行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
高強度鋁合金銲接熱影響區之特性研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2216-E-009-024- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學機械工程研究所 計畫主持人： 周長彬 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 92 年 10 月 30 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 高強度鋁合金銲接熱影響區之特性研究 ※
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計畫類別：■個別型計畫 ■整合型計畫 計畫編號：NSC 91－2216－E－009－024 執行期間：91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日計畫主持人：周長彬 教授
計畫參與人員：蔡曜隆
本成果報告包括以下應繳交之附件： □赴國外出差或研習心得報告一份□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份 執行單位：國立交通大學機械工程學系中 華 民 國 92 年 9 月 30 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
高強度鋁合金銲接熱影響區之特性研究
The Study of Characteristics in Weld Heat Affect Zone of
Aluminum Alloys
計畫編號：NSC 91-2216-E-009-024
執行期限：91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日
主持人：周長彬 教授 國立交通大學機械工程學系
計畫參與人員：蔡曜隆 國立交通大學機械工程學系
一、中文摘要 本文使用 Gleeble 1500 來模擬 2091 及 2219 兩鋁合金之銲接熱影響區，利用熱延 性試驗來探討其高溫特性。試驗結果顯示 2091 鋁合金在高溫具有較低之延性，較高 之熱裂敏威性。而 2091 鋁合金之滾壓軸向 及橫向之熱延性並無明顯之差異。由於 2091 有鋰元素，在高溫容易在晶界形成 T2(Al6CuLi3，)相，使之產生不平衡共晶融 91 解造成品界液化。利用電子顯微鏡觀 察，發現 209I 鋁合金在熱扭伸試驗中，隨 著延性之降低，拉仲破裂模式由延性穿晶 轉為脆性延晶。 關鍵詞：鋁合金 2091、鋁合金 2219、銲接 熱影響區、熱延性測試 AbstractHigh-strengthened aluminum alloy plays an important role in the aerospace industry recently owing to their high strength and low density. The heat-affected zone (HAZ) is an important part of the weldment, because any thermal cycle will affect the precipitation behavior in that region. The microstructure, hot ductility, tensile strength, and corrosion resistance can be affected by the thermal cycle during welding fabrication. This project was the third year studies of the planned three-year long term project. It included the hot ductility testing of aluminum alloys 2091 and 2219 using Gleeble HAZ Simulation tester, microstructural examination, and SEM examination. The experimental results indicated that 2219 has a better hot
ductility and lower hot cracking sensitivity than that of 2091. One of the possible reason is the precipitation of T2(Al 6CuLi 3) at high temperature.
