旁路分流電弧熔釬焊鋁/鍍鋅鋼板接頭腐蝕研究

苗玉剛， 王驍驍， 張鵬， 陳廣宇， 韓端鋒

(1.哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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旁路分流電弧熔釬焊鋁/鍍鋅鋼板接頭腐蝕研究

苗玉剛1， 王驍驍2， 張鵬2， 陳廣宇2， 韓端鋒1

(1.哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了探究鋁/鋼熔釬焊復合接頭性能及其腐蝕行為，采用旁路分流電弧熔釬焊接6061鋁合金與鍍鋅鋼板，結果表明，焊縫成形均勻美觀，接頭呈現(xiàn)熔釬焊接頭形貌。腐蝕形貌圖中，焊縫區(qū)域腐蝕面積高于母材區(qū)域，而腐蝕極化曲線和后半段阻抗譜表明腐蝕后期鋼母材耐腐蝕性最差，腐蝕最快，焊縫界面層次之，鋁母材耐腐蝕性最優(yōu)，腐蝕最慢。利用旁路電弧與MIG主弧形成耦合電弧產(chǎn)生分流作用，改變作用于熔滴和熔池的力場分布和熱輸入，在保證焊接成形的同時避免焊接缺陷的產(chǎn)生。在腐蝕測定中，不同區(qū)域單位面積發(fā)生腐蝕反應數(shù)量及元素分布不同是引起腐蝕速率變化及腐蝕程度存在差異的主要因素。分析不同組織區(qū)域對接頭腐蝕性能的影響，為工程應用中提高熔釬焊接接頭質量提供了理論數(shù)據(jù)支持。

旁路分流；熔釬焊；鋁/鍍鋅鋼板；接頭特性；腐蝕行為；異種金屬；組織區(qū)域

隨著船舶制造工業(yè)技術的變革及高效環(huán)保的理念提出，鋁與鋼等異種金屬復合結構的焊接應用趨勢日益提升[1]。 探索異種金屬接頭的焊接工藝及方法，同時研究其在腐蝕環(huán)境下的腐蝕行為對保證復合金屬結構接頭的安全應用具有重要的工程意義[2]。 目前，對鋁/鋼異種金屬的腐蝕行為研究，國內外相關學者作了大量工作[3]，為異種金屬結構的防護提供了一定的技術基礎，但對于船用鋁/鋼結構的腐蝕行為研究還有待進一步深入挖掘。

鋁與鋼之間的熱物理性能差異較大，兩者之間極易反應生成脆性的金屬間化合物，熔釬焊是利用兩種母材熔點的差異，控制熱輸入量，在保證鋼母材不熔化的情況下，熔融的鋁母材與填充金屬在鋼表面鋪展，通過原子擴散機理實現(xiàn)鋼側的釬焊和鋁側的熔焊。傳統(tǒng)熔釬焊方法很難保證接頭的連接質量[4]。旁路分流MIG電弧熔釬焊技術利用旁路電弧與MIG主弧形成耦合電弧并產(chǎn)生分流作用，從而改變作用于熔滴和熔池上的力場分布和熱輸入，具有熱輸入低、電弧和熔滴穩(wěn)定性好等特點，能有效連接鋼/鋁異種金屬[5-6]。

本文采用旁路分流MIG電弧熔釬焊技術對6061鋁合金與Q235鍍鋅鋼板進行焊接試驗，利用金相顯微鏡、掃描電鏡等手段研究鋁/鋼接頭特性，并分別對鋁母材、鋼母材以及焊縫界面層進行腐蝕試驗。 腐蝕后采用SEM、EMPA等對腐蝕界面形貌，界面元素測定，并通過軟件模擬，進一步分析鋁/鋼異種金屬熔釬焊接頭在腐蝕環(huán)境下的耐蝕行為[7-8]。

