林一桐，王東坡，王 穎

2219鋁合金VPTIG焊接頭的低溫斷裂韌性

林一桐1,2，王東坡1,2，王 穎1,2

(1. 天津大學材料科學與工程學院，天津 300072；
2. 天津大學天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

采用裂紋尖端張開位移(crack tip opening displacement，CTOD)試驗研究了高強2219鋁合金變極性鎢極氬弧焊(variable polarity tungsten inert gas welding，VPTIG)接頭各部位的低溫斷裂韌性，利用掃描電鏡對各部位的CTOD試驗斷口特征進行分析，并結(jié)合金相組織進一步闡明組織與斷裂韌性的關(guān)聯(lián)．研究結(jié)果表明，2219鋁合金VPTIG焊接頭各部位表現(xiàn)出不同的低溫斷裂韌性，熔合線最低，熱影響區(qū)高于焊縫，但均低于母材．掃描電鏡斷口觀察結(jié)果表明，母材、焊縫及熱影響區(qū)的斷裂機制為剪切斷裂，熔合線的斷裂機制為準解理斷裂．金相組織分析較好地解釋了焊接接頭不同部位斷裂韌性的差異．

2219鋁合金；變極性鎢極氬弧焊；斷裂韌性；裂紋尖端張開位移

燃料儲箱是運載火箭的關(guān)鍵部位．高強2219鋁合金在低溫力學性能、斷裂韌性、焊接性以及抗應(yīng)力腐蝕性能等方面，相比于我國一直沿用的2A14鋁合金具有明顯的優(yōu)勢[1-5]，將成為新一代大型運載火箭燃料儲箱的制造材料．

目前關(guān)于2219鋁合金焊接接頭的文獻多局限于其組織和傳統(tǒng)力學性能的研究[6-10]．新一代大型運載火箭以液氫液氧為燃料，需要燃料儲箱具有良好的低溫斷裂韌性．2219鋁合金作為制造燃料儲箱的材料，非常有必要研究其焊接接頭的低溫斷裂韌性，杜巖峰等[11]即對2219鋁合金的攪拌摩擦焊接頭進行了裂紋尖端張開位移(crack tip opening displacement，CTOD)試驗研究．

變極性鎢極氬弧焊(variable polarity tungsten inert gas welding，VPTIG)代表了國內(nèi)外鋁合金焊接技術(shù)的先進水平，目前已應(yīng)用于2219鋁合金儲箱的環(huán)縫焊接中．本文采用CTOD試驗研究了2219鋁合金VPTIG焊接頭的低溫斷裂韌性，并分析了CTOD斷口微觀形貌和接頭金相組織，為其在航天領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持．

1 試驗方法

1.1 試樣制備

本試驗分別測試了2219鋁合金焊接接頭中母材、焊縫和熱影響區(qū)在液氮溫度(-196,℃)下的CTOD斷裂韌性．試驗采用由天津航天長征火箭制造有限公司提供的8,mm厚2219鋁合金焊接試板．

2219鋁合金母材的化學成分如表1所示．熱處理狀態(tài)為T6態(tài)，焊接方法為VPTIG，焊接工藝參數(shù)見表2．

表1 2219鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of 2219 aluminum alloy (mass fraction)

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding process parameters

根據(jù)英國標準BS 7448，制備帶預(yù)制疲勞裂紋的三點彎曲(three point bend，TPB)標準試樣：根據(jù)《BS 7448—1—1991》進行母材的CTOD試驗；根據(jù)《BS 7448—2—1997》進行焊縫、熔合線和熱影響區(qū)的CTOD試驗．

母材處為沿軋制方向的貫穿厚度試樣；焊縫、熔合線和熱影響區(qū)處為垂直于焊縫方向的貫穿厚度試樣．如圖1所示，試樣厚度B＝8,mm，寬度W＝2B＝16,mm，長度L＝120,mm，機械缺口深度為6,mm．缺口分別開在母材、焊縫、熔合線和熱影響區(qū)，其中焊縫處缺口位于焊縫中心，熔合線處缺口與熔合線在板材厚度中心相交，熱影響區(qū)處缺口位于熔合線加5,mm處，如圖2所示．

