（材料物理与化学专业论文）2195铝锂合金焊接接头组织与性能.pdf

耋皇查兰至圭童堡尘圭 ；。；。；。 ；尘；垒 摘要 采用微量s c 、z r 、m n 、v 、b 复合微合金化技术研制了一种a l - 6 3 c u - 1 1 m 1 ，瓦t i ，v ，s c ，b ) 的新型焊丝，对成分为a 1 4 c u 1 l i - o 4 m 哥o 5 4 ( a g ，z 币) 、板厚为2 m m 的2 1 9 5 铝锂含金板材 进行了手工氩弧焊焊接。测试了焊接接头的拉伸力学性能和硬度分布规律，采用金相显微镜 ( o m ) 、x 射线物相分析( ) 、透射电子显微镜( t e m ) 和扫描电子显微镜( s e m ) 观 察了焊丝合金和焊接接头不同区域的显微组织结构，并从理论上进行了分车厅和解释。研究结 果表明： 1 2 1 9 5 铝锂合金t 8 态的拉伸力学性能横向：旷5 5 1 m p a ，砚f 5 2 2 m 呼a ，玉= 5 4 ，其断 裂方式主要为平行断裂；纵向：卿= 5 5 8 m p a ，而2 - 5 2 8 m p a ，声严5 7 ，其断裂方式主要为 斜4 5 。方向剪断。t 8 态下，合金主要强化相为孔( 砧2 c u l i ) 相。 2 研制了一种用微量s c 、z r 、t i 、b 、v 复合微合金化的a 1 c u 合金焊丝，这种焊丝与2 1 9 5 铝锂合金有较好的相容性，在手工氩弧焊条件下，焊接接头的力学性能可达：珊= 3 8 4 m p a ， 观尸3 1 5 m p a ，曲叫2 ，焊接系数为o 7 0 。 3 2 1 9 5 铝锂合金焊缝边缘存在独特的细晶层组织，其形态与等轴树枝晶不同，这一特征组 织的形成与合金元素l i 、s c 、z r 和t i 对熔池结晶过程的作用规律有关。l i 显著地降低 了铝液表面张力，大大提高了异质形核率和形核速率，是细晶层产生的必要条件；而熔 池边缘液态金属中弥散均匀分布大量未熔化的a 1 3 s c 、拙压和n a l 3 质点，则是细晶层 产生的充分条件。与此同时，由熔池边缘外延生长的联生结晶过程被抑制。 4 焊缝的强度主要来源于s c 、z r 、v 、t i 、b 产生的晶粒细化强化以及矿( a 1 2 c u ) 、a b s c 、 a b z r 等的析出强化。 关键诃：2 1 9 5 铝锂合金；焊接接头；组织；性能 第i 页 中南大学硕士学位论文 第二章材料制备与试验方法 a b s t r a c t ak i n do fa l 一6 3 c 小1 1 ( m n 五t i ，v ，s c ，b ) w e l d i n gw h ew a sp r c p a r e db ya d d i n gm i n o rs c ，z l m n ，v ，b ，a n dw a su s e dt 0 w e l d2 1 9 5 甜u m i r n u n i i m i 啪a i l o yp l a c e 埘mac o m p o s i d o no f a l 一4 c u - l l i o 4 m g o 5 4 ( a g ，盈t i ) ，2 m mi 1 1 t l l i c k l l e s s m e c h a t l i c a lp m p e n i e sa n dl l a r d n c s so ft h e w e i d i n gj o j n tw a st e s 删，a i l dr 1 1 i c m s 仃u c t u r eo fw c l d 血g 、v i r e 柚d 啪 d i n gj o i n tw e r eo b s e r v e d “a o m ，m ，忸ma n ds e m a n a l y s i sa n de x p l a n a t i o ni n 也e o r yw e r ea l s og i v e n n l er e s u l 招s h o w t 1 1 a t ： n l ef i r s t ，m em e c h l i c a lp m