陳志元， 頡平平， 王 一， 范翼飛， 林 鵬， 張曉鴻

四川航天長(zhǎng)征裝備制造有限公司，四川 成都 610100

0 引言

2A14鋁合金屬于Al-Cu系鍛壓鋁合金，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的低溫性能和耐熱性能［1-2］，常作為航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域的焊接結(jié)構(gòu)件材料，尤其在運(yùn)載火箭低溫貯箱上得到廣泛應(yīng)用［3］。2A14鋁合金的焊接工藝有鎢極氬弧焊（TIG）、攪拌摩擦焊（FSW）和變極性等離子弧焊（VPPAW）等方法。目前，我國(guó)運(yùn)載火箭貯箱2A14 鋁合金結(jié)構(gòu)件多采用變極性鎢極氬弧焊（VPTIG，Variable Polarity TIG）［3-4］。

2A14 鋁合金的TIG 焊接接頭性能與焊接工藝和焊接結(jié)構(gòu)有關(guān)。已有的2A14 鋁合金TIG 焊接工藝研究顯示，不同厚度的2A14 鋁合金VPTIG 焊接多采用單面多層焊工藝［5-6］。但現(xiàn)有研究多涉及對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)，而在實(shí)際工程鋁合金結(jié)構(gòu)件上，除常見的對(duì)接焊縫以外，還存在例如筒段環(huán)縫與筒段縱縫的交叉焊縫［7］。目前，工程應(yīng)用上存在VPTIG+VPTIG、FSW+VPTIG、FSW+VPPAW等形式的2A14鋁合金交叉焊縫焊接結(jié)構(gòu)。FSW+VPTIG工藝交叉焊縫顯示接頭強(qiáng)化現(xiàn)象［8］，而FSW+VPPAW 工藝交叉焊縫相比單一FSW或VPPAW工藝接頭性能下降約23%～33%［9］。VPTIG+VPTIG 交叉焊縫較為特殊，接頭處經(jīng)多次多層熔焊，接頭處的組織與性能變化極具研究?jī)r(jià)值。

本研究選取CS 態(tài)的2A14 鋁合金開展VPTIG+VPTIG交叉焊縫焊接試驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)交叉焊縫結(jié)構(gòu)和焊接工藝，研究多次熔焊后的交叉焊縫微觀組織特征及力學(xué)性能變化機(jī)理，為航天用2A14 鋁合金交叉焊縫焊接工藝提供試驗(yàn)及數(shù)據(jù)參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?A14 鋁合金試板，尺寸400 mm×200 mm×6 mm，其熱處理狀態(tài)為CS態(tài)，即固溶熱處理后進(jìn)行人工時(shí)效的狀態(tài)。焊絲為1.6 mm的BJ-380A鋁合金，母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

采用Dynasty700 脈沖變極性鎢極氬弧焊機(jī)。VPTIG1+VPTIG2交叉焊縫結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中VPTIG1和VPTIG2為兩種不同焊接參數(shù)的單面兩層VPTIG 焊工藝，即先采用交流氬弧打底焊，再進(jìn)行交流氬弧蓋面焊。試驗(yàn)首先將兩塊2A14 鋁合金試板按照VPTIG1工藝焊接成一塊試板，焊后試板在電火花線切割機(jī)上沿垂直于焊縫方向切割成兩半，打磨處理后再按照VPTIG2工藝將切割面進(jìn)行焊接，焊接完成后的試板焊縫呈交叉結(jié)構(gòu)，主要焊接參數(shù)如表2所示。

圖1 VPTIG1+VPTIG2交叉焊縫及拉伸取樣示意Fig.1 Schematic diagram of VPTIG1+VPTIG2 cross joint and stretch sampling

表2 2A14鋁合金交叉焊縫VPTIG焊接試驗(yàn)參數(shù)Table 2 VPTIG welding test parameters of 2A14 aluminum alloy cross joint

