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鋁合金[1],該鋁合金具有熱裂紋傾向低、斷裂韌度高、質量小、低溫性能好等優點,被廣泛應用于航空航天領域[2]。 

在對某型號箱底壁板2219鋁合金法蘭進行焊接后的射線檢測時,發現其焊縫區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,與焊縫夾角約為90°。該法蘭為鋁鍛件,熱處理狀態為淬火+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、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法對裂紋產生的原因進行分析,并提出改進措施,以防止該類問題再次發生。 

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,其中白亮色區域為人工打磨區域。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,呈彎曲的線條狀,條狀缺陷與焊縫垂直,未發現明顯的冶金缺陷。 

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   化學成分分析

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

1.3   力學性能測試

在法蘭鍛件條狀缺陷附近截取試樣,并對試樣進行布氏硬度測試。試樣的布式硬度測試結果為121 HBW10/1 000,測試結果滿足GJB 2057—1994 《航天用LY19鋁合金鍛件規范》對2219鋁合金的要求（標準布式硬度不小于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,再將其置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：法蘭焊縫熱影響區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象[見圖3a）],條狀缺陷沿著加粗的晶界萌生并擴展；遠離條狀缺陷部位的顯微組織無晶界加粗現象[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行能譜分析,能譜分析位置如圖4所示,能譜分析結果如表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元素質量分數為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,造成晶界局部復熔,從而引起晶界加粗,局部晶界復熔會使材料的強度、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,斷口由暗灰色區域和光亮區域組成,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,結果如圖5所示。由圖5可知：暗灰色區域為粗糙的韌窩,光亮區域為平滑的表面；粗糙的韌窩區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；平滑表面區發生晶間液化,這是因為2219鋁合金法蘭焊接過程中的持續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,在結構應力和熱應力的共同作用下,液化晶界出現分離,即斷口宏觀形貌中的光亮區域對應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、熱影響區等部分,裂紋發生在靠法蘭一側熔合區附近,焊接接頭結構如圖6所示。 

圖  6  焊接接頭結構示意

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和非熔化區的邊界,焊縫邊緣晶粒粗大,是接頭的薄弱環節。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,使近焊縫區域分布于晶界的Al2Cu相（θ相）和Al7Cu2Fe相形成局部區域內低熔點共晶相熔化,產生晶間液化,在顯微組織中表現為晶界加粗。 

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,晶界復熔處出現分離,形成液化裂紋[6],即射線檢測結果顯示的條狀缺陷。文獻[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易出現晶間液化。 

3.   結論與建議

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,法蘭側打底焊與封底焊熔合線重合,并多次受熱,封底局部區域形成較深的熔池,加大了焊縫邊緣附近的熱量輸入,造成局部晶間液化,在結構應力和熱應力的共同作用下,液化晶界出現分離,形成液化裂紋,射線檢測時可見條狀缺陷。 

針對上述現象,建議焊接前對材料進行預熱,適當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力作用時間,避免在焊接熱影響區產生裂紋。 

文章來源——材料與測試網