2219铝合金直流正极性A-TIG焊接技术

第39卷第3期焊接学 报V〇1.39(3):089 -093,116 2 0 1 8 年 3 月TRANSACTIONS OF TH E C H IN A W E L D IN G IN S T IT U T IO N March20 182219铝合金直流正极性A-T IG焊接技术栗慧%2,邹家生％,姚君山2!曲文卿3(1.江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，镇江212003;2.常州工学院机械与车辆工程学院，常州213002;3.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)摘要：提出了一种用于2219铝合金焊接的新方法，焊前在待焊表面预先涂敷一层除气去膜活性剂，实现了 2219铝合金的直流正极性焊接.研究不同的活性剂浓度对2219铝合金直流正极性活性TIG焊（A-TIG)焊缝表面成形、气孔缺陷、微观组织以及力学性能的影响.结果表明，当活性剂浓度为10%时可以获得无气孔缺陷、表面成形和力学 性能良好的2219铝合金直流A-TIG焊缝.与变极性T G焊相比，焊接过程电弧稳定性好，热输人小，焊缝质量优异.关键词：直流正极性；活性TIG焊；活性剂浓度；气孔；2219铝合金中图分类号：TG444 文献标识码：A doi：10.12073/j.hjxb.20183900750序言2219铝合金具有较高的比强度、比模量、断裂 韧性、疲劳强度和耐腐蚀稳定性，同时具有良好的成 形工艺和焊接性能，因而在航天运载器中获得了广 泛的应用[1_2]，成为了新一代运载火箭低温贮箱的 主体结构材料.在火箭低温贮箱的焊接制造中，箱体、瓜瓣与外 部的法兰之间的连接以及变截面型材框等结构的焊 接，受条件限制，只能采用传统的熔化焊.2219铝合 金的熔化焊焊缝具有较高的焊接气孔，严重影响了贮 箱结构的完整性.因此，如何改进或开发新的焊接工 艺，降低焊缝内部气孔的发生率，同时获得良好的焊 缝成形和接头强度，满足产品高质量、高标准要求，成 为2219铝合金熔化焊所要解决的一个重要难题.铝合金焊接气孔主要来源于焊接气氛中夹杂的 水蒸气、母材及焊接材料表面氧化膜吸附的水分在电弧作用下分解形成的氢气孔[3].母材和焊材中的 氢通过熔化吸收进入熔池，周围环境中的氢随着交 流电弧的过零不稳而进入熔池.因此，如果能采用 一种特殊的焊剂，一方面隔离周围环境和焊接熔池，同时去除焊接气氛和熔池中的氢气，另一方面能够 在焊接过程中去除表面氧化膜，使用直流焊接铝合 金替代交流焊接方式，从而避免电弧不稳引起的气 孔现象，可以减轻2219铝合金焊接气孔问题.活性焊接法是一种简单、高效、节能的焊接方 法.它通过在T IG焊接过程中引入活性元素，使得收稿日期：2016 -08 -16焊缝熔深显著增加，形成了活性T IG焊（a c tiftin g-TIG welding，A-TIG)[4-7].近几年来，国外学者加大 了对A-T IG接头焊缝组织结构、力学性能和数值模 拟的研究[8_11].国内学者主要对A-T IG的活性剂成 分选配和熔深机理方面的进行了研究[12-15]，重点以 增加焊缝熔深为目的.用于2219铝合金的直流正 极性A-T IG焊的新方法，以达到除气去膜的目的，从 而能够获得了较高强度、无缺陷的高质量焊接接头.在前期活性剂配方优化的基础上，研究了不同 的活性剂浓度对2219铝合金直流A-T IG焊焊缝表 面成形、气孔缺陷以及力学性能的影响，获得无气孔 缺陷、表面成形良好、力学性能优异的直流T IG焊 接头.1试验方法焊接材料为厚度5 m m的2219 -T6铝合金板 材，化学成分见表1，试板尺寸为300 mmX100 mm.采用直径3. 2 m m的2319焊丝，保护气体为99. 99%的氩气，氩气流量为11 L/m in，电弧长度为 3 mm•焊接设备为 Lincoln Electric Square TIG 355. 采用直流正极性焊接方式，打底焊电流为190 A，盖 面焊电流为165 A，焊接速度为140 mm/m in，送丝速 度为1 500 mm/min.