铝合金时效处理

性能的影响

摘要：2219铝合金（铝，铜6.5％）是一个航空航天应用中最受欢迎的时间硬化合金，因为其优良的焊接特点，虽然AA2219在焊接性方面其6000和7000系列占有优势，当焊接时它容易受到薄弱的连接强度的影响。在本次研究中通过焊缝时效处理尽量提高焊接接头强度。本文介绍时效处理对焊接电子束拉伸性能AA2219铝合金焊接的影响。对接接头的平面制作，采用100千伏容量的电子束焊（电子束）机，焊缝在焊后给予人工时效处理。拉伸试验用100千牛进行，机电控制采用普遍试验机。焊后时效处理对提高焊缝金属的硬度和拉伸性能有益。这主要是由于从焊缝金属的微观结构看，在焊缝金属区域的CuAl2析出物总体分布在焊后时效接头与焊接接头相比其影响是显而易见的。 关键词： AA2219铝合金；电子束焊接；人工时效；拉伸性能

1简介

2219铝合金（铝，铜6.5％）是一个航空航天应用领域最受欢迎的时效硬化合金，因为它具有优良的可焊性。其他属于6000（铝硅镁）和7000（铝锌镁）系列的时效硬化合金容易产生凝固裂纹，而且必须使用不可热处理焊剂焊接。 AA2219基本上铝铜锰三元合金。AA2219是低温液体火箭燃料箱的建造最广泛的使用材料并具有好了独特的综合性能，如：可焊性，高强度重量比和优越的低温性能。

AA 2219铝合金首选的焊接工艺为GMAW焊和钨极气体电弧焊（氩弧焊），相比较更容易成型和更好的经济适用性。而且，等离子弧焊接以极高的极性电极和高焊接电流使铝组件被加入了一个良好的经济焊缝的质量。在几个不同的领域，对铝合金的使用逐渐增加。如压力容器，构造柱和运输系统就必须用多道焊进行焊接。在多道焊接下，它的焊缝特点和机械性评测就不能用单道焊缝的方法进行观测。

在与氩弧焊和气体保护焊弧相比较，电子束的特点是高功率密度大，从而允许单方面通过且对平面接焊厚度约8毫米的物体焊接速度可达1米以上/分钟。据了解，电子束焊接的铝合金焊缝较其它焊接呈现出较好的机械性能和用力学性能，文献报道结果表明，在电子束焊接和GTA或变极性等离子弧焊接为100 MPa

时，特别是在试件较厚的部分，拉伸强度在数值上存在很大差异。

相较于6000和7000系列合金AA2219合金更易焊接，但它也影响焊接接头的强度。在T87条件下，接头的强度只有约母材的40％，这都是自动生成的焊接，就像那些用匹配的填充物2319，其中包含略钛和锆含量较高。能量的损失是由于熔化和快速重凝，使得所有的加强沉淀溶解，材料为作为一个良好的溶质偏析及大型铸造材料柱状晶粒。

因此，在这次调查中试图向AA2219铝合金电子束焊接后通过简单的焊后人工时效处理提高接拉伸性能。电子束焊接AA2219铝合金后人工时效处理影响拉伸性能的影响报道。

2实验工作

基本金属（母材）在本次调查采用了轧对AA2219铝合金板，用钢锯切割分割为所需大小（300 × 150 × 12毫米）后打磨。它的化学成分和金属力学性能列于表1和2。水平对接配置准备制作电子束焊接接头。在接头制作中，采用电子束焊（电子束）机（泰克米特，法国）8千瓦。表3给出焊接条件和工艺参数，被用来制作过程由电子束焊接的接头。

表格一 母材化学成分（％）

Cu 6.33 Mn 0.34 Fe 0.13 Zr 0.12 V 0.07 伸长(%) 15 Si 0.06 Ti 0.04 Zn 0.02 Al Bal 表格二母材金属的机械性能 屈服强度(MPa) 392 表格三 电子束焊接工艺条件和参数 电流 电压 速度 焊枪工作距离 真空电子束

50mA 50KV 15mm/s 298 mm 10−4 bar 极限拉伸强度(MPa) 475 减少截面积(%) 10 维氏硬度（V) 140 大部分可加热的合金，热影响区的部分是退化到这样的程度，力学性能只有通过应用改进后热处理全焊接（固溶+时效）。铝铜合金接头性能得到改善的一个简单的沉淀（老化）处理，焊后的整个焊缝区硬化。为了研究时效处理对焊缝拉伸性能的影响，焊接接头两组分别为，（1）焊后自然接头及（2）人工处理接头。

作为焊后自然接头，无焊后热处理于，对它的机械和冶金性能立即进行了评价（在一个星期内）。人工处理的接头，让接头在175 ℃的电炉中保持12个小时，在炉温度下以100℃/小时冷却，直到被冷却到室温。

焊接接头被用钢锯剪切和用液压控制自动加工车床加工出所需的尺寸。横向拉伸试样准备如图1所示，为了获得拉伸接头性能。美国ASTM E8M - 90A型准则根据了准备试样的情况。光滑（无缺口）拉伸标本（图1a）准备横向评价接头的拉伸性能如屈服强度，抗拉强度，伸长率和百分比百分比减少截面积。缺口拉伸试样图1b）准备缺口拉伸强度评价和缺口强度比。

