2219鋁合金直流活性焊接技術

張 雷 ，龍偉民 ，鮑 麗 ，曲文卿 ，鐘素娟

（1.鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100083）

0 前言

鋁及鋁合金具有優異的物理性能、化學性能、力學性能及工藝特性，廣泛應用于交通運輸、航空航天和化工等領域。隨著焊接技術的不斷發展，氬弧焊、等離子弧焊、攪拌摩擦焊、真空釬焊及許多特種焊接方法已得到廣泛應用，先進的焊接工藝解決了部分鋁合金（如Al-Cu-Mg、Al-Li等）的不可焊問題，并在軌道交通、航天飛機、輕型汽車等諸多產品中逐步得到推廣應用[1]。

鎢極氬弧焊是生產過程中最常見的鋁合金焊接方法，其中，交流鎢極氬弧焊引弧穩弧性能差，熔透能力弱，且焊縫常常有大量氣孔生成；采用傳統的直流正接TIG焊接鋁及鋁合金時，雖然鎢極發射出來的高能電子流高速沖擊工件，并將全部能量交付焊件，形成窄而深的焊縫，電流很穩定，但電弧中的電子流不足以破除工件表面的氧化膜。

本研究通過焊前在工件表面涂覆一層活性無氧化性的去膜劑，采用直流正接方式，以較小電流得到表面成形良好，無氣孔缺陷的焊縫。這種無缺陷直流活性焊接技術不但避免了補焊等繁瑣的后續工序，提高生產效率，降低安全隱患，還相對節約了能源。針對2219-T87鋁合金平板無缺陷直流活性焊接，分析活性劑消除氣孔傾向、去除氧化膜的相關機理，研究焊縫的微觀組織和性能。

1 實驗方法

實驗采用2219-T87鋁合金材料，板厚4 mm，化學成分如表1所示；填充金屬為直徑1.6mm的ER2319焊絲，成分近似于2219鋁合金。活性劑為自行研制的無氧化性復合焊劑，成分如表2所示。

表1 鋁合金2219-T87的名義化學成分%

表2 無氧化性復合焊劑成分%

焊前用NaOH水溶液清洗鋁板，使用刮刀去除表面氧化物。用無水乙醇溶解活性劑，攪拌成糊狀用毛刷均勻地涂覆在工件表面，以遮覆金屬表面光澤為佳，隨后用吹風機吹干。采用平板對接方式，背面有帶凹槽的不銹鋼墊板。實驗設備為WS-400直流焊機，焊接工藝參數如表3所示。焊槍必須沿鋁板對接的中心線精確行走。

表3 焊接工藝參數

將濃度3%的雙氧水和25%的氨水按3∶7的重量比混合，腐蝕焊縫組織；采用奧林巴斯金相顯微鏡觀察腐蝕的組織。

2 實驗結果和討論

2.1 消除氣孔傾向

交流TIG焊與直流正接活性TIG焊的焊縫X光底片對照如圖1所示。可以看出，采用交流TIG焊接2219-T87鋁合金，焊縫氣孔傾向明顯；采用直流正接TIG焊接鋁及鋁合金，可有效避免氣孔傾向。

氫是鋁及其合金熔焊時產生氣孔的主要原因。弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分都是焊縫氣孔中氫的主要來源。

此外，電流種類和極性不同對產生氣孔的影響也不同。例如，直流反接比直流正接和交流焊接時氣孔傾向小，原因在于氫是以質子形式向液態金屬中溶解。當采用直流正接或交流電流時，氫形成質子熔入熔池，所釋放的電子造成液態金屬表面上電子過剩，使反應：H→[H+]+e0向左進行，不利于氫向金屬溶解[2]。

圖1 交流TIG焊與直流正接活性TIG焊的焊縫X光底片對照

采用TIG焊直流正接，電弧過程較交流更穩定，空氣混入氣氛的機會較小，且焊接速度不快，熔池凝固速率較低；另一方面，添加的活性劑與弧柱中的氫結合，緩解了液態金屬表面上[H+]的過剩。

本研究設計的活性劑中氟化物可以顯著減少氣孔傾向，例如CaF2焊接時直接與氫發生反應

上述反應所產生的HF是一種穩定的氣體化合物，高溫也不易分解。由于大量的氫被HF占據，降低了電弧中氫的分壓，減小了氫的溶解度，有效地消除了氣孔傾向。生成的HF在熔化的鋁合金中溶解度極低，絕大部分逸出，不會產生新氣孔。

同時，添加的少量氧化性活性劑（如SiO2等）對于消除氫氣孔有效。因為這些氧化物在高溫時與氫化合生成穩定性僅次于HF的OH也不溶于液態的鋁合金，但卻可以占據大量的氫。進行的反應如下

