陳 靖 董 飛 黃振輝 郭 嬌 甄 勇

2219鋁合金激光-TIG復(fù)合焊接頭特性分析

陳 靖1董 飛2黃振輝1郭 嬌1甄 勇1

（1. 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076；2.西安航天發(fā)動機(jī)有限公司，西安 710100）

采用CO2激光-TIG復(fù)合焊接對4mm厚2219鋁合金開展焊接工藝研究，分析了不同電流對焊縫組織形貌以及接頭性能的影響。分析結(jié)果表明，由于焊縫晶粒組織形態(tài)和尺寸均發(fā)生了變化，焊縫的顯微硬度要小于母材和熱影響區(qū)，在2219復(fù)合焊接頭中存在明顯的接頭軟化現(xiàn)象。接頭的最大抗拉強(qiáng)度為母材的70.84%，斷裂發(fā)生在試樣焊縫邊緣位置。

2219鋁合金；激光-TIG復(fù)合焊；顯微組織；力學(xué)性能

1 引言

2219鋁合金是一種銅作為主要合金元素的鋁-銅-錳系三元合金，具有比強(qiáng)度高、低溫和高溫力學(xué)性能好、斷裂韌度高、抗應(yīng)力腐蝕性能好等特點(diǎn)，是航空航天領(lǐng)域常用的鋁合金材料[1，2]。

激光-TIG電弧復(fù)合熱源焊接是一種將激光和TIG電弧兩種不同性質(zhì)的熱源耦合作用在焊接區(qū)域的焊接工藝。激光電弧復(fù)合焊通過激光與電弧的相互作用充分發(fā)揮了兩種焊接工藝的優(yōu)勢。其中，TIG電弧可以穩(wěn)定光致等離子體，利于得到較為穩(wěn)定的深熔小孔，穩(wěn)定焊接過程，能夠有效減少焊縫中的氣孔。同時，激光對TIG電弧具有吸引、壓縮作用，有利于穩(wěn)定電弧。與激光焊相比，激光電弧復(fù)合焊具有更高的能量利用率、焊接效率以及接頭間隙適應(yīng)性[3～5]。在2219鋁合金激光-TIG復(fù)合焊中，TIG電弧可對鋁合金母材進(jìn)行預(yù)熱，提高激光能量的吸收率，并且隨著電弧的引入，延緩了熔池冷卻時間，熔池內(nèi)的氣孔有足夠的時間溢出，提高接頭質(zhì)量，并且較高的液相停留時間有利于防止咬邊等缺陷的產(chǎn)生[6～10]。

本文針對4mm厚2219鋁合金開展CO2激光-TIG電弧復(fù)合焊試驗(yàn)，分析了不同工藝參數(shù)對焊縫顯微組織形貌以及顯微的影響。

2 試驗(yàn)條件

焊接試驗(yàn)采用最大輸出功率為3000W的Rofin DC030 Slab CO2激光器以及Miller Dynasty 350型TIG焊機(jī)。采用激光引導(dǎo)電弧的旁軸復(fù)合方式進(jìn)行焊接試驗(yàn)。固定激光功率為2500W，TIG電弧電流分別為50A、100A、150A、200A，熱源間距4mm，焊接速度0.8m/min。

試驗(yàn)材料為4mm厚的2219鋁合金，其主要成分如表1所示。焊前采用NaOH溶液清洗表面去除氧化膜，HNO3溶液中和清洗后，吹干待焊。焊后，采用Keller試劑對制備好的2219激光-電弧復(fù)合焊接頭的金相試樣進(jìn)行腐蝕。采用金相顯微鏡分析不同工藝參數(shù)的焊縫顯微組織。采用顯微硬度測試和靜載荷拉伸試驗(yàn)評價接頭的性能。

表1 2219鋁合金主要成分 wt.%

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同工藝參數(shù)對焊縫顯微組織的影響

圖1為2219鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接頭中各區(qū)域的顯微組織形貌。焊縫中心主要由枝晶態(tài)α（Al）及其晶界位置的Al-Al2Cu共晶組織組成，如圖1a所示，與母材相比，圖1b的晶粒形態(tài)與尺寸均有所變化。圖1c為接頭焊縫邊緣、熱影響區(qū)、母材交界的顯微組織。在熱影響區(qū)內(nèi)，受到焊接熱作用，母材軋制態(tài)組織發(fā)生晶粒長大。焊縫邊緣的組織為沿垂直于熔合線方向生長的柱狀晶。

