2219铝合金厚板TIG焊接头组织与力学性能研究_陈志元.pdf

宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期2219铝合金厚板TIG焊接头组织与力学性能研究陈志元 张晓鸿 林鹏 范翼飞 黄色贤（四川航天长征装备制造有限公司，成都 610100）文摘 采用氦弧打底+氩弧填充、盖面的焊接工艺对2219-T87铝合金15 mm厚板进行TIG焊接试验，研究其焊缝成形和组织力学性能。结果表明，此工艺焊缝成形美观，无可见焊接缺陷，气孔抑制效果好，接头平均抗拉强度为278.22 MPa，平均断后延伸率为3.89%，接头平均强度系数达到58.94%。接头硬度整体表现为焊缝中心最低，从焊缝中心到母材呈现先增大后局部降低再增大的趋势；且焊缝中心填充层硬度高于打底层和盖面层。熔合区的微观组织为柱状树枝晶和胞状树枝晶，且垂直于熔合线生长，在靠近熔合区两侧出现了等轴细晶带。焊接接头断面有较多撕裂棱和韧窝，局部发现第二相粒子和微孔，其断裂机制为典型的韧性断裂。关键词 2219铝合金，厚板TIG焊，微观组织，力学性能中图分类号：TG444.2 DOI：10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.009Research on Joint Microstructure and Mechanical Properties of TIG Welding of 2219 Aluminum Alloy Thick PlateCHEN Zhiyuan ZHANG Xiaohong LIN Peng FAN Yifei HUANG Sexian（Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Chengdu 610100）AbstractIn this paper，the welding process of helium arc bottoming+argon arc filling and covering was used to conduct TIG welding experiment on 15 mm thick plate of 2219-T87 aluminum alloy to study its weld formation，microstructure and mechanical properties.The results show that this process has good weld appearance，no visible welding defects，and good porosity inhibition effect.The average tensile strength of the joint is 278.22 MPa，the average elongation after fracture is 3.89%，and the average strength coefficient of the joint reaches 58.94%.The overall performance of the joint hardness is the lowest in the center of the weld.From the center of the weld to the base material，the hardness first increases，then decreases locally，and then increases；and the hardness of the filler layer in the center of the weld is higher than that of the bottom layer and the cover layer.The microstructure of the fusion zone is columnar dendrite and cellular dendrite，and grows perpendicular to the fusion line.Equiaxed fine grain bands appear on both sides of the fusion zone.There are many tearing edges and dimples on the cross section of the welded joint，and micropores and second phase particles are found locally.The fracture mechanism of the welded joint is typical ductile fracture.Key words 2219 aluminum alloy，Thick plate TIG welding，Microstructure，Mechanical properties0 引言2219（Al-Cu-Mn 系）铝合金因比强度高、韧性好，且具有较低的焊接热裂纹倾向、良好的低温力学性能和抗应力腐蚀性能，常作为运载火箭贮箱的主要承力结构件材料被广泛应用在航天领域1-4。目前2219铝合金焊接制造过程中，主要的焊接工艺为钨极氩弧焊（TIG）、搅拌摩擦焊（FSW）和电子束焊（EBW）方法5。但受工艺成熟性、焊接条件、生产成本和效率的影响，贮箱箱体、法兰等结构部件多采用TIG焊接工艺方法6-7。2219铝合金在TIG焊过程中容易出现熔合区气孔、焊接变形等缺陷8。近年来，相关学者对2219铝合金的不同TIG焊接工艺进行了深入研究，以期消除缺陷，获得更好的焊接接头性能。熊欢等9人对8 mm厚的2219铝合金进行了收稿日期：2021-09-27基金项目：四川省科技计划重点研发项目（2020YFG0197）；四川航天技术研究院重大工艺研究项目（F70520）第一作者简介：陈志元，1995年出生，硕士，主要从事贮箱产品先进焊接工艺研究工作。