徐强1,2 ， 国旭明1 ，王宗杰2 , 杨成刚1
(1. 中国科学院金属研究所, 沈阳110016；2. 沈阳工业大学，材料科学与工程学院, 沈阳110023)
摘要: 研究了双脉冲MIG焊工艺对2219高强铝铜合金焊缝组织及性能的影响，通过正交试验确定了适合于2219铝铜合金焊接的****双脉冲MIG焊工艺参数。实验结果表明，采用上述工艺参数焊接，焊缝金属中得到了大量细小的等轴晶组织，柱状晶的数量明显减少，提高了焊缝金属的机械性能。
关键词: 高强Al-Cu合金; 双脉冲MIG焊; 焊缝组织
铝铜合金也称硬铝合金，不仅具有一般铝合金所具有的优良的机械性能和化学性能，尤其重要的是，铝铜合金在极宽的温度范围内（从-250℃到250℃）仍能保持良好的力学性能和断裂韧性，因此被广泛用作航空、航天、军事以及一些民用领域的焊接结构材料[1]。2219铝合金是一种以铜作为主要强化元素并添加少量锰、锆和钛元素的沉淀强化型铝铜合金。它是2000系列中焊接性较好的一种，焊接时存在的主要问题是热裂纹敏感性大，接头强度系数低[2]。这些问题的产生与焊缝凝固后的组织形态密切相关，因此改善焊缝的凝固组织，获得细小的等轴晶已成为许多研究者追求的主要目标[3]。近年来出现的低频调制型双脉冲MIG焊工艺已在铝合金焊接中得到了应用，它对于改善焊缝组织，降低气孔率起到了良好的作用[4]。但由于双脉冲MIG焊可调参数较多，参数之间的匹配组合是否合理直接影响了焊接接头的质量。因此本文通过正交试验方法，确定适合于2219铝合金双脉冲MIG焊的****工艺参数范围，以提高高强铝铜合金焊缝的组织和性能。
1 单丝双脉冲MIG焊原理
单丝双脉冲MIG焊原理是用低频脉冲对频率较高的熔滴过渡脉冲的峰值电流和峰值时间进行调制，使单位脉冲的强度在强和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1。调制后的焊接电流即满足了铝合金焊接所要求的熔滴亚射流的过渡形式，又使作用于熔池中的电弧力和热输入随低频调制频率而变化。不仅可以获得均匀美观的波纹状焊缝，还可增强熔池的搅拌作用，细化焊缝晶粒，降低裂纹敏感性，提高焊缝的整体质量[4]。
图1 双脉冲MIG焊原理
2 试验材料和试验方法
本试验采用的母材为2219高强铝铜合金，板厚20mm，热处理状态为T87，即经过固溶+时效处理。焊接设备采用德国CLOOS公司生产的Qunito 503MIG焊机，焊丝为ER2319，直径1.6mm，保护气体为纯度99.9%的氩气。母材和焊丝的化学成分如表1所示。焊接时先在母材表面堆焊，以观察焊缝的组织和硬度变化，确定****的焊接工艺参数。然后选取一组****的工艺参数焊接试板，试板的坡口形式为X形，角度80°。用MeF-3型光学显微镜观察焊缝的显微组织变化，用HV-120维氏硬度计测量焊缝的硬度，载荷为10Kg，焊接接头的拉伸实验在AG-250KNE电子拉伸实验机进行。
表1 母材和焊丝的化学成分（质量分数，%）
材料 | Cu | Mn | Ti | Zr | V | Fe | Si | 母材2219 | 6.28 | 0.30 | 0.048 | 0.12 | 0.07 | 0.22 | 0.08 | 焊丝2319 | 5.96 | 0.30 | 0.17 | 0.12 | 0.06 | 0.14 | 0.04 |
3 试验结果及讨论
3.1 焊接工艺参数的优化
实验研究发现，在双脉冲焊接过程中，低频脉冲参数的变化对焊缝成形和组织变化的影响更显著。因此，本实验选取低频脉冲频率、低频脉冲时间和高低频脉冲峰值电压差作为正交试验的三元素，来考察脉冲参数的变化对焊缝组织及性能的影响。由于焊缝组织的晶粒大小决定了焊缝的机械性能，而硬度值近似反映了焊缝的机械性能，因此选取硬度值作为衡量焊缝性能指标的标准。根据正交表排序规律，确定正交试验表头和试验顺序，如表2所示，B为空元素。在双脉冲焊接过程中，保持高频脉冲参数不变，其脉冲参数值如表3所示。
表2 正交试验水平表
因素 | A峰值电压差(V) | 空 | C第二脉冲频率(Hz) | D第二脉冲时间(ms) | 水平1 | 2 | 0 | 6 | 1.8 | 水平2 | 4 | 0 | 8 | 3.4 | 水平3 | 6 | 0 | 10 | 5.0 |
表3 双脉冲MIG焊中的高频脉冲参数
工艺参数 | 脉冲频率, f | 脉冲时间, t | 基值电流Ib | 峰值电压, Up | 送丝速度, v | 数值 | 210Hz | 2ms | 80A | 29.8V | 5.2m/min |
表4 正交试验确定的焊缝硬度实验结果
试验号 | A | B | C | D | 试验方案 | 硬度(HV) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | A1B1C1D1 | 112.4 | 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | A1B2C2D2 | 114.2 | 3 | 1 | 3 | 3 | 3 | A1B3C3D3 | 126.1 | 4 | 2 | 1 | 2 | 3 | A2B1C2D3 | 111.7 | 5 | 2 | 2 | 3 | 1 | A2B2C3D1 | 108.9 | 6 | 2 | 3 | 1 | 2 | A2B3C1D2 | 126.1 | 7 | 3 | 1 | 3 | 2 | A3B1C3D2 | 111.4 | 8 | 3 | 2 | 1 | 3 | A3B2C1D3 | 112.3 | 9 | 3 | 3 | 2 | 1 | A3B3C2D1 | 120.1 | K1 | 352.7 | 0 | 346.3 | 341.4 | | 总和