p e r t i e so f2 1 9 5 a 1 1 0 y a tt 8 廿e a n n e n ta r ea sf 0 1 l o w s ：m n a i l s v e r s e d i r e c t i o n ，盯6 = 5 5 1 m p a ，咖产5 2 2 m p a ，巧产5 4 ，、v i map a m l l e lf a 曲聪；i ni o n g i t u d j n a i d i r e c t i o n ，印= 5 5 8 m p a ，砚产5 2 8 m p a ，护5 7 ，、v i 吐la no b l i q u e 缸j t u r eo f 4 5 。a tt 8 缸钮1 1 e n t ，t 1 1 e m a i n s t r e n g 吐【e 1 1 i n gp h 鹤eo f 2 1 9 5a l l o yi s 乃( a 1 2 c u l i ) p h a s e t h e s c c 0 皿d ，t h ca l c ub a s c da l 】o y w e l d i n g 谢糟脚a m d b y a d d 抽g m i n o r s c ，z r ，m n ，v b h a s a g o o dc o r n p a t i c 耐、l m2 1 9 5b a s em c t a l u s i n gt i gw e l d i n g 姚o l o 既恤m e c h a m c a l p r o p e m e s o f 也e w e l d i n g j o i n tc a n 瑚c h 毋- 3 8 4 m p a ，耽3 1 5 m 耽护4 2 ，衄d 血e 啪】出n gc o e 衢c j e n ti s o 7 0 ， t h e 恤d ，f i n cg r a i n sa r ef o u n da l o n gm e e d g e o f t h ew e l d ，w l l i c hi sd i 丘b r e n t 矗d mm e e q u j 瓢瑚 d e n d r i t i c i t sf o n n a t i o nh a sa r e l a 垃o n s h i pw i m 让坞硪酞o fl i ，s c ，z 毛t io n 挂圮c r y s t a l l i z 撕o no f m o i t e r lp o o j “r e d l l c e st l e 毋耐k et e n s i o no f “l l r 】溉l u q u i d o b v i o l l s l y ，i n c r e 觞e st 1 1 c 嘶。锄d r a t eo f l e t e r o g e n c o 潞m w l e 幽n ，w 1 i c hi st h en e c e s s a r yc o n d i t i o no f 1 ef b 瑚a t i o no f f i n e 盯a i n s h o 、v e w la1 a r g e 锄o u mo f u n m e l t c d a j 3 s c 、a 1 3 z r 和i 认b p a m c i e sd i s p e r s i v e l yd i g 啊b u t ei nm e 1 u q u i dm e t a la 1 0 n g 血ee d g eo f t h em o l t e n p o o l ，w h i c h i sm es 蛹c i e n tc o n d i t i o no f m e 缸m a t i o n o f 虹n e 乎可n s a tm es a n l e 缸e ，i i l l i t e dr e c r y s 诅l l i 刎o no f 印i 瞰i a lg r o w 出i n 血ee d g eo f 血em o l 劬 p o o li sr e s l r 豳e d f m a l l y ，血es 呦锄0 f m ew c l