試驗(yàn)完成后，對(duì)2A14 鋁合金VPTIG1+VPTIG2交叉焊接試驗(yàn)件進(jìn)行宏觀目視檢查，而后對(duì)交叉焊縫進(jìn)行X光射線探傷檢測(cè)。經(jīng)X光透視合格后的試板，按照GB/T 2649—1989 和GB/T 2651—1989，采用電火花線切割機(jī)分別沿VPTIG1、VPTIG2方向切割交叉焊縫拉伸試樣各6 件，非交叉焊縫處的VPTIG1焊縫和VPTIG2焊縫上各取6件拉伸試樣，切割示意如圖1 所示，試樣拉伸尺寸如圖2 所示。拉伸試驗(yàn)在CMT5105 電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)所得結(jié)果為各試樣平均值并計(jì)算誤差。各焊接條件下的試樣拉伸完成后，在EVO/MA25掃描電子顯微鏡（SEM）上利用二次電子成像技術(shù)對(duì)拉伸斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，加速電壓設(shè)置為20 kV。

圖2 拉伸試驗(yàn)尺寸（單位：mm）Fig.2 Dimensions of the sample for tensile test （Unit： mm）

2A14 鋁合金交叉焊縫試樣進(jìn)行接頭微觀組織觀察和硬度測(cè)試。微觀組織觀察在DM2300M金相顯微鏡（OM）上進(jìn)行。硬度測(cè)試在KB30S-SA顯微維氏硬度計(jì)上進(jìn)行，試驗(yàn)壓力9.8 N，保壓時(shí)間10 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀形貌與X光探傷

2A14 鋁合金VPTIG 焊交叉焊縫宏觀形貌如圖3a 所示，兩條熔焊焊縫呈“十字”交叉，表面魚鱗紋十分均勻，無目視可見缺陷，焊縫成形美觀。另外，交叉位置VPTIG2焊縫將VPTIG1焊縫重新熔合，焊縫表面呈現(xiàn)VPTIG2焊縫形貌。

圖3 2A14鋁合金VPTIG焊交叉焊縫Fig.3 2A14 aluminum alloy VPTIG welded cross joint

交叉焊縫經(jīng)X光探傷合格，焊縫內(nèi)部無超標(biāo)缺陷，兩條焊縫的焊縫區(qū)、熔合線及魚鱗紋影像清晰可見，符合QJ 2698A—2011（鋁及鋁合金熔焊通用技術(shù)條件）Ⅰ級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)。在交叉位置VPTIG2焊縫熔合線明顯垂直穿過VPTIG1焊縫，VPTIG1焊縫在交叉位置的熔合線影像較淺，如圖3b所示。值得注意的是，交叉焊縫處的X光透視黑色陰影線為兩次VPTIG焊接留下的熔合線成像，需區(qū)分未熔合缺陷X光底片特征。

2.2 微觀組織

圖4為2A14鋁合金VPTIG焊縫微觀組織形貌。從圖4a、圖4b 可以看出，VPTIG1和VPTIG2焊縫組織特征基本相同，其蓋面層焊縫組織為放射狀樹枝晶，樹枝晶分布雜亂沒有方向性，枝晶臂較發(fā)達(dá)；打底層焊縫組織為胞狀枝晶。蓋面層相較焊縫中心冷卻速度慢，枝晶臂緩慢生長(zhǎng)到較大尺寸，導(dǎo)致蓋面層樹枝晶晶粒粗大。圖4c中VPTIG+VPTIG交叉焊縫組織與相組成較單一焊縫未發(fā)生變化（基于此，本文未進(jìn)一步對(duì)焊縫組織進(jìn)行SEM和EDS成分分析），主要體現(xiàn)在晶粒尺寸、過燒、組織缺陷等差異。整體呈枝晶形態(tài)，但打底層枝晶晶粒尺寸相較VPTIG1和VPTIG2單一焊縫打底層晶粒明顯更大，這是因?yàn)榻徊婧缚p經(jīng)受多次熱量不同的熱沖擊，導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)，晶粒尺寸變大。另外，圖4 可以看出VPTIG焊縫（含交叉焊縫）蓋面層存在氣孔分布（孔洞型的黑點(diǎn)即為氣孔），這是因?yàn)楹附舆^程中熔池冷卻速度很快，焊接組織屬于非平衡凝固組織，熔池中氣體來不及溢出，殘留在焊縫組織中形成氣孔缺陷。

