2A97鋁鋰合金CMT+P焊接工藝優化及力學性能研究

胡耀 李曉延 邵盈愷

摘要：通過二次通用旋轉組合設計建立了2A97鋁鋰合金CMT+P焊接工藝參數與接頭抗拉強度之間的關系，利用金相顯微鏡、掃描電鏡和拉伸試驗機研究不同工藝參數對接頭力學性能的影響。結果表明，根據回歸方程可確定優化工藝參數范圍，在該范圍內焊縫成形良好，抗拉強度均超過了母材的60%，拉伸斷口位于熔合線區，呈韌脆混合斷裂特征，等軸細晶與柱狀晶的轉變區成為接頭最薄弱的環節。

關鍵詞：鋁鋰合金;旋轉組合設計;CMT+P;力學性能

中圖分類號：TG457.14 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0066-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.12

0 ? ?前言

鋁鋰合金具有密度低、彈性模量及強度高、抗疲勞、抗腐蝕性能優良等特點，用其取代常規鋁合金可使結構質量減少10%～20%，剛度提高15%～20%，在航空航天領域具有廣闊的發展前景[1-2]。自20世紀初研發至今，第三代鋁鋰合金在第二代的基礎上降低了Li、Mg元素含量，增加了Ag、Zn等固溶強化合金元素，在保證各方面性能優良的同時，還具備了各向異性低和可焊性高的優勢[3]。隨著鋁鋰合金材料本身性能的大幅提升，改善其相應的焊接技術以獲得高質量焊接接頭，逐漸成為鋁鋰合金廣泛應用的關鍵。

顯著的氣孔、熱裂紋、接頭軟化等缺陷使得焊接鋁鋰合金比傳統鋁合金更加困難。傳統弧焊成本低、通用性好，但熱輸入高，導致組織粗化、焊后變形大、接頭軟化嚴重[4]。在傳統MIG/MAG基礎上新開發的冷金屬過渡技術（Cold Metal Transfer，CMT），將焊絲運動與熔滴過渡結合起來，具有無飛濺、低熱輸入的特點，非常適用于薄板的焊接[5-6]。本研究采用二次通用組合設計方法，使用CMT焊接鋁鋰合金薄板，研究了不同工藝參數對接頭性能的影響，并對較優性能的工藝參數區間進行了預測。

1 試驗材料及方法

試驗母材選用厚度為2 mm的2A97鋁鋰合金軋制板材，尺寸100 mm×50 mm×2 mm。焊接試驗采用不留間隙的Ⅰ型坡口平板對接形式，填充焊絲為直徑1.2 mm的ER5356焊絲，保護氣選用純度為99.9%的Ar氣體，母材及焊絲的化學成分分別如表1、表2所示。

試驗設備由VR 7000-CMT焊機、送絲機、焊接機器人、焊接平臺及保護氣系統組成。CMT焊接擁有豐富的專家化系統，將送絲和焊接過程控制聯系在一起，焊接電流、焊接電壓及送絲速度是一元化匹配的。因而選取焊接電流為代表參數，采用專家推薦的CMT 881+P程序，脈沖頻率116 Hz，弧長修正及脈沖修正0，Ar氣氣體流量15 L/min，焊絲干伸出長度12 mm，焊接方向與軋制方向平行。

施焊前，先用酒精、丙酮清洗試板表面，去除試板表面油污及灰塵，并用清水沖洗干凈。再進行化學清洗，即使用10%NaOH溶液清洗3～5 min→清水沖洗→30%HNO3溶液清洗3～5 min→清水沖洗→風干保存。最后，焊前用鋼絲刷打磨待焊試板兩側，并用丙酮擦洗。焊后沿垂直于焊接方向截取金相觀察試樣，經鑲嵌、打磨和拋光后，使用Keller試劑（體積比，V（HF）∶V（HCl）∶V（HNO3）∶V（H2O =1.0∶1.5∶2.5∶95.0）腐蝕15 s。采用OLYMPUS BM51M型金相顯微鏡觀察接頭橫截面焊縫成形和顯微組織;利用MiroMet 5103型數字式顯微硬度計測試接頭硬度，試驗載荷100 gf，加載時間10 s;在SANS電子萬能材料實驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速率為1 mm/min，拉伸試樣尺寸如圖1所示;采用FEI QUANTA FEG 650型掃描電子顯微鏡對拉伸斷口進行觀察。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接工藝參數

