2219鋁合金TIG焊接頭斷裂性能研究

顏 旭 馬 核 熊林玉 田志杰 張彥華

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2219鋁合金TIG焊接頭斷裂性能研究

顏 旭1馬 核1熊林玉2田志杰2張彥華1

（1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2. 首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

研究了2219鋁合金TIG焊接頭各區(qū)域的斷裂性能。結(jié)果表明：由于接頭組織分布不均勻，2219鋁合金TIG焊接頭母材區(qū)、焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的斷裂強(qiáng)度依次遞減；斷裂韌性則以焊縫為最高，熱影響區(qū)次之，母材最低；斷裂韌性的分散性以母材為最小，焊縫次之，熱影響區(qū)最大。

2219鋁合金；TIG焊；斷裂韌性；CTOD

1 引言

2219鋁合金屬于Al-Cu-Mn系，是美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）為航空航天工業(yè)研發(fā)的一種高強(qiáng)、耐熱鋁合金。與同系的2014鋁合金相比在低溫和高溫力學(xué)性能、斷裂韌性、焊接性能以及抗應(yīng)力腐蝕性能等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此在運(yùn)載火箭貯箱上得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。受貯箱體積和焊接條件的影響，運(yùn)載火箭貯箱環(huán)焊縫以及角焊縫的連接多采用傳統(tǒng)TIG焊焊接工藝[3]。焊接過(guò)程中焊接區(qū)材料經(jīng)歷了不同的焊接熱循環(huán)，接頭會(huì)形成焊縫和熱影響區(qū)等不同區(qū)域，因此焊接接頭為非均勻質(zhì)體，各個(gè)區(qū)域的性能也存在很大的差異，接頭各區(qū)域性能的差異對(duì)接頭的斷裂與失效具有重要的影響[4，5]。

為了評(píng)定鋁合金材料制造的燃料貯箱殼體由于焊接過(guò)程中造成的接頭不均勻性對(duì)接頭抗斷裂性能的影響，需要采用斷裂力學(xué)試驗(yàn)方法研究接頭各區(qū)域的斷裂韌性，以此指導(dǎo)貯箱的選材與焊接工藝，保證貯箱結(jié)構(gòu)的韌性儲(chǔ)備。本研究重點(diǎn)研究了2219鋁合金TIG焊接接頭的抗斷裂性能，研究結(jié)果對(duì)于運(yùn)載火箭貯箱焊接結(jié)構(gòu)的斷裂控制具有參考價(jià)值。

2 焊件制備及組織和硬度分析

2.1 焊件制備

試驗(yàn)采用8mm厚的2219鋁合金試板，其化學(xué)成分如表1所示[6]。焊接工藝參數(shù)為：直流打底，直流電流260～270A，電壓17～18V，焊接速度為250mm/min；交流蓋面，交流電流310～320A，電壓21～22V，焊接速度為130mm/min。焊后熱處理狀態(tài)為C10S。

表1 2219鋁合金化學(xué)成份 wt%

2.2 接頭微觀組織

焊件制備后，沿垂直于焊接方向切取接頭橫截面試樣，經(jīng)研磨、拋光后，采用Keller’s試劑對(duì)接頭腐蝕，觀察接頭各區(qū)域分布及微觀組織。

TIG焊接頭縱向剖面區(qū)域主要分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)，微觀組織如圖1所示。母材區(qū)域晶粒組織為板條狀，分布均勻，延軋制方向生長(zhǎng)。熱影響區(qū)晶粒呈柱狀，尺寸較粗大且不均勻，并沿軋制方向生長(zhǎng)。熔合線區(qū)域晶粒呈細(xì)小等軸狀，但熔合線兩側(cè)晶粒迅速長(zhǎng)大，過(guò)渡不均勻。焊縫中心區(qū)晶粒呈細(xì)小枝狀晶，有方向性但排列呈無(wú)序狀態(tài)。

a 母材區(qū)???????b 熔合線區(qū)

c 焊縫區(qū)??????? d 熱影響區(qū)

e 微觀組織取樣分布

2.3 接頭硬度分布

硬度用來(lái)表征金屬材料抵抗局部塑性變形能力，主要評(píng)價(jià)金屬材料的軟硬程度[7]。根據(jù)GB/T2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》規(guī)定，沿焊縫中心位置從上至下測(cè)量一組硬度值，沿焊縫厚度方向測(cè)量三組硬度值，測(cè)量位置如圖2所示。

