中国有色金属学报

中国有色金属学报 2004,(06),956-960 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.06.014

2519铝合金焊接接头的组织与性能

李慧中 张新明 陈明安 龚敏如 周卓平

中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院 长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083

摘 要：

采用进口4047焊丝对2519铝合金进行熔化极惰性气体保护焊(MIG),对焊接接头的力学性能和显微组织进行了研究。结果表明,2519铝合金焊接性能较好,由于热循环的作用,焊接接头的力学性能相对于基材发生了较大变化。2519铝合金焊接接头的力学性能低于基材的性能,焊缝处是合金接头的最薄弱环节,其次是焊接热影响区内的软化区,强化相粒子发生过时效而粗化是形成软化区的主要原因。

关键词：

2519铝合金;焊接接头;显微组织;

中图分类号： TG407

作者简介：李慧中(1968),男,讲师,博士研究生.;

收稿日期：2003-10-17

基金：国家重点基础研究发展规划资助项目(G1999064908);

Microstructures and properties ofwelded joint of 2519 aluminum alloy

Abstract：

2519 aluminum alloy was welded by using imported 4047 welding wire with method of MIG. The mechanical properties and microstructures of welded joint were studied. The results show that the weldability of 2519 aluminum alloy is fairly good, but due to the weld thermal cycle, the mechanical properties of the welded joint have changed greatly to the base metal relatively. The mechanical properties of 2519 aluminum alloy welded joint are worse than those of the base metal. The weld zone is the weakest point in welded joint, and the soften zone in heat-affected zone(HAZ) is the second weakest point in welded joint, which is formed due to the overageing of the main strengthening phase particles leading to coarsening.

Keyword：

2519 aluminum alloy; welded joint; microstructure;

Received： 2003-10-17

2519铝合金是Al-Cu系热处理可强化合金, 是继5083(Al-Mg合金)、 7039(Al-Zn-Mg合金)铝合金后于20世纪80年代开发的一种新型装甲铝合金, 其目的是在防护效能不低于7039合金的前提下提高装甲铝合金海水及盐雾环境下的抗应力腐蚀性能, 并有良好的焊接工艺性 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8]} 。 有关铝合金的焊接性能方面的研究已有较多的报道 ^{[9,10,11,12,13]} , 但对2519铝合金焊接性能的研究报道甚少。 虽然2519铝合金有着良好的综合性能, 但在焊接过程中受焊接热输入的影响, 组织结构发生了变化, 焊缝及焊

接热影响区内合金性能发生了变化, 严重影响装甲车体焊接构件的总体强度和使用寿命 ^[14] 。 因此, 研究2519铝合金焊接接头组织和性能及其影响机制很有必要。

1 实验

1.1 材料

2519铝合金的成分见表1。 其制备工艺流程为: 采用Al-Cu, Al-Mn, Al-Ti和Al-Zr等中间合金及纯Mg、 工业纯Al配制合金; 用石墨坩埚在井式电炉中进行熔炼, 熔炼温度为780 ℃; 用KCl+NaCl精炼, 精炼后于740 ℃将合金液浇入预热至250 ℃的铁模中, 浇铸尺寸为100 mm×100 mm×25 mm的合金铸锭。 铸锭经505 ℃, 18 h均匀化处理, 铣面后将20 mm厚的铸锭在电炉中加热至460 ℃, 保温2 h后热轧至7 mm; 热轧后样品再经430 ℃, 2 h的中间退火; 最后冷轧至2.4 mm。 合金的形变热处理工艺为: 530 ℃, 2 h固溶, 水淬(水温15 ℃), 冷变形8%, 于175 ℃时效20 h(T87态)。 采用直径为1.6 mm的进口4047焊丝进行焊接, 焊丝的主要化学成分见表1。

表1 2519铝合金焊接基材及4047焊丝的化学成分 Table 1 Chemical compositions of2519 aluminum alloy and4047 welding wire(mass fraction, %)

Alloy	Cu		Mg		Mn		Zr		Ti
2519	5.80		0.22		0.28		0.21		0.06
4047	0.30		0.10		0.15
Alloy		Fe		Si		Zn		Al
2519		0.15		0.06		0.20		Bal.
4047		0.80		12.3		0.20		Bal.