E-mail：zhiyuan_ 64宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期变极性TIG焊接，焊接接头的熔合区出现气孔缺陷，接头强度约为母材的 50%。韩国良等10人对 8 mm厚的 2219铝合金分别进行了单面两层和两面三层TIG焊接试验研究，发现单面两层比两面三层的焊接接头抗拉强度和断后伸长率提高了1.7%和33.3%。随着产品结构对强度要求增大，铝合金板厚也随之增大到12 mm以上，但已有的2219铝合金的熔化焊接研究多集中在板厚 10 mm 以下，针对 10 mm以上的厚板 2219 铝合金 TIG 焊接工艺的研究还较少。因此，开展厚板2219铝合金的TIG焊接工艺及接头性能研究变得十分必要。本文选取T87态的2219铝合金开展变极性TIG自动焊接试验，通过设计焊接接头结构和焊接工艺，研究焊接接头的微观组织、力学性能及断裂机理，拟为航天用2219厚板铝合金TIG焊接工艺提供必要的试验基础和理论支撑。1 试验1.1 材料材料为15 mm厚度2219铝合金试板，其化学成分如表1所示。热处理状态为T87态，即固溶处理后经7%10%冷变形，然后进行人工时效的状态。1.2 焊接方法自动TIG焊接，采用高纯的氩气和氦气为保护气体，焊接试件预先开置U型坡口，如图1所示。焊接试验在 Dynasty 700 脉冲变极性钨极氩弧焊机上进行，焊丝牌号为直径1.6 mm的ER2325铝合金。设计 3 组焊接试件，每组为两块 300 mm175 mm15 mm的2219铝合金试板对接，焊接方法为单面三层TIG焊，先采用直流氦弧打底焊接，再进行交流氩弧填充，最后一层为交流氩弧盖面焊，主要焊接参数见表2所示。1.3 分析方法焊接完成后，目视检查各试件焊缝成形情况，而后对试件进行X光射线探伤检测；确认合格后，根据GB/T 26512008，采用电火花线切割机截取2219铝合金焊接接头拉伸试样，其尺寸如图2所示。拉伸试验在CMT5105电子万能试验机上进行。拉伸试验设计 3 组焊接试板，每组焊接试板切割出 3 个拉伸试样，试验所得结果为9个试样平均值并计算误差。完成拉伸试验后，焊接接头断口在 EVO/MA25扫描电子显微镜（SEM）上利用二次电子成像技术进行微观形貌观察，加速电压为20 kV。取样后对试件焊接接头进行光学显微镜观察和硬度测试；微观组织观察在DM2300M金相显微镜上进行。焊接接头硬度测试在KB30S-SA显微维氏硬度计上进行，试验压力为5 N，保压时间14 s，测试位置如图3所示，A、B、C三条直线上每间隔1 mm测试一个点，总共测试3个试样，硬度结果为各试样平均表12219铝合金的化学成分Tab.1Chemical composition of 2219 aluminum alloy%（w）Cu5.86.8Mn0.20.4Ti0.020.1Mg0.02Zr0.10.25V0.050.15Fe0.3Si0.2Al余量图12219铝合金焊接试样预置坡口示意图Fig.1Diagram of preset groove of 2219 aluminum alloy welding sample表215 mm厚板2219铝合金TIG焊接参数Tab.2TIG welding parameters of 2219 aluminum alloy with 15 mm thick plate焊接层数第一层（打底焊）第二层（填充焊）第三层（盖面焊）焊接电流/A290400400送丝速度/mmmin-1201 2001 200焊接速度/mmmin-1180115110图2拉伸试验尺寸Fig.2Dimensions of the sample for tensile test 65宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期值并计算误差。2 结果与分析2.1 接头探伤及微观组织15 mm厚的2219铝合金TIG焊接接头经外观观察，焊缝成形美观，焊缝外表面鱼鳞纹均匀，焊漏饱满均匀，无目视可见缺陷，焊缝成形如图4所示。经X光射线探伤检查，焊缝质量符合航天行业级焊缝标准。图5为焊接接头的微观组织形貌。从图中可以看出，焊缝和整个熔合区出现少量的气孔缺陷，主要分布在熔合线两侧。有文献报道，由于氢在2219铝合金中的溶解度过低，造成TIG焊接接头的气孔为氢气孔 11。另外，由于接头熔池的固液界面上气孔形核能更大，熔合线处的液态金属存在时间短，以上因素不利于气泡的溢出，使得气孔多分布在熔合线周围。这些气孔的存在，一定程度上减少了焊缝的有效承载面积，同时在气孔处容易产生应力集中，从而降低接头的机械性能9。此外，在靠近熔合区两侧出现了宽度约35 m的等轴细晶带。这是因为焊缝中适当比例的Ti和Zr元素通过形成Al3Zr和TiAl3化合物的形式作为异质形核点，促进了非均匀形核，使晶粒发生细化12-13。如图5所示，从焊缝中心向外侧，焊接接头微观组织分为焊缝、熔合区和热影响区三个区域。焊缝区在冷却过程中以熔合线上局部半熔化的晶粒为核心向内生长，最终在焊缝中心生长为柱状晶粒，具有典型铸造组织特征。熔合区的微观组织为胞状树枝晶和柱状树枝晶，且枝晶垂直于熔合线向焊缝中心生长。热影响区保留了母材的板条状组织形貌，但在一定程度上因为焊接热循环造成组织粗化。2.2 接头抗拉强度图6给出了15 mm厚板2219铝合金TIG焊接接头的拉伸工程应力应变曲线。图中可以看出接头在拉伸初期弹性变形较快，随之增速变缓，表现弹塑性材料的特点。在拉伸过程中，存在明显的屈服现象，在强化阶段达到最大抗拉强度时直接断裂，断裂时未出现应力波动现象，这与2219铝合金的固有特性和焊接接头断裂形式有关。表3给出了15 mm厚板2219铝合金TIG焊接接头的力学性能结果。其焊接接头的平均抗拉强度b达到了278.22 MPa，平均断后延伸率达到3.89%。根据2219 T87铝合金母材的实测平均抗拉强度为472 MPa，则采用该焊接工艺方法下的2219厚板铝