2219铝合金VPTIG焊接头的低温断裂韧性

林一桐，王东坡，王 颖

2219铝合金VPTIG焊接头的低温断裂韧性

林一桐1,2，王东坡1,2，王 颖1,2

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072；
2. 天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072)

采用裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement，CTOD)试验研究了高强2219铝合金变极性钨极氩弧焊(variable polarity tungsten inert gas welding，VPTIG)接头各部位的低温断裂韧性，利用扫描电镜对各部位的CTOD试验断口特征进行分析，并结合金相组织进一步阐明组织与断裂韧性的关联．研究结果表明，2219铝合金VPTIG焊接头各部位表现出不同的低温断裂韧性，熔合线最低，热影响区高于焊缝，但均低于母材．扫描电镜断口观察结果表明，母材、焊缝及热影响区的断裂机制为剪切断裂，熔合线的断裂机制为准解理断裂．金相组织分析较好地解释了焊接接头不同部位断裂韧性的差异．

2219铝合金；变极性钨极氩弧焊；断裂韧性；裂纹尖端张开位移

燃料储箱是运载火箭的关键部位．高强2219铝合金在低温力学性能、断裂韧性、焊接性以及抗应力腐蚀性能等方面，相比于我国一直沿用的2A14铝合金具有明显的优势[1-5]，将成为新一代大型运载火箭燃料储箱的制造材料．

目前关于2219铝合金焊接接头的文献多局限于其组织和传统力学性能的研究[6-10]．新一代大型运载火箭以液氢液氧为燃料，需要燃料储箱具有良好的低温断裂韧性．2219铝合金作为制造燃料储箱的材料，非常有必要研究其焊接接头的低温断裂韧性，杜岩峰等[11]即对2219铝合金的搅拌摩擦焊接头进行了裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement，CTOD)试验研究．

变极性钨极氩弧焊(variable polarity tungsten inert gas welding，VPTIG)代表了国内外铝合金焊接技术的先进水平，目前已应用于2219铝合金储箱的环缝焊接中．本文采用CTOD试验研究了2219铝合金VPTIG焊接头的低温断裂韧性，并分析了CTOD断口微观形貌和接头金相组织，为其在航天领域的工程应用提供技术支持．

1 试验方法

1.1 试样制备

本试验分别测试了2219铝合金焊接接头中母材、焊缝和热影响区在液氮温度(-196,℃)下的CTOD断裂韧性．试验采用由天津航天长征火箭制造有限公司提供的8,mm厚2219铝合金焊接试板．

2219铝合金母材的化学成分如表1所示．热处理状态为T6态，焊接方法为VPTIG，焊接工艺参数见表2．

表1 2219铝合金的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of 2219 aluminum alloy (mass fraction)

表2 焊接工艺参数Tab.2 Welding process parameters

根据英国标准BS 7448，制备带预制疲劳裂纹的三点弯曲(three point bend，TPB)标准试样：根据《BS 7448—1—1991》进行母材的CTOD试验；根据《BS 7448—2—1997》进行焊缝、熔合线和热影响区的CTOD试验．

母材处为沿轧制方向的贯穿厚度试样；焊缝、熔合线和热影响区处为垂直于焊缝方向的贯穿厚度试样．如图1所示，试样厚度B＝8,mm，宽度W＝2B＝16,mm，长度L＝120,mm，机械缺口深度为6,mm．缺口分别开在母材、焊缝、熔合线和热影响区，其中焊缝处缺口位于焊缝中心，熔合线处缺口与熔合线在板材厚度中心相交，热影响区处缺口位于熔合线加5,mm处，如图2所示．

采用高频疲劳试验机在室温下预制疲劳裂纹.根据英国标准BS 7448，母材的平均载荷为1.063,kN，交变载荷为0.870,kN；焊缝、熔合线和热影响区的平均载荷为0.542,kN，交变载荷为0.443,kN，疲劳裂纹需扩展2,mm左右．

图1 试样尺寸Fig.1 Size of sample

图2 焊接接头取样位置Fig.2 Sample position of welded joint

1.2 试验过程

CTOD试验在CTOD试验机上进行，每个区域各做3个试样．试验步骤如下所述．

(1) 用游标卡尺精确地测量出每个试样的B、W和刀口厚度z．

(2) 先将试件放置于液氮中进行保温，每个试件保温15,min以上．试验时将试件放置于低温槽中．

(3) 采用一次加载方式直到试样失稳破坏，根据BS 7448标准，加载跨距为S＝4W＝4×16＝64,mm，加载速率为1.0,mm/min，同时得出试样载荷-位移曲线．

(4) 试样失稳破坏后，将其快速压断，测量裂纹长度a0(机械缺口、疲劳裂纹扩展区和CTOD扩展区长度的总和)．

采用TDCL-SU1510扫描电子显微镜对CTOD试验断口的微观形貌进行分析；采用Olympus-GX51光学显微镜对接头试样的金相组织进行观察分析．

1.3 数据处理

根据标准BS 7448，CTOD的计算式为

2 试验结果与讨论

2219铝合金VPTIG焊接头各部位在液氮温度(－196,℃)下的CTOD试验结果如图3所示．由图3可知，焊接头各部位表现出不同的低温断裂韧性，熔合线最低，热影响区高于焊缝，但均低于母材．

