2A14鋁合金TIG焊組織及力學(xué)性能不均勻性分析

（北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124）

0 前言

2A14 鋁合金屬于 Al－Cu－Mg－Si系可熱處理強化的鋁合金，在－250～250℃的溫度范圍內(nèi)具有良好的機械性能。因其具有良好的焊接性能、高比強度和卓越的低溫性能，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)[1]。

2A14鋁合金是目前我國大直徑重型運載火箭低溫儲箱的主體材料之一[2－3]。低溫儲箱是火箭箭筒結(jié)構(gòu)的重要組成部分，主體結(jié)構(gòu)由殼段和箱底組成[4]。

變極性鎢極氬弧焊（VPTIG焊）是一種按特定周期交變電流輸出，采用鎢極為保護電極，高純度氬氣（Ar）為保護氣的焊接工藝[5]。該焊接方法不僅具有顯著的陰極清理作用，可有效去除焊縫熔池表面的致密氧化膜，而且能最大程度減輕電極燒損，適宜鋁、鎂合金的焊接[6]。目前，VPTIG焊已成為我國2A14鋁合金火箭低溫儲箱焊接常用焊接方法之一。盡管VPTIG焊能夠獲得綜合性能較好的焊接接頭，但仍然存在嚴重的接頭性能不均勻問題，接頭強度系數(shù)低，最高強度僅能達到基體的70%，嚴重制約該方法的廣泛應(yīng)用[7]。

焊接不均勻性對焊接結(jié)構(gòu)強度和抗斷裂性能的影響是焊接結(jié)構(gòu)斷裂安全評定和可靠性研究的熱點，包含顯微組織不均勻性及力學(xué)性能不均勻性等。本研究通過定量分析焊縫及熱影響區(qū)的屈服強度、抗拉強度，確定2A14鋁合金VPTIG焊接頭的強度不均勻性分布，力求解決結(jié)構(gòu)完整性評定所涉及核心問題的可行途徑，為鋁合金貯箱焊接結(jié)構(gòu)完整性評定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗材料和方法

試驗采用2A14-T6鋁合金板材，尺寸300 mm×300 mm，板厚3 mm，采用單面單層焊接，利用SZ61體視顯微鏡觀察焊縫的橫截面形貌，如圖1所示。

圖1 接頭形貌示意Fig.1 Schematic diagram of the joint morphology

采用數(shù)控線切割加工接頭試樣，打磨、拋光后采用keller試劑腐蝕金相試樣（2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF+95 mL H2O）。利用 OLYMPUS BX51M臥式金相顯微鏡（OM）觀察接頭的微觀組織；采用SU3500掃描電鏡（SEM）觀察接頭不同區(qū)域；采用HXP-1000TML/L型數(shù)字式顯微硬度計測試顯微硬度，相鄰測試點間隔為0.5 mm，試驗載荷200 gf，加載時間10 s；采用MTS810型拉伸試驗機進行拉伸試驗，加載速率1.0 mm/min，每個工藝參數(shù)測試3個試樣，結(jié)果取平均值。

采用AG-250KNIS型拉伸試驗機測試焊接區(qū)域不同位置的拉伸力學(xué)性能，加載速率10 mm/min；采用數(shù)控線切割加工微區(qū)拉伸試樣，從焊縫中心向外每1.5 mm取1個試樣，共取20個，取樣位置如圖2所示。試樣具體尺寸如圖3所示。力學(xué)性能試驗中規(guī)定塑性延伸0.2%的強度為屈服強度。

圖2 微拉伸試樣取樣位置示意Fig.2 Schematic illustration of sampling position of the micro zone tensile

