2219鋁合金激光-TIG復合焊接頭特性分析

陳 靖 董 飛 黃振輝 郭 嬌 甄 勇

2219鋁合金激光-TIG復合焊接頭特性分析

陳 靖1董 飛2黃振輝1郭 嬌1甄 勇1

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

采用CO2激光-TIG復合焊接對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。分析結果表明，由于焊縫晶粒組織形態和尺寸均發生了變化，焊縫的顯微硬度要小于母材和熱影響區，在2219復合焊接頭中存在明顯的接頭軟化現象。接頭的最大抗拉強度為母材的70.84%，斷裂發生在試樣焊縫邊緣位置。

2219鋁合金；激光-TIG復合焊；顯微組織；力學性能

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，具有比強度高、低溫和高溫力學性能好、斷裂韌度高、抗應力腐蝕性能好等特點，是航空航天領域常用的鋁合金材料[1，2]。

激光-TIG電弧復合熱源焊接是一種將激光和TIG電弧兩種不同性質的熱源耦合作用在焊接區域的焊接工藝。激光電弧復合焊通過激光與電弧的相互作用充分發揮了兩種焊接工藝的優勢。其中，TIG電弧可以穩定光致等離子體，利于得到較為穩定的深熔小孔，穩定焊接過程，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，有利于穩定電弧。與激光焊相比，激光電弧復合焊具有更高的能量利用率、焊接效率以及接頭間隙適應性[3～5]。在2219鋁合金激光-TIG復合焊中，TIG電弧可對鋁合金母材進行預熱，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，熔池內的氣孔有足夠的時間溢出，提高接頭質量，并且較高的液相停留時間有利于防止咬邊等缺陷的產生[6～10]。

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

2 試驗條件

焊接試驗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。采用激光引導電弧的旁軸復合方式進行焊接試驗。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-電弧復合焊接頭的金相試樣進行腐蝕。采用金相顯微鏡分析不同工藝參數的焊縫顯微組織。采用顯微硬度測試和靜載荷拉伸試驗評價接頭的性能。

表1 2219鋁合金主要成分 wt.%

3 試驗結果與分析

3.1 不同工藝參數對焊縫顯微組織的影響

圖1為2219鋁合金激光-電弧復合焊接頭中各區域的顯微組織形貌。焊縫中心主要由枝晶態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的晶粒形態與尺寸均有所變化。圖1c為接頭焊縫邊緣、熱影響區、母材交界的顯微組織。在熱影響區內，受到焊接熱作用，母材軋制態組織發生晶粒長大。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復合焊接頭各區域顯微組織形貌

根據Al-Cu二元合金相圖，在液態下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較高的鋁（660℃）以固溶體α（Al）的形式優先在熱影響區晶粒表面外延結晶，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，在析出的先結晶樹枝狀α（Al）相周圍以Al-Al2Cu共晶的形態析出，直至熔池完全冷卻。

圖2 不同電流對熱影響區-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，焊縫內的晶粒尺寸變大，熱影響區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，因此導致熔池和熱影響的晶粒尺寸增加。

3.2 工藝參數對接頭性能的影響

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

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2219焊接接頭的抗拉強度（激光功率2500W，焊接速度0.8m/min，熱源間距4mm）

圖3為不同工藝參數激光-TIG復合焊2219接頭的抗拉強度。不同參數對應的接頭抗拉強度分別為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。接頭力學性能試樣在拉伸試驗中從焊縫熔合線附近發生正斷型斷裂?；趯缚p的顯微組織以及顯微硬度的分析發現，熱影響區熔合線附近組織非常不均勻，且焊縫、熱影響區、母材之間存在較大的硬度差和接頭軟化現象，在拉伸過程中此處強度較低且容易產生應力集中，因此斷裂發生在焊縫邊緣熔合線處。

4 結束語

通過對不同焊接參數2219激光-TIG復合焊接頭顯微組織以及力學性能的分析發現，隨著電流的增加，焊縫內的晶粒尺寸變大，熱影響區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化效果消失，發生了接頭軟化現象，焊縫的顯微硬度低于母材和熱影響區。接頭的最大抗拉強度為母材的70.84%，在拉伸試驗中斷裂發生在試樣焊縫邊緣位置。

1 左鐵釧. 高強鋁合金的激光加工[M]. 北京：國防工業出版社，2002

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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，機械設計及制造專業；研究方向：特種加工、特種焊接、金屬增材制造。