鋁合金薄板焊接工藝及接頭組織性能研究

隨著航空航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，我國(guó)的載人登月工程已經(jīng)按照計(jì)劃實(shí)施。隨著新一代軌跡交通工具的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，以及儲(chǔ)存箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的要求也越來(lái)越高。目前，2219鋁合金廣泛應(yīng)用在運(yùn)載火箭燃料貯箱結(jié)構(gòu)件上，隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷變化和減重理念的不斷深入，燃料貯箱壁厚為2～10mm，分布跨度大，一般鋁合金貯箱對(duì)接焊采用TIG焊接工藝本文選取了拉延件和鍛件的2219薄板鋁合金試板進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn)，對(duì)焊接接頭的組織形貌、硬度分布特點(diǎn)、力學(xué)性能和斷裂特征進(jìn)行了研究和分析，為后續(xù)2219薄板鋁合金的焊接應(yīng)用提供了參考。1試驗(yàn)材料和方法1.1脈沖變極性焊接試驗(yàn)拉延件材料牌號(hào)為2219鋁合金，熱處理狀態(tài)為MCS態(tài)（固溶處理+冷變形+人工時(shí)效），鍛件材料牌號(hào)為2219鋁合金，熱處理狀態(tài)為CYS態(tài)（固溶處理+冷鍛+人工時(shí)效），試板尺寸均為300mm×150mm×3mm，主要化學(xué)成分如表1所示，使用的鋁合金焊絲牌號(hào)是ER2325，使用的脈沖變極性鎢極氬弧焊機(jī)，型號(hào)是Dynasty700，焊接方法為脈沖變極性TIG自動(dòng)焊。焊接過(guò)程分別選取若干塊拉延件和鍛件的2219鋁合金試板，清理待焊區(qū)，將不同成形工藝的試板呈對(duì)接焊姿態(tài)裝配在焊接平臺(tái)上，焊接位置背部懸空，試板使用壓緊工裝固定，微調(diào)試板位置，保證對(duì)合間隙和錯(cuò)邊均不大于0.2mm。焊接時(shí)，采用十字橫梁裝置和Dynasty700焊機(jī)組成的焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接，焊接工藝采用單面焊雙面成形的TIG焊接，以焊縫成形良好為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)摸索，確定了較為穩(wěn)定的焊接工藝參數(shù)，焊接電壓16～18V，焊接電流160～80A，送絲速度600～800mm/min，焊接速度130～150mm/min，保護(hù)氣采用純Ar，流量為10～13L/min，焊縫形貌如圖1所示。正面焊縫呈現(xiàn)的魚(yú)鱗紋形態(tài)清晰一致，背面焊縫飽滿均勻，有脈沖變極性蓋面的紋路痕跡。1.2金相組織觀察在典型的焊接接頭上切割35mm×10mm的金相樣，使用XQ-1型金相試樣鑲嵌機(jī)進(jìn)行金相制備，采用SG-POL-820型金相研磨拋光機(jī)對(duì)金相樣進(jìn)行研磨拋光，最后使用SG-51金相顯微鏡對(duì)金相樣進(jìn)行宏觀和微觀組織觀察。采用HX-1000TM/LCD顯微硬度計(jì)，在金相樣焊縫厚度取中的位置進(jìn)行顯微硬度HV0.2測(cè)試，測(cè)試范圍自焊縫中心分別向拉延件和鍛件兩個(gè)方向，經(jīng)過(guò)焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)，最后到達(dá)母材區(qū)，相鄰兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)間隔0.4mm。選取焊后成形良好的若干焊縫按照?qǐng)D2進(jìn)行試樣加工，保留焊縫余高和焊漏，在AG-IS型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010執(zhí)行，得出子樣的抗拉強(qiáng)度值、δ5伸長(zhǎng)率。選取典型的拉斷子樣在FEISirion型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1熱影響區(qū)組織使用顯微鏡觀察接頭的宏觀形貌，如圖3所示，左側(cè)是拉延件焊接接頭，右側(cè)是鍛件焊接接頭，兩者熱影響區(qū)組織呈現(xiàn)明顯不同，拉延件接頭一側(cè)組織呈細(xì)長(zhǎng)條狀，鍛件接頭一側(cè)組織呈現(xiàn)粗大的晶粒。分別選取接頭拉延件和鍛件側(cè)的熔合線部位進(jìn)行微觀組織觀察。