2195-2219异种铝合金焊接接头的微观组织和性能

高强铝合金是航空航天工业中应用最多的结构材料，以2219(Al-Cu-Mn系)为代表的铝合金具有优异的力学性能、抗应力腐蚀能力及低温韧性[1~3] 随着航空航天事业的发展，使航天器减重是一项重要课题[4,5] 锂(Li)是最轻的金属元素，加入1%的Li可使铝合金的密度降低3%，刚度提高6% 用铝锂合金替代传统的铝铜合金，可使结构减重10%~15%，刚度提高15%~20%[6,7] 较晚问世的第三代铝锂合金2195(Al-Cu-Li)，具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能良好及较好的塑性变形能力等优点，可用于航空航天领域[8,9] 但是2195铝合金的成本高、加工难度大和成品率低，将其与2219铝合金联合使用可实现航天器的减重并节约成本[9,10]

目前对铝锂合金焊接工艺和性能的研究，主要集中在搅拌摩擦焊工艺对其组织和性能的影响[9,11~13] 张华等[14]研究了不同搅拌摩擦焊工艺对2195铝锂合金的可焊性的影响 研究表明，随着旋转频率和焊接速度的提高焊接接头的抗拉强度先增后减 陈永来等[10]研究了搅拌摩擦焊中搅拌头前进速度与旋转速度对接头孔洞缺陷的影响 结果表明，当圆柱形搅拌头旋转速度与前进速度比值不当时，在接头前进侧下部容易产生贯穿整个接头的隧道型缺陷 Chu等[15]研究发现，较长的停留时间对于热传导、材料流动和搅拌区膨胀至关重要，有利于形成良好的焊缝 而钨极氩弧焊(TIG)和变极性等离子弧焊(VPPA)作为工程中较为常见的两种焊接方法，具有经济性、灵活性及易操作性等特点 目前，关于这两种焊接方法对铝锂合金焊接组织及性能影响的研究较少[16] 此外，采用TIG和VPPA方法焊接铝锂合金时容易出现接头强度系数低、气孔等问题[17,18] 鉴于此，本文对2195-2219铝锂合金分别进行钨极氩弧焊(TIG)与变极性等离子弧焊(VPPA)，研究不同工艺的焊接接头的显微组织和力学性能

1 实验方法

实验用2219和2195铝合金板的厚度为6 mm，焊前均经过T8即固溶+冷变形+时效处理，处理后合金的抗拉强度和延伸率分别达到了456 MPa、10.5%与580 MPa、6% 选用2235铝合金焊丝做填充材料 母材和填充材料的化学成分，列于表1

Table 1

表1

表1母材和焊丝的成分

Table 1Composition of base metal and welding wire (mass fraction, %)

Element	Cu	Si	Mn	Fe	Zr	V	Ti	Mg	Li	Ag	Al
2195	3.84	-	-	0.04	0.10	-	-	0.48	0.91	0.39	Bal.
2219	6.48	0.49	0.32	0.23	0.2	0.08	0.06	-	-	-	Bal.
2325	3.6~4.2	0.06	0.5~0.7	0.06	-	-	-	1.0~1.5	-	-	Bal.

焊前用打磨机将铝合金母材的坡口及两侧25 mm的表面打磨去除氧化皮，并用酒精清理待焊区域 坡口的形状为V型，保护气氛为氩气 用三种不同焊接方法成形的2219-2195异种铝合金，分别编号1#、2#、3#，焊接方式和工艺参数列于表2

Table 2

表2

表2焊接方式和工艺参数

Table 2Welding method and process parameters

Sample No.	Welding method	Process parameters
1#	TIG welding with two layers on the front and one layer back sealing	Welding current 180~220 A, arc length 4 mm, welding speed 200 mm·min-1
2#	VPPA welding on the front with back sealing by TIG welding	Positive current 207 A, negative current 243 A, welding speed 200 mm·min-1, argon flow 25 L·min-1, back sealing weld current 180 A
3#	VPPA welding without argon protection and sealing on the back	Positive current 207 A, negative current 243 A, welding speed 200 mm·min-1

将用不同焊接方法焊后的样品用砂纸逐级打磨并抛光，用Keller试剂(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF+95 mL H2O)进行5~8 s的刻蚀处理，使用蔡司Axio Scope.A1光学显微镜观察金相组织，使用配有能谱仪的FEI QUANTA 450扫描电镜分析显微组织

用UJM4203S电子万能试验机进行拉伸试验，根据GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》标准制备拉伸样品，拉伸速率为2 mm/min，每种状态样品测试5次取其结果的平均值 使用LECO-AMH43显微硬度计测试焊接接头的硬度，相邻两点的测试间隔为0.5 mm，加载时间为10 s，载荷为9.8 N

