TiB2顆粒對2195鋁鋰合金焊接頭焊接性的影響

溫斯涵 周煉剛 孫建秋 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）

文 摘 為了解決2195 鋁鋰合金在焊接時裂紋敏感性高、焊接頭軟化等問題，通過調整焊絲的化學成分，添加微米級原位自生TiB2顆粒，制備出BJ?4210焊絲，并對焊接頭的抗裂性、力學性能及顯微組織進行了研究。研究表明，TiB2顆粒在熔池中作為形核質點，能夠降低焊縫晶粒尺寸并且改變晶粒形態，從而有效的降低接頭的裂紋敏感性，提高接頭的力學性能，其拉伸強度達到370 MPa，延伸率為3.1%。BJ?4210焊絲的研制可為2195鋁鋰合金的工程應用提供技術支撐。

0 引言

2195 鋁鋰合金是一種低密度、高比強度、高比模量、具備較好抗腐蝕性能及良好低溫性能的鋁合金，在航空航天領域中具有巨大的應用價值。使用鋁鋰合金代替常規鋁合金，在強度提高15%～20%的同時能夠減重10%～20%，可以有效減輕航空航天推進器結構質量，提升其運載能力［1?8］。

隨著2195 鋁鋰合金的不斷應用，其焊接性能得到相關研究人員的廣泛關注。研究表明采用傳統熔焊工藝焊接鋁鋰合金時，主要存在焊接氣孔敏感性高、焊縫易氧化、熱裂紋敏感性高、焊接頭軟化等問題［9?12］。鋁鋰合金焊接缺陷產生的主要原因包括：（1）合金中含有Li、Mg 等化學活潑性強的合金元素，合金表面形成的氧化物易吸收水分，且Li 對H 的親和力強，已在澆鑄過程吸H，導致焊接氣孔產生［13］；（2）Li 元素化學性質活潑，在焊接時極易被氧化；（3）合金的熱膨脹系數大、冷卻零塑性溫度低、脆性溫度區間大，導致合金的熱裂紋敏感性高［14］；（4）焊縫中的金屬熔化并重新凝固，焊縫區為鑄態組織，焊縫內析出的強化相少于母材中的強化相，接頭力學性能下降。目前，通過焊接工藝及過程控制可以解決氣孔敏感性高及焊縫易氧化的問題，還需要研制鋁鋰合金配用焊絲以改善其抗裂性和焊接力學性能。

本文針對2195 鋁鋰合金的特點，通過調整焊絲的化學成分從而改善焊縫的微觀組織，降低接頭的裂紋敏感性，提高焊縫的力學性能。

1 實驗

1.1 材料

所用母材為西南鋁生產的T8 態2195 鋁鋰合金板材，厚度為8 mm，將其加工為6 mm厚的焊接試板，合金為Al?Cu?Li 系合金，具體成分見表1。焊接試驗共選用2 種焊絲，焊絲直徑為3.0 mm，其中BJ?380D 焊絲是2A14 鋁合金配用焊絲，為成熟牌號焊絲；BJ?4210 是為2195 鋁鋰合金而設計的配用焊絲。

表1 2195鋁鋰合金化學成分Tab.1 Chemical composition of 2195 Al-Li alloy %（w）

1.2 實驗方法

將焊接試板和焊絲進行除油、酸洗及打磨刮削處理，保證清除鋁合金表面氧化膜，防止焊接氣孔缺陷的產生，焊接過程在焊接區域實施Ar保護措施，避免焊縫被氧化。焊接試驗設備為奧地利生產的Fronius MW 4000型焊機，在AR 保護下進行TIG 手工焊接，采用單面雙層焊接工藝，焊接電流為200 A，焊接速度為100 mm/min，Ar 流量為12 L/min。焊接后對試板進行X光檢測，X光底片顯示焊縫內部質量滿足QJ 2698A—2011 I級焊縫要求。

拉伸試樣由帶余高的焊接頭試樣沿橫向截取制備，試樣總長175 mm，標距為45 mm，拉伸試驗在國產CMT5105 電子萬能試驗機上進行，每種拉伸試樣取3個子樣，取其拉伸強度及延伸率的平均值作為該狀態下的力學性能。