采用高頻疲勞試驗機在室溫下預(yù)制疲勞裂紋.根據(jù)英國標準BS 7448，母材的平均載荷為1.063,kN，交變載荷為0.870,kN；焊縫、熔合線和熱影響區(qū)的平均載荷為0.542,kN，交變載荷為0.443,kN，疲勞裂紋需擴展2,mm左右．

圖1 試樣尺寸Fig.1 Size of sample

圖2 焊接接頭取樣位置Fig.2 Sample position of welded joint

1.2 試驗過程

CTOD試驗在CTOD試驗機上進行，每個區(qū)域各做3個試樣．試驗步驟如下所述．

(1) 用游標卡尺精確地測量出每個試樣的B、W和刀口厚度z．

(2) 先將試件放置于液氮中進行保溫，每個試件保溫15,min以上．試驗時將試件放置于低溫槽中．

(3) 采用一次加載方式直到試樣失穩(wěn)破壞，根據(jù)BS 7448標準，加載跨距為S＝4W＝4×16＝64,mm，加載速率為1.0,mm/min，同時得出試樣載荷-位移曲線．

(4) 試樣失穩(wěn)破壞后，將其快速壓斷，測量裂紋長度a0(機械缺口、疲勞裂紋擴展區(qū)和CTOD擴展區(qū)長度的總和)．

采用TDCL-SU1510掃描電子顯微鏡對CTOD試驗斷口的微觀形貌進行分析；采用Olympus-GX51光學顯微鏡對接頭試樣的金相組織進行觀察分析．

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)標準BS 7448，CTOD的計算式為

2 試驗結(jié)果與討論

2219鋁合金VPTIG焊接頭各部位在液氮溫度(－196,℃)下的CTOD試驗結(jié)果如圖3所示．由圖3可知，焊接頭各部位表現(xiàn)出不同的低溫斷裂韌性，熔合線最低，熱影響區(qū)高于焊縫，但均低于母材．

圖3 裂紋尖端張開位移試驗結(jié)果Fig.3 Result of crack tip opening displacement test

CTOD試驗斷口的掃描電鏡圖像如圖4所示．各斷口圖上端為疲勞裂紋擴展區(qū)，可見明顯的疲勞裂紋；疲勞裂紋尖端以下為裂紋的CTOD擴展區(qū)，即CTOD試驗過程中裂紋擴展的區(qū)域，其形貌與CTOD斷裂韌性相對應(yīng)．母材、焊縫及熱影響區(qū)斷口的微觀形貌為韌窩狀，斷裂機制為典型的剪切斷裂，斷裂性態(tài)呈延性，同時可看到各韌窩底部均有第二相粒子存在．母材斷口韌窩最深，韌窩大小交錯，形狀及分布不規(guī)則，撕裂棱多且輪廓清晰，可見產(chǎn)生了大量形變，斷裂韌性最佳；熱影響區(qū)斷口與母材斷口相比，韌窩較淺，數(shù)量較少，斷裂韌性次之；焊縫斷口韌窩底部有大量第二相粒子，造成裂紋源多，微孔生長空間狹小，導(dǎo)致韌窩細小規(guī)則、數(shù)量大，斷裂韌性再次；熔合線斷口既存在平坦的解理面，又分布著較淺的韌窩，撕裂棱不明顯，斷裂機制介于解理斷裂和剪切斷裂之間，斷裂性態(tài)介于脆性和延性之間，即所謂的準解理斷裂，斷裂韌性最差．綜上可見，試樣的CTOD斷口形貌較好地解釋了焊接接頭不同部位斷裂韌性的差異．