2 结果和讨论2.1 焊接接头的金相组织

2195与2219铝合金三种不同焊接方法的金相组织，如图1~3所示 可以看出，三种不同焊接方法样品的焊缝中心及边缘区域均没有出现裂纹 从母材到焊缝中部依次分为母材、热影响区、焊缝区，不同焊接方法各区域的宽度有所不同 于采用TIG工艺的1#样品相比，采用VPPA工艺的2#、3#样品中心焊缝区域的宽度较小，与在VPPA焊接过程中较高的能量集中和焊接速度以及较小的热输入有关[19]



图11#样品不同区域的金相照片

Fig.1Metallographic of 1# sample at different locations (a) overall morphology of the welded joint; (b) 2195 base metal; (c) connection between 2195 side and weld zone; (d) weld center zone; (e) connection between 2219 side and weld zone; (f) connection zone between reverse side and weld



图22#样品不同区域位置的金相照片

Fig.2Metallographic of 2# sample at different locations(a) overall morphology of the welded joint; (b) 2195 base metal; (c) connection between 2195 side and weld zone; (d) weld center zone; (e) connection between 2219 side and weld zone; (f) connection zone between reverse side and weld



图33#样品不同区域位置的金相照片

Fig.3Metallographic of 3# sample at different locations (a) overall morphology of the welded joint; (b) connection between 2195 side and weld zone; (c) weld center zone; (d) connection between 2219 side and weld zone; (e) 2219 base metal

图1b~f给出了TIG焊接接头各区域组织放大图 可以看出，在靠近2195铝合金侧的熔合线部分出现一个宽度约为70 μm的等轴细晶区，如图1c所示 已有研究表明，细晶层有利于降低铝锂合金的焊缝热裂纹敏感性，提高焊接性能[20] 生成细晶层的主要原因为：一方面，Li元素的加入降低了焊接过程中铝液的表面张力，提高了异质形核率和形核速率[9,14,20]；另一方面，随着液相中温度梯度(G)与结晶速度(R)比值的减小，焊缝凝固组织动态将按照胞状晶—柱状枝晶—等轴枝晶的顺序变化[10] 从焊缝边缘到焊缝中心，熔池的温度梯度G逐渐减小，结晶速度(R)逐渐提高，因此熔池边缘G/R较大，出现在熔池边缘的高熔点金属化合物质导致了等轴细晶区的生成

在等轴细晶区与焊缝中心区域出现一个晶粒取向性较强的柱状晶区，如图1c所示 等轴细晶区生成后，柱状晶开始在等轴细晶区的表面生成并以几乎垂直于熔合线的角度向焊缝中心生长，发生了等轴细晶区到柱状晶区的转变 伴随着柱状晶的生长大量溶质元素集中在固液相的前沿，提高了成分过冷度且冷却速度逐渐降低，因此焊缝中心区域的组织再次转变为均匀的等轴枝晶(图1d) 该处的晶粒细化明显，尺寸较为一致且没有明显的方向性 其主要原因是，在焊接过程中熔池金属呈无序流动，各方向的散热条件差异不大而产生自由生长的结晶方式[21,22] 从图1f可见，在反面封底与焊缝连接位置出现了明显的分界，上方晶粒细小，下方晶粒粗大 其原因是，在反面封底过程中上方凝固更快而使生成的晶粒更细小[14]

图2给出了用VPPA工艺的焊接接头各区域组织的放大图 可以看出，组织的变化情况与TIG工艺的组织变化基本相同 TIG 1#样品的焊缝中心区域的晶粒尺寸大于VPPA 2#样品，因为用TIG双层焊接1#样品时第二次焊接对中心焊缝区域产生了热处理效果 同时，与TIG焊接接头相比，用VPPA法焊接的柱状枝晶更明显，如图2c所示 其主要原因是，在VPPA焊接过程中热量更集中，使熔池的温度梯度G更高，更有利于柱状晶的生成[21]

