2219-T87鋁合金TIG焊縫摩擦塞補焊接頭組織及性能

杜?波，楊新岐，孫轉(zhuǎn)平, 2，王東坡

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2219-T87鋁合金TIG焊縫摩擦塞補焊接頭組織及性能

杜?波1，楊新岐1，孫轉(zhuǎn)平1, 2，王東坡1

(1. 天津大學天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300350；2. 天津長征火箭制造有限公司，天津 300451)

采用摩擦塞補焊工藝，對8,mm厚的2219-T87鋁合金TIG焊縫進行焊接實驗，采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡觀察接頭的焊縫成型、顯微組織和強化相轉(zhuǎn)變，通過硬度測試、拉伸試驗、斷口觀測研究接頭的力學性能和斷裂特征. 結(jié)果表明：摩擦塞補焊接頭可分為塞棒區(qū)、塞棒熱力影響區(qū)、再結(jié)晶區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)/TIG焊縫區(qū)6部分；接頭熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)的強化相粗化，發(fā)生局部軟化，垂直于TIG焊縫方向的最低硬度(95.1,HV)出現(xiàn)在熱力影響區(qū)，平行于TIG焊縫方向的最低硬度(75.3,HV)出現(xiàn)在熱影響區(qū)；接頭的抗拉強度可達321.3,MPa，斷后伸長率可達2.8%,，分別為母材的72.2%,和28.0%,；拉伸試樣斷裂位置為熱力影響區(qū)，斷口呈剪切韌窩，屬于塑性斷裂.

摩擦塞補焊；2219-T87鋁合金；TIG焊縫；微觀組織；力學性能

2219鋁合金是我國新一代運載火箭貯箱結(jié)構(gòu)材料，攪拌摩擦焊已成功應(yīng)用于火箭貯箱筒段縱縫的焊接，但受到貯箱體積和焊接條件的影響，運載火箭貯箱環(huán)焊縫及角焊縫的連接目前仍采用VPTIG焊接工藝．研究表明，2219鋁合金采用VPTIG焊接時，接頭容易產(chǎn)生氣孔缺陷，嚴重降低接頭的力學性能，需要對氣孔缺陷進行補焊，以滿足貯箱的使用要求．

摩擦塞補焊(friction plug welding，F(xiàn)PW)是英國焊接研究所于1995年發(fā)明的一種新型固相補焊技?術(shù)[1]．該技術(shù)可用于攪拌摩擦焊尾孔的消除及焊接缺陷的修復(fù)，在火箭貯箱結(jié)構(gòu)的制造過程中具有重要應(yīng)用．國外對FPW進行了大量的實驗和工藝優(yōu)化工?作[2-4]；國內(nèi)對FPW的研究起步較晚[5-10]，與2219-T87鋁合金TIG焊縫FPW相關(guān)的研究鮮有報道．

本文對火箭貯箱結(jié)構(gòu)用2219-T87鋁合金TIG焊縫和2A14-T6鋁合金塞棒進行了FPW工藝實驗，焊后對接頭的焊縫成型、微觀組織、顯微硬度、抗拉強度及拉伸斷口進行了觀察和測試．研究結(jié)果對FPW工藝應(yīng)用于火箭貯箱制造中TIG焊縫缺陷的修復(fù)具有重要的理論和工程意義．

1?實驗方法

實驗板材料為2219-T87鋁合金TIG焊縫，規(guī)格為200,mm×80,mm×8,mm，塞棒材料為2A14-T6鋁合金．實測2219-T87鋁合金TIG焊縫的抗拉強度為232.2,MPa，斷后伸長率為1.23%,．2219-T87鋁合金和2A14-T6鋁合金的主要化學成分見表1．

