2A14鋁合金VPTIG焊交叉焊縫組織與力學性能

陳志元， 頡平平， 王 一， 范翼飛， 林 鵬， 張曉鴻

四川航天長征裝備制造有限公司，四川 成都 610100

0 引言

2A14鋁合金屬于Al-Cu系鍛壓鋁合金，具有較高的比強度和比剛度、良好的低溫性能和耐熱性能［1-2］，常作為航空航天、國防等領域的焊接結構件材料，尤其在運載火箭低溫貯箱上得到廣泛應用［3］。2A14鋁合金的焊接工藝有鎢極氬弧焊（TIG）、攪拌摩擦焊（FSW）和變極性等離子弧焊（VPPAW）等方法。目前，我國運載火箭貯箱2A14 鋁合金結構件多采用變極性鎢極氬弧焊（VPTIG，Variable Polarity TIG）［3-4］。

2A14 鋁合金的TIG 焊接接頭性能與焊接工藝和焊接結構有關。已有的2A14 鋁合金TIG 焊接工藝研究顯示，不同厚度的2A14 鋁合金VPTIG 焊接多采用單面多層焊工藝［5-6］。但現有研究多涉及對接焊縫結構，而在實際工程鋁合金結構件上，除常見的對接焊縫以外，還存在例如筒段環縫與筒段縱縫的交叉焊縫［7］。目前，工程應用上存在VPTIG+VPTIG、FSW+VPTIG、FSW+VPPAW等形式的2A14鋁合金交叉焊縫焊接結構。FSW+VPTIG工藝交叉焊縫顯示接頭強化現象［8］，而FSW+VPPAW 工藝交叉焊縫相比單一FSW或VPPAW工藝接頭性能下降約23%～33%［9］。VPTIG+VPTIG 交叉焊縫較為特殊，接頭處經多次多層熔焊，接頭處的組織與性能變化極具研究價值。

本研究選取CS 態的2A14 鋁合金開展VPTIG+VPTIG交叉焊縫焊接試驗，通過設計交叉焊縫結構和焊接工藝，研究多次熔焊后的交叉焊縫微觀組織特征及力學性能變化機理，為航天用2A14 鋁合金交叉焊縫焊接工藝提供試驗及數據參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗母材為2A14 鋁合金試板，尺寸400 mm×200 mm×6 mm，其熱處理狀態為CS態，即固溶熱處理后進行人工時效的狀態。焊絲為1.6 mm的BJ-380A鋁合金，母材和焊絲的化學成分如表1所示。

采用Dynasty700 脈沖變極性鎢極氬弧焊機。VPTIG1+VPTIG2交叉焊縫結構如圖1 所示，其中VPTIG1和VPTIG2為兩種不同焊接參數的單面兩層VPTIG 焊工藝，即先采用交流氬弧打底焊，再進行交流氬弧蓋面焊。試驗首先將兩塊2A14 鋁合金試板按照VPTIG1工藝焊接成一塊試板，焊后試板在電火花線切割機上沿垂直于焊縫方向切割成兩半，打磨處理后再按照VPTIG2工藝將切割面進行焊接，焊接完成后的試板焊縫呈交叉結構，主要焊接參數如表2所示。

圖1 VPTIG1+VPTIG2交叉焊縫及拉伸取樣示意Fig.1 Schematic diagram of VPTIG1+VPTIG2 cross joint and stretch sampling

表2 2A14鋁合金交叉焊縫VPTIG焊接試驗參數Table 2 VPTIG welding test parameters of 2A14 aluminum alloy cross joint

試驗完成后，對2A14 鋁合金VPTIG1+VPTIG2交叉焊接試驗件進行宏觀目視檢查，而后對交叉焊縫進行X光射線探傷檢測。經X光透視合格后的試板，按照GB/T 2649—1989 和GB/T 2651—1989，采用電火花線切割機分別沿VPTIG1、VPTIG2方向切割交叉焊縫拉伸試樣各6 件，非交叉焊縫處的VPTIG1焊縫和VPTIG2焊縫上各取6件拉伸試樣，切割示意如圖1 所示，試樣拉伸尺寸如圖2 所示。拉伸試驗在CMT5105 電子萬能試驗機上進行。試驗所得結果為各試樣平均值并計算誤差。各焊接條件下的試樣拉伸完成后，在EVO/MA25掃描電子顯微鏡（SEM）上利用二次電子成像技術對拉伸斷口進行微觀形貌觀察，加速電壓設置為20 kV。

