鋁銅系合金焊接接頭應(yīng)力腐蝕開裂與工藝的相關(guān)性

林江波，宋永倫，冉國偉，羅傳光，張志華

(1.北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，北京100124；2.中國航天科技集團公司長征機械廠，四川萬源636371)

鋁銅系合金焊接接頭應(yīng)力腐蝕開裂與工藝的相關(guān)性

林江波1，宋永倫1，冉國偉1，羅傳光2，張志華2

(1.北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，北京100124；2.中國航天科技集團公司長征機械廠，四川萬源636371)

鋁合金在用于焊接結(jié)構(gòu)時，由于焊接熱循環(huán)的作用，出現(xiàn)了因過時效而導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)的軟化(即沉淀相分解析出)現(xiàn)象，不僅使得接頭強度性能降低，同時由于組織的不均勻性和貧銅區(qū)的形成，易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕破壞，也使接頭的應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)敏感性顯著增大，這是長期以來一直未獲解決的工程實際問題。在此闡述了鋁銅系合金焊接接頭開裂的機理、接頭應(yīng)力腐蝕開裂的特點以及與焊接工藝的相關(guān)性。采用慢應(yīng)變速率試驗和金相觀測輔助技術(shù)，得到了該類鋁合金在不同焊接方法下的焊接接頭和母材的應(yīng)力腐蝕敏感性對比。

焊接接頭；應(yīng)力腐蝕開裂；慢應(yīng)變速率試驗；工藝相關(guān)性

0 前言

鋁銅系合金不但具有較高的比強度、比模量、斷裂韌度、疲勞強度和耐腐蝕穩(wěn)定性，同時還具有良好的成形工藝性和焊接性，因此成為航天工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料[1]。例如，美國阿波羅飛船的指揮艙、登月艙，航天飛機氫氧推進劑貯箱、乘務(wù)員艙等都曾采用該類鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料。我國研制的各種大型運載火箭亦選用了鋁銅系合金作為主要結(jié)構(gòu)材料[2－3]。其中具有代表性的是2014、2219等固溶沉淀強化型鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。

目前工程上此類鋁合金可選擇的焊接方法有填絲TIG焊和近年來發(fā)展迅速的激光復(fù)合焊等熔化焊接方法，以及以攪拌摩擦焊(FSW)為代表的固相塑性連接方法。從材料角度看，經(jīng)固溶強化鋁合金的溫度、時間與組織性能之間存在密切的聯(lián)系。因此在用于焊接結(jié)構(gòu)時，由于焊接熱循環(huán)的作用，出現(xiàn)了因過時效而導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)軟化的現(xiàn)象，不僅使接頭的強度性能降低，同時由于組織的不均勻性而極易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕破壞，大大降低了接頭的抗應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)性能，成為長期以來未獲解決的工程實際問題。

美國在20世紀(jì)70年代對2014、2219等高強鋁合金應(yīng)力開裂腐蝕失效案例做過一個統(tǒng)計，如表2所示。其中，由于焊接制造過程的殘余應(yīng)力、安裝存放與承載應(yīng)力造成的失效高達(dá)90%，這也表明了鋁銅系合金對應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)的敏感性。在實際工程應(yīng)用中，高強鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂問題一直是損傷演化和失效機理研究的重點。

表1 2014、2219材料的化學(xué)成分%

表2 高強鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂失效案例統(tǒng)計

關(guān)于此類材料焊接接頭的機械性能和熱裂性能已經(jīng)做了大量的研究，而有關(guān)其SCC機理國內(nèi)外研究學(xué)者進行了相關(guān)研究，但仍有待深入。圖1為2219－T87交流TIG焊不同焊接線能量對θ相(Al2Cu)分布的影響。圖2為2219鋁合金FSW接頭的θ相大塊聚集現(xiàn)象，與其焊接速度較慢且較長的熱循環(huán)作用時間使材料的“過時效”顯著有密切關(guān)系。

