倪 彪,孟 威,李铸国
(上海交通大学 上海市激光制造与材料改性重点试验室,上海 ２００２４０)
摘要：采用高功率 CO２ 激光焊机焊接３．７mm 厚的２１９５ＧT８铝锂合金,研究了不同焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响,并对优化焊接工艺条件下焊态和固溶时效态焊接接头的显微组织及力学性能进行了比较.结果表明:焊态接头焊缝区的硬度为８１．８１HV,比母材的下降了３２．３％,接头的抗拉强度为２９６ MPa,比母材的下降了４９％;经固溶时效处理后,焊缝的组织更加均匀,晶界及晶内析出了许多弥散且均匀分布的 T１(Al２CuLi)强化相,焊缝硬度和接头的抗拉强度比热处理前的分别提高了２５．６％和１３．７％.
关键词:激光焊接;铝锂合金;固溶时效;组织与性能
中图分类号:TG４５６．７ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０５Ｇ００９５Ｇ０５
０ 引 言
随着航空航天技术的不断发展,飞行器的减重正日益成为飞行器设计专家考虑的重要问题.与传统的飞行器结构用材料———２XXX系及７XXX系高强铝合金相比,新型铝锂合金不仅具有良好的塑性、耐低温性能和焊接性等特点外,而且其密度更低,弹性模量更高.研究表明:每添加１％(质量分数)的锂于铝合金中,就能使合金的密度降低３％,弹性模量提高６％;如果用铝锂合金替代常规的高强度铝合金,则能使构件的质量减�。保埃２０％,刚度提高１０％~２０％[１].此外,从生产和维护成本等方面考虑,铝锂合金亦优于碳纤维复合材料[２].因此,铝锂合金已成为航空航天工业理想的结构材料之一.激光焊接作为一种高能束焊接技术,具有能量密度高、焊接热输入小、焊接速度快、自动化程度高、焊接结构变形小、可达性和柔性强等特点,在高强铝锂合金的连接中有着十分广阔的应用前景.然而,由于铝锂合金存在热膨胀系数大、热导率高、室温下对激光反射高、脆性温度区间宽等特性,当采用激光焊接铝锂合金过程中会出现焊接稳定性差、焊缝气孔和焊接热裂纹等问题[３Ｇ４].
目前,国内外对２１９５铝锂合金的化学成分、组织、性能、热处理工艺[５Ｇ６]、焊接方法、接头的组织性能等方面都进行了大量的研究[７Ｇ１０],但焊接方法多为 TIG 焊(钨极氩弧焊),关于激光焊接的报道还极为有限.鉴于此,作者采用 CO２ 激光焊机对２１９５铝锂合金进行了激光焊接,研究了焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响以及焊态和固溶时效态激光焊接接头的组织和力学性能.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试验母材为２１９５ＧT８ 铝锂合金板材,其主要化学成分 为 １．２６％LiＧ３．８５％CuＧ０．４４％ Mg(质 量 分数),板厚为３．７ mm,其抗拉强度和伸长率分别为５８９MPa和９．２２ ％.在焊接试验前,对试样表面进行清理,即用丙酮擦拭去除表面的油污,用不锈钢刷去除表面的氧化膜.焊接设备采用 CO２ 激光焊机,最大输出功率为１５kW,输出光束波长为１０．６μm,保护气装置与工作台面成３０°角,保护气体为高纯氦气,侧吹流量为３０L??min－１,背面保护气流量为１５L??min－１,接头形式为平板对接,对接焊的激光功率P 为６~１０kW,焊接速度v 为１．６~４．６m??min－１.
１．２ 试验方法
焊后截取焊缝横截面金相试样,用 Keller试剂(HF、HCl、HNO３、H２O 的体积比为２∶３∶５∶１９０)腐蚀后,在JSM７６００F型扫描电镜(SEM)下观察焊缝的显微组织,用电镜附带的能谱仪(EDS)分析焊缝析出相的成分.采用 Buehler１６００Ｇ６４０６型硬度仪对接头的硬度进行测试,加载载荷为２N,保载时间为１５s;在ZwickZ１００/SN５A 型万能拉伸材料试验机进行拉伸试验,拉伸速度为１mm??min－１,拉伸试样的厚度为２mm,宽度为４mm.用 UltimaIV 型X射线衍射仪(XRD)分析析出相的物相,采用扫描电镜观察拉伸断口的形貌.
