2195铝锂合金的补焊工艺

李 超，宋永伦，庞树明

(北京工业大学机电学院，北京100124)

0 前言

铝锂合金具有低密度、高强度、高弹性模量、耐高温、优良的超低温性能及良好的抗蚀性等优点。研究表明：与常规的铝合金相比，其密度低8%～10%，弹性模量高10%～12%，而机械性能和可生产性又与常规铝合金相似，因此把它用作结构材料，潜在经济效益极大。美国在20世纪90年代中期启动的航天飞机外贮箱项目，用第三代铝锂合金即2195铝锂合金取代自60年代起使用的2219铝铜合金，与2219铝合金相比，2195铝锂合金在质量上减轻7%，有效载荷增加10%～15%，低温强度增加了30%。近年来，为了使航天器的贮箱结构能够重复使用，提出了对该种铝合金的再焊接性的研究。因此，本研究开展焊缝缺陷修复技术的研发具有很大的工程价值。

采用传统弧焊工艺对于2195铝合金的焊接接头主要存在四个问题：气孔敏感性高、焊缝极易被氧化、热裂纹敏感性高和接头的机械性能低。在焊接修补过程中，焊缝金属在热循环的再次作用下，这些问题又更加凸显，因此，需要探索一种有效的补焊修复工艺。

在此采用不同能量密度的TIG+填丝焊工艺，对原焊缝缺陷进行修补，并对修补后接头的力学性能、显微组织和断口形貌进行分析和对比。提出一种适用于2195铝合金弧焊的新工艺。

1 实验设备与方法

在焊接试验中，采用TIG复合高频电弧和三电极TIG焊复合高频电弧分别对厚度为5mm的2195铝锂合金原焊缝未熔透缺陷进行补焊，补焊分低速补、高速补和高速多次补，焊丝牌号是ER2319。2195铝锂合金和ER2319的化学成分如表1和表2所示。

表1 2195铝锂合金成分 %

表2 ER2319焊丝成分 %

1.1 实验设备

三电极复合TIG焊即采用三台焊机分别对三个彼此绝缘的钨极同步脉冲供电，三个钨极产生的电弧在自磁收缩作用下汇聚成一个能量密度较高的压缩电弧（称为 C-TIG：Condensing TIG）[1]。该 TIG电弧采用内气和外气两层保护气，内气在三钨极之间输出，外气在三钨极周围输出，同时对电弧耦合一高频能量，在电磁振荡的作用下可有效清除气孔，细化晶粒。焊接示意如图1所示。

图1 三钨极复合自磁收缩电弧示意图

1.2 实验方法

初始焊缝采用C-TIG焊接方法，焊接速度为800 mm/min，不开坡口填丝一次焊成。当电流偏小或散热条件改变较大时易出现背面未熔透。补焊前，先对缺陷部分进行挖补清除，并仔细清理待修补焊缝处及附近的氧化膜，防止氧化物夹杂，并用丙酮擦拭焊缝，清除焊缝表面附着的水汽，之后进行焊接修补。焊接时将焊枪及被焊部位完全置于惰性气体保护罩内，以防止焊缝在高温下氧化。补焊时分别用180 mm/min（低速）和 800 mm/min（高速）进行修补，并观测多次高速补焊对接头性能的影响。补焊均采用特殊交流脉冲电流波形（脉冲峰值阶段为直流，脉冲基值阶段为方波交流），焊接波形如图2所示。

1.2.1 补焊方法

低速补焊采用常规TIG并复合高频电源进行修补，主要工艺规范如表3所示。补焊前的焊缝背面形貌如图3所示。

图2 特殊交流脉冲电流波形

图3 补焊前焊缝背面未熔透的形貌

表3 低速补焊工艺规范

高速补焊采用三电极TIG并复合高频电源进行修补，主要工艺规范如表4所示。补焊后焊缝形貌如图4所示。

图4 经高速补焊后的焊缝形貌

表4 高速补焊工艺规范

1.2.2 多次高速补焊方法

多次高速补焊采用三电极TIG并耦合高频电源进行修补，采用相同的规范对缺陷位置修补三次，并与单次修补做对比分析，观测焊缝金属在多次热循环的作用下对接头机械性能的影响。

2 实验结果

2.1 对补焊接头的机械性能分析

补焊后，接头的抗拉强度和延伸率与初始焊缝相比均有下降，但低速补焊接头的机械性能下降较大，而高速补焊接头的机械性能下降较小，接近初始焊缝的机械性能，强度系数达到母材的62.4%。可见，焊接速度对补焊接头的机械性能有较大影响，即反映了不同的焊接热循环对接头的效果。提高补焊速度，有利于接头机械性能的提高。补焊机械性能如表5所示。

