LA103W鎂鋰合金TIG焊接接頭組織與性能研究

夏聰聰 馬立彩 魯傳洋 王 鋒 唐佳奇

（北京新風航天裝備有限公司，北京 100080）

1 引言

隨著航天技術的發展，航天材料向著輕量化、高效、低成本等方向發展[1]。鎂鋰合金的密度一般為1.35～1.65g/cm3，比普通鎂合金輕1/4～1/3，比鋁合金輕1/3～1/2，是最輕的金屬結構材料之一，具有較高的比強度和比剛度，較好的減震性和電磁屏蔽性，且易回收再利用，在航空航天、兵器工業中具有潛在的應用價值，也是未來運動設備及便攜設備的主要材料，發展前途極為廣闊[2～4]。根據Mg-Li 二元相圖[5]可知，當鋰的質量分數高于5.7%且低于10.3%時，鎂鋰合金組織中同時存在密排六方結構的α-Mg 相和體心立方結構的β-Li 相，LA103W 鎂鋰合金作為典型的雙相結構解決了鎂及鎂合金在室溫下滑移系較少、塑性較差的問題，兼顧了α-Mg 相的高強度和β-Li 相的延展性，是航天領域中代替鋁和鋼的理想結構材料[6]。鎂鋰合金雖然因優良的力學性能在航天領域具有廣闊的應用前景，但在材料自身的加工性方面還需要克服大量的技術難題，尤其是鎂鋰合金的焊接性[7,8]。焊接成形是鎂鋰合金結構件必不可少的加工成形手段[1]，目前關于鎂鋰合金焊接工藝的研究報道[9～11]大多集中在鎢極氬弧焊、攪拌摩擦焊、激光焊方面，并且采用正確的焊接工藝可以獲得無缺陷、高質量的焊接接頭。LA103W 作為一種新型的鎂鋰合金材料，對標同系列國標牌號，LA103W 密度更低，強度大幅提高，可制備目前國內最大規格鎂鋰合金艙體結構件，實現在新一代空天裝備上的工程化應用。但目前尚沒有LA103W 合金焊接性能的研究，因此本文采用操作靈活、焊接適應性強的鎢極氬弧焊（TIG）方式，以LA103W 鎂鋰合金作為研究對象，研究LA103W 鎂鋰合金的焊縫成形性、焊接接頭的顯微組織及力學性能。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗選用LA103W 鎂鋰合金板材作為母材，試件尺寸為300mm×100mm×5mm，供貨狀態為軋制-T5態，化學成分見表1。所選用焊絲與母材為同一材質，即在母材上直接截取細條作為焊絲，規格為500mm×5mm×3mm。

2.2 試驗方法

試驗采用鎢極氬弧焊（TIG）方法焊接鎂鋰合金試件，接頭形式為對接接頭。焊前將3 對試件加工成V 形坡口，用丙酮清洗鎂鋰合金試件表面距離焊縫50mm 范圍內的油污，吹干后用不銹鋼拋光輪打磨去除試件表面距離焊縫30mm 范圍內的氧化膜，去除氧化膜后、焊接前再次進行丙酮清理。由于試件壁厚較大，為減小熱輸入量、減少變形和缺陷，焊接采用填絲、單面雙層焊工藝，焊接時使用自制夾具將試件固定，保護氣體選用純度為99.99%的高純氬氣，焊接工藝參數見表2。

表2 焊接工藝參數

首先檢查焊接接頭表面質量，用X 射線探測焊接接頭的內部質量；用金相顯微鏡觀察焊接試驗件接頭處的顯微組織，分析不同區域的焊接接頭顯微組織形貌。在CMT5105 微機控制電子材料試驗機上進行拉伸試驗，取3 個拉伸試樣，試驗后取平均值，拉伸試樣的尺寸與形狀如圖1所示；用顯微硬度計（FM-700）測量焊接接頭的硬度；并用GeminSEM 300 掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌。

圖1 拉伸試樣的形狀與尺寸

3 試驗結果與分析

3.1 焊接接頭顯微組織形貌

圖2 為LA103W 焊接接頭金相組織，分為母材區、熱影響區、熔合區和焊縫區4 部分。LA103W 焊接接頭母材區如圖2a所示，由α-Mg 相和β-Li 相組成，α-Mg相為白色顆粒狀和少量板條狀晶粒，且分布于β-Li 相界；β-Li 晶粒呈等軸狀，晶粒尺寸在30～50μm 之間。與母材相比，如圖2b所示，熱影響區內的α-Mg 相含量明顯減少但尺寸無明顯變化，呈顆粒狀，且有少量α-Mg 相分布于β-Li 相晶粒內；熱影響區內的β-Li 相晶粒長大，尺寸達到50～150μm，β-Li 晶界明顯。這是由于熱影響區組織受焊接熱量和殘余應力的影響發生了回復再結晶。

