2219鋁合金VPTIG焊接頭的低溫?cái)嗔秧g性

林一桐，王東坡，王 穎

2219鋁合金VPTIG焊接頭的低溫?cái)嗔秧g性

林一桐1,2，王東坡1,2，王 穎1,2

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；
2. 天津大學(xué)天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

采用裂紋尖端張開(kāi)位移(crack tip opening displacement，CTOD)試驗(yàn)研究了高強(qiáng)2219鋁合金變極性鎢極氬弧焊(variable polarity tungsten inert gas welding，VPTIG)接頭各部位的低溫?cái)嗔秧g性，利用掃描電鏡對(duì)各部位的CTOD試驗(yàn)斷口特征進(jìn)行分析，并結(jié)合金相組織進(jìn)一步闡明組織與斷裂韌性的關(guān)聯(lián)．研究結(jié)果表明，2219鋁合金VPTIG焊接頭各部位表現(xiàn)出不同的低溫?cái)嗔秧g性，熔合線最低，熱影響區(qū)高于焊縫，但均低于母材．掃描電鏡斷口觀察結(jié)果表明，母材、焊縫及熱影響區(qū)的斷裂機(jī)制為剪切斷裂，熔合線的斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理斷裂．金相組織分析較好地解釋了焊接接頭不同部位斷裂韌性的差異．

2219鋁合金；變極性鎢極氬弧焊；斷裂韌性；裂紋尖端張開(kāi)位移

燃料儲(chǔ)箱是運(yùn)載火箭的關(guān)鍵部位．高強(qiáng)2219鋁合金在低溫力學(xué)性能、斷裂韌性、焊接性以及抗應(yīng)力腐蝕性能等方面，相比于我國(guó)一直沿用的2A14鋁合金具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1-5]，將成為新一代大型運(yùn)載火箭燃料儲(chǔ)箱的制造材料．

目前關(guān)于2219鋁合金焊接接頭的文獻(xiàn)多局限于其組織和傳統(tǒng)力學(xué)性能的研究[6-10]．新一代大型運(yùn)載火箭以液氫液氧為燃料，需要燃料儲(chǔ)箱具有良好的低溫?cái)嗔秧g性．2219鋁合金作為制造燃料儲(chǔ)箱的材料，非常有必要研究其焊接接頭的低溫?cái)嗔秧g性，杜巖峰等[11]即對(duì)2219鋁合金的攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行了裂紋尖端張開(kāi)位移(crack tip opening displacement，CTOD)試驗(yàn)研究．

變極性鎢極氬弧焊(variable polarity tungsten inert gas welding，VPTIG)代表了國(guó)內(nèi)外鋁合金焊接技術(shù)的先進(jìn)水平，目前已應(yīng)用于2219鋁合金儲(chǔ)箱的環(huán)縫焊接中．本文采用CTOD試驗(yàn)研究了2219鋁合金VPTIG焊接頭的低溫?cái)嗔秧g性，并分析了CTOD斷口微觀形貌和接頭金相組織，為其在航天領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持．

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)分別測(cè)試了2219鋁合金焊接接頭中母材、焊縫和熱影響區(qū)在液氮溫度(-196,℃)下的CTOD斷裂韌性．試驗(yàn)采用由天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司提供的8,mm厚2219鋁合金焊接試板．

2219鋁合金母材的化學(xué)成分如表1所示．熱處理狀態(tài)為T6態(tài)，焊接方法為VPTIG，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2．

表1 2219鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 2219 aluminum alloy (mass fraction)

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding process parameters

根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 7448，制備帶預(yù)制疲勞裂紋的三點(diǎn)彎曲(three point bend，TPB)標(biāo)準(zhǔn)試樣：根據(jù)《BS 7448—1—1991》進(jìn)行母材的CTOD試驗(yàn)；根據(jù)《BS 7448—2—1997》進(jìn)行焊縫、熔合線和熱影響區(qū)的CTOD試驗(yàn)．

母材處為沿軋制方向的貫穿厚度試樣；焊縫、熔合線和熱影響區(qū)處為垂直于焊縫方向的貫穿厚度試樣．如圖1所示，試樣厚度B＝8,mm，寬度W＝2B＝16,mm，長(zhǎng)度L＝120,mm，機(jī)械缺口深度為6,mm．缺口分別開(kāi)在母材、焊縫、熔合線和熱影響區(qū)，其中焊縫處缺口位于焊縫中心，熔合線處缺口與熔合線在板材厚度中心相交，熱影響區(qū)處缺口位于熔合線加5,mm處，如圖2所示．