利用德國生產的AXS?D8 射線衍射儀進行X 射線衍射分析測試，將焊縫截面切割成長方形樣品，要求測試面平整，實驗條件：Cu?Kα 輻射，加速電壓40 kV，掃描速度6°/min。金相試樣采用混合酸溶液侵蝕，利用徠卡生產的DM4000M 金相顯微鏡觀察接頭組織形貌、晶粒尺寸及分布。在Quanta?650 掃描電鏡進行接頭顯微組織分析、能譜分析（EDS）及拉伸斷口分析。在美國沃特仕生產的STDQ?600 差式掃描量熱儀上測量焊縫及2195 鋁鋰合金母材的DSC 曲線，獲得合金在凝固過程的初始結晶溫度、最終結晶溫度及凝固溫度區間。

2 結果與分析

2.1 焊絲設計

使用BJ?380D 及BJ?4210 焊絲都是Al?Cu?Si 系焊絲，其中BJ?380D 焊絲添加Ti、Zr 等微合金化元素作為晶粒細化劑，BJ?4210 焊絲的化學成分是在BJ?380D 的基礎上進行調整，將晶粒細化劑改變為微米級的原位自生TiB2顆粒，以改善焊縫的微觀組織，提高焊縫的抗裂性及力學性能，兩種焊絲的成分對比見表2。根據優化后焊絲成分，通過熔鑄、擠壓和拉拔等工序，制造出適合于手工氬弧焊接的小樣焊絲實物，絲徑為3.0 mm。

表2 焊絲化學成分Tab.2 Chemical composition of weld filler wire %（w）

2.2 抗裂性能

選用環形焊縫試驗方法對2195鋁鋰合金及其配用焊絲的焊接裂紋敏感性進行評價。環形焊縫試驗法，類似于法蘭焊接結構。內外圓盤為母材，加工、裝配壓緊后進行對接焊接，試片厚度不限，適合于手工焊和自動焊。焊后分別測量結晶裂紋長度和液化裂紋長度，測量單條焊縫上的裂紋長度時應從正、反兩面進行，取數值較大者計算。

對母材環形試樣進行自熔焊接，焊縫中心存在大量結晶裂紋，結晶裂紋敏感性K1＞14%，沿裂紋縱向方向制備金相試樣，觀察裂紋的擴展途徑及裂紋與焊縫微觀組織的關系。焊接熱裂紋的宏觀及微觀形貌如圖1所示，2195 鋁鋰合金在焊接時，會產生結晶裂紋及液化裂紋，在金相顯微鏡下觀察其微觀形貌，焊縫中心的結晶裂紋在柱狀晶間及枝晶間形成，并沿晶界擴展，而熔合線外側生成的液化裂紋沿母材HAZ 粗晶區晶界擴展，利用機械法將焊接熱裂紋打開，在掃描電鏡下觀察熱裂紋斷口形貌，見圖2，熱裂紋斷口主要呈現光滑顆粒特征（“鵝卵石”狀或“土豆”狀），且表面可見晶間低熔點共晶物或液膜褶皺，說明焊接熱裂紋與晶界上的低熔點共晶物相關。研究表明，自熔焊接結果說明材料本身的抗裂性能較差，需要添加合適的焊絲降低其裂紋敏感性。

圖1 焊接熱裂紋的宏觀及微觀形貌Fig.1 Macro and micro morphology of welding hot crack

圖2 焊接熱裂紋斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of welding hot crack

利用BJ?380D 及BJ?4210 焊絲對圓盤試樣進行填絲氬弧焊接，環形焊縫抗裂試驗結果見圖3。BJ?380D焊絲圓環試樣的熱裂紋出現在起弧處焊縫中心（結晶裂紋），裂紋長度約為5 mm，未發現液化裂紋，經計算裂紋敏感性K1=3.2%，K2=0%，與母材自熔焊接相比，抗裂性顯著提高。BJ?4210焊絲圓環試樣未發現焊接熱裂紋的存在，裂紋敏感性K1=0%，K2=0%，表明焊絲的抗裂性能優異，可以滿足使用要求。

