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2024铝合金属于可热处理强化铝合金,广泛应用于飞机蒙皮、翼梁等受力较大的结构件,而且随着高新技术的发展,其应用范围还在日益扩大。但是由于此类材料具有特殊的焊接性,焊接过程中易出现热裂纹、气孔等焊缺陷,获得的焊接接头的强度系数往往较低,使其在实际生产中的应用受到了一定的限制。为了获得满足实际使用要求的优质焊接接头,通常要根据被焊件的结构以及尺寸选择合适的焊接方法及工艺参数。本文研究了采用钨极氩弧焊(TIG)、熔化极氩弧焊(MIG)和真空电子束焊(EBW)三种不同焊接方法对不同厚度的2024铝合金板焊接接头性能的影响,并对获得的焊接接头组织与性能进行了系统的研究和理论分析,同时对其相关焊接工艺参数进行优化,得到了焊缝表面成形良好和接头质量优良的焊接接头。同时,文中还基于ANSYS软件采用双椭球热源模型对MIG和EBW焊接温度场进行了模拟分析,并通过APDL二次开发语言实现焊接过程中移动热源的加载和卸载,分析了在不同焊接工艺下接头温度场的分布特点,计算结果可为优化焊接工艺提供理论指导。
研究结果表明,采用三种焊接方法所获得的焊接接头的强度与母材本身的强度相比都有不同程度的下降,其中EBW接头强度最高,MIG接头强度次之,而TIG接头强度最低,但在通常情况下,EBW和MIG焊接头的强度均能够满足实际工程结构应用要求。接头金相组织观察显示,在三种不同的焊接工艺条件下,接头的焊缝金属区,电子束焊接工艺下焊缝的显微组织呈现细小的等轴晶,共晶组织分布更加均匀,而在钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊接工艺下获得焊缝的显微组织均呈现等轴枝晶形貌,晶粒尺寸也明显大于电子束焊缝区的晶粒尺寸；三种焊接接头的热影响区组织基本呈粗大的柱状枝晶形貌,但真空电子束焊接头的热影响区组织柱状晶尺寸相比其他两种焊接接头明显较小。对不同焊接接头的拉伸断口进行扫描分析,在TIG焊接头的断口表面形貌中可明显观察到河流花样及撕裂棱,呈典型的解理断裂特征；而在MIG焊和EBW焊接头的断口表面发现有大量的韧窝,并且在部分韧窝底部可以清晰看到有许多细小颗粒,韧窝外侧撕裂棱明显,呈现明显的韧性断裂特征。利用XRD对焊缝接头进行分析,结果表明三种接头的焊缝区都以α-Al相为基,此外,在TIG焊接头焊缝中发现存在θ(CuAl2)强化相及单质Si相；MIG焊接头焊缝中分布有θ(CuAl2)和Mg2Si等强化相；电子束焊接头焊缝中分布θ(CuAl2)和S(Al2CuMg)等强化相,并通过TEM微观分析进一步证实了接头中的强化相主要为θ(CuAl2)相。
利用ANSYS软件对厚度为8mm的2024铝合金MIG和EBW焊接温度场进行模拟分析,计算结果表明,采用双椭球体热源模型的模拟计算结果与实际焊接过程较为接近,验证了所建立的热源模型的可靠性。对模拟计算的结果进行分析,与实际焊接熔池形貌相比基本吻合。焊接工艺参数对温度场的影响分析表明,焊接速度越小,温度场高温区域范围和同一测量点的峰值温度越高；焊接功率越大,同一测量点的峰值温度也越高。
综合试验结果表明,采用熔化极氩弧焊和真空电子束焊接方法可实现中厚板2024铝合金的高质量连接。