2219鋁合金VPTIG鎖底焊縫缺陷修復(fù)及其對(duì)接頭性能的影響

姚徐偉，崔國平，仇一卿，瞿磊，趙舵，卜星，鄔劍虹

上海航天精密機(jī)械研究所 上海 201600

1 序言

2219-T8屬于Al-Cu-Mn系析出強(qiáng)化型高強(qiáng)鋁合金，在較大的溫度范圍內(nèi)（-250℃～室溫）有良好的力學(xué)性能、抗應(yīng)力腐蝕能力，相比其他系列的可熱處理鋁合金焊接性好，對(duì)焊接熱裂紋的敏感性較低，焊接接頭的塑性和低溫韌性較好[1]，在航空航天及國防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2]。

變極性TIG弧焊電源（Variable Polarity TIG，VPTIG）廣泛應(yīng)用于2219鋁合金的焊接，變極性電源為直流電源，通過在程序的設(shè)定時(shí)間段內(nèi)將電流迅速反向，同時(shí)定義輸出的大小，使之具備反向清理的功能[3]，與常規(guī)TIG焊相比，可設(shè)置正向電流、反向電流及正反向焊接時(shí)間。在焊接過程中，由于鎢極的燒損情況與反向電流的時(shí)間和大小有關(guān)，變極性電源通過短時(shí)間和大電流迅速破碎鋁合金表面氧化膜來滿足陰極清理要求，使鎢極端頭能保持錐狀，有利于電弧能量集中，還可獲得焊接熔深大、熔合區(qū)窄、接頭強(qiáng)度和塑性指標(biāo)高的焊接效果[4]。

對(duì)2219鋁合金采用VPTIG對(duì)接焊時(shí)，通過焊接參數(shù)的調(diào)整，可獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫[5]。但對(duì)于2219鋁合金VPTIG鎖底焊接工藝研究較少，特別是針對(duì)厚板進(jìn)行鎖底焊接時(shí)，由于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)大、焊縫兩側(cè)金屬散熱不均衡及焊縫貼合程度不同等原因，所以易造成未焊透及鏈狀氣孔等缺陷。而對(duì)于未焊透等缺陷，一般通過清除缺陷再補(bǔ)焊等手段，保證焊縫的可靠連接。

本文以2219鋁合金鎖底焊接頭為研究對(duì)象，對(duì)鎖底焊接試板未焊透程度通過X射線底片觀察，同時(shí)對(duì)焊縫力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)不同鎖底焊縫未焊透程度的力學(xué)性能特征進(jìn)行了對(duì)比分析，并觀察了焊縫斷口橫截面形貌，最后采用手工TIG焊對(duì)鎖底焊縫進(jìn)行了補(bǔ)焊。

2 試驗(yàn)方法

采用2219-T8鋁合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1，焊接接頭形式如圖1所示。其中SB1為8mm厚板材，SB2為型材加工，鎖底槽深度為8mm，對(duì)接位置留2mm鈍邊，單邊開40°坡口。

圖1 鎖底焊接接頭形式

表1 2219-T8鋁合金化學(xué)成分及力學(xué)性能

試驗(yàn)采用Miller Aerowave VPC450焊接電源進(jìn)行焊接，焊絲為ER2325、φ1.6mm自動(dòng)焊焊絲，焊接分為打底及蓋面兩道焊接。焊接頻率為120～150Hz，占空比為80%，DCEP與DCEN脈沖電流幅值差為30～60A，焊接速度為150mm/min，送絲速度為1200mm/min，焊接電流見表2。試板焊接完成后對(duì)試片進(jìn)行X射線檢測(cè)，檢測(cè)后標(biāo)記未焊透部位。選取未焊透試板及焊透的鎖底焊接試板，進(jìn)行缺陷清除補(bǔ)焊試驗(yàn)。補(bǔ)焊時(shí)開U形坡口，坡口深度為8mm，采用Fronius MagicWave4000手工TIG焊機(jī)對(duì)缺陷焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊，焊絲為ER2325、φ4mm，補(bǔ)焊同樣采用兩道焊縫，包括打底及蓋面焊。將所有焊后試板沿垂直于焊縫方向截取拉伸試樣（見圖2）。拉伸試驗(yàn)在HUT305A型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，同時(shí)對(duì)部分?jǐn)嗫诤暧^形貌進(jìn)行觀察。