隨著此類重要鋁合金焊接結(jié)構(gòu)材料越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是在各種工程實際環(huán)境下長期使用，焊接接頭的SCC問題必將更加嚴(yán)峻地擺在人們的面前。

1 焊接接頭的應(yīng)力腐蝕裂紋

1.1 鋁合金SCC機理的多樣性

有關(guān)鋁合金SCC的文獻中一般認(rèn)為產(chǎn)生SCC需要三個條件：(1)敏感合金，高強鋁合金大多屬這類合金；(2)需要有特定的環(huán)境，即腐蝕介質(zhì)，如海水、潮濕空氣和工業(yè)大氣等；(3)有拉應(yīng)力存在。它可以是外加的，也可能來自材料中的內(nèi)應(yīng)力或腐蝕產(chǎn)物的“楔子”作用造成裂紋尖端的拉應(yīng)力。

任何一個應(yīng)力腐蝕裂紋的存在都包含兩個階段：裂紋的生成和裂紋的擴展，它們都會影響合金抗應(yīng)力腐蝕的總壽命。圖3為鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂各種機理之間的相互關(guān)系。通常認(rèn)為裂紋的生成有以下幾個來源：

(1)點腐蝕。

圖1 2219鋁合金交流TIG焊焊接線能量不同對θ相塊狀聚集的影響[4]

表面具有氧化、鈍化膜的金屬或合金在含有氯離子的腐蝕介質(zhì)中易發(fā)生點腐蝕。這里指的是由于電化學(xué)腐蝕，陽極點被溶解而形成的裂紋源。合金中夾雜或大顆粒初生相就屬于這一種，其溶解(作為陽極)或其溶解周圍的固溶體(作為陰極)都可能成為開裂的核心。這是一個經(jīng)典的理論，已成功地解釋了許多試驗結(jié)果。

(2)機械微裂紋。

制品表面缺陷造成了裂紋的起源，如表面劃傷、碰傷、加工條痕等。

(3)位錯—滑移模式。

圖2 2219鋁合金FSW接頭的θ相大塊聚集現(xiàn)象[5]

圖3 鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂各種機理之間的相互關(guān)系[6]

這種假說在某種程度上是根據(jù)試驗提出的，人們發(fā)現(xiàn)位錯與沉淀硬化相之間的相互作用能影響合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。在滑移帶中靠晶界處如果有位錯堆集(堆垛位錯)，那么材料抗SCC性低；反之，如果滑移帶中包含的是不規(guī)則的彎曲位錯以及環(huán)位錯，其抗SCC性就高。亦即塑性變形(滑移)是被沉淀所“切割”，抗SCC性低，若是“繞過”沉淀，則可改善抗SCC性。

1.2 焊接接頭應(yīng)力腐蝕裂紋的特點

眾所周知，Cu元素是提高金屬鋁電極電位的元素，當(dāng)Cu元素以θ相在基體中脫溶析出后，在周圍將形成無溶質(zhì)原子析出帶(PFZ)，即貧銅區(qū)。這樣在晶界析出物θ、PFZ、和晶內(nèi)三者之間，晶界析出物的化學(xué)電位最高，其次是晶內(nèi)，PFZ因貧Cu而化學(xué)電位最低。所以，PFZ是上述三者中耐蝕性最差的區(qū)域。在NaCl溶液中，PFZ作為腐蝕微電池的局部陽極首先遭到破壞，因此PFZ就是合金在特定環(huán)境下(如NaCl溶液中)預(yù)先存在的腐蝕活性通道。

從應(yīng)力腐蝕的力學(xué)因素考慮，無溶質(zhì)原子析出帶PFZ內(nèi)的強化質(zhì)點甚少，是晶界析出物、PFZ和晶內(nèi)三者中最容易產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域，因此當(dāng)上述三者同時受到拉應(yīng)力作用時，過時效軟化區(qū)的應(yīng)力腐蝕將首先沿著PFZ變形開裂，形成微裂紋。由于裂紋尖端處的應(yīng)力集中進一步降低了該處的電極電位，使得SCC沿著PFZ擴展，再加上保證裂紋向縱深方向發(fā)展的裂紋尖端附近的鈍化作用，PFZ內(nèi)滑移——溶解——鈍化過程反復(fù)進行。因此，PFZ又是鋁合金在特定環(huán)境下(如NaCl溶液中)應(yīng)變產(chǎn)生的腐蝕活性通道[6]。

