焊接方法对2219铝合金焊接接头力学性能的影响

张 聃， 陈文华， 孙耀华， 董丰波

（1.上海航天设备制造总厂，上海200245;2.南京航空航天大学，南京 211106）

2219铝合金由于在-250～250℃的温度范围内，具有良好的焊接性、断裂韧性以及优良的力学性能，在航空航天领域的运用越来越广泛，尤其在燃料贮箱领域中被广泛使用［1，2］。2219铝合金的主要强化元素包括铜、锰、锆、钛，这些元素使其产生了时效强化［3］。国内外对2219铝合金的焊接主要有钨极氩弧焊、电子束焊、变极性等离子弧焊、搅拌摩擦焊等方法［4］。

国外关于2219铝合金焊接的研究主要集中在参数匹配及性能方面［5～8］，还有部分分析了不同焊接方法获得接头性能的差异［9～10］。国内关于2219铝合金不同焊接方法所获接头形成的差异及原因的研究较少，本文分析了EBW、FSW和TIG三种焊接方法获得接头的组织和性能，对比三者性能，分析三者性能差异及产生差异的原因，进而希望推动2219铝合金的工程应用。

1 试验材料与方法

试验所用板材为2219高强铝合金，板材厚度为6mm，热处理状态为T6态，即固溶+人工时效。其化学成分（质量分数/%）为:Cu 6.48，Mn 0.32，Fe 0.23，Ti 0.06，V 0.08，Zn 0.04，Si 0.49，Zr 0.2，Al余量。EBW和TIG的焊接方向均垂直于轧制方向，所选用的焊接参数见表1，FSW焊接参数见表2。

按照 GB2651—2008《焊接接头拉伸实验方法》，将焊接接头切割成为标准试样，在 SANSCMT5105型电子万能试验机上进行拉伸实验，试验条件为:加载载荷10 kN、加载速率为2mm/min。采用HXS-1000A型显微硬度计对焊接接头的各个区域进行显微硬度测试，测试过程中采用的条件为:加载载荷50g，加载时间15s。

沿试样横截面截取试样，经1～5号金相砂纸研磨、氧化铝抛光后，使用混合酸（1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O）溶液腐蚀，在光学显微镜下观察焊接接头的微光组织。利用扫描电镜，观察拉伸断口及焊接接头横截面，研究断口及表面的形貌。

2 实验结果与分析

2.1 力学性能分析

焊接接头的室温拉伸性能测试结果见表3，其中每个结果为多次测量后的平均值。通过表3中的拉伸实验数据，可以看出EBW接头的室温抗拉强度达到了母材的79%左右，FSW接头的室温抗拉强度达到母材的74%，而TIG焊接头的室温抗拉强度达到母材的53%左右，对比三者的拉伸实验数据可以看出EBW和FSW所获接头的室温抗拉强度接近，EBW略高，二者明显高于TIG所获接头的室温拉伸性能。同时还可以看出FSW的伸长率最优，EBW的伸长率次之，TIG焊的伸长率最小。

表1 EBW和TIG选用的焊接参数Table 1 EBW，TIG Welding parameters selected

表2 搅拌摩擦焊焊接参数Table 2 FSW Welding parameters selected

表3 焊接接头室温拉伸及显微硬度Table 3 Tensile properties and hardness of welding joints

由室温拉伸试验可以看出，EBW接头断裂位置位于熔合线处，这是因为EBW接头熔合线处的微观组织存在着明显的不均匀性，既存在细小的等轴晶又存在明显的柱状晶;FSW接头断裂位置位于后退侧热机影响区与热影响区交界线附近;而TIG焊接接头拉伸断裂位置位于焊缝处，这是因为TIG焊冷却速率较慢，焊缝处最后冷却，易形成焊接缺陷，如气孔和缩孔、缩松等。

通过显微硬度的观察，EBW接头的显微硬度从焊缝中心至熔合区逐渐降低，焊缝处硬度达到97HV;FSW接头的显微硬度最高值出现在焊缝中心偏向前进侧处，为97.6HV，这是因为前进侧塑性金属受搅拌头的搅拌作用更加明显，致使前进侧晶粒的形变较后退侧更加严重，进而使得前进侧的应变强化更加显著;TIG接头的显微硬度在焊缝处最低，为72HV。三种焊接接头显微硬度的变化与拉伸试验的结果相符合。

图1 焊缝中心处金相组织Fig.1 Metallographic structure（a）TIG;（b）FSW;（c）EBW

2.2 接头微观组织分析

TIG焊接接头焊缝的微观组织如图1a所示，焊缝区基体组织为树枝状α（Al），同时还有α（Al）-Al2Cu共晶组织分布在基体的晶间以及枝晶间;FSW焊缝中心处的金相组织如图1b所示，由于该区域与搅拌头的距离最小，因此在焊接过程中受到搅拌头的机械搅拌作用最为强烈，焊接热输入能量最大，导致该区域组织发生再结晶，由母材组织转变为细小的等轴晶组织;EBW焊缝中心处的金相组织如图1c所示，可以看出其组织为细小的等轴晶，由于电子束对液态金属的搅拌作用，增加了液态金属流动的复杂性，导致焊缝中心组织存在一定的不均匀性。