基于前期工作，在試驗前確定了可獲得全熔透的工藝參數范圍。為了減少試驗次數，可根據預測值尋找最優區域。試驗采用二次通用旋轉組合設計，即在其他工藝條件一定的情況下，焊接電流I和焊接速度v是決定焊縫成形的主要工藝參數，因此將焊接電流及焊接速度分別轉換為x1和x2的無量綱參數，其線性變換式為

式中 xi為編碼值;Zi為焊接參數;Zi0為因素零水平;?i為變動區間。試驗水平編碼如表3所示。

試驗依據二次正交旋轉組合設計參數表選取兩因子（全實施）計劃方案，因此回歸方程表達式為

式中 y為接頭抗拉強度;b0為常數項;b1、b2為線性系數;b12為交互項;b11、b22為二次項系數。

試驗結果見表4，并利用Matlab軟件對試驗結果計算以編碼值為變量的回歸方程的各項系數，得到二次回歸模型如下

為了明確回歸模型是否有意義，需對回歸方程及其回歸系數顯著性進行檢驗，檢驗結果如表5、表6所示。對失擬平方和的F檢驗，即FLf=1.91<F0.05（3，4）=6.59，可知失擬在α=0.05水平上不顯著，方程在該水平下沒有失擬。進一步的回歸方程顯著性檢驗，可得FR=5.00>F0.05（5，7）=3.97，說明二次回歸模型在0.05水平下顯著，可以反映兩種工藝參數對接頭抗拉強度的影響。表6的結果表明，在t0.05（7）=2.365的水平下，焊接速度對接頭抗拉強度影響最為顯著，其次是焊接電流的平方和焊接電流，而焊接速度的平方影響最小，因此將x22剔除，并反編碼得到回歸方程為：

在保證焊縫全熔透的前提下，基于該抗拉強度預測方程繪制了焊接電流、焊接速度與接頭抗拉強度關系的等高線，如圖2所示。當焊接速度一定時，抗拉強度隨著焊接電流的增大先增大后減小。當焊接電流為90～107 A時，抗拉強度隨著焊接速度增大而增大，而當焊接電流為107～110 A時，抗拉強度隨著焊接速度增大而減小。圖2中虛線等高線的值為159 MPa（母材抗拉強度的60%），虛線左側區域內工藝參數能夠獲得力學性能良好的焊接接頭，右側則為不合格的焊接接頭。一般來說，在全熔透的情況下，熱輸入的減小有利于降低熔池溶氫量，減少氣孔數量，同時低沸點合金元素Li、Mg的燒損減輕，使得較多的強化元素得以保留;另一方面，焊接速度快，熱輸入小，熔池高溫停留時間短，使得凝固時具有較大的溫度梯度和結晶速率，焊縫晶粒尺寸細化，接頭力學性能提高。

在虛線左側區域內選取焊接電流93 A、焊接速度115 cm/min進行焊接，接頭抗拉強度為188.82 MPa，與預測值177.15 MPa的誤差率為6.59%，說明方程擬合效果良好。

2.2 斷口分析

觀察焊接電流93 A、焊接速度115 cm/min時焊接試樣的拉伸斷口，其斷口形貌如圖3所示。圖3a中可以觀察到除圓圈區域內由高低不平的解理臺階組成的“ 河流花樣 ”外，還存在著少量韌窩。圖3b為圖3a中方形區域的局部放大圖，可以清晰的發現該位置存在著大量表面光滑且完整的球狀小晶粒與少量的橢圓形韌窩，說明該斷口位于熔合線區靠近焊縫一側，斷口為“ 穿晶+沿晶 ”的韌脆混合斷裂模式。

