2219鋁合金對接+搭接接頭TIG焊接工藝研究

唐 瑜，楊 康，林 鵬，倪 龍，李 興，廖東俊，曾文昆，李 喬

四川航天長征裝備制造有限公司，四川 成都 610100

0 前言

高強鋁合金因具備良好的耐蝕性、導電性、導熱性和較高的比強度和比剛度等綜合性能，在航空航天、國防科技等領域得到了廣泛的應用［1-3］。在各種可熱處理的鋁合金中，2219鋁合金屬于Al-Cu-Mn系高強度鋁合金，在-250～250℃的溫度范圍內具有良好的焊接性、斷裂韌性、抗腐蝕性以及優良的力學性能，在國內外被廣泛用于航天航空結構件材料，如土星5 號、阿里安5號等［4-5］。2219 鋁合金的主要強化元素包括銅、錳、鋯、鈦，這些元素使其產生了時效強化［6］。航空航天用的鋁合金構件直徑和尺度都較大，故常用拼焊的方法制造。2219鋁合金的焊接方法主要有鎢極氬弧焊（TIG）、電子束焊（EBW）、變極性等離子弧焊（VPPAW）、攪拌摩擦焊（FSW）等。但是受結構件體積和焊接條件的影響，焊縫以及角焊縫的連接多采用傳統TIG焊接工藝［7］。

變極性TIG焊（VPTIG）具有廉價、穩定和焊接質量較高的優點，是目前鋁合金、鎂合金焊接最為普遍的方式之一。變極性TIG焊電弧可以通過調整直流正負極脈沖的幅值和時間來減少鎢極燒損，增加陰極清理作用，從而增大對焊接工件的熔透；同時，變極性脈沖電流會對熔池產生較為強烈的攪拌作用，焊縫組織得到細化，焊接熔池中的氣孔較易逸出，從而降低接頭處氣孔率，提高焊縫的成形質量和力學性能。為此，文中采用變極性TIG焊接方法對2219鋁合金對接+搭接的特殊結構進行焊接，探索不同參數下的焊接接頭的質量和性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗母材為軋制成形的2219鋁合金，熱處理狀態為C10S態（固溶處理+10%冷變形+人工時效），板材厚度5 mm+7 mm，尺寸為300 mm×600 mm×5 mm和300 mm×600 mm×7 mm，接頭形式為對接+搭接。C10S態2219鋁合金微觀組織如圖1所示，力學性能如表1所示。田志杰等［8］研究表明，C10S態2219鋁合金的主要組成相為α-Al固溶體、θ（CuAl2）相和T（CuMn2Al2）相。焊絲采用2219鋁合金焊接專用的ER2325焊絲（DQJT 1149-2007），直徑4 mm。2219鋁合金以及焊絲的主要化學成分如表2所示，其合金元素含量分別滿足GB/T3190-2018、DQJT 1149-2007標準要求。

圖1 C10S態2219鋁合金母材組織Fig.1 Miero-stracture of 2219 aluminum alloy on C10S status

表1 2219鋁合金力學性能Table 1 Mechanical properties of 2219 aluminum alloy

表2 2219鋁合金與ER2325焊絲化學成分（質量分數，%）Table 2 Chemical composition of 2219 aluminum and ER2325 weld‐ing wire（wt.%）

焊接設備采用Miller氬弧焊機，型號Dynasty700。自制焊接平臺，可實現焊接試片的水平安裝和固定。焊后依據標準GJB1486對焊縫進行X光透視，采用標準方法（QJ 2136.3）制備金相試樣，腐蝕液為Keller試劑，通過DM2300M型號OEM光學顯微鏡觀察接頭的宏觀形貌和微觀組織。采用TCD-A300N-10KW拉伸試驗機依據GB/T 2651標準進行接頭拉伸性能測試，并確定拉伸試樣尺寸，抗拉強度為3個試樣的平均值。

1.2 試驗方法

為了探究焊接參數對2219鋁合金5 mm+7 mm對接+搭接焊接接頭性能的影響，設計了3種不同的工藝參數，具體如表3所示。1#、2#、3#試樣均采用單面三層焊：第一層打底、第二層填充、第三層蓋面，焊接接頭為對接+搭接，坡口形式為K型坡口，角度20°+30°，鈍邊1.5 mm，坡口及接頭形式如圖2所示。焊前對待焊區進行打磨清理，焊絲進行刮削處理。

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding parameters

圖2 坡口及接頭形式示意Fig.2 Groove form

2 試驗結果與分析

2.1 接頭宏觀形貌

1#、2#、3#試樣接頭表面及背部焊漏形貌如圖3所示。可以看出，三種參數下的對接+搭接接頭均成形良好，背面焊漏光滑且均勻，焊縫表面均不存在咬邊、急劇過渡、飛濺類缺陷。試樣焊縫X光透視形貌如圖4所示，1#、2#、3#試樣焊縫內部幾乎無缺陷，僅存在少量的氣孔缺陷（直徑小于1 mm）。此外，從背部焊漏與X光照片可以看出，采用大間隙、小電流的1#號試樣接頭焊漏較少且不均勻，而小間隙、大電流的2#、3#試樣接頭焊漏明顯更加飽滿均勻。

圖3 接頭表面及背部焊漏宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the joints surface and back

