摘要
为了解决2195铝锂合金在焊接时裂纹敏感性高、焊接头软化等问题，通过调整焊丝的化学成分，添加微米级原位自生TiB2颗粒，制备出BJ-4210焊丝，并对焊接头的抗裂性、力学性能及显微组织进行了研究。研究表明，TiB2颗粒在熔池中作为形核质点，能够降低焊缝晶粒尺寸并且改变晶粒形态，从而有效的降低接头的裂纹敏感性，提高接头的力学性能，其拉伸强度达到370 MPa，延伸率为3.1%。BJ-4210焊丝的研制可为2195铝锂合金的工程应用提供技术支撑。
2195铝锂合金是一种低密度、高比强度、高比模量、具备较好抗腐蚀性能及良好低温性能的铝合金，在航空航天领域中具有巨大的应用价值。使用铝锂合金代替常规铝合金，在强度提高15%~20%的同时能够减重10%~20%，可以有效减轻航空航天推进器结构质量，提升其运载能
随着2195铝锂合金的不断应用，其焊接性能得到相关研究人员的广泛关注。研究表明采用传统熔焊工艺焊接铝锂合金时，主要存在焊接气孔敏感性高、焊缝易氧化、热裂纹敏感性高、焊接头软化等问
本文针对2195铝锂合金的特点，通过调整焊丝的化学成分从而改善焊缝的微观组织，降低接头的裂纹敏感性，提高焊缝的力学性能。
所用母材为西南铝生产的T8态2195铝锂合金板材，厚度为8 mm，将其加工为6 mm厚的焊接试板，合金为Al-Cu-Li系合金，具体成分见
将焊接试板和焊丝进行除油、酸洗及打磨刮削处理，保证清除铝合金表面氧化膜，防止焊接气孔缺陷的产生，焊接过程在焊接区域实施Ar保护措施，避免焊缝被氧化。焊接试验设备为奥地利生产的Fronius MW 4000型焊机，在AR保护下进行TIG手工焊接，采用单面双层焊接工艺，焊接电流为200 A，焊接速度为100 mm/min，Ar流量为12 L/min。焊接后对试板进行X光检测，X光底片显示焊缝内部质量满足QJ 2698A—2011 I级焊缝要求。
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，每种拉伸试样取3个子样，取其拉伸强度及延伸率的平均值作为该状态下的力学性能。
利用德国生产的AXS-D8射线衍射仪进行X射线衍射分析测试，将焊缝截面切割成长方形样品，要求测试面平整，实验条件：Cu-Kα辐射，加速电压40 kV，扫描速度6°/min。金相试样采用混合酸溶液侵蚀，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。在Quanta-650扫描电镜进行接头显微组织分析、能谱分析（EDS）及拉伸断口分析。在美国沃特仕生产的STDQ-600差式扫描量热仪上测量焊缝及2195铝锂合金母材的DSC曲线，获得合金在凝固过程的初始结晶温度、最终结晶温度及凝固温度区间。
使用BJ-380D及BJ-4210焊丝都是Al-Cu-Si系焊丝，其中BJ-380D焊丝添加Ti、Zr等微合金化元素作为晶粒细化剂， BJ-4210焊丝的化学成分是在BJ-380D的基础上进行调整，将晶粒细化剂改变为微米级的原位自生TiB2颗粒，以改善焊缝的微观组织，提高焊缝的抗裂性及力学性能，两种焊丝的成分对比见
选用环形焊缝试验方法对2195铝锂合金及其配用焊丝的焊接裂纹敏感性进行评价。环形焊缝试验法，类似于法兰焊接结构。内外圆盘为母材，加工、装配压紧后进行对接焊接，试片厚度不限，适合于手工焊和自动焊。焊后分别测量结晶裂纹长度和液化裂纹长度，测量单条焊缝上的裂纹长度时应从正、反两面进行，取数值较大者计算。
对母材环形试样进行自熔焊接，焊缝中心存在大量结晶裂纹，结晶裂纹敏感性K1＞14%，沿裂纹纵向方向制备金相试样，观察裂纹的扩展途径及裂纹与焊缝微观组织的关系。焊接热裂纹的宏观及微观形貌如
图1 焊接热裂纹的宏观及微观形貌
Fig.1 Macro and micro morphology of welding hot crack
图2 焊接热裂纹断口形貌
Fig.2 Fracture morphology of welding hot crack
利用BJ-380D及BJ-4210焊丝对圆盘试样进行填丝氩弧焊接，环形焊缝抗裂试验结果见
