高子強(qiáng)，晁耀杰，宋鴻武，鄒 陽，張義文，席家利，李 敬，高育林

(1.大連長豐實(shí)業(yè)總公司，遼寧 大連 116038；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016)

隨著航空制造業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代航空裝備對整機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化和服役安全性的要求不斷提高，使得以LF6為代表的防銹鋁合金在航空構(gòu)件上得到了廣泛應(yīng)用。焊接作為航空金屬材料的一種重要的連接方式，是一種集化學(xué)冶金、不平衡傳熱和應(yīng)力變形于一體的物理化學(xué)過程[1-2]。焊接接頭組織直接影響其焊接接頭的力學(xué)性能和整體結(jié)構(gòu)的服役可靠性。

然而，對于同種母材，焊接接頭的組織性能會(huì)隨著焊接熱輸入的能量密度、時(shí)間和一次焊或多次補(bǔ)焊的次數(shù)等參數(shù)發(fā)生很大的變化，尤其是補(bǔ)焊次數(shù)。航空裝備經(jīng)過長期服役，大量存在磨損、開裂等損傷缺陷的鋁合金零部件需要進(jìn)行補(bǔ)焊修理[3]。補(bǔ)焊過程中主要存在以下幾個(gè)問題：原來焊接位置的裂紋能否進(jìn)行補(bǔ)焊處理，補(bǔ)焊次數(shù)未知；補(bǔ)焊后性能能否達(dá)到使用要求?，F(xiàn)階段，補(bǔ)焊修理的可行性判定直接制約了航空裝備的焊接修理，因此補(bǔ)焊次數(shù)對焊接接頭組織的影響規(guī)律與相關(guān)機(jī)理是一個(gè)亟需研究的問題。

國內(nèi)外針對LF6鋁合金焊接性能的研究，主要集中在該材料在新型焊接方法、焊接變形和焊接裂紋等方面的研究[5-10]，而針對LF6多次補(bǔ)焊性能相關(guān)的研究卻鮮有報(bào)道。

為此，本工作以LF6鋁合金的多次補(bǔ)焊接頭為對象，研究不同補(bǔ)焊次數(shù)下接頭組織的變化規(guī)律及其組織變化對接頭力學(xué)性能影響的機(jī)理，以期為LF6鋁合金補(bǔ)焊結(jié)構(gòu)的服役安全性提供理論支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用2.0 mm厚的LF6防銹鋁合金熱軋平板進(jìn)行多次補(bǔ)焊研究，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，焊接試板規(guī)格為195 mm×95 mm。焊前首先用低濃度的堿溶液清洗除油，然后采用鋼絲刷機(jī)械打磨法清理坡口表面及兩側(cè)，直至露出金屬光澤，并用丙酮、無水酒精擦拭表面。焊接過程中采用多通道Ar氣保護(hù)，以保證焊縫正面與背面都能得到保護(hù)，電極為直徑2.5 mm的鈰鎢極，焊絲材料為直徑Φ2的LF6防銹鋁合金，焊縫長度195 mm。第一次平板對接焊要求單面焊雙面成型，第二道焊縫在已經(jīng)打磨掉焊縫余高的背面進(jìn)行堆焊，第三道焊縫在正面已經(jīng)打磨掉余高的原焊縫上方進(jìn)行堆焊，之后每次補(bǔ)焊均在打磨掉焊縫余高的正面進(jìn)行，直至在原焊縫位置焊接第五道焊縫。

表1 LF6鋁合金質(zhì)量分?jǐn)?shù) (wt,%)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)制備金相試樣，腐蝕溶液為凱勒試劑(V(HF)∶V(HCl)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1.0∶1.5∶2.5∶95.0(體積比))，在LEXT—OLS4000金相顯微鏡上對一次焊、二次焊、三次焊直至六次焊的接頭金相組織進(jìn)行分析。為了清晰的對比不同焊接次數(shù)對晶粒度的影響，利用日立S-570 掃描電子顯微鏡(SEM)中電子背散衍射(EBSD)系統(tǒng)的織構(gòu)分析功能，觀察對比不同焊接次數(shù)條件下的晶粒微觀形貌；采用X射線衍射(XRD)手段對各階段接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。拉伸測試在萬能試驗(yàn)機(jī)上完成。為了對比分析焊接熱循環(huán)次數(shù)對焊接接頭韌脆性的影響，采用掃描電子顯微鏡對拉伸斷口進(jìn)行了對比觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相觀察試驗(yàn)

