Study on Welding Process of 2219 Aluminum Alloy butt + Overlap Joints

2219铝合金对接+搭接接头TIG焊接工艺研究 Study on Welding Process of 2219 Aluminum Alloy butt + Overlap Joints first-author 唐　瑜（1992—），男，硕士，工程师，主要从事铝合金燃料贮箱焊接研究工作。E-mail：379981949@qq.com。 唐　瑜（1992—），男，硕士，工程师，主要从事铝合金燃料贮箱焊接研究工作。E-mail：379981949@qq.com。 379981949@qq.com 四川航天长征装备制造有限公司，四川 成都 610100 四川航天长征装备制造有限公司，四川 成都 610100 Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing, Chengdu 610100, China Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing, Chengdu 610100, China 以5 mm+7 mm厚2219铝合金板材为研究对象，研究了装配间隙、焊接速度、焊接电流对5 mm+7 mm对接+搭接板焊接接头组织和性能的影响。针对2219铝合金的焊接特性设计了三种不同的工艺参数，采用TIG焊对5 mm+7 mm对接+搭接2219铝合金板进行焊接，并对焊接接头进行了组织和力学性能分析。结果表明：三种参数下的对接+搭接接头均成形良好，背面焊漏光滑且均匀，焊缝表面均不存在咬边、急剧过渡、飞溅类缺陷；小间隙、大电流的焊接参数下的接头性能更好，抗拉强度能够达到母材的72%，合适的焊接速度和电流可以抑制第二相的析出和聚集，从而使熔合线处组织更加均匀，提高接头的力学性能。对相关材料的焊接具有一定的参考价值。 In this paper, the effects of assembly gap, welding speed and welding current on the structure and performance of butt joint + lap joint are studied by taking 2219 aluminum alloy plate with 5 mm +7 mm thickness as the object. The 5 mm +7 mm butt + overlap joints of 2219 is welded by TIG as different process parameters according to the welding characteristics of 2219 aluminum alloy, and the structure analysis and mechanical properties test of the joints are carried out. The results show that ,the butt and lap joints under the three parameters are all well formed, the back welding leakage is smooth and uniform, and there is no undercut, sharp transition and spatter defects on the surface of the weld, the joints welded by smaller gap and larger current have better performance, and tensile strength can reach 72% of the base material. Suitable welding speed and current can inhibit the precipitation of the second term, thereby making the structure at the fusion line more uniform and improving the mechanical properties of the joint. It has certain reference value for welding process of the 2219 aluminum. 