1.2 实验方法

采用半自动MIG焊接法对2519 T87态铝合金试样进行对接, 采用单面焊, 焊接工艺参数见表2。 在试板上沿焊缝横向取试样, 加工成拉伸试样(轧向), 在CSS-44100电子拉伸机上进行拉伸; 在HVA-10A维氏硬度计上测量其维氏硬度, 从焊缝中心开始向基材逐点测量; 在JSM-5600LV扫描电镜上观察焊接接头断口; 焊后各区显微组织的观察在POLYVAR-MET光学金相显微镜上进行。 在基材和离焊缝中心8 mm的热影响区取样并制成透射电镜样, 在H-800透射电镜上观察基材和热影响区析出相大小。

2 实验结果

2.1 2519铝合金焊接接头抗拉强度

焊接接头的平均抗拉强度见表3。 可见, 焊接接头的强度均比基材的强度低, 焊接系数为0.6左右。

2.2 2519铝合金焊接接头的显微组织

表2 焊接参数 Table 2 Parameters of welding

Current/A	Voltage/V	Welding speed/ (m·min-1)
120	24	0.6
Feed wire rate/ (m·min-1)	Argon flow rate/ (L·min-1)	Head of welding torch/mm
4.0	12	15

表3 2519铝合金基材和焊接接头拉伸性能(轧向) Table 3 Tensile strength of welding jointand base alloy of 2519 aluminum alloy

Alloy	σb/MPa	σ0.2/MPa	δ/%
Base alloy	465	398	12.0
Welding joint	281	210	5.5

2519铝合金焊接接头不同区域金相显微组织如图1所示。 由图可见, 2519合金焊接接头由以下几个区域组成, 即焊缝区WZ(Weld zone)、 熔合区FZ(Fusion zone)、 热影响区HAZ(Heat affected zone)和基材区BM(Base metal)。 2519铝合金焊接接头的焊缝区为树枝状晶铸态组织(图1(a)); 熔合区靠焊缝一侧晶粒大多为等轴晶晶粒, 但大小不均匀、 并有少量沿散热方向生长的柱状晶(图1(b)); 靠基材一侧组织为细小的等轴晶组织, 晶粒大小较为均匀(图1(c)); 热影响区内晶粒明显粗化, 但晶粒粗化的程度不一致, 靠熔合区粗化的程度较大(图1(c))。 2519铝基材组织为完全再结晶组织(图1(d))。

2.32519铝合金焊接接头的硬度分布

2519铝合金板材焊接接头沿垂直焊缝方向的硬度分布如图2所示。 可以看出, 焊缝区的宽度约5 mm, 焊缝中心部位硬度最低(HV81), 远离焊缝中心, 硬度逐渐增加。 但在热影响区中距焊缝中心6 mm左右处, 硬度再次降低, 进入软化区。 软化区的最低硬度为HV98。 此后, 硬度逐渐增加, 在距焊缝中心约15 mm处, 硬度达到原始基材的硬度。

2.42519铝合金焊接接头透射电镜显微组织

2519合金焊接接头基材区和热影响区透射电镜显微组织如图3所示。 可以看出, 2519铝合金焊接热影响区强化相粒子与基体相比明显粗化。

2.52519铝合金焊接接头断口扫描电镜分析

图1 2519铝合金焊接接头不同区域的显微组织 Fig.1 Microstructures of welded joint of 2519 aluminum alloy at different area (a)—WZ; (b)—WZ+FZ; (c)—HAZ+FZ; (d)—BM