圖2 拉伸試驗尺寸（單位：mm）Fig.2 Dimensions of the sample for tensile test （Unit： mm）

2A14 鋁合金交叉焊縫試樣進行接頭微觀組織觀察和硬度測試。微觀組織觀察在DM2300M金相顯微鏡（OM）上進行。硬度測試在KB30S-SA顯微維氏硬度計上進行，試驗壓力9.8 N，保壓時間10 s。

2 試驗結果與分析

2.1 接頭宏觀形貌與X光探傷

2A14 鋁合金VPTIG 焊交叉焊縫宏觀形貌如圖3a 所示，兩條熔焊焊縫呈“十字”交叉，表面魚鱗紋十分均勻，無目視可見缺陷，焊縫成形美觀。另外，交叉位置VPTIG2焊縫將VPTIG1焊縫重新熔合，焊縫表面呈現VPTIG2焊縫形貌。

圖3 2A14鋁合金VPTIG焊交叉焊縫Fig.3 2A14 aluminum alloy VPTIG welded cross joint

交叉焊縫經X光探傷合格，焊縫內部無超標缺陷，兩條焊縫的焊縫區、熔合線及魚鱗紋影像清晰可見，符合QJ 2698A—2011（鋁及鋁合金熔焊通用技術條件）Ⅰ級焊縫標準。在交叉位置VPTIG2焊縫熔合線明顯垂直穿過VPTIG1焊縫，VPTIG1焊縫在交叉位置的熔合線影像較淺，如圖3b所示。值得注意的是，交叉焊縫處的X光透視黑色陰影線為兩次VPTIG焊接留下的熔合線成像，需區分未熔合缺陷X光底片特征。

2.2 微觀組織

圖4為2A14鋁合金VPTIG焊縫微觀組織形貌。從圖4a、圖4b 可以看出，VPTIG1和VPTIG2焊縫組織特征基本相同，其蓋面層焊縫組織為放射狀樹枝晶，樹枝晶分布雜亂沒有方向性，枝晶臂較發達；打底層焊縫組織為胞狀枝晶。蓋面層相較焊縫中心冷卻速度慢，枝晶臂緩慢生長到較大尺寸，導致蓋面層樹枝晶晶粒粗大。圖4c中VPTIG+VPTIG交叉焊縫組織與相組成較單一焊縫未發生變化（基于此，本文未進一步對焊縫組織進行SEM和EDS成分分析），主要體現在晶粒尺寸、過燒、組織缺陷等差異。整體呈枝晶形態，但打底層枝晶晶粒尺寸相較VPTIG1和VPTIG2單一焊縫打底層晶粒明顯更大，這是因為交叉焊縫經受多次熱量不同的熱沖擊，導致枝晶生長，晶粒尺寸變大。另外，圖4 可以看出VPTIG焊縫（含交叉焊縫）蓋面層存在氣孔分布（孔洞型的黑點即為氣孔），這是因為焊接過程中熔池冷卻速度很快，焊接組織屬于非平衡凝固組織，熔池中氣體來不及溢出，殘留在焊縫組織中形成氣孔缺陷。

圖4 2A14鋁合金VPTIG焊接頭微觀組織Fig.4 Microstructure of 2A14 aluminum alloy VPTIG welded joint

2.3 接頭力學性能

2.3.1 交叉焊縫拉伸性能

2A14 鋁合金VPTIG 焊交叉焊縫拉伸性能如表3所示。可以看出，VPTIG1和VPTIG2接頭拉伸性能基本相當，平均抗拉強度均大于310 MPa，斷后延伸率平均值≥5%，二者接頭強度系數均達到70%，塑性表現相當。但是，沿VPTIG1方向和沿VPTIG2方向的交叉焊縫抗拉強度相較VPTIG1和VPTIG2焊縫抗拉強度明顯下降，下降約5.4%～6.6%。交叉焊縫的斷后延伸率相較VPTIG1和VPTIG2接頭也明顯下降，下降約19.2%～23.6%。試驗數據表明，交叉焊縫的拉伸性能相較單一的VPTIG焊縫存在下降現象，其中塑性下降更為明顯。

交叉焊縫拉伸性能下降與焊縫熔焊次數較多有關。交叉焊縫相較單一的VPTIG 焊接頭打底和蓋面焊接次數增多，焊接熱輸入更大，引起焊縫晶粒組織變大。根據Hall-Petch 公式，晶粒組織的大小與力學性能呈負相關［10］。交叉焊縫打底層相較單一的VPTIG焊焊縫組織存在明顯晶粒粗大現象，且晶粒大小分布不均勻，晶界阻礙裂紋擴展的能力下降，致使交叉焊縫的力學性能下降。

