接、正式焊接。

焊接完成后的瓜瓣試驗件拼焊縱縫如圖4b所示。瓜瓣試驗件焊接完成后，焊縫表面成形良好，剔除焊縫兩側飛邊，對焊縫表面進行打磨處理，采用超聲相控陣及 X光射線兩種無損檢測手段檢測焊縫內部質量，結果表明焊縫內部質量良好無缺陷。

2.2 接頭組織分析

2195 -T8鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫微觀組織如圖5所示。

圖5 2195T8鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織Fig.5 Microstructure of Friction Stir Welded Joint of 2195T8 Al-Li Alloy

圖5a為2195-T8鋁鋰合金母材微觀組織，母材呈板條狀分布，有明顯的軋制痕跡；圖5b為熱影響區組織，熱影響區組織在焊接過程中受到熱循環作用，但是未受到攪拌頭的機械攪拌作用，未發生變形，而且焊接熱作用比焊核區弱，可以明顯看出，由于受到熱循環作用，其板條組織明顯比母材組織寬，說明熱影響區在焊接熱作用下，晶粒變大，相對母材而言，其存在粗化現象；圖5c和圖5f為熱機影響區的微觀組織形貌，可以看出，熱機影響區組織發生了較大程度的扭曲變形，并且存在一定程度的拉長跡象，這是由于熱機影響區的組織在焊接過程中同時受到攪拌頭的機械攪拌和焊接熱循環的雙重作用，但熱機影響區在位置上距離攪拌針較遠，受到攪拌針攪拌作用小于焊核區組織；對比圖5c和圖5f，可以發現前進側組織特征和后退側組織特征明顯不同，前進側分界明顯而后退側分界則比較模糊，出現這種狀況，與焊接過程中焊縫兩側金屬的塑性流動性不同有關，在前側，攪拌頭行進方向和軸肩摩擦產生的材料流動方向相同，塑性金屬流動性好，速度梯度較大，所以前進側板條組織的扭曲變形程度也比較大，而后退側攪拌頭行進方向和軸肩摩擦產生的材料流動方向相反，塑性金屬材料對攪拌頭的機械攪拌作用存在一定緩沖作用，進而降低了組織變形，所以焊核區和與熱機影響區分界不清晰；圖5e為焊核區組織形貌，焊核區組織晶粒非常細小，由等軸晶組成，組織均勻，沒有明顯的方向性。該區受到攪拌頭強烈攪拌作用，并經歷了較高的溫度循環，組織發生動態再結晶，形成的晶粒來不及長大就會在攪拌頭作用下被打碎，從而形成了焊核區的細小等軸晶粒。

2.3 接頭力學性能測試

分別針對瓜瓣大端、瓜瓣中部、瓜瓣小端拼焊縱縫進行取樣分析。經拉伸測試，常溫下，平均抗拉強度可達 406.5 MPa，強度系數達到 70.1%，延伸率為6.6%。低溫下，平均抗拉強度可達513.75 MPa，強度系數達到73.4%，延伸率為9.4%，如表3、表4所示。低溫下，2195鋁鋰合金瓜瓣拼焊接頭抗拉強度及延伸率優于室溫狀態，在2195鋁鋰合金平板試件焊接研究中有過相似的試驗結果，嚴安等[14]認為溫度降低致使位錯交滑移困難，加工硬化指數增大，變形均勻性增強，因此低溫抗拉強度較大。

表3 室溫下瓜瓣焊縫取樣力學性能Tab.3 Mechanical Proрerties of Melon-valve at Room Temрerature

表4 低溫下瓜瓣焊縫取樣力學性能Tab.4 Mechanical Proрerties of Melon-valve at Low Temрerature

彎曲試驗結果如表5所示。由表5可知，在接頭彎曲試驗中，接頭平均正彎性能為 75.3°，接頭平均背彎性能為35°。在正彎性能上，瓜瓣小端、中部、大端正彎性能存在一定波動，其中瓜瓣中部彎曲性能最佳，可達85°。在背彎性能上，接頭彎曲性能基本一致。如圖6所示（圖中畫圈位置表示裂紋位置），可獲得彎曲試樣斷裂位置，從斷裂位置看，鋁鋰合金瓜瓣試驗件接頭正彎裂紋位于焊核中部附近，背彎裂紋位于接頭融合線附近，并未斷裂于中心，說明焊縫接頭完全融合，不存在根部未焊透和根部未融合問題。

表5 接頭彎曲試驗結果Tab.5 Results of Вending Exрeriment

圖6 彎曲試樣裂紋位置示意Fig.6 Crack Location of Вending Sрecimen

2.4 接頭斷口分析

瓜瓣試驗件焊接完成后，將焊縫加工成拉伸子樣，進行力學測試，所有拉伸試樣均斷裂于熱影響區附近，如圖7為常溫斷口宏觀圖。

圖7 常溫斷口宏觀圖Fig.7 Macroscoрic Morрhology of Fracture at Room temрerature

圖8分別為斷口電鏡掃描照片。

圖8 斷口電鏡掃描形貌Fig.8 SEM Morрhology of Fracture

由圖8可知，斷口中存在較多大小不等的韌窩，且在斷口上存在有細小的第 2相粒子剝離后留下的非常細小的光滑韌窩，為沿晶斷裂。在部分大韌窩中還存在粗大的第2相粒子斷裂后產生的斷面，為穿晶斷裂，因此推斷2195鋁鋰合金的斷裂方式以韌窩和沿晶界開裂方式為主，斷口為韌性與脆性混合斷裂。

3 結 論

a）綜合5米級2195鋁鋰合金瓜瓣拼焊工藝特性，建立了 5米級鋁鋰合金瓜瓣攪拌摩擦焊接工藝方法，選用圓錐螺紋+3個斜面結構的攪拌針，轉速為300～500 r/min，焊接速度為80～120 mm/min時，可獲得高質量2195鋁鋰合金瓜瓣拼焊接頭。

b）2195鋁鋰合金瓜瓣拼焊接頭組織可分為熱影響區、熱機影響區及焊核區。相較于母材，熱影響區受焊接熱循環作用出現明顯的粗化現象，熱機影響區受到機械攪拌及熱循環雙重作用組織發生扭曲和拉長，焊核區由細小的等軸晶組成。

c）2195鋁鋰合金瓜瓣攪拌摩擦焊接頭低溫力學性能顯著優于常溫下力學性能，強度系數均達到 70%以上，延伸率均為5.5%以上，接頭斷裂方式以韌窩和沿晶界開裂方式為主，斷口為韌性與脆性混合斷裂。