2219鋁合金厚板TIG焊接頭組織與力學性能研究

陳志元 張曉鴻 林 鵬 范翼飛 黃色賢

（四川航天長征裝備制造有限公司，成都 610100）

文 摘 采用氦弧打底+氬弧填充、蓋面的焊接工藝對2219-T87鋁合金15 mm厚板進行TIG焊接試驗，研究其焊縫成形和組織力學性能。結(jié)果表明，此工藝焊縫成形美觀，無可見焊接缺陷，氣孔抑制效果好，接頭平均抗拉強度為278.22 MPa，平均斷后延伸率為3.89%，接頭平均強度系數(shù)達到58.94%。接頭硬度整體表現(xiàn)為焊縫中心最低，從焊縫中心到母材呈現(xiàn)先增大后局部降低再增大的趨勢；且焊縫中心填充層硬度高于打底層和蓋面層。熔合區(qū)的微觀組織為柱狀樹枝晶和胞狀樹枝晶，且垂直于熔合線生長，在靠近熔合區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)了等軸細晶帶。焊接接頭斷面有較多撕裂棱和韌窩，局部發(fā)現(xiàn)第二相粒子和微孔，其斷裂機制為典型的韌性斷裂。

0 引言

2219（Al-Cu-Mn 系）鋁合金因比強度高、韌性好，且具有較低的焊接熱裂紋傾向、良好的低溫力學性能和抗應力腐蝕性能，常作為運載火箭貯箱的主要承力結(jié)構件材料被廣泛應用在航天領域［1-4］。

目前2219 鋁合金焊接制造過程中，主要的焊接工藝為鎢極氬弧焊（TIG）、攪拌摩擦焊（FSW）和電子束焊（EBW）方法［5］。但受工藝成熟性、焊接條件、生產(chǎn)成本和效率的影響，貯箱箱體、法蘭等結(jié)構部件多采用TIG 焊接工藝方法［6-7］。2219 鋁合金在TIG 焊過程中容易出現(xiàn)熔合區(qū)氣孔、焊接變形等缺陷［8］。近年來，相關學者對2219 鋁合金的不同TIG 焊接工藝進行了深入研究，以期消除缺陷，獲得更好的焊接接頭性能。熊歡等［9］人對8 mm 厚的2219 鋁合金進行了變極性TIG 焊接，焊接接頭的熔合區(qū)出現(xiàn)氣孔缺陷，接頭強度約為母材的50%。韓國良等［10］人對8 mm厚的2219 鋁合金分別進行了單面兩層和兩面三層TIG 焊接試驗研究，發(fā)現(xiàn)單面兩層比兩面三層的焊接接頭抗拉強度和斷后伸長率提高了1.7%和33.3%。

隨著產(chǎn)品結(jié)構對強度要求增大，鋁合金板厚也隨之增大到12 mm 以上，但已有的2219 鋁合金的熔化焊接研究多集中在板厚10 mm 以下，針對10 mm以上的厚板2219 鋁合金TIG 焊接工藝的研究還較少。因此，開展厚板2219 鋁合金的TIG 焊接工藝及接頭性能研究變得十分必要。

本文選取T87 態(tài)的2219 鋁合金開展變極性TIG自動焊接試驗，通過設計焊接接頭結(jié)構和焊接工藝，研究焊接接頭的微觀組織、力學性能及斷裂機理，擬為航天用2219 厚板鋁合金TIG 焊接工藝提供必要的試驗基礎和理論支撐。

1 試驗

1.1 材料

材料為15 mm厚度2219鋁合金試板，其化學成分如表1所示。熱處理狀態(tài)為T87態(tài)，即固溶處理后經(jīng)7%～10%冷變形，然后進行人工時效的狀態(tài)。

表1 2219鋁合金的化學成分Tab.1 Chemical composition of 2219 aluminum alloy%（w）

1.2 焊接方法

自動TIG焊接，采用高純的氬氣和氦氣為保護氣體，焊接試件預先開置U 型坡口，如圖1所示。焊接試驗在Dynasty 700 脈沖變極性鎢極氬弧焊機上進行，焊絲牌號為直徑Φ1.6 mm的ER2325鋁合金。

圖1 2219鋁合金焊接試樣預置坡口示意圖Fig.1 Diagram of preset groove of 2219 aluminum alloy welding sample

設計3 組焊接試件，每組為兩塊300 mm×175 mm×15 mm 的2219 鋁合金試板對接，焊接方法為單面三層TIG 焊，先采用直流氦弧打底焊接，再進行交流氬弧填充，最后一層為交流氬弧蓋面焊，主要焊接參數(shù)見表2所示。

