2219高強鋁合金活性TIG焊工藝

栗 慧，鄒家生，姚君山， 彭浩平

(1 江蘇科技大學 先進焊接技術(shù)省級重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2 常州工學院 機械與車輛工程學院，江蘇 常州 213002；3 常州大學 江蘇省油氣儲運技術(shù)重點實驗室，江蘇 常州 213164)

智慧制造是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢，優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、降耗是其基本要求[1]。鋁合金具有高強輕質(zhì)的特性，是節(jié)能降耗技術(shù)優(yōu)選的結(jié)構(gòu)材料[2]。焊接作為鋁合金關(guān)鍵制造技術(shù)之一，如何實現(xiàn)鋁合金的優(yōu)質(zhì)高效焊接一直是國內(nèi)外的研究熱點和難點[3-4]。直流正極性焊接方式能夠在相同焊接電流條件下明顯提高焊接速率，不但能實現(xiàn)高效焊接目標，而且能有效降低單位熱輸入量，實現(xiàn)低損傷目標，同時直流電弧穩(wěn)定，可以減少氣孔缺陷，提高焊縫成型的精度，是鋁合金高效優(yōu)質(zhì)制造技術(shù)的優(yōu)選[5]。而表面致密氧化膜的存在是當前鋁合金TIG 焊無法實現(xiàn)直流正極性焊接的直接障礙，是影響鋁合金優(yōu)質(zhì)高效焊接的關(guān)鍵[6]。

目前去除鋁合金氧化膜方面的研究成果主要包括陰極霧化去膜、直流正極性鎢極氦弧焊、焊劑反應去膜等3個方面。其中，基于陰極霧化去膜機制的先進焊接技術(shù)[7-8]主要有變極性焊接技術(shù)和變極性等離子弧焊，在保證去除氧化膜條件下盡可能提高正極性比例，重點研究焊接電源、電弧形態(tài)、焊縫熔透和焊接工藝性能等方面，而焊縫氣孔缺陷仍是難題。直流正極性鎢極氦弧焊方法能夠?qū)崿F(xiàn)氧化膜高溫分解破碎效果而獲得滿意的焊接質(zhì)量，但氦氣成本太高，應用范圍受到了極大的限制。焊劑反應去膜主要應用于氣焊、鋁焊條電弧焊、電弧釬焊以及激光電弧焊，而在TIG焊方面主要采用氯化物和氟化物活性劑進行LF21 鋁合金直流正接活性TIG焊[9]，重點研究增加焊縫熔深機理。

2219鋁合金是航天領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)材料，是航天運載貯箱等部件最有發(fā)展前途的鋁合金結(jié)構(gòu)材料，一直以來，2219鋁合金的焊接性阻礙了其大范圍應用，尤其是存在焊接氣孔率高和接頭強度系數(shù)低等問題[10-11]。目前，采用常規(guī)TIG焊接工藝焊接2219鋁合金厚板時，需要很大的焊接電流以及采用多層焊接工藝，這些會降低2219鋁合金焊接接頭強度系數(shù)，增大焊接變形，而且在焊縫中極易出現(xiàn)明顯的氣孔缺陷。因此，提出采用直流正極性活性焊技術(shù)(DCSP A-TIG)焊接2219鋁合金，即在直流正極性條件下，采用專門的活性劑進行高強鋁合金的焊接，達到去除2219鋁合金表面氧化膜、內(nèi)部氣孔和提高焊接生產(chǎn)率的作用，并且可以簡化工藝設(shè)備，對于鋁合金電弧焊工藝創(chuàng)新和優(yōu)質(zhì)高效焊接具有重要的技術(shù)支撐和工程應用價值。目前A-TIG焊中活性劑的使用主要為了增大焊縫熔深[12-15]，而本工作采用兩種單組分和兩種混合組分活性劑來開展2219鋁合金直流正極性TIG焊接的工藝實驗，旨在去除鋁合金表面氧化膜，消除焊縫中氣孔缺陷，實現(xiàn)2219鋁合金直接正極性TIG焊。

1 實驗材料和方法

直流正極性活性TIG焊實驗采用4mm厚的2219高強鋁合金板材，化學成分如表1所示；焊絲采用進口ER2319，所使用的活性劑成分如表1所示：單組分活性劑(質(zhì)量比為AlF3和LiF)，3組分活性劑(質(zhì)量比為AlF3+30%LiF+10%KF-AlF3)，4組分活性劑(質(zhì)量比為AlF3+30%LiF+10%KF-AlF3+10%K2SiF6)。

