国旭明 杨成刚 钱百年 张洪延
（中国科学院金属研究所，焊接室，沈阳110015）
摘 要： 研究了单丝单脉冲、单丝复合脉冲和双丝Tandem MIG焊对高强Al-Cu合金焊缝组织及性能的影响。实验结果表明：单丝复合脉冲焊接时，峰值电流周期性变化引起的熔池液体强烈的搅拌作用，使熔池的温度梯度降低，固液界面前沿成分过冷区中的形核核心增加，促进了焊缝组织的细化，提高了焊缝的强度和塑性。双丝MIG焊高的热输入和快的焊接速度，使焊缝产生了粗大的等轴枝晶组织，并增加了晶界和枝晶间共晶相的数量，使焊缝的强度、硬度和塑性降低。
关键词： 高强Al-Cu合金; 复合脉冲; 双丝MIG; 焊缝组织
0 序 言
高强铝铜合金也称硬铝合金，可热处理强化，具有很高的室温强度及良好的高温和超低温性能[1]，广泛应用于航空、航天及其它运载工具的结构材料，如：运载火箭的液体燃料箱[2]、超音速飞机和汽车的结构件[3]以及轻型战车的装甲[4]等。目前常用于铝合金连接的主要焊接方法有：交流钨极氩弧焊（TIG）和直流反极性熔化极气体保护焊（MIG）。TIG焊由于采用交流电，钨极烧损严重，限制了所使用的焊接电流，而且此法熔深能力弱，因此只适用于薄件铝合金的焊接。MIG焊包括连续电流焊接和脉冲电流焊接。MIG焊时，焊丝做为阳极，可采用比TIG焊更大的焊接电流，电弧功率大，焊接效率高，故特别适合于中厚板铝合金的焊接。实验研究发现，在铝合金MIG焊时，脉冲电流焊接优于连续电流焊接，它提高了铝合金焊缝金属的强度、塑性和疲劳寿命[5]。为进一步提高电弧的稳定性、改善焊缝成形和增加熔深以及厚板铝合金的高效焊接，近几年国外发展了单丝复合脉冲MIG焊和双丝Tandem MIG焊方法，但这两种MIG焊方法对高强铝合金焊缝组织和性能的影响如何，特别是对高强铝铜合金而言，至今未见报导。本文针对20mm厚的2219中厚板高强铝铜合金，进行了单丝单脉冲、复合脉冲和双丝Tandem MIG焊工艺的研究，以探讨上述MIG焊方法对高强铝铜合金焊缝组织和性能的影响。
1 Tandem双丝焊和单丝复合脉冲MIG焊原理
Tandem双丝焊是将两根焊丝按一定角度放在一个特别设计的焊枪里，两根焊丝分别由各自独立的电源供电。除送丝速度可以不同外，其它参数，如：焊丝的材质、直径、是否加脉冲等都可彼此独立设定，从而保证了电弧工作在****状态。与其它双丝焊技术相比，由于两根焊丝的电弧是在同一熔池中燃烧，提高了总的焊接电流，因此提高了熔敷效率和焊接速度。同时由于两根焊丝交替送进同一熔池，对熔池具有搅拌作用，而降低了气孔敏感性，改善了焊缝质量[6]。图1是Tandem双丝焊的原理图。
图1 Tandem双丝焊原理图
单丝复合脉冲焊接工艺是采用一个低频的协调脉冲对另一个高频单位脉冲的峰值和时间进行调制，使单位脉冲的强度在强、弱之间低频周期性切换，得到周期性变化的强弱脉冲群，其电压波形如图2所示。调制后的焊接电流使作用于熔池中的电弧压力发生变化，不仅可以提高焊缝的熔深，获得均匀美观的鱼鳞纹焊缝，而且还可以增强对熔池的冲击振动，减少和消除焊缝气孔[7]。
图2 复合脉冲焊接的电压波形
2 实验材料及实验方法
实验采用的母材为2219-T87高强铝铜合金，试板尺寸为300×150×20mm，平板对接，坡口形式为X形，角度为80°。焊接设备采用
德国CLOOS公司生产的Qunito 503单丝和双丝MIG焊机，焊丝为ER2319，直径φ=1.6mm，保护气体为纯度99.99%的氩气。母材和焊丝的化学成分如表1所示。焊接前先用丙酮去除坡口两侧的油污，后用不锈钢钢丝刷清刷坡口。首先采用单丝焊机进行单脉冲和复合脉冲两种工艺的焊接实验，然后采用双丝焊机进行双丝焊的工艺实验，焊接工艺参数如表2所示。单丝焊时正、反面各焊3道，双丝焊时正、反面各焊1道，层间温度≤100℃。焊接后试板两端用机械切割法各去除30mm，然后从试板上截取焊接接头的两个拉伸试样和一个金相试样。拉伸试样加工成光滑的圆棒拉伸试件，拉伸试件的直径10mm，标距长度50mm。拉伸实验在AG-250KNE电子拉伸实验机上进行，拉伸速率1.2mm/min。用MICROMET显微硬度仪测量焊接接头横截面的硬度变化，压头载荷为200g。用 MeF-3型光学显微镜和PHILIPS-XL30扫描电镜观察最后一道焊缝中心的显微组织。
