2219鋁合金屬于Al-Cu-Mn系可變形強化、熱處理強化的高強度硬質(zhì)鋁合金[1],該鋁合金具有熱裂紋傾向低、斷裂韌度高、質(zhì)量小、低溫性能好等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[2]。 

在對某型號箱底壁板2219鋁合金法蘭進(jìn)行焊接后的射線檢測時,發(fā)現(xiàn)其焊縫區(qū)域位于疑似裂紋的條狀缺陷,條狀缺陷位于焊縫的熱影響區(qū),與焊縫夾角約為90°。該法蘭為鋁鍛件,熱處理狀態(tài)為淬火+人工時效,最大外徑為170 mm,最大高度為40 mm,與法蘭連接的壁板材料為2219鋁合金,連接方式為兩面三層焊,手工焊接。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法對裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,并提出改進(jìn)措施,以防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

2219鋁合金法蘭的宏觀形貌如圖1所示,其中白亮色區(qū)域為人工打磨區(qū)域。2219鋁合金法蘭焊縫條狀缺陷的宏觀形貌如圖2所示,圓框中為條狀缺陷。由圖2可知：疑似裂紋的條狀缺陷位于焊縫熱影響區(qū),呈彎曲的線條狀,條狀缺陷與焊縫垂直,未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷。 

圖  1  2219鋁合金法蘭宏觀形貌

圖  2  2219鋁合金法蘭焊縫條狀缺陷宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在法蘭鍛件的條狀缺陷附近取樣,并對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：法蘭鍛件的化學(xué)成分滿足GB/T 3190—2020 《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》對2219鋁合金的要求。 

1.3   力學(xué)性能測試

在法蘭鍛件條狀缺陷附近截取試樣,并對試樣進(jìn)行布氏硬度測試。試樣的布式硬度測試結(jié)果為121 HBW10/1 000,測試結(jié)果滿足GJB 2057—1994 《航天用LY19鋁合金鍛件規(guī)范》對2219鋁合金的要求（標(biāo)準(zhǔn)布式硬度不小于100 HBW10/1 000）。 

1.4   金相檢驗

在條狀缺陷處截取試樣,將試樣鑲嵌、磨拋、腐蝕后,再將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：法蘭焊縫熱影響區(qū)的顯微組織為不同晶粒取向的α(Al)基體和彌散分布于α基體中的θ相,部分α相晶粒存在晶界加粗的現(xiàn)象[見圖3a）],條狀缺陷沿著加粗的晶界萌生并擴(kuò)展；遠(yuǎn)離條狀缺陷部位的顯微組織無晶界加粗現(xiàn)象[見圖3b)]。 

圖  3  條狀缺陷試樣的顯微組織形貌

1.5   掃描電鏡和能譜分析

采用掃描電鏡及其配備的能譜儀對晶界加粗和條狀缺陷部位進(jìn)行能譜分析,能譜分析位置如圖4所示,能譜分析結(jié)果如表2所示。由表2可知：晶界加粗部位的主要成分為Al、Cu元素,條狀缺陷部位的主要成分為Al、Cu元素和少量Fe元素,說明晶界加粗部位含有Al2Cu相（θ相）,條狀缺陷部位含有Al2Cu相和少量Al7Cu2Fe相,同時條狀缺陷部位存在氧化痕跡。α(Al)相中Cu元素的極限固溶度為5.65%,但2219鋁合金中Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.11%,可知其顯微組織中存在一定量的Al2Cu相（θ相）。2219鋁合金法蘭焊接過程中的持續(xù)高溫使分布于晶界的低熔點Al2Cu相（θ相）和Al7Cu2Fe相熔化,造成晶界局部復(fù)熔,從而引起晶界加粗,局部晶界復(fù)熔會使材料的強度、韌性與疲勞性能急劇降低,在外加載荷的作用下,晶界復(fù)熔處首先形成裂紋（即顯微組織中的條狀缺陷）,使得該法蘭承受載荷的能力大大降低[3-5]。 

圖  4  晶界加粗和條狀缺陷部位能譜分析位置

使用外力將試樣沿條狀缺陷掰開,斷口由暗灰色區(qū)域和光亮區(qū)域組成,斷口表面未見明顯的夾雜物等冶金缺陷。 

將斷口置于SEM下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：暗灰色區(qū)域為粗糙的韌窩,光亮區(qū)域為平滑的表面；粗糙的韌窩區(qū)是在外力作用下新生成的,且在外力作用下,新生的斷口無疏松、夾雜等冶金缺陷,韌窩尺寸較為均勻；平滑表面區(qū)發(fā)生晶間液化,這是因為2219鋁合金法蘭焊接過程中的持續(xù)高溫使分布于晶界的Al2Cu相（θ相）和Al7Cu2Fe相熔化。晶界液化使材料的承載能力降低,在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用下,液化晶界出現(xiàn)分離,即斷口宏觀形貌中的光亮區(qū)域?qū)?yīng)顯微組織中的條狀缺陷處。 

圖  5  裂紋斷口SEM形貌

2.   綜合分析

該箱底壁板-法蘭焊接接頭主要包括焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)等部分,裂紋發(fā)生在靠法蘭一側(cè)熔合區(qū)附近,焊接接頭結(jié)構(gòu)如圖6所示。 

圖  6  焊接接頭結(jié)構(gòu)示意

焊縫金屬在凝固時以母材晶粒為表面向焊縫中心生長,因此熔合線是熔化區(qū)和非熔化區(qū)的邊界,焊縫邊緣晶粒粗大,是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。該法蘭焊接工藝為兩面三層焊（見圖7）。由圖7可知：封底焊縫與打底焊縫存在偏移,法蘭側(cè)打底焊與封底焊的熔合線重合,并多次受熱,形成較深的熔池,加大了焊縫邊緣附近的熱量輸入,使近焊縫區(qū)域分布于晶界的Al2Cu相（θ相）和Al7Cu2Fe相形成局部區(qū)域內(nèi)低熔點共晶相熔化,產(chǎn)生晶間液化,在顯微組織中表現(xiàn)為晶界加粗。 

圖  7  法蘭兩面三層焊焊縫截面微觀形貌

晶間液化會使材料的強度、韌性與疲勞性能急劇降低,在外加載荷的作用下,晶界復(fù)熔處出現(xiàn)分離,形成液化裂紋[6],即射線檢測結(jié)果顯示的條狀缺陷。文獻(xiàn)[7-10]表明：2219鋁銅合金在焊接過程中存在一定的熱裂傾向,主要原因就是焊縫母材近焊縫區(qū)易出現(xiàn)晶間液化。 

3.   結(jié)論與建議

該2219鋁合金箱底法蘭焊接工藝為兩面三層焊,封底焊縫與打底焊縫存在偏移,法蘭側(cè)打底焊與封底焊熔合線重合,并多次受熱,封底局部區(qū)域形成較深的熔池,加大了焊縫邊緣附近的熱量輸入,造成局部晶間液化,在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用下,液化晶界出現(xiàn)分離,形成液化裂紋,射線檢測時可見條狀缺陷。 

針對上述現(xiàn)象,建議焊接前對材料進(jìn)行預(yù)熱,適當(dāng)降低焊接電壓與電流,增大焊接速率,從而提高焊縫線能量的均勻度,避免局部線能量過大,縮短高溫停留的時間和低熔點共晶相熱應(yīng)力作用時間,避免在焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)