胡正根 黃 誠 常志龍 劉德博 王明正

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076) (2 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

(a) 屈服強(qiáng)度 (b) 延伸率 (c) 強(qiáng)度極限

2219 T852過渡環(huán)與T87箱筒段電子束焊接接頭性能

胡正根1黃 誠1常志龍1劉德博1王明正2

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076) (2 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 基于貯箱用2219 T852整體過渡環(huán)與T87箱筒段的電子束環(huán)焊縫，開展了部段級(jí)電子束焊接接頭常、低溫力學(xué)性能測(cè)試，同時(shí)對(duì)焊接接頭錯(cuò)縫量、斷裂類型及金相組織進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：部段級(jí)常、低溫2219 T852與T87電子束焊接接頭的強(qiáng)度影響系數(shù)為0.63，低溫狀態(tài)下焊接接頭的力學(xué)性能比室溫狀態(tài)下有所提高；錯(cuò)縫量與焊接接頭力學(xué)性能成反比，其中對(duì)延伸率影響最為顯著，低溫有助于緩解錯(cuò)縫對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的弱化影響；電子束焊接接頭組織不均勻性和結(jié)構(gòu)形貌上的不連續(xù)性，特別是T852側(cè)熱影響區(qū)晶粒粗大，導(dǎo)致T852側(cè)熱影響區(qū)和焊縫接頭根部為電子束焊縫的薄弱區(qū)域，焊接接頭極易在該區(qū)域發(fā)生斷裂。

2219，T852過渡環(huán)，T87箱筒段，電子束焊接，錯(cuò)縫，接頭性能

0 引言

在鋁鋰合金和復(fù)合材料貯箱研制取得重大進(jìn)展的今天，2219鋁合金仍然是國內(nèi)外航天運(yùn)載器貯箱結(jié)構(gòu)的主流材料[1]，因?yàn)槠渚哂械统杀尽⒘己玫目珊附有?、抗?yīng)力腐蝕性以及優(yōu)良的力學(xué)性能和斷裂韌度等特點(diǎn)[1-2]。

國外在研制運(yùn)載火箭2219鋁合金貯箱時(shí)，曾采用過多種焊接方法，包括鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、鎢極氣體保護(hù)脈沖焊、熔化極脈沖氣體保護(hù)焊、變極性等離子焊、電子束焊接、激光焊接、攪拌摩擦焊等，各種焊接方法在不同國家、不同技術(shù)發(fā)展時(shí)期的運(yùn)載火箭貯箱研制生產(chǎn)中，都分別因其自身特點(diǎn)而得到了應(yīng)用[1]。國內(nèi)在航天器2219貯箱結(jié)構(gòu)上普遍采用氬弧焊、攪拌摩擦焊和電子束焊接，其中電子束焊接因其能量密度高，焊接熱輸入低，焊接熱影響區(qū)小，焊接變形小，能有效防止裂紋、氣孔、未熔合、夾雜等缺陷出現(xiàn)，明顯提高焊接強(qiáng)度和焊接效率而在貯箱焊接中發(fā)揮了重要作用[3-7]。

以往在研究貯箱焊接接頭力學(xué)性能時(shí)，比較注重平板試片級(jí)別的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，但是針對(duì)貯箱部段級(jí)的焊接接頭驗(yàn)證卻很少。實(shí)際上，部段級(jí)焊接試片和平板級(jí)焊接試片的力學(xué)性能數(shù)據(jù)往往差異較大，這主要是因?yàn)槠桨寮?jí)焊接時(shí)，焊接裝配條件簡(jiǎn)單，平板之間貼合均勻，焊接接頭的形成沒有過大的裝配預(yù)應(yīng)力，而真實(shí)貯箱焊接時(shí)，為保證焊接接頭貼合均勻，需要專門工裝進(jìn)行內(nèi)撐外壓，預(yù)加較大裝配內(nèi)應(yīng)力，焊接接頭形成后即受到較大內(nèi)應(yīng)力作用[8]，不均勻的內(nèi)應(yīng)力迫使部分焊接區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，消耗焊接接頭原有的延伸率，起到冷作硬化的作用，導(dǎo)致最后真實(shí)貯箱的焊縫上力學(xué)性能較低，且分布不均勻，故平板級(jí)焊接試片接頭并不能真實(shí)完全反映貯箱焊縫接頭的力學(xué)性能。