表2 15 mm厚板2219鋁合金TIG焊接參數(shù)Tab.2 TIG welding parameters of 2219 aluminum alloy with 15 mm thick plate

1.3 分析方法

焊接完成后，目視檢查各試件焊縫成形情況，而后對試件進行X 光射線探傷檢測；確認合格后，根據(jù)GB/T 2651—2008，采用電火花線切割機截取2219 鋁合金焊接接頭拉伸試樣，其尺寸如圖2所示。拉伸試驗在CMT5105電子萬能試驗機上進行。拉伸試驗設計3 組焊接試板，每組焊接試板切割出3 個拉伸試樣，試驗所得結(jié)果為9個試樣平均值并計算誤差。完成拉伸試驗后，焊接接頭斷口在EVO/MA25 掃描電子顯微鏡（SEM）上利用二次電子成像技術進行微觀形貌觀察，加速電壓為20 kV。

圖2 拉伸試驗尺寸Fig.2 Dimensions of the sample for tensile test

取樣后對試件焊接接頭進行光學顯微鏡觀察和硬度測試；微觀組織觀察在DM2300M 金相顯微鏡上進行。焊接接頭硬度測試在KB30S-SA 顯微維氏硬度計上進行，試驗壓力為5 N，保壓時間14 s，測試位置如圖3所示，A、B、C 三條直線上每間隔1 mm 測試一個點，總共測試3 個試樣，硬度結(jié)果為各試樣平均值并計算誤差。

圖3 硬度測試位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of hardness test location

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭探傷及微觀組織

15 mm厚的2219鋁合金TIG焊接接頭經(jīng)外觀觀察，焊縫成形美觀，焊縫外表面魚鱗紋均勻，焊漏飽滿均勻，無目視可見缺陷，焊縫成形如圖4所示。經(jīng)X光射線探傷檢查，焊縫質(zhì)量符合航天行業(yè)Ⅰ級焊縫標準。

圖4 2219鋁合金TIG焊縫外觀形貌Fig.4 The appearance of TIG weld joint of 2219 aluminum alloy

圖5為焊接接頭的微觀組織形貌。從圖中可以看出，焊縫和整個熔合區(qū)出現(xiàn)少量的氣孔缺陷，主要分布在熔合線兩側(cè)。有文獻報道，由于氫在2219鋁合金中的溶解度過低，造成TIG焊接接頭的氣孔為氫氣孔［11］。另外，由于接頭熔池的固液界面上氣孔形核能更大，熔合線處的液態(tài)金屬存在時間短，以上因素不利于氣泡的溢出，使得氣孔多分布在熔合線周圍。這些氣孔的存在，一定程度上減少了焊縫的有效承載面積，同時在氣孔處容易產(chǎn)生應力集中，從而降低接頭的機械性能［9］。此外，在靠近熔合區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)了寬度約35 μm的等軸細晶帶。這是因為焊縫中適當比例的Ti和Zr元素通過形成Al3Zr和TiAl3化合物的形式作為異質(zhì)形核點，促進了非均勻形核，使晶粒發(fā)生細化［12-13］。

如圖5所示，從焊縫中心向外側(cè)，焊接接頭微觀組織分為焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三個區(qū)域。焊縫區(qū)在冷卻過程中以熔合線上局部半熔化的晶粒為核心向內(nèi)生長，最終在焊縫中心生長為柱狀晶粒，具有典型鑄造組織特征。熔合區(qū)的微觀組織為胞狀樹枝晶和柱狀樹枝晶，且枝晶垂直于熔合線向焊縫中心生長。熱影響區(qū)保留了母材的板條狀組織形貌，但在一定程度上因為焊接熱循環(huán)造成組織粗化。

圖5 2219鋁合金焊接接頭微觀組織Fig.5 Microstructure of 2219 aluminum alloy welded joint

2.2 接頭抗拉強度

圖6給出了15 mm 厚板2219 鋁合金TIG 焊接接頭的拉伸工程應力應變曲線。圖中可以看出接頭在拉伸初期彈性變形較快，隨之增速變緩，表現(xiàn)彈塑性材料的特點。在拉伸過程中，存在明顯的屈服現(xiàn)象，在強化階段達到最大抗拉強度時直接斷裂，斷裂時未出現(xiàn)應力波動現(xiàn)象，這與2219 鋁合金的固有特性和焊接接頭斷裂形式有關。

圖6 2219鋁合金焊接接頭拉伸工程應力應變曲線Fig.6 Engineering tensile stress-strain curve of 2219 aluminum alloy welded joint