圖1 2219激光-TIG復(fù)合焊接頭各區(qū)域顯微組織形貌

根據(jù)Al-Cu二元合金相圖，在液態(tài)下Al和Cu兩種元素能無限互溶，但是在平衡條件下Cu在Al中的溶解度較低，在548℃（Al-Al2Cu共晶溫度）時僅為5.6wt.%，并且隨著溫度的降低，銅在鋁中的固溶度也隨之降低，300℃時，僅為0.2wt.%。在熔池凝固過程中，熔池邊緣液相中的熔點(diǎn)較高的鋁（660℃）以固溶體α（Al）的形式優(yōu)先在熱影響區(qū)晶粒表面外延結(jié)晶，晶粒沿與熔池邊界等溫線垂直，即與最大散熱方向相反的方向結(jié)晶呈柱狀晶組織。隨著熔池溫度降低以及α（Al）的析出，熔池中銅含量增加，在析出的先結(jié)晶樹枝狀α（Al）相周圍以Al-Al2Cu共晶的形態(tài)析出，直至熔池完全冷卻。

圖2 不同電流對熱影響區(qū)-焊縫顯微組織的影響（激光功率2500W，焊接速度0.8m/min，熱源間距4mm）

圖2為激光功率2500W，50～200A不同TIG電流的焊縫顯微組織形貌。隨著電流的增加，焊縫內(nèi)的晶粒尺寸變大，熱影響區(qū)的柱狀晶組織也逐漸變大。隨著電弧電流的增加，焊接過程能量輸入增加，熔池冷卻時間變長，因此導(dǎo)致熔池和熱影響的晶粒尺寸增加。

3.2 工藝參數(shù)對接頭性能的影響

表2為不同工藝參數(shù)激光-TIG復(fù)合焊2219接頭中不同區(qū)域的顯微硬度。接頭的顯微硬度從母材—熱影響區(qū)—焊縫呈下降的趨勢，有明顯的接頭軟化現(xiàn)象。這是由于焊縫內(nèi)的組織與母材相比晶粒更大，而且母材強(qiáng)化效果隨著熔池的熔化凝固重新結(jié)晶而消失。

表2 不同電流2219接頭的顯微硬度（激光功率2500W，焊接速度0.8m/min，熱源間距4mm）

圖3 不同焊接參數(shù)2219焊接接頭的抗拉強(qiáng)度（激光功率2500W，焊接速度0.8m/min，熱源間距4mm）

圖3為不同工藝參數(shù)激光-TIG復(fù)合焊2219接頭的抗拉強(qiáng)度。不同參數(shù)對應(yīng)的接頭抗拉強(qiáng)度分別為2219母材的67.47%，70.84%，63.37%和61.69%。隨著電流的增加呈先增加后減小的趨勢。接頭力學(xué)性能試樣在拉伸試驗(yàn)中從焊縫熔合線附近發(fā)生正斷型斷裂?；趯缚p的顯微組織以及顯微硬度的分析發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)熔合線附近組織非常不均勻，且焊縫、熱影響區(qū)、母材之間存在較大的硬度差和接頭軟化現(xiàn)象，在拉伸過程中此處強(qiáng)度較低且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此斷裂發(fā)生在焊縫邊緣熔合線處。

4 結(jié)束語

通過對不同焊接參數(shù)2219激光-TIG復(fù)合焊接頭顯微組織以及力學(xué)性能的分析發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增加，焊縫內(nèi)的晶粒尺寸變大，熱影響區(qū)的柱狀晶組織也逐漸變大。焊縫組織重新熔凝使得晶粒長大以及母材強(qiáng)化效果消失，發(fā)生了接頭軟化現(xiàn)象，焊縫的顯微硬度低于母材和熱影響區(qū)。接頭的最大抗拉強(qiáng)度為母材的70.84%，在拉伸試驗(yàn)中斷裂發(fā)生在試樣焊縫邊緣位置。

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Analysis of Microstructure and Properties of 2219 Laser-TIG Hybrid Welded Joints

Chen Jing1Dong Fei2Huang Zhenhui1Guo Jiao1Zhen Yong1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076, 2. Xi’an Space Engine Co., Ltd., Xi’an 710100)

In this paper, 2219 aluminum alloy with the thickness of 4mm was welded by laser-TIG hybrid welding. The characterizations of joints were analyzed by optical microscope, microhardness and tensile tests. The microhardness of weld and heat effect zone were less than that of base metal. The maximum tensile strength of joints is 70.84% of the base metal, and the failure occurred at the interface of weld and heat effect zone.

2219 aluminum alloy；laser-TIG hybrid weld；microstructure；mechanical properties

2018-07-11

陳靖（1976），高級工程師，機(jī)械設(shè)計及制造專業(yè)；研究方向：特種加工、特種焊接、金屬增材制造。