dm 删y c o m e s 丘o m 鲥n r c 丘血g 蛐n g 吐l 幽gc a u s 甜b ys c ， 玩v ，t i ，b 趾dp r e c i p i t 砒i o ns 廿e _ n g t h e l m g o f 矿( a 1 2 c u ) ，a 1 3 s c ，蹦3 z r - k 哪v o r d s ： 2 1 9 5 a i u r n i i l 啪- i i t l i 啪a 1 1 0 y ；w e i d 堍j o i n t ；删c r o s 口呦聪；p r o p e m e s 第i i 页 1 1 铝锂合金的发展概况 锂( l 1 ) 是自然界最轻的金属，密度仅为05 3 4 9 ，c m 。在铝合金中加入金属元素“，在 降低合金密度的同时，可大幅度地提高合金的弹性模量。研究表明，在铝台金中每添加质量 分数为1 的l i ，可降低合金密度3 ，提高弹性模量6 ：用铝锂合金代替常规的铝合金， 可使结构减重1 p 1 5 ，刚度提高1 5 2 0 。此外，l i 在a l 中的固溶度，6 0 3 时最大为4 2 ， 在室温下则更小，不到i ，可以很好地保证舍金在淬火和入工时效后的硬化效果。因此， 铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的铝合金，在航空航天领域有 着广阏的应用前景。用铝锂合金替代飞机上使用的传统铝合金，不需要对适毓条锣b 作太大的 修改，铝锂合金的成形、维修等都较复合材料方便，成本也远远低于复合材料，此外，铝锂 合金还具有良好的耐低温性能。因此，铝锂合金是一种理想的航空与航天结构材料i l 。 1 1 1 铝锂合金发展简史 国外铝锂合金的发展大体上可划分为三个阶段。第一阶段为初步发展阶段，该阶段的时 问跨度为2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代初。虽然早在1 9 2 4 年德国酶材料专家就将l 1 作为合金元 素添加到铝合金中，研制出了第一个含l i 的铝合金“s c l e r o n ”吼但是，直到1 9 5 7 年美国 a i c o a 铝业公司研制成功0 2 0 合金吼1 9 6 1 年前苏联开发出类似于x 2 0 合金的b a 珏2 3 合金渺 ，铝锂合金才真正引起人们的注意。美国将x 2 0 2 0 合金应用于海军r a 5 c 型预警飞机 的机翼蒙皮和尾翼水平安定面上获得6 的减重效果【7 j 。在此期间，英法等国也同时开展了 对铝锂台金的研究。这一时期由于普遍采用传统的冶炼技术，合金的延展性和断裂韧性低， 缺口敏感性高，容易使结构产生应力集中而引起疲劳破坏，以及加工生产上的困难、价格昂 贵等，不能满足新航空设计标准的要求，因此未能获得进一步的推广应用，a l c o a 公司于1 9 6 9 年便停止了x 2 0 2 0 合金的生产。此后，铝锂合金的研究在欧美等国进入了一个相对停滞的时 期。 2 0 世纪7 0 年代，随着航空工业的发展，对材料的要求也越来越高。特别是1 9 7 3 年爆发 的石油危机给航空工业带来了巨大的压力。航空工业为了降低燃料费用，对飞机材科轻量化 提出了更高的要求。这些都推动了人们对铝锂台金的重新重视，铝锂合金也因此进入了一个 新的发展阶段即第二阶段。第二玲毁称之为大发震阶段，这一骱段的时间跨度为2 0 世纪 7 0 年代至8 0 年代后期。在这一时期，铝锂合金得到了迅猛发展，并对铝锂合金进彳亍了全面 的研究，国际上共召开了六次国际铝锂合金专题会议。在此阶段，磺锚成功了低密度型、中 第l 页 圭皇垄耋：生i 垒i 垒耋。； ；。；音。；。；i 壁耋垒i ：尘 强耐损伤型和高强型等一系列较为成熟的铝锂合金产品，其中具有代表性的合金有：前苏联 研制成功的0 1 4 2 0 合金，美国刖c o a 公司研制出的2 0 9 0 合盒，英国a l c a i l 公司的8 0 9 0 和8 0 9 l 合会，法国p e c h i n e y 公司开发出的2 0 9 1 合金等。