实验材料 | Cu | Mn | Ti | Zr | V | Fe | Si | 2219 母材 | 6.28 | 0.30 | 0.048 | 0.12 | 0.07 | 0.22 | 0.08 | 2319 焊丝 | 5.96 | 0.30 | 0.17 | 0.12 | 0.06 | 0.14 | 0.04 |
表1 母材和焊丝的化学成分（质量分数，%）
焊接参数 | 单丝焊 | 双丝焊 | 单脉冲 | 复合脉冲 | 主电源 | 从电源 | 送丝速度 v/ (m·min-1) | 6.0 | 6.0 | 8.8 | 6.0 | 频率 f/Hz | 210 | 210 | 230 | 200 | 峰值电压 U/V | 31 | 31 | 27 | 25.8 | 脉冲时间 t/ms | 2 | 2 | 1.9 | 1.9 | 基值电流 I/A | 85 | 85 | 95 | 95 | 脉冲波形 | 3 | 3 | 3 | 3 | 焊接速度 v/ (cm·min-1) | 45 | 45 | 56 | 平均电流 I/A | 258 | 260 | 268 | 194 | 平均电压 U/V | 23.7 | 23.9 | 22.7 | 24.5 | 第二脉冲频率 f/Hz | — | 8.0 | — | — | 第二脉冲电压 U/V | — | 26 | — | — | 第二脉冲时间 t/ms | — | 3.2 | — | — | 第二脉冲占空因数 (%) | — | 30 | — | — |
表2 焊接工艺参数
3 实验结果与讨论
3.1 焊缝金属显微组织
图3a,b分别为单丝单脉冲和复合脉冲焊接后焊缝组织的金相照片。可见两种焊缝的显微组织都呈等轴枝晶形态分布，由于焊缝金属中含有大量的晶粒细化元素Ti、Zr、V等，它们在焊缝金属中分别与Al形成TiAl3、ZrAl3和VAl7等相，这些析出相的晶格类型和晶格常数与Al基体非常接近，晶格错配度很小[8~9]。因此，凝固过程中可以很好地成为非均质形核的核心，促进了焊缝晶粒组织的细化，因此两种焊缝组织都很细小。从图4的放大照片上可以看到，焊缝的组织基体是α(Al)固溶体，在α(Al)的晶界和枝晶间分布有α+θ相和α+θ+Τ相的二元和三元共晶组织，晶内有强化相质点析出。
(a) 单脉冲焊的焊缝组织 (b) 复合脉冲脉冲焊的焊缝组织
图3 复合脉冲焊接对焊缝组织的影响
对比图3a和b发现，复合脉冲焊接的焊缝组织晶粒相对细小，并且晶界和枝晶间分布的共晶组织呈球状或细小的薄膜状均匀分布。相比之下，单脉冲焊接的焊缝组织晶粒相对较大，沿晶界和枝晶间分布的共晶组织连续性增加，这将影响焊缝金属的强度和塑性。复合脉冲焊接引起焊缝组织进一步细化，是由于峰值电流周期性变化引起电弧压力也发生周期性变化，造成熔池液体的振动，使熔池液体发生搅拌作用的结果。在单脉冲焊接时，由于脉冲的峰值电流不变，且脉冲频率很高，因此电弧压力变化很小，熔池表面液体振动的振幅也很小，熔池的搅拌作用很弱。复合脉冲焊接时，由于叠加了一个低频的协调脉冲，使脉冲的峰值电流按照低频脉冲的频率不断发生变化，相应地电弧压力也随之发生很大的变化。当峰值电流高时，电弧压力大，熔池表面的液体呈凹状；当峰值电流低时，电弧压力小，熔池表面的液体呈凸状，从而导致熔池表面液体的上、下振动，引起熔池液体的搅拌作用[10]。熔池液体的搅拌作用一方面增加了熔池内原有的对流，增大了液体流动，降低了温度梯度，扩大了固液界面前沿的成分过冷区域；另一方面可使部分熔化的晶粒脱离熔池侧壁进入熔池，增加了形核核心[11~12]。此外，由复合脉冲产生的强对流可把从熔池侧壁脱离的晶粒以及熔池中析出的形核质点，如TiAl3、ZrAl3等带到固液界面前沿的成分过冷区中，促进了α(Al)的非均质形核，因此细化了焊缝组织。图5为双丝焊的焊缝组织，与图3相比，晶粒明显粗大，并且沿晶界分布的共晶组织薄膜增厚、变长。上述组织变化是由双丝焊工艺特点决定的。(1) 双丝焊时两根焊丝前后并列排列，使熔池体积增加，高温停留时间变长，冷却速度变慢；（2）双丝焊总的热输入远高于单丝焊（单丝焊和双丝焊的热输入分别为8KJ/cm和12KJ/cm），熔池中的液态金属处于严重的过热状态，合金元素的烧损较为严重，使熔池中非自发晶核的质点大为减少，降低了非均质形核的能力；（3）由于凝固速度变慢，在凝固的最后阶段，沿晶界和枝晶间残留的液相量增多，这些液相通过共晶反应，形成了数量较多的共晶组织。