圖3 BJ?380D及BJ?4210焊絲抗裂試驗Fig.3 Anti?crack experiment of BJ?380D and BJ?4210

為進一步研究BJ?4210焊絲的抗裂性能，對其焊接頭的DSC曲線進行測量，根據溫度與熱流之間的關系，得到焊接頭在凝固過程的初始結晶溫度、最終結晶溫度及凝固溫度區間，實驗結果見圖4。4210接頭在熔化后凝固的過程，初始結晶溫度為607.2 ℃，最終結晶溫度為499.6 ℃，凝固溫度區間為107.6 ℃。與2195鋁鋰合金母材的DSC數據進行對比，合金初始結晶溫度為628 ℃，最終結晶溫度為511.6 ℃，凝固溫度區間116.4 ℃。結果顯示，4210接頭具備更低的最終結晶溫度，結合焊接時的熱場分布，在熱影響區熔合線外側晶界液化臨近結束前，焊縫內金屬仍存在流動性較好的液態低熔點相，有利于抑制液化裂紋的產生。同時4210接頭初始結晶低于鋁鋰合金初始結晶溫度，具有更小的固?液態結晶溫度區間，在脆性溫度停留時間短，應變量積累量減少，結晶裂紋傾向降低。該研究表明BJ?4210焊絲通過調整焊縫內部化學成分，降低了合金的熱裂紋敏感性。

圖4 BJ?4210接頭DSC曲線Fig.4 DSC curve of BJ?4210 welded joint

2.3 力學性能

利用兩種不同焊絲對2195鋁鋰合金進行單面雙層焊接后，試板厚度為6.0 mm，對接頭進行室溫拉伸試驗，測量、統計抗拉強度及延伸率，并計算其平均值，結果記錄在表3內。兩種接頭的拉伸斷口位置都處于熔合線內側，其中BJ?4210接頭的拉伸強度可達到379 MPa，延伸率為3.1%，其強度達到使用需求；BJ?380D 接頭的拉伸強度超過350 MPa，延伸率為2.3%。結果顯示BJ?4210 接頭的力學性能超過BJ?380D 接頭，說明TiB2顆粒增強可以大幅提高焊接頭拉伸強度的同時，提高一定的延伸率，但是由于添加了3%～4.5%的Si 元素，在接頭熔化再凝固的過程中會形成脆性相，導致BJ?4210接頭的延伸率數值仍然偏低，接頭塑性仍有待提高。

表3 2195鋁鋰合金焊接頭拉伸性能Tab.3 Tensile properties of 2195 Al-Li welded joint

2.4 顯微組織分析

將焊接頭截面切割成長方形樣品，利用X 衍射儀分析焊縫組織，使用jade 衍射特征峰進行標定分析后，在Origin 中繪制X 射線衍射分析圖譜，見圖5，對比XRD 圖譜與標準衍射卡片庫可以發現，接頭的主要相組成為α?Al（PDF#04?0787）及Al2Cu（PDF#25?0012），由于其余相含量過低，因此未能體現在XRD圖譜上。

圖5 BJ?4210接頭Ⅹ射線衍射圖譜Fig.5 X?ray diffraction pattern of BJ?4210 welded joint

對BJ?4210 及BJ?380D 焊接頭的顯微組織進行分析，圖6為兩種焊絲對2195 鋁鋰合金進行單面焊接后的接頭組織。焊接頭由焊縫熔化區（FZ）、熔合線半熔化區（FL）、熱影響區（HAZ）組成。2195/BJ?380D 接頭焊縫中心晶粒也較為均勻，尺寸為40～50μm，熔合線內側出現較粗大的柱狀樹枝晶。2195/BJ?4210 接頭晶粒細小均勻，尺寸一般為25 μm 左右，與一般鋁合金熔焊焊縫熔合線晶粒形貌不同，接頭從熔合線到焊縫中心組織均為細小等軸晶，熔合線內側無柱狀晶組織。這是因為BJ?4210 焊絲含有原位自生的TiB2微米級顆粒，在焊接過程中，難熔固態質點TiB2隨焊絲進入熔池中，懸浮在熔池的液體空間或空隙中，凝固過程液態金屬依附懸浮質點的表面析出固態晶粒，最終形成全焊縫區域等軸晶。

圖6 BJ?4210和BJ?380D接頭金相組織Fig.6 Metallographic structure of BJ?4210 and BJ?380D welded joint

