铝锂合金焊接技术的研究现状分析
温忠亮
摘? 要：铝锂合金作为轻质、高性能材料，得到广泛的应用，铝锂合金连接质量和应用受到焊接方法的影响，采取不同焊接方法对于连接区域性能产生不同影响，可能会造成焊接区域性能改变，因此焊接方法成为人们研究的热门问题。基于此，该文先对铝锂合金成分进行了深入分析，然后对铝锂合金焊接技术进行详细分析。以期通过采取合适的焊接技术，可以减少焊接方法对于铝锂合金质量的影响，保证焊接连接区域性能满足质量要求，推动铝锂合金的广泛应用。
关键词：铝锂合金;焊接方法;焊接缝;抗拉强度
中图分类号：? TG457? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 引言
铝锂合金是一种轻质金属，由于添加大量Li元素，密度较低，具有较高弹性模量，经常用于航天航空工程中。有研究表明，铝锂合金每添加1%Li元素，可以降低铝锂合金密度3%，使弹性模量提高6%。铝锂合金耐蚀性较强，具有良好的抗疲劳性能和低温性能，在轨道交通、核工业等领域具有广阔的应用空间。随着铝锂合金广泛应用，合金焊接工艺受到了极大关注，焊接时合金出现晶粒粗大，产生气孔等缺陷，影响合金质量和应用。因此研究焊接方法是保证合金焊接质量的关键。
1 铝锂合金成分
目前已经开发出第三代铝锂合金，将Li元素含量明显减少，提高Cu元素含量，产生新强化相改善各向异性问题，使铝锂合金韧性得到提升，具有良好的焊接性。铝锂合金主要包括Li、Cu、Mg、Zr、Fe、Si、Zn、Mn。其中由于Li元素的活性在表面形成LiOH、Li2O等化合物，使得合金表面形成了氧化膜。氧化膜很容易和环境中的水分反应。焊接时若母材处理不当，造成焊缝中进入氢，形成气孔，在焊接时将会产生沿晶界分布的共晶，使接头出现沿晶热裂纹，由于焊缝热影响区和时效问题，在接头焊后出现软化，造成合金力学性能下降。因此焊接铝锂合金存在多种方法，以下进行详细研究。
2 铝锂合金的焊接方法
2.1 弧焊
传统弧焊方法成本低廉，具有较高的适应性和通用性，焊接时使用阴极雾化作用将表面氧化膜完全清除，焊接前深度清理母材，同时对合金气纯度起到保护作用，避免接头气孔多的问题。使用弧焊焊接存在很多优势，由于弧焊温度高，热输入大，容易导致晶粒粗大，造成接头性能恶化。选择合适的焊接工艺已经成为弧焊的关键条件。如使用变极性TIG对2195铝锂合金焊接，由于焊缝以及热影响区晶粒较粗大，将会造成接头位置力学性能出现下降，抗拉强度只能达到66%。TIG热输入大，焊接接头晶粒粗化严重，造成接头性能很难提高。在TIG焊接方法基础上使用新工艺限制晶粒，进而提高焊接接头性能。
使用填丝焊后，加热焊丝可以分担部分热输入，焊丝成分能够对晶粒起到细化作用，对晶粒产生抑制作用。采取填丝TIG焊方法，添加不同种类焊丝有助于细化晶粒，使抗拉强度得到提升。填丝焊和复合焊能够减小晶粒尺寸，但是接头强度仍然不高。使用交流CMT工艺，可以得到细小晶粒焊缝组织，对接头软化问题得到改善，将抗拉强度提高至母材82%，相比于普通弧焊工艺，该方法将抗拉强度提高了15%。
2.2 高能束焊
激光焊是传统焊接方法中热输入较少的方法，焊接合金时有助于降低晶粒粗化，热影响区相对较窄，可以减少力学性能受到的影响。因此该方法具有一定的优势。该方法具有较高的反射率，焊接过程中等离子光产生屏蔽作用，不利于焊接效果的优化。研究激光焊接接头组织，使用YAG激光焊接方法，形成的接头熔合区包含等轴树枝晶构成，树枝状亚晶的粗细不均匀，熔合线附近存在细小球状细晶区，激光焊接方法晶粒尺寸较为粗大，接头区域晶粒大小分布不均匀，给接头造成不良影响，影响合金的综合性能。激光填丝焊接具有较高生产率，焊接变形相对较小，能够对焊缝成形起到改善作用，使接头力学性能得到提升，在铝锂合金焊接中广泛应用。使用激光填丝焊接核心，得到的焊缝晶粒更加细小，很多晶粒属于胞状等轴晶，接头硬度更加均衡，抗拉强度可以提高至73%。填丝焊提高接头综合性能，在电流辅助下，能够进一步缩小晶粒尺寸，使晶粒尺寸更加均衡，使抗拉强度得到显著提升。