这些铝锂合金具有密度低、弹性模量高等 优点，其主要目标是直接替代航空航天飞行器中采用的传统铝合金2 0 2 4 、7 0 7 5 等，它们都获 得了一定的应用 1 0 ：l 。0 1 4 2 0 合金中目前应用最为成熟的铝锂合金，俄罗斯在碱醪9 ，s u 2 7 ， s u - 3 5 等战斗机及一些中、远程导弹弹头壳体上都采用了0 1 4 2 0 合金构件。美国对2 0 9 0 合在 c 1 7 运输机及a r f 高级教练机上进行了装机试验：8 0 9 0 合金在欧洲的d f a 2 0 0 0 战斗机、 e h l 0 1 直升机以及a 3 3 0 ，3 4 0 大型客机中也进行了大量装机试验。 经过2 0 世纪8 0 年代的大发展，铝锂舍金取得了令人瞩目的研究和应用成果。但是，人 们发现第二代铝锂合金本身仍存在以下问题：合金各向异性较普通铝合金严重，短横向 强度较低；合金塑韧性水平较低；热暴露后会严重损失韧性：大部分合金不可焊， 降低了减重效果，铆接时往往表现出较高的缺口效应；强度水平仍较低，难以与7 ) d 。( 系超高强铝合金竞争等。因此，进入9 0 年代以后，人们针对铝锂合金的上述问题，开发出了 一些具有一定特殊优势的铝锂合金，铝锂合金的发展也因此进入了第三发展阶段。目前，已 开发出的新型铝锂合金主要有高强可焊的0 1 4 6 0 啪w l d a i i t e 系列i ：1 2 l 合金，高韧的2 0 9 7 、2 1 9 7 合金，高抗疲劳裂纹的c 1 5 5 合金i i “，及经特殊真空处理的x t 系列1 1 5 】合金等。这些新出现 的铝锂合金可统称之为第三代铝锂合金。其中对高强可焊合金和低各向异性合金的研究最多， 是第三代铝锂合金的发展方向。 第一代铝锂合金现已很少使用，而第二代铝锂合金也已进入工业化生产和商品化应用阶 段。近几年来，由于一些具有特殊优异性能的第三代铝锂合金韵兴起，铝锂合金的研究重又 引起了人们的兴趣。表1 1 和表l - 2 给出了第三代主要铝锂合金产品的成分和性能。可见， 在合金成分设计上，第三代铝锂合金降低了l i 含量，而增加了e u 含量，并且往往添加些 新的合金化元素a g 、m n 、办等；在性能水平上，第三代铝锂台金较以往铝锂合金都有了较 大幅度的提高，其中尤以低各向异性铝锂合金和高强可焊铝锂合金最引人注目。 表l 一1 第三代主要铝锂合金的化学成允 叭4 6 01 9 - 2 52 。5 3 5 - o 1 2 ： _ 百i 两面砭矿 w e i d a i i t e 0 4 9o 7 l ，82 3 - 5 ，2o 2 5 0 80 1 4 0 。2 5 o 8 一 z 0 9 41 34 5o 4o 1 40 4 2 0 9 51 14 2o 9 0 1 40 4 2 0 9 61 3 1 92 3 - 3 oo 2 5 - o 9 o 1 4o 2 5 - 0 6 ， 2 1 9 5o 8 - 1 23 似，3 0 2 5 - o 8o 1 40 2 5 0 6 o 2 5 5 c u ， 1 5 l i 或3 c u ，2 3 l i 成分范围内选择。 b 均n i k l l i na g 等p s j 用鱼骨形试件裂纹试验方法研究了焊丝成分对3 c u 2 l i 和 砧1 2 c u _ o 9 m 哥2 l i 合金凝固裂纹敏感性的影响，结果示于表1 3 ，a 为裂纹率。对脚3 c u 2 l i 合金，焊丝选用二元a l c u 合金为好，且铜含量不应低于1 0 ；对a 1 1 2 c u 0 9 m g - 2 l i 合金， 使用a l - 1 2 s i 焊丝，裂纹率最低，但是考虑到接头力学性能，推荐采用m 6 m g 焊丝。采用 a l 一1 2 s i 焊丝的接头强度不超过2 6 0 h 口a ，冲击韧性只有1 j h n 2 。采用6 m g 焊丝接头强度 大于2 8 0 h 佃a ，冲击韧性达1 5 j ，c 。 l 一 ，o2 7 | 一曼一淄 过7 一 i 7 一 l l t “i l m c 辨0r e r z 图l 5 蹦c u l i 合金抗热裂纹敏感性与c u 和l i 含量的关系 一一hjh基山j z譬co霉qi 中南大学硕士学位论文 第二章材料制备与试验方法 表1 3 焊丝成分对铝锂合金焊接热脆性的影响 a l - 3 c u - 2 “ a l 1 2 c u - o 。