表1?2219-T87鋁合金和2A14-T6鋁合金的主要化學成分

Tab.1?Chemical composition of 2219-T87 and 2A14-T6 aluminum alloys %,

TIG焊縫的摩擦塞補焊工藝實驗在天津大學自主設(shè)計研制的大功率摩擦柱塞焊接系統(tǒng)上完成，塞棒和塞孔的形狀尺寸設(shè)計如圖1(a)所示．通過前期的工藝實驗，在優(yōu)化的焊接工藝下進行實驗(焊接轉(zhuǎn)速5,000,r/min，焊接壓力40,kN，頂鍛壓力45,kN，保壓時間5,s，塞棒壓入量6,mm)．

金相試樣采用線切割切取，經(jīng)磨光、拋光后用Keller試劑腐蝕并在OLYMPUS GX51 光學顯微鏡下觀察其顯微組織．使用432SVD自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維式硬度計測量接頭的硬度分布，載荷1,000,，加載時間10,s．依據(jù)國家標準《焊接接頭拉伸試驗方法》(GB/T 2651—2008)進行FPW接頭的拉伸實驗，拉伸試樣尺寸如圖1(b)所示．拉伸測試在CSS-44100電子萬能實驗機上進行，加載速率3,mm/min．使用Hitachi-S4800掃描電鏡觀察拉伸斷口的宏觀與微觀形貌．

圖1?接頭設(shè)計及拉伸試樣尺寸

2?實驗結(jié)果與分析

2.1?宏觀形貌及微觀組織特征

圖2(a)、2(b)分別為FPW接頭平行和垂直于TIG焊縫方向的截面形貌．從圖2中可以看出，由于焊接過程中連接界面附近塑性材料的流動，F(xiàn)PW接頭的上表面形成飛邊，下表面形成擠出端．兩個截面的整體形貌比較相近，但由于TIG焊縫的焊核區(qū)硬度較低，流動性較好，平行于TIG焊縫方向飛邊翻卷程度明顯比垂直于TIG焊縫方向大．

根據(jù)接頭的組織特征，可將接頭分為塞棒區(qū)(plug metal，PM)、塞棒熱力影響區(qū)(plug thermo-mechanically affected zone，PTMAZ)、再結(jié)晶區(qū)(recrystallized zone，RZ)、熱力影響區(qū)(thermo-mechanically affected zone，TMAZ)、熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)和母材區(qū)(base metal，BM)/TIG焊縫區(qū)(TIG weld)6個部分．

圖3為圖2(a)中標注位置的顯微組織．在平行于TIG焊縫方向截面上，塞棒中心只受到了焊接熱循環(huán)的影響，保持了原始的細長晶粒形態(tài)(如圖3(a)所示)；連接界面處發(fā)生了劇烈的熱力耦合作用，此處的組織再結(jié)晶形成均勻細小的等軸晶組織(如圖3(c)所示)；緊鄰RZ兩側(cè)的TMAZ和PTMAZ發(fā)生了部分再結(jié)晶，但晶粒尺寸比RZ的大(如圖3(c)所示)；而遠離RZ的TMAZ和PTMAZ則只是發(fā)生了較大的塑性變形，且越靠近RZ變形越大(如圖3(b)、3(d)和3(e)所示)；HAZ和TIG焊縫區(qū)均為尺寸較大的等軸晶粒，晶粒尺寸約為100～200,μm(如圖3(f)所示)．

圖2?TIG焊縫FPW接頭的宏觀形貌

圖3?TIG焊縫FPW接頭的微觀組織形貌

由于預(yù)鉆塞孔時，原來TIG焊縫的焊核區(qū)及其周圍的組織已被去除，所以接頭垂直于TIG焊縫方向截面的顯微組織與母材FPW接頭基本一致，之前的研究中已做過詳細介紹，故不再贅述[8-10]．