1038.7 | K2 | 342.2 | 0 | 346.0 | 347.2 | | K3 | 343.8 | 0 | 346.4 | 350.1 | | L1 | 117.6 | 0 | 115.4 | 113.8 | | 总平均
115.4 | L2 | 114.1 | 0 | 115.3 | 115.7 | | L3 | 114.6 | 0 | 115.1 | 116.7 | | M | 3.5 | 0 | 0.3 | 2.9 | | |
正交试验硬度值数据的极差分析见表4。根据分析，可得各因素对硬度值影响的大小，极差值M越大，该因子对硬度值的影响越显著。可见，各因素对硬度值影响的主次关系依次为峰值电压差，第二脉冲时间，第二脉冲频率，同时还得到最高硬度值的****因子水平为：A2C1D2。根据正交试验结果及对焊缝组织观察，确定了本试验采用的****工艺参数，其结果如表5所示，试验结果与推测值基本相符。
表5 验正试验结果表
工艺参数 | 峰值电压差, △Up | 第二脉冲频率, f | 第二脉冲时间, t | 硬度(HV) | 数值 | 3V | 6Hz | 3ms | 128.4 |
3.2 焊缝组织分析
图2a, b分别为高频单脉冲和双脉冲焊接后焊缝的金相组织，可见两种焊缝的显微组织均由柱状枝晶和等轴晶组成。但单脉冲焊接的焊缝组织中柱状枝晶的比例较多，而等轴晶的数量较少，晶粒大小不一，平均晶粒尺寸较大。相比之下，双脉冲焊接的焊缝组织中等轴晶的数量较多，而柱状枝晶的数量较少，晶粒大小较为均匀，平均晶粒尺寸较小。焊缝组织的这种变化是由于双脉冲焊接时，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。双脉冲焊接时，由于低频脉冲对单位高频脉冲的峰值和时间进行调制，使单位脉冲的强度在强和弱之间低频周期性切换，获得周期性变化的强弱脉冲群。当峰值电流高时，电弧压力大；当峰值电流低时，电弧压力小。所以熔池表面在周期性变化的电弧力作用下发生上、下起伏运动，增强了熔池搅拌作用，使熔池产生强烈的对流。由于熔池中液态金属的快速对流运动，冲刷熔池边缘半熔化晶粒，使他们脱离基体进入熔池内部[5]。调制后强弱电流脉冲群既满足了铝合金焊接所要求的熔滴亚射流的过渡形式，又使作用于熔池中的热输入大大减少，降低了熔池的温度，低温熔池可使游离的晶粒在运动过程中得以保存下来。同时焊丝中存在的Al3Zr和Al3Ti等金属间化合物，熔点相对较高，熔池中不易溶解，在熔池对流的作用下，可进入熔池的成分过冷区，成为异质形核的质点，阻止柱状枝晶的生长。此外，双脉冲焊接可使熔池中液体的流动增加，导致固液界面前沿的温度梯度G降低，熔池温度分布趋向均匀，形成很宽的成分过冷区，消除了产生枝晶的条件，抑制了晶粒在某个方向的优先生长，从而使晶粒在各个方向上均匀长大，最终形成了等轴晶组织[6]。
(a) 高频单脉冲焊接的焊缝组织100× (b)双脉冲焊3#试样的焊缝组织100×
图2 单脉冲和双脉冲MIG焊焊缝显微组织比较
由于热输入的周期性和熔池中存在的形核质点数目的不同，使焊缝组织出现枝晶区和等轴晶区交替出现的现象。当强弱脉冲群产生的外部振动频率与熔池固有的振动频率相当时，就会产生共振，使熔池的搅拌效果达到****。这样既可获得均匀、细小的焊缝组织，也有利于熔池中气体的排出，获得令人满意的焊缝组织，如图3所示。
图3 采用验证试验工艺参数焊接的焊缝组织照片 100×
3.3 焊接接头的拉伸性能
表6为单脉冲和双脉冲焊接2219母材得到的焊接接头拉伸实验结果，可见双脉冲焊接的接头强度和塑性都高于单脉冲焊接的接头，这与它们对应的焊缝组织形貌是一致的。单脉冲焊接的焊缝组织柱状枝晶的数量较多，晶粒大小不一，平均晶粒尺寸较大；而双脉冲焊接的焊缝组织等轴晶的比例较大，晶粒细小、均匀。根据Hall-Petch公式，焊缝的晶粒组织越细小，焊缝的强度越高。细化晶粒在提高焊缝金属强度的同时，还能改善焊缝的塑性，因为细小的晶粒可以使变形更均匀，因应力集中引起开裂的机会更少，所以在断裂前能够承受较大的变形量，而得到高的塑性。
表6 焊接接头的拉伸性能
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(%) | 单脉冲 | 296.4 | 191 | 4.7 | 19.7 | 双脉冲 | 298.8 | 193.9 | 5.0 | 23.8 |
4 结论
(1) 通过正交试验确定了2219铝铜合金双脉冲MIG焊****的焊接工艺参数为：峰值电压差△Up=3V，第二脉冲时间t=3ms，第二脉冲频率f=6Hz。
(2) 双脉冲焊接时，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。
参考文献：
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