2195鋁鋰合金焊接技術研究進展

元琳琳， 王煒， 陳曉宇

(1.北京有色金屬與稀土應用研究所，北京 100012；2.北京市電子信息用新型釬焊材料工程技術研究中心，北京 100012)

0 前言

鋁鋰合金具有良好的綜合性能，第一代由美國及前蘇聯開發，至今已發展至第三代[1]。鋰的密度為0.534 g/cm3，是自然界最輕的金屬元素。研究表明，在鋁中每添加1%(質量分數)的鋰，合金密度可降低3%，彈性模量可提高6%。采用鋁鋰合金替代常規鋁合金，可使結構剛度提高15%～20%，減重10%～15%，這對飛行器實現結構輕量化至關重要，是添加其他輕元素(Be，Mg等)所不能及的[2]。此外，鋰在鋁中的固溶度，630 ℃時最大為4.2%，室溫下則不到1%，這有利于合金在淬火和人工時效后硬化[3]。鋁鋰合金中，2195合金最初由美國Martin Maritta公司和Reynolds公司合作研制，該合金具有超高強度、優良的可鍛性和低溫性能，在Weldalite鋁鋰合金系列中應用最廣，可取代原來的2219和2014合金，應用于大型運載火箭的低溫推進劑貯箱、導彈殼體油箱等結構中，在航空飛行結構體中也具有廣泛的應用前景。目前，美國已經基本解決2195鋁鋰合金關鍵制造技術問題，并已用于制造大型貯箱，成功代替2219鋁合金，經試驗滿足結構強度要求[4]。我國在“九五”期間，由西南鋁業與中南大學聯合成功研制高強鋁鋰合金大規格薄壁管和板材，性能與美國Alcoa公司產2195鋁鋰合金相當[5]。隨著2195鋁鋰合金的廣泛應用，其焊接技術也受到越來越多的關注。

1 2195鋁鋰合金焊接特點

2195鋁鋰合金焊接熱裂紋尤其是凝固裂紋敏感性高，且該合金多用于大型焊接構件，不能進行焊后熱處理，因此焊態下接頭性能較低。該合金在焊接過程中主要存在接頭軟化、易產生氣孔和裂紋三類問題[6]。

1.1 接頭軟化

2195鋁鋰合金是典型的沉淀強化型鋁合金，采用普通的熔焊工藝方法焊接存在明顯的接頭軟化問題，強度愈高，接頭軟化問題愈突出。產生接頭焊縫軟化現象主要是由焊縫時效不足和熱影響區過時效導致。焊縫時效不足是由于焊接熔池凝固速度快，大量溶質元素如Li等在枝晶間偏析，致使固溶體中的過飽和度不足，焊后時效過程中僅有少量硬化相析出。熱影響區過時效是由于強化相發生聚集長大和脫溶轉變，在基體中的數量減少，間距增大，宏觀表現為接頭強度降低[7]。

1.2 焊接氣孔

2195鋁鋰合金中Li元素對氫的親和力極強，因此該合金含氫量比普通鋁合金更高。同時，Li活性較強，在合金的高溫加工過程中表面形成Li2O，LiCO3，LiOH，Li3N等化合物，這些化合物在合金表面極易吸附周圍環境中的水分，焊接時導致氫進入熔池，造成氣孔極易在焊接過程中產生氣孔等缺陷。此外，由于焊縫中存在Li，Mg等低沸點活性元素，受熱時揮發至熔池也會形成氣孔[8]。

1.3 焊接熱裂紋

2195鋁鋰合金焊接時易出現焊接熱裂紋，這是因為 Li能增大鋁合金的凝固溫度區間和線膨脹系數，降低鋁熔液的表面張力。此外，2195合金具有較大的焊接熱裂紋敏感性，它的臨界應變量εmin<0.19%。2195合金的焊接熱裂紋主要分布于焊縫、焊縫邊緣等軸晶區、弧坑等部位，其中焊縫和焊縫邊緣等軸晶區對焊接熱裂紋最敏感。

2 2195鋁鋰合金焊接方法及研究現狀

目前，2195鋁鋰合金可采用鎢極氬弧焊(TIG)、變極性等離子弧焊(VPPA)、電子束焊(EBW)、LW(激光焊)、攪拌摩擦焊(FSW)、釬焊和擴散焊等方法進行焊接，不同方法具有各自特點。氬弧焊方法成本低、通用性好，接頭強度有待提升。利用激光焊、電子束焊、攪拌摩擦焊、釬焊和擴散焊獲得的接頭性能優于氬弧焊，但這些方法一定程度上受構件尺寸、壁厚、形狀、成本、設備等因素所限[9-10]。