圖4 2A14鋁合金VPTIG焊接頭微觀組織Fig.4 Microstructure of 2A14 aluminum alloy VPTIG welded joint

2.3 接頭力學(xué)性能

2.3.1 交叉焊縫拉伸性能

2A14 鋁合金VPTIG 焊交叉焊縫拉伸性能如表3所示?？梢钥闯?，VPTIG1和VPTIG2接頭拉伸性能基本相當(dāng)，平均抗拉強(qiáng)度均大于310 MPa，斷后延伸率平均值≥5%，二者接頭強(qiáng)度系數(shù)均達(dá)到70%，塑性表現(xiàn)相當(dāng)。但是，沿VPTIG1方向和沿VPTIG2方向的交叉焊縫抗拉強(qiáng)度相較VPTIG1和VPTIG2焊縫抗拉強(qiáng)度明顯下降，下降約5.4%～6.6%。交叉焊縫的斷后延伸率相較VPTIG1和VPTIG2接頭也明顯下降，下降約19.2%～23.6%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，交叉焊縫的拉伸性能相較單一的VPTIG焊縫存在下降現(xiàn)象，其中塑性下降更為明顯。

交叉焊縫拉伸性能下降與焊縫熔焊次數(shù)較多有關(guān)。交叉焊縫相較單一的VPTIG 焊接頭打底和蓋面焊接次數(shù)增多，焊接熱輸入更大，引起焊縫晶粒組織變大。根據(jù)Hall-Petch 公式，晶粒組織的大小與力學(xué)性能呈負(fù)相關(guān)［10］。交叉焊縫打底層相較單一的VPTIG焊焊縫組織存在明顯晶粒粗大現(xiàn)象，且晶粒大小分布不均勻，晶界阻礙裂紋擴(kuò)展的能力下降，致使交叉焊縫的力學(xué)性能下降。

2.3.2 交叉焊縫硬度性能

圖5 為2A14 鋁合金VPTIG 焊接接頭顯微硬度分布曲線?？梢钥闯?，2A14 鋁合金VPTIG 焊接接頭顯微硬度在焊縫中心兩側(cè)基本對(duì)稱分布，交叉焊縫硬度與單一VPTIG焊接接頭硬度規(guī)律一致，從母材到焊縫中心呈先下降后局部上升再下降的趨勢(shì)，母材硬度最高達(dá)到136 HV，焊縫中心硬度最低。鋁合金熔焊接頭組織分為母材、熱影響區(qū)、熔合線（區(qū)）、焊縫區(qū)。熱影響區(qū)靠近母材區(qū)域受熱循環(huán)影響較小，硬度值趨于母材硬度。熱影響區(qū)包含淬火粗晶區(qū)和過時(shí)效軟化區(qū)，CuAl2等強(qiáng)化相的形態(tài)和分布狀態(tài)可能發(fā)生變化，使得該區(qū)域硬度呈現(xiàn)局部上升再下降的現(xiàn)象。焊縫區(qū)受熱影響軟化，強(qiáng)化效果基本消失，合金元素偏析嚴(yán)重，組織不均勻性程度較大，硬度降低明顯［4］。

圖5 2A14鋁合金VPTIG焊接接頭顯微硬度分布曲線Fig.5 Microhardness distribution curve of 2A14 aluminum alloy VPTIG welded joint