LF6防銹鋁合金的多次焊接接頭的熔合區(qū)微觀形貌如圖1所示。一次TIG焊過程中，焊縫區(qū)的熔融金屬溫度上升很高，與母材間的溫度梯度很大，由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)較大，在焊接接頭的熔合線附近，會(huì)形成從母材向焊縫中心生長的胞狀樹枝晶，該樹枝晶在熔合區(qū)這一微區(qū)范圍內(nèi)主要以一次晶的方式生長，越過熔合線以后逐漸生成較多的二次晶，且晶粒越來越細(xì)密，使得焊縫區(qū)表現(xiàn)為細(xì)密的等軸晶粒。相比一次焊，二次補(bǔ)焊接頭的熔合區(qū)內(nèi)的柱狀晶粒相比一次焊尺寸長大不明顯，但其柱狀晶的晶界處二次相數(shù)量明顯增多，柱狀晶粒之間的疏松程度增大。三次補(bǔ)焊、四次補(bǔ)焊與五次補(bǔ)焊的接頭熔合區(qū)內(nèi)晶粒逐步長大，晶界處強(qiáng)化相的偏聚程度逐漸加強(qiáng)，表現(xiàn)為柱狀晶粒之間的晶界輪廓更加明顯，晶粒變疏松，柱狀晶尺寸長大。隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增多，熔合區(qū)的柱狀晶在焊接熱循環(huán)的作用下，晶粒尺寸逐漸長大，且熔合區(qū)的第二相呈現(xiàn)出偏聚趨勢，第二相尺寸逐漸變大。

圖1 LF6防銹鋁合金一次焊和多次補(bǔ)焊焊接接頭的熔合區(qū)微觀形貌

一次焊或多次補(bǔ)焊的接頭焊縫區(qū)的微觀形貌如圖2所示。從圖中可以看出，一次焊～五次補(bǔ)焊的焊縫區(qū)微觀形貌大體相同，焊縫區(qū)均為鑄造組織，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增多，第二相的彌散分布程度降低、偏聚(聚集)程度增大，金相照片上表現(xiàn)為第二相的尺寸增大。

圖2 LF6防銹鋁合金一次焊或多次補(bǔ)焊的焊接接頭焊縫區(qū)微觀形貌

為了更清晰的觀察焊縫中第二相的微觀形貌，對一次焊接試樣的焊縫區(qū)進(jìn)行了測試(如圖3所示)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，白色第二相為Al6(FeMn)相，均勻分布的黑色細(xì)小第二相為Mg2Si。同時(shí)，查找LF6鋁合金文獻(xiàn)資料[7-8]和SEM照片結(jié)果可知，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增多，起強(qiáng)化作用的第二相尺寸明顯增大，單位面積內(nèi)數(shù)量減少，在力學(xué)性能上表現(xiàn)為脆性變大、塑性降低。這是因?yàn)榈谝坏篮缚p在多次焊接熱循環(huán)的作用下，溫度急劇升高，強(qiáng)化相發(fā)生固溶，第二相發(fā)生偏聚，均勻細(xì)小的等軸晶粒逐漸長大。

圖3 一次焊接接頭焊縫區(qū)的SEM圖像

圖4為一次焊～五次補(bǔ)焊的近縫熱影響區(qū)的微觀形貌，近縫熱影響區(qū)作為母材區(qū)的一部分，晶粒形態(tài)與母材相同，均為軋制態(tài)組織，晶粒沿著延展方向伸長，多為扁平狀或長條狀，第二相沿著纖維方向呈現(xiàn)鏈狀分布。圖4觀察結(jié)果表明，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增多，細(xì)小彌散強(qiáng)化相的固溶程度增大、數(shù)量減小，鏈狀分布的第二相尺寸增大、第二相與固溶體之間的輪廓更加明顯，靠近焊縫一側(cè)的部分晶粒發(fā)生再結(jié)晶，由扁平狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶?；虬氲容S晶，并隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增大，其尺寸逐漸變大。

