2219鋁合金FSW/VPPA交叉焊縫與VPPA焊縫組織對比研究

黃木春，蔡東紅，楊旭東，孫昭藩，周子入

（1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400054；2.艾美特焊接自動化技術(shù)（北京）有限公司，北京 102202）

0 前言

2219鋁合金具有良好的力學(xué)性能，對焊接熱裂紋的敏感性低，焊接接頭塑性及低溫韌性較好[1]。目前，2219鋁合金已經(jīng)作為我國新型運載火箭貯箱的主要結(jié)構(gòu)材料[2]。攪拌摩擦焊（FSW）是英國劍橋焊接研究所在1991年發(fā)明的專利技術(shù)，它作為一種半固態(tài)焊接技術(shù)，最初應(yīng)用在鋁合金的焊接[3-4]。FSW解決了傳統(tǒng)熔焊易出現(xiàn)的問題，且接頭性能高[5]。而變極性等離子焊（VPPA）在國外的火箭貯箱生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛，它具有電弧能量集中、焊縫缺陷少、焊后變形小以及單面焊雙面成型等特點。目前，隨著我國新型號運載火箭的立項研制，這兩種焊接方法將在火箭貯箱上得到廣泛的應(yīng)用[6]。

針對我國運載火箭貯箱生產(chǎn)技術(shù)的實際情況，正擬采用FSW實現(xiàn)縱縫的焊接。由于環(huán)縫上使用FSW，在工裝上較難實現(xiàn)。因此，使用柔性大、焊接質(zhì)量優(yōu)良的VPPA實施貯箱筒體的環(huán)縫焊接。由于FSW焊縫組織會產(chǎn)生不同于母材的變化，比如存在組織不均勻、焊接缺陷、攪入氧化物或雜質(zhì)等，當(dāng)VPPA焊過FSW接頭時，其交叉焊縫容易產(chǎn)生氣孔缺陷、組織發(fā)生變化等，接頭性能不如單一的FSW和VPPA，從而影響了貯箱的穩(wěn)定性[7]。在此從研究交叉焊縫和單純VPPA焊縫組織入手，對比這兩者焊縫組織的不同。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用母材選用2219-T6鋁合金，其規(guī)格為300mm×150mm×6 mm。焊絲選用2319鋁合金，直徑1.6mm。母材及焊絲的化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 2219-T6鋁合金化學(xué)成分 %

表2 2319鋁合金焊絲化學(xué)成分 %

1.2 試驗方法

將兩塊試板對接面機械打磨并清理油污后等待2 h進行FSW對接焊，其參數(shù)設(shè)置如表3所示。然后，將FSW試板的焊縫反面垂直進行VPPA交叉焊接，其VPPA參數(shù)如表4所示。本實驗所使用的FSW設(shè)備為北京賽福斯特技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FSWLS-01B型立式FSW設(shè)備，VPPA焊接實驗采用艾美特焊接自動化技術(shù)（北京）有限公司生產(chǎn)的LWV-1000-XM立式縱縫自動等離子焊接系統(tǒng)。

用200EGS-2型超聲波探傷儀對交叉焊縫進行X射線探傷，在JSM-6460LV型掃描電鏡下觀察交叉焊縫沿VPPAW方向拉伸的斷口形貌。

表3 攪拌摩擦焊焊接工藝參數(shù)

表4 6 mm 2219鋁合金變極性等離子焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 交叉焊縫與單純VPPA焊縫顯微組織的對比分析

2219鋁合金FSW焊縫焊核區(qū)組織如圖1所示，其組織與母材相比發(fā)生了較為強烈的變化，為動態(tài)再結(jié)晶后的細小等軸晶。因此，F(xiàn)SW焊縫在經(jīng)歷VPPA交叉焊接后，交叉焊縫部位的組織與單純的VPPA焊縫組織相比會產(chǎn)生不同的變化。