9 m g 2 “ 填充丝 a 填充丝 a a - 1 2 s i5 7 - 6 4 6 0a f - 5 5 s i6 5 7 7 ，7 2 a 1 。4 c u _ l o s j4 8 6 7 5 8a 1 1 2 s j ，6 - 1 “1 0 a l _ 4 8 c u - 2 3 s i6 0 - 6 4 6 2a 卜6 c u6 5 7 3 6 7 a 卜7 5 c u - 4 s i4 0 6 3 5 5a l 1 2 c u4 9 5 2 5 0 a l - 6 c u3 7 5 9 5 0a 卜8 5 c u - 6 5 s i 2 2 - 2 6 2 4 a 1 1 0 c u1 2 5 1 ，3 0a l - 4 5 c u 8 5 s i9 _ 2 2 ，1 3 a i 1 1 c u1 3 _ 4 5 ，2 6 a l - 5 c u - 3 8 m g6 4 7 3 6 9 a l - 1 2 c uo 5 2 a l 6 m g 18 - 2 7 ，2 4 以上结果表明，焊缝金属主要合金元素含量对a i l i 合金焊接凝固裂纹敏感性有至关重 要的影响。焊接普通铝合金时选用焊丝的原则仍然适用，即：以高镁焊丝焊a 1 m g 合金，以 高c u 焊丝焊a 】一c u 合金，以高s i 焊丝焊甜c u - m g 合金。但是对于甜_ l i 台金，焊缝金属中 l i 含量的选择仍无明确规则可循，其作用机理也不清楚，而文献【3 7 】的结果表明l i 含量的影 响也极其重要。所以，在趟一l i 舍金焊接性研究领域，“的作用仍是一重要课题。 除了主要合金元素，微量元素对越l i 合金焊接凝固裂纹敏感性也有着重要影响。m j d v o m a k 等j 用横向可变拘束试验研究了微量元素z r 、n 对越2 ，2 l i 2 ，7 c u 焊接凝固裂纹敏 感性的影响。结果表明，丘、t i 添加齐在o 0 5 o 3 0 范围内增加，裂纹总长逐渐降低。作者 认为z r 、t i 添加剂对a l - 2 2 l i - 2 7 c u 合金焊接凝固裂纹敏感性的改善，除了细化晶粒外，更 主要地应归于添加剂对晶界第二相形态的改变。 1 3 3 铝锂合金焊接接头机械性能 大量研究表明，采用普通的熔化焊方法焊接舢- i 合金，焊后态接头机械性能相对较低。 这是由于铝锂合金是典型的沉淀强化型铝合金，焊后接头必然出现软化0 3 j ”。而且由于焊 接气孔敏感性更高，使a 1 一l i 合金接头连接系数更低。文献 4 1 详细考察了 8 0 9 0 ( a l - 2 6 l i - 1 4 2 c 小1 0 4 m g 一0 1 6 z r ) 铝锂合金焊接接头的力学性能，结果具有一定代表性。 从表1 - 4 中可以看出，加强冷却有助于接头强度的提高：焊前一般碱洗不能消除气孔，连接 系数较低，而化学铣则能基本消除气孔，使焊态的接头强度提高4 0 哂o m p a ；在三种热处理 状态中，焊态接头的强度最低而塑性最高，焊后时效态焊缝强度有所提高，但塑性降低，固 溶时效态焊缝强度继续提高同时塑性有所恢复。这些变化与焊缝的微观组织密切相关。焊 态合金晶界上存在连续、粗大的j 、乃等平衡相，而晶粒内析出的太小，沉淀强化作用不 明显。在外力作用下，滑移首先在较软的晶内进行。当滑移面前端到达晶界时，由于基体和 晶界相弹性模量相差较大，变形不能协调，引起沿晶界的位错塞积和萌生裂纹，裂纹主要沿 第1 1 页 中南大学硕士学位论文 第二章材料制备与试验方法 晶界与基体间的界面扩展，在三叉晶界等晶界相不连续处，断裂可能穿过金属间相或基体， 形成撕裂棱。这种撕裂方式表现出强度不高，但塑性较好。焊后时效态，晶内由于析出强化 相得到强化，而晶界上粗大平衡相通过吸收周围l i 原子而长大，使晶界邻域产生较软的 无沉淀区。外力作用下，应变主要集中在无沉淀区，并在此萌生裂纹。裂纹沿无沉淀区扩展， 产生比焊态更为光滑的沿晶断口。