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高強Al-Cu合金2219焊接接頭組織與性能
高強al-cu合金2219焊接接頭組織與性能
楊成剛1，國旭明1，錢百年1,徐強2
摘 要： 研究了高強al-cu合金2219 mig焊焊接接頭組織與性能。2219鋁合金焊縫顯微組織為α(al)+ α（al）-cual2共晶，焊接接頭中焊縫硬度值 低，焊縫拉伸性能 差，因此焊縫為焊接接頭 薄弱區(qū)。2219鋁合金焊接接頭力學(xué)性能遠(yuǎn)低于母材的力學(xué)性能，強度系數(shù)僅為母材的63.2%。焊接接頭經(jīng)過人工時效處理，降低了焊接接頭塑性，提高了接頭強度，強度系數(shù)達(dá)到母材的67.6%。
關(guān)鍵詞： 高強al-cu合金 焊縫顯微組織 時效處理
0 序言
鋁銅合金也稱硬鋁合金，可熱處理時效強化，具有很高的室溫強度及良好的高溫和超低溫性能[1]，因此鋁銅合金是工業(yè)中應(yīng)用廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。在鋁銅系列合金中，多數(shù)合金的焊接性能不良，焊接接頭強度系數(shù)僅為母材的60%[2]，嚴(yán)重制約了鋁銅合金在工業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用。2219鋁合金是一種高強、耐熱、焊接性相對較好的鋁銅合金[3]，由于國內(nèi)對其焊接性能研究較少，其主要作為優(yōu)良的貯箱結(jié)構(gòu)材料，因此，研究2219鋁合金焊接接頭組織與性能，有利于進(jìn)一步擴展2219鋁合金的應(yīng)用范圍。
1 試驗材料及試驗方法
試驗材料為板厚20mm的2219-t87高強鋁銅合金，焊絲為er2319，直徑為1.6mm。2219鋁合金及er2319焊絲化學(xué)成分見表1。焊接設(shè)備采用德國cloos公司生產(chǎn)的qunito 503 mig焊機，保護(hù)氣體為純度99.9%的氬氣。焊接后從試板上沿焊縫橫向截取試樣，加工成拉伸試樣。對拉伸試樣進(jìn)行時效處理，人工時效工藝為：160℃時效16小時。拉伸實驗在ag-250kne電子拉伸實驗機上進(jìn)行。用micromet硬度儀測量焊接接頭橫截面的維氏硬度變化，壓頭載荷為5kg。用e2-x30p/r型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，用jb-30能譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析， 后利用ssx-550掃描電鏡對斷口進(jìn)行分析。
表1 2219鋁合金及er2319焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）
cu
mn
mg
zn
ti
zr
v
al
2219
6.28
0.30
<0.02
<0.10
0.048
0.12
0.07
余量
er2319
6.3
0.3
<0.02
0.25
0.15
0.18
0.10
余量
2 試驗結(jié)果和討論
2.1母材及焊縫顯微組織
圖1 和圖2 分別為母材及焊縫顯微組織。
圖1 2219鋁合金顯微組織 圖2 2219鋁合金焊縫顯微組織
由圖1可見，2219鋁合金是以α(al)為基體，含有許多第二相。白亮色的為θ相(cual2),黑色條狀為τ相(cumn2al12)，并沿壓延方向排列。從圖2可以看出，2219焊縫基體組織為 α(al)， α(al)的晶界和枝晶間分布α（al）-cual2共晶,因此2219鋁合金焊縫顯微組織為α(al)+（al）-cual2共晶。
2.2 2219鋁合金母材及焊接接頭拉伸性能比較
2219鋁合金母材及人工時效處理條件下焊接接頭拉伸性能見表2。由表2可以看出焊態(tài)下焊接接頭強度系數(shù)為母材的63.2%，延伸率（δ）僅為4.7%，遠(yuǎn)低于母材的15.4%。將時效處理后的焊接接頭拉伸性能與焊態(tài)下的接頭拉伸性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過人工時效處理，接頭強度明顯提高，抗拉強度σb由296.4 mpa上升到316.4 mpa，強度系數(shù)達(dá)到母材的67.6%，塑性有一定的下降，延伸率δ由4.7%降到4.0%。對接頭拉伸斷口進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)焊接接頭斷裂部位均為為焊縫，說明焊縫為焊接接頭薄弱區(qū)。焊縫顯微組織為α(al)+ α（al）-cual2共晶, 其中α(al)固溶體中含有大量溶質(zhì)原子，如cu、mn等。人工時效處理促使焊縫α(al)固溶體cu原子偏聚，在基體中析出大量細(xì)小、彌散的強化相θ′，因此提高焊接接頭強度，塑性降低。
