2195鋁鋰合金多光束復合焊接微觀組織演變及氣孔抑制

摘 要：2195鋁鋰合金具有高活性且固相線溫度較低，導致焊接時易產生氣孔、熱裂紋等缺陷。多光束復合焊接技術憑借優化能量輸入與熔池動力學，提高焊接接頭質量以及在一定程度上抑制氣孔形成。研究圍繞2195鋁鋰合金多光束復合焊接過程中微觀組織演變及氣孔抑制機理展開分析；采用焊接熱循環測試、金相觀察及力學性能測試方法來研究焊接接頭組織演變規律及力學性能變化。通過分析氣孔形成機制以探討多光束復合焊接在改善熔池流動性、促進氣孔逸出方面的作用并提出優化策略來提高焊接接頭可靠性。研究成果為高性能鋁鋰合金焊接技術優化及工程應用給予理論指導和技術支持。

關鍵詞：2195鋁鋰合金 多光束復合焊接 微觀組織演變 焊接氣孔抑制

2195鋁鋰合金的焊接性能較差，焊接過程中易出現氣孔、熱裂紋、元素偏析及組織粗化等問題，嚴重影響焊接接頭的綜合性能，制約其工程應用。傳統熔化焊接方法難以有效控制焊縫質量，導致接頭力學性能下降。多光束復合焊接技術通過合理分配能量輸入，優化熔池形態及凝固行為，提高接頭致密性和組織均勻性，為高性能鋁合金焊接提供了新的工藝手段。然而，該工藝在2195鋁鋰合金焊接中的微觀組織演變及氣孔抑制機制尚不明確。研究焊接熱循環對合金組織的影響，探討多光束復合焊接在抑制氣孔方面的作用，并提出優化策略，對提高焊接接頭的可靠性及推動工程應用具有重要意義。

1 2195鋁鋰合金多光束復合焊接的工藝特性

1.1 2195鋁鋰合金材料特性與焊接難點

2195鋁鋰合金成分中鋰的加入有效降低了材料密度，并提高了彈性模量，同時Cu、Mg、Zr等合金元素的優化配置，使其在服役過程中表現出優良的力學性能和耐腐蝕能力。然而，2195鋁鋰合金的焊接性能較差，主要受材料的高活性、低熔點-固相線溫度差及固溶強化機制的影響。焊接過程中，鋰元素易揮發，導致合金成分偏析，進而影響接頭力學性能。該合金對焊接熱輸入極為敏感，過高的熱輸入容易誘發粗大柱狀晶，降低接頭強度，而過低的熱輸入則易導致熔合不良。焊接氣孔問題尤為突出，由于鋁鋰合金在高溫下具有較大的氫溶解度，焊接冷卻過程中氫的析出難以完全釋放，導致焊縫中形成大量氣孔，從而降低焊接接頭的致密性和疲勞壽命。熱裂紋的形成也是焊接過程中的重要難題，快速冷卻導致焊縫區產生較大的殘余應力，在應力集中部位易誘發熱裂紋，尤其是在復雜受力結構中，焊縫可靠性受限。

1.2 多光束復合焊接工藝原理

在焊接過程中，多個激光或電子束光源依據特定能量分布模式作用于焊接區域，進而改變熔池形態及流動特性以實現更均勻熱輸入，不同光束組合方式可優化熔池熔深與寬度、提高焊縫成形質量且有效降低焊接應力與變形，能增強熔池內對流作用以促進熔池內部金屬蒸汽及氣體排出從而減少氣孔形成，同時可優化焊接熔池溫度場分布，避免因局部過熱或冷卻速率過快所致組織粗化及熱裂紋問題，還能通過調節各光束功率比、焦點位置和掃描路徑來實現不同焊接模式切換以適應復雜結構焊接需求。

