2195鋁鋰合金弧焊技術研究現狀

溫斯涵 周煉剛 程 昊 焦好軍 吳素君

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191）

0 引言

在航空航天工業的發展歷程中，減輕結構質量、提高有效載荷始終是研究的重要方向，因此新型輕質結構材料的開發及應用研究至關重要。鋁及鋁合金在輕量化材料體系中占有重要位置，現已廣泛應用于化工容器、火箭、探測器、飛機、艦船、軌道交通等領域。我國航天推進劑貯箱主要采用2219、2A14等二代鋁合金，但是新一代運載火箭對結構材料的性能指標要求明顯提高，需采用密度更低、比強度更高的高強度鋁鋰合金材料才能實現結構減重。目前，弧焊作為工業生產鋁鋰合金產品時應用最廣泛的焊接方法，是2195 鋁鋰合金工程化應用推廣所必須解決的關鍵技術之一。本文主要介紹了新一代2195鋁鋰合金的成分、組織結構及可焊接性，分析其焊接過程出現的主要問題，概述國內外機構通過優化2195 鋁鋰合金配用焊絲及弧焊工藝，改善接頭組織結構及力學性能的研究工作，展望國內鋁鋰合金弧焊技術的發展趨勢。

1 鋁鋰合金概述

鋁鋰合金（Al-Li）是一類添加鋰元素的鋁合金，鋰（Li）作為自然界最輕的金屬元素，密度僅為0.534 g/cm3，在鋁合金中每添加1%（w）的Li，可使彈性模量提高6%，合金密度降低3%［1-2］。鋁鋰合金具有密度低、比強度和比模量高、疲勞裂紋擴展速率低（抗疲勞性能好）及優良的低溫性能、較好的耐腐蝕性與超塑成形等特點［3-4］。因此，鋁鋰合金已成為航空航天領域的重要材料之一。

鋁鋰合金的發展極其迅速，基本上劃分為三個階段［5-6］。20世紀90年代，針對第2 代鋁鋰合金存在的問題，各國相繼開展第3 代鋁鋰合金的研究，并研制出1460、Weldalite 049、2195、2197等一系列鋁鋰合金，其中2195鋁鋰合金的相關研究最引人矚目，并在運載火箭貯箱及航天飛行器密封艙等結構件上成功取得工程化應用［6］。2195 鋁鋰合金提高了Cu/Li 比，并添加了Ag、Mg等新的合金化元素（成分見表1），為Al-Li-Mg-Cu-Ag-Zr 系合金，屬熱處理+變形強化鋁合金［7］，強化機制見圖1［8］，合金經過熱處理后主要的析出相包括δ′（Al3Li）、δ（AlLi）、β′（Al2MgLi）、β（Al3Zr）、θ′（Al2Cu）、T1（Al2CuLi）、S′（Al2CuMg）等。

表1 2195鋁鋰合金化學成分Tab.1 Nominal chemical composition of 2195 Al-Li alloy

圖1 2195鋁鋰合金強化機制［8］Fig.1 Strengthening mechanism of 2195 Al-Li alloy［8］

2195 鋁鋰合金較好地解決了第二代鋁鋰合金塑性和韌性較低、各向異性嚴重等問題，并提高了其抗腐蝕的性能。雖然2195 鋁鋰合金具備低密度、高比強度、高比模量等優勢，合金性能對比見表2，并已成功應用在航空航天等領域，但是在焊接過程中仍然出現裂紋等問題，阻礙其進一步工程化應用。

表2 鋁合金性能對比Tab.2 Comparison of properties of aluminum alloy

2 2195鋁鋰合金可焊接性

焊接技術是2195 鋁鋰合金應用中的關鍵技術，目前可以采用弧焊、攪拌摩擦焊、高能束焊等焊接方法對鋁鋰合金進行焊接［9-14］。弧焊作為工業生產鋁合金產品時應用最廣泛的熔化焊接方法［15］，具有操作簡單、成本低、熱輸入量易調節、電弧穩定性好、焊縫成形好等優點，是必須解決的關鍵技術之一。經研究與實踐證明，2195 鋁鋰合金在熔化焊接過程中主要存在氣孔敏感性高、熱裂紋敏感性高和焊接接頭性能下降、焊接成形及氧化等問題。

2.1 氣孔敏感性高

由于加入Li、Mg等化學活潑性強的合金元素，合金表面極易形成Li2O、LiCO3、LiOH、MgO 等化合物，其表面易吸收空氣中水蒸氣，在焊接電弧下，合金表面的含水氧化膜分解析出原子態氫進入熔池如式（1）所示。