表1试验用铝合金的化学成分（质量分N，％$Table1Aluminum alloy chemical compositionC u M n Fe T i V Z n S i Z r A16.480.320.230.060.080.040.090.02P 量90焊接学报第39卷通过前期的空烧、堆焊以及堆焊优化试验获得了A10 o36C LiF o14C KF-A10 o11C I]SiF6成分性剂.焊前对焊接表油 进行清理，然 性剂用 乙醇溶解，搅拌 用毛刷均匀涂敷在待焊区域表面，活性涂覆时只能涂一层，然进行焊接.焊接过程采用不同性度 （活性 与 乙醇 分比，称浓度"见表#为了进行对比研究，采用变极性 T IG焊焊接试板（活性 度为0"，底焊电 ’205 A，盖面焊电流为180 A，焊接速度为140 rnrn/min，送丝速度为1 500 mm/min.表2活性剂浓度Table2 Concentration of activating flux 性m/g乙醇积G/mL度c/g.m L-1) 51005101001015100152010020##19铝合金的直流A-T IG焊和变极性T IG焊，采用零间隙装和平板对接，垫板采用带6 mm X 1mm(宽X深）的焊接 不 垫板.焊后观察焊缝表 形，并对焊缝内部进行X射线检测.采用WDW3050型电子万能拉伸试验机 进行力学性能测试，每试板取拉伸试样5个.采用Olympus BX51M显微镜进行金相组织分析.2试验结果及分析2?活性剂浓度对表面成形的影响采用表2所示的不同浓度 性 ，均能获得 焊缝表 形.直流A-T IG与变极性T IG焊 ，焊缝表 形光洁程度无明显 ，焊缝成形 ，宽度 匀，有 ，表性 渣 ，如图1?〜1b所示.焊缝背面成形 ，如图1c所示.从焊缝宽度上来讲，直流A-T IG所获得的2219 铝合金焊缝要明显小于变极性T IG焊焊缝，如图2 所示.采用直流A-TIG■焊接的5 mm 2219铝合金焊缝 度为13 mm，焊缝余 0.49 mm;而采用变极性T IG焊方法焊接的5 mm2219铝合金焊缝 度 了 18 mm，焊缝余高为0.52 mm.原因是 在直流正极性A-T IG焊接 下，电子发射能力强，发射 能电子 焊件，将全部能 焊件上[3]，从而使其形 而 焊(a)变极性T I G焊缝，活性剂浓度0%(b)直流A-T I G焊缝，活性剂浓度10%U)直流A-T I G焊缝背面成形，活性剂浓度10%图12219铝合金TIG焊缝表面成形Fig.12219 aluminum alloy TIG weld surface forming(a)变极性T IG焊缝，活性剂浓度0%(b)直流入-1^焊缝，活性剂浓度10%图2 2219铝合金TIG焊缝内部成形 Fig.2 2219 aluminum alloy TIG weld forming inside缝，所以在同等焊接厚度条件下，与变极性T IG焊相 ，直流正极性A-T IG焊缝宽度更小，电热量更为，焊接热 区更小，整个焊接过程对母材的损些.2.2活性剂浓度对内部质量的影响2219铝合金的焊接 敏感性较大，因焊缝内部是否存在 缺陷是评定焊缝 个重 • 2219铝合金T IG焊缝的X射 结果见表3.表3为不同活性 度条件下，从X射伤底片上获得的整条焊缝内部 数量.表3 2219铝合金焊缝内部气孔数量Table3 Number of2219 aluminum alloy weld porosity 活性剂浓度c/g m L-1)气孔数量-(个）0链状气孔，>1752100152203第3期栗慧，等#2219铝合金直流正极性A-TIG焊接技术91当活性剂浓度为〇时，即采用变极性T IG焊方 时，焊缝内部 分布，数 17个，如图2a所示.当活性度为5C时，焊缝内部只存在2个 ，数显'随 性 度增大至10%，焊缝内部 得到进一步改善，完 丨了内部 缺陷，如图2b所示;继续大活性剂度，度分 15C，20C时，焊缝内部 现了.活性使用首先 了铝合金表面，使直流焊接 能;其次是除，因直流A-T IG焊 数 明显 变极性T IG焊.随着活性剂浓度的继续升高（10C〜20C"，电，稳性变差，因性和保护 对 与周围环 隔离效果变差，周围环 蒸气进 ，焊接 数量出现微弱 大 .2.3活性剂浓度对微观组织的影响图3和图4分别为采用变极性T IG焊（活性剂 浓度为0时）和直流活性（G焊（活性剂浓度为10C" 2219铝合金焊缝接头的微观组织形貌.