（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

0 前言

鋁合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在貯運(yùn)發(fā)射箱中得到廣泛應(yīng)用。在眾多鋁合金材料中，應(yīng)用最廣泛的是防銹鋁合金以及用作承力構(gòu)件的鍛造鋁合金，一般防銹鋁作為連接材料，鍛造鋁合金則作為承載材料。這兩類鋁合金在構(gòu)件中的連接往往通過焊接來實(shí)現(xiàn)。防銹鋁合金焊接性能優(yōu)異；鍛造鋁合金尤其是Al-Cu系鋁合金，在熔焊時(shí)其強(qiáng)化相在高溫條件下易分解，存在熱裂傾向高、氣孔敏感性高和接頭嚴(yán)重軟化等問題。目前，鍛造鋁合金2A14由于其較高的鍛造性能和加工性，是良好的受高載荷結(jié)構(gòu)材料，得到了應(yīng)用和設(shè)計(jì)的關(guān)注。因此，研究鍛造鋁合金/防銹鋁合金焊接接頭的性能對于提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載都是十分有利的。

對于鍛造鋁合金2A14的焊接，國內(nèi)已有廣泛的研究，攻關(guān)出兩面三層焊接的獨(dú)特工藝，在運(yùn)載火箭貯箱、艙段殼體等已成功運(yùn)用；而對于鍛造鋁合金2A14/防銹鋁合金5A06的熔化焊接試驗(yàn)研究，國內(nèi)鮮見公開報(bào)道。本試驗(yàn)針對鍛造鋁合金2A14/防銹鋁合金5A06鎢極氬弧焊接頭性能展開研究，研究BJ380A、5A06和2325焊絲對焊接接頭力學(xué)性能的影響以及接頭顯微組織和斷口形貌。

1 試驗(yàn)方法和設(shè)備

選用3 mm厚度5A06鋁合金和2A14鋁合金。5A06母材焊前狀態(tài)為退火態(tài)，實(shí)際測量抗拉強(qiáng)度為353 MPa，2A14母材焊前狀態(tài)為經(jīng)過固溶處理+人工時(shí)效的穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)際測量抗拉強(qiáng)度為434MPa，填充焊絲規(guī)格φ1.6 mm，母材尺寸分別為200 mm×100 mm×3 mm。母材和焊絲主要化學(xué)成分分別如表1和表2所示。

焊前使用刮刀去除焊縫周邊20～30 mm范圍的氧化膜，再用丙酮擦拭表面。試驗(yàn)采用自動鎢極氬弧焊，設(shè)備為Motoman hp5機(jī)器人及OTC 500P焊接電源，焊接參數(shù)如表3所示，單面焊接雙面成形。試板采用壓板工裝進(jìn)行裝配，裝配不留間隙。

表1 母材化學(xué)成分 %

表2 焊絲化學(xué)成分 %

表3 焊接參數(shù)

焊后采用ZEISS蔡司光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭的金相組織；按GB2975-82標(biāo)準(zhǔn)將焊接接頭、兩種母材分別制成拉伸試樣，采用CSS-88500萬能拉伸機(jī)常溫測量焊接接頭的力學(xué)性能，并通過QUANTA 400掃描電鏡觀察焊接接頭的斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊縫宏觀形貌和接頭質(zhì)量

采用三種焊絲都能獲得滿意的焊縫成形，正面焊縫表面非常光亮，背后焊漏均勻一致，氧化膜清理寬度超過正面焊趾1～2 mm。采用三種焊絲獲得的焊縫的正、反面成形外觀如圖1所示。

焊縫接頭截面形貌如圖2所示。三種接頭焊縫與兩種母材交接處皆未出現(xiàn)咬邊等缺陷，三種焊絲都實(shí)現(xiàn)了與兩種母材的冶金結(jié)合。

2.2 焊縫顯微組織

5A06鋁合金金相顯微組織如圖3a所示，主要為原始軋制態(tài)纖維狀，組織為α（Al）和少量析出強(qiáng)化相。2A14鋁合金金相顯微組織如圖3b所示，母材中第二相（CuAl2或CuMgAl2）作為二次強(qiáng)化相彌散均勻地分布在 α（Al）基體中[1]。

三種焊絲接頭焊縫中心區(qū)域的顯微組織如圖4所示，所用焊絲從左至右依次為BJ380A/5A06/2325。由圖對比可知，焊縫中心的組織為均勻分布的等軸晶組織，等軸晶廣泛分布，基體上分布著強(qiáng)化相。

BJ380A焊縫晶粒尺寸較大，5A06焊縫組織結(jié)構(gòu)較細(xì)，2325焊縫中存在局部晶粒尺寸小的區(qū)域。這與2325 焊絲中存在 Ti、Cr、Ga 等元素有關(guān)，Ti與Al形成TiAl2相[2]，成為結(jié)晶時(shí)的非自發(fā)核心，起細(xì)化鑄造組織和焊縫組織的作用，Cr在鋁中可形成（CrMn）Al12等金屬間化合物，阻礙再結(jié)晶的形核和長大過程，Ga可以在鋁中形成GaAl3化合物，也有類似作用。