表2 焊接電流

圖2 拉伸試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同參數(shù)焊接的鎖底試板焊縫形貌及X射線底片如圖3所示。由圖3a、b可知，SY1試板焊縫外觀成形良好，魚鱗紋清晰，呈現(xiàn)明顯的金屬光澤，焊縫兩側(cè)有明顯的陰極霧化區(qū)，但觀察X射線底片發(fā)現(xiàn)，底片存在兩條明顯的黑線，分別為背部未焊透影像及焊漏槽影像。由圖3c、d可知，SY2試板X射線底片顯示在對(duì)接縫處存在未焊透并伴隨連續(xù)氣孔狀缺陷，且沿整條焊縫縱向分布；由圖3e、f可知，SY3試板焊縫X射線底片顯示在對(duì)接縫處，未焊透消失，顯現(xiàn)出連續(xù)氣孔缺陷；由圖3g、h可知，SY4試板焊縫X射線底片顯示在對(duì)接縫處，無未焊透缺陷，同時(shí)焊漏槽已被焊漏填滿，焊漏槽界面影像消失。

圖3 鎖底試板焊縫形貌及X射線底片

圖4a所示為焊接坡口形貌。將未焊透及焊透的試板開U形焊接坡口，采用手工TIG焊進(jìn)行補(bǔ)焊，編號(hào)為BSY1和BSY2，同時(shí)對(duì)BSY1及BSY2試板進(jìn)行X射線檢測(cè)，確認(rèn)焊縫內(nèi)部質(zhì)量。圖4b、c為BSY1試板焊縫形貌及X射線底片，經(jīng)手工TIG焊補(bǔ)焊后，焊縫外觀成形良好，射線底片顯示焊縫無未焊透等缺陷，符合QJ 2698A—2011《鋁及鋁合金熔焊技術(shù)要求》I級(jí)焊縫要求；圖4d、e為BSY2試板焊縫形貌及X射線底片，經(jīng)手工TIG焊補(bǔ)焊后，焊縫外觀成形良好，射線底片顯示焊縫同樣無未焊透等缺陷。

圖4 補(bǔ)焊試板及底片

2219-T8鋁合金VPTIG焊鎖底接頭及常規(guī)TIG補(bǔ)焊后力學(xué)性能見表3。由表3可知，未焊透試板性能最低，抗拉強(qiáng)度平均值為139MPa（SY1）；帶背部鏈狀氣孔的試板力學(xué)性能居中（SY2、SY3）；焊透試板的力學(xué)性能最高（SY4），達(dá)到母材強(qiáng)度的60%；試板經(jīng)手工TIG焊補(bǔ)焊后，力學(xué)性能相對(duì)VPTIG焊力學(xué)性能略有降低，分別為母材性能的54.3%（BSY1）及51.8%（BSY2）。

表3 鎖底焊縫力學(xué)性能

對(duì)鎖底焊縫斷裂位置進(jìn)行了觀察，圖5a～d分別為SY1、SY2試樣斷口。觀察斷口形貌，試樣在焊縫中心發(fā)生斷裂，鈍邊處均沒有熔合，起始斷裂位置為背部未焊透處。圖5e、f為SY3試樣斷裂特征，由圖5e、f可見，焊縫在SB1板處存在焊漏，但未能將SB2板完全熔合，從SB2板鎖底槽根部發(fā)生開裂，且觀察SB2板斷口底部，存在明顯的大量氣孔。圖5g、h為SY4焊縫試樣，從試樣斷口可看出，SB2板根部已完全熔透，焊核區(qū)與底部焊漏槽完全熔合，從焊縫熔合區(qū)發(fā)生斷裂。圖5i、j為BSY1補(bǔ)焊后的斷口形貌，焊縫同樣在SB1試板側(cè)熔合區(qū)發(fā)生斷裂，同時(shí)由斷口可看出，由于試板開U形坡口，所以電弧熱更能直接作用于焊縫根部，焊漏也均與試板相互熔合，未出現(xiàn)如圖5e、f所示的SB2板根部未熔合現(xiàn)象。