2219铝合金 对接+搭接接头 焊接工艺 装配间隙 焊接电流 2219 aluminum alloy butt + overlap joints welding process assembly gap welding current 前言 1 高强铝合金因具备良好的耐蚀性、导电性、导热性和较高的比强度和比刚度等综合性能，在航空航天、国防科技等领域得到了广泛的应用 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。在各种可热处理的铝合金中，2219铝合金属于Al-Cu-Mn系高强度铝合金，在-250~250 ℃的温度范围内具有良好的焊接性、断裂韧性、抗腐蚀性以及优良的力学性能，在国内外被广泛用于航天航空结构件材料，如土星5 号、阿里安5号等 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ 。2219 铝合金的主要强化元素包括铜、锰、锆、钛，这些元素使其产生了时效强化 ［ 6 6 ］ 。航空航天用的铝合金构件直径和尺度都较大，故常用拼焊的方法制造。2219铝合金的焊接方法主要有钨极氩弧焊（TIG）、电子束焊（EBW）、变极性等离子弧焊（VPPAW）、搅拌摩擦焊（FSW）等。但是受结构件体积和焊接条件的影响，焊缝以及角焊缝的连接多采用传统TIG焊接工艺 ［ 7 7 ］ 。 变极性TIG焊（VPTIG）具有廉价、稳定和焊接质量较高的优点，是目前铝合金、镁合金焊接最为普遍的方式之一。变极性TIG焊电弧可以通过调整直流正负极脉冲的幅值和时间来减少钨极烧损，增加阴极清理作用，从而增大对焊接工件的熔透；同时，变极性脉冲电流会对熔池产生较为强烈的搅拌作用，焊缝组织得到细化，焊接熔池中的气孔较易逸出，从而降低接头处气孔率，提高焊缝的成形质量和力学性能。为此，文中采用变极性TIG焊接方法对2219铝合金对接+搭接的特殊结构进行焊接，探索不同参数下的焊接接头的质量和性能。 试验材料与方法 1 试验材料与设备 2 试验母材为轧制成形的2219铝合金，热处理状态为C10S态（固溶处理+10%冷变形+人工时效），板材厚度5 mm+7 mm，尺寸为300 mm×600 mm× 5 mm和300 mm×600 mm×7 mm，接头形式为对接+搭接。C10S态2219铝合金微观组织如 图1 图1 所示，力学性能如 表1 表1 所示。田志杰等 ［ 8 8 ］ 研究表明，C10S态2219铝合金的主要组成相为α-Al固溶体、θ（CuAl 2 ） 相和T（CuMn 2 Al 2 ）相。焊丝采用2219铝合金焊接专用的ER2325焊丝（DQJT 1149-2007），直径4 mm。2219铝合金以及焊丝的主要化学成分如 表2 表2 所示，其合金元素含量分别满足GB/T3190-2018、DQJT 抗拉强度 R m /MPa 屈服强度 R eL /MPa 断后延伸率 A /% 420 370 10.0 材质 Si Fe Cu Mn Mg 2219铝合金 0.2 0.3 5.8~6.8 0.2~0.4 0.02 ER2325 0.2 0.3 5.8~6.8 0.2~0.4 — 材质 Zn V Ti Zr Al 2219铝合金 0.1 0.05~0.15 0.02~0.10 0.10~0.25 余量 ER2325 0.1 — — — 余量 1149-2007 标准要求。 焊接设备采用Miller氩弧焊机，型号Dynasty700。自制焊接平台，可实现焊接试片的水平安装和固定。焊后依据标准GJB1486对焊缝进行X光透视，采用标准方法（QJ 2136.3）制备金相试样，腐蚀液为Keller试剂，通过DM2300M型号OEM光学显微镜观察接头的宏观形貌和微观组织。采用TCD-A300N-10KW拉伸试验机依据GB/T 2651标准进行接头拉伸性能测试，并确定拉伸试样尺寸，抗拉强度为３个试样的平均值。 试验方法 2 为了探究焊接参数对2219铝合金5 mm+7 mm对接+搭接焊接接头性能的影响，设计了3种不同的工艺参数，具体如 表3 表3 所示。1#、2#、3#试样均采用单面三层焊：第一层打底、第二层填充、第三层盖面，焊接接头为对接+搭接，坡口形式为K型坡口，角度20°+30°，钝边1.5 mm，坡口及接头形式如 图2 图2 所示。焊前对待焊区进行打磨清理，焊丝进行刮削处理。 试样编号 装配间隙/mm 焊接电流 I /A 焊接速度 v /mm·min -1 1# 4 280±10 80~90 2# 2 300±10 90~100 3# 2 300±10 100~110 试验结果与分析 1 接头宏观形貌 2 1#、2#、3#试样接头表面及背部焊漏形貌如 图3 图3 所示。可以看出，三种参数下的对接+搭接接头均成形良好，背面焊漏光滑且均匀，焊缝表面均不存在咬边、急剧过渡、飞溅类缺陷。试样焊缝X光透视形貌如 图4 图4 所示，1#、2#、3#试样焊缝内部几乎无缺陷，仅存在少量的气孔缺陷（直径小于1 mm）。此外，从背部焊漏与X光照片可以看出，采用大间隙、小电流的1#号试样接头焊漏较少且不均匀，而小间隙、大电流的2#、3#试样接头焊漏明显更加饱满均匀。 