Keywords：Aluminum alloys 2091 and 2219,Heat-affected zone, Hot ductility, Hot cracking sensitivity 二、計劃緣由與目的 鋁鋰合金自 1920 年代即開始發展。由 於含有鋰元素，比一般傳統鋁合金具有更 低之密度及更高之彈性係數。當合金中加 入鋰(Li)元素，每增加一重量百分比之 鋰，則可降低約 3%之密度，增加約 6%之 彈性係數（1） 。最近，隨著航空工業之發展， 高酬載之需求使得鋁鋰合金再度受到重 視 。 但 由 於 鋰 會 降 低 合 金 之 韌 性 (Thoughness)及延性(Ductility)，故有不同特 性之鋁鋰合金被陸續發展出來。2091 鋁鋰 合金主要析出相為δ’(Al3Li)，S’(Al2CuMg) 及，(Al6CuLi3)相（2）。主要之強化相為δ’ 相及 S’相（1，3） 。T2相對強度之效用很小（1）， 能在晶粒及晶界析出（4） 。當在晶界析出能 產生析出缺乏區，增加應力腐蝕之敏感性 （4） 。2091 為中強度鋁合金，比 2024-T3 低 8%之密度，高 7%之彈性係數。2219 鋁合金 係針對改良 2000 系列之高溫性質而研發， 熱裂傾向低，具有良好之銲接性。本文比 較兩者之高溫銲接熱裂敏感性，並探討 2091 鋁合金高溫銲接熱裂產生之原因。 三、實驗方法
本文使用商用2.5mnm厚之2091-T3鋁 鋰合金及3．0mm厚之2219-T31作為研究對 象，其分析之化學組成如表1。使用鎢電極 電弧銲接（GTAW），熱輸入量為610J/mm。 所量測之最高峰值溫度為546℃，其熱循環 如圖1所示。 本研究使用Gleeble Model 1500來進 行熱延性測試及零強度試驗。零強度溫度 之測試，係先將試片施加一微小之力量 (5kg)，再將試片加熱至比預期之零強度溫 度略低之溫度(590℃)，然後以每秒鐘1℃ 之溫升加熱，直至試片斷裂，並記錄斷裂 之溫度，此為零強度溫度。零強度溫度決 定後，進行熱延性測試，將試片沿著所量 測之熱循環加熱至所需之峰值溫度，以 5cm/sec之扭伸速率在加熱和冷卻之過程 中 進 行 拉 伸 試 驗 並 記 錄 斷 面 收 縮 率 (ReductioninArea)。在本文中，進行兩個 熱循環之熱延性測試，一個為加熱至趨近 於零強度溫度(610℃)，另一個為加熱至略 高於零延性溫度(560℃)，如圖1所示。 將拉斷之試片進行顯微組織之觀察。 取拉斷試片之破斷面進行SEM觀察，並取拉 斷試片之拉伸軸向截面進行背散電子影像 (Backscattered Electron Images)分析及 EDX分析。背散電子影像分析僅將試片研磨 拋光。 四、結果與討論 零強度溫度之試驗結果顯示2219-T3I 之平均零強度溫度為618℃，2091-T3之平 均 零 強 度 溫 度 為 615 ℃ 。 2091 之 熔 點 為 560-670℃，由此推斷在零強度溫度可能已 有部分熔解。 2219-T31及2091-T3之熱延性測試結 果如圖2所示。2219鋁合金之熱延性，在500 ℃最高，有90﹪延性。過了500℃延性急遽 下降，到了545℃延性降為零。此溫度為零 延性溫度。自610℃冷卻，在530℃延性大 約恢復10﹪，在480℃延性恢復為82﹪。自 大於零延性之溫度冷卻，延性恢復超過5﹪ 之 溫 度 定 義 為 延 性 恢 復 溫 度 (Ductility Recovery Temperature，DRT)，2219鋁合 金之延性恢復溫度為530℃。當冷卻繼續進 行，延性略低於加熱時同溫度之延性。2091 鋁合金在450℃有最大之延性70﹪，過了 450℃延性急遽下降，到了540℃延性降為 零。自610℃冷卻，在470℃延性恢復 約5 ﹪，此溫度為2091之延性恢復溫度。在400 ℃延性恢復為35﹪，當冷卻繼續進行，延 性維持在30-35﹪之間。經過610℃之峰值 溫度後在冷卻過程中，2091鋁合金具有較 低之延性恢復溫度，且喪失了大部分之延 性。因此在銲接過程2091鋁合金較2219鋁 合金容易產生熱裂。 比較經過610℃峰值溫度之熱循環， 2091橫向及縱向之熱延性，如圖3所示。在 升溫過程中，均在450℃有最大延性，然後 延性劇降。在升溫之過程中，縱向比橫向 具有較佳之延性。在冷卻過程兩者之差異 不大。 圖4比較2091鋁合金縱向試片，經峰值 溫度610℃及560℃之熱延性。兩者延性之 差異非常大。加熱至560℃之試片，在冷卻 至370℃時恢復與加熱溫度相同之延性。但 加熱至610℃之試片，在冷卻過程中延性無 法恢復。此代表經較高峰值溫度熱循環愈 有可能產生熱裂。圖5比較經峰值溫度610 ℃及560℃之熱循環，2091鋁合金橫向試片 之熱延性。其延性之差異亦和縱向試片一 樣。經峰值溫度560℃之熱循環具有較佳之 延性恢復，在冷卻至370℃時恢復與加熱溫 度相同之延性。經峰值溫度610℃之熱循 環，在冷卻過程中延性無法恢復加熱溫度 相同之延性。 圖6顯示2091縱向試片經加熱至610℃ 之SEM破斷面。加熱至450℃亦即延性最高 溫度，由破斷面觀察(圖 6(a))可看出為 延性穿晶(Transgranular)破裂。加熱至 500℃，亦即延性劇降區域，被斷面觀察可 看 出 為 半 穿 晶 (Semi-Transgranular) 及 半延 晶（Semi-Intergranular） 之顯微 結構如圖6(b)所示。加熱至540℃，亦即在 零延性溫度，由SEM破斷面觀察可看出幾乎 為脆性(Brittle)之延晶(Intergranular) 破裂如圖6(c)。加熱至610℃，此為接近零 強度溫度，SEM破斷面觀察可看出為完全脆 性延晶破裂如圖6(d)。加熱至610℃後再冷 卻至480℃ 之SEM破斷面觀察，如圖6（e）