2.2?強化相分布

圖4為掃描電鏡下圖2(a)中標注位置強化相的形態(tài)及分布特征．塞棒中心只受到焊接熱的影響，而未受到力的作用，強化相沿塞棒拉拔的方向呈線狀分布(如圖4(a)所示)；RZ發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，強化相在劇烈的熱力作用下得到細化(如圖4(c)所示)；靠近RZ的PTMAZ和TMAZ發(fā)生部分再結(jié)晶，強化相也得到一定程度細化，但尺寸比RZ的大(如圖4(c)所示)；稍遠離RZ的PTMAZ和TMAZ中的強化相在熱力作用下發(fā)生明顯變形(如圖4(b)、4(d)和4(e)所示)；HAZ和TIG焊縫中的強化相在FPW過程中未受到力的作用，強化相均勻分布(如圖4(f)所示)．

強化相在焊接過程中的演變與接頭各區(qū)硬度的變化密切相關(guān)．TMAZ、HAZ和TIG焊縫中的強化相經(jīng)歷TIG焊接熱循環(huán)的影響，TMAZ和HAZ又再次經(jīng)歷FPW焊接熱循環(huán)的影響，這3個區(qū)域的組織發(fā)生嚴重過時效，強化相粗化，數(shù)量也明顯比PM和PTMAZ多．

圖4?TIG焊縫FPW接頭的強化相分布

2.3?硬度分布

圖5(a)、圖5(b)分別為FPW接頭平行和垂直于TIG焊縫方向截面的硬度分布．硬度測試間距為0.5,mm．實測2219-T87鋁合金板的平均硬度為146.5,HV，2A14-T6鋁合金棒的平均硬度為133.6,HV．

在平行于TIG焊縫方向截面上，TMAZ、HAZ和TIG焊縫區(qū)先后經(jīng)歷了TIG和FPW焊接熱循環(huán)影響，所以這3個區(qū)域的硬度都比較低，約為75～80,HV，最低硬度出現(xiàn)在HAZ，最低值為75.3,HV；PM的硬度較高，硬度在122～130,HV范圍內(nèi)波動；PTMAZ的硬度比PM略高，約為135～140,HV，這是由于PTMAZ發(fā)生了部分再結(jié)晶，晶粒得到一定程度的細化，從而使硬度得到小幅提高．

在垂直于TIG焊縫方向截面上，PM和PTMAZ的硬度基本與平行于TIG焊縫方向截面上的分布一致；硬度自TMAZ開始降低，經(jīng)過影響區(qū)后開始緩慢增加，最低硬度出現(xiàn)在TMAZ，最低值為95.1,HV．由于接頭先后經(jīng)過TIG和FPW焊接過程，TIG焊接過程熱輸入比較大，HAZ較寬，預(yù)鉆塞孔時HAZ未能完全被去除，部分保留到了FPW接頭中，所以硬度測試結(jié)果顯示接頭出現(xiàn)了較寬的軟化區(qū)．

由此可見，采用FPW工藝修復(fù)TIG焊接缺陷，去除了原始TIG焊縫軟化嚴重的區(qū)域，降低了接頭軟化的程度，因此，F(xiàn)PW工藝有利于補焊焊縫力學性能的提高．

圖5?TIG焊縫FPW接頭截面硬度分布

2.4?拉伸性能

圖6為FPW接頭和TIG接頭的應(yīng)力-應(yīng)變曲線．由圖6可知，由于TIG焊過程中較大的熱輸入和氣孔缺陷，接頭的力學性能較差，抗拉強度僅為232.2,MPa，斷后伸長率為1.23%,，分別為母材的52.2%,和12.3%,；相比之下，TIG焊縫FPW接頭的抗拉強度可達321.3,MPa，斷后伸長率可達2.8%,，分別為母材的72.2%,和28.0%,，遠遠超過TIG接頭的抗拉強度和斷后伸長率，說明通過FPW工藝對TIG焊縫進行缺陷修復(fù)是可行的，且具有明顯的優(yōu)勢．

