鎂合金點(diǎn)焊接頭組織的耐蝕性

馬天鳳，李 澤，程艷艷

（1.河南機(jī)電高等專科學(xué)校 材料工程系，新鄉(xiāng)453002；2.華蘭生物工程股份有限公司，新鄉(xiāng)453002）

焊接技術(shù)和工藝是鎂合金材料進(jìn)一步推廣應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵問題之一。電阻點(diǎn)焊是鎂合金眾多連接方法中具有較大應(yīng)用潛力的一種，也是汽車制造中應(yīng)用最多的一種焊裝方法，所以研究鎂合金電阻點(diǎn)焊對(duì)于汽車工業(yè)具有重要的意義。

腐蝕是鎂合金在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用時(shí)最重要的問題之一［1］。到目前為止，比較成功的鎂合金的應(yīng)用主要還是集中于汽車中工作環(huán)境較為溫和的地方。鎂合金及鎂合金焊接件在這些地方是否會(huì)發(fā)生腐蝕失效以及如何減小這種因腐蝕而引起的失效，正是目前汽車行業(yè)必須面對(duì)的問題［2］。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及焊接設(shè)備的選用

試驗(yàn)材料為板厚2mm的AZ31B鎂合金［3］，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為：Al 2.5～3.5，Zn 0.6～1.4，Mn 0.2～1.00，Si 0.1，余量為鎂。

設(shè)計(jì)接頭形式如圖1所示。其中圖1（a）的接頭用于測(cè)試工藝參數(shù)以及進(jìn)行撕裂試驗(yàn)和金相組織觀察；圖1（b）則是根據(jù)拉剪試驗(yàn)對(duì)鎂合金薄板的尺寸要求設(shè)計(jì)的。對(duì)厚度為2mm的試樣薄板進(jìn)行點(diǎn)焊，其組合為2mm＋2mm接頭。其中試樣薄板寬度B＝20mm，試樣薄板長(zhǎng)度L＝70mm，搭接長(zhǎng)度t＝B。

試驗(yàn)前用砂紙打磨以除去試樣表面的氧化膜。通過試驗(yàn)確定得出最佳工藝參數(shù)如下：電流為19 000A，電極壓力為4 019N，時(shí)間為50周波。在DN-100型固定式點(diǎn)焊機(jī)上進(jìn)行焊接試驗(yàn)。并在WE-10A液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉剪力6 590N，焊點(diǎn)直徑7mm。通過對(duì)交流點(diǎn)焊接頭組織形態(tài)分析，在最佳點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)下的焊點(diǎn)熔核中心為細(xì)小均勻的單一等軸晶。鎂合金焊點(diǎn)宏觀表現(xiàn)為脆性斷裂特征，微觀表現(xiàn)為解理斷裂，并且焊點(diǎn)的斷裂傾向比母材大。其熔核組織和斷口形貌如圖2所示。

圖1 鎂合金點(diǎn)焊接頭形式Fig.1 The welding joint of magnesium alloy

圖2 熔核組織與斷口的形貌Fig.2 Morphology of nugget microstructure（a）and fracture（b）

1.2 浸泡試驗(yàn)

將母材和點(diǎn)焊接頭分別放入3.5%NaCl溶液中進(jìn)行浸泡試驗(yàn)［4］，浸泡時(shí)間分別為3h，6h和9h，觀察經(jīng)不同時(shí)間浸泡試驗(yàn)后試樣的表面形貌。

1.3 電偶腐蝕試驗(yàn)

對(duì)點(diǎn)焊和母材在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行了電偶腐蝕試驗(yàn)，測(cè)試了母材和焊點(diǎn)的電化學(xué)鍍膜層在3.5%NaCl溶液中的tafel曲線。試驗(yàn)采用3電極體系，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極，工作電極為試樣。極化曲線掃描范圍為-0.2～1.0V（SCE）。掃描速率為10mV／s。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸泡試驗(yàn)

圖3為母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中腐蝕3h不同放大倍數(shù)下的表面形貌。

圖3 不同放大倍數(shù)下，母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中腐蝕3h后的表面形貌Fig.3 Morphology of parent metal（a.c.e）and welding joint（b，d，f）in 3.5%NaCl solution for 3h

圖4 為母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中腐蝕6h不同放大倍數(shù)下的表面形貌。

