高強(qiáng) Al-Cu 合金 2219焊接接頭組織與性能

摘   要：   研究了高強(qiáng) Al-Cu 合金 2219 MIG 焊焊接接頭組織與性能。 2219 鋁合金焊縫顯微組織為 α (Al)+ α（Al）-CuAl₂共晶，焊接接頭中焊縫硬度值最低，焊縫拉伸性能最差，因此焊縫為焊接接頭最薄弱區(qū)。 2219 鋁合金焊接接頭力學(xué)性能遠(yuǎn)低于母材的力學(xué)性能，強(qiáng)度系數(shù)僅為母材的 63.2%。 焊接接頭經(jīng)過 人工時(shí)效處理，降低了焊接接頭塑性，提高了接頭強(qiáng)度，強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到母材的 67.6%。

關(guān)鍵詞：   高強(qiáng) Al-Cu 合金     焊縫顯微組織   時(shí)效處理

0    序言

鋁銅合金也稱硬鋁合金，可熱處理時(shí)效強(qiáng)化，具有很高的室溫強(qiáng)度及良好的高溫和超低溫性能 ^[1]，因此鋁銅合金是工業(yè)中應(yīng)用廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。在鋁銅系列合金中，多數(shù)合金的焊接性能不良，焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)僅為母材的 60%^[2]，嚴(yán)重制約了鋁銅合金在工業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用。 2219鋁合金是一種高強(qiáng)、耐熱、焊接性相對(duì)較好的鋁銅合金^[3]， 由于國(guó)內(nèi)對(duì)其焊接性能研究較少，其主要作為優(yōu)良的貯箱結(jié)構(gòu)材料，因此， 研究 2219鋁合金焊接接頭組織與性能，有利于進(jìn)一步擴(kuò)展2219鋁合金的應(yīng)用范圍。

 

1     試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

 

試驗(yàn)材料為板厚 20mm的2219 -T87 高強(qiáng)鋁銅合金，焊絲為 ER2319，直徑為1.6mm。2219鋁合金及ER2319焊絲化學(xué)成分見表1。焊接設(shè)備采用德國(guó)CLOOS公司生產(chǎn)的Qunito 503 MIG焊機(jī)，保護(hù)氣體為純度99.9%的氬氣。焊接后從試板上沿焊縫橫向截取試樣，加工成拉伸試樣。 對(duì)拉伸試樣進(jìn)行時(shí)效處理，人工時(shí)效工藝為： 160 ℃時(shí)效 16小時(shí)。拉伸實(shí)驗(yàn)在AG-250KNE電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 用 MICROMET 硬度儀測(cè)量焊接接頭橫截面的維氏硬度變化，壓頭載荷為 5Kg 。 用 E2-X30P/R型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，用JB-30能譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，最后利用SSX-550掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行分析。

表 1 2219鋁合金及ER2319焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

	Cu	Mn	Mg	Zn	Ti	Zr	V	Al
2219	6.28	0.30	<0.02	<0.10	0.048	0.12	0.07	余量
ER2319	6.3	0.3	<0.02	0.25	0.15	0.18	0.10	余量

 

2    試驗(yàn)結(jié)果和討論

 

2.1母材及焊縫顯微組織

圖 1 和圖2 分別為母材及焊縫顯微組織。

                 

圖 1    2219鋁合金顯微組織                                 圖2    2219鋁合金焊縫顯微組織

由圖 1可見，2219鋁合金是以α(Al)為基體，含有許多第二相。白亮色的為θ相(CuAl₂),黑色條狀為Τ相(CuMn₂Al₁₂)，并沿壓延方向排列 。 從圖 2可以看出，2219焊縫基體組織為   α (Al)，   α (Al) 的晶界和枝晶間分布 α（Al）-CuAl₂共晶,因此2219鋁合金焊縫顯微組織為 α (Al)+ （ Al）-CuAl₂共晶。

2.2    2219鋁合金母材及焊接接頭拉伸性能比較

2219鋁合金母材及人工時(shí)效處理?xiàng)l件下焊接接頭拉伸性能見表2。由表2可以看出焊態(tài)下焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)為母材的63.2%，延伸率（ δ）僅為 4.7%， 遠(yuǎn)低于母材的15.4%。將時(shí)效處理后的焊接接頭拉伸性能與焊態(tài)下的接頭拉伸性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過人工時(shí)效處理，接頭強(qiáng)度明顯提高，抗拉強(qiáng)度σ_b 由296.4  MPa上升到 316.4  MPa，強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到母材的67.6%，塑 性有一定的下降，延伸率δ由4.7%降到4.0%。 對(duì)接頭拉伸斷口進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)焊接接頭斷裂部位均為為焊縫，說明焊縫為焊接接頭薄弱區(qū)。焊縫顯微組織為α(Al)+ α（Al）-CuAl₂共晶, 其中 α (Al)固溶體中含有大量溶質(zhì)原子，如 Cu 、 Mn 等。人工時(shí)效處理促使焊縫α (Al) 固溶體 Cu 原子偏聚，在基體中析出大量細(xì)小、彌散的強(qiáng)化相θ′，因此提高焊接接頭強(qiáng)度，塑性降低。

