6082鋁合金攪拌摩擦焊縫的應(yīng)力腐蝕行為＊

秦典成，袁鴿成，張 普，袁 潛，駱志捷

廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006

攪拌摩擦焊接（FSW）是一種可用于各種合金板材焊接的綠色高效的固態(tài)連接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、軌道交通及船舶制造業(yè)等領(lǐng)域中［1－2］.6082鋁合金具有良好的可成形性和加工性、優(yōu)異的耐蝕性及可焊接性等特點(diǎn)，而成為上述領(lǐng)域中使用最多的鋁合金之一［3－4］.然而大量事實(shí)表明，焊縫是應(yīng)力腐蝕（SCC）易滋生的部位，且一旦腐蝕發(fā)生，便會引發(fā)災(zāi)難性的后果.目前，國內(nèi)外對該合金攪拌摩擦焊縫的研究主要集中在組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等方面，而對其SCC行為的研究較為少見.因此，探索6082鋁合金攪拌摩擦焊縫的SCC性能具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

1 試驗(yàn)部分

利用小型攪拌摩擦焊機(jī)對6082－T6鋁合金型材進(jìn)行焊接，焊接速度為118mm／min，攪拌針轉(zhuǎn)速為950r／min.焊接完畢后沿垂直焊接方向分別切取焊縫與母材的金相樣品，將兩組金相樣品表面打磨并電解拋光，拋光至表面無劃痕后進(jìn)行陽極覆膜，然后用光學(xué)顯微鏡（OM）進(jìn)行金相分析.

沿垂直焊接方向分別切取母材及焊縫的慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)的樣品，用砂紙打磨后用丙酮清洗，再用蒸餾水清洗并吹干，用氯丁橡膠封閉非工作段表面，分別在空氣及濃度為3.5%的NaCl溶液中對樣品進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸 （SSRT）試驗(yàn)，應(yīng)變速率為3.3×10－6s－1.待試樣斷裂后迅速取下，并用蒸餾水沖洗斷口，然后在丙酮中進(jìn)行超聲清洗，吹干后放入干燥皿中，用Hitachi S－3400N型掃描電鏡進(jìn)行斷口形貌分析.用PS－268A型電化學(xué)測量儀測試6082鋁合金壁板型材極化曲線，其中參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑片.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SCC性能分析

圖1為焊縫及母材的SSRT曲線，由此測得的性能指標(biāo)列于表1.應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)ISSRT常作為SCC敏感性的重要判據(jù)，其計(jì)算式為：

式（1）中：σfw，σfa分別為試樣在腐蝕介質(zhì)及惰性介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度；δfw，δfa分別為試樣在腐蝕介質(zhì)及惰性介質(zhì)中的延伸率.通常情況下0＜ISSRT＜1，材料SCC敏感性隨敏感指數(shù)增大而增強(qiáng).

據(jù)式（1）計(jì)算，得到母材與焊縫的SCC敏感指數(shù)分別為0.006和0.012.說明母材與焊縫的耐應(yīng)力腐 蝕性能良好，且母材的耐應(yīng)力腐蝕性能比焊縫略好.

圖1 母材與焊縫的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（a）焊縫的應(yīng)力－應(yīng)變曲線；（b）母材的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.1 Stress－strain curve of BM and weld－joint（a）stress－strain curve of BM；（b）stress－strain curve of joint

表1 SSRT實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental result

圖2 母材及焊縫的SCC斷口形貌（a）母材在空氣中；（b）母材在鹽水中；（c）焊縫在空氣中；（d）焊縫在鹽水中Fig.2 SCC Fracture morphology of BM and weld－joint（a）fracture of BM in air；（b）fracture of BM in NaCl solution；（c）fracture of joint in air；（d）fracture of joint in NaCl solution

2.2 SCC斷口形貌

圖2 為焊縫及母材的SCC斷口形貌.從圖2可見，無論是在空氣還是在腐蝕液中，二者斷口上均分布大量的韌窩，并呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征，這些韌窩的形成經(jīng)歷了裂紋的形核長大以及微裂紋的聚集.在鹽水中焊縫與母材的SCC斷口，局部出現(xiàn)了韌窩變淺及少許微裂紋形貌，呈現(xiàn)出朝脆性斷裂轉(zhuǎn)變的趨勢.這說明，在鹽水中盡管該合金SCC不敏感，但母材與焊縫局部仍有輕微的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象.