本文以貯箱常用2219 T852整體過渡環(huán)與T87箱筒段焊接連接為背景，開展2219異種熱處理狀態(tài)下的部段級(jí)電子束焊接接頭的常、低溫力學(xué)性能研究，同時(shí)對(duì)部段級(jí)焊接接頭錯(cuò)縫量、斷裂類型及金相組織進(jìn)行分析，為電子束焊接技術(shù)在貯箱焊接上的全面應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

材料均為2219鋁合金，焊接邊厚度為4 mm，其中過渡環(huán)為T852態(tài)，箱筒段為T87態(tài)，為貯箱上普遍采用的熱處理狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)件結(jié)構(gòu)截面如圖1所示，過渡環(huán)由T852態(tài)整體鍛環(huán)機(jī)械加工得到，箱筒段由兩塊T87態(tài)鋁板滾彎再拼焊得到。

1.2 焊接

試驗(yàn)件所有對(duì)接焊縫均采用電子束焊接(EBW)，利用工裝在真空室完成箱筒段縱縫、過渡環(huán)與箱筒段環(huán)縫的電子束焊接，焊接完成后的試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 性能測(cè)試

焊接完成后，對(duì)試驗(yàn)件所有焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)，均達(dá)到GJB 1718A—2005 I級(jí)焊縫要求。為保證焊接接頭的完整性，利用激光切割方法切割過渡環(huán)與箱筒段試驗(yàn)件，按照GB 2651—2008加工焊接接頭標(biāo)準(zhǔn)試件80件，同時(shí)為研究錯(cuò)縫量的影響，測(cè)量所有試件焊縫的錯(cuò)縫量。

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭力學(xué)性能

焊接接頭的性能需要與母材的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，在試驗(yàn)件本體取樣測(cè)試，2219 T852過渡環(huán)和2219 T87箱筒段母材室溫和低溫(液氮溫度，-196℃)力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，相對(duì)于常溫，T87母材低溫強(qiáng)度極限提高23.4%，T852母材低溫強(qiáng)度極限提高24.7%，延伸率差異不大；2219 T87母材的力學(xué)性能優(yōu)于2219 T852，特別2219 T87延伸率是2219 T852的2倍。

表1 2219 T852和T87母材性能數(shù)據(jù)

為保證常溫試驗(yàn)和低溫試驗(yàn)的可對(duì)比性，利用相鄰試片分別做常溫(40件)和低溫(40件)拉伸試驗(yàn)(-196℃)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 2219 T852和T87電子束焊接接頭性能

由表2可知，與母材類似，低溫焊接接頭的力學(xué)性能均比室溫有所提高，其中屈服強(qiáng)度提高18.8%，強(qiáng)度極限提高24.7%，延伸率提高12.4%，這與其他焊接方法規(guī)律一致。

焊縫金屬兩端母材金屬性能存在差異時(shí)，焊接接頭強(qiáng)度影響系數(shù)應(yīng)為焊接接頭拉伸強(qiáng)度與性能較低的母材金屬拉伸強(qiáng)度的比值。因此，根據(jù)表1的母材數(shù)據(jù)，2219 T852+2219 T87電子束焊接接頭強(qiáng)度影響系數(shù)應(yīng)為焊接接頭拉伸強(qiáng)度與2219 T852鋁合金母材拉伸強(qiáng)度的比值。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，部段級(jí)常溫和低溫2219 T852+2219 T87電子束接頭的強(qiáng)度影響系數(shù)分別為0.6316和0.6317，兩者基本一致，比平板級(jí)試片得到電子束接頭強(qiáng)度影響系數(shù)(0.7～0.8)[1，4，9-10]低，這個(gè)數(shù)據(jù)更能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)部段的實(shí)際承載能力。