值得注意的是，交叉接頭焊縫區(qū)及靠近焊縫的熱影響區(qū)硬度相較單一VPTIG焊接頭明顯下降，單一VPTIG 焊接頭焊縫區(qū)硬度為72～90 HV，交叉接頭焊縫區(qū)硬度為65～75 HV，下降約10%～20%。這是因?yàn)榻徊婧缚p多次熔焊，熱輸入較大且不均勻，焊縫組織枝晶粗大，軟化效果更強(qiáng)。

2.4 接頭斷口形貌與斷裂機(jī)制

在拉伸試驗(yàn)中，2A14 鋁合金VPTIG 焊接接頭拉伸斷裂位置多出現(xiàn)在熔合線附近。這表明了熔合線周圍焊接應(yīng)力相對(duì)集中，易率先形成裂紋源，最終在熔合線附近斷裂這一現(xiàn)象。

圖6為2A14鋁合金VPTIG焊接接頭斷口形貌。從圖6可知，2A14鋁合金VPTIG焊接接頭斷口存在較多大小不同且交錯(cuò)分布的撕裂棱和韌窩，并伴隨較多的微孔特征。圖6a、圖6b 為單一的VPTIG 焊接頭斷口形貌，韌窩數(shù)量多且較為密集，韌窩內(nèi)部及其周圍可以觀察到第二相粒子并伴隨著微裂紋。另外，斷面的晶界處萌生許多微孔，這些微孔在拉伸過程中生長(zhǎng)和聚合，也將導(dǎo)致斷裂產(chǎn)生。因此，2A14鋁合金VPTIG焊接接頭斷裂機(jī)制為混合型斷裂，以晶界韌性斷裂為主，并伴隨有微裂紋源受力擴(kuò)展開裂、微孔聚合型斷裂。相較單一的VPTIG焊接頭斷口，交叉焊縫的韌窩數(shù)量減少且淺，其中沿VPTIG2方向的交叉焊縫斷口撕裂棱和微裂紋源受力開裂更加明顯（見圖6c、6d），這進(jìn)一步驗(yàn)證了交叉焊縫相較單一VPTIG 焊接頭抗拉性能降低的現(xiàn)象。

圖6 2A14鋁合金VPTIG焊接接頭斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of 2A14 aluminum alloy VPTIG welded joint

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明VPTIG1+VPTIG2交叉焊縫較單一VPTIG焊接接頭抗拉性能下降，這一結(jié)果具有重要工程實(shí)際意義。對(duì)于承受多樣、且較大載荷力的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)限用VPTIG 交叉焊縫結(jié)構(gòu)，避免在VPTIG交叉焊縫位置形成力學(xué)性能薄弱區(qū)。

（1）VPTIG 焊交叉焊縫焊縫組織呈枝晶狀，其打底層焊縫晶粒尺寸相較單一VPTIG 焊接頭更加粗大。

（2）VPTIG焊交叉焊縫相較單一VPTIG焊接頭抗拉強(qiáng)度下降5.4%～6.6%，斷后延伸率下降19.2%～23.6%，塑性降低明顯。

（3）VPTIG焊接頭硬度從母材到焊縫中心均呈現(xiàn)先下降后局部上升再下降的趨勢(shì)，其中交叉焊縫焊縫區(qū)硬度較單一VPTIG 焊接頭焊縫區(qū)硬度下降10%～20%；

（4）VPTIG焊交叉焊縫斷裂機(jī)制與單一VPTIG接頭斷裂機(jī)制一致，為混合型斷裂機(jī)制，即以晶界韌性斷裂為主，并伴隨有微裂紋源受力擴(kuò)展開裂、微孔聚合型斷裂。交叉焊縫斷口相較單一VPTIG接頭斷口呈現(xiàn)韌窩數(shù)量少且淺、微裂紋源受力擴(kuò)展開裂更明顯的特征。