高頻感應(yīng)加熱處理對2219鋁合金TIG焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

鄧利芬 李慶慶 韓國良 肖 宏 李偉力

(1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

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高頻感應(yīng)加熱處理對2219鋁合金TIG焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

鄧利芬1李慶慶1韓國良1肖 宏1李偉力2

(1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

采用變極性TIG焊接方法焊接8 mm厚2219鋁合金板材，利用高頻感應(yīng)加熱技術(shù)對焊接接頭分別進行90 ℃,140 ℃,190 ℃的熱處理。熱處理前、后采用X射線衍射法測試2219鋁合金TIG焊接接頭殘余應(yīng)力，分析了接頭的微觀組織與力學(xué)性能。結(jié)果表明，經(jīng)140 ℃,190 ℃熱處理后，焊接殘余應(yīng)力下降趨勢明顯，經(jīng)90 ℃熱處理后，殘余應(yīng)力下降幅度較小。與未熱處理接頭相比，經(jīng)高頻感應(yīng)熱處理后，焊接接頭的微觀組織、拉伸性能與硬度分布無明顯變化。

殘余應(yīng)力 焊接 2219鋁合金 感應(yīng)加熱

0 序 言

2219鋁合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的焊接性及抗腐蝕性等特點而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，目前國內(nèi)2219鋁合金的焊接主要采用鎢極氬弧焊、電子束焊接及攪拌摩擦焊等方法，其中TIG焊應(yīng)用最為廣泛。但由于TIG焊在焊接過程中存在不均勻分布的溫度場及焊縫各區(qū)域間熱脹冷縮的不均勻，會導(dǎo)致較大焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，從而影響構(gòu)件的使用性能[1-3]，因此必須對其進行消除處理。感應(yīng)加熱技術(shù)作為一種熱處理去應(yīng)力的方法，具有效率高、操作簡單及局部熱處理等優(yōu)點[4-8]，可有效針對焊縫區(qū)域進行去應(yīng)力退火，進而消除焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

文中利用高頻感應(yīng)加熱技術(shù)，對2219鋁合金TIG焊接接頭進行消除殘余應(yīng)力處理，并采用X射線衍射法測試殘余應(yīng)力，分析不同熱處理溫度對殘余應(yīng)力的影響，預(yù)期達到顯著降低焊縫區(qū)殘余應(yīng)力的同時保證接頭力學(xué)性能的目的。

1 試驗件與試驗方法

1.1 試片焊接

選用四組8 mm厚2219鋁合金板材，尺寸為150 mm×300 mm，采用直徑為1.6 mm的2325焊絲，焊接方法為直流氦弧打底+變極性氬弧蓋面的TIG焊。焊前利用機械刮削方法去除待焊部位表面氧化層，主要焊接參數(shù)見表1。

表1 試驗件焊接參數(shù)

1.2 應(yīng)力測試與表征

利用加拿大生產(chǎn)的Proto-iXRD 便攜式殘余應(yīng)力分析設(shè)備對焊縫進行殘余應(yīng)力表征分析。為提高測量精度，在測試前對測量位置進行電解拋光處理，去除表面附加應(yīng)力，保證測量結(jié)果反映實際焊接應(yīng)力。選擇鋁合金{311}晶面作為被測晶面，采用Cr靶Kα射線。應(yīng)力測試方向為平行(縱向應(yīng)力)和垂直(橫向應(yīng)力)焊縫兩個方向，被測量點的位置分別為焊縫中心以及垂直于焊縫方向距焊縫中心每間隔10 mm取一個點，共測試5個點，測試點及測試方向如圖1所示。

1.3 高頻感應(yīng)加熱去應(yīng)力

感應(yīng)加熱裝置選用錳鋅鐵氧體作為導(dǎo)磁體材料；線圈選用紫銅材料，線圈匝數(shù)為3匝。感應(yīng)線圈與試片的間距為3 mm，電源功率40 kW、頻率22 kHz，實測感應(yīng)線圈功率5.5 kW。試片移動過程溫保證焊縫中心線均勻受熱，經(jīng)感應(yīng)加熱后空冷至室溫。熱處理過程中焊縫中心實測溫度分別為93 ℃,140 ℃,190 ℃。

圖1 應(yīng)力測試點1～5分布圖

1.4 微觀組織與力學(xué)性能測試

焊后取一組未熱處理試片進行常溫力學(xué)性能測試與顯微硬度測試。其余三組試片在熱處理前、后分別進行殘余應(yīng)力測試，并在熱處理后沿焊接方向取拉伸試樣進行常溫力學(xué)性能測試，同時制備金相試樣以觀察微觀組織、完成顯微硬度測試。