Li對氫的親和力極強，在420～700 ℃會大量吸收氫氣，因此易在合金澆鑄過程中吸氫，導致鋁鋰合金母材比普通鋁合金母材的含氫量高，在焊接時有更多的氫隨母材熔化擴散進入到熔池內。熔池內的液體金屬冷卻凝固時，氫在液態金屬中的溶解度將從0.69 cm3/100 g 急劇降低至0.036 cm3/100 g，過飽和析出氫形成氣泡，氣泡會通過長大上浮機制逸出熔池表面，但是鋁合金熱導率較高，焊接后冷卻速度較快，部分在凝固前無法逸出的氣泡，就會在焊縫中形成氣孔缺陷［16］。

2.2 熱裂紋敏感性高

鋁合金的焊接裂紋屬于熱裂紋，分為焊縫內（WM）結晶裂紋和熱影響區（HAZ）液化裂紋，在接近固相線溫度的高溫下沿晶界開裂，都具有沿晶開裂特點，通常與晶間的低熔點共晶相關。結晶裂紋斷口形貌主要呈現光滑顆粒特征（“土豆”狀或“鵝卵石”狀），斷口表面可見晶間低熔點共晶物或液膜褶皺；液化裂紋斷口形貌與結晶裂紋的斷口形貌類似，表面為光滑顆粒狀特征，但在熔合線外側開裂，斷口表面會表現出軋制母材組織高溫沿晶斷裂特征。

與2219、2A14 等Al-Cu 系合金相比，2195 鋁鋰合金的熱膨脹系數大（25.77×10-6/K）、冷卻零塑性溫度低（470 ℃）、脆性溫度區間大（124 ℃），在凝固過程中，容易產生熱裂紋［17］，三種鋁合金脆性溫度區間對比見表3。LIN［18］研究表明，在冷卻速度和凝固速度一定的條件下，采用變拘束試驗方法對比2195、2219、2090、2A14 等鋁合金的焊接裂紋敏感性，測量最大凝固裂紋長度，試驗結果顯示2219 鋁合金最大裂紋距離約為4 mm，2A14約為7 mm，而2195鋁合金最大裂紋距離超過14 mm，證明2195 鋁鋰合金焊接裂紋敏感性要明顯高于2219和2A14鋁合金。

表3 鋁合金脆性溫度區間［18］Tab.3 Brittleness temperature range of aluminum alloy［18］

2.3 焊接接頭軟化

2195 鋁鋰合金屬于典型的沉淀強化合金，當采用傳統焊接工藝時，焊縫中的金屬熔化并重新凝固，焊縫區組織具有鑄態組織結構的特征，熔池在快速冷卻過程中，大量的溶質元素偏析在枝晶間，降低了其在固溶體中的過飽和度，即使焊后采取人工時效，焊縫內析出的強化相也明顯少于母材中的強化相。熱影響區的過時效也會引起接頭強度的降低，導致焊接接頭成為焊接結構的薄弱環節之一［10-12］。總體而言，焊接接頭軟化會導致接頭的強度、硬度、塑性均低于母材，往往需要對焊接區進行厚度補償。

2.4 焊縫易氧化

一般Al合金在氬弧焊接時通常僅需要在焊縫正面通氬氣、氦氣等惰性氣體保護，但是由于2195鋁鋰合金中Li元素化學性質活潑，在焊接時極易被氧化，尤其是在焊槍保護氣無法覆蓋的位置，導致焊縫成形較差，焊縫內部氧含量上升，并存在氣孔、夾雜等缺陷，使接頭力學性能大幅下降，且不利于接頭補焊的抗裂性，會顯著影響焊接質量［12］。

針對2195鋁鋰合金熔化焊接中未解決的熱裂紋敏感性高和焊接接頭性能下降等問題，各國研究人員相繼開展2195鋁鋰合金配用焊絲研制及熔化焊接工藝研究工作，提高焊接頭的抗裂性及力學性能。

3 2195鋁鋰合金焊絲研究現狀

3.1 國外配用焊絲研制

美國國家航空航天局（NASA）在20世紀90年代就已開展關于2195 鋁鋰合金焊接的相關研究工作［19］，雖然美國已將2195 鋁鋰合金成功應用在航天領域，但是文獻資料顯示，利用2319 及4043 焊絲焊接2195鋁鋰合金仍然存在焊接性能不足及裂紋敏感性較高等問題。因此，NASA 等研究機構又對2195鋁鋰合金的配用焊絲進行了研究。

