2219厚板鋁合金鎢極和熔化極惰性氣體保護焊焊接接頭組織與性能對比

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

2219 鋁合金是一種鋁銅系可熱處理強化鋁合金，具有良好的高低溫性能、抗腐蝕性能及焊接性能，被廣泛用做新一代運載火箭的貯箱結(jié)構(gòu)材料［1-5］?，F(xiàn)役火箭貯箱厚度大多在10 mm 以下，采用不開坡口的單面兩層TIG焊工藝，可滿足大多數(shù)貯箱的焊接［6-8］。新一代載人運載火箭首次采用箱底傳力結(jié)構(gòu)設(shè)計，為滿足箱底傳力要求，將箱底主焊縫的焊接區(qū)厚度增加到15 mm，如何實現(xiàn)大厚度鋁合金高效率、高質(zhì)量的焊接，對于當(dāng)前焊接工藝提出了新的挑戰(zhàn)。本文以15 mm 厚2219 鋁合金為研究對象，采用TIG 和MIG 兩種工藝分別進行鋁合金平板對接試驗，系統(tǒng)對比接頭的焊縫成形、內(nèi)部質(zhì)量、接頭組織形貌和拉伸性能等方面的差異，為工程實踐提供一定的參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料選用2219 鋁合金試板，尺寸為300 mm×170 mm×15 mm，熱處理狀態(tài)為C10S（固溶處理后經(jīng)10% 的冷加工變形然后人工時效）。母材主要成分表1，母材常溫平均抗拉強度469 MPa，斷后伸長率11.3%。選用ER2325Φ1.6 mm 光亮焊絲，保護氣為純度為99.999%高純氬氣和氦氣。

表1 2219鋁合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 2219 aluminum wt%

1.2 試驗方法及設(shè)備

1.2.1 焊接試驗

分別采用TIG 和MIG 兩種工藝進行試板的單面對接焊。TIG 焊為4 層焊，MIG 焊為3 層焊。試板開U 形坡口，坡口形式見圖1，實物照片見圖2，坡口底部加工出3.4 mm寬的平臺，并與側(cè)壁采用R5圓角過渡以保證側(cè)壁根部熔透。采用酒精或汽油清理工件表面的油污，然后采用手工拉刀或者風(fēng)動打磨刷清理工件正面、背面及端面的氧化膜，要求工件表面露出金屬光澤。焊接試板通過機械壓板固定在帶有焊漏墊板的試驗平臺上，焊前調(diào)整兩試板間隙小于0.5 mm，錯縫小于0.5 mm。

圖1 焊接坡口形式Fig.1 Diagram of the welding groove

圖2 坡口實物照片F(xiàn)ig.2 Photo of the welding groove

TIG 焊接采用的Miller Dynasty700 變極性TIG 焊接電源，可輸出交流方波，正負半波電流可獨立調(diào)節(jié)，便于實現(xiàn)熱輸入的精準控制；MIG 焊采用Miller公司生產(chǎn)的Invision 450 MPa 型MIG 電源，配合S-74MPa Plus 四輪送絲機能夠?qū)崿F(xiàn)一元化脈沖功能，可通過設(shè)置送絲機上的送絲速度，自動調(diào)整其它參數(shù)，使焊機輸出功率與送絲速度匹配。兩種焊接工藝的參數(shù)如表2、表3所示。

表2 TIG焊接工藝參數(shù)Tab.2 Parameters of TIG welding

表3 MIG焊接工藝參數(shù)Tab.3 Parameters of MIG welding

1.2.2 接頭性能測試

焊后對比兩種接頭的焊縫成形情況，參照Q/Y420—2011 標準進行X 射線透視檢查焊縫內(nèi)部質(zhì)量。采用線切割工藝垂直于焊縫方向截取拉伸試樣和金相試樣，參照GB/T228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》標準，采用CMT5105型拉伸試驗機進行拉伸性能測試，采用“HF+HCL+HNO3+H2O”的混合試劑腐蝕金相試樣，觀察組織形貌。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊縫表面成形

