罗传光1,2
， 李桓1
， 徐光霈1
， 吴胜1
， 文远华2
， 杨立军
1
(1. 天津大学，天津市现代连接技术重点实验室，天津，300072； 2. 四川航天长征装备制造有限公司，成都，610100)摘要： 采用喷射沉积2195铝锂合金旋态和锻态材料进行了GTAW 对接焊，检测了接头抗拉强度和维氏硬度，观察了接头金相组织及断口形貌，对接头各区域进行了EBSD 表征和微观特征量的统计分析，讨论了接头微观组织与力学性能的相关性. 结果表明，旋、锻态材料具有良好的GTAW 工艺 性，接头抗拉强度达到了各自母材的71%和68%，断后伸长率达到7.3%，拉伸断口呈现出韧性断裂特征. 接头焊缝区金属的小角度晶界比例较低，靠近旋侧的小角度晶界比例为6.4%，靠近锻侧的小角度晶界比例为7.8%；旋侧与锻侧的焊接热影响区及熔合区均趋于一种相似的微结构，母材、热影响区、熔合区及焊缝金属的平均晶粒尺寸依次处于10，10 ~ 15，15 ~ 23，20 ~ 25 μm 的水平，具有较好的组织“连续性”，母材晶粒细小、成分均匀的特点在焊接过程中得到了保持，一定程度上展现了喷射沉积铝锂合金材料的应用优势. 创新点： 首次采用喷射沉积2195 铝锂合金开展了不同成形状态材料的GTAW 焊，发现焊接接头旋侧与锻侧的焊接热影响区及熔合区均趋于一种相似的微结构，材料初始晶粒细小、成分均匀等特点在后续焊接过程中得到了有效保持.
关键词： 喷射沉积；2195铝锂合金；GTAW 焊；微观组织；力学性能
中图分类号：TG 444+
.2 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .20200818001
0 序言
铝锂合金在航天领域主要用于运载火箭推进剂贮箱等部件的焊接制造，采用铝锂合金制造运载器贮箱，
可有效降低结构质量，提升运载能力，获得显著的经济效益
[1-4]
. 目前国外航天型号贮箱结构
材料已由最初的铝镁合金、铝铜合金发展到了铝锂合金，其中Weldalite 系列的2195铝锂合金应用最为广泛，正逐步取代2A14和2219，用于运载火箭低温贮箱等大型结构
[5-6]
. 而国内在铝锂合金贮箱
结构材料的应用研究方面则相对落后，现阶段仍以2A14和2219材料为主，尚无2195铝锂合金结构件正式应用于产品制造的案例[7]
.
由于铝锂合金制备常用的熔炼铸造工艺存在缺陷多、成分偏析严重、无法添加更高合金含量等技术瓶颈，使得喷射沉积技术逐渐发展成为铝锂合金材料制备的新途径
[8-9]
. 喷射沉积技术是将金属
雾化熔滴直接成形为具有快速凝固组织特征的材料，所成形的合金材料具有晶粒细小、组织均匀、合金化元素分布均匀、元素过饱和度高且无宏观偏析等显著特点
[10-11]
，尤其适用于含Li 以及其它合金元
素的高端铝合金制造. 近年来，喷射沉积铝锂合金的研发受到了广泛关注，国内有关单位利用喷射沉积技术已成功制备出2195铝锂合金坯料，并实现了坯料的轧制、挤压、锻造、热处理等工艺的配套.但从总体上看，目前对喷射沉积2195铝锂合金的焊接研究还处于起步阶段，研究内容主要集中于轧板焊接试验等较为基础的阶段. 于福胜
[12]
研究了
喷射沉积2195-F 态铝锂合金的焊接性问题，结果表明，喷射沉积2195-F 态铝锂合金轧板的焊接性较好，其焊接接头会发生强化，VPTIG 焊和FSW 接头拉伸试样均断裂在母材侧. Zhang 等人
[13]
研究了
填充焊丝对2195-T6铝锂合金GTAW 焊接头组织和力学性能的影响，分别采用铝-铜系和铝-硅-铜系填充焊丝进行了喷射沉积2195铝锂合金轧板的焊接，并讨论了焊丝成分及质量对焊接接头微观组织、力学性能和断裂模式等所造成的影响. 上述研究获得了对喷射沉积2195铝锂合金材料及其焊接
收稿日期：2020 − 08 − 18
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51675375)
第 42 卷 第 1 期2021 年 1 月
焊 接 学 报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol .42(1):08 − 15January 2021
性能的基本认识，为该类材料的焊接应用研究进行了有益探索.