为进一步提升焊接接头的强度,对焊接接头进行固溶时效处理,其工艺为:５０５ ℃固溶４５min,水淬,１６０ ℃人工时效１２h.
２ 试验结果与讨论
２．１ 焊缝成形质量
由表１可见:在三种工艺参数下试样均刚刚焊 透,焊缝背部没有明显的下塌.从焊缝的正面和背 面形貌来看,随着激光功率和焊接速度增加(热输入 基本不变),焊缝的波纹开始变得粗大且不均匀,焊 缝成形质量变差,试样３的焊缝中出现了裂纹.从 焊缝横截面的宏观形貌来看,试样２和试样３的焊 缝中出现了气孔.
２．２ 逆变奥氏体含量和硬度
２．２．１ 时效温度的影响
由图２可以看出:时效温度为５１０~５５０ ℃时,试验钢中逆变奥氏体的含量变化不大;时效温度为５５０~６２０ ℃时,逆变奥氏体含量随时效温度的升高迅速增加,并在时效温度为６２０℃时达到最大,约为３５％(体积分数,下同);当时效温度超过６２０ ℃后,逆变奥氏体含量迅速降低,在时效温度为７００ ℃时
在高激 光 功 率 下,焊 接 区 域 在 熔 池 结 晶 凝 固过程中受 到 的 内 应 力 较 大[３],所 以 焊 接 热 裂 纹 数量呈现增加 的 趋 势,同 时 激 光 和 材 料 的 相 互 作 用加强,熔 池 和 匙 孔 的 波 动 性 增 加,导 致 气 孔 率 增大.在高焊 接 速 度 下,焊 缝 处 易 形 成 方 向 性 很 强的束状晶组织,且焊缝的应变速率增大[４],促使热裂纹数量的增加;同时熔池凝固冷却速率加快,熔池中气体的 有 效 逸 出 时 间 缩 短,所 以 导 致 气 孔 率增大.因此采用较低的激光功率和焊接速度更容易得到成形良好的焊缝.在试验中,为了获得高质量的焊接接头,并进一步降低热裂纹的敏感性,在基于激光焊接工艺参数
正交试验设计的基础上,采用焊前预热,并使用导热更慢的不锈钢板夹具来进行焊接.在P＝６kW,v＝２．２m??min－１的工艺参数条件下焊接能获得成形良好的焊接接头,在该焊接接头焊缝的 X射线探伤底片上未发现气孔、裂纹等缺陷,如图１所示,这说明焊缝内部质量良好.所以以下试验的焊接接头均是在P＝６kW,v＝２．２m??min－１的工艺参数下制备的.
２．２ 焊接接头的组织与力学性能
由图２(a)可见,试验合金母材为轧制态,晶粒沿轧制方向呈条状分布,并弥散分布着许多尺寸较小的球状和条状第二相.由图２(b)可见,焊缝热影响区的第二相发生部分溶解,尺寸变小,熔合线区(FL)的组织为细小的等轴晶粒,细晶区的晶粒尺寸
为３~５μm,靠近细晶区处有方向性较为一致的柱状晶.由图２(c)可见,焊缝中心组织主要为等轴晶和粗大的树枝晶,焊缝中的析出相很少,晶界处有大量α(Al)＋θ′(Al２Cu)共晶相的存在.由图 ３ 可 知,母 材 中 的 主 要 强 化 相 为 T１ 相(Al２CuLi),焊缝中的析出相为 TB 相(Al７．５Cu４Li).
由图４可见:焊接接头的硬度以焊缝中心线为对称轴分布,合金母材的硬度最高,其次为热影响区的,焊缝的硬度最低.母材、热影响区和焊缝的平均硬度分别为１２０．８,１０５．４,８１．８１HV.与母材相比,焊缝的硬度下降了３２．３ ％,说明焊缝区发生了较严重的软化现象.这主要是因为激光焊接的冷却速率过大,导致焊缝中的强化相来不及析出,强化相含量很少,如图２(c)所示.另外,热影响区受热后组织发生固溶现象,导致部分强化相 T１(Al２CuLi)固溶到α(Al)基体中,形成过饱和固溶体,强化相含量下降,如图２(b)所示.