圖4 斷口掃描電鏡圖像Fig.4 SEM graphs of fracture surface

VPTIG焊接頭各部位金相組織如圖5所示．母材中的第二相(θ相，Al2Cu)粒子沿板材軋制方向排列，分布在晶界上的第二相為非連續(xù)脫溶形成的胞狀物，而晶粒中的第二相尺寸很小，為連續(xù)脫溶形成的細小質(zhì)點．由此可以看出：母材的時效過程為非連續(xù)脫溶加連續(xù)脫溶，未經(jīng)熔化和熱循環(huán)過程的母材由于時效硬化效果達到最佳，其斷裂韌性最高；焊縫中心為等軸晶組織，由于焊縫結(jié)晶時柱狀晶從熔池四周不斷長大，將溶質(zhì)和雜質(zhì)推向熔池中心，產(chǎn)生區(qū)域偏析，冷卻后析出了較多的第二相粒子，惡化了焊前的強化效果，且有些晶粒過燒而晶界弱化，使斷裂韌性變差；熔合線為參差不齊的分界區(qū)，此區(qū)域的尺寸范圍很窄，存在嚴重的物理不均勻性和化學不均勻性，加熱時處于過熱狀態(tài)，晶粒嚴重長大，冷卻后成為粗大組織，造成粗晶脆化，所以斷裂韌性最差；熱影響區(qū)經(jīng)歷焊接熱循環(huán)，相當于對母材進行時效處理，由于此區(qū)晶粒的形態(tài)與母材完全不同，可判斷基體已發(fā)生回復(fù)以致再結(jié)晶，時效過程為非連續(xù)脫溶，且第二相已聚集長大，發(fā)生了所謂的過時效，強化效果減弱，故斷裂韌性不及母材．可見，接頭各部位斷裂韌性的大小關(guān)系受其金相組織的影響．

圖5 VPTIG焊接頭的顯微組織Fig.5 Microstructure of VPTIG welded joint

3 結(jié) 論

(1) 2219鋁合金VPTIG焊接頭在液氮溫度下的斷裂韌性不均勻，母材最大，熱影響區(qū)次之，然后是焊縫，熔合線最?。?/p>

(2) 由低溫CTOD試驗斷口的掃描電鏡圖像可以看出，在CTOD擴展區(qū)，母材、焊縫及熱影響區(qū)的斷裂機制為典型的剪切斷裂，熔合線的斷裂機制為準解理斷裂，且斷口形貌與CTOD斷裂韌性的大小關(guān)系符合得很好．

(3) 由接頭各部位金相組織照片可以看出，金相組織是影響CTOD斷裂韌性的內(nèi)在因素．母材的時效硬化效果最佳，焊縫由于區(qū)域偏析而析出較多的第二相粒子，熔合線存在粗晶脆化，熱影響區(qū)經(jīng)歷了過時效．

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(責任編輯：金順愛)

Cryogenic Fracture Toughness of 2219 Aluminum Alloy VPTIG Welded Joint

Lin Yitong1,2，Wang Dongpo1,2，Wang Ying1,2
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Cryogenic fracture toughness of high strength 2219 aluminum alloy variable polarity tungsten inert gas welding(VPTIG) welded joint was studied in terms of tests of crack tip opening displacement(CTOD). The fracture characters of CTOD tests of different parts were analyzed using scanning electron microscopy(SEM)，and the relationship between microstructure and fracture toughness was further clarified according to microstructure. Results showed that the distribution of cryogenic fracture toughness of 2219 aluminum alloy VPTIG welded joint was of no uniformity. The cryogenic fracture toughness of fusion line was the lowest，while in the weld it was lower than that in the heat affected zone. In all the three cases，the cryogenic fracture toughness was lower than that of parent metal. The result of fracture observation of SEM showed that the fracture mechanism of parent metal，weld and heat affected zone was shear fracture，while that of fusion line was quasi-cleavage fracture. Microstructure analysis well explained the difference in fracture toughness among various parts of the joint.

2219 aluminum alloy；variable polarity tungsten inert gas welding(VPTIG)；fracture toughness；crack tip opening displacement(CTOD)

TG407

A

0493-2137(2015)05-0468-05

10.11784/tdxbz201406054

2014-06-18；

2014-07-08.

國家自然科學基金資助項目(51275343).

林一桐（1990— ），男，博士研究生，360800782@qq.com.

王 穎，wangycl@tju.edu.cn.

時間：2014-07-18. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201406054.html.