图2 合金焊接接头硬度分布 Fig.2 Distribution of hardness of welded joint

图4所示为2519铝合金母材和焊接接头拉伸断口的形貌。 由图4(a)可以看出, 合金基材的拉伸断口断面上分布着许多大小不同的韧窝, 且韧窝较深, 材料发生了剧烈的塑性流动。 由图4(b)可见, 焊接接头的拉伸断口断面上分布的韧窝尺寸较小, 且韧窝的大小接近, 未发生明显的塑性流动, 呈现出铸态断口特征。

图3 2519铝合金焊接接头透射电镜组织 Fig.3 TEM images of welded joint of 2519 aluminum alloy (a)—BM; (b)—HAZ

图4 焊接接头断口的扫描电镜形貌 Fig.4 SEM morphologies of tensile fracture of welded joint and base metal of 2519 aluminum alloy (a)—Base metal; (b)—Welded joint

3 分析与讨论

以上实验结果表明, 在焊接过程中, 由于焊接热循环的作用, 导致接头不同区域具有不同的硬度值, 显微组织也有很大区别。 2519铝合金焊接接头沿温度降低的方向依次为焊缝区、 熔合区、 热影响区和基材区。 焊缝是焊丝熔化后急冷的结晶组织, 其性能取决于焊丝合金的化学成分和结晶过程。 2519合金焊缝为树枝晶铸态组织(图1(a)), 这种铸态组织结构疏松, 强度、 硬度低, 塑性差。 图2表明, 焊缝处的硬度最低, 说明该处为焊接接头的最薄弱处。 熔合区是焊丝与基体金属形成的一种交混合金。 从图1(b), 1(c)可以看出, 2519铝合金熔化区是一些细小的等轴晶粒, 这些沿熔化边界等轴晶区的形成是非均匀形核的结果。 由于2519铝合金成分中含有0.21%Zr(质量分数), 在母材淬火-形变-时效的过程中弥散析出了Al₃Zr沉淀, 在合金焊接时, 由于固液两相界面处静止边界的存在, 这些Al₃Zr沉淀粒子不能因熔池中液态金属的搅拌和对流作用而进入温度更高的熔池中心。 因此, 这些存在于静止边界弥散分布的Al₃Zr沉淀粒子成为了液态金属非金属形核的核心, 从而提高了形核率, 使晶粒细化 ^[15] 。 由Hall-Petch方程σ_y=σ₀+Kd^-1/2可得, 晶粒尺寸愈小, 屈服强度越高。 因此, 该处的硬度较焊缝区有所提高。 从合金焊接热影响区可以看出, 由于焊接热影响区的温度不同, 距焊缝边界各点焊接热循环不同, 各不同点晶粒尺寸便有不同的变化, 距焊缝边界越近, 晶粒粗化越明显(图1(c))。 焊接使用的2519铝合金是经淬火、 时效后的合金, 其主要强化相为时效析出θ相的过渡相。 在焊接热循环的影响下, 基材中的这些沉淀相粒子将发生再次固溶、 析出、 长大过程, 对焊接前的基材产生或多或少的破坏。 在焊接热的作用下, 焊缝区的温度最高, 热影响区靠近焊缝区域的强化元素Cu具有较大的活性而固溶到基体中; 冷却时, 由于冷速较快, 获得Cu的过饱和固溶体在一定的结晶面上偏聚形成和基体完全共格或部分共格的GP区, 使合金强化, 形成了热影响区内的淬火区, 合金硬度提高(图2); 热影响区内离焊缝较远的区域随电弧热作用的减弱, Cu原子的活性减弱, 只有少量固溶在基体中, 大部分受热影响发生过时效而长大(图3(b)), 形成热影响区内的软化区, 使合金的硬度降低。

4 结论

1) 2519铝合金焊接接头的力学性能低于2519铝合金基材的力学性能, 焊接系数为0.6左右。

2) 焊接接头的拉伸断裂在焊缝处, 焊缝是焊接接头最薄弱点。

3) 受焊接的热影响, 强化相粒子发生过时效而粗化是形成软化区的主要原因。

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