摘要
针对T8态2195铝锂合金在氩弧焊焊时接头裂纹敏感性高、接头力学性能差等问题,开展2195铝锂合金焊丝研制工作,对接头的显微组织、抗裂性能及综合力学性能进行了研究。结果表明,2195铝锂合金熔焊接头主要由α-Al、Al2Cu、Al3(Ti,Zr)相组成,具备优异的抗裂性及力学性能,其裂纹敏感性K1<1%,K2=0%,接头常温抗拉强度约为390 MPa,延伸率为6.3%。BJ-4505焊丝的研制为2195铝锂合金工程应用提供技术支撑。
航天推进剂贮箱作为运载火箭的重要部件,贮存燃料并承受大量的结构载荷。随着航天飞行器的不断发展,研制可重复使用航天飞行器得到各国高度重视。可重复使用贮箱是天地往返飞行器系统的最大部件之一,因而研制轻质、高强、高可靠性的贮箱材料至关重要。2195铝锂合金具备密度低、比强度高、比模量高和低温性能良好等优点,代替常规的Al-Mg系合金、Al-Cu系合金后可使构件质量减轻10%~15%,结构刚度提高15%~20%,现已成功应用在“奋进号”及“X”系列火箭贮箱结构上,被认为是21世纪航天领域的主要结构材料之
铝锂合金的焊接技术是其工程应用所需要解决的关键技术之一,各国研究人员主要采用搅拌摩擦焊、氩弧焊、激光焊接、电子束焊接等焊接方法对铝锂合金实施焊
本文通过设计2195铝锂合金配用焊丝成分,改善熔焊接头的显微组织结构,提高熔焊接头的抗裂性及力学性能,完成焊丝性能综合评价以及结构模拟件焊接等。
氩弧焊接试验所用试板由T8态(6%冷变形+160 ℃×15 h)2195铝锂合金板材加工而成,试板厚度为6 mm,母材常温抗拉强度标称值为560 MPa,其化学成分见
Cu | Li | Mg | Ag | Zr | Al |
---|---|---|---|---|---|
3.7~4.3 | 0.8~1.2 | 0.25~0.8 | 0.25~0.6 | 0.08~0.1 | 余 |
氩弧焊接试板的尺寸为300 mm×100 mm×6 mm,焊接试板机加工出“V型”焊接坡口,单边坡口角度为60°,钝边高2 mm。将试板的正反两面分别去除0.2 mm后进行除油和酸洗,然后对焊口表面进行打磨刮削处理,焊接前将试板放入烘箱内烘干。利用BJ-4505焊丝对2195铝锂合金试板进行焊接,使用自动焊方法进行焊接,焊接试验设备为米勒焊机,主要采用单面双层成形工艺,保护气体为纯度为99.999%的高纯氩气。焊接参数包括焊接电流、送丝速度、焊接速度及氩气流量,各道次焊接参数如
层数 | 焊接电流 /A | 焊接速度 /mm·mi | 送丝速度 /mm·mi | 气流量 /L·mi |
---|---|---|---|---|
打底 | 260 | 130 | 100 | 12 |
盖面 | 240 | 150 | 100 | 12 |
圆环 | 120 | 120 | 70 | 12 |
结构 | 120 | 100 | 70 | 12 |
利用德国生产的AXS-D8射线衍射仪分析焊缝组织及母材组织,工作电压为40 kV,工作电流为200 mA,扫描速度6°/min,扫描范围为10°~90°。利用徕卡生产的DM4000M金相显微镜观察接头组织形貌、晶粒尺寸及分布。使用FEI公司生产的Quanta 200F场发射扫描电镜(SEM)对2195/BJ-4505接头的微观组织进行分析,通过背散射图像确定焊缝中析出相的分布,并对析出相进行能谱分析(EDS)。为进一步确定2195/BJ-4505接头焊缝内的微观组织结构,对焊缝中心区域进行透射电子显微分析(TEM)。选用环形焊缝试验方法对2195/BJ-4505接头的裂纹敏感性进行评价,包括其一次补焊及二次补焊的裂纹敏感性。环形焊缝试验法模拟贮箱法兰焊接结构。内外圆盘为2195铝锂合金板材,内盘外沿和外盘内沿可开坡口,用于调整熔合比,加工、装配压紧后对环形焊缝实施焊接,焊后分别测量结晶裂纹长度和液化裂纹长度。
对熔焊接头进行拉伸、冲击、弯曲等试验。拉伸试样由带余高的焊接头试样沿横向截取制备,试样总长175 mm,标距为45 mm,拉伸试验在国产CMT5105电子万能试验机上进行,实验温度包括-253、-196、-150、-20、20(常温)、100、200、300 ℃,每种拉伸试样至少取5个子样,计算其拉伸强度及延伸率的平均值作为该状态下的拉伸性能。利用德国生产的HIT 50.PC型冲击试样机和国产CMT5105电子万能试验机对熔焊接头的冲击及弯曲性能进行测试,测量其冲击韧性及冷弯角。
2195铝锂合金熔焊接头的焊缝组织及母材组织见

