高強 Al-Cu 合金 2219焊接接頭組織與性能
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]，嚴重制約了鋁銅合金在工業(yè)中的進一步應(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能譜儀進行化學(xué)成分分析，最后利用SSX-550掃描電鏡對斷口進行分析。
表 1 2219鋁合金及ER2319焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù),%）
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Cu
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Mn
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Mg
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Zn
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Ti
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Zr
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V
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Al
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2219
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6.28
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0.30
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<0.02
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<0.10
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0.048
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0.12
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0.07
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余量
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ER2319
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6.3
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0.3
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<0.02
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0.25
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0.15
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0.18
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0.10
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余量
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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
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σ b /MPa
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σ 0.2/MPa
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δ / %
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ψ /%
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強度系數(shù)/%
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母材
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468.0
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358.5
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15.4
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26.3
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焊態(tài)
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296.4
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190.7
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4.7
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19.7
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63.2
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焊接接頭
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人工時效
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316.4
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221.0
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4.0
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20.0
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67.6
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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到最低。而HAZ則恰恰相反，隨著離熔合線的距離越遠，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，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，基體中有大量細小、彌散的強化相，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。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 人工時效處理，提高了焊接接頭強度，降低了接頭塑性。
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