摘要
通过对原始搅拌摩擦焊（FSW）接头中间位置进行缺口挖补以模拟焊缝缺陷，采用钨极氩弧焊（TIG）补焊对其进行焊缝缺陷修复试验，研究该补焊工艺对接头微观组织及力学性能的影响规律，为贮箱的FSW焊缝性能评价提供技术支撑和后续工程指导。结果表明，相较于FSW接头，补焊接头TIG焊缝区主要由较大的等轴树枝晶组成，且与FSW焊缝交界处相互掺杂着粗大等轴晶和细小等轴晶；补焊接头固溶区受热循环影响较大，晶粒较为粗大，而过时效区受热循环影响较小，会发生过时效化并形成软化区。补焊接头抗拉强度与延伸率相较于原始FSW接头有所降低，硬度分布大致呈“W”形，WNZ区为硬度值最低处；补焊接头断裂位置始于焊趾处，断口存在大量韧窝，同时韧窝内存在第二相粒子，呈现韧性断裂机制。
2219铝合金已广泛应用于新一代航天运载火箭燃料贮箱的主体结构，而搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种固相连接技
目前国内外虽然已存在各类FSW焊缝修复技术，但针对FSW焊缝缺陷的补焊工艺研究尚浅，对补焊接头的组织性能评价仍需深入探究。本文通过对原始FSW接头中间位置进行缺口挖补，以模拟焊缝可能存在的缺陷，运用钨极氩弧焊（Tungsten Inert Gas，TIG）焊接方法进行单层盖面焊修复试验，研究该位置处的补焊工艺对接头微观组织及力学性能的影响规律，根据断口特征分析接头断裂机制，对比分析补焊条件下接头与原始FSW接头的组织性能差异，为贮箱的FSW焊缝性能评价提供技术支撑和后续工程指导。
本试验选用材料为2219-T87铝合金，试样规格为300 mm×600 mm×6 mm，接头形式采用搅拌摩擦焊对接接头。2219-T87母材主要组成物为α固溶体、θ相（Al2Cu）和T相（Al20Cu2Mn3），化学成分及力学性能如
| 化学成分/wt% | 力学性能 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Al | Cu | Mn | Zr | 杂质 | 抗拉强度σs/MPa | 延伸率/% | ||
| 余量 | 6.03 | 0.31 | 0.18 | ≤0.25 | 450~455 | 12.0~13.0 | ||
FSW试验采用的主要加工设备是自制的LQH-G15龙门式搅拌摩擦焊机，搅拌头尺寸选择如下：轴肩直径为18 mm，搅拌针根部直径为8.0 mm，搅拌头长度为5.85 mm，如
（a） FSW试验设备
（b） 搅拌头实物图
图1 FSW试验设备及搅拌头
Fig.1 Test equipment of FSW and stirring head
为了模拟贮箱中FSW焊缝的焊接缺陷情况，焊后在原始FSW接头中间位置区域进行挖补，缺口尺寸为宽度6 mm×深度4 mm，变极性TIG焊过程如
图2 变极性TIG补焊示意图
Fig.2 Photograph of variable polarity TIG welding
TIG补焊试验完成后，采用电火花数控切割机沿垂直于焊接方向截取焊接接头横截面，并用镶牙粉制成金相试样，用金相砂纸和金刚石抛光液对金相试样进行粗磨、精磨和抛光，并用Keller试剂（2.5 mL硝酸+1.5 mL盐酸+1 mL氢氟酸+95 mL水）对抛光后的试样进行腐蚀，采用金相显微镜进行微观组织观察。参考GB/T228.1—2010金属材料室温拉伸试验方法，沿垂直于焊接方向在焊缝上切取标准拉伸试样，在100 kN万能材料试验机上进行拉伸试验，设置拉伸速率为1 mm/min，采用场发射扫描电子显微镜对断后接头横截面、断口表面的宏观形貌和微观结构进行观察分析。在硬度计上进行显微硬度测试，从2219-T87原始FSW接头及补焊接头的焊核区中心，板厚3 mm处开始打点，间距为0.5 mm，试验载荷为100 g，加载时间为10 s，显微硬度测试点分布见
图3 显微硬度测试点示意图
Fig.3 Photograph of microhardness test points
图4 原始FSW接头与补焊接头截面形貌
Fig.4 Cross-section macroscopic feature of
the welded joint and the repaired joint
图5 原始FSW接头各区域微观组织
Fig.5 Microstructure of the welded joint
图6 补焊接头各区域微观组织
Fig.6 Microstructure of the repaired joint
图7 不同补焊条件下接头截面硬度分布
Fig.7 Microhardness distribution of the joint under different repair welding conditions
原始FSW与中间位置补焊条件下接头的拉伸试验结果如
| 样品编号 | 平均抗拉强度 σb/MPa | 平均载荷最大值 Fb/N | 平均延伸率 δ/% |
|---|---|---|---|
| 1~3 | 334.88 | 32614.50 | 9.85 |
| 4~6 | 314.53 | 30631.41 | 6.85 |
图8 原始FSW接头及补焊接头横截面断裂路径
Fig.8 Cross section fracture path of
the welded joint and the repaired joint
图9 原始FSW接头断口形貌
Fig.9 Fracture morphology of the welded joint
图10 补焊接头断口形貌
Fig.10 Fracture morphology of the repaired joint
（1）在典型焊接参数：转速600 r/min、焊接速度200 mm/min、补焊焊接电流160~210 A下，补焊接头表面成形良好，各分区组织特征明显，补焊接头硬度、抗拉强度和延伸率接近无缺陷原始FSW接头，基本达到FSW焊缝修复效果。
（2）补焊接头横截面根据微观组织特征可分为TIG焊缝区、TIG热影响区（包括固溶区和过时效区）、FSW焊核区、前进侧和后退侧熔合区以及母材区。原始FSW接头焊核区组织为细小等轴晶，补焊接头焊核区的细小等轴晶与沉淀相粗化，固溶区沉淀相数量减少，过时效区的强度降低，形成软化区。
（3）补焊接头平均抗拉强度接近原始FSW接头，二者断裂方式均为韧性断裂。原始FSW接头断裂位置在热机影响区附近，断口存在大量韧窝及撕裂棱；而补焊接头断裂位置始于补焊焊缝焊趾处，断口处韧窝更细小。二者拉伸强度相近，但补焊接头塑性程度较低。
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