1.3 復合焊接工藝參數優化

在多光束復合焊接過程中，功率分布、光束間距、光束模式、掃描速度及焊接保護氣氛等參數均會影響焊接質量。功率分布決定了熔池的熱輸入特性，合理配置主焊光束與輔助光束的功率比，能夠優化熔池形態，使熔深與熔寬達到合理匹配，避免焊縫金屬偏析和晶粒粗化。光束間距直接影響熔池的穩定性，合適的間距能夠促進熔池內的熱傳導，增強熔池內部金屬的對流效應，提高焊縫組織均勻性。光束模式的選擇關系到能量分布方式，適當的環形、點狀或線狀光束組合可以優化焊接熔池的形態，提高焊縫的成形質量。掃描速度決定了焊接熱輸入速率，過快的掃描速度可能導致熔池不穩定、熔合不良，而過慢的掃描速度則可能導致焊縫熱影響區擴大，組織粗化，影響接頭力學性能。

2 2195鋁鋰合金焊接微觀組織演變分析

2.1 焊接熱循環對合金組織的影響

由于鋁鋰合金的低熔點-固相線溫度差，在焊接過程中，局部區域經歷劇烈的熱輸入和快速冷卻，導致相變過程復雜。焊縫金屬在高溫階段受熱影響顯著，鋰、銅等元素的擴散及再分布加劇，易形成不均勻的固溶體組織。高溫停留時間過長會促使粗大柱狀晶的生成，降低焊縫的強度和韌性，而過快的冷卻速率則可能誘發嚴重的偏析現象，使金屬間化合物過度析出，削弱材料的綜合性能。熱影響區由于受熱不均，表現出明顯的晶粒粗化，尤其在近熔合區，由于溫度梯度較大，部分區域可能經歷再結晶過程，導致組織軟化，降低接頭的承載能力。同時，焊接熱循環引起的殘余應力累積，使焊接接頭內部形成應力集中區，在長期服役條件下可能成為裂紋萌生源，對焊接結構的可靠性構成威脅。

2.2 焊接接頭微觀組織特征

在多光束復合焊接作用下，焊縫區域的組織形態呈現出一定的特殊性，通常表現為等軸晶、柱狀晶和枝晶相互交錯的結構特征。焊縫中心區由于凝固速率較快，形成細小的等軸晶組織，有助于提高接頭的均勻性和力學性能。近熔合區由于受熱影響較大，可能出現粗大的柱狀晶生長現象，沿熱流方向延伸，形成各向異性的力學性能分布。熱影響區經歷了部分再結晶，導致組織軟化，同時合金元素的擴散效應加劇，使強化相的析出行為更加復雜。在焊縫內部，細小的析出相均勻分布，對基體起到了強化作用，而當焊接熱輸入過高時，部分析出相可能在高溫環境下發生熔解，降低強化效應。焊縫表面和近接合界面區域易受氣孔和夾雜物的影響，尤其是氫氣孔的形成，降低焊縫的致密性。

2.3 多光束復合焊接對合金力學性能的影響

在多光束復合焊接作用下，焊接接頭的力學性能受到組織結構、殘余應力及焊接缺陷的綜合影響。焊縫區域由于晶粒細化及合理的能量輸入分布，表現出較高的強度和良好的塑性，而熱影響區因局部軟化可能成為強度薄弱區。拉伸試驗表明，采用優化的多光束復合焊接工藝能夠有效提升接頭的抗拉強度，并減少塑性損失。疲勞性能是衡量焊接接頭長期服役能力的重要指標，焊縫中的冶金缺陷，如氣孔、夾雜物及裂紋，會成為疲勞裂紋的萌生點，降低疲勞壽命。多光束復合焊接通過增強熔池攪拌作用，提高熔池流動性，使氣孔逸出率提高，同時優化熱輸入降低焊接殘余應力，從而提升疲勞性能。在沖擊韌性方面，由于晶粒細化效應及組織均勻性提升，焊縫金屬的斷裂韌性得到增強，裂紋擴展阻力提高，使結構在復雜受力條件下具備更高的抗破壞能力。