2.3.2 交叉焊縫硬度性能

圖5 為2A14 鋁合金VPTIG 焊接接頭顯微硬度分布曲線。可以看出，2A14 鋁合金VPTIG 焊接接頭顯微硬度在焊縫中心兩側基本對稱分布，交叉焊縫硬度與單一VPTIG焊接接頭硬度規律一致，從母材到焊縫中心呈先下降后局部上升再下降的趨勢，母材硬度最高達到136 HV，焊縫中心硬度最低。鋁合金熔焊接頭組織分為母材、熱影響區、熔合線（區）、焊縫區。熱影響區靠近母材區域受熱循環影響較小，硬度值趨于母材硬度。熱影響區包含淬火粗晶區和過時效軟化區，CuAl2等強化相的形態和分布狀態可能發生變化，使得該區域硬度呈現局部上升再下降的現象。焊縫區受熱影響軟化，強化效果基本消失，合金元素偏析嚴重，組織不均勻性程度較大，硬度降低明顯［4］。

圖5 2A14鋁合金VPTIG焊接接頭顯微硬度分布曲線Fig.5 Microhardness distribution curve of 2A14 aluminum alloy VPTIG welded joint

值得注意的是，交叉接頭焊縫區及靠近焊縫的熱影響區硬度相較單一VPTIG焊接頭明顯下降，單一VPTIG 焊接頭焊縫區硬度為72～90 HV，交叉接頭焊縫區硬度為65～75 HV，下降約10%～20%。這是因為交叉焊縫多次熔焊，熱輸入較大且不均勻，焊縫組織枝晶粗大，軟化效果更強。

2.4 接頭斷口形貌與斷裂機制

在拉伸試驗中，2A14 鋁合金VPTIG 焊接接頭拉伸斷裂位置多出現在熔合線附近。這表明了熔合線周圍焊接應力相對集中，易率先形成裂紋源，最終在熔合線附近斷裂這一現象。

圖6為2A14鋁合金VPTIG焊接接頭斷口形貌。從圖6可知，2A14鋁合金VPTIG焊接接頭斷口存在較多大小不同且交錯分布的撕裂棱和韌窩，并伴隨較多的微孔特征。圖6a、圖6b 為單一的VPTIG 焊接頭斷口形貌，韌窩數量多且較為密集，韌窩內部及其周圍可以觀察到第二相粒子并伴隨著微裂紋。另外，斷面的晶界處萌生許多微孔，這些微孔在拉伸過程中生長和聚合，也將導致斷裂產生。因此，2A14鋁合金VPTIG焊接接頭斷裂機制為混合型斷裂，以晶界韌性斷裂為主，并伴隨有微裂紋源受力擴展開裂、微孔聚合型斷裂。相較單一的VPTIG焊接頭斷口，交叉焊縫的韌窩數量減少且淺，其中沿VPTIG2方向的交叉焊縫斷口撕裂棱和微裂紋源受力開裂更加明顯（見圖6c、6d），這進一步驗證了交叉焊縫相較單一VPTIG 焊接頭抗拉性能降低的現象。

圖6 2A14鋁合金VPTIG焊接接頭斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of 2A14 aluminum alloy VPTIG welded joint

3 結論

試驗表明VPTIG1+VPTIG2交叉焊縫較單一VPTIG焊接接頭抗拉性能下降，這一結果具有重要工程實際意義。對于承受多樣、且較大載荷力的結構件，應限用VPTIG 交叉焊縫結構，避免在VPTIG交叉焊縫位置形成力學性能薄弱區。

（1）VPTIG 焊交叉焊縫焊縫組織呈枝晶狀，其打底層焊縫晶粒尺寸相較單一VPTIG 焊接頭更加粗大。

（2）VPTIG焊交叉焊縫相較單一VPTIG焊接頭抗拉強度下降5.4%～6.6%，斷后延伸率下降19.2%～23.6%，塑性降低明顯。

（3）VPTIG焊接頭硬度從母材到焊縫中心均呈現先下降后局部上升再下降的趨勢，其中交叉焊縫焊縫區硬度較單一VPTIG 焊接頭焊縫區硬度下降10%～20%；

（4）VPTIG焊交叉焊縫斷裂機制與單一VPTIG接頭斷裂機制一致，為混合型斷裂機制，即以晶界韌性斷裂為主，并伴隨有微裂紋源受力擴展開裂、微孔聚合型斷裂。交叉焊縫斷口相較單一VPTIG接頭斷口呈現韌窩數量少且淺、微裂紋源受力擴展開裂更明顯的特征。