采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫下預(yù)制疲勞裂紋.根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 7448，母材的平均載荷為1.063,kN，交變載荷為0.870,kN；焊縫、熔合線和熱影響區(qū)的平均載荷為0.542,kN，交變載荷為0.443,kN，疲勞裂紋需擴(kuò)展2,mm左右．

圖1 試樣尺寸Fig.1 Size of sample

圖2 焊接接頭取樣位置Fig.2 Sample position of welded joint

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

CTOD試驗(yàn)在CTOD試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每個(gè)區(qū)域各做3個(gè)試樣．試驗(yàn)步驟如下所述．

(1) 用游標(biāo)卡尺精確地測(cè)量出每個(gè)試樣的B、W和刀口厚度z．

(2) 先將試件放置于液氮中進(jìn)行保溫，每個(gè)試件保溫15,min以上．試驗(yàn)時(shí)將試件放置于低溫槽中．

(3) 采用一次加載方式直到試樣失穩(wěn)破壞，根據(jù)BS 7448標(biāo)準(zhǔn)，加載跨距為S＝4W＝4×16＝64,mm，加載速率為1.0,mm/min，同時(shí)得出試樣載荷-位移曲線．

(4) 試樣失穩(wěn)破壞后，將其快速壓斷，測(cè)量裂紋長(zhǎng)度a0(機(jī)械缺口、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和CTOD擴(kuò)展區(qū)長(zhǎng)度的總和)．

采用TDCL-SU1510掃描電子顯微鏡對(duì)CTOD試驗(yàn)斷口的微觀形貌進(jìn)行分析；采用Olympus-GX51光學(xué)顯微鏡對(duì)接頭試樣的金相組織進(jìn)行觀察分析．

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS 7448，CTOD的計(jì)算式為

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2219鋁合金VPTIG焊接頭各部位在液氮溫度(－196,℃)下的CTOD試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示．由圖3可知，焊接頭各部位表現(xiàn)出不同的低溫?cái)嗔秧g性，熔合線最低，熱影響區(qū)高于焊縫，但均低于母材．

圖3 裂紋尖端張開(kāi)位移試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Result of crack tip opening displacement test

CTOD試驗(yàn)斷口的掃描電鏡圖像如圖4所示．各斷口圖上端為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，可見(jiàn)明顯的疲勞裂紋；疲勞裂紋尖端以下為裂紋的CTOD擴(kuò)展區(qū)，即CTOD試驗(yàn)過(guò)程中裂紋擴(kuò)展的區(qū)域，其形貌與CTOD斷裂韌性相對(duì)應(yīng)．母材、焊縫及熱影響區(qū)斷口的微觀形貌為韌窩狀，斷裂機(jī)制為典型的剪切斷裂，斷裂性態(tài)呈延性，同時(shí)可看到各韌窩底部均有第二相粒子存在．母材斷口韌窩最深，韌窩大小交錯(cuò)，形狀及分布不規(guī)則，撕裂棱多且輪廓清晰，可見(jiàn)產(chǎn)生了大量形變，斷裂韌性最佳；熱影響區(qū)斷口與母材斷口相比，韌窩較淺，數(shù)量較少，斷裂韌性次之；焊縫斷口韌窩底部有大量第二相粒子，造成裂紋源多，微孔生長(zhǎng)空間狹小，導(dǎo)致韌窩細(xì)小規(guī)則、數(shù)量大，斷裂韌性再次；熔合線斷口既存在平坦的解理面，又分布著較淺的韌窩，撕裂棱不明顯，斷裂機(jī)制介于解理斷裂和剪切斷裂之間，斷裂性態(tài)介于脆性和延性之間，即所謂的準(zhǔn)解理斷裂，斷裂韌性最差．綜上可見(jiàn)，試樣的CTOD斷口形貌較好地解釋了焊接接頭不同部位斷裂韌性的差異．