3 2195鋁鋰合金多光束焊接氣孔形成機制及抑制措施

3.1 焊接氣孔的成因分析

焊接氣孔的形成主要與熔池內氣體的溶解、擴散和逸出行為密切相關。鋁鋰合金對氫的溶解度較高，在液態金屬中能大量溶解，而在凝固過程中氫的溶解度急劇下降，導致超飽和氫析出形成氣泡。當熔池冷卻凝固速度過快時，氣泡難以充分逸出并被捕獲在焊縫中，形成氣孔缺陷。此外，焊接環境中的濕度、焊絲或母材表面的污染物（如氧化膜、水分和油污）也是氣孔的主要來源，氧化鋁膜的破壞不完全會導致焊接過程中氧化物夾雜增加，進而影響熔池的流動性，阻礙氣體逸出。焊接保護氣體的純度和流量控制不當同樣可能導致氣孔的生成，過高的氣流速率可能引入外部空氣，而過低的流速則可能導致局部保護不充分，使熔池受到氧化和氫污染。

3.2 多光束復合焊接對氣孔抑制的作用

多光束協同作用可實現對熔池熱輸入分布的調整，讓熔池溫度場達至更加均勻之態，規避局部過熱或冷卻速率過快情況，達成減小金屬蒸發誘導氣泡產生之效。多光束復合焊接能有效強化熔池內的對流運動，提升熔池內部金屬的流動性，促使已析出的氣泡更易朝熔池表面移動并逸出。就氫氣孔問題而言，多光束焊接穩定的能量輸入利于減少氫在熔池內的滯留，實現提高氣體釋放效率之功。多光束復合焊接可運用不同模式的光束組合，以預熱光束降低母材溫差，縮減焊接區域的溫度梯度，進而實現降低焊縫內部熱應力和收縮效應之目的，達成減少微裂紋誘發空隙之效果。輔助光束的作用可強化熔池的攪拌效應，使焊縫金屬更為均勻，減少合金元素偏析現象，實現降低因不均勻凝固導致微孔缺陷之目標。

3.3 氣孔抑制策略及優化措施

對于2195鋁鋰合金焊接過程中的氣孔問題，在材料預處理方面需對母材和填充焊絲表面做嚴格清理，通過采用機械或化學方法去除氧化膜、油污及水分以降低污染物對熔池的影響，且適當進行預熱處理來減少母材內部氫含量、降低氣孔形成風險。在工藝參數優化方面要合理調整光束功率比、光束間距和掃描速度以使熔池具備穩定熱輸入，避免因局部過熱導致金屬蒸發或熔池冷卻速率過快問題。焊接速度設定要兼顧熔池流動性和氣泡逸出能力，因過快速度會導致熔池不穩定，過慢速度則會增加氣體在熔池中的滯留時間。在氣體保護方面應選高純度的氬氣或氬氦混合氣體并優化氣體流量和噴嘴角度，確保焊接過程中熔池能獲得充分保護以減少外部污染影響。

4 多光束復合焊接的工程應用與優化策略

4.1 焊接接頭可靠性分析

焊接接頭的可靠性通過力學性能測試，可評估多光束復合焊接對接頭強度、塑性和斷裂韌性的影響。焊縫拉伸強度測試結果表明，在優化工藝條件下，接頭抗拉強度可達 530 MPa，接近母材強度 545 MPa，斷后延伸率達到 8.2%，相比傳統單光束焊接提高了 15%。顯微硬度測試顯示，焊縫區硬度分布均勻，熱影響區硬度較母材降低約 10%，但通過多光束復合能量輸入優化，使軟化程度有所減小。疲勞壽命試驗表明，在 R=0.1，頻率 20 Hz 條件下，多光束復合焊接接頭的疲勞極限可達 250 MPa，比傳統焊接提高約 18%，表明該工藝在復雜載荷環境下具備較高的抗疲勞性能。焊接接頭的力學性能測試數據如下表1所示。