使用掃描電鏡（SEM）對BJ?4210 和BJ?380D 的微觀組織進行進一步分析，通過背散射圖像確定焊縫中的相分布，并利用能譜分析（EDS）對組織進行分析。圖7為2195/BJ?4210 及2195/BJ?380D 接頭微觀組織，焊絲內添加Si后，焊縫內沿晶界分布白色低熔點共晶相，經過EDS 分析可知（圖8），共晶相主要包含Al、Cu 以及少量的Si，晶粒內含Si 量很少，絕大多數Si富集到晶界處，降低了最低結晶溫度，有益于抑制液化裂紋，但是晶界處富集的Si 會導致焊縫的脆性，體現在其焊接頭延伸率偏低，僅高于同樣為Al?Cu?Si 系的BJ?380D 焊接頭。2195/BJ?4210 接頭內還存在一定量的微米級TiB2顆粒，細化了晶粒尺寸，在晶間低熔點共晶物較少的情況下，破壞液態薄膜的連續性，降低了焊縫的熱裂傾向。

圖7 BJ?4210和BJ?380D接頭顯微組織Fig.7 Microstructure of BJ?4210 and BJ?380D welded joint

圖8 BJ?4210和BJ?380D焊縫組織能譜分析Fig.8 EDS analysis of BJ?4210 and BJ?380D welded joint

BJ?380D 及BJ?4210 焊接頭拉伸的斷口位置處于熔合線內側，說明接頭熔合線內側區域為接頭最薄弱的位置，而TiB2顆粒作為非自發形核質點，降低晶粒尺寸的同時，改變了焊縫在凝固過程中的結晶行為，避免在熔合線內側形成粗大的柱狀樹枝晶，使全焊縫區域形成細小等軸晶，可以有效提高接頭的強度及塑性，此外TiB2顆粒自身作為合金中的硬質強化相可以阻礙焊接頭受力時的位錯移動，提高了接頭的強度，因此BJ?4210接頭具有更高的拉伸強度及延伸率。綜上所述，TiB2顆粒增強可以改善接頭的微觀組織，提高接頭的強度及塑性。

對2195/BJ?4210及2195/BJ?380D焊接頭斷口形貌進行分析，結果見圖9。2195/BJ?380D斷口主要呈巖石狀，為典型沿晶斷裂特征，其延伸率指標低；2195/BJ?4210 接頭斷口呈現混合斷裂特征，具有一定塑性變形能力，其塑性強于380D 接頭，斷口形貌與力學性能結果相符。

圖9 BJ?4210和BJ?380D接頭常溫斷口Fig.9 Tensile fracture morphology of BJ?4210 and BJ?380D welded joint at room temperature

2.5 結構件焊接

采用手工氬弧焊接方法及BJ?4210焊絲對結構模擬件進行焊接，考察焊絲在結構件上的適應性及焊接性，結構模擬件由2個半球對接構成，焊接部位包括1個直徑為100 mm的嘴子和一個直徑為1 000 mm的環焊縫，焊口厚度為3.0 mm，如圖10所示。通過酸洗、裝配、定位焊后，實施一次焊接，焊接后的結構模擬件焊縫成形良好，未出現氧化及開裂現象，說明BJ?4210焊絲可完成球形結構件嘴子及大環縫的焊接。

圖10 結構模擬件焊接Fig.10 Welding of simulation structure

3 結論

（1）新研制BJ?4210 焊絲抗裂性優異，K1=0%，K2=0%。

（2）BJ?4210焊絲的力學性能優異，拉伸強度最高為379 MPa，延伸率為3.1%。

（3）焊絲中添加Si元素后，在焊縫晶界處會形成Al?Cu?Si低熔點共晶相，有利于降低焊接頭的熱裂紋敏感性，但是晶界處富集的Si會導致焊縫脆性，體現在其焊接頭延伸率偏低，且斷口呈沿晶斷裂特征。

（4）BJ?4210焊絲內的原位自生TiB2顆粒，在熔池中作為形核質點，可以降低晶粒尺寸，使焊縫形成均勻細小等軸晶，提高接頭的抗裂性和力學性能。

（5）BJ?4210焊絲可以完成嘴子及環焊縫的焊接，證明其在結構模擬件的適應性及可焊接性。