圖4 LF6防銹鋁合金一次焊和多次補(bǔ)焊的焊接接頭的近縫熱影響區(qū)微觀形貌

2.2 EBSD織構(gòu)分析試驗(yàn)

為了觀察補(bǔ)焊次數(shù)對晶粒長大傾向的影響，運(yùn)用EBSD背散射織構(gòu)分析技術(shù)對母材區(qū)、焊縫區(qū)與熱影響區(qū)的晶粒大小進(jìn)行了觀察，焊縫區(qū)晶粒大小如圖5所示，母材區(qū)與熱影響區(qū)晶粒大小如圖6所示。

圖5 LF6防銹鋁合金一次焊和多次補(bǔ)焊的焊接接頭焊縫區(qū)EBSD對比

圖5結(jié)果表明，焊接接頭焊縫區(qū)的晶粒尺寸明顯大于正常母材區(qū)；一次焊與三次補(bǔ)焊焊縫區(qū)的晶粒多為等軸狀，且三次補(bǔ)焊焊縫晶粒尺寸明顯大于一次焊。根據(jù)成分過冷理論，隨著焊縫區(qū)金屬凝固層向焊縫中心推進(jìn)，固相散熱能力逐漸減弱，溫度梯度逐漸趨于平緩，且剩余液態(tài)金屬中的溶質(zhì)原子逐漸富集，從而使得凝固界面前方的成分過冷逐漸增大，當(dāng)成分過冷度達(dá)到足以發(fā)生非均質(zhì)形核時(shí)，便形成等軸晶；此外，在同一焊縫位置隨著焊接次數(shù)的增多，相當(dāng)于承受多次高于再結(jié)晶溫度的熱處理，但原焊縫金屬不會(huì)發(fā)生熔化，該位置是否是后一道焊縫的熱影響區(qū)，因此原晶粒會(huì)會(huì)在焊接熱的作用下進(jìn)一步長大，進(jìn)而導(dǎo)致補(bǔ)焊接頭焊縫組織的晶粒尺寸比上一次補(bǔ)焊明顯增大。

圖6 LF6防銹鋁合金母材、一次焊和多次補(bǔ)焊的焊接接頭熱影響區(qū)EBSD對比

圖6分析結(jié)果表明：母材區(qū)均呈現(xiàn)為軋制態(tài)變形晶粒，熱影響區(qū)的晶粒多為等軸或半等軸狀；近縫熱影響區(qū)的晶粒尺寸均大于正常母材區(qū)；三次補(bǔ)焊與一次焊熱影響區(qū)的晶粒尺寸均大于正常母材。通過尺寸測量得出，一次焊晶粒尺寸大小464.28 μm，二次補(bǔ)焊506.38 μm，三次補(bǔ)焊535.44 μm，四次補(bǔ)焊為718.63 μm。這是因?yàn)檎顟B(tài)的母材沒有受到焊接熱的影響，母材仍然保持軋制態(tài)，晶粒仍保持沿軋制方向的變形晶粒。在焊接熱的影響下，近縫熱影響區(qū)的晶粒會(huì)經(jīng)歷再結(jié)晶或回復(fù)過程，原來的變形晶粒會(huì)在原基體上生成新的無畸變等軸晶?；虬氲容S晶粒。隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增多，焊接熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)的作用下，晶粒逐漸長大。

2.3 焊接接頭HAZ區(qū)XRD殘余應(yīng)力測試分析

基于TIG焊的特點(diǎn)和LF6鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)較大的情況，LF6鋁合金的焊接過程本身就是一個(gè)不均勻加熱且快速冷卻的過程，焊接殘余應(yīng)力不可避免，補(bǔ)焊更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。下面針對一次焊、二次補(bǔ)焊、三次補(bǔ)焊及四次補(bǔ)焊的接頭熱影響區(qū)(均距離焊縫中心15 mm位置)，即HAZ區(qū)，采用XRD方法進(jìn)行橫向焊接殘余應(yīng)力的測試，測試結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，一次焊的殘余應(yīng)力數(shù)值為67.5 MPa，二次補(bǔ)焊為120.6 MPa，三次補(bǔ)焊為229.2 MPa，四次補(bǔ)焊為235 MPa，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加縱向焊接殘余應(yīng)力數(shù)值不斷增加，三次補(bǔ)焊與四次補(bǔ)焊的數(shù)值相近且接近材料的屈服強(qiáng)度(236～241 MPa)。這是因?yàn)樵诤附优c補(bǔ)焊過程中，焊接試件的兩端均有剛性固定裝置，焊縫在加熱過程中，受熱膨脹，但由于受到兩端的剛性限位作用，焊接接頭的熱影響區(qū)(HAZ)形成殘余壓縮變形，隨著焊縫及周圍區(qū)域的冷卻收縮，焊縫及其熱影響區(qū)最終會(huì)產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力[1]。隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力集中程度增加，數(shù)值疊加，進(jìn)而顯示出如圖7所示的變化趨勢。