圖2 顯微硬度測(cè)量位置示意圖

使用HV-1000顯微硬度計(jì)測(cè)量硬度，試驗(yàn)力為9.807N，試驗(yàn)力保持時(shí)間為10s，測(cè)量點(diǎn)之間的距離為1mm，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

a 沿接頭厚度方向硬度分布

b 沿接頭橫向硬度分布

圖3 TIG焊接頭顯微硬度分布

圖3為圖2中所示1、2、3、4四條線位置的硬度測(cè)量結(jié)果。焊縫中心的硬度值分布在75～81HV之間，沿厚度方向兩端硬度值略高于中間位置（圖3a）。從接頭橫向硬度分布來(lái)看，2219鋁合金母材的硬度值在87～95HV之間，焊縫區(qū)域的硬度在73～85HV之間，焊縫區(qū)域的硬度低于母材；焊接熱影響區(qū)的硬度值與母材區(qū)域的硬度值接近，在87～97HV之間，局部出現(xiàn)小幅度軟化現(xiàn)象。

3 接頭斷裂韌性試驗(yàn)

圖4 CTOD試驗(yàn)原理圖

為了研究2219鋁合金TIG焊接頭各區(qū)域的斷裂性能，采用CTOD實(shí)驗(yàn)方法。CTOD（Crack Tip Opening Displacement）是裂紋尖端張開(kāi)位移量[8]，是評(píng)價(jià)材料及焊接接頭抗裂紋啟裂的重要參量。CTOD斷裂準(zhǔn)則是建立在綜合性參數(shù)基礎(chǔ)上的，原則上既能應(yīng)用于線彈性斷裂分析，又能應(yīng)用于彈塑性斷裂分析。臨界CTOD值可通過(guò)斷裂韌性試驗(yàn)獲得，可采用含預(yù)制裂紋的三點(diǎn)彎曲試件進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4所示。通過(guò)斷裂韌性試驗(yàn)測(cè)得曲線，根據(jù)GB/T2358—94確定曲線類型與臨界值，進(jìn)而計(jì)算CTOD的臨界值，計(jì)算公式為[9]：

（2）

本次斷裂韌性試驗(yàn)采用帶預(yù)制裂紋的單邊缺口三點(diǎn)彎曲試樣，試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行。為更好地分析接頭各個(gè)區(qū)域的斷裂韌性，分別制備焊縫區(qū)、1/2熱影響區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)試樣。取樣位置如圖5所示。取樣后分別在焊縫區(qū)、1/2熱影響區(qū)、熱影響區(qū)三個(gè)區(qū)域選取預(yù)制裂紋的位置a、b、c，如圖6所示，a位于焊縫中心處，b位于1/2熱影響區(qū)處，跨越焊縫、熱影響區(qū)與母材，c位于熱影響區(qū)外側(cè)，跨越熱影響區(qū)與母材。

圖5 CTOD試驗(yàn)取樣示意圖

圖6 預(yù)制裂紋位置示意圖

a 焊縫區(qū)???????b 1/2熱影響區(qū)

c 熱影響區(qū)???????d 母材區(qū)

圖7 TIG焊接頭各區(qū)域CTOD試驗(yàn)斷裂試樣

按照國(guó)標(biāo)GB/T2358—94 《金屬材料裂紋尖端張開(kāi)位移試驗(yàn)方法》進(jìn)行試樣加工，尺寸為90mm×14mm×7mm，跨距為56mm。試驗(yàn)在MTS-880液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行。2219鋁合金TIG焊各區(qū)域CTOD試驗(yàn)完成后的斷裂試樣如圖7所示。試驗(yàn)得到的各區(qū)域曲線如圖8所示。

a 焊縫區(qū)域??????????????b 1/2熱影響區(qū)

c 熱影響區(qū)??????????????d 母材區(qū)