2.3 焊縫的極化曲線分析

圖3為6082－T6鋁合金FSW焊縫及母材的極化曲線.焊縫與母材在濃度為3.5%的NaCl溶液中的極化曲線幾乎重疊，焊縫自腐蝕電位約為－729 mV，母材的自腐蝕電位約為－709mV.母材自腐蝕電位較焊縫略高，這預(yù)示著焊縫的耐應(yīng)力腐蝕性能比母材略差.

圖3 焊縫及母材的極化曲線Fig.3 Polarization curve of BM and weld－joint

2.4 焊縫組織分析

一般經(jīng)攪拌摩擦加工后焊縫分為焊核區(qū)（Nugget）、熱力影響區(qū)（TMAZ）和熱影響區(qū)（HAZ），焊縫各區(qū)域組織與母材（BM）相比有著明顯的不同，各區(qū)域組織之間的差異也較為顯著［5－6］.

圖4為母材及焊縫各區(qū)的微觀組織.圖4（a）為母材組織形貌，從圖4（a）可以看出，經(jīng)淬火與人工時(shí)效處理后，母材橫截面的組織經(jīng)擠壓呈板條狀分布，第二相明顯地沿著擠壓方向均勻分布；圖4（b）為焊核區(qū)（Nugget）的微觀組織形貌，此區(qū)域由于受到強(qiáng)烈的摩擦熱和進(jìn)給力的雙重作用而發(fā)生塑性流變及動態(tài)再結(jié)晶，從而形成了細(xì)等軸晶區(qū)且第二相也得以重新分配；圖4（c）為熱力影響區(qū)（TMAZ），此區(qū)域由于攪拌頭的剪切作用力及摩擦熱的雙重作用而發(fā)生了不完全再結(jié)晶，攪拌頭產(chǎn)生的剪切力使晶粒沿剪切力的方向被拉長，晶粒尺寸大小不一，介于焊核區(qū)與母材之間；圖4（d）為熱影響區(qū)（HAZ），由于此區(qū)域僅受到摩擦熱影響，因而只發(fā)生靜態(tài)回復(fù)或再結(jié)晶，并且范圍較窄，相對于母材晶粒明顯粗化，其過程可以看成是特殊熱處理.焊核區(qū)與熱力影響區(qū)形成細(xì)小晶粒的同時(shí)，位錯密度也大幅度降低，材料的化學(xué)成分也得以均勻化［7］.腐蝕學(xué)的觀點(diǎn)認(rèn)為［8］：化學(xué)成分的均勻化會使基體金屬局部形成腐蝕電池的傾向降低；晶體缺陷的減少，會使參與表面腐蝕反應(yīng)的活性質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目也相應(yīng)地減少.因此，這二處成為了焊縫應(yīng)力腐蝕敏感性較低的部位.在HAZ與TMAZ交界處是熱輸入最大處，化學(xué)成分不如焊核區(qū)和熱力影響區(qū)均勻，晶體缺陷較多，形成局部腐蝕電池的傾向增加［7－8］，使該區(qū)域成為焊縫應(yīng)力腐蝕敏感性相對較高的部位，這是6082鋁合金攪拌摩擦焊縫應(yīng)力腐蝕敏感性略高于母材的一個(gè)很重要原因.

圖4 母材及焊縫各區(qū)的微觀組織（a）母材；（b）焊核區(qū)；（c）熱力影響區(qū)；（d）熱影響區(qū)Fig.4 Microstructure of BM and weld regions（a）microstructure of BM；（b）microstructure of Nugget zone；（c）microstructure of TMAZ zone；（d）microstructure of HAZ zone

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)慢應(yīng)變速率為3.3×10－6s－1時(shí)，在濃度3.5%的NaCl溶液中，6082鋁合金攪拌摩擦焊縫的抗SCC性能比母材的略差，應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)ISSRT分別為0.012和0.06.

（2）6082鋁合金攪拌摩擦焊縫的自腐蝕電位比母材的略低，分別為－729mV和－709mV，并且焊縫的熱影響區(qū)晶粒明顯粗化，這與焊縫SCC敏感性比母材的略高相吻合.

（3）無論在空氣中還是在濃度3.5%的NaCl溶液中，6082鋁合金攪拌摩擦焊縫的SCC斷口呈現(xiàn)與母材斷口相似的韌窩型斷口形貌，部分區(qū)域有朝脆性斷裂轉(zhuǎn)變的趨勢，表現(xiàn)出良好的抗SCC性能.

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