從上面分析看出，無溶質(zhì)原子析出帶PFZ將同時作為鋁合金焊接接頭在NaCl溶液中預(yù)先存在的腐蝕活性通道和應(yīng)變產(chǎn)生的腐蝕活性通道。

由于航天鋁合金結(jié)構(gòu)采用拼焊制造的方法，對制造過程的尋源表明，鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的材料損傷及力學(xué)性能局域性劣化表現(xiàn)在：(1)焊接過程中當(dāng)加熱溫度超過原材料的時效強化溫度，發(fā)生過時效和脫溶，導(dǎo)致焊接接頭強度的下降；(2)焊接接頭的各種冶金缺陷(如氣孔、裂紋、空洞、共晶液析、晶?；兊?以及焊接殘余應(yīng)力的不均勻分布；(3)晶界附近電位的差異和局域電化學(xué)反應(yīng)會比其他地方活躍，而使接頭熱影響區(qū)的沉淀強化元素的沿晶界析出與聚集，使焊接接頭組織出現(xiàn)形成不同程度的貧銅區(qū)導(dǎo)致接頭的抗腐蝕能力低于母材。很明顯，焊接接頭制造過程中的多種冶金缺陷，如微氣孔、裂紋，貧銅區(qū)等都有可能成為接頭的SCC裂紋源。

2 與焊接方法和工藝的相關(guān)性

由于鋁銅合金在熱處理過程中產(chǎn)生大量的第二相沉淀，在熔焊熱循環(huán)的作用下，這些第二相粒子易于脫溶，向基體中溶解并聚集長大，使得強化相尺寸增大、數(shù)量減少，造成焊接熱影響區(qū)中的沉淀相溶解發(fā)生軟化，且焊縫區(qū)晶粒粗大，偏析嚴(yán)重，導(dǎo)致焊接接頭的強度低，抗應(yīng)力腐蝕性能較差。

2219、2014鋁合金在不同焊接條件下的焊接接頭以及2219母材應(yīng)力腐蝕試樣的慢應(yīng)變速率試驗斷裂時間如表3所示。

表3 應(yīng)力腐蝕試樣慢應(yīng)變速率斷裂時間

表3中的試驗數(shù)據(jù)均在相同試驗條件下測得，并且每組試樣進行過多次重復(fù)試驗，試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性好。從表中數(shù)據(jù)可看出，與2219母材相比，兩種焊接工藝下的焊接接頭(2219、2014)的抗應(yīng)力腐蝕性能都低于母材，激光－TIG(激光為主，電弧為輔)復(fù)合焊接頭開裂敏感性最高；而500 W激光－TIG(激光為輔，電弧為主)復(fù)合焊接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能居中。兩種焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 激光－TIG復(fù)合焊、500 W激光－TIG復(fù)合焊接工藝參數(shù)

表3中兩種焊接工藝焊接試樣(2219、2014鋁合金)的接頭焊縫中心區(qū)及2219母材顯微組織如圖4、圖5所示。

由圖4a可見，2219母材以α(Al)為基體，第二相較多，白亮色的為θ相(CuAl2)，黑色條狀為T相，并沿壓延方向排列。母材組織均勻，延伸率好，抗應(yīng)力腐蝕性能好。圖4b、圖5a分別為2219、2014鋁合金500 W激光－TIG高頻復(fù)合焊接頭焊縫中心區(qū)顯微組織，晶粒組織分布較為均勻，大量θ相脫溶析出聚集在晶界附近，形成無溶質(zhì)原子析出帶(PFZ)，導(dǎo)致其抗應(yīng)力腐蝕性能比母材差。對比之下，2219接頭焊縫中心區(qū)組織分布更為均勻，抗應(yīng)力腐蝕性能也更好；而圖4c(2219)、圖5b(2014)由于激光－TIG復(fù)合焊高的熱輸入和快速的焊接速度，導(dǎo)致焊縫金屬產(chǎn)生了粗大的等軸枝晶組織，同時也增加了枝晶間和晶界共晶相的數(shù)量，使得焊縫金屬的強度和塑性都出現(xiàn)了明顯的降低；也使得晶界附近貧銅區(qū)的形成和擴大，導(dǎo)致接頭應(yīng)力腐蝕活性通道的加大，增大了開裂敏感性。