与2#样品相比，也采用VPPA工艺的3#样品在焊接过程中没有保护气体也未封底，虽然其组织与2#样品没有明显的差异，但是在靠近2195母材侧熔合区及焊缝中心区域附近出现了尺寸为50 ~ 90 μm的气孔(图3b、c) 在铝合金的焊接过程中出现的气孔可分为两类：一类为冶金气孔，即氢气孔，呈球形，内壁光滑，尺寸小于200 μm；另一类为工艺性气孔，即小孔型气孔，形状不规则，尺寸较大[22,23] 因此，在3#(VPPA不封底)样品2195侧熔合区附近的气孔类型为氢气孔 产生这类气孔的主要原因有：一方面，在3#样品的焊接过程中没有气氛保护且2195铝锂合金中的Li元素的化学活泼性很强，在合金表面易生成LiOH、LiCO3和LiO2等含锂化合物 这些含锂化合物极易吸收周围环境中的水分，这些水分在高温作用下分解产生的氢气进入到熔池中；另一方面，氢在液态铝中的溶解度为0.7 mL/100 g，而在固态铝中只有0.036 mL/100 g，因此在开始焊接时熔池中的液态溶解了大量的氢 铝合金的导热系数较大使熔池的结晶冷却极快，随着氢溶解度的突变过饱和的氢来不及从焊缝中逸出而熔池已经凝固产生了气孔缺陷[10,17,22,24] 气孔使接头组织的致密度下降并引起应力集中，进而使焊接接头的力学性能降低

2.2 焊接接头的成分分布

为了分析焊接方法对焊接接头组织的不同影响，对三种样品焊缝靠近熔合线的区域和靠近焊缝中心的区域进行了SEM-EDS观察

结果表明，三种焊接方法形成的焊缝，在靠近熔合线的区域其成分分布类似，典型分布情况如图4所示，可见在该区域出现了链条状富含Cu元素的析出相 其主要原因是，在焊接凝固过程中分配系数小于1的Cu元素向枝晶间扩散，且Li元素加剧Cu的偏析，其结果是Cu易向晶界偏析而使枝晶区域的Cu较多和晶粒内部的Cu减少[25] 图5给出了不同样品2195侧熔合线附近的表面形貌，对应的SEM-EDS结果列于表3 将不同样品枝晶区域的Al与Cu相关质量百分比转变为原子百分比，即点2、点4、点6的Al/Cu原子百分比分别为3.2、3.7、3.8 2195合金中没有Al3Cu相或者Al4Cu相，其主要的强化相是θ'(Al2Cu)相与T1(Al2CuLi)相[10,14,23] 而EDS结果表明，枝晶区域的Al含量较高，因为枝晶区域的析出相尺寸较小，EDS在点扫描过程中电子束部分打在了基体上 因此，熔合线附近区域的析出相可能是θ'(Al2Cu)相或T1(Al2CuLi)相 此外，焊接产生的高温使Li挥发即T1相逐渐消失，同时亚稳态的θ'相会转变成θ相 由此推测，样品中的白色析出相是θ相



图41#样品2195侧熔合线附近的组织

Fig.4Microstructure near the fusion line of 1# sample 2195 side (a) and EDS results of Al, Cu, Mg, Li and C (b~f)



图5不同样品熔合线区域的组织

Fig.5Microstructure near fusion line of different samples (a) 1# sample; (b) 2# sample; (c) 3# sample; (a2) (b2) and (c2) enlarged views of the corresponding areas of (a1) (a1) and (c1)

Table 3

表3

表3图5区域中不同位置点的成分

Table 3Composition at different locations in Fig.5 (mass fraction, %)

Element	Al	Cu	Mg	C	O	Ag	Zr
Point 1	88.2	3.8	0.4	6.0	1.3	0.4	0.0
Point 2	47.8	34.2	0.5	13.5	3.7	0.3	0.1
Point 3	88.4	4.4	0.4	6.1	0.5	0.2	0.0
Point 4	52.5	31.0	0.4	11.4	4.1	0.6	0.0
Point 5	86.2	3.1	0.3	9.0	1.3	0.0	0.0
Point 6	51.4	31.9	0.4	12.7	3.2	0.5	0.0

点1、点3、点5的能谱结果表明，不同焊接方法的接头枝晶间的Cu含量均高于3% 根据Al-Cu二元合金相图，Cu在A1中的室温固溶度仅为0.05%[26]，即枝晶间区域的Cu含量明显高于室温下Cu在A1中的溶解度 其原因是，在焊接过程中熔池的快冷和凝固扩大了合金元素的固溶度极限，在焊态下生成了过饱和状态的α-Al固溶体

图6给出了不同样品焊缝中心区域的表面形貌照片，可见都含有球状的颗粒物与链条状的析出物，其成分列于表4 可以看出，在不同焊接方法焊缝区域生成的物相种类相似 对EDS数据进行原子百分比变换，发现球状颗粒物(点2、点8)的Al/Cu原子百分比分别为2.08、1.85，Al/Cu原子比接近于2，为Al2Cu相 晶界区域链条状(点3、点6)相的Al/Cu原子百分比分别为1.23、1.48，推测其为α-Al与θ相组成的共晶组织