电子束焊也经常应用于铝锂合金的焊接中，该方法产生的焊缝和热影响区相对狭窄，在很大程度上减小了铝锂合金接头软化倾向。使用电子束焊，需要在真空中展开，能够避免焊接氢气孔的缺陷，电子束焊焊接期间冷却速度相对较快，析出强化相较少，存在严重的成分偏析问题，必须要在焊接过程中加强控制。使用电子束焊焊接，焊缝位置包含柱状晶和轴晶混合，在晶界位置存在严重的偏析问题，造成晶内析出强化相较少。焊接时增加电子束扫描，焊缝组织均为细小等轴晶，焊缝中析出大量强化相，提高力学性能。可见使用电子束可以有效提高焊缝组织，提高强化相作用。但是强化相贫化原因在于焊后快速冷却造成未及时析出。对接头进行焊接热处理，可以有效加强强化相析出。快速冷却会造成强化相不充分析出，使接头强度得到提升，焊后热处理对于提高电子束接头性能具有重要意义。提高接头强度，但是接头塑性无法达到母材水平，未来还需要对该问题进行深入分析。
2.3 搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是无金属熔化过程，焊接低沸点元素材料，不会出现元素蒸发的问题，抗拉强度更加接近母材。使用搅拌摩擦焊接头，热影响区较小，焊核区几乎没有强化相。由于焊缝析出强化相较少，通过提高冷却速度，得到过饱和固溶体，焊后处理时效，使强化相析出，使得合金强度得到提高。对铝锂合金焊接过程中添加水浸涂料滚轮，快速冷却，让强化相数量快速增加，将抗拉强度提高28%。使用搅拌摩擦焊可以提高合金接头性能，提高抗拉强度。搅拌摩擦焊强化相析出量少，對接头力学性能起到阻碍作用。目前解决问题的方法停留在处理焊后上，还需要深入研究强化相控制。
2.4 扩散焊
扩散焊是一种固相焊接方法，扩散焊缝缺少凝固组织，铝锂合金焊接时注意避免元素烧损，将焊缝强化相大量保留，并不存在裂纹和气孔。需要耗费大量扩散时间，焊接的效率相对较低。铝锂合金的氧化膜会对原子扩散产生阻碍作用，影响接头性能，焊前需要深度清理母材对接面。使用扩散连接铝锂合金发现抗剪强度会随着压力和温度变化增加，在11 MPa、520℃环境下，经过1 h保温可以达到最大值。使用合理的焊接参数可以有效提高焊接头性能。因此扩散焊接头性能受到连接方式、中间层以及工艺参数的影响，使用合理工艺设计可以得到良好接头，将接头强度提高至母材90%。由于焊接要长时间保温，焊接过程耗时长，需要着重研究这些问题，提高合金性能。
2.5 钎焊
钎焊也经常用于铝锂合金的焊接上，由于铝锂合金氧化膜影响钎料润湿母材，破坏氧化膜钎剂成为焊接成功的关键。由于合金固相线温度较低，母材易出现过烧问题，因此加强钎焊温度控制十分关键。使用钎焊方法焊接铝锂合金，可选择钎料和钎剂十分关键，在530℃下使用Ag-Al-Cu-Zn钎料以及CsFAlF3作为钎剂可以取得良好抗剪强度。使用多组元重金属钎剂，可以达到良好的氧化膜破坏效果。
3 结论
综上所述，铝锂合金成分主要包括Li、Cu、Mg、Zr、Fe、Si、Zn、Mn。其中由于Li元素的活性在表面形成LiOH、Li2O等化合物，使得合金表面形成了氧化膜，对于焊接质量产生不利影响。常用铝锂合金的焊接方法包括弧焊、高能束焊、搅拌摩擦焊、扩散焊、钎焊，这些方法都需要经过对应的改善，才能提高合金抗拉强度，保证焊接后合金仍然满足使用要求。未来还需要深入研究焊接方法，提高焊接质量。
参考文献
[1]李玉龙，袁天保，陈玉波，等.铝锂合金搅拌摩擦焊接技术的研究现状及其发展方向[J].电焊机，2019，49（2）：6-13.
[2]赵礼，王少刚，陈源，等.铝锂合金的高能束焊接技术研究进展[J].焊接技术，2017，46（10）：1-6.