在同一焊接工藝下，兩種材料(2014、2219)的焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能稍有差異，總體上2219鋁合金接頭抗應(yīng)力腐蝕性能要好于2014。

圖4 2219母材及接頭焊縫中心區(qū)顯微組織(400×)

3 結(jié)論

(1)鋁合金在用于焊接結(jié)構(gòu)時，由于焊接熱循環(huán)作用，出現(xiàn)了因過時效而導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)軟化(即沉淀相分解析出)現(xiàn)象，不僅使焊接接頭的強度性能降低，同時由于組織的不均勻性和貧銅區(qū)的形成，易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕破壞，也使焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)敏感性顯著增大。

(2)采用不同的焊接方法可獲得不同的焊接接頭組織，接頭中脫溶析出的第二相粒子數(shù)量、尺寸及分布各有差異，導(dǎo)致接頭抗應(yīng)力腐蝕性能的差異。

圖5 2014鋁合金接頭焊縫中心區(qū)顯微組織(400×)

[1]水野政夫，許慧姿.鋁及其合金的焊接[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1985：1－3.

[2]劉志華，趙兵，趙青.21世紀(jì)航天工業(yè)鋁合金焊接工藝技術(shù)展望[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2002(5)：63－68.

[3]Thomas D Wolf，Steven A Geden.鋁合金裝甲可焊性研究[J].兵器材料科學(xué)和工程，1991(7)：63－72.

[4]Koteswara S R，Madhusudhan G Reddy，K Prasad Rao.Effects of thermo－mechanical treatments on mechanical properties of AA2219 gas tungsten arc welds[J].Journal of Materials Processing Technology，2008(202)：283－289.

[5]CAO G，KOU S.Friction Stir Welding of 2219 Aluminum：Behavior of θ(Al2Cu)particles[J].Welding Journal，2005(7)：1－7.

[6]陳建，張修智.高強鋁合金焊接接頭SCC機理的探討[J].焊接學(xué)報，1996，11(2)：91.

Investigation on the correlation between welding technology and SCC of aluminum-copper alloy welding joint

LIN Jiang-bo1，SONG Yong-lun1，RAN Guo-wei1，LUO Chuan-guang2，ZHANG Zhi-hua2
(1.Department of Mechanical Engineering＆Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Changzheng Machinery Co.，China Aerospace Science and Technology Corporation，Wanyuan 636371，China)

Due to the effect of the welding heat cycle，heat affected zone of the welding joint can be soften，that is，the decomposition of precipitation will inevitably be caused by the averaging factor during the aluminum alloy used for welding structure.The strength properties of joints will be depressed by the phenomenon.At the same time because of the inhomogeneity of the tissue and the poor copper area，the joints will be easy to produce the electrochemical corrosion damage and the sensitivity of the stress corrosion cracking of joints(SCC)will significantly increase.This engineering problem has been unresolved for along time.The paper mainly describes the aluminum－copper alloy welding joint cracking mechanism，joint stress corrosion cracking characteristics and correlation with the welding technology.The contrast of stress corrosion susceptibility of such aluminum alloy welded joints and the base metal under different welding process is obtained through using slow strain rate testing and microstructure observation assistive technologies.

welding joint；SCC；slow strain rate testing；correlation of technology

book=32,ebook=345

TG401

A

1001－2303(2010)11－0032－05

2010－10－11

林江波(1985—)，男，湖北漢川人，碩士，主要從事焊接工藝及焊接質(zhì)量控制方面的研究工作。