拉伸试 验 结 果 表 明,焊 接 接 头 的 抗 拉 强 度 为２９６MPa(与母材相比下降了４９％),伸长率为０．９３％.该激光焊接接头的抗拉强度与２mm 厚２１９５铝锂合金板材 TIG焊接接头的抗拉强度(３１０MPa)相近[７].
焊接接头的拉伸断口位于焊缝区.由图 ５ 可见,焊接接头的拉伸断口表现为沿晶断裂,在断口处有明显的撕裂棱存在,这说明断裂前的塑性变形量较小.拉伸时,在外应力作用下,晶界共晶组织周围产生位错塞积并导致应力集中,当应力超过晶界共晶组织的极限强度时,晶界共晶组织处会产生微孔,微孔逐渐演变成微裂纹,之后随着拉伸应力的增大,微裂纹沿着晶界共晶组织扩展,使焊接接头呈现出沿晶脆性断裂的特征.
２．３ 固溶时效处理后焊接接头的组织与力学性能
由图６(a)可见,固溶时效处理后,母材组织分布更加均匀,且沿轧制方向拉长的晶粒更为明显,第二相出现聚集长大的现象.由图６(b)可见,熔合线附近的晶粒已长大,晶粒内部有大量的强化相析出.
由图６(c)可见,焊缝组织由等轴树枝晶变成等轴晶,枝晶组织基本消除,析 出 了 更 多 细 小 的 弥 散 强化相,组 织 更 加 均 匀. 对 焊 缝 中 的 析 出 相 进 行EDS分析可知,析出相中的主要成分为铝、铜和少量银,如图６(d)所示.微量银作为合金元素,不参与形成化合物,其在{１１１}T 面上的层错中偏聚,同时 AgＧMg团簇 对 锂 和 铜 原 子 扩 散 起 到 了 促 进 作用,这 些 都 为 T１ 相 形 核 提 供 了 结 构 和 成 分 条件[１１].由图７可见,固溶时效后的合金焊缝中的析出相为 T１(Al２CuLi)相.
由表２可见:固溶时效态焊接接头焊缝区的硬度达到了１０３．００HV,比焊态焊接接头焊缝区的提高了２５．６％;固 溶 时 效 态 焊 接 接 头 的 抗 拉 强 度 为３４３．８６MPa,比焊态焊接接头的提高了１３．７％;固溶时效态焊接接头的伸长率下降严重,仅为０．０４２％,为焊态焊接接 头 的 ４．５％.这 是 因 为 经 过 固 溶 时效处 理 后,接 头 焊 缝 中 析 出 大 量 细 小 的 强 化 相T１(Al２CuLi),根据 T１ 相的形核理论[１２],其形核会优先在晶界处形核以减少形核所需的界面能,同时。
晶界处富集铜元素的θ′(Al２Cu)相溶解,向 T１ 相转变,大量析出的强化相 T１ 能有效阻碍位错运动,从而形成弥散强化.接头伸长率的下降与热处理过程中接头焊缝晶粒的长大、晶界析出相等导致位错在晶界处塞积有关.
３ 结 论
(１)在试验条件下,２１９５ＧT８ 铝锂合金激光焊接接头获得熔透且背部无明显下塌焊缝的热输入Q约为１６０J??mm－１,在P＝６kW,v＝２．２m??min－１时试验合金可以获得成形良好,内部无气孔、裂纹等缺陷的焊接接头.
(２)焊态下焊缝熔合线区的组织为细小的等轴晶,焊缝中心为等轴晶和粗大的树枝晶;焊缝区的组织软化严重,为整个焊接接头的薄弱区;与母材相比,焊缝的硬度下降了３２．３％,焊接接头的抗拉强度下降了约４９％,断裂形貌为沿晶脆性断裂.
(３)经过固溶时效处理后,合金焊缝的组织更加均匀,晶粒长大,同时晶界及晶内析出许多弥散且较均匀分布的 T１(Al２CuLi)相,焊缝的硬度明显升高,比固溶时效处理前的提高了２５．６％,抗拉强度则提高了１３．７％.
（文章来源：材料与测试网-机械工程材料>2017年>5期> pp.95）