2.1 TIG焊

鎢極氣體保護焊(TIG)是航天領域用鋁合金常用的焊接方法。針對2195鋁合金焊接熱裂紋問題，北京航空材料研究院采用手工鎢極氬弧焊方法，通過橫向變拘束試驗和魚骨試驗，對國產2195合金焊接熱裂紋敏感性進行評定，并探討2195合金熱裂紋形成機理。在ER2319焊絲成分基礎上研制7中不同成分焊絲，嘗試利用冶金措施控制合金熱裂紋產生。研究表明，2195合金焊接中熱裂紋主要在焊縫和熔合區產生。與常規ER4043焊絲相比，采用含Sc焊絲焊接2195鋁鋰合金，由于細晶強化和析出強化作用可獲得較高焊縫強度。且當Sc含量為0.76%時，可顯著降低焊接接頭的熱裂紋敏感性，接頭抗拉強度達330 MPa，斷后伸長率4.9%。Sc含量超過0.76%時，晶界析出物粗化，對焊縫產生不利影響。

為降低2195鋁鋰合金焊接氣孔敏感性，哈爾濱工業大學張玉岐等人[11-12]自主研制超聲TIG試驗裝置，焊接原理如圖1所示。

圖1 超聲復合電弧焊接原理

試驗采用ER2325焊絲對2195鋁鋰合金板材進行焊接。由焊接區域微觀組織(圖2)可知，經過超聲TIG焊，接頭中無明顯縮孔缺陷。這是因為超聲波經過電弧傳入焊接熔池，在傳播過程中間接對熔池產生振動攪拌作用，改善熔池液態金屬流動，克服普通TIG焊金屬凝固收縮不能補縮的缺點。TIG焊焊縫結晶金屬細化，接頭熔合區附近細晶帶，焊縫組織致密。因此，與普通TIG方法相比，超聲TIG焊接頭抗拉強度顯著提高，最高可達母材強度的67.4%，斷后伸長率由2.71%提升至4.07%。兩種方法焊接接頭斷裂均發生在熔合線處熱影響區內。顯微硬度測試表明，超聲TIG焊由于熱輸入較小，熱影響區寬度較小，硬度降低區域窄，利于提高接頭力學性能。

圖2 焊縫組織

2.2 MIG焊

熔化極氣體保護焊(MIG)工藝簡單、成本低廉，且焊接效率高于TIG焊接，但傳統MIG焊接焊縫表面容易出現氣孔、指狀熔深等缺陷[13]。因此，在常規鋁合金MIG焊工藝上又衍生一系列新型MIG焊工藝，如脈沖MIG、磁控MIG、激光MIG、雙絲MIG等[14-16]。但關于2195鋁鋰合金MIG焊的研究報道較少。束彪等人[14]采用單絲雙脈沖焊接工藝對2195鋁鋰合金進行焊接。結果表明，單脈沖焊縫組織柱狀枝晶多且晶粒粗大。由于雙脈沖電弧壓力呈周期性變化，使得熔池液體發生攪拌作用。觀察到焊縫組織中等軸晶數量較多，且晶粒細小、均勻。雙脈沖焊接焊縫氣孔缺陷明顯減少甚至消除，焊縫美觀，焊縫強度和塑性提高。接頭強度由單脈沖的165.7 MPa提升到261.2 MPa，結合適當的焊后熱處理(510 ℃×1 h固溶+150 ℃×11 h時效)，雙脈沖焊接接頭強度可達420.5 MPa，斷后伸長率約10%。熔合區及熱影響區軟化區硬度提高，接頭硬度分布較為均勻。

2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型固相連接技術，通過高速旋轉的攪拌頭與被焊材料表面間產生的摩擦熱，使材料在塑性狀態下受到擠壓而實現連接。與傳統熔化焊方法相比，攪拌摩擦焊不需要焊絲和保護性氣體，焊接溫度較低，可避免鋁鋰合金中Li元素的揮