图4 焊缝金属中共晶组织形貌 图5 双丝焊的焊缝组织
3.2 显微硬度分布
图6为通过焊缝、热影响区和母材的显微硬度横截面变化曲线。可见在这三个区域中，焊缝区的硬度最低，这是由于焊缝金属凝固时，发生了溶质浓度变化的结果。
图6 焊接接头横截面显微硬度的变化
当熔池开始凝固时，首先析出溶质含量低的α(Al)固溶体，大部分溶质原子，如：Cu、Mn等被排挤到低熔点的液相中。凝固结束时，富溶质的液相在晶界和枝晶间形成了共晶相，因此贫溶质的α(Al)固溶体具有低的硬度。同时焊缝金属不完全的淬化降低了过饱和度，减少了析出相硬化，故焊缝区的硬度最低。紧靠熔合线的局部熔化区经历了高的峰值温度，使母材中的析出相完全溶解，并导致晶界局部熔化，形成一些共晶液相，一部分溶质原子集中到液化相中，导致基体溶质过饱和度下降，随后冷却过程中析出强化相减少，结果使局部熔化区中的固溶硬化和析出相硬化效果降低，同时该区晶粒粗大，所以局部熔化区的硬度较低。邻近局部熔化区的热影响区硬度与母材相比，也发生了明显的软化。原因是：该区域也经历了充分的加热，发生了平衡相θ的脱溶、析出和聚集长大，即发生了“过时效”，因此HAZ的硬度降低。母材为T87状态，即经过固溶处理，预变形和人工时效，基体中有大量细小、弥散的强化相，如：θ′和T相析出，所以母材的硬度最高。从图6还可以看到，双丝焊比单丝焊的焊缝金属硬度低，这可能是双丝焊焊缝晶粒粗化的结果。
3.3 焊接接头力学性能
不同MIG焊方法对高强铝铜合金焊接接头力学性能的影响如表3所示。在焊接接头试样的拉伸实验过程中，发现所有试样都断裂在焊接接头的焊缝区，所以焊缝是整个焊接接头最薄弱部位，表3中所列的拉伸和屈服强度也就代表了焊缝的拉伸和屈服强度。图7为拉伸焊缝断口的截面形貌，可见断裂通道是沿晶界分布的共晶相扩展的。这说明晶界和枝晶间存在的共晶相对焊缝金属的拉伸性能是不利的，因为这些金属间相脆性大，很容易引发开裂。
图7 焊缝拉伸试样的断裂表面
从表3可以看到，复合脉冲焊接的焊缝具有最高的强度和塑性，焊缝金属的连接系数接近70%，单脉冲焊接的焊缝次之，而双丝焊的焊缝强度和塑性最低，这与它们对应的焊缝组织形貌是一致的。复合脉冲焊接的焊缝组织最为细小，并且晶界共晶相呈球状和细小的薄膜状均匀分布，因此焊缝的强度最高，塑性最好。而双丝焊由于总的热输入很大，得到了粗大的等轴枝晶组织，并且沿晶界分布的共晶相的数量明显多于单丝焊，因此强度和塑性都最低。单脉冲焊接比复合脉冲焊接的焊缝组织粗大，但明显细于双丝焊，所以强度、塑性明显好于双丝焊，略低于复合脉冲焊接的焊缝。从本研究的实验结果来看，虽然双丝焊的焊缝金属强度和塑性有所降低，但由于双丝焊时两根焊丝在同一熔池中燃烧，提高了总的焊接电流，使焊接的熔敷效率远高于单丝焊。如本实验中带坡口的20mm厚的铝铜合金，采用单丝焊时，需要焊接6道，而采用双丝焊时，只需焊接2道即可。所以在满足焊接接头性能要求的前提下，特别适用于中厚板铝合金的焊接。
焊接工艺 | 抗拉强度
σb/ MPa | 屈服强度
σ0.2/ MPa | 延伸率
δ(%) | 断面收缩率
ψ(%) | 单丝单脉冲 | 296.4 | 191 | 4.7 | 19.7 | 单丝复合脉冲 | 298.8 | 193.9 | 5.0 | 23.8 | 双丝 MIG | 287.8 | 179.6 | 4.5 | 17.9 | 2219 母材 | 429.9 | 358.5 | 15.4 | 26.4 |
表3 焊接接头和母材金属的拉伸性能
4 结论
(1) 单丝复合脉冲焊接时，蜂值电流周期性变化引起的熔池液体强烈的搅拌作用，细化了焊缝组织，提高了焊缝的强度和塑性。
(2) 双丝MIG焊高的焊接热输入和快的焊接速度，使焊缝得到了粗大的等轴枝晶组织，且组织中共晶相的数量明显增多，降低了焊缝的强度、硬度和塑性。
(3) 双丝MIG焊时两根焊丝在同一熔池中燃烧，提高了总的焊接电流，焊接效率远高于单丝焊，特别适合于中厚板铝合金焊接。
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