表1 2219鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 2219 aluminum alloy (mass fraction/%)

焊前無需對焊接區(qū)域進行刮削，使用丙酮試劑擦拭工件表面以除去油污，將稱好的活性劑用無水乙醇溶解，攪拌成懸濁液后用毛刷均勻涂敷在待焊表面，待酒精徹底揮發(fā)后，根據(jù)焊接工藝要求進行空燒、堆焊和對焊。焊接方法采用手工鎢極惰性氣體(70%(體積分數(shù)，下同)氬氣+30%氦氣)保護TIG焊，焊接設(shè)備為MiL351方波交、直流兩用氬弧焊機，本實驗采用直流正極性接法。焊接過程記錄電壓值的變化，實驗采用AcutEye高速圖像記錄處理系統(tǒng)和CoaxPress接口進行高速圖像信號的實時傳輸，并搭配CP80-3-M-540高速工業(yè)相機拍攝不同組分活性劑的直流活性TIG焊電弧形態(tài)變化。

焊后觀察焊縫表面質(zhì)量并拍照；采用X射線對焊縫內(nèi)部氣孔進行探傷檢查；沿焊縫橫截面截取試樣，經(jīng)磨制、拋光后，采用質(zhì)量比為1%HF+1.5%HCl+2.5% HNO3+ 95%H2O的混合酸溶液進行腐蝕，使用金相顯微鏡和超景深顯微鏡觀察焊接接頭的微觀組織和熔深；采用掃描電鏡對焊縫組織進行掃描和EDS成分分析；參考焊接接頭拉伸標準GB/T 2651-2008設(shè)計試樣尺寸并進行拉伸實驗。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 活性劑對焊縫表面成型的影響

研究出能夠在直流正極性TIG焊條件下有效去除2219鋁合金表面氧化膜和焊縫內(nèi)部氣孔的活性劑是關(guān)鍵所在。首先采用上述4種活性劑進行2219鋁合金DCSP A-TIG表面堆焊實驗，焊接電流為140A，焊后觀察焊縫表面成型效果。

圖1為DCSP A-TIG堆焊焊縫表面成型形貌。圖1(a)和圖1(b)是涂覆AlF3和LiF活性劑對2219鋁合金表面焊縫成型的情況，從圖1(a)和圖1(b)可見，焊縫表面光潔平滑，成形良好，兩種活性劑對鋁合金表面的氧化膜均具有良好的去除作用，采用AlF3監(jiān)測到的電弧電壓為13.5V，而采用LiF監(jiān)測到的電弧電壓為11.7V，焊縫兩側(cè)出現(xiàn)了黑邊。圖1(c)和圖1(d)為涂覆混合組分活性劑對2219鋁合金表面焊縫成型的影響情況，可見，焊縫表面光潔平滑，混合組分活性劑均具有良好的去除氧化膜作用，此外，焊縫兩側(cè)都出現(xiàn)了較多的黑邊。黑邊是活性劑與活性劑之間、活性劑與母材或與表面氧化膜在電弧作用下的產(chǎn)物。采用3組分活性劑監(jiān)測到的電弧電壓為13V，4組分活性劑監(jiān)測到的電弧電壓為12.3V?；钚詣缚p的影響除體現(xiàn)在表面成型質(zhì)量外，還體現(xiàn)在電壓的變化上面。

圖1 堆焊焊縫表面成型形貌(a)AlF3；(b)LiF；(c)3組分；(d)4組分Fig.1 Surface forming morphologies of overlay welding seam(a)AlF3;(b)LiF;(c)three-component;(d)four-component