試板焊接完成后，采用機械方法修整焊縫背部焊漏至1.5～2.0 mm 高度，觀察兩種接頭的焊縫表面成形情況，如圖3所示?？梢钥闯?，TIG 焊縫正面光潔，魚鱗紋均勻美觀，TIG 焊熔敷速率較低，需要4 層焊接才能填滿焊縫熔池，最后一層蓋面焊接時焊槍進行擺動，以保證焊縫寬度，可以看到明顯的擺動痕跡，背部焊漏均勻飽滿。測量正面寬度25 mm 左右，背面寬度10 mm 左右；與TIG 焊縫相比，MIG 焊縫正面較為粗糙，主要是由于MIG 焊接時熔滴過渡形式為噴射過渡，易產(chǎn)生飛濺，導(dǎo)致焊縫粗糙，但是MIG焊熔敷速率比TIG 焊高，蓋面時同樣進行了擺動，測量焊縫正面寬28 mm左右，背面寬15 mm左右。

圖3 接頭焊縫表面成形Fig.3 Shape of welded joint surface

2.2 焊縫內(nèi)部質(zhì)量

對接頭焊縫進行X 光射線檢測，結(jié)果見圖4?？梢?，MIG 焊縫中存在少數(shù)單個氣孔，氣孔尺寸較小，TIG 焊縫則非常潔凈，幾乎成“白片”，這是由于MIG焊是焊絲的熔滴過渡過程，焊絲較細，焊絲的比表面積較大，焊絲表面的氧化膜及污染物進入熔池的幾率較大，因此，MIG 焊時產(chǎn)生焊縫氣孔的敏感性較TIG 焊大［9］。兩種接頭的焊縫內(nèi)部均無明顯夾雜、裂紋、未熔合等缺陷。

2.3 焊接接頭組織

兩種接頭的宏觀形貌如圖5所示。從圖5（a）TIG 焊接頭截面形貌中可以看出多層焊縫堆焊的痕跡，其中打底焊縫窄而深，形狀近似矩形，蓋面焊縫成倒三角形，寬度約為打底焊的2.5 倍，與2.1 測量結(jié)果一致。圖5（b）中MIG 接頭中打底焊縫較寬，整個截面面積比TIG 焊大得多。焊縫截面形狀與尺寸的差異與焊接工藝方法有關(guān)，TIG 焊填絲速度和焊接電流可以獨立控制，可控制母材與焊絲熔化比例，在不改變焊縫大小的情況下可以控制焊縫金屬的稀釋和熱輸入。MIG 焊的熔敷速率比TIG 焊高的多，熱輸入較大，母材熔化的多，因而焊縫的截面積較大［10］。

圖4 焊縫X光片F(xiàn)ig.4 X-ray photos of welded joint

圖5 接頭宏觀形貌Fig.5 Macro feature of welded joints

兩種接頭的微觀組織如圖6所示，可見母材均為板條狀組織，沿母材軋制方向分布，母材相以α（Al）基體為主，基體上彌散分布著大量的第二相顆粒，起到彌散強化作用。熱影響區(qū)并未發(fā)生熔化，保留了母材的板條狀組織，由于受到焊接熱循環(huán)的影響，該區(qū)域組織發(fā)生了一定程度的粗化。對比發(fā)現(xiàn)，MIG焊接頭熱影響區(qū)要比TIG焊接頭的晶粒更為粗大，這與MIG 焊熱輸入大導(dǎo)致晶粒長大較多有關(guān)。兩種接頭的熔合區(qū)組織形貌比較相似，均為典型的2219 鋁合金熔合區(qū)組織形貌，由大小不一的晶粒組織組成，圖6（c）（g）中可以看出晶粒尺寸從臨近焊縫一側(cè)到熱影響區(qū)晶粒由大到小的變化，且在靠近焊縫的部分熔化區(qū)存在細小等軸晶帶。對比圖6（d）（h）發(fā)現(xiàn)中兩種接頭的焊縫區(qū)組織存在明顯不同。TIG 焊縫晶粒平均尺寸較為細小，晶粒直徑為20～30 μm，且分布均勻。MIG 焊蓋面的焊縫組織晶粒則比較粗大，最大晶粒直徑可達100 μm，且大小不均。兩種焊縫均為典型的等軸晶組織，晶界清晰，可觀察到在晶粒內(nèi)部分布著許多黑色的強化相顆粒。