圖4 焊縫X光透視形貌Fig.4 X-ray perspective of weld

接頭宏觀形貌的剖面圖如圖5所示。可以看出，TIG焊接接頭主要分為焊縫區、熱影響區及母材區三個區域，熱影響區、焊縫區存在明顯的熔合線。對比三種試樣的剖面形貌發現：1#試樣的焊縫區呈上寬下窄的漏斗狀，由于焊接電流較小，焊縫區域與熱影響區均較小；而2#、3#試樣的焊縫區上下寬度基本一致，呈柱狀。由此可見，提高焊接電流更容易焊透，有利于得到均勻飽滿的焊接接頭。

圖5 接頭宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of the joints

2.2 接頭微觀組織分析

三種試樣接頭的金相顯微照片如圖6所示。可以看出，三種接頭的微觀組織基本相似，母材區域金相組織為α固溶體＋團絮狀共晶（Al2Cu）＋點狀析出物（CuMn2Al2），形態為板條狀，分布均勻，沿軋制方向生長。熱影響區受熱循環的影響，原母材帶狀分布的晶粒沿軋制方向生長，越靠近熔合線的位置晶粒尺寸越是粗大，呈現出尺寸較粗大且不均勻的柱狀晶粒，但相組成與母材基本相同［9］。熔合線區域分為半熔化區和未混合區，存在嚴重的組織形態不均勻性，這是熔合線兩側晶粒生長速度差異較大、過渡不均勻所導致的。焊縫中心區晶粒呈細小枝狀晶與等軸晶，有方向性但排列呈無序狀態，由焊絲與母材從液化狀態凝固而成，具有鑄造組織特征。

由圖6可知，1#、2#、3#試樣三種接頭各區域面積占比和晶粒組織大小不同，這是裝配間隙和熱輸入量不同所致。裝配間隙直接影響焊縫區的寬度和大小，因此在焊接參數一定的前提下，裝配間隙越大，熔池越大，形成的焊縫區面積也就越大。單位長度焊縫上的熱輸入為

圖6 不同接頭的微觀組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of joints

式中 k與散熱效率有關的常數；v為焊接速度（單位：mm/min）；I為焊接電流（單位：A）。假設焊接時熱量損失為定值，由此推斷出三種試樣接頭處的熱輸入量 Q2#＞Q3#＞Q1#。

田志杰等人［8］的研究表明，隨著熱輸入量的增大，焊縫區和熱影響區域會增大，且熱影響區的晶粒也會更加粗大。因此，2#、3#試樣晶粒尺寸明顯大于1#試樣。此外還可以看出，隨著電流的增大，2#、3#試樣熔合線處帶狀晶與等軸晶過渡更加均勻，熔合線強度更高。

2.3 接頭拉伸性能分析

三種接頭拉伸性能結果如表4、圖7所示。從拉伸結果來看，7 mm接頭的抗拉強度和延伸率均優于5 mm接頭。這主要是兩類接頭的斷裂位置不同引起的，5 mm接頭的斷裂位置均在熔合線處，7 mm接頭斷裂位置則在熱影響區與焊縫區域。由于兩側顯微組織差異較大，應力較高，熔合線處一般是焊接接頭中較為薄弱的區域，而且對缺陷的敏感性最高，在受力時很容易沿熔合線發生沿晶斷裂。故5 mm接頭的抗拉強度和延伸率遠低于7 mm接頭。比較1#、2#、3#接頭的抗拉強度和延伸率發現，由于熱輸入量不足，熔合線兩側組織存在急劇過渡，從而使得接頭受力時在此發生斷裂，導致1#接頭的平均屈服強度、平均抗拉強度和斷后伸長率均較低。焊接電流較大時，母材與焊縫熔合更好，熔合線處組織更加均勻，受力不易被破壞，因此2#、3#接頭的抗拉強度較高。

圖7 1#、2#、3#試樣接頭拉伸性能對比Fig.7 Histogram of Tensile properties of joint1#，2#，3#

表4 對接+搭接接頭拉伸性能Table 4 Tensile properties of the joints

此外，對比2#、3#試樣的拉伸強度可以發現，2#試樣中5 mm接頭抗拉強度和延伸率較3#試樣的更高，而3#號試樣7 mm的板材接頭抗拉強度則相對更高。分析認為，這是由于2#試樣的焊接速度更慢，促進了蓋面層焊縫與母材的熔合，使2#試樣熔合線處的組織更加均勻，從而提升5 mm接頭的抗拉強度。但是7 mm接頭斷裂位置均在焊縫，因此性能提高并不明顯，反而可能由于熱輸入量過大發生晶粒長大和Al2Cu相的偏析，降低接頭的力學性能，故2＃試樣的更低。

3 結論

文中通過優化焊接參數獲得了成形良好的2219鋁合金對接+搭接TIG焊接頭，揭示了不同熱輸入下的對接+搭接接頭分區組織特征。采用較大的焊接電流和焊接速度能夠獲得更均勻的接頭組織。隨著電流的增大和焊接速度的減小，5 mm接頭（蓋面層）的抗拉強度和延伸率均有較大的提升；但熱輸入量過大會使得熱影響區發生晶粒長大和Al2Cu相的偏析，由于過燒導致7 mm接頭抗拉強度有所降低。

因此，可以考慮在打底和填充層焊接參數不變的前提下，適當增大蓋面層焊接電流、提高焊接速度來提高5 mm接頭的抗拉強度，從而提高2219鋁合金對接+搭接接頭的力學性能。