表面堆焊實驗研究活性劑去除2219鋁合金表面氧化膜的效果，最終是要進行2219鋁合金的DCSP A-TIG焊對接實驗。圖2所示為DCSP A-TIG對焊焊縫表面成型形貌。如圖2(a)所示，在保證背面熔合前提下，采用AlF3作為對焊表面成型活性劑，焊接電流為150A、電弧電壓為13.8V，實現(xiàn)了2219鋁合金的對焊，焊縫表面不太光亮，焊縫成型質(zhì)量一般。圖2(b)給出的是涂覆LiF活性劑的成型照片，焊縫表面不太光亮，焊縫寬度基本一致，成型較好，焊接電流為145A、電弧電壓為12.9V。圖2(c)是涂覆3組分活性劑的成型照片，焊縫表面較光亮，寬度均勻一致，魚鱗紋明顯，且兩側(cè)出現(xiàn)了較多的黑邊，焊接電流為145A、電弧電壓為13.5V。圖2(d)為涂覆4組分活性劑時表面質(zhì)量照片，焊縫表面光亮，較其他成分活性劑焊縫寬度均勻一致，魚鱗紋明顯整齊，成型良好，焊接電流為150A，電弧電壓為12.8V。與常規(guī)TIG焊相比，DCSP A-TIG焊縫表面均呈暗灰色，這主要是由于活性劑在電弧作用下形成的殘渣覆蓋在焊縫表面形成的，焊后清理表面，即可獲得光亮的表面，可見，氟化物活性劑可以有效去除鋁合金表面的氧化膜。

圖2 對焊焊縫表面成型形貌(a)AlF3；(b)LiF；(c)3組分；(c)4組分Fig.2 Surface forming morphologies of butt welding seam(a)AlF3;(b)LiF;(c)three-component;(d)four-component

2.2 活性劑對焊縫內(nèi)部質(zhì)量的影響

圖3所示為采用VPTIG焊和DCSP A-TIG焊對焊焊縫內(nèi)部質(zhì)量情況。2219鋁合金材料是一種在焊接中容易產(chǎn)生氣孔缺陷的材料，通常采用變極性TIG焊方法(VPTIG)進行2219鋁合金的焊接，X探傷表明VPTIG焊焊縫內(nèi)部分布著鏈狀氣孔，如圖3(a)所示，而采用DCSP A-TIG焊技術(shù)，如圖3(b)～(e)，4種活性劑(AlF3，LiF，3組分和4組分)可以有效地避免焊縫氣孔的產(chǎn)生，就焊縫氣孔去除問題而言，直流活性TIG焊技術(shù)具有很大的優(yōu)越性。4組分活性劑中添加了質(zhì)量分數(shù)10%的界面活性物質(zhì)K2SiF6，有利于提高焊接過程的穩(wěn)定性，因此涂覆4組分活性劑的焊縫表面魚鱗紋形狀均勻，焊縫寬度基本一致，如圖3(e)所示。

2.3 活性劑對電弧形態(tài)的影響

圖4是利用高速攝影設(shè)備拍攝的焊接過程中的電弧形態(tài)，采用表面空燒方法研究活性劑對電弧形態(tài)的影響。無活性劑的電弧形態(tài)如圖4(a)所示。與無活性劑的電弧形態(tài)相比，涂覆不同類型活性劑對電弧形態(tài)有著不同的影響。涂覆AlF3活性劑使得電弧向后偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了明顯的拖弧現(xiàn)象，如圖4(b)所示；圖4(c)是涂覆LiF的電弧形態(tài)，電弧形態(tài)基本不發(fā)生變化；涂覆3組分活性劑時電弧有輕微的拖弧和擴展現(xiàn)象，如圖4(d)所示；圖4(e)為涂覆4組分活性劑時，電弧形態(tài)基本沒發(fā)生變化。通過對比4種活性劑對電弧形態(tài)的影響可發(fā)現(xiàn)，隨著活性劑組分中AlF3含量的減少，拖弧現(xiàn)象變得不明顯。

2.4 活性劑對焊縫熔深的影響

圖5是2219鋁合金DCSP A-TIG堆焊焊縫熔深示意圖。無活性劑的焊縫熔深平均值為2.21mm，如圖5(a)所示；涂覆LiF活性劑增加熔深效果不明顯，僅為2.24mm，如圖5(c)所示；其余3種活性劑對增大熔深有著顯著的作用，特別是涂覆AlF3活性劑平均熔深可達3.38mm，如圖5(b)所示；其次是3組分活性劑，平均熔深達3.27mm，如圖5(d)所示；涂覆4組分活性劑的焊縫熔深為2.84mm，如圖5(e)所示。隨著活性劑中AlF3含量減少，熔深也隨之減小，4組分活性劑熔深小于AlF3單組分和3組分活性劑的熔深。

