2219鋁合金TIG焊接頭斷裂性能研究

顏 旭 馬 核 熊林玉 田志杰 張彥華

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2219鋁合金TIG焊接頭斷裂性能研究

顏 旭1馬 核1熊林玉2田志杰2張彥華1

（1. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191；2. 首都航天機械公司，北京 100076）

研究了2219鋁合金TIG焊接頭各區域的斷裂性能。結果表明：由于接頭組織分布不均勻，2219鋁合金TIG焊接頭母材區、焊縫區和熱影響區的斷裂強度依次遞減；斷裂韌性則以焊縫為最高，熱影響區次之，母材最低；斷裂韌性的分散性以母材為最小，焊縫次之，熱影響區最大。

2219鋁合金；TIG焊；斷裂韌性；CTOD

1 引言

2219鋁合金屬于Al-Cu-Mn系，是美國鋁業公司（Alcoa）為航空航天工業研發的一種高強、耐熱鋁合金。與同系的2014鋁合金相比在低溫和高溫力學性能、斷裂韌性、焊接性能以及抗應力腐蝕性能等方面具有明顯的優勢，因此在運載火箭貯箱上得到了廣泛的應用[1，2]。受貯箱體積和焊接條件的影響，運載火箭貯箱環焊縫以及角焊縫的連接多采用傳統TIG焊焊接工藝[3]。焊接過程中焊接區材料經歷了不同的焊接熱循環，接頭會形成焊縫和熱影響區等不同區域，因此焊接接頭為非均勻質體，各個區域的性能也存在很大的差異，接頭各區域性能的差異對接頭的斷裂與失效具有重要的影響[4，5]。

為了評定鋁合金材料制造的燃料貯箱殼體由于焊接過程中造成的接頭不均勻性對接頭抗斷裂性能的影響，需要采用斷裂力學試驗方法研究接頭各區域的斷裂韌性，以此指導貯箱的選材與焊接工藝，保證貯箱結構的韌性儲備。本研究重點研究了2219鋁合金TIG焊接接頭的抗斷裂性能，研究結果對于運載火箭貯箱焊接結構的斷裂控制具有參考價值。

2 焊件制備及組織和硬度分析

2.1 焊件制備

試驗采用8mm厚的2219鋁合金試板，其化學成分如表1所示[6]。焊接工藝參數為：直流打底，直流電流260～270A，電壓17～18V，焊接速度為250mm/min；交流蓋面，交流電流310～320A，電壓21～22V，焊接速度為130mm/min。焊后熱處理狀態為C10S。

表1 2219鋁合金化學成份 wt%

2.2 接頭微觀組織

焊件制備后，沿垂直于焊接方向切取接頭橫截面試樣，經研磨、拋光后，采用Keller’s試劑對接頭腐蝕，觀察接頭各區域分布及微觀組織。

TIG焊接頭縱向剖面區域主要分為焊縫區、熱影響區及母材區，微觀組織如圖1所示。母材區域晶粒組織為板條狀，分布均勻，延軋制方向生長。熱影響區晶粒呈柱狀，尺寸較粗大且不均勻，并沿軋制方向生長。熔合線區域晶粒呈細小等軸狀，但熔合線兩側晶粒迅速長大，過渡不均勻。焊縫中心區晶粒呈細小枝狀晶，有方向性但排列呈無序狀態。

a 母材區???????b 熔合線區

c 焊縫區??????? d 熱影響區

e 微觀組織取樣分布

2.3 接頭硬度分布

硬度用來表征金屬材料抵抗局部塑性變形能力，主要評價金屬材料的軟硬程度[7]。根據GB/T2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》規定，沿焊縫中心位置從上至下測量一組硬度值，沿焊縫厚度方向測量三組硬度值，測量位置如圖2所示。

圖2 顯微硬度測量位置示意圖

使用HV-1000顯微硬度計測量硬度，試驗力為9.807N，試驗力保持時間為10s，測量點之間的距離為1mm，測量結果如圖3所示。

a 沿接頭厚度方向硬度分布

b 沿接頭橫向硬度分布

圖3 TIG焊接頭顯微硬度分布

圖3為圖2中所示1、2、3、4四條線位置的硬度測量結果。焊縫中心的硬度值分布在75～81HV之間，沿厚度方向兩端硬度值略高于中間位置（圖3a）。從接頭橫向硬度分布來看，2219鋁合金母材的硬度值在87～95HV之間，焊縫區域的硬度在73～85HV之間，焊縫區域的硬度低于母材；焊接熱影響區的硬度值與母材區域的硬度值接近，在87～97HV之間，局部出現小幅度軟化現象。

3 接頭斷裂韌性試驗

圖4 CTOD試驗原理圖

為了研究2219鋁合金TIG焊接頭各區域的斷裂性能，采用CTOD實驗方法。CTOD（Crack Tip Opening Displacement）是裂紋尖端張開位移量[8]，是評價材料及焊接接頭抗裂紋啟裂的重要參量。CTOD斷裂準則是建立在綜合性參數基礎上的，原則上既能應用于線彈性斷裂分析，又能應用于彈塑性斷裂分析。臨界CTOD值可通過斷裂韌性試驗獲得，可采用含預制裂紋的三點彎曲試件進行試驗，如圖4所示。通過斷裂韌性試驗測得曲線，根據GB/T2358—94確定曲線類型與臨界值，進而計算CTOD的臨界值，計算公式為[9]：