接头宏观形貌的剖面图如 图5 图5 所示。可以看出，TIG焊接接头主要分为焊缝区、热影响区及母材区三个区域，热影响区、焊缝区存在明显的熔合线。对比三种试样的剖面形貌发现：1#试样的焊缝区呈上宽下窄的漏斗状，由于焊接电流较小，焊缝区域与热影响区均较小；而2#、3#试样的焊缝区上下宽度基本一致，呈柱状。由此可见，提高焊接电流更容易焊透，有利于得到均匀饱满的焊接接头。 1;2;3; 接头微观组织分析 2 三种试样接头的金相显微照片如 图6 图6 所示。可以看出，三种接头的微观组织基本相似，母材区域金相组织为α固溶体＋团絮状共晶（Al 2 Cu）＋点状析出物（CuMn 2 Al 2 ），形态为板条状，分布均匀，沿轧制方向生长。热影响区受热循环的影响，原母材带状分布的晶粒沿轧制方向生长，越靠近熔合线的位置晶粒尺寸越是粗大，呈现出尺寸较粗大且不均匀的柱状晶粒，但相组成与母材基本相同 ［ 9 9 ］ 。熔合线区域分为半熔化区和未混合区，存在严重的组织形态不均匀性，这是熔合线两侧晶粒生长速度差异较大、过渡不均匀所导致的。焊缝中心区晶粒呈细小枝状晶与等轴晶，有方向性但排列呈无序状态，由焊丝与母材从液化状态凝固而成，具有铸造组织特征。 由 图6 图6 可知，1#、2#、3#试样三种接头各区域面积占比和晶粒组织大小不同，这是装配间隙和热输入量不同所致。装配间隙直接影响焊缝区的宽度和大小，因此在焊接参数一定的前提下，装配间隙越大，熔池越大，形成的焊缝区面积也就越大。单位长度焊缝上的热输入为 Q = kI 2 / v （1） 式中 　k 与散热效率有关的常数； v 为焊接速度（单位：mm/min）； I 为焊接电流（单位：Ａ）。假设焊接时热量损失为定值，由此推断出三种试样接头处的热输入量 Q 2# ＞ Q 3# ＞ Q 1# 。 田志杰等人 ［ 8 8 ］ 的研究表明，随着热输入量的增大，焊缝区和热影响区域会增大，且热影响区的晶粒也会更加粗大。因此，2#、3#试样晶粒尺寸明显大于1#试样。此外还可以看出，随着电流的增大，2#、3#试样熔合线处带状晶与等轴晶过渡更加均匀，熔合线强度更高。 接头拉伸性能分析 2 三种接头拉伸性能结果如 表4 表4 、 图7 图7 所示。从拉伸结果来看，7 mm接头的抗拉强度和延伸率均优于5 mm接头。这主要是两类接头的断裂位置不同引起的，5 mm接头的断裂位置均在熔合线处，7 mm接头断裂位置则在热影响区与焊缝区域。由于两侧显微组织差异较大，应力较高，熔合线处一般是焊接接头中较为薄弱的区域，而且对缺陷的敏感性最高，在受力时很容易沿熔合线发生沿晶断裂。故5 mm接头的抗拉强度和延伸率远低于7 mm接头。比较1#、2#、3#接头的抗拉强度和延伸率发现，由于热输入量不足，熔合线两侧组织存在急剧过渡，从而使得接头受力时在此发生断裂，导致1#接头的平均屈服强度、平均抗拉强度和断后伸长率均较低。焊接电流较大时，母材与焊缝熔合更好，熔合线处组织更加均匀，受力不易被破坏，因此2#、3#接头的抗拉强度较高。 2 试样编号 抗拉强度 R m /MPa 强度系数 断后延伸率 A /% 断裂位置 2 母材 420 1 10.0 — 2 1# 5 mm 202 0.48 1.5 熔合线 7 mm 241.7 0.58 1.8 熔合线 2 2# 5 mm 218 0.52 2.0 熔合线 7 mm 253 0.60 4.0 焊缝区 2 3# 5 mm 203 0.48 1.8 熔合线 7 mm 268 0.64 4.8 焊缝区 1;2; 此外，对比2#、3#试样的拉伸强度可以发现，2#试样中5 mm接头抗拉强度和延伸率较3#试样的 更高，而3#号试样7 mm的板材接头抗拉强度则相对更高。分析认为，这是由于2#试样的焊接速度更慢，促进了盖面层焊缝与母材的熔合，使2#试样熔合线处的组织更加均匀，从而提升5 mm接头的抗拉强度。但是7 mm接头断裂位置均在焊缝，因此性能提高并不明显，反而可能由于热输入量过大发生晶粒长大和Al 2 Cu相的偏析，降低接头的力学性能，故2＃试样的更低。 结论 1 文中通过优化焊接参数获得了成形良好的2219铝合金对接+搭接TIG焊接头，揭示了不同热输入下的对接+搭接接头分区组织特征。采用较大的焊接电流和焊接速度能够获得更均匀的接头组织。随着电流的增大和焊接速度的减小，5 mm接头（盖面层）的抗拉强度和延伸率均有较大的提升；但热输入量过大会使得热影响区发生晶粒长大和Al 2 Cu相的偏析，由于过烧导致7 mm接头抗拉强度有所降低。 因此，可以考虑在打底和填充层焊接参数不变的前提下，适当增大盖面层焊接电流、提高焊接速度来提高5 mm接头的抗拉强度，从而提高2219铝合金对接+搭接接头的力学性能。 参考文献 CHEN S H ， LI L Q ， CHEN Y B ， et al . 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