可看出為半穿品及半延晶之顯微結構。加 熱至610℃後再冷卻至400℃，此溫度為最 大延性恢復溫度，由SEM破斷面觀察可看出 為穿晶顯微結構，如圖6(f)。 取 209-T3 橫向拉斷試片之軸向截面， 利用背散電子影像掃描接近斷裂區域，如 圖 7 所示。白色亮點或線表示含 Cu 成分， 灰色基地表示 Al，黑色表示裂紋或孔穴 (Cavities)，黑色區域用 EDX 分析仍與灰 色基地之成分相同，代表探測到裂紋或孔 穴內之成分。用 EDX 分析白色亮點，含 Cu 比例為 22﹪及少量的 Mg，剩餘為 Al，此析 出物應為 T2相。圖 7(a)為加熱至 540℃拉 斷試片之軸向截面背散電子影像掃描，在 晶界有許多 T2相析出物但沒有裂紋。圖 7(b) 為加熱至 540℃拉斷試片之軸向截面背散 電子影像掃描，在晶界上有許多裂縫甚至 出現在晶粒內此乃由於 T2相之融解。圖 7(c) 為加熱 610℃再冷卻至 480℃拉斷試片之軸 向截面背散電子影像掃描，我們可看到 T2 相在晶界聚集，且 T2相在晶界熔解而產生 黑色裂紋。圖 7(d)為加熱 610℃再冷卻至 400℃拉斷試片之軸向截面背散電子影像 掃描；晶粒內之白色亮點消失，而在晶界 仍有 T2相聚集，且晶界之裂紋消失僅剩孔 穴(Cavities)。此表示存在晶界之 T2相在 加熱過程不完全融解或在冷卻過程不能完 全恢復而遺留孔穴，此可能為冷卻過程延 性無法完全恢復之原因。E. A. Starke， Jr．等人"研究 Al-2.46 Li-2.04 Cu-0.96 Mg 之延晶破裂行為，發現快速升溫至 545 ℃以上之溫度之固溶處理會產生晶界析出 相之不平衡共晶融解。此為延晶破裂之原 因。銲接過程亦為快速加熱現象。本文中， 在 540℃溫度破裂模式由穿晶轉換為延 晶。2091 合金之 T2相在峰值時效及過時效 處 理 經 常 在 粒 內 及 晶 界 上 看 到（ 4 ， 6 ） 。 Papazian （ 7 ） 使 用 微 差 掃 描 卡 計 (Differential Scanning Calorimetry)來 研究 2091 合金之析出行為，發現在 350℃ 有大量 T2相析出。Cassada 等人（8）研究 2090 系列合金，指出 T2相在 170-520℃溫度為 穩定之析出物。由本文之觀察，我們推論 為：2091 合金在高溫時 T2相在晶界析出， 產生不平衡共晶融解導致晶界液化而產生 熱裂。 五、結論 (1) 2091鋁合金比2219鋁合金有不良之熱 延性，有較高之熱裂敏感性。在冷卻之 過程中2091延性恢復較慢，加熱至零強 度溫度後冷卻，延性不能完全恢復。 (2) 2091鋁合金之滾壓軸向與橫向之熱延 性差異不大。 (3) 2091鋁合金之零延性溫度為540℃，在 此溫度由穿晶轉換為延晶破裂。 (4) 2091鋁合金延性喪失之原因為T2相在晶 界聚集，產生不平衡共晶融解，導致晶 界液化。在冷卻過程，T2相無法完全恢 復而遺留孔穴。 (5) 使用NST比使用NDT作為熱循環之峰值 溫度較能測出2091-T3之高溫熱裂敏感 性。 參考文獻 (1) A.K.Noor,S.L.enneri .'Flight-Vehicle Materials , Structures , and Dynamics Assessment and Future Directions' , Vol 2,118-160;1994,New York, ASME.
(2) P. Sainfort and B. Dubost, J. De Physique, 1987, Colloque C3, 48 , 407- 413.
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(4) Geng Hongbin, Li Reshun, Scripta Metallurgica et Materialia, 31, 10,1994, 1431-1436.
(5) P. Bourgasser, J. A. Wert, E. A.Starke, Jr., Materials Science and Technology,5, 1989, 1102-1108.
(6) Ph. Meyer and B. Dubost, 'Aluminum-lithium Alloys III', C.Baker, P. J. Gregson, S. J. Harrisand C. J. Peel, eds.. Institute of Metals, 1986, 37-46.
(7) J. M. Papazian, in: ' Thermal analysis in metallurgy', (ed.Robert D. Shull and A.Joshi), 2 59-278; 1992,Pennsylvania, TMS.
(8)
W. A. Cassada, G. J. Shiflet and E. A. Starke, Jr., in: 'Aluminum Alloys, Their physical and mechanical properties', vol II, (ed. E. A. Starke, Jr., and T. H.Sanders, Jr.), 695-710; 1986, EMAS,Warley, England. 圖 1 量測及加熱之溫度循環 圖 2 2219 及 2091 鋁合金之熱延性 圖 3 2019 橫向及縱向之熱延性 圖 4 2091 鋁合金不同峰值溫度之熱延性圖 5 2091 合金橫向不同峰值溫度之熱延性 （a） （b） （c） （d） （e） （f） 圖 6 2091 鋁合金之 SEM 破斷面顯微組織
（a） （b） （c） （d） 圖 7 2091 合金之背散電子影像 表 1 2091 及 2219 鋁合金之化學組成 wt%