表 2    2219鋁合金母材及焊接接頭拉伸性能

		σ b /MPa	σ 0.2/MPa	δ / %	ψ /%	強(qiáng)度系數(shù)/%
母材		468.0	358.5	15.4	26.3
	焊態(tài)	296.4	190.7	4.7	19.7	63.2
焊接接頭	人工時(shí)效	316.4	221.0	4.0	20.0	67.6

2.3 2219鋁合金焊接接頭硬度比較

2219鋁合金焊接接頭硬度分布見圖3。

圖 3    焊接接頭硬度分布

由圖 3可以看出，焊接接頭HAZ的硬度高于焊縫的硬度，越靠近熔合線，焊縫硬度越低，在熔合線附近焊縫硬度達(dá)到最低。而HAZ則恰恰相反，隨著離熔合線的距離越遠(yuǎn)，焊接熱循環(huán)峰值溫度逐漸降低，焊接熱循環(huán)對(duì)HAZ的影響越小，HAZ硬度逐漸上升。 焊接接頭中焊縫硬度值最低，而拉伸試驗(yàn)表明焊接接頭斷裂部位為焊縫，焊接接頭中焊縫拉伸性能最差，因此焊縫為焊接接頭最薄弱區(qū)。

當(dāng)熔池開始凝固時(shí)，首先析出溶質(zhì)含量低的α (Al) 固溶體，大部分溶質(zhì)原子，如： Cu 、 Mn 等被排擠到低熔點(diǎn)的液相中。凝固結(jié)束時(shí)，富溶質(zhì)的液相在晶界和枝晶間形成了共晶相，因此貧溶質(zhì)的α (Al) 固溶體具有低的硬度，故焊縫區(qū)的硬度最低。緊靠熔合線的局部熔化區(qū)經(jīng)歷了高的峰值溫度，使母材中的析出相完全溶解，并導(dǎo)致晶界局部熔化，形成一些共晶液相，一部分溶質(zhì)原子集中到液化相中，導(dǎo)致基體溶質(zhì)過飽和度下降，隨后冷卻過程中析出強(qiáng)化相減少，結(jié)果使局部熔化區(qū)中的固溶硬化和析出相硬化效果降低，同時(shí)該區(qū)晶粒粗大，所以局部熔化區(qū)的硬度較低。鄰近局部熔化區(qū)的熱影響區(qū)硬度與母材相比，也發(fā)生了明顯的軟化。該區(qū)域也經(jīng)歷了充分的加熱，發(fā)生了平衡相θ的脫溶、析出和聚集長(zhǎng)大，即發(fā)生了“過時(shí)效”，因此 HAZ 的硬度降低。母材為 T87 狀態(tài)，即經(jīng)過固溶處理，預(yù)變形和人工時(shí)效，基體中有大量細(xì)小、彌散的強(qiáng)化相，如θ′和 T 相析出，所以母材的硬度最高。

2.4母材及焊縫拉伸斷口掃描電鏡分析              

                     

圖 4母材拉伸斷口                                    圖5 焊態(tài)下焊接接頭拉伸斷口

圖 4為母材拉伸斷口形貌,圖5為焊態(tài)下焊接接頭拉伸斷口形貌。由圖4可以看出，母材斷口由許多大小不一的韌窩組成，韌窩較深，斷口為塑性斷口。焊接接頭斷口也由大量韌窩組成，韌窩淺且小，說明材料未發(fā)生明顯的塑性流動(dòng)。因此，從圖4可以確定母材斷裂需要施加更大的應(yīng)力，這和拉伸試驗(yàn)結(jié)果相吻合

3    結(jié)論

（ 1 ） 2219 鋁合金焊接接頭斷裂部位為焊縫，而焊接接頭中焊縫硬度值最低，因此焊縫為焊接接頭最薄弱區(qū)。

（ 2 ） 2219 鋁合金焊接接頭力學(xué)性能低于母材的力學(xué)性能，焊接接頭經(jīng)過 人工時(shí)效處理，提高了焊接接頭強(qiáng)度，降低了接頭塑性。