從1993年開始至1999年，NASA 及Lockheed Martin 公司共同研制出B218 鋁銅系焊絲及17#鋁銅系焊絲。其中，17#配用焊絲成分為Al-Cu-Ag-Mg-Ti-Zr，晶粒細化劑以Ti、Zr 為主［20］，成分見表4［21］。與其他3 種Al-Cu 系焊絲及4043（Al-5.3Si）焊絲進行對比試驗，結果表明，利用VPPA 焊接技術及17#焊絲焊接2.4 mm 厚的2195 鋁鋰合金試板具備最優異的力學性能，帶余高焊縫及去余高焊縫的拉伸強度分別為389.1 和348.2 MPa，延伸率分別為5.9%和7.8%，遠高于4043 焊接頭338.9 和306.6 MPa 的拉伸強度，以及3.2%和3.8%的延伸率，因此被選為2195 鋁鋰合金的配用焊絲之一，并申請了相關專利［21］。

表4 2195配用焊絲化學成分［21］Tab.4 Nominal chemical composition of the match welding wire for 2195 alloy［21］ %（w）

Al-Cu 系B218 焊絲的詳細化學成分并沒有公布，但是文獻［22］報道稱該焊絲降低了2195 鋁鋰合金的焊接裂紋敏感性及補焊裂紋敏感性，并與4043焊絲（利用VPPA 方法焊接）的性能進行了對比，見表5。結果如下：（1）焊接1.5 mm 厚試板，B218 焊接頭性能高于4043焊接頭性能；（2）焊接2.4 mm 厚試板，B218 焊接頭帶余高及去余高的拉伸強度約為388.2和327.5 MPa，延伸率約為10.5%和12.6%，同樣高于4043 焊接頭性能；（3）B218 焊絲補焊接頭的力學性能明顯超過4043 焊絲補焊接頭的力學性能，其性能與4043 焊絲一次焊接性能相當。B218 焊絲在焊接2195鋁鋰合金時展現出的優異的一次焊接及補焊性能，具有很大應用潛力。

表5 B218焊絲與4043焊絲焊接頭力學性能對比［22］Tab.5 Comparison of mechanical properties between B218 and 4043

3.2 國內配用焊絲研制

國內對于2195鋁鋰合金焊接技術的相關研究起步較晚，還未工程化應用，但是航天材料及工藝研究所及北京航空材料研究院等科研機構對2195鋁鋰合金配用焊絲成分設計的相關課題開展了研究工作，并取得了一定的進展。

焦好軍等［17］利用焊接熱模擬的方法對比了2195、2A14、2219和2A97的裂紋敏感性，并作出合金相應的熱塑性曲線，脆性溫度區間分別為124、103、52 以及143 ℃，說明2195 鋁鋰合金的抗裂性能比2219 及2A14 鋁合金差，但優于2A97 鋁合金。同時，研究了H2195（Al-Si-Cu 系）焊絲焊接2 mm 厚T6 態2195 鋁鋰合金的焊接性能，其焊縫組織見圖2，接頭組織分布均勻，其中A 區域為AlSi 相，B 區域為AlSiCu 相，C 區域為Al2Cu 相。利用H2195 焊絲焊接2195 鋁鋰合金十字搭接試板，結果顯示，H2195 焊絲的十字搭接裂紋敏感性低于Al-Cu 系2325 焊絲的裂紋敏感性，經測量計算，其結晶裂紋率K1=3.1%，液化裂紋率K2=0，滿足K1＜10%，K2=0 抗裂性能要求，見圖3。H2195 焊絲的接頭拉伸強度為336 MPa，強度系數為0.59（母材強度按570 MPa 計算），滿足強度指標要求，但是延伸率僅為2.3%，塑性指標偏低。

圖3 2195/Al-Cu及2195/H2195十字搭接［18］Fig.3 Intercrossed lap joints of 2195/H2195 and 2195/Al-Cu［18］

李小飛等［19］研究了2195鋁鋰合金的熱裂紋敏感性及焊絲成分對接頭組織和性能的影響，試驗利用鎢極氬弧焊接在2 mm 厚的試板上進行。研究表明，2195 鋁鋰合金臨界應變量較小εmin＜0.19%，其焊接熱裂紋敏感性較大，裂紋分布于接頭的焊縫內部、熔合線附近等軸區及弧坑等位置，裂紋均沿晶界分布并擴展，被認為與晶間的共晶液相相關。研究人員在ER2319 焊絲的基礎上，研制了Al-Cu-Sc 系和Al-Cu-Ag-Mg 系焊絲，并與ER4043焊絲進行了對比，焊絲成分見表6［23］。力學性能結果顯示，含Sc焊絲的接頭強度較高，3#和4#超過340 MPa，且韌性較好，沖擊斷口以穿晶斷裂為主；添加Ag、Mg 合金化元素的6#、7#接頭強度為309 MPa，且Ag、Mg 含量的變化對強度提高影響較小；合金化程度低的焊絲接頭力學性能最差。

