焊接方法对C24S铝锂合金组织和性能的影响

2018-03-19余爱武宿国友张春峰

电焊机 2018年1期

余爱武，宿国友，石磊，张春峰

（1.上海航天设备制造总厂，上海200245；2.上海航天电能装备有限公司，上海200245）

0 前言

铝锂合金作为一种新型铝合金材料，因低密度、高强度、高模量及优异的抗腐蚀等优点广泛应用于航空航天等重点领域[1-2]。FSW焊是一种固态焊接技术，能有效避免传统熔焊方法引起的焊缝气孔、裂纹和接头强度系数降低等缺陷和性能不足，尤其适用于铝锂合金这类活泼的有色金属的焊接[3-4]。目前，有关铝锂合金尤其是C24S铝锂合金TIG焊和FSW焊的对比性研究报道很少，关于二者对铝锂合金组织和性能的影响并未得到系统性的认识。故本研究以C24S铝锂合金薄板为试验材料，对比分析TIG焊和FSW焊对其接头组织和力学性能的影响，以期为铝锂合金在航天器关键结构件的工程应用提供数据基础和技术支持。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验母材为C24S-T8铝锂合金板材，试件尺寸200 mm×150 mm×2 mm，其化学成分和力学性能如表1所示。TIG焊设备为lincoln TIG-355交直流氩弧焊机，单面焊双面成型，焊接工艺参数如表2所示。FSW焊设备为自制的龙门式数控搅拌摩擦焊机，相关参数如表3所示。焊前先用不锈钢钢丝刷清理试板对接面两侧氧化膜，再用丙酮清洗对接面两侧的油污。组织观察和力学实验所用设备有4XB-TV型显微镜、NovaNano-450型扫描电镜（SEM）、W9W-50型微机控制电子万能试验机、401MVD型数字显微硬度计。

表1 母材化学成分及力学性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of C24S-T8 Al-Li alloy

表2 TIG焊接工艺参数Table 2 Parameters of TIG welding process

表3FSW焊接工艺参数Table 3 Parameters of FSW welding process

图1 拉伸试样的尺寸Fig.1 Dimension of tensile sample

2 实验结果和分析

2.1 焊缝接头组织

TIG焊和FSW焊接头不同区域的微观组织如图2所示。可以看出，TIG焊焊缝中出现大量的气孔缺陷，焊缝组织由粗大的胞状晶组成，且热影响区组织粗化严重。FSW焊所得焊缝成形良好、无缺陷，焊核区（WAN）由细小的等轴晶粒组成，晶粒内部和晶界处存在大量第二相粒子，热机影响区（TMAZ）发生明显的弯曲变形，且热影响区（HAZ）组织略有粗化。

2.2 焊接接头的力学性能和拉伸断裂位置

TIG焊和FSW焊接头的拉伸性能、接头不同区域的显微硬度分布及接头的断裂位置分别如表3、图3和图4所示。TIG焊接头的抗拉强度为228.9MPa，仅为母材强度的47.9%，接头显微硬度的平均值为92 HV，拉伸断裂处在接头熔合线附近。FSW焊接头的抗拉强度为394.8 MPa，高达母材强度的82.6%，接头的显微硬度的平均值高达115 HV，且拉伸断裂位置为接头焊缝中心区域。

表4 焊接接头的拉伸性能Table 4 Tensile strength of welded joint with TIG welding and FSW welding

TIG焊焊缝金属在高温电弧作用下经历了短时间熔化和凝固的过程，虽然凝固的速度很快，但焊缝区瞬间形成的晶核在长大过程中由于较大的温度梯度和成分过冷的环境存在，会逐渐由等轴的平面晶向胞状晶转变。同时，冶金余热和高温热循环的作用使焊缝凝固后的胞状晶组织尤其是热影响区组织发生明显长大，从而导致TIG焊后的接头组织十分粗大。TIG焊接头存在大量气孔，其主要来源是铝锂合金TIG焊过程中复杂的高温冶金反应产生的气体和直接来自周围空气中的气体。因此，接头粗大的组织和焊接气孔缺陷显著降低了TIG焊接头的室温抗拉强度。