撕裂的主要特征是塑性极差，强度比焊态有所提高，但不 十分明显。固溶时效态，部分晶界相溶入基体，但仍有太颗粒不连续的晶界第二相，它们与 基体弹性模量相差较大，在外力作用下，变形与晶内不能协调，促使第二相端部形成微孑l ， 最终微孔集合产生沿晶塑性破坏。合会强度杏所提高塑性较焊后时效态亦有历改善。但仍 不如焊后态，主要是因为沉淀析出的d7 相引起“共面滑移”，使晶内变形不均匀。 表l _ 48 0 9 0 铝锂合金焊接接头力学性能 在影响铝锂台金焊接接头力学性能的渚多因素中，值褥一提豹是杂质元素n a 的影碍句。 n a 与l i 同属一族，在合金冶炼过程中很难彻底去除，早在1 9 5 7 年，p a y n e 和e y n o n 就发现 大于5 印艘1 的n a 使脚“合金产生晶间脆化【引。n a 引起的脆化一直是a 1 l i 合金研究人员 比较关注的问题，只是大部分工作集中在合金材料上。只有少量涉及焊接方面。文献1 4 3 1 研 究了r0 1 4 2 0 ( a l 一5 m g 一2 l i 一0 1 1 趵合金母材中n a 含量对焊接接头力学性能的影响，结果见图 1 - 6 。图中i 和1 1 分别表示含量不同的两种母材，i ：0 0 0 2 n a ，珊= 4 7 3 m p a ，冷弯角吐习8 。； i i ：o 0 0 5 n a ，“= 4 7 4 m p a ，冷弯角f 3 2 。i 板和i i 板强度相同，i i 板塑性略低，说明n a 含量在o 0 0 2 到0 0 0 5 范围内变化未对合金母材性能产生明显影响，但从图1 6 中可以看出， 母材中n a 含量的不同引起焊后接头力学性能产生明显差异，尤其是塑性。板接头强度比i 板接头低8 左右，而塑性低约7 0 左右。这一结果表明铝锂合金焊缝对钠脆比母材更敏感， 控制焊接材料中卜a 含量更严格。 在铝锂合金焊接性研究领域中，几乎采用了所有的现代焊接方法。包括t i g ( 钨极气体 保护焊) 、m i g ( 熔化极气体保护焊) 、v p p a ( 交流等离子弧焊) 、e b ( 激光焊) 和各种压力 焊，其中电子束焊、激光焊比一般熔化焊能获得连接系数更高的接头p 卅。但是由于它们应用 第1 2 页 中南大学硕士学位论文 第二章材料制备与试验方法 起来受多种条件限制，不如t i g 与m i g 焊灵活，应用面广，此处不做详细介绍。 1 0 0 8 0 ；穹 6 0 、 p 4 0 2 0 一 1 8 0 一 已 1 2 0 o o 0 81 s17 19 z r ，m g 9 图1 6z r 对0 1 4 2 0 铝锂合金焊接接头强度和塑性的影响 在目前商用的铝锂合金中，就焊接性而言，只有0 】4 2 0 、w e l d a l i t e0 4 9 两种合金较令人 满意。0 1 4 2 0 合金是最轻的铝锂舍金，于6 0 年代中期被前苏联科研人员研制成功。目前前苏 联已掌握了用钨极氯弧焊和电子柬焊等方法焊接0 1 4 2 0 合金的技术，从而使0 1 4 2 0 合金在生 产和应用领域均居世界领先水平。 1 4 焊接填充材料的选择 在选择焊接材料时，要同时考虑到抗裂纹性能、焊缝强度以及热处理强化的效果等。在 焊接铝合金时为防止焊接热裂纹的经常采用与母材成分不同的焊丝，这就会影响到焊接接头 的强度。例如，通常认为抗裂性好的焊丝有s i ( 4 0 4 3 、4 0 _ 4 7 ) 、a 1 m g ( 5 3 5 6 、5 5 5 6 ) 和 a 1 c u ( 2 3 1 9 ) 等，其成分见表1 - 5 。根据文献 4 4 l ，当用m i g 和1 1 g 焊焊接8 0 9 0 铝锂合金 时采用5 5 5 6 a 焊丝没有裂纹，焊态下接头的抗拉强度分别为2 4 9 m p a 和3 4 0 m p a ，热处理后 接头的抗拉强度分别为2 7 3 m p a 和4 0 8 m p a ；采用可热处理强化的焊丝2 3 1 9 ( a 1 c u ) 时，焊 态下接头的抗拉强度分别为2 7 l m p a 和3 4 7 m p a ，热处理后的接头抗拉强度分别为2 7 5 m p a 和4 1 7 m p a 。