表6 焊絲化學成分Tab.6 Nominal chemical composition of the welding wire%（w）

4 鋁鋰合金弧焊工藝研究現狀

4.1 國外弧焊工藝研究

目前，鋁鋰合金的弧焊方法主要包括熔化極惰性氣體保護電弧焊（MIG）、鎢極惰性氣體保護電弧焊（TIG）、變極性等離子弧焊（VPPA）等［10-12］，對于鋁鋰合金的弧焊工藝不斷改進發展，由最初的TIG焊接發展成變極性TIG（VPTIG）焊接，增強了電弧的穩定性，既具備“陰極霧化”作用清除表面氧化膜，又可以減少鎢極燒損，保證電弧形態及其穿透力。在此基礎上，進一步研究了VPPA 方法焊接鋁鋰合金。該工藝綜合了變極性TIG焊和等離子弧焊的優點，在保證“陰極霧化”作用清除表面氧化膜并降低鎢極燒損的條件下，可以有效利用等離子束具備的高能量密度的特點，在焊接過程形成穿孔熔池，增加焊接熔深，有利于氣孔逸出，并減小工件變形，可顯著改善焊接質量。

英國、法國等國家主要采用TIG 焊、MIG 焊等方法對8090、2091等鋁鋰合金開展焊接研究工作，而俄羅斯已成熟掌握1420、1460 等一系列鋁鋰合金的TIG 焊接工藝，并應用于“能源號”運載火箭的超低溫燃料貯箱焊接。但是國外公開報道關于2195鋁鋰合金熔化焊接技術的研究資料較少。

20世紀90年代美國NASA 對2195 鋁鋰合金的焊接工藝進行了研究，在利用VPPA 焊接方法的基礎上增加隨焊碾壓補焊工藝（利用機械法釋放焊接應力），解決補焊的裂紋敏感性問題，最終使用VPPA 焊接工藝對2195 鋁鋰合金進行焊接，并使用隨焊碾壓TIG 技術進行補焊，完成STS-91 發現者號航天飛機上“超輕型貯箱”（Super Light Weight Tank）的焊接［20］，使其運載能力提高3.6 t。

CHATURVEDI［23］通過熱模擬方法研究熱影響區在焊接過程微觀組織結構的變化，其SEM 及TEM 圖像如圖4所示，并且利用鎢極氣體保護電弧（GTA）技術對2195 鋁鋰合金進行焊接，填充材料選用4043 焊絲，焊后宏觀金相照片見圖5，對焊后的焊縫組織結構、硬度及拉伸性能進行分析，并研究焊后熱處理接頭的組織及性能。

圖4 2195合金600 ℃熱模擬前后SEM及TEM圖像［23］Fig.4 SEM and TEM micrographs of the 2195 alloy before and after HAZ simulation［23］

圖5 利用4043焊絲焊接2195鋁鋰合金接頭宏觀形貌［23］Fig.5 Macroscopic profile of the 2195 welded joint made with a 4043 filler［23］

研究結果顯示，以T1（Al2CuLi）為主要強化相的T8 態2195 鋁鋰合金焊接后，焊縫熔化區（FZ）內彌散分 布T（AlLiSi）相，而熱影響區（HAZ）中的T1（Al2CuLi）相溶解，取而代之的是TB（Al7Cu4Li）相，同時在晶界處出現微裂紋。焊接頭進行焊后熱處理后，焊縫內存在球狀初生T（AlLiSi）相及細小的二次沉淀T（AlLiSi）相，此時，熱影響區的TB（Al7Cu4Li）相消失，T1（Al2CuLi）相再次析出。焊后熱處理可以提高焊縫組織及熱影響區的硬度（圖6），增加接頭拉伸強度及屈服強度，但是不利于接頭的延伸率提高。

圖6 焊接頭熱處理前后硬度［23］Fig.6 Microhardness profile of the W and PWHT materials［23］

4.2 國內弧焊工藝研究

張玉崎等［24］分別采用常規TIG 焊和超聲TIG 焊對2 mm 厚試板進行焊接，焊絲選取ER2325 焊絲，對比不同焊接工藝對接頭的顯微組織及力學性能的影響。由于超聲對熔池的振動攪拌作用，接頭組織更加致密，近熔合線附近的等軸細晶區較寬，焊接頭熔合線附近組織見圖7；超聲TIG 焊接頭具有更好的抗拉強度及延伸率，拉伸接頭斷裂位置在熔合線外側熱影響區域，拉伸強度由常規焊接的332.2 提高至370.7 MPa，延伸率由2.71%提高至4.07%。