图2 TIG焊和FSW焊所得焊缝的微观组织Fig.2 Microstructure of welded joint with TIG welding and FSW welding

图3 TIG焊和FSW焊接头横截面显微硬度分布Fig.3 Distribution of microhardness along transverse section of welded joint with TIG welding and FSW welding

图4 TIG焊和FSW焊所得接头的拉伸断裂位置Fig.4 Tensile fracture location of welded joint with TIG welding and FSW welding

C24S铝锂合金为固溶强化铝合金，其强化相包括 T1 相（Al2CuLi）、S'相（Al2CuMg）和 θ'相（Al2Cu），起主要强化作用的是T1相（Al2CuLi），所以焊后接头中Li元素的存在形式直接影响接头力学性能[5-6]。Li元素的沸点为1 317℃，TIG焊的电弧温度通常在3 000℃以上，结合扫面电镜观察发现（见图5a），焊后只在晶界处保留大量粗大的 θ'相（Al2Cu），而焊缝区含Li化合物已大量溶解，并引起Li元素的挥发，大大减少了焊缝中强化相T1（Al2CuLi）的数量，导致焊缝区的显微硬度最低。在焊缝中心到热影响区部分，受电弧热的影响相对较小，含Li化合物的溶解和Li元素的蒸发量较少，组织中仍保留一定数量的T1（Al2CuLi）强化相粒子，同时该区域为等轴晶组织，故这部分的显微硬度会随着距焊缝中心距离的增加而呈上升趋势。当硬度到达热影响区时又出现突变，且低于焊缝中心的硬度，远离热影响区后，硬度又逐渐增大到母材硬度，这主要是因为热影响区在焊接热循环作用下纤维状组织和第二相粒子发生了显著粗化而引起组织软化，从而造成热影响区硬度的突降。远离热影响区的材料受到焊接热循环的作用逐渐消失，故又恢复到母材硬度。

FSW焊焊核区在扫描电镜下的组织形貌如图5b所示。可以看出，FSW焊焊核区的组织为均匀细密的等轴晶，晶界处存在大量共晶组织θ'（Al2Cu），晶界和晶内弥散分布着细小的T1相（Al2CuLi）、S'相（Al2CuMg）粒子[7-8]，且组织中未出现气孔等缺陷。分析认为，FSW焊过程中焊核区组织受到搅拌针强烈的搅拌和高温热循环作用而发生了动态再结晶，由母材原始的纤维状组织完全转变为均匀细密的等轴晶组织。同时FSW焊接温度低于母材的熔点，尽管焊核区受到的热循环温度最高，但材料并未熔化，焊核区的Li元素未发生挥发，只是第二相粒子的尺寸有所粗化。因此焊核区显微硬度较母材有所降低，但明显高于TIG焊下的焊缝硬度。

热机影响区虽然在焊接过程中也受到搅拌针的机械搅拌和焊接热循环的双重作用，但此处距离搅拌针较远，受到的搅拌针搅拌作用远小于焊核区组织，因此组织未发生转变，只是沿着搅拌针方向发生了一定程度的弯曲变形，且显微硬度与焊核区相比略有降低，但变化并不明显。而热影响区组织在焊接过程中仅仅受到热循环作用，未发生变形，且此处距离搅拌针更远，经受的焊接热作用最小，相对于热机影响区组织，该区组织和第二相粒子粗化程度更小。因此热影响区的硬度明显高于焊核区和热机影响区。

FSW焊焊缝接头的抗拉强度显著高于TIG焊接头，且高达母材强度的82.6%。这是因为FSW焊焊接过程中母材不熔化，相比熔焊接头气孔、裂缝等缺陷的发生率明显减少。另外，由于焊接温度低，在搅拌针的搅拌作用下可以获得晶粒细密的接头组织，且保留大量的第二相含Li化合物，故接头的抗拉强度显著高于TIG焊接头。