圖4 電弧形態(tài)的示意圖 (a)無活性劑；(b)AlF3；(c)LiF；(d)3組分；(e)4組分Fig.4 Diagrams of arc shape (a)without activating flux;(b)AlF3;(c)LiF;(d)three-component;(e)four-component

圖5 堆焊焊縫熔深示意圖 (a)無活性劑；(b)AlF3；(c)LiF；(d)3組分；(e)4組分Fig.5 Weld penetration diagrams of overlay welding seam (a)without activating flux;(b)AlF3;(c)LiF;(d)three-component;(e)four-component

由2.1節(jié)可知，DCSP A-TIG堆焊過程使用AlF3活性劑監(jiān)測到的電弧電壓值為13.5V，在4種活性劑中最高；由2.3節(jié)表面空燒實驗可知，涂覆AlF3活性劑使得電弧形態(tài)出現(xiàn)了明顯的拖弧現(xiàn)象；結(jié)合2.4節(jié)活性劑對焊縫熔深變化的影響可知，在140A相同的焊接電流條件下，涂覆AlF3活性劑的焊縫熔深最大，可達3.38mm?？梢婋娀‰妷?、電弧形態(tài)和熔深有著密切關(guān)系，AlF3活性劑在增加電弧電壓的同時增加了焊接熔深，說明其增加熔深的機理主要在于影響電弧形態(tài)。一方面，可能由于AlF3活性劑在熔池表面對電弧產(chǎn)生阻礙作用，在相同電流條件下，電弧導電通道電阻增大，使得焊接電壓升高[16]。另一方面，在焊接電流不變時,電弧電壓的升高意味著電弧長度的增加。添加AlF3活性劑的電弧出現(xiàn)了明顯的拖弧現(xiàn)象，造成電弧長度的增加，電弧電壓也隨之增加[17]。

2.5 活性劑對接頭組織的影響

焊縫力學性能與焊后接頭的金相組織密切相關(guān)，焊縫組織對焊接接頭及整體焊接結(jié)構(gòu)的使用性能有著重要影響。圖6和圖7為涂覆4組分活性劑的2219高強鋁合金DCSP A-TIG焊接接頭組織。圖6(a)為超景深顯微鏡所拍攝的照片，可見，焊縫組織以α(Al)基體為主，在基體上和沿晶界區(qū)域均分布著大量的θ(CuAl2)強化相，CuAl2強化相的存在一定程度上有利于改善和提高焊接接頭的性能，在晶界和枝晶間分布著大量的呈網(wǎng)絡狀連續(xù)分布的α(Al)+θ(CuAl2)共晶相。焊縫SEM照片如圖6(b)所示，通過EDS分析可以確定焊縫組織組成物為α(Al)固溶體和θ(CuAl2)相，與2219高強鋁合金母材具有相同的組織組成物[18-19]。

圖7(a)，(b)為涂覆3組分和4組分活性劑的2219鋁合金堆焊接頭組織照片，焊縫組織均由細小的等軸晶和微小的強化相構(gòu)成；熔合區(qū)組織由大小不一的晶粒組織和分布在其中的許多強化相構(gòu)成；熱影響區(qū)組織由軋制晶粒組織和分布在其中的強化相構(gòu)成。其中3組分活性劑接頭的熔合區(qū)還發(fā)現(xiàn)較多的微氣孔，這會對接頭力學性能造成一定影響。氣孔的產(chǎn)生原因有很多，在焊接熔合區(qū)，固態(tài)母材與液態(tài)熔池瞬間共存，由于存在溶解度差異，固態(tài)母材所含的氫向熔池擴散和溶解，熔池快速結(jié)晶時，氫未及時析出，即形成熔合區(qū)氣孔，另一方面由于焊接過程中電弧不穩(wěn)定造成的，4組分活性劑中添加K2SiF6成分，有助于提高焊接過程的平穩(wěn)性，接頭組織中很少發(fā)現(xiàn)微氣孔存在。