研究結果將為深刻理解鋁/鋼異種金屬旁路分流MIG電弧熔釬焊工藝及接頭腐蝕行為提供基礎理論數(shù)據(jù)，并為該技術的工程應用提供技術依據(jù)。

1 試驗方法

試驗材料為6061鋁合金及Q235鍍鋅鋼，其尺寸為100 mm×50 mm×2 mm，化學成分如表1和表2所示。焊接時采用直徑為1.2 mm的 4043鋁合金焊絲作為填充材料，其化學成分如表3所示。

表1 6061鋁合金的化學成分(質量分數(shù))

表2 鍍鋅鋼的化學成分(質量分數(shù))

表3 4043鋁合金焊絲的化學成分(質量分數(shù))

Table 3 Chemical composition of 4043 aluminiumalloy filler wire %

圖1為旁路分流MIG熔釬焊(bypass-current metal inert-gas welding-brazing，BC-MIG welding-brazing)焊接工藝示意圖。 旁路鎢極氬弧焊槍將流經(jīng)MIG主弧的電流I分成兩部分，利用絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT) 系統(tǒng)控制調節(jié)兩部分電流的平衡。旁路電流的引入可減小熔滴過渡的臨界電流閾值，實現(xiàn)小電流下的射滴過渡模式，同時可減小耦合電弧壓力與母材熱輸入，增大熔化焊絲的電流。

圖1 BC-MIG電弧熔釬焊工藝示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the BC-MIG process

焊接工藝參數(shù)為主路電流70 A，旁路電流55 A，焊接電壓16.6 V，旁路鎢極距母材高度 5 mm，MIG焊槍噴嘴距母材高度12 mm，鎢極與焊絲間距離 5 mm，MIG焊槍保護氣體流量15 L/min，旁路焊槍保護氣體流量5 L/min，焊接速度 13.1 mm/s，送絲速度0.071 m/s。

圖2為腐蝕試驗采用的三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片的恒動電位儀進行測定，動電位極化測量時由低頻向高頻掃描，電位掃描速度0.01 V/s、靜置時間2 s，交流阻抗測量的頻率范圍10-2～ 105Hz，腐蝕溶液為3.5%NaCl溶液。

圖2 三電極體系Fig.2 Three electrode system

2 試驗結果及分析

2.1 焊接接頭的腐蝕形貌

圖3為鋁/鍍鋅鋼板BC-MIG焊接接頭形貌。 由圖可知，在合理的工藝參數(shù)下，焊縫成形均勻美觀，焊接接頭呈現(xiàn)熔釬焊接頭形貌。 接頭上部分區(qū)域，鋁合金母材局部熔化與液態(tài)填充釬料混合后凝固形成焊縫；接頭下側的鍍鋅鋼發(fā)生微量熔化，依靠液態(tài)鋁合金釬料在鍍鋅鋼表面的潤濕和鋪展作用形成釬焊連接。

2.2 焊接接頭的腐蝕形貌

圖4為最終不同焊縫區(qū)域的腐蝕情況。 由圖可知，在鋼母材表面，出現(xiàn)了小范圍深腐蝕(圖4(a))，鋁焊縫區(qū)域出現(xiàn)部分腐蝕，而界面層區(qū)域幾乎完全被腐蝕。分析發(fā)現(xiàn)，由于鍍鋅鋼表面的鍍鋅層在焊接過程中熔融凝固與擴散的鐵元素以及鋁元素共同形成釬合界面層，Zn元素的增加可改善填充釬料的潤濕鋪展性，同時極易促進鋁填充釬料與鋼母材的結合，但由于界面層的Zn含量富集，會使得在腐蝕過程中，Zn(界面層)與鋁填充釬料發(fā)生電偶反應，Zn為電位負極加速了界面層的腐蝕程度從而造成界面層腐蝕要大于鋁焊縫區(qū)的腐蝕程度(圖4(d))。在單位時間內，界面層所有區(qū)域幾乎被全部腐蝕。另外，由于Al、Zn及Fe之間的電偶腐蝕存在，以及鋼母材微量熔化的原因，界面層兩側區(qū)域的腐蝕程度明顯不一，對于靠近界面層的鋼母材熱影響區(qū)以及鋼母材自身在NaCl溶液中充當陽極，其腐蝕程度就要小很多(圖4(c))。