2195铝锂合金的主要用途在于结构件制造，在其工程化应用研究过程中，仅仅开展轧板的焊接试验是不够的. 铝锂合金的工程化制造涉及的成形加工方法很多，其大型结构产品的零件常采用旋压、锻造等工艺加工成形，然后将不同成形状态的零件组装焊接在一起，从而构成航空航天类结构级产品. 因此非常有必要研究不同成形状态2195铝锂合金材料的焊接性及接头的组织性能，从而为结构级产品的焊接制造奠定基础.
采用喷射沉积2195铝锂合金旋压件、锻制件制备了焊接试板，采用GTAW工艺进行了“旋压板+锻制板”异种成形状态材料的对接焊，检测了焊接接头的力学性能和维氏硬度，采用电子背散射衍射技术(electron backscattered diffraction, EBSD)对母材及焊接接头进行了微观表征和特征量的统计分析，讨论了喷射沉积2195铝锂合金在经过旋压、锻制不同成形经历后，材料及其焊接接头的微观组织特征与变化情况，从而认识不同成形状态材料GTAW焊接头的组织与性能特点，为喷射沉积2195铝锂合金结构级产品的焊接制造奠定技术基础.
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
使用的材料为喷射沉积2195铝锂合金(记为：SD2195)，由江苏豪然喷射成形合金有限公司提供.试验使用的焊接试板分别取自SD2195材料经旋压和锻制成形后的零件. 其中锻态试板取自SD2195铝锂合金的T6态锻锭，采用机械铣切加工方式制成尺寸为300 mm × 150 mm × 6 mm的焊接试板；旋态试板取自SD2195铝锂合金旋压封头零件，材料旋压前的厚度为13 mm，旋压后的厚度为7 mm，旋压变薄率约为46%. 所取下的试板经修整校平后，再铣切加工成尺寸为300 mm × 150 mm × 6 mm 的焊接试板. 填充焊丝采用自主研发的Al-Cu-Zr-Ti系焊丝. 表1为SD2195铝锂合金的主要化学成分，表2为填充焊丝的主要化学成分，表3为SD2195铝锂合金旋、锻态材料的力学性能，表4为SD2195铝锂合金旋、锻态材料微观组织特征的统计结果及与轧板的对比情况. 从表3和表4中的数据可见：SD2195铝锂合金不同的成形经历会直接影响其微观组织和力学性能. 在微观组织方面，锻态和旋态材料的晶粒与轧制态相比都趋于细小并更加均匀.材料经旋压后变形晶粒的比例很高，达到了92.6%，且变形晶粒细小而均匀，平均晶粒尺寸仅为8.9 μm，标准差为2.1 μm，均明显小于轧态板材；锻态材料的平均晶粒尺寸为10.3 μm，标准差为3.9 μm，同样小于轧态板材，说明SD2195铝锂合金旋、锻态材料的致密性较好. 在力学性能方面，锻态材料的抗拉强度为495 MPa，屈服强度为422 MPa，断后伸长率为9.5%；旋态材料的抗拉强度为475 MPa，屈服强度为420 MPa，断后伸长率为6.5%.