5A06側(cè)的熔合線區(qū)域微觀組織如圖5所示，從左至右依次為BJ380A、5A06、2325焊絲。由圖5a可知，靠近5A06母材一側(cè)的熱影響區(qū)晶粒無明顯長大，且熱影響區(qū)的平均寬度約為70～80 μm，在熔合區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的焊縫邊緣柱狀晶組織。由圖5b可知，采用5A06焊絲的5A06母材側(cè)熱影響區(qū)與熔池界限不明顯，鋁合金的熔合線輪廓模糊，這是因?yàn)楹附z型號為5A06，其成分與5A06鋁合金一致，焊縫與母材容易發(fā)生互溶[3]；熱影響區(qū)晶粒有長大趨勢，焊縫邊緣無明顯柱狀晶組織。由圖5c可知，2325焊絲在5A06母材側(cè)形成較為致密的樹枝晶區(qū)域，基體上彌散分布著大量的強(qiáng)化相。在5A06側(cè)，混合區(qū)域和等軸晶組織存在明顯的分界層。

圖1 焊接接頭外觀形貌

圖2 焊接接頭宏觀形貌

圖4 焊縫中心組織

圖5 5A06側(cè)的熔合區(qū)域微觀組織

2A14側(cè)熔合線區(qū)域微觀組織如圖6所示，從左至右依次為BJ380A、5A06、2325焊絲。由圖6可知，在母材2A14側(cè)熱影響區(qū)晶粒粗化明顯，接頭熱影響區(qū)寬度相差不大，但都大于5A06側(cè)，約為220μm。這是因?yàn)?A06鋁合金為非熱處理強(qiáng)化鋁合金，一般通過加工硬化的方式進(jìn)行強(qiáng)化，所以對焊接熱過程的敏感性低。而2A14為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，對熱過程較為敏感，熱影響區(qū)在溫度循環(huán)作用下發(fā)生固溶強(qiáng)化或者第二相聚集反應(yīng)，造成了較廣的區(qū)域范圍?；旌蠀^(qū)域存在較窄的柱狀晶組織層，沿母材方向生長。分析原因：一方面受焊接熱循環(huán)作用，熱影響區(qū)晶粒將長大；另一方面，垂直于母材方向的晶粒在長大過程中會相互擠壓，抑制晶粒垂直于母材方向長大。圖6a和6b中熱影響區(qū)和焊縫都有較為明顯的分界，圖6c中熔合區(qū)存在柱狀支晶，原因是焊絲中含有Ti、V等元素，進(jìn)一步降低了焊縫的過冷度[4]。

圖6 2A14側(cè)的熔合區(qū)域微觀組織

2.3 接頭拉伸試驗(yàn)及斷口分析

以焊縫為中心，垂直于焊縫方向切割制取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，每種焊絲所得接頭各制取3個(gè)試件，接頭抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率如圖7及表4所示。由圖7可知，焊接接頭抗拉強(qiáng)度最小為297 MPa，約為5A06鋁合金母材的91%，最大為350MPa，接近5A06鋁合金母材的100%，2325焊絲接頭抗拉強(qiáng)度的平均值最大，為349 MPa?？估瓘?qiáng)度以使用2325焊絲的接頭為最優(yōu)。

由表4可知，BJ380A焊絲焊接接頭延伸率為4.5%～6.5%，5A06焊絲焊接接頭延伸率為5.5%～15.5%，2325焊絲焊接接頭的延伸率為10%～17%。延伸率以使用2325焊絲的接頭最優(yōu)，其次為5A06，最后為BJ380A。

表4 不同焊絲力學(xué)性能對比

圖7 接頭抗拉強(qiáng)度及延伸率對比

進(jìn)一步對斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖8所示。圖8a斷口面由較淺的韌窩和解離面組成，底部較平，拉伸斷裂主要為脆韌混合型斷裂。主要與焊縫金屬中大量的初生Si和共晶Si有關(guān)，Al-Mg-Si合金中，初生Si和共晶Si均為脆佳相[5]，在拉應(yīng)為作用下極易沿解理面和相界面斷開，貫穿整個(gè)晶粒甚至晶界，最終發(fā)生斷裂，延伸率很低。這與接頭的拉伸結(jié)果相吻合。圖8b、8c為5A06和2325焊絲焊接接頭的拉伸斷口SEM照片，與圖8a不同，其斷口主要由韌窩構(gòu)成，在圖b韌窩中部含有第二相質(zhì)點(diǎn)，第二相質(zhì)點(diǎn)在斷裂過程中起焊縫裂紋核心的作用，該斷口為韌性斷口。圖8c為典型的韌性斷口形貌，斷口有大量細(xì)小的韌窩構(gòu)成。

圖8 接頭斷口

3 結(jié)論

（1）對厚度3 mm的5A06/2A14異種鋁合金采用BJ380A、5A06、2325焊絲TIG對接焊，均可以獲得外觀質(zhì)量良好的焊接接頭。

（2）分析焊接接頭顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，3種焊絲焊縫均為等軸晶組織，焊縫組織細(xì)小均勻。2325焊絲的Ti、Cr、Ga等元素有利于減小晶粒尺寸。5A06母材一側(cè)熱影響區(qū)的平均寬度約為70～80 μm，晶粒長大現(xiàn)象并不明顯。而2A14母材一側(cè)熱影響區(qū)的平均寬度約為220 μm，熱影響區(qū)晶粒粗化明顯。

（3）拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，BJ380A焊絲所獲焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為315 MPa，延伸率平均值為5.5%；5A06焊絲焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為333 MPa，延伸率平均值為10.3%；2325焊絲焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為349MPa，延伸率平均值為14.2%。力學(xué)性能的優(yōu)異性為：焊絲2325最優(yōu)，焊絲5A06次之，最后是BJ380A。BJ380A焊絲的接頭斷裂類型為拉伸斷裂，主要為脆韌混合型斷裂，5A06和2325焊絲的接頭斷口形貌為韌性斷裂。