如圖4所示，拉延件和鍛件焊接接頭靠近熔合線的焊縫區(qū)組織基本相同，均是由熔池邊緣或尚未熔化的母材晶粒起始，液態(tài)金屬依附這些晶粒的現(xiàn)成表面而析出固態(tài)晶粒并繼續(xù)向熔池內(nèi)成長(zhǎng)，最后凝固成柱狀枝晶；同時(shí)，靠近熔合線處均存在晶粒較小的部分組織，這是由于母材及焊絲原成分中的少量熔點(diǎn)高的難溶固態(tài)質(zhì)點(diǎn)受電弧力作用被帶到熔池壁附近，液態(tài)金屬依附這些懸浮質(zhì)點(diǎn)的現(xiàn)成表面而析出固態(tài)晶粒并原位成長(zhǎng)，形成了等軸晶。拉延件和鍛件焊接接頭靠近熔合線的熱影響區(qū)組織則不同，拉延件一側(cè)的板條狀的母材組織在經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后，晶粒長(zhǎng)大程度不同，呈現(xiàn)組織和性能上互不相同的若干小區(qū)，同時(shí)α相及金屬間化合物相經(jīng)過(guò)固溶和時(shí)效，形成過(guò)熱粗晶區(qū)和過(guò)時(shí)效軟化區(qū)；鍛件一側(cè)的晶粒粗大，形狀不規(guī)則的母材組織在經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后，晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，形成幾何形態(tài)不規(guī)則的粗大胞晶組織，晶界明顯，鍛件比拉延件側(cè)晶粒更粗大，晶界邊更長(zhǎng)，在受外力時(shí)，更容易發(fā)生裂紋啟裂和擴(kuò)展。2.2鑄造組織特征硬度測(cè)試結(jié)果如圖5所示，結(jié)合圖3、4可知，焊縫區(qū)硬度最低，兩邊熱影響區(qū)的硬度呈波浪式上升并最終上升至母材硬度。拉延件和鍛件的焊縫區(qū)具有鑄造組織特征，硬度最低。兩者均在熱影響區(qū)的淬火粗晶區(qū)發(fā)生了固溶或析出強(qiáng)化，硬度達(dá)到一個(gè)峰值，在熱影響區(qū)的過(guò)時(shí)效軟化區(qū)發(fā)生了部分退火，此后再進(jìn)行時(shí)效，也不能達(dá)到人工時(shí)效的狀態(tài)，硬度達(dá)到一個(gè)低點(diǎn)，且拉延件比鍛件的接頭軟化區(qū)更寬，塑性更好，鍛件母材比拉延件母材硬度值更高。2.3試驗(yàn)結(jié)果將焊縫拉伸試樣編號(hào)為1～12，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，該批次拉延件和鍛件對(duì)接焊接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為305.58MPa，δ2.4拉延件的尺寸組織分析由焊縫拉斷試樣可知，斷裂位置均為鍛件熔合線一側(cè)，試樣斷口掃描電鏡觀察結(jié)果如圖6所示，斷口的大、小韌窩交錯(cuò)排列，部分韌窩較深，撕裂棱較多；也有部分較淺韌窩，塑性較差，有層狀撕裂形貌，有可能是焊接時(shí)夾雜了脆性物質(zhì)以及尺寸較大的第二相粒子，或者是晶體中分布的Cu元素發(fā)生遷移，沿晶界形成脆性共晶相，周圍形成貧銅帶，在受力時(shí)易發(fā)生屈服，造成共晶相脆斷，該斷口總體上呈現(xiàn)了韌性斷裂和層狀撕裂的混合特征。結(jié)合金相微觀組織觀察和硬度分析的結(jié)果可知，在熔合線附近，相比于拉延件一側(cè)，鍛件一側(cè)的晶粒更粗大，晶界明顯，拉延件比鍛件的接頭軟化區(qū)更寬，塑性更好。所以，在受拉伸時(shí)，拉延件和鍛件的對(duì)接焊接頭更容易在鍛件熔合線一側(cè)斷裂。3拉延件和鑄件對(duì)接焊接頭相組織分析(1)2219鋁合金薄板拉延件和鍛件焊接接頭靠近熔合線的焊縫區(qū)組織基本相同，均是由柱狀枝晶和等軸晶組成；兩者接頭靠近熔合線的熱影響區(qū)組織不同，拉延件一側(cè)的板條狀組織在經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后，晶粒長(zhǎng)大程度不同，呈現(xiàn)組織和性能上互不相同的若干小區(qū)，鍛件一側(cè)的晶粒粗大，形狀不規(guī)則，經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后，晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，形成幾何形態(tài)不規(guī)則的粗大胞晶組織，晶界明顯，鍛件比拉延件一側(cè)的晶粒更粗大，晶界邊更長(zhǎng)，在受外力時(shí)，更容易發(fā)生裂紋啟裂和擴(kuò)展。(2）拉延件和鍛件的對(duì)接焊接頭焊縫區(qū)硬度最低，兩邊熱影響區(qū)的硬度呈波浪式上升并最終上升至母材硬度，拉延件比鍛件的接頭軟化區(qū)更寬，塑性更好。(3）拉延件和鍛件的對(duì)接焊接頭抗拉強(qiáng)度平均值可達(dá)到305.58MPa，δ(4）拉延件和鍛件的對(duì)接焊接頭斷口的大、小韌窩交錯(cuò)排列組成，部分韌窩較