圖8 TIG焊各區(qū)域-曲線

4 分析與討論

通過(guò)2219鋁合金TIG焊接頭各個(gè)區(qū)域的曲線可知，各曲線無(wú)明顯突進(jìn)點(diǎn)與突變點(diǎn)，可從曲線中得到最大加載力點(diǎn)的值m，進(jìn)而計(jì)算最大載荷所對(duì)應(yīng)的臨界CTOD值。各區(qū)域試樣平均最大載荷值m與如表2所示。

表2 不同區(qū)域最大載荷Pm與δm平均值

如圖9所示，曲線中不同區(qū)域試樣所達(dá)到的m不同，從母材區(qū)、焊縫區(qū)、1/2熱影響區(qū)至熱影響區(qū)，m值從高到低遞減，反映了母材區(qū)、焊縫區(qū)、1/2熱影響區(qū)至熱影響區(qū)材料的斷裂強(qiáng)度依次遞減。

圖9 TIG焊各區(qū)域Pm柱狀圖

圖10 TIG焊各區(qū)域值柱狀圖

圖11 TIG焊各區(qū)域值散點(diǎn)圖

綜上研究表明，2219鋁合金TIG焊接頭的微觀組織、硬度及斷裂韌性均呈現(xiàn)不均勻性。母材區(qū)晶粒呈板條狀，硬度與m最高，值最低，即母材強(qiáng)度高，韌性低；焊縫區(qū)晶粒細(xì)小，呈針狀，組織致密且排列不均勻，硬度最低，m值介于母材和熱影響區(qū)之間，值最高，其韌性最好；1/2熱影響區(qū)與熱影響區(qū)組織粗大且不均勻，但熔合區(qū)晶粒細(xì)小且等軸，熱影響區(qū)局部出現(xiàn)硬化和軟化現(xiàn)象，m值與值介于母材和焊縫區(qū)之間且離散性較大。

5 結(jié)束語(yǔ)

a. 2219鋁合金TIG焊接頭中焊縫區(qū)域硬度值最低，約為母材的80%；熔合區(qū)組織分布不均勻，硬度值出現(xiàn)突變，熱影響區(qū)局部出現(xiàn)小幅度軟化。

b. 2219鋁合金TIG焊接頭不同區(qū)域的斷裂強(qiáng)度依次為：母材區(qū)>焊縫區(qū)>熱影響區(qū)。斷裂韌性依次為：焊縫區(qū)>熱影響區(qū)>母材區(qū)。

c. 2219鋁合金母材的臨界CTOD值分散性最小，焊縫區(qū)臨界CTOD值的分散性較小，熱影響區(qū)CTOD值分散性最大，即母材的組織性能最均勻，焊縫區(qū)的組織性能較均勻，熱影響區(qū)的組織性能最不均勻。

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Fracture Property of 2219 Aluminum Alloy Joint by TIG Welding

Yan Xu1Ma He1Xiong Linyu2Tian Zhijie2Zhang Yanhua1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191; 2. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

In this paper, the fracture property for TIG welded joints of 2219 aluminum alloy is studied. The results indicated that the inhomogeneity of the microstructure of the joints lead the fracture strength of the welded joints descending orderly from the base metal(BM), the weld zone(WZ), to the heat-affected zone(HAZ). The fracture toughness of the welded joints descends orderly from the WZ, the HAZ, to the BM. And the dispersion of fracture toughness descends orderly from the HAZ, the WZ, to the BM.

2219 aluminum alloy；TIG welding；fracture toughness；CTOD

國(guó)防基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目（JCKY2014203A001）、民用航天預(yù)研資助項(xiàng)目（科工一司[2014] 618號(hào)）。

顏旭（1992），碩士，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：焊接結(jié)構(gòu)完整性與斷裂控制。

2017-07-17