表5 2195补焊焊缝及母材的机械性能

2.2 气孔敏感性和氧化敏感性的对比分析

2.2.1 气孔敏感性的对比分析

试验后对低速和高速补焊焊缝进行X射线透视，其中，低速补焊的焊缝中有大量连续微气孔，这些微气孔使焊缝的有效承载面积减少，在外力的作用下容易成为裂纹源并相互串连和扩展从而导致断裂，气孔缺陷是补焊接头机械性能较低的主要原因之一。而高速补焊的焊缝中几乎没有气孔，使焊缝的机械性能大幅提高。慢速焊焊缝的气孔生成率高于快速焊的原因是氢气在熔融铝中的溶解度要高于固态铝。在慢速焊中，熔池尺寸较大且停留时间较长，氢入侵熔融金属的机会增加；而高速焊将焊接速度提高了4倍多，熔池尺寸较小且停留时间短，有利于减少氢对熔池的作用时间。

高速多次补焊焊缝中有少量气孔存在，其原因为焊缝在多次热循环的作用下使熔融金属吸氢的概率增大，熔池有充分的时间与氢结合形成气孔，导致气孔敏感性升高，因此应尽量减少补焊次数，以保证接头的高强度和延伸率。

2.2.2 氧化敏感性的对比分析

与其他铝合金相比，铝锂合金的氧化敏感性更高，Li是高活性元素，在焊接过程中极易与周围的氧原子反应形成锂化物，如LiO2、LiOH和Li2CO3等，焊接受热时，这些化合物分解为CO2和H2气体产物，并进入熔池中形成气孔。同时，这些锂化物存留在焊缝晶界处使焊缝晶界与晶粒内部相弹性模量相差过大，在外力作用下容易形成微孔并成为裂纹源，导致接头的断裂。

在做好焊前清理以及在无氧环境下焊接的同时，提高焊接速度可以有效地降低焊缝熔融金属与周围环境中氧的结合几率，从而达到控制焊缝锂化物含量的目的，提高接头的强度和延伸率，这也是高速补焊的焊接接头机械性能比低速补焊好的原因之一。

2.3 对补焊接头的微观组织分析

2.3.1 低速补焊结果分析

在低速补焊的焊缝金相图片中，可以看到焊缝区内粗大的晶粒，少量细晶粒团不均匀分布在焊缝区内，粗大晶粒与细小晶粒交错分布。沿熔合线分布有一条由细小等轴晶组成的细晶带，在细晶带靠近焊缝一侧，柱状晶生长较不充分。在断裂面的金相图片中可以看到裂纹是沿细晶带的一侧扩展（断裂面在细晶带靠近焊缝一侧）。焊态合金晶界上存在连续、粗大平衡相，而晶粒内的沉淀强化作用不明显，基体和晶界的弹性模量相差较大，在外力作用下变形不能协调，在晶界处位错塞积并萌生裂纹，裂纹主要沿晶界与基体间的界面扩展，主要为沿晶断裂，以脆性断裂为主。低速补焊的显微组织如图5所示。

2.3.2 高速补焊结果分析

从高速补焊的焊缝金相图片中可以看到，焊缝区内晶粒细小，以等轴晶为主。熔合区中细晶带非常狭窄，有些地方细晶带基本消失，断裂面不在熔合区上。焊缝中晶界上的连续、粗大平衡相较少，在熔池的快速凝固过程中强化相较充分的留在晶粒内部，在外力的作用下，晶内变形均匀，裂纹沿晶界或穿过晶粒内部扩展，呈现较好的穿晶断裂特征，断口以韧性断裂为主。高速补焊的显微组织如图6所示。

2.3.3 高速多次补焊结果分析

从高速多次补焊的金相图片中可以看到，初始焊缝区的晶粒在多次热输入的作用下明显长大，在熔合区金相中可以看到沿熔合线处的一条明显的细晶带，与细晶带相邻的靠近焊缝侧的是生长不充分的粗大柱状晶；在断口金相中可以看到明显的微裂纹且沿微裂纹撕裂的特征，主要为沿晶断裂，焊缝在多次补焊后机械性能有较大下降，因此应尽量减少补焊次数，以保证接头的性能满足要求。高速多次补焊的显微组织如图7所示。

图5 低速补焊接头区微观特征

图6 高速补焊接头区微观特征

3 结论

（1）低速补焊焊缝接头的机械性能低于高速补焊，高速补焊焊接接头性能接近于初始焊缝性能。焊缝在多次修补后性能有较大下降，应尽量减少补焊次数。

（2）高速焊焊缝的气孔率要大大低于低速焊，在高速焊中耦合高频能量，可有效的清除气孔，结晶均匀，提高接头质量。

图7 高速多次补焊接头区微观特征

（3）高速焊的氧化敏感性比低速焊小，焊接速度提高后可有效降低焊缝熔融金属与周围环境中氧的结合几率，从而达到控制焊缝锂化物含量的目的，提高接头的强度和延伸率。

（4）低速补焊和高速多次补焊熔合线处细晶区宽度较大，与细晶区相邻的是粗大晶粒区，在拉伸力的作用下细晶与粗晶交界处容易产生裂纹并导致接头失效，高速补焊熔合线处细晶区很窄且不连续，在拉伸力的作用下裂纹不能沿细晶区扩展，接头的强度损失较小。

[1]郭飞跃.2195铝锂合金焊接接头组织与性能[D].湖南：中南大学硕士论文，2004.

[2]王 永，胡 捷，胡国平，等.可焊铝锂合金焊接研究现状[J].有色金属，2002(1)：16-18.

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