（2）

本次斷裂韌性試驗采用帶預制裂紋的單邊缺口三點彎曲試樣，試驗在常溫下進行。為更好地分析接頭各個區域的斷裂韌性，分別制備焊縫區、1/2熱影響區、熱影響區、母材區試樣。取樣位置如圖5所示。取樣后分別在焊縫區、1/2熱影響區、熱影響區三個區域選取預制裂紋的位置a、b、c，如圖6所示，a位于焊縫中心處，b位于1/2熱影響區處，跨越焊縫、熱影響區與母材，c位于熱影響區外側，跨越熱影響區與母材。

圖5 CTOD試驗取樣示意圖

圖6 預制裂紋位置示意圖

a 焊縫區???????b 1/2熱影響區

c 熱影響區???????d 母材區

圖7 TIG焊接頭各區域CTOD試驗斷裂試樣

按照國標GB/T2358—94 《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗方法》進行試樣加工，尺寸為90mm×14mm×7mm，跨距為56mm。試驗在MTS-880液壓伺服試驗系統進行。2219鋁合金TIG焊各區域CTOD試驗完成后的斷裂試樣如圖7所示。試驗得到的各區域曲線如圖8所示。

a 焊縫區域??????????????b 1/2熱影響區

c 熱影響區??????????????d 母材區

圖8 TIG焊各區域-曲線

4 分析與討論

通過2219鋁合金TIG焊接頭各個區域的曲線可知，各曲線無明顯突進點與突變點，可從曲線中得到最大加載力點的值m，進而計算最大載荷所對應的臨界CTOD值。各區域試樣平均最大載荷值m與如表2所示。

表2 不同區域最大載荷Pm與δm平均值

如圖9所示，曲線中不同區域試樣所達到的m不同，從母材區、焊縫區、1/2熱影響區至熱影響區，m值從高到低遞減，反映了母材區、焊縫區、1/2熱影響區至熱影響區材料的斷裂強度依次遞減。

圖9 TIG焊各區域Pm柱狀圖

圖10 TIG焊各區域值柱狀圖

圖11 TIG焊各區域值散點圖

綜上研究表明，2219鋁合金TIG焊接頭的微觀組織、硬度及斷裂韌性均呈現不均勻性。母材區晶粒呈板條狀，硬度與m最高，值最低，即母材強度高，韌性低；焊縫區晶粒細小，呈針狀，組織致密且排列不均勻，硬度最低，m值介于母材和熱影響區之間，值最高，其韌性最好；1/2熱影響區與熱影響區組織粗大且不均勻，但熔合區晶粒細小且等軸，熱影響區局部出現硬化和軟化現象，m值與值介于母材和焊縫區之間且離散性較大。

5 結束語

a. 2219鋁合金TIG焊接頭中焊縫區域硬度值最低，約為母材的80%；熔合區組織分布不均勻，硬度值出現突變，熱影響區局部出現小幅度軟化。

b. 2219鋁合金TIG焊接頭不同區域的斷裂強度依次為：母材區>焊縫區>熱影響區。斷裂韌性依次為：焊縫區>熱影響區>母材區。

c. 2219鋁合金母材的臨界CTOD值分散性最小，焊縫區臨界CTOD值的分散性較小，熱影響區CTOD值分散性最大，即母材的組織性能最均勻，焊縫區的組織性能較均勻，熱影響區的組織性能最不均勻。

1 王祝堂. 長征五號火箭燃料箱鋁合金打造[J]. 有色金屬加工，2017，46(2)：6～9

2 姚君山，周萬盛，王國慶，等. 航天貯箱結構材料及其焊接技術的發展[J]. 航天制造技術，2002(5)：21～26

3 張勤練，李釗，楊春利，等. 鋁合金TIG電弧橫焊接頭缺陷及控制[J]. 焊接學報，2017，38(2)：28～32

4 王國慶，熊林玉，田志杰，等. 不同熱處理狀態2219鋁合金TIG焊接頭組織性能分析[J]. 焊接學報，2017，38(1)：121～124

5 Rajakumar S, Christopher T. Fracture strength of centre surface cracked tensile specimens made of 2219-T87 Al alloy welding[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011, 21(12): 2568～2575

6 王祝堂，田榮璋. 鋁合金及其加工手冊[M]. 長沙：中南大學出版社，2000

7 邱宇. 風塔用中厚鋼板熱處理工藝以及CTOD斷裂韌性研究[D]. 南京理工大學，2013

8 Zhu X K, Joyce J A. Review of fracture toughness (G, K, J, CTOD, CTOA) testing and standardization[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2012, 85: 1～46

9 張彥華. 焊接結構原理[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2011

Fracture Property of 2219 Aluminum Alloy Joint by TIG Welding

Yan Xu1Ma He1Xiong Linyu2Tian Zhijie2Zhang Yanhua1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191; 2. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

In this paper, the fracture property for TIG welded joints of 2219 aluminum alloy is studied. The results indicated that the inhomogeneity of the microstructure of the joints lead the fracture strength of the welded joints descending orderly from the base metal(BM), the weld zone(WZ), to the heat-affected zone(HAZ). The fracture toughness of the welded joints descends orderly from the WZ, the HAZ, to the BM. And the dispersion of fracture toughness descends orderly from the HAZ, the WZ, to the BM.

2219 aluminum alloy；TIG welding；fracture toughness；CTOD

國防基礎科研資助項目（JCKY2014203A001）、民用航天預研資助項目（科工一司[2014] 618號）。

顏旭（1992），碩士，機械工程專業；研究方向：焊接結構完整性與斷裂控制。

2017-07-17