图3 BJ-380D及BJ-4210焊丝抗裂试验
Fig.3 Anti-crack experiment of BJ-380D and BJ-4210
为进一步研究BJ-4210焊丝的抗裂性能，对其焊接头的DSC曲线进行测量，根据温度与热流之间的关系，得到焊接头在凝固过程的初始结晶温度、最终结晶温度及凝固温度区间，实验结果见
图4 BJ-4210接头DSC曲线
Fig.4 DSC curve of BJ-4210 welded joint
利用两种不同焊丝对2195铝锂合金进行单面双层焊接后，试板厚度为6.0 mm，对接头进行室温拉伸试验，测量、统计抗拉强度及延伸率，并计算其平均值，结果记录在
将焊接头截面切割成长方形样品，利用X衍射仪分析焊缝组织，使用jade衍射特征峰进行标定分析后，在Origin中绘制 X 射线衍射分析图谱，见
图5 BJ-4210接头Ⅹ射线衍射图谱
Fig.5 X-ray diffraction pattern of BJ-4210 welded joint
对BJ-4210及BJ-380D焊接头的显微组织进行分析，
图6 BJ-4210和BJ-380D接头金相组织
Fig.6 Metallographic structure of BJ-4210 and BJ-380D welded joint
使用扫描电镜（SEM）对BJ-4210和BJ-380D的微观组织进行进一步分析，通过背散射图像确定焊缝中的相分布，并利用能谱分析（EDS）对组织进行分析。
图7 BJ-4210和BJ-380D接头显微组织
Fig.7 Microstructure of BJ-4210 and BJ-380D welded joint
图8 BJ-4210和BJ-380D焊缝组织能谱分析
Fig.8 EDS analysis of BJ-4210 and BJ-380D welded joint
BJ-380D及BJ-4210焊接头拉伸的断口位置处于熔合线内侧，说明接头熔合线内侧区域为接头最薄弱的位置，而TiB2颗粒作为非自发形核质点，降低晶粒尺寸的同时，改变了焊缝在凝固过程中的结晶行为，避免在熔合线内侧形成粗大的柱状树枝晶，使全焊缝区域形成细小等轴晶，可以有效提高接头的强度及塑性，此外TiB2颗粒自身作为合金中的硬质强化相可以阻碍焊接头受力时的位错移动，提高了接头的强度，因此BJ-4210接头具有更高的拉伸强度及延伸率。综上所述，TiB2颗粒增强可以改善接头的微观组织，提高接头的强度及塑性。
对2195/BJ-4210及2195/BJ-380D焊接头断口形貌进行分析，结果见
图9 BJ-4210和BJ-380D接头常温断口
Fig.9 Tensile fracture morphology of BJ-4210 and BJ-380D welded joint at room temperature
采用手工氩弧焊接方法及BJ-4210焊丝对结构模拟件进行焊接，考察焊丝在结构件上的适应性及焊接性，结构模拟件由2个半球对接构成，焊接部位包括1个直径为100 mm的嘴子和一个直径为1 000 mm的环焊缝，焊口厚度为3.0 mm，如
图10 结构模拟件焊接
Fig.10 Welding of simulation structure
（1）新研制BJ-4210焊丝抗裂性优异，K1=0%，K2=0%。
（2）BJ-4210焊丝的力学性能优异，拉伸强度最高为379 MPa，延伸率为3.1%。
（3）焊丝中添加Si元素后，在焊缝晶界处会形成Al-Cu-Si低熔点共晶相，有利于降低焊接头的热裂纹敏感性，但是晶界处富集的Si会导致焊缝脆性，体现在其焊接头延伸率偏低，且断口呈沿晶断裂特征。
（4）BJ-4210焊丝内的原位自生TiB2颗粒，在熔池中作为形核质点，可以降低晶粒尺寸，使焊缝形成均匀细小等轴晶，提高接头的抗裂性和力学性能。
（5）BJ-4210焊丝可以完成嘴子及环焊缝的焊接，证明其在结构模拟件的适应性及可焊接性。
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