图3a 和图4?是焊缝接头母材区域的组织形貌.从图3a 和图4a可以 ，T IG焊母材区的组织是完全同，母材组织是 乳 （水平 "存在晶粒和弥散分 组 .图3b是2219铝合金变极性T IG焊接头焊缝组 织照片.从图3b可以看出，变极性T IG焊缝组织是 晶组织、和 .图4b是直流性T IG焊焊缝组织，同样是 晶组织和 ‘.图4b晶尺寸明显图3b晶尺寸，是直性焊的焊接电 ，对材料的热 ，故形 晶'而变极性T IG焊的焊接电流大，焊缝区的组织粗大.由于变极 性T IG焊焊接过 电在电 过零点，电不断过零引燃，对电弧燃 稳定性有较大 ，因此交流电弧燃烧的稳定性较直流T IG焊电弧的稳 定性差，其焊缝 发生率也必然增大，加上焊接过结晶速度大 泡形核、长大、上浮速度，泡 在焊缝中形 ，接头的性能.图3a是变极性T IG焊焊缝区与热影响区连接 处的溶合区组织，铝合金焊接 形成机理 复，氢在液态铝合金 解度为0.69 m4100 g，而在铝合金中溶解度仅为0.036 mL/100 g，随着氢溶解 度的突变，过饱和的氢来不及 固焊缝 ，从而形成了 缺陷.熔合区处固，泡形核所需能量大大 心气泡形核所需能量，气泡 在溶合区处形核，溶合区附近液态金属存在时间很短，这对熔合区处 泡溢出极为不利.图4a为直 性T IG焊熔合区的组织形貌，合区组织是 晶粒组织和 ，有气孔形成.繼謂I焊缝组织 （a)母材组织,100 1(d)热影响区组织 （c)溶合区组织凝::贫晏给■.您為％赞图3 2219铝合金变极性TIG焊接头微观组织 Fig.3 Joint microstructure of2219 aluminum alloy varici-ble polarity TIG welding(d)热影响区组织图4 2219铝合金直流A-TIG焊接头微观组织 Fig.4 Joint microstructure of2219 aluminum alloy direct current A-TIG welding图3d和图4d是两种焊接方法的热影响区的组 织形貌.热 区的组织均是由乳制晶粒组织和强化相构成的.变极性T IG焊接的2219铝合金接头 热 区组织 直 性焊技术所焊接的2219铝合金接头的热 区组织粗大.综合上述分析表明，采用变极性T IG 焊和直流92焊接学报第39卷活性焊焊接相同厚度的2219铝合金材料， 直流性焊能够大大 焊接电流，电热量更 ，更形而焊缝，焊接热区更小，直流性焊焊缝金属凝固度相对加快，晶大的时间缩短，表 度，焊缝区没有任何 在，因，其焊缝组织于变极性T IG 焊缝组织.2.4活性剂浓度对力学性能的影响图5为2219铝合金T IG 焊焊接接头力学性能随 性 度的变化情况.当活性 度为〇,即采用变极性T IG 焊焊接时，接头的抗拉强度为263 MP ?，性能'随 性 度 加（0〜10%)， 2219铝合金直流A -T IG 焊焊接接头的抗拉强度逐 渐增大， 性 度为10C 时，抗拉度 I 最大值296 MPa ;随 性 度的进一步增大(10C 〜20C "，2219铝合金直流A -T IG 焊焊接接头拉强度 先下 升，如图5所示.虽然 性度为15C 时，2219直流A-TIG焊焊接接头拉强度，为285 MPa ，但与变极性T IG 相比，仍表明显，抗拉度提高了22 MPa . 2219铝合金直流A-TIG 焊焊接接头抗拉强 度的提高是焊缝内部 缺陷数和晶化直接结果.10 15 20 0 5f c /(g * m L _1)活性剂浓S图5 2219铝合金直流正极性A -TIG 焊接接头的力学性能Fig . 5 The mechanical properties of 2219 aluminum al -loydirect current A-TIG与变极性T IG 相比，采用直流A -T IG 焊接方式 时，焊接接头力学性能 性得到了显著改善，如图5所示的标准偏差范围. 围的变化情况可以说明，在变极性T IG 焊接条件下，5个平行试样的 拉强度数 度较大，这与焊缝内部t缺陷的分布是密切相关的，试样内部数 ，抗拉强度 明显，数，得到改善.3分析与讨论2219铝合金焊接氢因是材料、焊枪结构、焊接方法和工艺、环及保护$操技术等[16].