由图1中a，b和c对比发现，EBW和FSW所获接头焊缝中心处金相组织都为细小的等轴晶，且二者的晶粒尺寸接近，相差并不大，EBW的晶粒尺寸大约为6μm，FSW的晶粒尺寸大约为4μm;而TIG焊缝中心处的晶粒尺寸最为粗大，这是导致其性能低的原因之一。

图2 母材和焊接接头拉伸断口形貌Fig.2 Fracture morphology of BM and joints（a）TIG;（b）FSW;（c）EBW

2.3 拉伸断口分析

图2a所示为TIG焊接接头拉伸断口形貌，可以看出有明显的韧窝存在，在较少的韧窝底部有颗粒状的第二相存在，这些韧窝很浅且形貌规整，没有明显的变形。图2b所示为FSW焊接接头拉伸断口形貌，可以看出拉伸断口呈现大、小韧窝交错分布的特征，韧窝数量多且存在较多的撕裂棱，这说明试样在断裂之前经历的了大量的形变;同时韧窝很深而且在部分韧窝的底部还有第二相的存在，搅拌摩擦焊所获接头的断裂类型为韧性断裂。图2c所示为EBW焊接接头拉伸断口形貌，可以看出断口中存在大量的韧窝，这些韧窝较深且存在一定程度的变形，同时还存在着大量的撕裂岭。

通过对三种焊接接头拉伸断口形貌对比发现，TIG焊的拉伸断口中呈现的韧窝最浅且形状规整没有明显的形变，说明了该焊接接头组织在拉伸过程中没有发生明显的塑性变形，其强度和塑性较差;FSW和EBW的拉伸断口中存在大量的韧窝和撕裂棱，二者的强度较高且相差不大，不过相对钨极氩弧焊而言，此二种接头拉伸断口中的撕裂棱线明显，说明接头组织在拉伸过程中发生了较大程度的塑性变形，反映出其塑性较好。

图3 焊接接头截面形貌扫描Fig.3 Section morphology of welding joints（a）TIG;（b）FSW;（c）EBW

2.4 焊缝Cu元素分布

Cu元素是2219高强铝合金中主要的强化元素，它使2219铝合金产生时效强化。图3所示为三种焊接接头的横截面形貌扫描。由图3a所示的TIG所获接头截面形貌可以看出，该区在焊接过程中强化元素铜在晶界以及枝晶间发生了偏聚，在冷却过程中形成在晶界附近形成网路状第二相，同时还在晶体内部形成少量的第二相颗粒。由图3b所示FSW所获接头截面形貌可以看出，因该区域最接近搅拌头，原始存在未溶解的第二相粒子在焊接过程中在搅拌头的剧烈机械搅拌作用下会发生不同程度的破碎，并受到搅拌而更加弥散分布。由图3c所示的EBW所获接头截面形貌可以看出，该区在焊接过程中由于在高温停留的时间很短、同时拥有较大的冷却速度，因此在快速冷却中形成的第二相颗粒小且在基体中均匀分布。

2.5 焊接缺陷

图4为三种焊接接头的缺陷扫描，由图4（a）可以看出，TIG的焊接接头中存在着气孔，气孔的尺寸达到了60μm左右，且占据着图4（a）大约8%左右的面积，这些气孔在拉伸过程中没有发生明显的变形，这说明了气孔对TIG焊接接头的抗拉强度存在明显的削弱作用;由图4（b）可以看到，FSW所获接头在搅拌过程中形成的流线方向存在着少量线形缺陷，这些缺陷很细小，不易察觉，分析认为这些缺陷可能是搅拌摩擦焊接过程中后退侧热机影响区组织疏松，组织之间的结合较弱而导致的。由图4（b）的EBW焊接接头缺陷扫描，发现其气孔数量很少，且尺寸只有10μm左右，这些数量很少的微小气孔对EBW焊接接头抗拉强度的影响很小，近似忽略。

图4 三种焊接接头缺陷扫描Fig.4 Fracture morphology of joints（a）TIG;（b）FSW（c）EBW

3 结论

（1）2219铝合金焊接接头室温拉伸试验发现:EBW所获接头具有最优的室温抗拉强度及良好的伸长率;FSW所获接头具有良好的室温抗拉强度及最优的伸长率;而TIG所获接头的性能在三种中最低。

（2）拉伸断口的形貌扫描发现:三种焊接接头都呈韧性断裂，其中EBW和FSW焊接接头断口形貌中韧窝小，数量多，深度较深;而TIG焊接接头断口形貌中韧窝较大，数量少，深度较浅。

（3）结合微观组织结构分析可知，EBW和FSW二种接头晶粒尺寸细化是其具有良好性能的一个重要原因，同时接头中存在的焊接缺陷以及强化元素的分布对接头性能存在明显影响，三种影响因素一起作用使得EBW所获接头具有最优的抗拉强度，FSW所获接头具有最优的伸长率以及良好的抗拉强度。

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