圖7(c)和圖7(d)是涂覆3組分和4組分活性劑對焊接頭微觀組織照片，3組分活性劑的熔合區(qū)晶粒組織大于4組分活性劑熔合區(qū)晶粒組織。與堆焊接頭相比，對焊接頭微觀組織比堆焊組織粗大。為了保證對焊接頭充分熔合，需使用較大電流，在相同條件下，電流的增加會引起焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒粗大，因此，在焊接過程中，要合理選擇電流，以免晶粒過分粗大造成接頭力學性能的降低。此外，在拉伸實驗中，還發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的斷口幾乎位于熔合區(qū)內(nèi)靠近焊縫的位置，這也在宏觀上驗證了熔合區(qū)晶粒組織不均勻或者氣孔的存在[20]。

2.6 活性劑對接頭力學性能的影響

焊接電流是保證焊接質(zhì)量最重要的工藝參數(shù)，焊接電流過小易造成2219鋁合金背面出現(xiàn)未熔合缺陷；而電流過大，會造成焊縫熔寬大，余高較小，背面出現(xiàn)焊瘤，需要改變焊接速率，避免對接頭質(zhì)量不利的缺陷產(chǎn)生。合適的焊接電流有助于消除焊縫氣孔，提高焊縫表面成型質(zhì)量，增大焊縫熔深、接頭強度和伸長率。本工作研究了電流大小對涂覆四種活性劑的2219鋁合金DCSP A-TIG接頭強度和伸長率的影響。圖8和圖9是焊接電流對DCSP A-TIG對接接頭抗拉強度和伸長率的影響。為了驗證DCSP A-TIG的有效性，對2219鋁合金VPTIG接頭性能進行測試，平均強度為266.86MPa，平均伸長率為6.24%。從圖8可以看出，涂覆活性劑的接頭強度值只有在合適的電流條件下才能達到最高值，焊接電流為150A時，涂覆AlF3和4組分活性劑的接頭抗拉強度最高值分別為258.48MPa和267.73MPa，而焊接電流為145A時，涂覆LiF和3組分活性劑的接頭抗拉強度最高值分別為256.32MPa和263.44MPa，4組分活性劑的DCSP A-TIG接頭強度為267.73MPa明顯高于其他3種活性劑，略高于VPTIG接頭強度。從圖9可以看出涂覆AlF3,LiF活性劑的接頭平均伸長率在焊接電流為150A時，分別達到了5.34%和5.38%；涂覆3組分活性劑的接頭伸長率在145A時，達到了5.52%；涂覆4組分活性劑的接頭伸長率在155A時，達到6.19%，略低于VPTIG焊的接頭伸長率，由于VPTIG采用了打底焊和蓋面焊兩層焊接工藝，接頭的軟化區(qū)域擴展，因此伸長率要略高于DCSP A-TIG焊接頭的伸長率。

圖8 焊接電流對DCSP A-TIG對焊接頭抗拉強度的影響 Fig.8 Effect of welding current on the tensile strength of DCSP A-TIG butt welding

圖9 焊接電流對DCSP A-TIG對焊接頭伸長率的影響Fig.9 Effect of welding current on the elongation of DCSP A-TIG butt welding

3 結(jié)論

(1)采用4種活性劑均可以去除2219鋁合金焊縫表面氧化膜，提高焊縫表面成型質(zhì)量，有效去除焊縫內(nèi)部氣孔。涂覆單組分AlF3活性劑的DCSP A-TIG對接接頭成型質(zhì)量差，魚鱗紋不明顯，而涂覆4組分接頭成型質(zhì)量最佳，魚鱗紋明顯。

(2)AlF3活性劑增加熔深的效果非常明顯，熔深達3.38mm，3組分活性劑熔深達3.27mm，4組分活性劑熔深為2.84mm。涂覆AlF3活性劑的電弧形態(tài)具有明顯的拖弧現(xiàn)象，涂覆3組分活性劑時，電弧有輕微的拖弧和擴展現(xiàn)象，而LiF和4組分活性劑的電弧形態(tài)變化不明顯。

(3)2219鋁合金DCSP A-TIG焊縫組織具有和母材相同的組織組成物。電流大小對接頭組織影響較大，過大的電流會造成晶粒組織粗大。

(4)采用直流正極活性TIG焊的2219鋁合金接頭性能與變極性TIG焊具有相近的性能指標?；钚詣┲械姆锟梢杂行コX合金表面的氧化膜和焊縫氣孔，對于2219高強鋁合金的焊接而言，采用直流活性正極性TIG焊具有很大的工程應用價值。

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