發。焊后接頭不易形成脆性相以及氣孔和裂紋，但攪拌摩擦焊接鋁鋰合金接頭易出現接頭軟化問題[17]。

張華等人[18]采用攪拌摩擦焊對5 mm的2195-T8鋁鋰合金進行連接，并對不同工藝參數下接頭表面質量、微觀組織、抗拉強度、硬度及斷裂行為進行研究。研究認為：焊接速度為200 mm/min時，旋轉速度升高后，焊縫表面會出現毛刺和起皮，接頭焊核區從盆形轉變為橢圓形，抗拉強度明顯上升，旋轉速度達600 r/min時，接頭抗拉強度最高達432.8 MPa，進一步加大旋轉速度，抗拉強度下降。焊核區受熱循環程度最高，受到攪拌作用強烈，晶粒尺寸較小，接頭微觀硬度較高，而熱影響區微觀硬度較低。隨著熱輸入變化，接頭斷裂方式一種是發生在熱影響區的塑形斷裂，另一種為發生在焊核區的韌-脆混合型斷裂。

束彪等人[19]通過調整攪拌頭旋轉速度與焊接速度，研究微觀組織、拉伸性能、顯微硬度分布。通過顯微組織分析可知接頭由焊核區、熱機影響區、熱影響區組成，焊核區組織為細小等軸晶，熱機影響區晶粒沿變形方向被拉長，熱影響區晶粒發生粗化。焊接速度v=100 mm/min，攪拌頭旋轉速度ω在700～1 300 r/min變化時，接頭抗拉強度隨旋轉速度ω增大而降低；當攪拌頭旋轉速度ω=1 000 r/min，焊接速度在60～140 mm/min變化時，接頭抗拉強度隨焊接速度增大而提高，v=140 mm/min時，接頭抗拉強度達到426.5 MPa，斷后伸長率為8.1%。相同焊接條件下，旋轉速度與焊接速度比值(ω/v)相近，接頭力學性能相近。焊后接頭出現明顯軟化，熱機影響區后退側硬度值最低。

陳永來等人則采用圓柱形與帶螺紋兩種攪拌頭制備2195-T8摩擦攪拌焊接頭。發現采用圓柱形攪拌頭時，前進速度(焊接速度)與旋轉速度不匹配會造成摩擦攪拌焊接頭產生隧道型缺陷(連續孔洞)。通過調整攪拌頭旋轉速度和前進速度比值，或將攪拌頭更換為帶螺紋型，可改善焊接時金屬塑性流動，消除孔洞缺陷。并通過EBSD觀察可知，接頭焊核區中心區域晶粒尺寸大于邊緣。雖然焊核區幾乎沒有強化相析出，但焊核區位錯密度大，晶粒細化效果明顯。采用帶螺紋攪拌頭、前進速度及旋轉速度分別120 mm/min 和1 100 r/min 時，焊接接頭抗拉強度大幅度提高至430 MPa。

國外有學者針對2195鋁鋰合金焊接接頭疲勞壽命進行了大量研究。Hatamleh等人[20]研究了不同表面處理工藝尤其是激光表面處理工藝(原理如圖3所示)對攪拌摩擦焊2195鋁鋰合金疲勞裂紋擴展行為的影響，以便減少疲勞裂紋生長速率。評估了在不同噴丸條件下接頭區域裂紋的生長速率及不同焊接區域表面和厚度方向殘余應力分布。結果表明，采用激光表面處理比噴丸處理更能明顯降低疲勞裂紋生長速率。隨后進一步采用數字圖像相關技術確定表面處理對2195鋁鋰合金接頭不同區域的整體及局部力學性能的影響。發現由于滲透深度不同，激光表面處理效果優于噴丸處理，激光處理后試樣的屈服強度約提高60%左右，而噴丸處理后的試樣與未處理試樣相比僅拉伸性能略有提高[21]。表面激光處理后，攪拌摩擦焊試樣的裂紋生長率與基體材料相當[22]。

圖3 激光表面處理工藝

天津大學于福盛[23]采用變極性鎢極氬弧焊(VPTIG)、攪拌摩擦焊(FSW)、電子束焊(EBW)等多種方法對熔煉型和噴射型2195鋁鋰合金進行焊接研究，接頭焊接性能見表1。VPTIG和FSW對熔煉型2195焊接效果好，但都無法保證焊后接頭無缺陷，因此需要進行補焊。VPTIG焊縫采用高能VPTIG自動補焊效果較好，接頭強度達到初始焊縫的92%，斷后伸長率為初始焊縫的80%。FSW焊縫采用FSW補焊一次攪拌后接頭抗拉強度345 MPa，斷后伸長率2.5%，二次攪拌后接頭抗拉強度375 MPa，斷后伸長率3.0%。S2195-F態鋁鋰合金焊接性較好，VPTIG焊和FSW焊接頭拉伸試樣斷裂均發生在母材側，同等焊接條件下接頭性能重復性較好。