圖3 接頭微區(qū)拉伸試驗試樣尺寸Fig.3 Micro-tensile specimen design

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 金相組織不均勻性分析

焊接接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)組成，其中熱影響區(qū)可分為固溶區(qū)和過時效區(qū)。2A14鋁合金接頭微觀組織如圖4所示。焊縫區(qū)（見圖4b）為典型的鑄態(tài)組織主要由等軸樹枝晶組成，晶界較粗大。熔合區(qū)（見圖4c）為約200μm的小區(qū)域，附近分布有少量微氣孔，主要為柱狀晶和包狀枝晶。固溶區(qū)（見圖4d）受熱循環(huán)作用影響峰值溫度較高，晶粒相對較粗大，平均晶粒尺寸為73μm。過時效區(qū)（見圖4e）受熱循環(huán)作用的影響較小，晶粒組織形貌與母材區(qū)（見圖4f）相似，均為細小扁平晶粒組織，平均晶粒尺寸42 μm。隨著過時效區(qū)內(nèi)沉淀相的長大粗化，意味著發(fā)生過時效，強度降低形成軟化區(qū)。

2.2 合金元素與第二相分布

除了晶粒大小與形態(tài)外，接頭的第二相含量與分布差別也很大，因此對焊接接頭各區(qū)域的合金元素含量及分布情況進行分析。焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)的背散射電子圖像如圖5所示，黑色區(qū)域為鋁基體，白色部分為合金元素含量較高的第二相。

由圖5a可知，焊縫區(qū)內(nèi)分布有大量粗大的白色第二相，主要為粗大的 α（Al）+θ（Al2Cu）共晶相，呈網(wǎng)絡(luò)狀沿晶界分布。由于主合金元素Cu在液態(tài)Al中的平衡分配系數(shù)k＜1，在熔池凝固階段易偏聚于晶界及枝晶界處，當達到共晶成分時，發(fā)生共晶反應(yīng)生成θ相。由圖5b、5c可知，熱影響區(qū)過時效軟化區(qū)與母材區(qū)微觀組織相似，由于受到的熱作用小，基體中保留了原母材中一些粗大θ（Al2Cu）相，未能完全固溶入基體。

圖4 2A14板材變極性TIG單面單層焊接金相組織Fig.4 Metallographic microstructure of different zones in the joint

結(jié)合如表1所示的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)中基體的EDS能譜分析結(jié)果可以看出，在焊縫區(qū)基體中合金元素含量極少，大量合金元素均沿晶界析出成為 α（Al）+θ（Al2Cu）共晶相，大大降低強化效果。熱影響區(qū)和母材區(qū)中合金元素含量相對較多，部分固溶于基體中，部分成為GP區(qū)、θ″相和細小θ′強化相形成元素，起到沉淀強化效果。

由表1可知，焊接熱循環(huán)過程對焊接接頭各區(qū)域合金元素的分布情況有直接影響。

2.3 顯微硬度分布

2A14鋁合金變極性TIG焊硬度分布如圖6所示。由于接頭兩側(cè)硬度基本呈對稱分布，因此只取一側(cè)硬度，由焊縫中心向母材方向依次進行硬度測試。

可以看出，焊縫區(qū)是接頭中硬度值最低的區(qū)域，為80～100 HV0.2，主要原因是焊縫區(qū)為鑄態(tài)組織，原有強化效果基本消失，合金元素偏析嚴重，不均性程度較大，硬度值浮動范圍較大，其中由于焊縫中尚未逸出的微氣孔多分布于頂部，造成頂部的硬度值偏低。進入熱影響區(qū)后，在固溶區(qū)硬度值有所增加，由于該區(qū)域受熱循環(huán)溫度較高，使沉淀相發(fā)生固溶形成過飽和固溶體，焊后經(jīng)自然時效重新析出細小沉淀相，強度回升，硬度升高，相當于淬火區(qū)。隨著距焊縫距離的增大，進入過時效區(qū)，硬度值開始降低，晶內(nèi)析出粗大過時效相，即大的沉淀相發(fā)生長大粗化，同時部分強化相向θ相轉(zhuǎn)變，減弱沉淀強化效果，硬度最低降至約102 HV0.2。隨著距焊縫距離的進一步增加，受熱循環(huán)的作用逐漸減小，頂部、中部和底部的差異也逐漸減小，硬度值逐步回升達到母材硬度水平152.5 HV0.2。