从接头抗拉强度看，无论是焊态还是热处理后，焊丝2 3 1 9 都优于焊丝5 5 5 6 a ， 但2 3 1 9 有一定的热裂纹敏感性，所以从抗拉强度和抗裂性综合考虑，采用5 5 5 6 a 焊丝焊接 8 0 9 0 合金是可行的。此外，在选择用于焊接2 0 9 0 的焊丝时也存在抗裂性和接头抗拉强度之 间的矛盾。例如，根据图1 7 ，焊接2 0 9 0 合金时抗裂性能最好的焊丝是4 0 4 7 和4 1 4 5 。但是， 根据图l - 8 ，用4 0 4 7 和4 1 4 5 焊丝时的抗拉强度系数最低，而且用4 0 4 7 焊丝焊接，热处理后 的接头抗拉强度不但没有增加，反而还有所下降。因此，根据抗裂性能( 图1 7 ) 和接头抗 拉强度系数( 图1 8 ) ，综合考虑后选择2 3 1 9 焊丝的效果最好。 第1 3 页 中南大学硕士学位论文 第二章材料制备与试验方法 表1 5a 1 _ l i 合金焊接试验中常用的常规铝合金填充材料的化学成分( 质量分数，) 畔1 填充材料 c u m g s im nt iz r vc ra i 2 3 1 9 4 0 4 3 4 0 4 7 4 1 4 5 5 3 5 6 6 3 i _ 40 5 o 5 2 1 2 0 1 0 0 - 0 3 - _ 0 1 2 0 1 50 1 801 0 - - _ 0 1 2 - 一 一 - 01 2 余量 余量 余量 余量 余量 5 5 5 6 5 1 o 80 1 2 0 1 2o 1 2 余量 填充书f 辩 图1 - 7 采用不同填充材料时2 0 9 0 - t 8 e 4 1 合金的焊缝热裂纹敏感性试验的结果l 删 图1 8 填充金属和焊后热处理对2 0 9 0 t 8 e 4 1 焊接接头抗拉强度系数的影响l ( 1 一焊态；2 一热处理+ 时效) 第1 4 页 一甜雀球鞯麓卜墨)|g鬻蔫幽静警斟搿壤鞲豉 妊瓣蝌蛹辅】薛嫩螭 中南大学硕士学位论文 第二章材料制备与试验方法 1 5 本论文的研究目的与意义 2 1 9 5 铝锤台金有高的比强度和比模量，还有优良的低温性能，是航天器燃料贮箱的关键 材料。2 1 9 5 铝锂合金母材虽然有着好的综合性能，但并不意味着其焊后焊接接头也有如此好 的综合性能。焊接过程中受焊接热输入的影响，组织结构发生了很大变化，焊接接头热影响 区内生产过程中热处理强化得到的强度将会大部分丧失，其性能也不再是出厂时的t 8 态性 能。铝锂合金焊接的主要困难是焊缝气孔多，焊接热裂纹倾向大和焊接接头强度低，这些问 题的出现都会严重地影响铝锂合金板体材料性能的发挥。针对这些问题，国内外采用合适的 填充焊丝，合理的焊接工艺加以解决。美国已为w 斟d 撕t e 0 4 9 铝锂合金匹配了2 3 1 9 改进 型焊丝，采用钨极氩弧焊，焊接接头强度为3 7 0 m p a ，但与2 19 5 型铝锂合金板材配用的焊丝 及焊接工艺尚未见公开报道。俄罗斯则为0 1 4 2 0 中强铝锂合金板材匹配了含钪的铝镁系合金 焊丝，也取得比较好的焊接效果。至于高强高模铝锂合金，由于涉及航天技术，配用焊丝方 面的详细的内容未见公开报道。国内方面，“九五”期间，重庆西南铝加工厂和中南大学成功 地研制出了2 1 9 5 铝锂合金板材，其性能已达到国外同类产品水平，但与之相关的配用焊丝还 没有。 。 “十五”期间，国家将高强高模2 1 9 5 铝锂合金配丝焊丝的研制列入配套材料攻关课题。 本文目的是通过采用一种自制的钪锆微合金化的m c u 合金焊丝焊接2 1 9 5 铝锂合金板材，对 其焊接接头进行微观组织和力学性能上的分析和探讨，进而设计出一种适合2 1 9 5 铝锂合金的 配用焊丝，并从焊接凝固组织控制的角度出发，探索改善2 1 9 5 铝锂合金焊接性的工艺措施。 第j 5 页 圭堂垄耋錾圭兰竺丝耋 ；。一；董三堇塾型：坠童耋虿：2 兰； 第二章材料制备与试验方法 2 1 材料制备 2 1 1 基材的制各 2 1 9 5 铝锂合金基材取自重庆西南加工厂，合金成分为a 1 4 c u - l l i o 4 m 哥o 5 4 ( a g + z 件t i ) ， 铸锭经5 0 0 2 4 h 均匀化处理、铣面、热轧、中间退火后，冷轧成2 m m 厚板材。