所以根据焊接氢 因素，对分析2219铝合金的直流A -T IG 焊与变极性TIG 焊.(1) 材料 .母材和焊丝是氢重要，是焊丝表面.对母材和焊处理常规化，所以基有更 施.(2) 焊枪结.目前生产中对焊枪结构形，尚有更 施.(3) 焊接 法和工艺. 焊接 法目常用的是交流T IG 焊，焊接工艺参数也是影响氢气生的重要原因，此外操作人员的技术水平 「氢 生.研究 正是因为铝合金TIG 焊采用了焊，存在焊接电流过零点而电弧不稳定问题，从而对保护变差，周围环境中分进 .而采用直流正极性焊接方，直焊接过 电弧稳定，可以防电弧不稳发生.(4) 保护.保护对氢形有明显 ，但是这些 法调整，目采用保护 是常规方法，没有改进措施.通过期的堆焊及对焊 试验获得A :! + 36C LiF o 14C KF -A 1F ! + 11C I]S iF 6混合组分性剂.试验结果表明，A :3可以明显增加焊缝 ，能 与SiC /增加 效果;L iF 可以 焊缝表和残渣效果 ，但加 效果一般;KF - A 10去焊缝表 和残渣效果 ，但焊缝效果差，焊缝余大;I ] SiF 6具有加电弧稳定性用，添加过焊接过不 变， 焊缝重 ， 效果 般.合组分性以增加 ，?咸焊接电流，提热利用率，能.另铝合金表，使焊缝表面保持光洁度.铝合金表 在 毛 隙，在潮湿环境下，表面氧化膜转化为含水氧化膜A :〇3,10,A :〇3*3H 2〇.在焊接电弧高温作用下，母材及焊丝表分解为A 1203 .H 20 m A ：03 +1〇(1)A 1203 .3H 20 m A ：03 +3H 20(2)2A 1+3H 20=A :03 +6[H ](3)原子氢进入焊缝 ，铝合金在高温状下氢解度 大， 而在 温 下氢 解度802第3期栗慧，等#2219铝合金直流正极性A -TIG 焊接技术93很小，当熔池冷却凝固时，多余的氢来不及溢出，则 留在焊缝中成为过饱和的氢，为焊缝中氢气孔的产 生提供了前提条件.因此去除铝合金表面氧化膜， 可以很好的抑制焊缝氢气孔的产生.此外，活性剂 可以用来隔离和清除熔池中的氢，这种活性剂在焊 接过程中熔化覆盖在熔池上，能够起到隔离焊接气 氛中水分进入熔池、与熔池中的氢反应生成不溶于 金属溶液的气体.活性剂的主要成分是氟化物，氟化物在电弧作用下能够电离出大量的F 离子.熔池 中溶解的H 离子能够与F 离子发生反应，生成H F ，H F 在熔池中溶解度非常小，容易在焊接过程中溢出熔池.大量的F 离子在电弧气氛中能够将周围环境 中侵入的水蒸气以及焊丝中带来的水蒸气电离出来 的H 离子迅速反应掉，生成H F ，不会进入到熔池中， 这样有效地改善了由于交流焊接方式电弧不稳定而 带来的H 离子.4结 论(1) 焊前在待焊区域表面预先涂敷一层表面除气去膜活性剂，实现了 2219铝合金的直流正极性A -T G 焊接，获得了无气孔缺陷、表面成形良好、力学性能优异的2219直流A -T IG 焊缝.(2) 2219铝合金直流A -T IG 焊焊缝表面成形 与变极性（G 焊相似，但电弧热量更为集中，焊缝宽 度从18 m m 减小为13 mm . 2219铝合金变极性TIG 焊焊缝内部气孔呈链状分布，高于17个;而2219铝 合金直流A -T IG 焊内部气孔数量显著减少，当活性 剂浓度为10%时，内部气孔数量为〇,实现了 2219 铝合金的无气孔缺陷焊接，同时焊缝区组织得到了度.(3) 2219铝合金变极性T IG 焊接头抗拉强度 最低，为263 MP ?焊接接头性能一致性差;2219铝 合金直流A -T IG 焊接头抗拉强度均高于变极性TIG 焊接头，焊接接头性能一致性也得到明显改善，当活性剂浓度为10%时，抗拉强度最好，可达295 MPa .参考文献：(1) Im m arigeo n J P , H o lt R T , K o u l A K ,et al.L ig h t w e ig h t m a te ri­als fo r a irc ra ft a p p lic a tio n s (J ). 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