路全彬 龍偉民 沈元勛 杜全斌 孫華為

摘要： 采用浸泡試驗和失重法研究了5083鋁合金焊接接頭腐蝕行為，并對接頭進行室溫拉伸測試，通過掃描電鏡對接頭進行微觀形貌分析和斷口分析。結(jié)果表明，5083鋁合金焊接接頭不同區(qū)域腐蝕性能存在顯著差異。焊縫區(qū)耐腐蝕能力最差，熱影響區(qū)次之，母材最耐腐蝕。焊縫區(qū)成分、組織不均、并存在殘余應(yīng)力，造成此區(qū)耐腐蝕性最差。焊接接頭經(jīng)過腐蝕后，斷裂方式發(fā)生改變，接頭強度損失嚴重。

關(guān)鍵詞： 鋁合金；焊接接頭；耐腐蝕性能；力學(xué)性能

中圖分類號： TG-457.14

Abstract： Immersion test and weightlessness were used to study the corrosion behavior of 5083 aluminium alloy welding jointsThe corrosion microstructure and fracture were analyzed by scanning electron microscopy. The results show that corrosion behavior of 5083 aluminium alloy welding joints were difference among the weld zone， the heat affected zone and the base metal. The weld zone corrosion resistance is the worst， followed by the heat affected zone， thus the base metal is most corrosion resistance. The weld zone corrosion resistance is the worst because of heterogeneous microstructure and residual stress. The strength of the welding joints loses heavey after corrosion.

Key words： aluminium alloy； welding joint； corrosion resistance； mechanical properties

0 前言

鋁和鋁合金焊接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高速列車、地鐵、輕軌等城市軌道交通，軍工領(lǐng)域，汽車車輛和船舶、儲罐行業(yè)等，并且對焊接質(zhì)量要求較苛刻[1]。鋁合金焊接接頭存在化學(xué)成分、組織和力學(xué)性能的不均，焊接變形和殘余應(yīng)力的存在，對接頭腐蝕性能造成很大影響[2-4]。焊接接頭的腐蝕對整個焊接構(gòu)件的可靠性造成很大的影響[5]。

報道中，關(guān)于鋁合金在腐蝕條件下的強度性能已進行大量研究，如Alexoppoulos等人[6]研究了預(yù)腐蝕對鋁合金拉伸性能和斷裂韌性的影響。Burns等人[7]研究了腐蝕對鋁合金疲勞極限的影響。但關(guān)于鋁合金焊接接頭腐蝕與強度的損失研究相對較少。

文中首先研究了5083鋁合金焊接接頭在酸性腐蝕溶液中的腐蝕行為，取得鋁合金焊接接頭試樣的腐蝕性能數(shù)據(jù)，然后對接頭進行力學(xué)性能測試，評價腐蝕行為對力學(xué)性能損失的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與試樣

試驗用母材為H112狀態(tài)的5083鋁合金板，厚度為3 mm。填充材料為1.6 mm的ER5356鋁合金焊絲。采用熔化極氬弧焊進行焊接，焊接電流為120～140 A，電弧電壓為21～23 V，焊接速度400～600 mm/min。焊接前，按照要求對母材及焊絲進行清理。

腐蝕試樣制備：分別在焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)和母材處，采用電火花線切割將接頭加工成10 mm×10 mm×3 mm試樣，每個位置各3塊。

拉伸試樣：按照GB/T 228—2012《金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法》制備標準拉伸試樣，平行試樣5個，對接頭腐蝕前后進行力學(xué)性能測量。

1.2 浸泡試驗

首先將各試樣進行打磨，用酒精將試樣表面油污清理干凈，在10%NaOH溶液中浸泡10 min，用水清洗，再浸入硝酸溶液中，直至表面光潔。取出試樣，用水洗凈，對腐蝕試樣進行稱重測量。用硅膠對試樣無暴露部分進行保護。腐蝕溶液配制：將30 g氯化鈉倒入1 000 mL水中配制氯化鈉溶液，然后在溶液中加入10 mL鹽酸（36%～38%）混勻。調(diào)整水浴槽溫度為（35±2）℃，待溫度恒定后將試樣放入溶液中浸泡24 h。腐蝕結(jié)束后清除腐蝕產(chǎn)物并對試樣進行清洗，然后稱重。用菲利普Quanta-2000型掃描電子顯微鏡對試樣進行形貌分析。[JP]