表2 2219鋁合金母材及焊接接頭拉伸性能
σb/mpa
σ0.2/mpa
δ/ %
ψ/%
強度系數(shù)/%
母材
468.0
358.5
15.4
26.3
焊態(tài)
296.4
190.7
4.7
19.7
63.2
焊接接頭
人工時效
316.4
221.0
4.0
20.0
67.6
2.3 2219鋁合金焊接接頭硬度比較
2219鋁合金焊接接頭硬度分布見圖3。
圖3 焊接接頭硬度分布
由圖3可以看出，焊接接頭haz的硬度高于焊縫的硬度，越靠近熔合線，焊縫硬度越低，在熔合線附近焊縫硬度達(dá)到 低。而haz則恰恰相反，隨著離熔合線的距離越遠(yuǎn)，焊接熱循環(huán)峰值溫度逐漸降低，焊接熱循環(huán)對haz的影響越小，haz硬度逐漸上升。焊接接頭中焊縫硬度值 低，而拉伸試驗表明焊接接頭斷裂部位為焊縫，焊接接頭中焊縫拉伸性能 差，因此焊縫為焊接接頭 薄弱區(qū)。
當(dāng)熔池開始凝固時，首先析出溶質(zhì)含量低的α(al)固溶體，大部分溶質(zhì)原子，如：cu、mn等被排擠到低熔點的液相中。凝固結(jié)束時，富溶質(zhì)的液相在晶界和枝晶間形成了共晶相，因此貧溶質(zhì)的α(al)固溶體具有低的硬度，故焊縫區(qū)的硬度 低。緊靠熔合線的局部熔化區(qū)經(jīng)歷了高的峰值溫度，使母材中的析出相完全溶解，并導(dǎo)致晶界局部熔化，形成一些共晶液相，一部分溶質(zhì)原子集中到液化相中，導(dǎo)致基體溶質(zhì)過飽和度下降，隨后冷卻過程中析出強化相減少，結(jié)果使局部熔化區(qū)中的固溶硬化和析出相硬化效果降低，同時該區(qū)晶粒粗大，所以局部熔化區(qū)的硬度較低。鄰近局部熔化區(qū)的熱影響區(qū)硬度與母材相比，也發(fā)生了明顯的軟化。該區(qū)域也經(jīng)歷了充分的加熱，發(fā)生了平衡相θ的脫溶、析出和聚集長大，即發(fā)生了“過時效”，因此haz的硬度降低。母材為t87狀態(tài)，即經(jīng)過固溶處理，預(yù)變形和人工時效，基體中有大量細(xì)小、彌散的強化相，如θ′和t相析出，所以母材的硬度 高。
2.4母材及焊縫拉伸斷口掃描電鏡分析
圖4母材拉伸斷口 圖5 焊態(tài)下焊接接頭拉伸斷口
圖4為母材拉伸斷口形貌,圖5為焊態(tài)下焊接接頭拉伸斷口形貌。由圖4可以看出，母材斷口由許多大小不一的韌窩組成，韌窩較深，斷口為塑性斷口。焊接接頭斷口也由大量韌窩組成，韌窩淺且小，說明材料未發(fā)生明顯的塑性流動。因此，從圖4可以確定母材斷裂需要施加更大的應(yīng)力，這和拉伸試驗結(jié)果相吻合
3 結(jié)論
（1）2219鋁合金焊接接頭斷裂部位為焊縫，而焊接接頭中焊縫硬度值 低，因此焊縫為焊接接頭 薄弱區(qū)。
（2）2219鋁合金焊接接頭力學(xué)性能低于母材的力學(xué)性能，焊接接頭經(jīng)過人工時效處理，提高了焊接接頭強度，降低了接頭塑性。
參考文獻(xiàn)
1 中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編. 焊接手冊, 第二卷[m]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2001. 520
2 周振豐.焊接冶金學(xué)[m].北京：機械工業(yè)出版社,1995.33~135
3 huang. c , kou s.partially melted zone in aluminum welds:solute segregation and mechanical behavior[j].welding journal,2001,80(1): 9s~17s
(來源焊接信息網(wǎng))
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