圖5為母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中腐蝕9h后放大35倍的表面形貌。

圖6為母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中腐蝕12h后放大35倍的表面形貌。

由圖3～6可見，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，焊點(diǎn)和母材的腐蝕都進(jìn)一步加劇。母材在腐蝕3h和6h時(shí)，只能在高倍下看到細(xì)微的腐蝕裂紋，而在腐蝕9h后，腐蝕裂紋在低倍下就可以看到。這是由于點(diǎn)焊時(shí)加熱速度快，整個(gè)焊接過程在幾秒鐘內(nèi)完成，同時(shí)鎂合金熱導(dǎo)率大，導(dǎo)熱速度快，降溫速度快，結(jié)晶時(shí)形成大量的晶核，最終得到均勻分布的細(xì)晶組織，晶粒愈小，其曲率半徑愈大，則蒸汽壓力愈大，表明自由能愈高，使其耐蝕性下降［5-6］。母材和焊點(diǎn)腐蝕12h后，低倍觀察發(fā)現(xiàn)，母材的腐蝕程度相對(duì)均勻，而焊點(diǎn)的腐蝕則很明顯，有明顯的點(diǎn)蝕坑。經(jīng)過12h的腐蝕，伴隨腐蝕的進(jìn)行，蝕坑逐漸長(zhǎng)大，導(dǎo)致腐蝕沿表面?zhèn)鞑?，如圖焊點(diǎn)和母材表面大部分被腐蝕。

圖4 不同放大倍數(shù)下，母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中腐蝕6h后的表面形貌Fig.4 Morphology of parent metal（a.c.e）and welding joint（b，d，f）in 3.5%NaCl solution for 6h

圖5 母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中腐蝕9h的表面形貌Fig.5 Morphology of parent metal（a）and welding joint（b）in 3.5%NaCl solution for 9h

2.2 電偶腐蝕試驗(yàn)

采用失重法測(cè)試了母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中浸泡92h后的腐蝕速率［7］，結(jié)果見表1。

由表1可見，焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中的腐蝕速率大于母材。AZ31B鎂合金點(diǎn)焊的母材和焊點(diǎn)均不耐蝕，焊點(diǎn)的耐蝕性比母材差。

圖6 母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中腐蝕12h后的表面形貌Fig.6 Morphology of parent metal（a.e）and welding joint（b，f）in 3.5%NaCl solution for 12h

表1 鎂合金母材和焊點(diǎn)在3.5%NaCl溶液中浸泡92h后的腐蝕速率Tab.1 Corrosion rates of parent matel and welding joint in 3.5%NaCl solution for 92h

圖7為鎂合金母材和焊點(diǎn)鍍層試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的極化曲線。由圖7可見，焊點(diǎn)膜層的自腐蝕電位較低，為-1.2V，在同一腐蝕電位下，焊點(diǎn)鍍鎳層的腐蝕電流密度降低；母材膜層的自腐蝕電位較高，為-1.0V。說明：鎂合金及其焊點(diǎn)經(jīng)過化學(xué)鍍鎳處理后的試樣，在3.5%NaCl水溶液中，母材耐蝕性比焊點(diǎn)較高。母材及焊點(diǎn)的化學(xué)鍍膜層在-0.2～0.5V電位區(qū)間，電流變化很小，表現(xiàn)出了明顯的鈍化特征［8］。

圖7 鎂合金母材和焊點(diǎn)的化學(xué)鍍層極化曲線Fig.7 The polarization curves of electroless plating layers on magnesium alloy and welding joint

從圖7中可以看出，母材和焊點(diǎn)鍍層的極化曲線形狀基本相似，并且極化曲線均遵從Tafel規(guī)律。對(duì)圖7中的極化曲線進(jìn)行Tafel擬合，結(jié)果見表2。

分析表2可知，母材的腐蝕電位較高、腐蝕電流密度較低。由于合金的腐蝕速率和腐蝕電流密度成正比［9］，因此可知，母材的耐蝕性能較好，這與靜態(tài)失重試驗(yàn)的結(jié)果一致。

表2 鎂合金及焊點(diǎn)鍍層極化曲線擬合結(jié)果Tab.2 The polarization curve fitting results of the plating on magnesium alloy and welding spot

3 結(jié)論

（1）通過點(diǎn)焊試驗(yàn)及拉伸試驗(yàn)確定得出最佳工藝參數(shù)下的焊點(diǎn)組織為細(xì)小均勻的單一等軸晶，斷口呈脆性斷裂特征。

（2）母材在腐蝕3～6h的情況下只能在放大1000倍時(shí)看到腐蝕裂紋，而在腐蝕9h后在低倍時(shí)就可以看到腐蝕裂紋了。焊點(diǎn)的腐蝕比母材嚴(yán)重，并且較早地產(chǎn)生了腐蝕裂紋。

（3）通過電偶腐蝕試驗(yàn)腐蝕速率測(cè)定，結(jié)果表明焊點(diǎn)的失重速率大于母材；通過電偶電流隨電壓變化的極化曲線分析，母材及焊點(diǎn)的化學(xué)鍍膜層在-0.2～0.5V電位區(qū)間，電流變化很小，表現(xiàn)出了明顯的鈍化特征；對(duì)極化曲線擬合參數(shù)分析得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。

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