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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。 2219 鋁合金焊接接頭力學性能遠低于母材的力學性能，強度系數僅為母材的 63.2%。焊接接頭經過人工時效處理，降低了焊接接頭塑性，提高了接頭強度，強度系數達到母材的 67.6%。

關鍵詞：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中應用廣泛的金屬結構材料之一。在鋁銅系列合金中，多數合金的焊接性能不良，焊接接頭強度系數僅為母材的 60%^[2]，嚴重制約了鋁銅合金在工業中的進一步應用。 2219鋁合金是一種高強、耐熱、焊接性相對較好的鋁銅合金^[3]，由于國內對其焊接性能研究較少，其主要作為優良的貯箱結構材料，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焊絲化學成分見表1。焊接設備采用德國CLOOS公司生產的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型光學顯微鏡觀察顯微組織，用JB-30能譜儀進行化學成分分析，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焊絲化學成分（質量分數,%）

	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可以看出焊態下焊接接頭強度系數為母材的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下的接頭拉伸性能進行比較，發現經過人工時效處理，接頭強度明顯提高，抗拉強度σ_b 由296.4 MPa上升到 316.4 MPa，強度系數達到母材的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現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。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

		σ_b /MPa	σ_0.2/MPa	δ / %	ψ /%	強度系數/%
母材		468.0	358.5	15.4	26.3
	焊態	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，焊接熱循環峰值溫度逐漸降低，焊接熱循環對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。

當熔池開始凝固時，首先析出溶質含量低的α (Al) 固溶體，大部分溶質原子，如： Cu 、 Mn 等被排擠到低熔點的液相中。凝固結束時，富溶質的液相在晶界和枝晶間形成了共晶相，因此貧溶質的α (Al) 固溶體具有低的硬度，故焊縫區的硬度最低。緊靠熔合線的局部熔化區經歷了高的峰值溫度，使母材中的析出相完全溶解，并導致晶界局部熔化，形成一些共晶液相，一部分溶質原子集中到液化相中，導致基體溶質過飽和度下降，隨后冷卻過程中析出強化相減少，結果使局部熔化區中的固溶硬化和析出相硬化效果降低，同時該區晶粒粗大，所以局部熔化區的硬度較低。鄰近局部熔化區的熱影響區硬度與母材相比，也發生了明顯的軟化。該區域也經歷了充分的加熱，發生了平衡相θ的脫溶、析出和聚集長大，即發生了“過時效”，因此 HAZ 的硬度降低。母材為 T87 狀態，即經過固溶處理，預變形和人工時效，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。

圖 4為母材拉伸斷口形貌,圖5為焊態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力，這和拉伸試驗結果相吻合

3 結論

（ 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。

（ 2 ） 2219 鋁合金焊接接頭力學性能低于母材的力學性能，焊接接頭經過人工時效處理，提高了焊接接頭強度，降低了接頭塑性。