表3給出了15 mm厚板2219鋁合金TIG焊接接頭的力學性能結(jié)果。其焊接接頭的平均抗拉強度σb達到了278.22 MPa，平均斷后延伸率達到3.89%。根據(jù)2219 T87鋁合金母材的實測平均抗拉強度為472 MPa，則采用該焊接工藝方法下的2219厚板鋁合金焊接接頭平均強度系數(shù)可達到63.0%。通常，2219鋁合金TIG焊接接頭性能遠低于母材的力學性能，焊接接頭強度系數(shù)為60%左右。田志杰等［14］人對6 mm厚的2219-T87鋁合金進行VPTIG焊接后接頭的強度系數(shù)為0.6。與同類文獻［9-10］對比發(fā)現(xiàn)，在2219鋁合金板厚加大至15 mm的情況下，本文提供的單面三層TIG焊工藝可使焊接接頭達到較好的力學性能。

表3 15 mm厚板2219鋁合金焊接接頭力學性能Tab.3 Mechanical properties of 2219 aluminum alloy welded joints with 15 mm thick plate

2.3 接頭硬度

圖7為15 mm厚2219鋁合金焊接接頭顯微硬度分布曲線。由曲線可以看出焊接接頭母材處的硬度值最高，為122 HV。打底、填充、蓋面三層的硬度趨勢基本相同，在焊縫中心處硬度值最低，到熱影響區(qū)附近的硬度值出現(xiàn)局部增大，而后再下降，最后逐漸上升至母材硬度。在熔合區(qū)范圍，不同焊接層的硬度分布呈現(xiàn)明顯差異，該區(qū)域內(nèi)填充層的硬度高于打底層和蓋面層。這是填充層有焊絲填充，焊絲成分中的Ti，Zr等合金元素能夠使焊縫金屬產(chǎn)生異質(zhì)形核點，增加了晶核數(shù)量，促進非均質(zhì)形核，使晶粒更加細小的結(jié)果。

圖7 2219鋁合金焊接接頭顯微硬度Fig.7 Microhardness of 2219 aluminum alloy welded joint

由于熱影響區(qū)包含淬火粗晶區(qū)和過時效軟化區(qū)，CuAl2等強化相的形態(tài)和分布狀態(tài)可能發(fā)生變化，使得該區(qū)域硬度呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象。另外，焊接接頭硬度最低值出現(xiàn)在蓋面層焊縫中心，焊縫處受熱影響軟化，硬度值降低明顯，維氏硬度HV為72。

2.4 接頭斷口形貌和斷裂機制

在拉伸試驗中，焊接接頭拉伸斷裂位置多出現(xiàn)在熔合線附近。熔合線附近作為焊接接頭應力集中點，是造成熔合線處斷裂的主要原因。同時從圖5可知，熔合線附近組織形貌變化急劇，熔合區(qū)晶粒粗大，熔合線周圍存在的少量氣孔缺陷加劇應力集中，形成裂紋源，最終形成在熔合線附近斷裂這一現(xiàn)象。

15 mm厚2219鋁合金焊接接頭斷口形貌如圖8所示。圖8（a）顯示接頭斷口存在較多大小不同且交錯分布的撕裂嶺和韌窩。如圖8（b）所示，韌窩呈現(xiàn)深、密集的特征。韌窩內(nèi)部可以觀察到夾雜物或第二相粒子。圖8（c）可以看出，焊后在基體和斷面的晶界處萌生許多微孔，微孔也可通過第二相粒子自身開裂形成，這些微孔在拉伸過程中生長和聚合，隨著載荷的持續(xù)增大進而形成連續(xù)的斷面。斷面又會形成大量大小不同的韌窩，韌窩的大小和第二相粒子的大小呈正相關。在拉伸過程中，這些硬脆的第二相粒子率先開裂并擴展。單面三層TIG焊工藝下的2219鋁合金焊接接頭斷裂具有典型的韌性斷裂特征。

圖8 2219鋁合金焊接接頭斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of 2219 aluminum alloy welded joint

3 結(jié)論

（1）15 mm 厚的2219-T87 鋁合金在單面三層自動TIG焊工藝下獲得了成形美觀、無可見焊接缺陷的焊接接頭，焊縫質(zhì)量符合航天行業(yè)I級焊縫標準；

（2）該工藝下的焊接接頭試樣平均抗拉強度達到278.22 MPa，平均斷后延伸率為3.89%，焊接接頭平均強度系數(shù)達63.0%；

（3）焊接接頭熔合區(qū)的微觀組織為柱狀樹枝晶和胞狀樹枝晶，且垂直于熔合線，在靠近熔合區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)了寬度約35 μm的等軸細晶帶；

（4）接頭焊縫中心到母材硬度呈現(xiàn)先增大再局部減小再增大的趨勢，填充層的硬度相較打底層和蓋面層更高；

（5）2219-T87 鋁合金自動TIG 焊接接頭斷裂機制為典型的韌性斷裂。