圖4 斷口掃描電鏡圖像Fig.4 SEM graphs of fracture surface

VPTIG焊接頭各部位金相組織如圖5所示．母材中的第二相(θ相，Al2Cu)粒子沿板材軋制方向排列，分布在晶界上的第二相為非連續(xù)脫溶形成的胞狀物，而晶粒中的第二相尺寸很小，為連續(xù)脫溶形成的細(xì)小質(zhì)點(diǎn)．由此可以看出：母材的時(shí)效過(guò)程為非連續(xù)脫溶加連續(xù)脫溶，未經(jīng)熔化和熱循環(huán)過(guò)程的母材由于時(shí)效硬化效果達(dá)到最佳，其斷裂韌性最高；焊縫中心為等軸晶組織，由于焊縫結(jié)晶時(shí)柱狀晶從熔池四周不斷長(zhǎng)大，將溶質(zhì)和雜質(zhì)推向熔池中心，產(chǎn)生區(qū)域偏析，冷卻后析出了較多的第二相粒子，惡化了焊前的強(qiáng)化效果，且有些晶粒過(guò)燒而晶界弱化，使斷裂韌性變差；熔合線為參差不齊的分界區(qū)，此區(qū)域的尺寸范圍很窄，存在嚴(yán)重的物理不均勻性和化學(xué)不均勻性，加熱時(shí)處于過(guò)熱狀態(tài)，晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，冷卻后成為粗大組織，造成粗晶脆化，所以斷裂韌性最差；熱影響區(qū)經(jīng)歷焊接熱循環(huán)，相當(dāng)于對(duì)母材進(jìn)行時(shí)效處理，由于此區(qū)晶粒的形態(tài)與母材完全不同，可判斷基體已發(fā)生回復(fù)以致再結(jié)晶，時(shí)效過(guò)程為非連續(xù)脫溶，且第二相已聚集長(zhǎng)大，發(fā)生了所謂的過(guò)時(shí)效，強(qiáng)化效果減弱，故斷裂韌性不及母材．可見(jiàn)，接頭各部位斷裂韌性的大小關(guān)系受其金相組織的影響．

圖5 VPTIG焊接頭的顯微組織Fig.5 Microstructure of VPTIG welded joint

3 結(jié) 論

(1) 2219鋁合金VPTIG焊接頭在液氮溫度下的斷裂韌性不均勻，母材最大，熱影響區(qū)次之，然后是焊縫，熔合線最?。?/p>

(2) 由低溫CTOD試驗(yàn)斷口的掃描電鏡圖像可以看出，在CTOD擴(kuò)展區(qū)，母材、焊縫及熱影響區(qū)的斷裂機(jī)制為典型的剪切斷裂，熔合線的斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理斷裂，且斷口形貌與CTOD斷裂韌性的大小關(guān)系符合得很好．

(3) 由接頭各部位金相組織照片可以看出，金相組織是影響CTOD斷裂韌性的內(nèi)在因素．母材的時(shí)效硬化效果最佳，焊縫由于區(qū)域偏析而析出較多的第二相粒子，熔合線存在粗晶脆化，熱影響區(qū)經(jīng)歷了過(guò)時(shí)效．

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(責(zé)任編輯：金順愛(ài))

Cryogenic Fracture Toughness of 2219 Aluminum Alloy VPTIG Welded Joint

Lin Yitong1,2，Wang Dongpo1,2，Wang Ying1,2
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Cryogenic fracture toughness of high strength 2219 aluminum alloy variable polarity tungsten inert gas welding(VPTIG) welded joint was studied in terms of tests of crack tip opening displacement(CTOD). The fracture characters of CTOD tests of different parts were analyzed using scanning electron microscopy(SEM)，and the relationship between microstructure and fracture toughness was further clarified according to microstructure. Results showed that the distribution of cryogenic fracture toughness of 2219 aluminum alloy VPTIG welded joint was of no uniformity. The cryogenic fracture toughness of fusion line was the lowest，while in the weld it was lower than that in the heat affected zone. In all the three cases，the cryogenic fracture toughness was lower than that of parent metal. The result of fracture observation of SEM showed that the fracture mechanism of parent metal，weld and heat affected zone was shear fracture，while that of fusion line was quasi-cleavage fracture. Microstructure analysis well explained the difference in fracture toughness among various parts of the joint.

2219 aluminum alloy；variable polarity tungsten inert gas welding(VPTIG)；fracture toughness；crack tip opening displacement(CTOD)

TG407

A

0493-2137(2015)05-0468-05

10.11784/tdxbz201406054

2014-06-18；

2014-07-08.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275343).

林一桐（1990— ），男，博士研究生，360800782@qq.com.

王 穎，wangycl@tju.edu.cn.

時(shí)間：2014-07-18. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201406054.html.