微观结构进行了检查使用光光学显微镜（VERSAMET - 3）注册成立用图像分析软件（Clemex -视力）。该金相检验的标本，切片从焊缝金属联合组成所需要的大小，热影响区，母材区。随后，他们被用砂纸打磨的不同等级。最后的抛光是利用钻石化合物（1微米颗粒大小）在光盘抛光机。标本被蚀刻Keller的试剂揭示微观结构。被测拉伸断口标本进行了分析用扫描电子显微镜（厂商：日本电子，日本;型号：5610LV）。样品保存用氧化物涂层防油。之前根据扫描电镜检查，超声清洗的标本用四氯化碳和丙酮。

a拉伸缺口（平滑）

b拉伸缺口试样

图一拉伸试样尺寸（所有尺寸以毫米）

3 结果

3.1 拉伸性能

通过横向拉伸性能，如屈服强度，抗拉强度，断裂伸长率，横截面面积减少的百分比，对2219铝合金电子束焊接接头性能进行评测。在每个情况下，三个样本进行了测试和三个结果的平均值计算，他们列于表4。

表四AA2219铝合金电子束焊接横向拉伸性能

接头类型 屈服强度(MP) BM AW AA 397 385 394 392 225 216 219 抗拉强度(MP) 472 484 469 475 245 235 234 伸长（％） 横截面面积减少（％） 16.2 14.8 14.0 15 10.8 10.2 10.8 11.2 9.6 9.2 10 6.6 6.1 5.8 缺口拉伸切口强度接头效率强度比率(%) （MPa） （NSR） 440 448 438 442 215 210 202 0.93 0.92 0.93 0.93 0.88 0.89 0.86 52 49 50 220（−238(43%) 49%) 238 232 229 266 257 263 −10.6 (−6.2 (−209 (−0.88 (−50.3 29%) 37%) 52%) 5%) 11.9 11.1 11.8 6.9 6.4 6.5 160 155 144 0.60 0.60 0.55 56 53 56 233 (−262 (−11.6 (−6.6 (−153 (−0.58 (−55 40%) 44%) 22%) 33%) 65%) 37%)

从这些数值中得出母材的变化，焊接母材的屈服强度和拉伸强度分别为392 MPa和475 MPa，但是，焊接接头的屈服强度和拉伸强度焊接接头分别为220 MPa和238 MPa这表明，电子束焊接大约对强度值有一个40-45％的减少。AA接头的屈服强度和拉伸强度分别为233 MPa和262屈服强度和拉伸强度MPa，接头强度的改善大约有10％。焊接母材的伸长率和减少截面积分别为15％和10％。但AW的伸长率减少6.23％这表明，AA2219铝合金电子束焊接延展性减少约30％是由于

母材的缺口拉伸强度（NTS）442兆帕。但是，AW的缺口拉伸强度为209兆帕。这表明，因为电子束焊接母材的缺口拉伸强度减少大约50％。电子束焊使AA的缺口拉伸强度达到153 MPa，这另一个缺口拉伸参数低。，切口强度低于焊接和热处理的铝合金2219接头。这表明，AA2219合金缺口敏感，都是脆性材料

的缺口。 NSR预计为焊接母材为0.93，但它是作为焊接接头0.88。联合效率是一个比之间的焊接接头拉伸强度和拉伸强度母材的焊接的。时效处理对AA2219铝合金AW接头的影响仅仅是50％，因为拉伸强度为焊接接头及焊接的母材分别为238 MPa和475 MPa时。可看到AA接头10％的增幅。

3.2硬度

焊缝截面硬度已用维氏显微硬度测试仪测量完成其值列于表5。母材的硬度（为焊接母材）在其初始T4状态VHN接约为140。但是，焊接接头的硬度为90 VHN，从而表明由于焊接热度的影响减少了50 VHN。AA接头的硬度为101 VHN，这比焊接接头大10VHN。类似的趋势也已观察到热影响区和BM地区。由于重结晶颗粒极细在该地区形成，热影响区硬度较WM高。

表格五 维氏的硬度值（加载0.05 kg）

接头类型 AW AA 焊缝 90(−35%) 101(−28%) 热影响区 105(25%) 115(−18%) 母材 125(−10%) 135(−3.5%) 3.3组织

对所有不同的接头组织进行显微镜观察并拍照如图2，3,4。图2是电子束焊接AA2219铝合金焊缝金属的微观结构显示，接头和焊缝区的各种晶粒基本相同，这表明时效处理对焊缝晶粒距离没多大改变。然而，因焊后热处理有一个明显的在沉淀物（黑色颗粒物）的变化，依靠固溶处理和时效处理，铝铜合金形成沉淀物CuAl2，在AA接头，沉淀物陆续在晶界聚集（图2a）。在AA接头由于人工时效处理，析出物分布在晶界形成网状物（图2b）。