4.2 復合焊接工藝優化方向

在多光束復合焊接工藝優化中，于能量輸入優化方面，通過調整主光束與輔助光束功率比，實現熔池加熱更均勻，達成降低柱狀晶生長趨勢、進一步細化焊縫組織之效。在熔池動態穩定性調控方面，采用高速攝像技術結合數值模擬對熔池內流動行為予以分析，經調整光束間距、掃描路徑及焊接速度，起到提高熔池對流作用的效果。讓氣泡逸出更充分，實現減少氣孔缺陷之目的。在殘余應力釋放方面，利用超聲震動或脈沖光束模式，于焊接過程中動態調整熔池內部熱應力分布，達成減少焊后變形、提高接頭抗裂性之功。在焊縫組織強化方面，通過優化合金填絲成分。在焊接過程中控制第二相析出行為，實現增強焊縫強化機制，達到提高焊接接頭韌性和疲勞性能的成效。

4.3 工業生產應用的可行性分析

在工業生產應用方面，相較于傳統單光束焊接，該工藝于焊接效率呈現顯著優勢，實驗數據表明，在相同焊縫質量要求條件下，多光束復合焊接焊接速度可達40mm/s，較傳統焊接提高約25%，單次焊接成形率提升30%，后續修復和加工成本得以減少；設備成本方面，雖多光束復合焊接系統初始投資相對偏高，然其焊接質量穩定性更勝一籌，缺陷修復及材料報廢率降低，從長期運行成本角度具有較高經濟性。多光束復合焊接與傳統焊接工藝的對比數據如下表2所示。

從上面表格可以看出，多光束復合焊接在提高焊接效率、降低缺陷率及提升焊接一致性方面具有顯著優勢，適用于高性能結構件的批量制造。

5 結論

研究表明2195鋁鋰合金多光束復合焊接工藝能通過合理控制能量輸入達到使熔池溫度場均勻化、有效細化焊縫晶粒、降低柱狀晶比例進而提高接頭綜合力學性能的效果。焊接熱循環影響下呈現出的焊縫及熱影響區組織演變規律清晰，且優化工藝參數可實現減少合金元素偏析及熱裂紋敏感性。多光束復合焊接所起到的增強熔池攪拌作用以及提高氣體逸出效率之功，能使焊縫氣孔率降低67%，達成改善焊接接頭致密性和疲勞壽命之果。工藝優化方向所表明的通過調控光束模式、調整能量分布及優化焊接氣體保護之舉，可進一步實現提高焊接穩定性和接頭耐久性之目標。工業生產可行性分析顯示，該工藝在焊接效率、成形質量及自動化程度方面優于傳統焊接方式，在高可靠性結構制造中具有廣闊的應用前景，為復雜輕質合金結構的高性能焊接提供了技術支撐。

基金項目：湖南省自然科學基金部門聯合基金項目（2023JJ60215）。

參考文獻：

[1]孫守義，王進，曹高威，等.2195鋁鋰合金雙面攪拌摩擦焊研究[J].材料工程，2025，53（02）：125-132.

[2]宋科錦，杜玥，付雪松，等.2195鋁鋰合金半球殼對流換熱系數數值計算及淬火模擬[J].金屬熱處理，2025，50（01）：243-249.

[3]王永曉，付楊，徐瀟，等.2195鋁鋰合金擠壓和軋制加工中的織構演變（英文）[J/OL].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，1-21[2025-03-09].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/43.1239.TG.20241122.1152.013.html.

[4]劉德俊，田干，李玉龍，等.含缺陷2195-T8鋁鋰合金疲勞斷裂與仿真分析[J].國防科技大學學報，2024，46（05）：168-178.

[5]張志超，堵同亮，富芳艷，等.2195鋁鋰合金貯箱球底充液拉深成形起皺缺陷演變規律數值模擬研究[J].上海航天（中英文），2024，41（04）：76-88.