2.3 接頭形貌

焊接電流為93 A、焊接速度為115 cm/min時的焊縫宏觀形貌如圖4所示。焊縫成形良好，無宏觀裂紋和明顯氣孔，熱影響區較窄，且變形小。但焊縫中仍存在著一定數量散亂分布的微小氣孔，采用Image-pro plus軟件對氣孔進行統計，氣孔平均直徑為37 μm，最大直徑為0.16 mm，氣孔率為1.92%，其尺寸、分布與激光焊相比無明顯差異。鋁鋰合金中活潑金屬鋰元素的存在，使得焊接時易吸附周圍空氣中的水分，導致熔池中氫含量增加，其氣孔缺陷相較傳統鋁合金更難抑制[7]。與傳統弧焊相比，CMT焊的“ 冷熱相交替 ”使得熱輸入大大降低，加之脈沖電流的攪拌作用，焊縫氣孔數量和尺寸有一定程度的減小[8]。

鋁鋰合金焊縫金相組織形貌如圖5所示。圖5a顯示了四個不同的區域，根據微觀組織特征可分為：熱影響區（HAZ）、部分熔化區（PMZ）、等軸細晶區（EQZ）和柱狀晶區（CCZ），其中圖內實線區域為部分熔化區，虛線區域為等軸細晶區。與傳統熔化焊的焊縫細晶區不同，焊縫熔合線區出現了EQZ與柱狀晶相間的帶狀組織，且沿著EQZ聯生結晶的柱狀晶并未出現明顯的長大。焊縫中心區域以大量的等軸樹枝晶（EDZ）為主，如圖5b所示。一般認為，熔合線區域溫度較低，液體流動近乎停滯，高熔點Al3Zr、Al3（Lix，Zr1-x）等彌散相得以保留，Li元素降低了Al液體表面張力，促進以熔池邊緣液態金屬中彌散分布的Al3Zr、Al3（Lix，Zr1-x）等微粒成為異質形核的形核質點，而結晶前沿較小的成分過冷給予晶核充分的長大時間，使得它們呈球面發展，從而形成等軸細晶區[9-10]。

斷口側面金相形貌如圖6所示，斷口失效可能首先起源于等軸細晶與柱狀晶轉變區，為沿晶斷裂（見圖6b）。隨后，沿著與拉伸應力呈一定角度的方向擴展，并擴展到柱狀晶區斷裂，由形貌可知為穿晶斷裂（見圖6c）。一般來說，接頭斷裂模式是由微觀組織、溶質偏析和析出行為共同決定的。一方面，焊縫中合金元素偏析和粗大的共晶相使得晶界間結合力減弱，這些共晶相在局部變形過程中易引起應力集中，促使微孔的形核[11]。另一方面，接頭組織不均勻導致應力分布不均勻，使裂紋擴展中所受到的抗力產生變化，致使裂紋擴展方向的不穩定性[12]。由圖5可知，等軸細晶和柱狀晶的急劇轉變，導致此處變形梯度較大，這可能是此區域易產生早期微孔和沿晶斷裂的主要原因。因此，等軸細晶和柱狀晶轉變區是接頭最薄弱的地方，一定程度上限制了力學性能的提高。

3 結論

（1）基于二次通用旋轉組合設計建立了2 mm厚2A97鋁鋰合金CMT+P焊抗拉強度預測方程 ，其中焊接速度對接頭抗拉強度的影響最為顯著，其次為焊接電流的平方，再次為焊接電流，焊接速度的平方影響最小。

（2）焊接電流為93 A，焊接速度為115 cm/min時的焊接接頭成形良好，抗拉強度為188.82 MPa，約為母材的71.2%，拉伸斷裂位于熔合線區，斷口為“ 穿晶+沿晶 ”的混合斷裂模式

（3）斷口位于等軸細晶與柱狀晶的轉變區域內，此區域成為了接頭最薄弱的環節，限制了力學性能的提高。

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