鋁鋰合金電子束焊接工藝及其接頭組織與性能.pdf

1、鋁鋰合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、低溫性能和抗蝕性能好等特點(diǎn)，目前正逐漸取代常規(guī)鋁合金而廣泛應(yīng)用于制作飛機(jī)油箱以及航天飛機(jī)的低溫貯箱等部件，被認(rèn)為是一種理想的航空航天結(jié)構(gòu)材料。此外，鋁鋰合金在汽車、船舶和體育用品等領(lǐng)域中也有一定應(yīng)用。由于鋁鋰合金在工業(yè)生產(chǎn)中大多作為焊接結(jié)構(gòu)使用，采用常規(guī)的焊接方法如MIG、TIG焊等焊接鋁鋰合金時(shí)，易產(chǎn)生接頭熱影響區(qū)軟化、焊縫氣孔以及結(jié)晶裂紋等缺陷，使其應(yīng)用受到很大限制。真空電子束焊具有能量密度高、熱輸

2、入小、保護(hù)氣氛好等特點(diǎn)，采用電子束工藝焊接鋁鋰合金可獲得焊縫晶粒細(xì)小、熱影響區(qū)小、強(qiáng)度系數(shù)高的焊接接頭。此外，對(duì)電子束焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到焊接溫度場及應(yīng)力場分布，可為實(shí)際焊接工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)?；诖?，本文在采用ANSYS有限元分析優(yōu)化電子束工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)航空航天等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的1420及2090鋁鋰合金的電子束焊接工藝進(jìn)行研究，分析電子束流、焊接速度及掃描方式對(duì)接頭組織和性能的影響，并對(duì)接頭進(jìn)行焊后熱處理，將焊態(tài)下及熱

3、處理后接頭的組織與性能進(jìn)行對(duì)比，分析熱處理后接頭中強(qiáng)化相的析出。
　　數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，鋁鋰合金電子束焊接具有很快的升溫速度和降溫速度，在焊縫附近的溫度梯度較大，采用組合熱源所獲得焊縫的熔合線形狀與實(shí)際焊縫十分吻合，呈釘形分布特征。在電子束焊接過程中，熔池前部存在一定壓應(yīng)力，而在焊縫附近存在高值縱向拉應(yīng)力。采用有限元優(yōu)化電子束流及焊接速度等工藝參數(shù)，當(dāng)電子束流為I=8mA、焊接速度為V=1000mm·min-1時(shí)，接頭處于臨界

4、熔透狀態(tài)，且焊縫附近的拉應(yīng)力峰值大大降低。
　　接頭顯微組織觀察表明，鋁鋰合金電子束焊接頭組織構(gòu)成以共晶相為主，在晶內(nèi)分布少量強(qiáng)化相，另外在熔合線附近出現(xiàn)等軸細(xì)晶區(qū)（EQZ），這與鋁鋰合金中的Li和Zr元素有關(guān)。在焊接過程中采用圓形掃描可增強(qiáng)對(duì)熔池的攪拌作用，減少合金元素偏析，使晶界共晶相的尺寸減小且增加晶內(nèi)共晶相的數(shù)量，有利于提高晶界強(qiáng)度。此外，圓形掃描還通過其攪拌作用增加熔池中非均勻形核質(zhì)點(diǎn)Al3Zr的數(shù)量，提高熔池的形核率，

5、細(xì)化焊縫組織。直線掃描對(duì)熔池的攪拌作用不及圓形掃描，因此對(duì)焊縫晶粒的細(xì)化作用不佳，焊縫組織中的晶界共晶相有所粗化。
　　對(duì)接頭進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果顯示，添加圓形掃描獲得接頭的抗拉強(qiáng)度較高，直線掃描次之，而未添加掃描的最低。由于圓形掃描可以顯著減少焊接過程中合金元素的燒損，有利于保持其強(qiáng)化作用效果，因此獲得接頭的強(qiáng)度較高。接頭顯微硬度測試表明，焊縫金屬區(qū)的硬度低于母材和熱影響區(qū)，在熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。采用圓形掃描獲得接頭的硬度值

6、相對(duì)較高，這是由于圓形掃描可通過電子束的回掃運(yùn)動(dòng)熔斷已經(jīng)長大的枝晶，使熔池內(nèi)部異質(zhì)形核表面的數(shù)量增加，從而細(xì)化焊縫組織。接頭拉伸斷口掃描觀察表明，未添加掃描的接頭呈脆性沿晶斷裂特征，而添加圓形掃描的接頭呈塑韌性較好的穿晶斷裂特征，在斷口表面分布有較多細(xì)小的韌窩。
　　將在焊態(tài)下和熱處理后1420和2090鋁鋰合金接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，熱處理后兩種鋁鋰合金接頭的強(qiáng)度均顯著提高，但接頭的延伸率有所下降。熱處理后接頭焊縫