圖7 接頭殘余應(yīng)力數(shù)值測試

2.4 拉伸斷口掃描分析

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)參數(shù)，在萬能試驗(yàn)機(jī)上對LF6防銹鋁合金一次焊～五次補(bǔ)焊的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸性能測試，利用掃描電子顯微鏡對上述拉伸斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，SEM放大3 000倍的觀察結(jié)果如圖8所示。對比觀察圖8(a)～(e)，可以發(fā)現(xiàn)一次焊～五次補(bǔ)焊的拉伸斷口顯示的均為韌窩形貌，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征。但是在相同放大倍數(shù)下，一次焊與二次補(bǔ)焊斷口中的韌窩尺寸較小，一次焊的韌窩尺寸和分布較為均勻，二次補(bǔ)焊斷口韌窩尺寸變大，且大小不均勻；三補(bǔ)次焊～五次補(bǔ)焊斷口中韌窩的平均尺寸相對較大且尺寸不均勻，但三次補(bǔ)焊～五次補(bǔ)焊斷口的微觀形貌差別不明顯。

圖8 LF6防銹鋁合金一次焊和多次補(bǔ)焊的焊接接頭拉伸斷口微觀形貌

根據(jù)韌窩的形成特點(diǎn)，韌窩斷裂包括三個(gè)階段，裂紋的萌生-形成顯微空洞，裂紋的擴(kuò)展聚集和最終斷裂。通過查找相關(guān)文獻(xiàn)[7,10]發(fā)現(xiàn)，在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接接頭焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)中的會(huì)聚集和析出第二相粒子，這些第二相粒子的熱膨脹系數(shù)和鋁基體相差較大，在焊接熱循環(huán)的作用下，第二相粒子會(huì)與基體脫離，導(dǎo)致接頭性能惡劣，不同焊接次數(shù)下拉伸斷口的微觀形貌存在不同。

3 結(jié)論

1)隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增多，熔合區(qū)晶粒逐步長大，晶界處強(qiáng)化相的偏聚程度逐漸加強(qiáng)，第二相發(fā)生聚集，尺寸變大；焊縫區(qū)強(qiáng)化相發(fā)生固溶，第二相發(fā)生偏聚，均勻細(xì)小的等軸晶粒逐漸長大；近縫熱影響區(qū)細(xì)小彌散強(qiáng)化相的固溶程度增大、數(shù)量減小，鏈狀分布的第二相尺寸增大、第二相與固溶體之間的輪廓更加明顯，靠近焊縫一側(cè)的部分晶粒發(fā)生再結(jié)晶，由扁平狀晶粒長大為等軸晶粒或半等軸晶，且尺寸逐漸變大。

2)HAZ區(qū)XRD殘余應(yīng)力測試分析結(jié)果表明，補(bǔ)焊接頭容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加縱向焊接殘余應(yīng)力數(shù)值不斷增加。

3)不同補(bǔ)焊次數(shù)的焊接接頭的拉伸斷口均為韌性斷裂，但微觀斷口形貌存在差異。這是因?yàn)榈诙嗔Ｗ拥臒崤蛎浵禂?shù)和鋁基體相差較大，在焊接熱循環(huán)作用下，第二相粒子會(huì)與基體脫離，導(dǎo)致接頭性能惡劣，微觀斷裂形貌發(fā)生變化。

4)補(bǔ)焊次數(shù)增加會(huì)造成熔合區(qū)和焊縫區(qū)晶粒長大、強(qiáng)化相偏聚、第二相粒子與基體相結(jié)合強(qiáng)度下降，引起熱影響區(qū)應(yīng)力集中程度加劇，造成補(bǔ)焊接頭力學(xué)性能下降。