表 1 SD2195铝锂合金主要化学成分(质量分数，%)
Table 1 Main chemical compositions of the SD2195 Al-Li alloy
Cu Mn Mg Ag Si Fe Zr Li Al
3.800.000 60.450.300.0660.0350.120.86余量
表 2 焊丝的主要化学成分(质量分数，%)
Table 2 Main chemical compositions of welding wire
Cu Si Ti Zr Fe Mn Ag Al
6.440.280.350.260.0800.001 10.35余量
表 3 SD2195铝锂合金旋、锻态母材力学性能Table 3 Mechanical properties of SD2195 Al-Li alloy in spinning and forged states
材料状态抗拉强度R m/MPa屈服强度R eL/MPa断后伸长率A(%)锻制板-T64954229.5
旋压板-T64904376.51.2 试验方法
如图1所示，焊接试验采用单面两层GTAW 焊工艺，焊接坡口采用95° V形坡口，留1 ~ 1.5 mm 钝边，焊接装配间隙约为1.5 mm. 焊接前严格清理试板表面，采用整体酸洗、机械打磨待焊接位置和酒精清
洗等方式进行，尽可能避免焊接气孔及氧化
第 1 期罗传光，等：不同成形状态2195铝锂合金GTAW焊接头的组织与性能9
物夹杂等缺陷. 焊接设备为林肯Precision TIG 375焊机，焊接过程中采用双面氩气保护的方式，在板的背面和焊处均提供氩气保护，尽可能防止焊接氧化. 试验中为使焊缝成形良好，在打底焊接时选用大电流和小电压以提供较大的电弧力从而使试板熔透，在盖面焊接时选用小电流和大电压以使电弧能够铺展从而保证覆盖住打底焊缝并成形良好，打底层焊接电流为210 ~ 230 A，焊接电压为16.5 ~ 17.5 V，焊接速度为130 ~ 140 mm/min；盖面层焊接电流为180 ~ 200 A，焊接电压为17.5 ~ 18.5 V，焊接速度为120 ~ 130 mm/min. 试样焊接完成后，按照GB/T 16865—2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》加工拉伸试样(共3件试样，试样标距为50 mm)，并进行了接头的拉伸性能试验. 按照GB/T 4340《金属材料维氏硬度试验》进行了接头维氏硬度检测，使用金相显微镜观察了接头各区域的金相组织，使用扫描电镜观察了拉伸试样断口形貌. 采用EBSD技术表征了接头微观组织，并进行了主要特征量的统计计算. 在此基础上，分析讨论了SD2195铝锂合金旋、锻态材料及其焊接接头的微观组织结构特征与变化情况，从而认识SD2195铝锂合金异种成形状态材料GTAW 焊接头的组织与性能.
2 试验结果与分析
2.1 微观组织特征
图2为旋-锻态接头的金相组织，其中图2a，2b，2c和图2d，2e，2f分别为锻侧和旋侧接头的焊缝区(WZ)、熔合区(FZ)和焊接热影响区(HAZ).从图中可见，锻侧与旋侧的焊接热影响区基本保持了母材的“带状”组织特征，并出现了晶粒轻微长大的现象. 自焊接热影响区至熔合区逐渐产生了再结晶，且过渡区域结合良好，焊缝区总体上呈现出细小的等轴晶特征.
图3为旋-锻态接头焊缝区的再结晶分布图及晶粒与晶界分布图. 再结晶分布图中，红表示变形晶粒组织，黄表示亚结构晶粒组织，蓝表示再结晶晶粒组织. 在变形晶粒组织中，合金晶内和晶界均有很高的位错密度. 亚结构晶粒内部有较低的位错密度，晶界有较高的位错密度. 再结晶晶粒由于发生再结晶导致晶粒内部和晶界位错密度很低. 由图可见，旋-锻态接头焊缝区打底层金属在较高的热力学环境下，合金再结晶驱动力增大，再结晶晶粒尺寸增大. 同时，由于也导致了打底层金属位错密度降低，晶粒主要以亚结构晶粒组织和再结晶晶粒组织形式存在，而盖面金属主要以再结晶晶粒存在.
根据晶体结构中相邻晶粒的晶界位向差(角度)，可以将晶界分为小角度晶界和大角度晶界两种类型. 在图3晶界分布图中，红表示小角度晶界(取向差角不大于15°)，黑表示大角度晶界(取向差角大于15°). 盖面区域有相对较高比例的小角度晶界，而打底区域有比例略高的大角度晶界. 由于焊缝区金属为“欠固溶”的铸态组织，焊缝金属中存在着大量的黑线条表示的大角度晶界，其小角度
表 4 SD2195铝锂合金不同成形状态母材微结构特征量的统计对比
Table 4 Statistics and comparison of microstructure features of SD2195 Al-Li alloy in different forming states 材料状态再结晶晶粒比例δ1(%)亚结构晶粒比例δ2(%)变形晶粒比例δ3(%)小角度晶界比例δ4(%)平均晶粒尺寸(标准差)d/μm 锻制板-T616.57.176.430.110.3(3.9)
旋压板-T67.10.392.633.68.9(2.1)
轧板- T6(对比)6.113.280.725.412.5(8.9)
Ar Ar
填充焊丝剖面状态
旋态锻态
盖面层
打底层
图 1 焊接系统及接头示意图