然而氧化性活性劑的添加量應視情況而定，過量可能會在焊接過程中對焊縫起氧化作用。

2.2 去除表面氧化膜

鋁合金中的鋁及一些合金化元素（如鎂、鋅等），與氧具有很強的親和力，在鋁合金表面總有一層難熔的氧化膜，其熔點很高（如Al2O3的熔點約為2 050℃，MgO的熔點約為2 500℃）。采用純粹的直流正接鋁合金焊接時，由于工件為陰極，電弧中的電子流不能起到陰極清理作用，氧化物在焊接過程中仍然存在于熔池表面，使電弧和熔池分離，很容易造成板材之間焊接未熔合的現象。

本實驗所采用的活性劑可以有效去除鋁合金表面的氧化物。添加活性劑后得到的4 mm厚2219-T87鋁合金對接焊縫的正反面成形情況如圖2所示。焊縫外觀光潔、無夾渣，熔合良好。這是因為氟化物具有溶解氧化物的能力[3]，但過量的氟化物會增大界面表面張力，影響焊絲的添加效果。加入一些易熔的重金屬氯化物能夠提高氟化物的去膜效果，ZnCl2就是一種典型的優良試劑：其中的陰離子（Cl-）通過對鋁的電化學腐蝕加速氧化膜的剝離、破碎，方便氟化物對氧化膜的溶解；重金屬陽離子（Zn2+）沉積在鋁表面，改善焊絲在鋁表面的鋪展。去膜劑中的一些元素與氧的親和力很強，能夠還原基體金屬氧化物，得到產物AlCl3和AlxCly，其中，在電弧加熱作用下，AlCl3可以轉化變為氣體蒸發，并在蒸發、氣泡上浮過程中同時破碎鋁合金表面的氧化物薄膜[4]；AlxCly是復合鹽，流動性好，密度小于鋁，能夠浮于焊縫熔池的表面和邊緣，對熔池起保護作用，且易于清除。

圖2 活性劑直流TIG對接焊縫

2.3 焊縫的微觀組織及力學性能

圖3 2219-T87鋁合金直流正接TIG焊接頭區域微觀組織 （200×）

直流正接TIG焊接的2219-T87鋁合金接頭區域微觀組織照片如圖3所示。圖3a為2219-T87鋁合金母材組織微觀組織照片，它由沿著軋制方向（水平方向）存在的細長晶粒和彌散分布的強化相θ（AlCu2）構成。圖3b為接頭區域的焊縫區組織，它具有鑄造組織的特征，即由柱狀晶組織、焊縫中心區域的等軸晶和強化相θ（AlCu2）構成，無任何空洞。由于焊接電流較小，對材料的熱影響小，故形成的組織細小。圖3c為熔合區的組織照片，其中最左側是焊縫區組織，中間部分是熔合區組織，而最右邊則是熱影響區組織。熔合區組織由細長的晶粒組織和聚集的強化相θ（AlCu2）構成，無空洞，其中的強化相僅發生了聚集現象，這也表明直流活性焊的焊接電流較小，對材料的熱影響小，因此形成的組織非常細小。圖3d為熱影響區的組織照片，其組織比焊縫區和熔合區組織粗大，形成了一個晶粒粗大的過熱區；與兩種焊縫區和熔合區組織類似的是，熱影響區的組織由軋制晶粒組織、聚集的強化相 θ（AlCu2）構成。

分別用直流活性焊技術和變極性等離子弧焊（VPPAW）焊接4 mm厚的2219-T87鋁合金，所得到的接頭焊縫拉伸強度對比如圖4所示。直流活性TIG焊的焊縫強度明顯高于變極性等離子焊技術約20 MPa。

圖4 直流活性焊技術與變極性等離子弧焊焊縫拉伸強度對比

觀察、比較接頭最容易發生斷裂的熔合區（見圖5）微觀組織發現：（1）變極性等離子弧焊接2219-T87鋁合金，由于焊接電流大，組織較粗大，降低接頭性能和質量；（2）在焊接過程中出現氣孔，不僅削弱焊縫的有效工件斷面，同時帶來應力集中，顯著降低金屬的強度與韌性，不利于動載強度和疲勞強度，甚至還會引起裂紋。而直流正接TIG接頭組織細小，強化相僅發生了聚集現象，力學性能更優[5]，顯微組織見圖3c。

圖5 采用變極性TIG焊技術所焊接2219-T87鋁合金熔合區組織

3 結論

（1）鋁合金2219-T87直流正接活性TIG焊具有消除氣孔傾向的效果，機理是活性劑與弧柱中的氫結合，緩解液態金屬的表面上[H+]的過剩。

（2）活性劑中的氟化物（KF、CaF2）和氯化物（ZnCl2）發揮去除鋁合金表面氧化膜的作用。

（3）鋁合金直流正接活性TIG焊的接頭熔合區無氣孔，對接頭熱影響區組織影響小，晶粒細小，接頭強度比變極性等離子焊接高約20 MPa。

參考文獻：

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