板材经5 0 5 。4 0 m i n 盐浴固溶后水淬，之后进行t 8 态处理( 6 冷变形+ 1 6 0 l o h 时效) 。其制备工艺 流程如图2 1 所示： 图2 - 1 2 1 9 5 铝锂合金板材制备正艺流程图 第1 6 页 中南大学硕士学位论文第二章材料制备与试验方法 2 1 2 配用焊丝的制备 焊丝选用本项目组自行研制的采用微量s c 、z r 复合微合金化的a l - c u 合金焊丝，台金成 分为a l 一6 3 c u 一1 1 ( 豇1 1 ，v s c ；b ) ，焊丝直径中2 m m 。其制备工艺流程如下图2 2 ： 图2 1 2 a 1 c u 赳n - s e z r 配用焊丝的制各工艺流程图 2 2 试验方法 2 2 1 焊接试验方法 焊接实验是在航天材料及工艺研究所焊接实验室完成的。焊前先将板材表面进行化学清 苇1 7 页 圭室奎兰錾圭兰丝丝耋； ； 一 董三童；丝堑型垒耋些墼童童 洗，清除掉表面氧化膜，采用奥地利产的f r o n i u s 焊机，在惰性气体保护下进行n g 手工焊， 采用单面成形工艺，焊前要先进行预热。焊接工艺参数为：焊接电流，8 0 a ；焊接电压，1 2 1 3 v ； 焊接速度，2 3 r n j 居；氩气流量，8 1 0i m i n 。 2 2 2 力学性能测试 基材及带余高的焊接接头试样沿横向截取，如图2 3 所示。试样按照g b 6 3 9 7 8 6 金属 捌串试验试样和g b2 6 5 1 - 8 1 焊接接头拉伸试验方法的规定加工成标准矩形试样，标距 为5 0 m m ，如图2 _ 4 所示。拉伸试验在日产c s s 4 4 1 0 0 电子万能拉伸机上进行。拉伸速度为： 2 砌吲m i n ，每个加工态有3 个样，取其平均值作为该状态下的测定值。在h 一1 0 a 型低负 荷维氏硬度计上沿垂直于焊道方向对焊接接头进行硬度测试，负荷为5 0 0 9 ，持续时间1 5 s 。 + 轧向 图2 一- 2 1 9 5 铝锂合余板材焊接示意图 图2 4 室温拉伸试样尺寸图 2 2 3 显微组织结构分析 2 、2 。3 1 金相组织观察 金相样品的制备及观察过程为： 第1 8 页 中南大学硕士学位论文 第二章材料制备与试验方法 ( 1 ) 取样：考虑到试样的代表性，以及组织的均匀性，我们在基材试样上截取一小块( 远 离变形区域) ，供观察用，截耿的方法是直接用锯弓锯切，基材三维金相组织观察取样如图 2 5 所示。焊接接头沿垂直焊缝的方向，采用锯切的办法横向取样。 ( 2 ) 镶样：在上海产自动压力试样镶嵌机上用热固性塑料进行镶样，使如图2 6 所示平 面平行于表面，热固温度为1 4 0 左右，压力为1 9 0 k c m 2 ，时间5 1 0 分钟，压力自动调节， 、 水冷自动控制。 ( 3 ) 磨光：首先，在国产m 2 型会相试样预磨机上依次用1 2 0 号、2 4 0 号、4 0 0 号水磨 砂纸打磨成平整的表面，然后在玻璃板上依次用0 1 号、0 3 号、0 5 号、0 7 号金相砂纸磨光， 使样品表面平整，无较深划痕。磨光时不能过热，以免塑料发软以及合金表面氧化。 ( 4 ) 抛光：在丹麦产无级变速会相抛光机上进行。糨抛，采用c r 2 0 3 悬浮液及细昵布在 抛光机上抛至试样表面无明显划痕；精抛，用粒度为o 5 “m 的金刚石抛光膏抛光，直至无划痕、 污迹、拖嘎等成为光滑无痕的镜面。 ( 5 ) 上蚀：侵蚀剂采用两种方法。方法一；采用o 5 h f 水溶液( o 5 h f + 9 9 5 h 2 0 ， 体积百分比) ；方法二：采用混合酸溶液( 1 h f + 1 5 h c l 心5 h n 0 3 ，体积百分比) 。用竹 制钳子夹持沾足侵蚀液的脱脂棉拭擦抛光面，待光亮的表面失去光泽变成银灰色后停止擦拭， 立即用清水冲洗再用酒精漂洗，然后用热风吹干，即可在金相显微镜下观察。 ( 6 ) 观察：金相显微组织观察采用德国产n e o p h o t - 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