2.4 激光焊

激光焊接作為一種高能束焊接技術，具有能量密度高、焊接熱輸入小、焊接速度快、自動化程度高、焊接結構變形小、可達性和柔性強等特點。然而，由于鋁鋰合金存在熱膨脹系數大、熱導率高、室溫下對激光反射高、脆性溫度區間寬等特性，當采用激光焊接鋁鋰合金過程中會出現焊接穩定性差、焊縫氣孔和焊接熱裂紋等問題[24]。

表1 不同方法焊接2195鋁鋰合金接頭性能

上海交通大學倪彪等人[25]采用CO2激光焊機對板厚為3.7 mm的2195-T8鋁鋰合金進行了激光焊接，并研究了不同焊接工藝參數對焊縫成形質量的影響及焊態和固溶時效態激光焊接接頭的組織和力學性能。研究表明：高激光功率，高焊接速度下，接頭焊接熱裂紋增加，氣孔率增大，采用較低的激光功率和焊接速度更易得到成形良好的焊縫。焊縫中間區域組織以等軸晶與粗大樹枝晶為主，焊縫中強化相析出很少，導致焊縫區域嚴重軟化。接頭拉伸強度為296 MPa，斷后伸長率0.93%。經505 ℃固溶處理45 min，水淬后160 ℃人工時效12 h，焊縫組織中支晶轉變為等軸晶，析出細小強化相。與焊態相比，抗拉強度提高至343.86 MPa。

2.5 電子束焊

真空電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊焊件所產生的熱能進行焊接的方法，電子束焊具有能量密度高、焊縫深寬比大、熱影響區窄和焊接變形小等特點[26]。但由于電子束焊焊接速度快，熔池金屬冷卻速度快，焊縫金屬處于欠時效狀態。此外，接頭熱影響區受到焊接熱循環作用，處于過時效軟化狀態。因此，鋁鋰合金電子束焊接頭需進行固溶+時效處理。

針對2195鋁鋰合金電子束焊接頭焊后熱處理工藝，南京航空航天大學趙禮等人[27]對不同時效處理后接頭的微觀組織與力學性能進行評價。研究發現，時效處理后接頭焊縫區域有強化相析出，且強化相數量與尺寸隨時效溫度升高而增加。與單級時效處理相比，雙級時效處理后析出強化效果更加明顯且產生細晶強化效果。時效后接頭拉伸強度均得到提高，塑韌性改善(見表2)。經雙級時效HT3(155 ℃×16 h+130 ℃×12 h)熱處理，接頭抗拉強度從焊態368.4 MPa提高到熱處理后492.5 MPa，斷后伸長率4.37%。

表2 不同狀態下焊接接頭拉伸性能

哈爾濱工業大學尹乾興[28]為了改善2195鋁鋰合金電子束焊接后接頭表面下塌現象，減少電子束焊過程中母材高溫熔化量，降低Li元素燒損，嘗試采用電子束熱擠壓焊接方法對2195進行連接，示意圖如圖4所示。發現雖然電子束擠壓焊可以保證熱輸入，降低冷卻速度，使熔池中強化相充分析出，但由于未獲得有效連接接頭抗拉強度僅為母材的64%。在母材上磁控濺射納米鍍Cu層后進行電子束熱擠壓焊接，熔池最高溫度與Li元素燒損率降低，熔化區強化相明顯增加，接頭抗拉強度可達367 MPa，但接頭底部仍未完全有效連接。因此采用1 mm厚含Sc 2%(質量分數)的鋁鈧合金作為高強度中間層，進行2195合金電子束焊連接。Sc元素的添加大幅提高焊縫細晶強化和彌散強化作用，減少焊縫晶界處脆性相析出，降低脆性相對晶界性能的惡化作用，接頭抗拉強度420 MPa。

圖4 電子束熱擠壓焊接示意圖

3 結束語與展望

鋁鋰合金熔化焊時存在接頭強度系數低，軟化現象嚴重等問題，這影響了鋁鋰合金焊接結構件的使用性能，因此焊接技術是2195鋁鋰合金應用的關鍵技術。目前對于鋁鋰合金的焊接研究主要集中在焊接方法與焊接工藝對焊接接頭微觀組織與力學性能的研究上，通過攪拌摩擦焊、電子束焊結合適當的熱處理工藝可獲得較高抗拉強度的焊接接頭。隨著2195鋁鋰合金應用的不斷推廣，其焊接工藝及配套焊料將得到更多關注。國內關于2195鋁鋰合金用焊接材料的開發與制備報道較少，急需與之配套的焊接材料及制備技術，以滿足鋁鋰合金的應用要求。