图1 BJ-4505接头X射线衍射图谱
Fig.1 X-ray diffraction pattern of BJ-4505 welded joint

图2 2195/BJ-4505接头金相组织
Fig.2 Microstructure of the 2195/BJ-4505 welded joint
注: (a)-(b)焊缝中心金相组织;(c)-(d)熔合线金相组织。
2195/BJ-4505焊接头由焊缝熔化区(FZ)、熔合线(FL)、热影响区(HAZ)组成。2195/BJ-4505接头晶粒细小均匀,尺寸一般为15~50 μm,与一般铝合金熔焊焊缝熔合线晶粒形貌不同,接头从熔合线到焊缝中心组织均为细小等轴晶粒,无柱状树枝晶组织。与2195/2325接头的组织进行对比可知,提高焊丝内Ti、Zr等合金化元素的质量分数可以显著降低焊缝组织的晶粒尺寸,有助于熔合线细小晶带的形成。

图3 2195/BJ-4505接头背散射图
Fig.3 Backscattered electron images of the 2195/BJ-4505 welded joint
注: (a)-(b)焊缝中心背散射图;(c)-(d)熔合线背散射图。
在[011]晶带轴下析出相形貌、选区电子衍射图像见

图4 2195/BJ-4505接头熔化区TEM图
Fig.4 TEM images of the fusion zone in the 2195/BJ-4505 welded joint
注: (a)-(b)焊缝晶粒内部形貌及其衍射斑点;(c)-(d)焊缝晶间形貌及其衍射斑点;(e)-(f)焊缝晶间能谱。
BJ-4505焊丝焊接裂纹敏感性试验结果见

图5 2195/BJ-4505接头环形焊缝抗裂试验
Fig.5 The circular patch specimensof of the 2195/BJ-4505 welded joint
注: (a)-(b)一次焊接;(c)一次补焊;(d)二次补焊。
在利用4505焊丝进行一次焊接及一次补焊时,均没有出现结晶裂纹和液化裂纹,一次焊接裂纹敏感性K1=0%,K2=0%,见图
拉伸后的抗拉强度及延伸率数据统计在
温度/℃ | σb/MPa | Error bar/MPa | δ/% | Error bar/% |
---|---|---|---|---|
-253 | 532.1 | ±20 | 3.1 | ±0.5 |
-196 | 510.5 | ±20 | 3.7 | ±0.5 |
-150 | 437.7 | ±20 | 4.1 | ±0.5 |
-20 | 390.8 | ±15 | 5.5 | ±0.5 |
20 | 388.4 | ±10 | 6.3 | ±0.5 |
100 | 331.7 | ±10 | 4.4 | ±0.5 |
200 | 248.0 | ±10 | 5.1 | ±0.5 |
300 | 139.6 | ±5 | 7.4 | ±0.5 |

图6 拉伸断裂试样宏观形貌
Fig.6 Macroscopic morphology of tensile fracture
注: (a)常温断裂宏观形貌;(b)低温断裂宏观形貌。
BJ-4505自动焊接头在-196 ℃下的拉伸强度为510.5 MPa,延伸率为3.7%,在-253 ℃下拉伸强度为532.1 MPa,延伸率为3.1%,低温拉伸性能显示该接头满足低温使用要求。低温断口均分布在焊缝熔合线内侧,见

图7 接头常温及低温断口形貌
Fig.7 Tensile fracture morphology of the welded joint at room temperature and low temperature
注: (a)-(b)常温断口形貌;(c)-(d) 低温断口形貌。
冲击韧性及弯曲性能结果见
冲击韧性/J·c | 冷弯角/(°) |
---|---|
18.5 | 35.0 |
采用手工氩弧焊接方法对400 mm贮箱及960 mm贮箱结构件进行焊接,考察BJ-4505焊丝在结构件上的适应性及焊接性,结构件均由2个半球对接构成,焊接部位包括法兰和环焊缝,焊口厚度为3.0 mm。通过酸洗、焊前打磨、装配、定位焊后,实施一次焊接,完成400 mm贮箱及960 mm贮箱结构件的焊接。焊接后目视检查焊缝的外观质量,焊缝成形良好,焊缝表面不存在咬边、低于母材的凹陷,未见超过QJ2698A—2011 I级焊缝要求的表面气孔及裂纹等表面缺陷,且余高可以圆滑过渡至母材表面,焊缝成形质量良好。对通过X光检测的贮箱进行水压测试,首先将去离子水注入贮箱内,水压从0升至0.5 MPa后保压5 min,再升至0.8 MPa保压10 min,在保压期间未见明显压降及泄露现象,通过水压测试。研究表明BJ-4505焊丝可完成球形结构件法兰及环缝的焊接。

图8 2195铝锂合金贮箱宏观形貌及液压测试
Fig.8 Morphology of 2195 Al-Li alloy tank and hydraulic test
注: (a)-(b)400 mm贮箱结构件;(c)-(d)960 mm贮箱结构件。
(1)2195/BJ-4505接头显微组织细小且均匀,接头从熔合线到焊缝中心均为等轴晶,熔化区主要由α-Al基体、Al2Cu及Al3(Ti,Zr)相组成。
(2)2195/BJ-4505接头抗裂性能优异。一次焊接熔焊接头裂纹敏感性K1=0%,K2=0%;一次补焊接头裂纹敏感性为K1=0%,K2=0%;二次补焊接头裂纹敏感性为K1=0.8%,K2=0%。
(3)2195/BJ-4505接头综合力学性能优异,接头常温抗拉强度超过385 MPa,延伸率为6.3%,接头-196 ℃下低温抗拉强度超过510 MPa,延伸率为3.7%,接头冲击韧性为18.5 J/c
(4)利用BJ-4505焊丝完成贮箱结构法兰及环焊缝的焊接,并进行了水压测试,满足工程使用需求。
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