高強(qiáng) Al-Cu 合金 2219焊接接頭組織與性能
摘 要: 研究了高強(qiáng) 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最低,焊縫拉伸性能最差,因此焊縫為焊接接頭最薄弱區(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(qiáng)度系數(shù)僅為母材的 63.2%。 焊接接頭經(jīng)過 人工時(shí)效處理,降低了焊接接頭塑性,提高了接頭強(qiáng)度,強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到母材的 67.6%。
關(guān)鍵詞: 高強(qiáng) Al-Cu 合金 焊縫顯微組織 時(shí)效處理
0 序言
鋁銅合金也稱硬鋁合金,可熱處理時(shí)效強(qiáng)化,具有很高的室溫強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)、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(kuò)展2219鋁合金的應(yīng)用范圍。
1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為板厚 20mm的2219 -T87 高強(qiáng)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(jī),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(shí)效處理,人工時(shí)效工藝為: 160 ℃時(shí)效 16小時(shí)。拉伸實(shí)驗(yàn)在AG-250KNE電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)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,最后利用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(yàn)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(shí)效處理?xiàng)l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(qiáng)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(shí)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(shí)效處理,接頭強(qiáng)度明顯提高,抗拉強(qiáng)度σb 由296.4 MPa上升到 316.4 MPa,強(qiáng)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(shí)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(qiáng)化相θ′,因此提高焊接接頭強(qiáng)度,塑性降低。
表 2 2219鋁合金母材及焊接接頭拉伸性能
|
σ b /MPa
|
σ 0.2/MPa
|
δ / %
|
ψ /%
|
強(qiáng)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(shí)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)到最低。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最低,而拉伸試驗(yàn)表明焊接接頭斷裂部位為焊縫,焊接接頭中焊縫拉伸性能最差,因此焊縫為焊接接頭最薄弱區(qū)。
當(dāng)熔池開始凝固時(shí),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(diǎn)的液相中。凝固結(jié)束時(shí),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)的硬度最低。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(qiáng)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(shí)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(shí)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(shí)效,基體中有大量細(xì)小、彌散的強(qiáng)化相,如θ′和 T 相析出,所以母材的硬度最高。
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(dòng)。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(yàn)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最低,因此焊縫為焊接接頭最薄弱區(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(shí)效處理,提高了焊接接頭強(qiáng)度,降低了接頭塑性。
|