2.2 錯(cuò)縫對(duì)焊接接頭力學(xué)性能影響

貯箱焊接完成后，在環(huán)縫部位極易產(chǎn)生錯(cuò)縫，特別是焊接條件最差的封箱焊縫，這主要由三方面原因造成：(1)零件整體焊接裝配不到位，形成焊接錯(cuò)縫；(2)零件存在局部變形，局部焊接裝配不到位的地方無法通過焊接工裝夾具調(diào)整，形成焊接錯(cuò)縫；(3)焊縫兩端的零件加工尺寸匹配性差，形成焊接錯(cuò)縫[8,11-12]。根據(jù)航天器貯箱焊接的一般要求，箱體的環(huán)向?qū)雍缚p的局部錯(cuò)位高度一般不允許超過材料厚度的30%～35%，以每條焊縫計(jì)，局部錯(cuò)位的總長度不超過焊縫長度的8%～10%。根據(jù)對(duì)焊接試片的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，接頭錯(cuò)縫量平均值約為0.19～0.20 mm，為基體厚度的4.75%～5%，接頭錯(cuò)縫量最大值為0.60 mm，為基體厚度的15%，試驗(yàn)件焊接滿足技術(shù)要求。圖3為錯(cuò)縫對(duì)電子束焊接接頭室溫力學(xué)性能的影響。由圖3可知，由于錯(cuò)縫量小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的離散性，但總體趨勢(shì)上，錯(cuò)縫量與室溫力學(xué)性能成反比，錯(cuò)縫量越大，室溫力學(xué)性能越低，特別是對(duì)延伸率的影響最為顯著。錯(cuò)縫量(0.60 mm)最大的情況下，相較錯(cuò)縫量最小(0.05 mm)的情況，屈服強(qiáng)度下降15.7%，強(qiáng)度極限下降12.8%，延伸率下降44.4%。圖4為錯(cuò)縫對(duì)電子束焊接接頭低溫力學(xué)性能的影響。由圖4可知，低溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)相較室溫?cái)?shù)據(jù)離散性更大，但總體趨勢(shì)上，錯(cuò)縫量與低溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)的關(guān)系和錯(cuò)縫量與常溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)的規(guī)律一致。錯(cuò)縫量(0.50 mm)最大的情況下，相較錯(cuò)縫量最小(0.05 mm)的情況，屈服強(qiáng)度下降5.2%，強(qiáng)度極限下降8.0%，延伸率下降36.4%。在等比例的情況下，相較室溫而言，錯(cuò)縫量對(duì)低溫力學(xué)性能的影響減少。

(a) 屈服強(qiáng)度 (b) 延伸率 (c) 強(qiáng)度極限

圖3 錯(cuò)縫對(duì)電子束焊接接頭的室溫性能的影響

Fig.3 Impact of staggered to normal properties of the electron bean welded joints

綜上所述，電子束焊接接頭錯(cuò)縫將明顯導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能下降，其中對(duì)延伸率影響最為顯著。相對(duì)于室溫，低溫有助于緩解錯(cuò)縫量對(duì)接頭力學(xué)性能的弱化影響。

2.3 焊接接頭斷裂類型

電子束焊接接頭的組成一般如圖5所示，主要由焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)等組成。過渡環(huán)與箱筒段環(huán)縫為不填絲真空電子束焊接，焊縫金屬正面與母材金屬持平或略微下凹，沒有焊縫余高，焊縫金屬背面存在焊漏。焊接接頭的焊縫金屬為鑄態(tài)組織，母材金屬為軋制態(tài)組織，焊接熱影響區(qū)內(nèi)的金屬組織受焊接熱循環(huán)影響發(fā)生長大與再結(jié)晶，組織構(gòu)成比較復(fù)雜，整個(gè)焊接接頭組織構(gòu)成上存在不均勻性，此外焊接接頭正面存在焊縫余高(電子束接頭無焊縫余高或略微下凹)，背面存在焊漏，焊接接頭在截面形貌上也存在不連續(xù)性。根據(jù)焊接接頭的組成，T852過渡環(huán)與T87箱筒段電子束焊接接頭可能存在7種斷裂類型，如圖6所示。由表1可知，T852鋁合金的室溫及低溫力學(xué)性能均低于T87，此外電子束焊接接頭還具有結(jié)構(gòu)形貌不連續(xù)性，焊縫背面焊漏部位與母材之間過渡不平滑，接頭根部在接頭拉伸過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，這表明電子束焊接接頭的斷裂類型理論上應(yīng)集中在A、B、G三種類型。

表3給出了所有2219 T852和T87電子束焊接接頭試片的斷裂類型數(shù)量分布，其中常溫試件40件，低溫試件40件。由表3可知，焊接接頭室溫條件下的斷裂類型主要集中在B和G兩種類型，占室溫試件數(shù)量的82.5%，低溫條件下斷裂類型主要集中在A和B兩種類型，占低溫試件數(shù)量的87.5%。綜合室溫和低溫?cái)嗔杨愋蛿?shù)據(jù)，A、B、G三種斷裂類型占試件總數(shù)的87.5%。為進(jìn)一步分析接頭組織不均勻性對(duì)焊接接頭斷裂類型的影響，對(duì)電子束焊接接頭金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖7。