圖1 FSW焊縫焊核區(qū)組織

VPPA焊縫不同位置橫斷截面宏觀形貌如圖2所示，從交叉焊縫部位的橫斷形貌可以看出，焊縫中心兩側(cè)的組織并不對稱，在其熔合線附近有氣孔分布，而單純的VPPA焊縫橫截面則無明顯的氣孔現(xiàn)象，焊縫中心兩側(cè)大致對稱。而且在VPPA焊縫底部存在咬邊現(xiàn)象，這是由于FSW后會使鋁合金焊縫表面下塌，金屬量有所損失，在相同的VPPA參數(shù)經(jīng)過這個部位時，較母材部位其工藝規(guī)范偏大。而單純的VPPA焊縫橫截面則無明顯的氣孔現(xiàn)象，焊縫中心兩側(cè)大致對稱，且無明顯的咬邊現(xiàn)象。

交叉焊縫截面和單純VPPA焊縫橫截面不同位置的顯微組織如圖3、圖4所示，焊縫熔化區(qū)組織以α（Al）為主，在基體晶界上和枝晶間分布著α+θ（Al2Cu）共晶組織，在晶體內(nèi)部有 θ（Al2Cu）等強化相析出。在不同位置，焊縫組織有著不同變化。從圖3d與圖4d熱影響區(qū)位置的微觀組織對比來看，其組織存在明顯不同。交叉焊縫的母材組織是FSW焊核區(qū)的晶粒組織，其組織在攪拌和熱循環(huán)作用下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，金屬內(nèi)部便不斷開始形成晶核，這種結(jié)晶過程使晶粒來不及長大，并在攪拌破碎的作用下，形成了細小的等軸晶粒；而單純VPPA母材組織則是2219-T6鋁合金板材組織。在經(jīng)歷VPPA的熱循環(huán)作用后，交叉焊縫的熱影響區(qū)組織晶粒仍保持了FSW焊核區(qū)細小等軸晶形態(tài)，但晶粒發(fā)生一定的長大；而單純的VPPA焊縫熱影響區(qū)發(fā)生了θ（Al2Cu）相沿晶界處析出，使晶界較母材更為明顯。交叉焊縫和單純VPPA熔合線處微觀組織的不同，也受到其各自母材組織不同的影響。圖4c中熱影響區(qū)與焊縫區(qū)有明顯的過渡區(qū)域——等軸晶區(qū)（EQZ，equiaxed zone），圖3c中交叉焊縫熔合線的等軸晶區(qū)并不明顯，不能與其熱影響區(qū)細小的等軸晶區(qū)分。Gutierrez等[8]認為，等軸晶區(qū)的形成是由于熔池邊界一些未熔的Al3Zr和Al3Ti顆粒促進了異質(zhì)形核，并在快速冷卻下形成細小的等軸晶。

圖2 VPPA焊縫不同位置橫斷截面宏觀形貌

圖3 交叉焊縫截面的微觀組織

圖3b和圖4b分別是交叉焊縫和單純VPPA焊縫熔池邊緣位置的微觀組織，從圖3b和圖3c可以看出，交叉焊縫靠近焊縫邊緣組織為柱狀枝晶，然后向焊縫中心延伸組織為等軸枝晶；而單純VPPA焊縫靠近焊縫邊緣組織主要為柱狀枝晶，晶粒尺寸較交叉焊縫細長，然后向焊縫中心延伸組織為等軸枝晶。在焊縫中心位置，如圖3a、圖4a所示，交叉焊縫組織和單純VPPA焊縫組織都為等軸枝晶，而其兩側(cè)分布著等軸非枝晶。這種等軸非枝晶的出現(xiàn)是由于該區(qū)域后緣組織凝固時釋放出結(jié)晶潛熱，使得該區(qū)域液體溫度逐漸升高，導(dǎo)致結(jié)晶停頓，隨著電弧的離開，凝固重新開始，此時該區(qū)域的成分過冷度較小，由于VPPA電弧的攪拌作用和立向上焊時熔化金屬受重力向下流動的作用，使得熔池金屬有較強的對流，再加上冷焊絲的填充，將Al3Zr、Al3Ti顆粒流動到結(jié)晶前沿，然后這些顆粒通過異質(zhì)形核發(fā)展成等軸非枝晶[9]。而此時焊縫中心位置組織的成分過冷度變大，最后呈等軸枝晶組織。

