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 材料科學與工程學院，重慶400054；2.艾美特焊接自動化技術（北京）有限公司，北京 102202）

0 前言

2219鋁合金具有良好的力學性能，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鋁合金已經作為我國新型運載火箭貯箱的主要結構材料[2]。攪拌摩擦焊（FSW）是英國劍橋焊接研究所在1991年發明的專利技術，它作為一種半固態焊接技術，最初應用在鋁合金的焊接[3-4]。FSW解決了傳統熔焊易出現的問題，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上應用廣泛，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用[6]。

針對我國運載火箭貯箱生產技術的實際情況，正擬采用FSW實現縱縫的焊接。由于環縫上使用FSW，在工裝上較難實現。因此，使用柔性大、焊接質量優良的VPPA實施貯箱筒體的環縫焊接。由于FSW焊縫組織會產生不同于母材的變化，比如存在組織不均勻、焊接缺陷、攪入氧化物或雜質等，當VPPA焊過FSW接頭時，其交叉焊縫容易產生氣孔缺陷、組織發生變化等，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。母材及焊絲的化學成分如表1、表2所示。

表1 2219-T6鋁合金化學成分 %

表2 2319鋁合金焊絲化學成分 %

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，其參數設置如表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參數如表4所示。本實驗所使用的FSW設備為北京賽福斯特技術有限公司生產的FSWLS-01B型立式FSW設備，VPPA焊接實驗采用艾美特焊接自動化技術（北京）有限公司生產的LWV-1000-XM立式縱縫自動等離子焊接系統。

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

表4 6 mm 2219鋁合金變極性等離子焊接工藝參數

2 試驗結果和分析

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焊縫焊核區組織如圖1所示，其組織與母材相比發生了較為強烈的變化，為動態再結晶后的細小等軸晶。因此，FSW焊縫在經歷VPPA交叉焊接后，交叉焊縫部位的組織與單純的VPPA焊縫組織相比會產生不同的變化。

圖1 FSW焊縫焊核區組織

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象，焊縫中心兩側大致對稱。而且在VPPA焊縫底部存在咬邊現象，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參數經過這個部位時，較母材部位其工藝規范偏大。而單純的VPPA焊縫橫截面則無明顯的氣孔現象，焊縫中心兩側大致對稱，且無明顯的咬邊現象。

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焊核區的晶粒組織，其組織在攪拌和熱循環作用下發生動態再結晶，金屬內部便不斷開始形成晶核，這種結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。在經歷VPPA的熱循環作用后，交叉焊縫的熱影響區組織晶粒仍保持了FSW焊核區細小等軸晶形態，但晶粒發生一定的長大；而單純的VPPA焊縫熱影響區發生了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中熱影響區與焊縫區有明顯的過渡區域——等軸晶區（EQZ，equiaxed zone），圖3c中交叉焊縫熔合線的等軸晶區并不明顯，不能與其熱影響區細小的等軸晶區分。Gutierrez等[8]認為，等軸晶區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，而其兩側分布著等軸非枝晶。這種等軸非枝晶的出現是由于該區域后緣組織凝固時釋放出結晶潛熱，使得該區域液體溫度逐漸升高，導致結晶停頓，隨著電弧的離開，凝固重新開始，此時該區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顆粒流動到結晶前沿，然后這些顆粒通過異質形核發展成等軸非枝晶[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，結合表5中各點的EDS主要成分分析結果可以得出，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元素發生晶界偏析有關。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元素質量比標準共晶相Cu元素質量分數（33%）低很多，這可能與網格狀共晶相周圍生成的離異共晶相有關，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和單純VPPA焊縫熔合線處的等軸非枝晶區基本上無明顯晶內析出的θ相組織。這是因為交叉焊縫的熱影響區是FSW焊縫組織受到低溫熱循環作用產生的組織變化，FSW焊縫不是熔化凝固組織，而是動態再結晶后的細小等軸晶粒，Cu元素都在晶界處富集，而較少在晶內析出形成θ相；而單純VPPA焊縫等軸晶區無析出θ相也是由于該區晶粒細小，晶界較多，凝固時Cu元素晶界富集，導致α-Al固溶體中Cu元素含量大幅降低，使晶體內較少析出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析出的θ（Al2Cu）相。在交叉焊縫的熱影響區內，其共晶相更是發生了長大、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 結論

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

（2）2219鋁合金經歷FSW后，組織發生了劇烈變化，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量比單純VPPA焊縫中的多，且尺寸較大，這會降低接頭力學性能。

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