運用C45-105微機控制電子萬能試驗機，對接頭未腐蝕試樣和腐蝕試樣進行力學(xué)性能測試。

采用失重法對24 h腐蝕速率V進行測定。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 腐蝕行為分析

對24 h腐蝕前后的試樣進行稱重，并計算平均腐蝕速率，將結(jié)果列于表1。

從表1可以看出，鋁合金焊接接頭經(jīng)過24 h的浸泡腐蝕后，接頭各位置的腐蝕速率存在差別。表現(xiàn)為焊縫和熱影響區(qū)腐蝕速率大于母材腐蝕速率。

圖1為焊接接頭浸泡腐蝕表面SEM形貌，由圖可知，在酸性NaCl溶液中，焊接接頭的不同位置均產(chǎn)生明顯的腐蝕現(xiàn)象，但各位置腐蝕形貌存在差異。圖1a焊縫處，腐蝕坑密集，蝕坑直徑大而深。呈現(xiàn)多孔的蜂窩狀形貌，增加了腐蝕表面積，加快焊縫腐蝕，最后呈現(xiàn)嚴重腐蝕形貌。圖1b中熱影響區(qū)與焊縫處相比，蝕坑密度減小，蝕孔淺而小。圖1c的母材腐蝕坑稀疏，蝕坑小且很淺。

通過腐蝕速率和腐蝕形貌的比較，明顯看出，母材耐蝕性好于焊縫和熱影響區(qū)，焊縫區(qū)腐蝕最為嚴重。因為焊縫為快速冷卻的鑄態(tài)組織，內(nèi)部易存在缺陷，成分和組織存在不均性，并存在殘余應(yīng)力，故最不耐腐蝕。另外，由于焊絲鎂含量高于母材，造成焊縫含鎂量相對較高，由于鎂較活潑，耐蝕性比鋁差，故焊縫耐腐蝕性低于母材。母材為H112加工硬化狀態(tài)，組織比較致密，耐蝕性強。熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)的作用下，晶粒變的粗大，故耐蝕性比母材稍差，但好于焊縫區(qū)。

2.2 力學(xué)性能損失分析

表2 所示為鋁合金焊接接頭腐蝕前后試樣力學(xué)性能數(shù)據(jù)。試樣腐蝕前，斷裂位置在熱影響區(qū)。試樣腐蝕后，斷裂位置在焊縫，平均抗拉強度為174 MPa。試樣經(jīng)腐蝕后強度損失達到40%，由于焊縫區(qū)腐蝕最為嚴重，所以焊縫區(qū)為腐蝕試樣性能最薄弱區(qū)。

圖2所示為試樣腐蝕前后的拉伸斷口形貌。對試樣斷口進行宏觀分析，明顯看出（圖2a）接頭未進行腐蝕時，斷裂前出現(xiàn)明顯的塑性變形，表現(xiàn)為韌性斷裂。拉伸時，試樣先在中心開裂，形成微裂紋（圖2a箭頭所指位置），然后向外延伸，接近試樣表面時，沿著與拉力軸成約45°斜面斷開。經(jīng)過腐蝕的圖2c試樣，斷裂前沒有產(chǎn)生明顯的塑性變形，可以認為是脆斷。對試樣斷口進行微觀分析，可以看出，圖2b所示的試樣斷口形成大而深的韌窩，與宏觀上的韌性斷裂相對應(yīng)。而對與圖2d所示的經(jīng)過腐蝕的試樣，由于腐蝕產(chǎn)生的蝕[CM（23*3]坑，即缺口，形成裂紋源，裂紋由表面向內(nèi)延伸，表現(xiàn)為拉伸撕裂型斷裂，它內(nèi)部產(chǎn)生的韌窩小而淺，裂紋擴展快，在宏觀上表現(xiàn)為脆斷。通過對試樣斷口進行分析可知，腐蝕對試樣斷裂方式產(chǎn)生很大的影響，經(jīng)過腐蝕的試樣，表現(xiàn)為脆斷，且接頭力學(xué)性能下降。

3 結(jié)論

（1）鋁合金焊接接頭不同區(qū)域腐蝕性能存在顯著差異。焊縫區(qū)耐腐蝕能力最差，熱影響區(qū)次之，母材最耐腐蝕。

（2）焊縫區(qū)成分、組織不均及存在焊接殘余應(yīng)力，造成焊接接頭焊縫區(qū)耐腐蝕性差。

（3）焊接接頭腐蝕后改變了接頭斷裂方式，使接頭強度損失嚴重。

參考文獻

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