一般来说，相比熔焊工艺，电子束焊接过程中产生的一个非常狭窄的热影响区（HAZ）。虽然热影响区很窄，它包含两个不同的区域，即，细晶热影响区（FGHAZ）和粗晶热影响区（粗晶区）。图 3描述了细晶HAZ的融合和图 4显示细晶HAZ和粗晶HAZ的相交区间。温度熔合区附近金属晶粒的增长没有因快速冷却而改变，晶粒在该地区更精细树枝晶的增长主要出现在热影响区（HAZ）的另一端。该区域，呈现球状晶相，被认定为粗晶区 。

a AW接头

b AA接头

图2光学显微镜下的焊缝

a AW接头 a AW接头

b AA接头 b AA接头

图3粗晶热影响区 图4 细晶热影响区

3.4断口

对AA2219铝合金电子束焊接拉伸试样的断口进行了电镜扫描揭示了断口形貌。无缺口和断口缺口拉伸试件如图5和图6分别显示。图5中的断口显示出，在拉伸载荷下的试样缺口没有韧性。在弹性测试中，一般空洞形成之前，缩颈。

相反，如果一个颈部形成较早，无效形成变得更为突出。AW接头的粗晶区如图5a，细晶区的AA接头如图5b。AA接头的晶相比AW晶相显示出更高的延伸韧性。即使这样，从断口形貌看，韧性材料（铝合金）缺口表现为脆性材料这显然是显而易见的。

a AW接头

b AA接头

图5 断口光滑（无缺口）拉伸试样

4讨论

从实验结果很明显的得出，AA2219铝合金电子束焊接的横向拉伸性能已被

大大减少了。焊后时效处理,有助于提高铝合金AA2219电子束焊接的拉伸性能。即使是简单的时效处理，也能在一定程度上改善电子束焊接AA2219铝合金的拉伸性能。拉伸试样的最失败的焊缝区它表明，焊缝区比其他地区弱，这也是明显的硬度测量（显示焊接区域低硬度比其他地区）。

在电子束焊接中，CuAl2晶体的大小和分布对拉伸性能和硬度起到很大的作用。从微观结构分析，这是观察到焊缝金属总是很容易组成等轴晶。目前没有任何证据发现产生树枝状结晶。这主要是由于电子束焊接的非常高冷却速度造成。细小均匀分布CuAl2晶粒析出的是由于高强度母材（AA2219）造成。焊接过程中，这些晶体就析出了的，焊缝应该有这种物质[8]。然而，由于对高冷却焊接涉及的不是物质都得到扩散，其中少数物质的析出如整个矩阵图6a所示析出。 甲晶体必须由铜，铝组成，因为没有填料合金使用了所以没有可能形成其他沉淀物。然而，这些形态的晶体并不像已知的任何铝铜晶体析出，如GP区，θ'和θ\"。 GP区是众所周知的形式沿{1000}晶面析出的，被认为是由两铜原子中由三个Al原子分离。 θ'是CuAl2相[9] semicoherent板。上述的圆形颗粒可不是金属焊接所造成的。大卫和维特克认为，这一可能性是，这些沉淀物在焊缝金属中的析出是由于快速熔化和凝固，而完全溶解的沉淀物则不能发生。

它也期待有溶解析出的CuAl2完全，由于自然老化或由于其余焊接焊后热处理是完整的。这是早期表现出的特征， 因为观察到电子束焊接后的晶相颗粒圆润。因此，它也有可能是在电子束焊接金属颗粒的沉淀物（图6a）他们已经完全融化在焊接过程，可导致焊缝金属的自然老化。

a AW接头

b AA接头

图5 缺口拉伸试样的断口

在电子束焊接，焊缝快速升温的原因使热影响区区域达到溶液的温度。此外，电子束焊接过程是一个很快的过程，因此，在冷却过程中的冷却速度高（快冷却）。因此，AW接头的条件类似的AS -溶液处理（ST）的条件。在固溶处理的情况下，该材料是直接淬火从溶液温度为冷水澡保留溶解在铝铜矩阵本身。但在如焊接条件下，接头不淬火冷焊后立即用水，相反，他们被允许冷却至室温。因此，它也有可能在电子束焊接金属颗粒的沉淀物可能在焊缝中自然老化，他们已经完全融化在焊接过程。在AA接头中，由于长时间加热（将近12小时）沉淀颗粒生长和变得粗糙，出现连续沿晶界（图6b）。早先的研究]结果表明，高强度的原因之一电子束焊接金属的铜均匀分布矩阵。这可能是原因和改进接头拉伸性能和硬度的特性。

5结论

在这文章中，焊后时效处理对电子束（EB）焊接AA2219铝合金具有在详细分析。继本次调查推导出了重要的结论：屈服强度和焊后拉伸强度AA接头分别为和262 MPa的233MPa。与AW接头相比，数值增长约10％。AA接头的伸长率和截面积分别减少了11.6％和6.66％，与AW接头相比，改善其性能10％。AW接头中以不连续团聚方式在晶界中析出，在AA接头中，沉淀分布在晶界中

形成一个网状。这应该是时效处理改善接头性能的原因。

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