2.4 焊接接頭力學(xué)性能

從焊后試板上各切取8 個拉伸試樣進行常溫拉伸試驗，表4列出了接頭的平均拉伸試驗數(shù)據(jù)：拉強度，TIG 接頭強度為293 MPa，強度系數(shù)0.62，MIG 接頭強度為279 MPa，強度系數(shù)0.59；斷后伸長率，TIG焊接頭為5%，MIG焊接頭為4%。可知兩種接頭均滿足常規(guī)火箭貯箱焊縫設(shè)計要求（強度系數(shù)大于0.5，斷后伸長率大于3%），TIG 焊接頭比MIG 焊接頭抗拉強度和斷后伸長率分別提高了4.9%和27%。在常溫下，金屬的晶粒越細小，強度越高，塑性也越好，因此，由于MIG 焊熔敷速率高，熱輸入大，導(dǎo)致接頭組織明顯比TIG 焊接頭粗大，強度和伸長率較低，而TIG 焊接組織最為細小，其接頭強度和延伸率也較高［11］。

表4 焊接接頭拉伸試驗性能Tab.4 Mechanical tensile properties of welded joints

選取兩種接頭的打底層焊縫區(qū)域，按照從焊縫中心向母材的方向依次取點進行顯微硬度測試，測試結(jié)果繪制成硬度曲線（圖7），兩種接頭硬度值均為焊縫區(qū)最低，熔合區(qū)硬度分布不均，靠近熱影響區(qū)的粗晶區(qū)硬度顯著增大，在過時效區(qū)硬度值較低，然后逐漸恢復(fù)到母材硬度。圖7中可以看出兩種接頭硬度曲線走勢大致相同，TIG 焊接頭整體較MIG焊接頭高一些，這從側(cè)面也佐證了TIG焊接頭抗拉強度高于MIG焊接頭的試驗結(jié)論。

圖7 兩種接頭硬度測試曲線Fig.7 Hardness tests of two joints

拉斷后的接頭如圖8所示，可以看出接頭的斷口全部位于熔合區(qū)，說明熔合區(qū)是接頭的薄弱區(qū)。這是由于焊接接頭的力學(xué)性能與組織密切相關(guān)，熔合區(qū)介于熔化的焊縫與非熔化的熱影響區(qū)之間，該區(qū)晶粒組織大小差異較大，導(dǎo)致該區(qū)性能薄弱且具有奇異性，在常溫拉伸過程中常常成為接頭斷裂的位置。

圖8 接頭拉伸斷裂路徑Fig.8 Fracture path of welded joint

3 結(jié)論

（1）TIG 焊縫表面光潔，魚鱗紋美觀，焊縫內(nèi)部近無缺陷；MIG 焊縫飛濺較多，表面較為粗糙，焊縫內(nèi)部存在少數(shù)單個小氣孔，兩種接頭的焊縫內(nèi)部均無夾雜、裂紋、未熔合等缺陷。

（2）TIG 焊縫晶粒尺寸較為細小，MIG 焊縫組織晶粒則比較粗大，且分布不均。MIG 焊接頭熱影響區(qū)比TIG 焊接頭的晶粒更為粗大。兩種接頭的熔合區(qū)晶粒大小不一，存在組織不均勻性。

（3）兩種接頭的常溫拉伸試驗中均沿熔合區(qū)斷裂，TIG 接頭強度為293 MPa，伸長率5%，MIG 焊接頭強度279 MPa，伸長率4%，兩種接頭均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，TIG焊接頭的強度和塑性優(yōu)于MIG焊接頭。