圖7 熔合區附近的接頭金相組織［24］Fig.7 Microstructure of joints near fusion zone［24］

施軍等［25］采用VPTIG 的方法對2 mm 厚試板進行焊接，焊絲選取ER2325 焊絲，觀察分析了接頭的宏觀形貌及微觀組織結構，并測量其常溫力學性能。結果顯示，VPTIG 方法可以有效焊接2195 鋁鋰合金薄板，焊縫成形良好，焊縫中心為等軸細晶組織，在α-Al基體上分布著黑色的δ（AlLi）相，在晶界處存在θ′（Al2Cu）相，接頭強度達到373 MPa，延伸率為7.4%。

束彪等［26］對MIG 焊接進行工藝改進，通過增加復合脈沖、磁場攪拌等技術改善焊接頭性能，試驗采用5 mm 厚T8 態（6%冷變形+160 ℃/10 h 熱處理）2195 鋁鋰合金，焊接用絲采用ER2319 焊絲（Al-6Cu），絲徑為1.6 mm。對常規MIG 焊接施加磁場，利用電磁攪拌效應細化焊縫組織，提高接頭的力學性能，強度由常規焊接的165.8 提高至282.8 MPa。同時研究了脈沖MIG 方法對試板焊接影響，雙脈沖MIG 通過焊接電流的周期性變化促使熔池振動，增加對液態金屬攪拌，降低出現焊縫氣孔缺陷的概率，細化焊縫晶粒，接頭強度由單脈沖焊接后的165.8提高至308.5 MPa，焊接后經固溶+時效熱處理，拉伸性能顯著提高，可以達到約420 MPa。

5 我國2195鋁鋰合金弧焊技術研究展望

目前，關于2195鋁鋰合金的弧焊技術方面，已經取得較大的進步，美國的NASA也已成功將其工程化應用，提高了其運載能力，但是由于2195鋁鋰合金在焊接時裂紋敏感性很高，該合金還沒有被廣泛推廣。國內同樣對2195鋁鋰合金的弧焊技術開展了大量研究，并取得了一定的進展，但是仍然存在以下問題：（1）缺乏提高合金焊接抗裂性的相關研究；（2）研制的配用焊絲性能普遍低于國外；（3）發表的文獻中很少提及一次補焊、二次補焊接頭的組織分析及性能研究；（4）絕大多數試驗為試板級焊接試驗，缺乏結構件的焊接研究工作；（5）對2195鋁鋰合金焊接工藝研究不全面，沒有制定出工藝規程。表7總結了國內外對2195 鋁鋰合金的配用焊絲、焊接工藝方法及接頭性能的研究結果。

表7 2195配用焊絲、焊接方法及接頭性能Tab.7 Research of the welding wire，method and tensile properties for the 2195 Al-Li alloy

通過以上總結，我國未來2195 鋁鋰合金弧焊技術的研究應重點關注以下方面：（1）研究提高焊接頭裂紋敏感性的方法，解決焊接中出現液化裂紋及結晶裂紋的問題，使其滿足K1＜10%，K2=0 工程應用指標要求，并在典型結構模擬件，例如縱縫、環縫、法蘭焊縫等結構中加以試驗印證；（2）研究焊絲中合金化元素對焊接頭組織、抗裂性及力學性能的影響，改進配用焊絲的化學成分及制造方法，研制出達到技術指標要求的焊絲，并實現工業化大規模生產；（3）對焊接頭性能進行全面分析研究，包括補焊抗裂性及力學性能，值得注意的是，攪拌摩擦焊接為目前的研究熱點，因此需開展利用弧焊方法對攪拌摩擦焊縫進行交叉焊接及其補焊的相關研究工作；（4）開展典型結構模擬件焊接試驗，研究配用焊絲及焊接方法在結構件上的適用性，探索合適的工藝窗口；（5）完成焊接工藝研究，針對2195 鋁鋰合金焊縫氣孔敏感性高、易焊接開裂等特點，采用單面單層焊、單面雙層焊、兩面三層焊等不同的焊接工藝進行焊接，對比焊縫顯微組織、力學性能及斷裂特征等，對焊接工藝進行優化，并形成工藝標準。