图3 裂纹尖端张开位移试验结果Fig.3 Result of crack tip opening displacement test

CTOD试验断口的扫描电镜图像如图4所示．各断口图上端为疲劳裂纹扩展区，可见明显的疲劳裂纹；疲劳裂纹尖端以下为裂纹的CTOD扩展区，即CTOD试验过程中裂纹扩展的区域，其形貌与CTOD断裂韧性相对应．母材、焊缝及热影响区断口的微观形貌为韧窝状，断裂机制为典型的剪切断裂，断裂性态呈延性，同时可看到各韧窝底部均有第二相粒子存在．母材断口韧窝最深，韧窝大小交错，形状及分布不规则，撕裂棱多且轮廓清晰，可见产生了大量形变，断裂韧性最佳；热影响区断口与母材断口相比，韧窝较浅，数量较少，断裂韧性次之；焊缝断口韧窝底部有大量第二相粒子，造成裂纹源多，微孔生长空间狭小，导致韧窝细小规则、数量大，断裂韧性再次；熔合线断口既存在平坦的解理面，又分布着较浅的韧窝，撕裂棱不明显，断裂机制介于解理断裂和剪切断裂之间，断裂性态介于脆性和延性之间，即所谓的准解理断裂，断裂韧性最差．综上可见，试样的CTOD断口形貌较好地解释了焊接接头不同部位断裂韧性的差异．

图4 断口扫描电镜图像Fig.4 SEM graphs of fracture surface

VPTIG焊接头各部位金相组织如图5所示．母材中的第二相(θ相，Al2Cu)粒子沿板材轧制方向排列，分布在晶界上的第二相为非连续脱溶形成的胞状物，而晶粒中的第二相尺寸很小，为连续脱溶形成的细小质点．由此可以看出：母材的时效过程为非连续脱溶加连续脱溶，未经熔化和热循环过程的母材由于时效硬化效果达到最佳，其断裂韧性最高；焊缝中心为等轴晶组织，由于焊缝结晶时柱状晶从熔池四周不断长大，将溶质和杂质推向熔池中心，产生区域偏析，冷却后析出了较多的第二相粒子，恶化了焊前的强化效果，且有些晶粒过烧而晶界弱化，使断裂韧性变差；熔合线为参差不齐的分界区，此区域的尺寸范围很窄，存在严重的物理不均匀性和化学不均匀性，加热时处于过热状态，晶粒严重长大，冷却后成为粗大组织，造成粗晶脆化，所以断裂韧性最差；热影响区经历焊接热循环，相当于对母材进行时效处理，由于此区晶粒的形态与母材完全不同，可判断基体已发生回复以致再结晶，时效过程为非连续脱溶，且第二相已聚集长大，发生了所谓的过时效，强化效果减弱，故断裂韧性不及母材．可见，接头各部位断裂韧性的大小关系受其金相组织的影响．

图5 VPTIG焊接头的显微组织Fig.5 Microstructure of VPTIG welded joint

3 结 论

(1) 2219铝合金VPTIG焊接头在液氮温度下的断裂韧性不均匀，母材最大，热影响区次之，然后是焊缝，熔合线最小．

(2) 由低温CTOD试验断口的扫描电镜图像可以看出，在CTOD扩展区，母材、焊缝及热影响区的断裂机制为典型的剪切断裂，熔合线的断裂机制为准解理断裂，且断口形貌与CTOD断裂韧性的大小关系符合得很好．

(3) 由接头各部位金相组织照片可以看出，金相组织是影响CTOD断裂韧性的内在因素．母材的时效硬化效果最佳，焊缝由于区域偏析而析出较多的第二相粒子，熔合线存在粗晶脆化，热影响区经历了过时效．

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(责任编辑：金顺爱)

Cryogenic Fracture Toughness of 2219 Aluminum Alloy VPTIG Welded Joint

Lin Yitong1,2，Wang Dongpo1,2，Wang Ying1,2
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Cryogenic fracture toughness of high strength 2219 aluminum alloy variable polarity tungsten inert gas welding(VPTIG) welded joint was studied in terms of tests of crack tip opening displacement(CTOD). The fracture characters of CTOD tests of different parts were analyzed using scanning electron microscopy(SEM)，and the relationship between microstructure and fracture toughness was further clarified according to microstructure. Results showed that the distribution of cryogenic fracture toughness of 2219 aluminum alloy VPTIG welded joint was of no uniformity. The cryogenic fracture toughness of fusion line was the lowest，while in the weld it was lower than that in the heat affected zone. In all the three cases，the cryogenic fracture toughness was lower than that of parent metal. The result of fracture observation of SEM showed that the fracture mechanism of parent metal，weld and heat affected zone was shear fracture，while that of fusion line was quasi-cleavage fracture. Microstructure analysis well explained the difference in fracture toughness among various parts of the joint.

2219 aluminum alloy；variable polarity tungsten inert gas welding(VPTIG)；fracture toughness；crack tip opening displacement(CTOD)

TG407

A

0493-2137(2015)05-0468-05

10.11784/tdxbz201406054

2014-06-18；

2014-07-08.

国家自然科学基金资助项目(51275343).

林一桐（1990— ），男，博士研究生，360800782@qq.com.

王 颖，wangycl@tju.edu.cn.

时间：2014-07-18. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201406054.html.