圖3 鋁/鍍鋅鋼板BC-MIG焊接接頭形貌Fig.3 The morphology of Al/steel joint by BC-MIG

圖4 接頭界面層微觀形貌及線掃描Fig.4 Morphology and EDS of the interface layer

2.3 腐蝕極化曲線及電化學阻抗譜

2.3.1 腐蝕極化曲線

鋁及其合金在氯化物的溶液中容易被點蝕[7-8]，圖5為焊縫界面動電位掃描曲線示意圖。 可以看出，鋁母材區(qū)域的腐蝕電壓高于界面層以及鋼母材區(qū)域，與圖4腐蝕形貌結合分析，由于腐蝕開始階段鋁的腐蝕速度瞬間大于鋼的腐蝕速度，鋁層發(fā)生點偶腐蝕，表面產(chǎn)生氧化膜，使反應速度降低，鋼不會形成致密的氧化膜，所以鋼更容易被深腐蝕，最終腐蝕極化曲線呈現(xiàn)鋼的反應速度大于鋁的反應速度的情況。

圖5 動電位掃描曲線Fig.5 Potentiodynamic scanning curves

分析發(fā)現(xiàn)，焊縫界面區(qū)域與鋁母材區(qū)域在陽極的極化行為相似，而在陰極的極化曲線存在一定差別。由于鋼母材的材料性能與鋁母材以及界面層差異性很大，其陰極以及陽極的極化行為與鋁母材以及界面都不同。在一定極化電位(Ec)的條件下，鋼母材的極化電流密度(ic)要大于焊縫界面處的極化電流密度(ic)。 兩者在溶液中與Cl及Na粒子發(fā)生反應外，在界面層，Al、Zn粒子自身還進行電偶腐蝕的反應，而鋼母材在溶液中進行析氫腐蝕。另外Al母材在發(fā)生一定數(shù)量反應后表面會形成氧化層，同時焊縫表面大量Si元素的存在(鋁硅焊絲)都會降低此區(qū)域的腐蝕反應速率[9-10]。

進一步，通過CorrView對圖5條件下測量的極化曲線進行擬合計算，測試得到焊縫界面區(qū)域與母材區(qū)域的腐蝕電流值(icorr)與腐蝕電位(Ecorr)于表4所示?？梢钥闯觯g電位鋼母材最小，焊縫界面層次之，鋁母材最大，腐蝕電流鋼母材最大，焊縫界面層次之，焊縫區(qū)域腐蝕電流最小。這進一步說明在相同腐蝕條件下，鋼腐蝕速率要快，焊縫界面層次之，焊縫區(qū)域較慢，從含有元素的角度看，填充釬料采用鋁硅焊絲，含有一定量的Si元素有助于提高焊接焊縫的耐蝕性能。

表4 焊絲電化學參數(shù)

2.3.2 電化學阻抗譜

圖6為不同區(qū)域在3.5%NaCl溶液中測得的EIS Nyquist圖譜。 由圖可知，鋁母材區(qū)域的焊縫容抗弧大于鋁/鋼界面層區(qū)域以及鋼母材區(qū)域，而鋼母材區(qū)域在初始階段的容抗弧大于鋁/鋼界面層區(qū)域，而在后半段鋁/鋼界面區(qū)域的容抗弧要大于鋼母材區(qū)域。

圖6 交流阻抗譜Fig.6 Electrochemical impedance

容抗弧是腐蝕過程中反應阻力的體現(xiàn)，容抗弧大，說明腐蝕過程中的反應阻力大。由此來看，鋁母材在電解質溶液中發(fā)生腐蝕反應時的阻力最大。分析認為，鋁母材區(qū)由于Si元素的加入，不能使陽極充分活化，所以焊縫界面區(qū)域在低頻范圍內表現(xiàn)為半徑很大的容抗弧。進一步根據(jù) EIS 圖譜，建立腐蝕階段EIS等效電路圖，如圖7(a)所示。C表示容抗，Rs表示阻抗，電路中極化電阻(Rt)表示為容抗弧低頻端和高頻端所對應阻抗值的差值，分別對焊縫界面區(qū)與母材區(qū)EIS譜進行擬合計算。 圖7(b)為焊縫區(qū)與母材區(qū)的極化電阻阻值。 由圖可知，焊縫區(qū)域的極化電阻阻值最大，界面區(qū)域次之，阻值最小為鋼母材區(qū)域。這說明鋼母材區(qū)域腐蝕速度最快，這和動電位測試得到結果相同。