圖6?FPW接頭和TIG接頭應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.5?斷口形貌

圖7為TIG焊縫FPW接頭拉伸試樣的斷口形貌．拉伸試樣的斷裂位置在TMAZ，說明軟化的TMAZ是整個接頭的薄弱區(qū)域．由低倍斷口形貌可以看出，拉伸斷口呈現(xiàn)韌窩形貌，但韌窩有兩種不同形態(tài)，即顏色較深的區(qū)域A和顏色較淺的區(qū)域B，區(qū)域A和區(qū)域B韌窩均呈現(xiàn)大小韌窩相間分布的特征，大韌窩的底部可清楚觀察到強化相粒子；二者均呈現(xiàn)剪切韌窩的特征，區(qū)域A剪切韌窩特征更為明顯．由FPW接頭的斷口形貌可知，接頭屬于塑性斷裂，并且FPW過程中TMAZ的強化相粒子發(fā)生聚集和長大．

圖7?TIG焊縫FPW接頭斷口形貌

3?結(jié)?論

(1) 采用摩擦塞補焊工藝，實現(xiàn)了對8,mm厚2219-T87鋁合金TIG焊縫的補焊，并獲得了無缺陷的FPW接頭．

(2) FPW接頭由塞棒區(qū)、塞棒熱力影響區(qū)、再結(jié)晶區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)/TIG焊縫區(qū)6個部分組成．

(3) FPW接頭TMAZ和HAZ的強化相嚴重粗化，發(fā)生局部軟化，垂直于TIG焊縫方向的最低硬度(95.1,HV)出現(xiàn)在TMAZ；平行于TIG焊縫方向的最低硬度(75.3,HV)出現(xiàn)在HAZ．

(4) FPW接頭的抗拉強度可達321.3,MPa，斷后伸長率可達2.8%,，分別為母材的72.2%,和28.0%,，遠高于TIG接頭．

(5) FPW接頭拉伸試樣的斷裂位置為TMAZ，說明TMAZ是FPW接頭的薄弱區(qū)；拉伸斷口呈剪切韌窩形貌，韌窩底部分布有強化相．

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Microstructure and Properties of Friction Plug Welding Joint for 2219-T87 Aluminum Alloy TIG Weld

Du Bo1，Yang Xinqi1，Sun Zhuanping1, 2，Wang Dongpo1

(1．Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2．Tianjin Changzheng Rocket Manufacturing Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

Friction plug welding(FPW)experiments were performed on an 8 mm thick 2219-T87 aluminum alloy TIG weld．The weld formation，microstructure and strengthening phases were observed by optical microscope and scanning electron microscope．The mechanical properties and fracture morphology were studied by hardness test，tensile test and fracture observation．The results show that FPW joint can be divided into six parts，which are plug metal，plug thermo-mechanically affected zone，recrystallized zone，thermo-mechanically affected zone，heat affected zone and base metal/TIG weld．Strengthening phases coarse and local softening were observed in the thermo-mechanically affected zone and heat affected zone．The minimum hardness(95.1,HV)appears in the thermo-mechanically affected zone perpendicular to the TIG weld，and the minimum hardness(75.3,HV)appears in the heat affected zone parallel to the TIG weld．The tensile strength and elongation of FPW joint can reach 321.3,MPa and 2.8%,，are equal to 72.2%, and 28.0%, of the base metal，respectively. Tensile specimens fracture at thermo-mechanically affected zone．The fracture morphology shows shear dimples，belonging to plastic fracture.

friction plug welding；2219-T87 aluminum alloy；TIG weld；microstructure；mechanical property

10.11784/tdxbz201712030

TK453.9

A

0493-2137(2018)12-1303-06

2017-12-19；

2018-01-25.

杜?波（1990—），男，博士研究生，dubo1122@tju.edu.cn.

楊新岐，xqyang@tju.edu.cn.

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃重點資助項目(C02014123，C02015062).

the Tianjin Key Research Program of Application Foundation and Advanced Technology(No.,C02014123 and No.,C02015062).

(責任編輯：王新英)