Fig. 1 Schematic of the experimental system and weld joint
10焊 接 学 报第 42 卷
晶界比例不高，如靠近旋侧的焊缝金属小角度晶界比例仅为6.4%，靠近锻侧的焊缝金属小角度晶界比例仅为7.8%. 晶界取向角的物理属性以及对材料性能分析的意义可通过对位错能量与位错密度
200 μm200 μm200 μm
200 μm200 μm200 μm
(a) 锻侧 WZ(b) 锻侧 FZ(c) 锻侧 HAZ
(d) 旋侧 WZ(e) 旋侧 FZ(f) 旋侧 HAZ
图 2 旋-锻态接头的微观组织
Fig. 2 Microstructure of spun-forged joint. (a) WZ of forged side; (b) FZ of forged side; (c) HAZ of forged side; (d) WZ of spinning side; (e) FZ of spinning side; (f) HAZ of spinning side
200 μm (a) 打底层再结晶分布
200 μm (b) 打底层晶粒与晶界分布
200 μm (c) 盖面层再结晶分布
200 μm (d) 盖面层晶粒与晶界分布
图 3 旋-锻态接头的再结晶分布图及晶界分布图
Fig. 3 Recrystallization and grain boundary distribution of spun-forged joint. (a) recrystallization of the bottom layer;
(b) grain boundary distribution of the bottom layer; (c) recrystallization of the top layer; (d) grain boundary
distribution of the top layer
第 1 期罗传光，等：不同成形状态2195铝锂合金GTAW焊接头的组织与性能11
的分析来说明. 相关研究表明[14-16]，在变形过程中，小角度晶界通常表现出较好的塑性应变兼容性，能够对裂纹产生阻碍作用，裂纹通常在大角度晶界上萌生和扩展. 小角度晶界的界面能比大角度
晶界低，在受外力加载的过程中，根据能量最低原理可知，大角度晶界是相对的薄弱区域，易成为缺陷优先产生的位置. 因此与各自母材相比，焊缝的小角度晶界比例均偏低，这就从冶金组织的角度能够解释焊缝区在接头力学性能上处于“弱势”的原因. 2.2 微观组织特征
表5为旋-锻态接头旋侧和锻侧的微观组织特征统计结果. 如1.1节所述，旋态和锻态母材都有变形晶粒比例略高的特点，经焊接的两次热循环过程后，旋态和锻态的焊接热影响区均出现与母材不同的微观组织晶粒特点. 焊接后变形晶粒被无畸变的等轴晶粒逐渐替代，再结晶组织晶粒比例增加.从表5与表4中的数据对比可见，旋态母材焊缝侧的再结晶晶粒比例由7.1%增加至23.9%，锻态母材焊缝侧的再结晶晶粒比例由16.5%增加至18.9%. 旋态母材变形晶粒的转变量高于锻态，应与其晶粒内形变驱动能较大有关. 图4为锻态与旋态母材、焊接熔合区、焊缝区的KAM图. KAM图可反映位错密度的分布[17]，按“蓝-绿-黄-橙-红”表示由小到大. 由图可见，旋态母材的位错密度明显高于锻态母材，说明旋压材料内部存在着更大的应力储能. 由于旋态母材是经冷塑性加工成形（旋压
表 5 旋-锻态接头微结构特征量统计
Table 5 Statistics of microstructural characteristics of spun-forged joint
材料状态/表征位置再结晶晶粒比例δ1(%)亚结构晶粒比例δ2(%)变形晶粒比例δ3(%)小角度晶界比例δ4(%)平均晶粒尺寸(标准差)d/μm 旋侧-母材(HAZ)23.95.260.922.311.8(6.8) WM(均值)51.342.36.56.4
22.5(9.9)
FZ(均值)41.610.947.524.516.2(8.2)
锻侧-母材(HAZ)18.99.471.727.515.4(9.4) WM(均值)29.959.910.37.824.9(9.9)
FZ(均值)35.337.227.629.122.6(10.7)
200 μm200 μm200 μm
200 μm200 μm200 μm
(a) 锻侧 BM(b) 锻侧 FZ(c) 锻侧 WZ
(d) 旋侧 BM(e) 旋侧 FZ(f) 旋侧 WZ
图 4 旋、锻态母材及接头局域的KAM图
Fig. 4 KAM map of base metal and joint in forged and spinning state. (a) BM of forged side; (b) FZ of forged side;
(c) WZ of forged side; (d) BM of spinning side; (e) FZ of spinning side; (f) WZ of spinning side
12焊 接 学 报第 42 卷
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