圖7 電化學阻抗譜(EIS)擬合結果Fig.7 The fitting results of EIS

3 結論

1) BC-MIG焊接鋁/鋼異種金屬存在明顯優(yōu)勢，并能獲得良好接頭成形，接頭呈熔釬焊形貌。

2) 腐蝕形貌顯示鋼母材區(qū)域被點蝕，鋁母材焊縫區(qū)域部分腐蝕，表明不同區(qū)域腐蝕反應數(shù)量及反映程度不同，同時參與反應的粒子存在一定差異。

3) 腐蝕極化曲線和電化學阻抗譜表明，腐蝕電位鋼母材最小，焊縫界面層次之，鋁母材最大，腐蝕電流鋼母材最大，焊縫界面層次之，鋁母材腐蝕電流最小。即整個腐蝕過程中，鋼母材的耐腐蝕性最差，焊縫界面層次之，鋁母材焊縫最優(yōu)。而腐蝕形貌體現(xiàn)出鋼比鋁耐腐蝕僅是腐蝕最初階段，當鋁層產(chǎn)生氧化膜后，極大降低了腐蝕速率和腐蝕程度，鋼繼續(xù)被深腐蝕，同樣證明了采用旁路分流電弧熔釬焊對提高鋁/鍍鋅鋼焊接接頭腐蝕性能有積極意義。

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Research on corrosion of aluminum/galvanized steel joint by bypass-current arc welding-brazing

MIAO Yugang1， WANG Xiaoxiao2， ZHANG Peng2， CHEN Guanyu2， HAN Duanfeng1

(1．National Key Laboratory of Science and Technology on Underwater Vehicle， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China; 2. College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China)

In this study， we examined the performance and corrosion of aluminum/galvanized steel welding-brazing joints. After using the by-pass current arc welding-brazing method to weld 6061 aluminum alloy and galvanized steel， we could see that the obtained joint was welded finely and evenly. The morphology of the corrosion area of the welded joint was wider than that of the base metal. However， the corrosion polarization curve and the second half of the electrochemical impedance showed that the steel had poorer corrosion resistance and a faster corrosion rate. By-pass and metal inert gas (MIG) arcs could form a coupling arc within the by-pass current and thereby change the force field distribution and heat input to the droplet and molten pool. This would result in the formation of welding and avoid welding defects. Different densities of the corroded area and different distributions of the elements are the main reasons for the different rates and degrees of corrosion. ur analysis of the influence of different microstructures on joint corrosion will provide a theoretical basis for improving the quality of welding joints in engineering applications.

bypass-current; welding-brazing; aluminum/galvanized steel; joint characteristics; corrosion; dissimilar metals; microstructures

2016-01-05.

日期：2017-03-17.

國家自然科學基金項目(51005049)；哈爾濱市高新技術產(chǎn)業(yè)專項資金項目(ZX2012ZC006015).

苗玉剛(1978-)，男，副教授.

苗玉剛，E-mail: miaoyg@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201601008

TG402

A

1006-7043(2017)04-0495-05

苗玉剛， 王驍驍， 張鵬，等.旁路分流電弧熔釬焊鋁/鍍鋅鋼板接頭腐蝕研究[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(4): 495-498，577.

MIAO Yugang， WANG Xiaoxiao， ZHANG Peng，et al. Research on corrosion of aluminum/galvanized steel joint by bypass-current arc welding-brazing[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(4): 495-498，577.

網(wǎng)絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170317.1631.016.html