圖4 單純VPPA焊縫橫截面的微觀組織

2.2 交叉焊縫與單純VPPA焊縫截面SEM掃描對比分析

交叉焊縫和單純VPPA焊縫截面的SEM掃描圖片如圖5、圖6所示，結(jié)合表5中各點的EDS主要成分分析結(jié)果可以得出，交叉焊縫和單純VPPA焊縫截面的基體組織成分和共晶相成分基本相同，大部分均由 α（Al）基體、（α-Al+Al2Cu）共晶組織和晶體內(nèi)析出θ（Al2Cu）等強化相組成。交叉焊縫和單純VPPA焊縫中基體的w（Cu）分別為4.31%和3.03%，明顯低于母材（5.8%~6.8%），這跟Cu元素發(fā)生晶界偏析有關(guān)。而交叉焊縫和單純VPPA焊縫晶界處的共晶相組織中w（Cu）分別為24.41%和31.18%。其中，交叉焊縫共晶相Cu元素質(zhì)量比標(biāo)準(zhǔn)共晶相Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（33%）低很多，這可能與網(wǎng)格狀共晶相周圍生成的離異共晶相有關(guān)，離異共晶中w（Cu）為55%，其 w（Cu）更高，從而使整體的 w（Cu）平衡。

交叉焊縫的熱影響區(qū)和單純VPPA焊縫熔合線處的等軸非枝晶區(qū)基本上無明顯晶內(nèi)析出的θ相組織。這是因為交叉焊縫的熱影響區(qū)是FSW焊縫組織受到低溫?zé)嵫h(huán)作用產(chǎn)生的組織變化，F(xiàn)SW焊縫不是熔化凝固組織，而是動態(tài)再結(jié)晶后的細小等軸晶粒，Cu元素都在晶界處富集，而較少在晶內(nèi)析出形成θ相；而單純VPPA焊縫等軸晶區(qū)無析出θ相也是由于該區(qū)晶粒細小，晶界較多，凝固時Cu元素晶界富集，導(dǎo)致α-Al固溶體中Cu元素含量大幅降低，使晶體內(nèi)較少析出θ（Al2Cu）相。

由圖5a和圖6a可以看出，在焊縫中心位置，交叉焊縫沿晶界及枝晶間分布的共晶相數(shù)量要比單純VPPA焊縫的多，且共晶相尺寸較大，而單純VPPA焊縫中分布著較多在晶內(nèi)析出的θ（Al2Cu）相。在交叉焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)，其共晶相更是發(fā)生了長大、分布更多。由于沿晶界及枝晶間分布的共晶相脆性較大，共晶相尺寸較大、分布較多，會降低接頭力學(xué)性能。

圖5 交叉焊縫SEM掃描

圖6 單純VPPA焊縫SEM掃描

表5 圖5、圖6中各點的EDS主要成分分析

3 結(jié)論

（1）對比交叉焊縫和單純VPPA焊縫截面宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，交叉焊縫熔合線處附近有氣孔，而單純的VPPA焊縫中心兩側(cè)較對稱，沒有出現(xiàn)明顯的氣孔缺陷。

（2）2219鋁合金經(jīng)歷FSW后，組織發(fā)生了劇烈變化，因此交叉焊縫截面的微觀組織較單純的VPPA焊縫有了不同變化，尤其是在其熱影響區(qū)位置。

（3）交叉焊縫和VPPA焊縫組織基本上由α（Al）基體、（α-Al+Al2Cu）共晶組織和晶體內(nèi)析出 θ（Al2Cu）等強化相組成。但是，交叉焊縫組織中的條狀共晶相數(shù)量比單純VPPA焊縫中的多，且尺寸較大，這會降低接頭力學(xué)性能。

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