表3 2219 T852和T87電子束焊接接頭斷裂類型數(shù)量分布

由圖7(a)可知，T852側(cè)焊接熱影響區(qū)組織晶粒明顯大于T87側(cè)焊接熱影響區(qū)組織晶粒，這與宋建嶺等人[13]研究T852鍛件熔焊的結(jié)果一致；由圖7(b)可知，焊縫根部與母材之間過渡不平滑，在接頭受力過程中會(huì)造成應(yīng)力集中；由7(c)可知，受焊接熱循環(huán)影響，T852側(cè)熱影響區(qū)部位的第二相顆粒在晶界處富集析出，顆粒尺寸較大，對(duì)斷裂的小平面進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)其組成為Al2Cu相析出物，為脆性相；由圖7(d)可知，T852側(cè)熱影響區(qū)部位組織存在大量疑似疏松組織的不規(guī)則黑色顯示，亦有可能為T852側(cè)熱影響區(qū)粗大第二相顆粒脫落造成。綜合接頭金相組織觀察表明，T852側(cè)熱影響區(qū)晶粒相對(duì)于T87側(cè)熱影響區(qū)晶粒粗大，存在Al2Cu脆性相析出，且同時(shí)存在較多疑似疏松組織，同時(shí)接頭根部結(jié)構(gòu)形貌及晶粒過渡不均勻、不連續(xù)，故2219 T852和T87電子束焊接接頭的薄弱區(qū)域?yàn)門852側(cè)熱影響區(qū)及接頭根部，這與電子束焊接接頭斷裂類型分布是一致的。

綜上所述，由于電子束焊接接頭的組織不均勻性和結(jié)構(gòu)形貌上的不連續(xù)性，特別是T852側(cè)熱影響區(qū)晶粒粗大，導(dǎo)致T852側(cè)熱影響區(qū)和接頭根部為電子束焊縫的薄弱區(qū)域，接頭易在該區(qū)域發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論

(1)部段級(jí)常、低溫2219 T852和2219-T87電子束焊接接頭的影響系數(shù)為0.63，比平板級(jí)試片得到電子束接頭影響系數(shù)低，低溫狀態(tài)下焊接接頭的力學(xué)性能比室溫狀態(tài)下有所提高。

(2)錯(cuò)縫將導(dǎo)致電子束焊接接頭力學(xué)性能下降，其中對(duì)延伸率影響最為顯著，低溫有助于緩解錯(cuò)縫對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的弱化影響。

(3)電子束焊接接頭組織不均勻性和結(jié)構(gòu)形貌上的不連續(xù)性，特別是T852側(cè)熱影響區(qū)晶粒粗大，導(dǎo)致T852側(cè)熱影響區(qū)和接頭根部為電子束焊縫的薄弱區(qū)域，焊接接頭極易在該區(qū)域發(fā)生斷裂。

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Mechanical Properties of Electron Bean Welded Joints on 2219 T852 Transition Ring and T87 Shell Section

HU Zhenggen1HUANG Cheng1CHANG Zhilong1LIU Debo1WANG Mingzheng2

(1 Beijing Institute of Astronautic Systems Engineering, Beijing 100076) (2 Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology,Beijing 100076)

Based on the electron bean circular weld on 2219 T852 transition ring and T87 shell section used for tank, the normal and low mechanical properties of the electron beam welded joints in the segment level were tested, and the staggered amount，fracture types and microstructure of the welded joints were analyzed. The following conclusions can be drawn.The normal and low strength effect coefficient of the segment level electron beam welded joints on 2219 T852 transition ring and T87 shell section are 0.63, and relative to the normal temperature, the low temperature mechanical properties of welded joints have been improved. The staggered amount is inversely proportional to the mechanical properties of welded joints，and it has the most significant effect to elongation, and low temperature should help to ease the weakening effect of staggered to the mechanical properties of welded joints. Because of the uneven tissue and the discontinuous structure of the electron beam welded joints，especially T852 side heat affected zone with coarse grains,the T852 side heat affected zone and the roots of welded joints are the weak area of the electron beam weld, and welded joint is easy to fracture in the area.

2219,T852 transition ring,T87 shell section,Electron bean weld,Staggered,Mechanical property

2016-11-30

胡正根，1988年出生，碩士，工程師，主要從事箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：firezhenggen@163.com

TG14,TG4

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.015