2 試驗結(jié)果

2.1 感應(yīng)加熱前、后焊接接頭殘余應(yīng)力分析

圖2為2219鋁合金TIG焊接接頭經(jīng)不同溫度感應(yīng)熱處理前、后距焊縫中心不同距離處的殘余應(yīng)力測試結(jié)果。由殘余應(yīng)力分布規(guī)律可知，縱向與橫向殘余應(yīng)力在焊縫中心均處于壓應(yīng)力狀態(tài)。從焊縫熔合線向熱影響區(qū)過渡區(qū)間(10～35 mm)應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力，遠于35 mm范圍內(nèi)接頭表面殘余應(yīng)力逐漸降至零應(yīng)力狀態(tài)。經(jīng)190 ℃感應(yīng)加熱處理后縱向殘余應(yīng)力峰值(第2點處)有大幅度下降，由69 MPa降至25 MPa，下降約 64%；經(jīng) 140 ℃感應(yīng)加熱處理后縱向殘余應(yīng)力峰值仍有明顯降低，下降約40%；而經(jīng)90 ℃感應(yīng)加熱處理后縱向殘余應(yīng)力峰值下降約26%，消除應(yīng)力效果已不明顯。接頭橫向殘余應(yīng)力幅值小于縱向殘余應(yīng)力，受熱處理后應(yīng)力變化趨勢與縱向殘余應(yīng)力基本一致。

2.2 不同熱處理溫度下微觀組織分析

圖3為焊接接頭經(jīng)不同熱處理溫度后的金相組織。由圖3可見，焊縫組織包括焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三個部分。不同感應(yīng)加熱溫度處理后的組織形貌無明顯變化，其焊縫區(qū)均為細小的等軸晶組織，熔合區(qū)顯微組織為柱狀樹枝晶，且垂直于熔合線向焊縫中心發(fā)展。熱影響區(qū)顯微組織形態(tài)接近母材區(qū)組織，晶粒較為粗大。

圖2 2219鋁合金TIG焊接接頭不同熱處理溫度去應(yīng)力前、后殘余應(yīng)力分布規(guī)律

圖3 焊接接頭不同熱處理溫度后的顯微組織

2.3 不同熱處理溫度下拉伸性能分析

圖4為不同熱處理溫度下2219鋁合金焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率，對比不同熱處理后接頭力學(xué)性能可以看出，在熱處理溫度范圍內(nèi)，焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率變化不大，說明此感應(yīng)加熱處理對焊縫組織的力學(xué)性能無明顯影響。

圖4 不同熱處理溫度下焊接接頭拉伸性能

2.4 不同熱處理溫度下顯微硬度分析

圖5為不同熱處理溫度下2219鋁合金焊接接頭橫截面的硬度分布，其中0點為焊縫中心位置，焊縫寬度約為15 mm。由圖5可知，焊縫區(qū)為硬度低谷，明顯低于母材，焊縫向母材過渡區(qū)的硬度總體趨于上升。經(jīng)不同溫度熱處理后，焊縫區(qū)硬度略有升高，其中190 ℃熱處理后硬度上升幅度最大，這是由于190 ℃處于2219鋁合金的時效溫度區(qū)間、焊縫區(qū)經(jīng)歷二次短時時效的結(jié)果。其余區(qū)域與未熱處理相比，分布趨勢無變化。

圖5 不同熱處理溫度下焊接接頭橫截面硬度分布

3 結(jié) 論

(1)2219鋁合金TIG焊接接頭經(jīng)190 ℃,140 ℃高頻感應(yīng)加熱處理后，殘余應(yīng)力顯著降低。

(2)殘余應(yīng)力在焊縫中心為壓應(yīng)力狀態(tài)，從焊縫熔合線向熱影響區(qū)過渡區(qū)(10～35 mm)應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力，遠于35 mm范圍逐漸降低至零應(yīng)力狀態(tài)。

(3)經(jīng)不同溫度的感應(yīng)加熱處理后，2219鋁合金TIG焊接接頭微觀組織及拉伸性能與未熱處理前相比無明顯變化，說明感應(yīng)加熱能在有效消除殘余應(yīng)力的同時不改變焊縫的力學(xué)性能。

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2017-02-07

TG442

鄧利芬，1986年出生，碩士，工程師。主要從事火箭貯箱焊接工藝等方面的研究工作，已發(fā)表論文3篇。