斷口處金相組織如圖6所示。圖6a為SY1試板焊縫橫截面宏觀組織，存在未焊透時(shí)凝固收縮形成的尖角，如圖6a中箭頭位置所示。尖角處在拉伸載荷下會(huì)形成裂紋源，使焊縫從該處快速擴(kuò)展開裂，造成焊縫力學(xué)性能較差，這與圖5a、b觀察的斷口形貌及焊縫力學(xué)性能相對(duì)應(yīng)。如圖6b所示，當(dāng)焊接電流進(jìn)一步加大，SB1板焊縫下方形成焊漏，但焊漏與鎖底槽處存在清晰的界面，說明該工藝參數(shù)下電弧產(chǎn)生的熱量未能直接作用在鎖底槽根部，熱量未能熔化SB2板，焊漏未能與SB2板鎖底槽基體形成冶金結(jié)合。同時(shí)凝固收縮時(shí)在對(duì)接面根部形成內(nèi)凹尖角，同樣形成了裂紋源，而該位置由于焊漏槽與焊漏未能熔合，所以無法約束并阻礙裂紋內(nèi)凹尖角的擴(kuò)展，從而使得SY3同樣從根部未熔合處斷裂，如圖6c所示。當(dāng)焊縫處于整個(gè)SB2試板根部完全熔透情況下，焊縫從SB1試板根部熔合區(qū)附近產(chǎn)生斷裂，這與常規(guī)的2219鋁合金焊縫斷裂位置相同。當(dāng)采用TIG焊對(duì)未焊透焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊時(shí)，由于U形坡口開敞性更大，電弧熱可直達(dá)厚板根部，所以熔深相對(duì)V形坡口VPTIG焊時(shí)更深，對(duì)應(yīng)斷口斷裂位置，同樣從薄板熔合區(qū)發(fā)生開裂。

對(duì)比文獻(xiàn)[6]及文獻(xiàn)[7]中2219鋁合金T I G及VPTIG焊接力學(xué)性能，相對(duì)于對(duì)接接頭而言，鎖底焊接接頭總體性能降低。綜合分析可知，由于鎖底焊接接頭兩側(cè)金屬厚度不同，承受熱量的能力不同，當(dāng)薄板處熔化后，厚板處未能熔透，形成裂紋源，從而導(dǎo)致焊縫性能降低；當(dāng)厚板熔化后，薄板處母材熱輸入過大，基體組織發(fā)生粗化，熔合區(qū)Cu元素在晶界偏聚比焊縫嚴(yán)重[8，9]，會(huì)降低薄板處焊縫的力學(xué)性能。當(dāng)試板進(jìn)行補(bǔ)焊時(shí)，采用常規(guī)TIG焊補(bǔ)焊，因重復(fù)加熱導(dǎo)致焊縫熔合區(qū)加大，且常規(guī)TIG焊電弧張角更大，接頭更易產(chǎn)生過時(shí)效軟化，從而導(dǎo)致試板補(bǔ)焊后力學(xué)性能降低，但伸長率有所提高。

4 結(jié)束語

1）對(duì)比X射線底片及力學(xué)性能數(shù)據(jù)，當(dāng)背部存在未焊透或鏈狀氣孔缺陷時(shí)，會(huì)使焊縫力學(xué)性能下降，且斷裂位置從背部缺陷處起源。

2）對(duì)于2219-T8鋁合金鎖底熔焊接頭，當(dāng)焊縫能夠重熔至厚板時(shí)，力學(xué)性能會(huì)有明顯提高，焊縫斷裂在薄板熔合區(qū)，可消除背部成形不良對(duì)力學(xué)性能的影響，但力學(xué)性能相對(duì)于對(duì)接接頭有所下降。

3）根部成形對(duì)鎖底對(duì)接接頭未焊透影響較大，且由于鎖底背部成形無法通過后續(xù)打磨修整實(shí)現(xiàn)，故鎖底焊時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)及焊接接頭熱量平衡較對(duì)接焊要求更高。