图6不同样品焊缝区域的组织

Fig.6Microstructure of weld zone of different samples (a) 1# sample; (b) 2# sample; (c) 3# sample; (a2) (b2) and (c2) are enlarged views of the corresponding areas of (a1) (a1) and (c1)

Table 4

表4

表4图6区域中不同位置点的成分

Table 4Composition at different locations in Fig.6 (mass fraction, %)

Element	Al	Cu	Mg	C	O	Ag	Zr
Point 1	90.2	2.1	0.1	6.6	0.8	0.1	0.1
Point 2	41.4	46.8	0.3	7.4	4.2	0.0	0.0
Point 3	25.1	47.9	0.1	15.1	9.9	0.2	0.2
Point 4	89.8	2.8	0.0	6.2	0.7	0.2	0.2
Point 5	63.0	21.4	0.2	12.0	3.1	0.2	0.2
Point 6	32.3	52.0	0.2	6.7	6.4	1.6	0.2
Point 7	87.5	1.7	0.0	9.7	0.9	0.0	0.3
Point 8	35.3	45.5	0.3	13.9	4.8	0.0	0.3
Point 9	44.6	37.8	0.2	12.5	4.6	0.1	0.2

2.3 接头的力学性能

图7给出了用三种不同方法焊接样品的拉伸性能，并对比了用搅拌摩擦焊方法(FSW)焊接的2219-2195异种铝合金焊接的接头性能[9] 可以看出，与FSW方法相比[9]，本文用TIG与VPPA方法焊接的接头，其塑性具有明显的优势 用TIG方法焊接的接头其抗拉强度最大，为352±9 MPa 其原因是，TIG样品焊缝区域较宽，焊缝区域中细小等轴细晶区占比大，使其抗拉强度更高；而VPPA焊缝区域中粗大柱状晶占比较高，使其强度较低 与VPPA焊接的2#与3#样品对比，发现抗拉强度与塑性均相差不大，表明封底处理不影响其强度和塑性 图8给出了对三种样品拉伸断口位置的观察，可见断裂均发生在靠近2219侧的焊缝内部柱状晶区域 其原因是，该区域的析出相晶粒粗大，在拉伸过程中易使裂纹在该处萌生



图7不同焊接方法的样品的力学性能

Fig.7Mechanical properties of samples welded by different methods



图8不同焊接方法的焊接接头拉伸后的宏观形貌

Fig.8Morphology of welded joints welded by different methods after tensile test (a) 1# sample; (b) 2# sample; (c) 3# sample

图9给出了接头的显微硬度，图中0刻度为焊缝中心线，左侧为2195，右侧为2219 可以看出，2195的硬度值高于2219，焊缝区域的硬度与2219侧母材接近 不同焊接方式的焊接接头其硬度分布具有相同的规律性，都先降低后轻微提高随后保持不变 与1#、2#样品相比，3#样品焊缝2195侧热影响区的硬度明显降低 从图2c和图3b热影响区域组织可见，没有气氛保护的VPPA3#样品热影响区的晶粒更粗大 这导致局部软化，使局部区域的硬度较低



图9焊接方法不同的样品的微观硬度分布

Fig.9Microhardness distribution of samples welded by different methods

3 结论

(1) 用TIG与VPPA工艺焊接的2219与2195异种铝合金接头区域都没有产生宏观热裂纹，与TIG工艺焊接样品相比VPPA工艺焊接样品中心焊缝区域的宽度更小，因为VPPA工艺高的能量集中、焊接速度快及热输入量较小

(2) 2219与2195异种铝合金焊缝中靠近熔合线区域的析出相主要为θ相，焊缝区域主要由细晶区、柱状晶区和等轴晶区组成，析出相主要为θ相及其与α-Al组成的共晶组织

(3) TIG工艺的焊接接头具有较高的抗拉强度和较低的断后伸长率；在没有氩气保护且无封底的条件下VPPA工艺的热影响区晶粒尺寸较粗大，使其局部软化

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以不同的转速对6 mm厚的5083和6061铝合金进行搅拌摩擦焊接,研究了焊接参数对接头组织和性能的影响 结果表明,控制焊接参数可获得良好的焊接质量,接头强度系数为85% 随着转速的升高5083和6061铝合金的晶粒尺寸都逐渐增大,但是在焊核区内5083铝合金的晶粒尺寸比6061铝合金的小;在6061铝合金一侧的热影响区,随着转速的增加析出相的尺寸和密度都逐渐增大 5组焊接参数的焊接接头的最低硬度区均出现在6061铝合金一侧的热影响区,随着转速的升高接头的最低硬度也逐渐提高;焊接接头均断裂在最低硬度区,且随着转速的升高接头的抗拉强度也逐渐提高

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