圖2 焊接接頭不同區域的顯微組織

焊接過程中，如圖2c所示，熔合區處于固、液態的半熔化區，有大量顆粒狀和細針狀的α-Mg 相在β-Li晶粒內析出。與熔合區相同，如圖2d所示，焊縫區亦有大量細小的顆粒狀和細針狀α-Mg 相，但此時β-Li相晶界消失。這是由于焊接時焊縫區組織完全熔化，溫度高，冷卻速度快，焊縫處形成過飽和固溶體，隨后過飽和固溶體發生沉淀析出反應，析出細小顆粒狀和細針狀的α-Mg 相。觀察發現LA103W 鎂鋰合金焊接接頭表面成型良好，無裂紋、錯邊、未焊透、未熔合等缺陷。如圖3所示，X 射線檢測結果表明焊縫內部質量良好，無超標氣孔、裂紋等缺陷。

圖3 LA103W 鎂鋰合金焊接接頭探傷結果

3.2 焊接接頭的力學性能

利用顯微硬度計（FM-700）分別測量焊接試件上母材區、熱影響區、熔合區、焊縫區的硬度，每個區域至少測試3 個硬度值，最后取平均值，具體結果見表3，焊接接頭母材區硬度最大，為68.5HV，熔合區的硬度與母材區硬度相差無幾，其次為焊縫區，熱影響區的硬度最低。熱影響區受焊接熱量影響，α-Mg 相會溶入β-Li 相基體，同時塑性較好的β-Li 晶?？焖匍L大，導致硬度值最低。焊縫區硬度稍高于熱影響區，這是因為焊縫區有大量硬度較高的α-Mg 相，使硬度升高。母材區為軋制-T5 態，晶粒細化，組織均勻，力學性能良好；熔合區經歷半熔化過程，有大量顆粒狀和細針狀的α-Mg 相在β-Li 晶粒內析出，α-Mg 相硬度較高，因此焊接接頭的母材區和熔合區硬度較大。

表3 焊接接頭各區域的硬度平均值HV

LA103W 鎂鋰合金母材和焊接接頭拉伸性能的平均值見表4。由表4 可知，焊接接頭的抗拉強度、屈服強度和延伸率均略低于母材，分別為175MPa、169MPa 和13.5%，達到母材的92.1%、94.4%和90%。

表4 LA103W 鎂鋰合金的拉伸性能

3.3 拉伸斷口分析

焊接接頭拉伸斷口的宏觀照片見圖4，可以看出拉伸試樣斷裂于母材區。熔合區和焊縫區有大量細小彌散的α-Mg 相阻礙了位錯運動，提高了熔合區和焊縫區的強度。熱影響區β-Li 相晶粒內析出的α-Mg 相粒子會起到第二相強化作用，因此拉伸斷裂在母材區。如圖4b、圖4c所示，焊接接頭拉伸試樣的斷口平齊，斷口與截面約呈45°。

圖4 焊接接頭的拉伸斷口宏觀照片

不同放大倍數的焊接接頭拉伸斷口SEM 形貌見圖5。斷裂在母材的拉伸斷口微觀形貌主要以水流花樣及解理臺階為主，并可觀察到少量韌窩存在，屬于韌性-解理混合斷裂。

圖5 焊接接頭的拉伸斷口SEM 形貌

4 結束語

a.對LA103W 鎂鋰合金進行TIG 焊，得到的焊接接頭表面成型良好，焊縫中也無超標氣孔和裂紋等缺陷。焊接接頭的組織由α-Mg 相和β-Li 相組成，母材區的β-Li 相晶粒為等軸狀，熱影響區的β-Li 相晶粒尺寸較大，焊縫區和熔合區中含大量顆粒狀和細針狀的α-Mg 相，且焊縫區的β-Li 相晶界消失；焊縫區與熱影響區之間的熔合區組織均勻，熔合良好，不易發生斷裂。

b.LA103W 鎂鋰合金焊接接頭的抗拉強度、屈服強度和延伸率均略低于母材，分別為175MPa、169MPa和13.5%，達到母材的92.1%、94.4%和90%。焊接接頭的母材區與熔合區硬度最大，其次為焊縫區，熱影響區的硬度最低。

c.焊接接頭的斷裂方式為韌性-解理混合斷裂，拉伸試樣斷裂在母材區。