圖5 接頭背散射電子圖像Fig.5 Backscatter electron images of the joint

表1 接頭不同區(qū)域基體EDS結(jié)果Table 1 EDS results for matrix in different areas of joints %

圖6 接頭顯微硬度分布Fig.6 Microhardness profile of the welding joint

2.4 微拉伸試驗

顯微硬度測試方法簡單且為無損檢測，基于顯微硬度預(yù)測焊接接頭各個區(qū)域強度和應(yīng)變硬化系數(shù)的方法在工程中很受歡迎。國內(nèi)外對鋼的顯微硬度與強度的關(guān)系進行了大量研究，并建立了一些力學(xué)性能之間的關(guān)系式。Cohoon[8]等人考慮應(yīng)變硬化系數(shù)，提出了屈服強度和抗拉強度與顯微硬度之間的關(guān)系式。Itoh[9]和Zhu[10]等人提供了鋼焊接接頭焊縫金屬抗拉強度與屈服強度之間的線性關(guān)系式。Wei Lu[11]等人建立了50 mm厚鈦合金接頭顯微硬度、抗拉強度和屈服強度三者之間的線性關(guān)系式，P.A.STATHERS[12]等人利用微小力學(xué)拉伸件，確定了6061-T651鋁合金屈服強度、抗拉強度與顯微硬度之間的關(guān)系。

焊接接頭微拉伸強度分布如圖7所示，抗拉強度和屈服強度的分布與顯微硬度分布規(guī)律相似。焊縫區(qū)主要為鑄態(tài)組織，強度較低；固溶區(qū)中的沉淀相溶入基體中形成α固溶體，在焊后自然時效過程中析出部分強化相，強度升高；過時效區(qū)中沉淀相發(fā)生粗化，強化效果大大減弱；隨著受熱影響的降低，強度逐漸恢復(fù)至母材強度。

采用最小二乘法對熱影響區(qū)屈服強度與顯微硬度值進行線性擬合，結(jié)果如圖8所示，線性擬合結(jié)果為：σ0.2=2.94HV-78.71，擬合優(yōu)度R2為0.942,標準偏差SD=13.053 MPa。通過以上公式可預(yù)測出2A14鋁合金焊接接頭各區(qū)域的屈服強度。回歸分析時，將剩余標準差作為預(yù)報精確度的標志。在平面圖上加上和減去2SD，做兩條與回歸直線平行的直線，在焊接缺陷斷裂安全評定時，得到預(yù)測屈服強度的上下限。

圖7 微區(qū)強度分布Fig.7 Strength distribution of weld center

圖8 熱影響區(qū)屈服強度（σ0.2）與顯微硬度線性擬合Fig.8 LinearfitoftheYieldstrength（σ0.2） andmicrohardness in HAZ

3 結(jié)論

通過研究變極性TIG焊3 mm厚2A14鋁合金焊接接頭組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)各微區(qū)組織和力學(xué)性能存在明顯差異。

（1）焊縫區(qū)組織為等軸樹枝晶，晶界粗大，固溶區(qū)受熱循環(huán)影響晶粒相對粗大，過時效區(qū)和母材區(qū)受熱影響小，均為扁平狀組織，焊接接頭存在明顯的不均勻性。

（2）焊縫區(qū)基體中合金元素含量較低，大量合金元素沿晶界析出形成共晶組織，強化效果降低；熱影響區(qū)和母材基體中的合金元素含量相對較多，在基體中分布著細小的θ″和θ′相，起強化效果。焊接熱循環(huán)過程對焊接接頭各區(qū)域合金元素的分布情況具有直接影響。

（3）建立了顯微硬度與屈服強度及抗拉強度之間的線性關(guān)系。通過回歸分析建立顯微硬度與強度之間的工程經(jīng)驗關(guān)系式σ0.2=2.94HV-78.71。當拉伸性能未知時，可根據(jù)焊接接頭的顯微硬度估算出接頭各區(qū)域的拉伸性能。