異材焊接件應(yīng)力腐蝕原因分析

劉兆偉 ， 譚 琳 ， 李 冰 ， 周 龍 ， 祝 哮 ， 孫 巍

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003）

0 引言

6082鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化合金，具有焊接性、耐腐蝕性良好等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種輕質(zhì)新型材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵材料在交通運(yùn)輸及結(jié)構(gòu)工程工業(yè)中的應(yīng)用[1]。6082鋁合金焊接時(shí)其焊接接頭性能良好，抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的70%～78.5%[2]。7020合金屬于熱處理強(qiáng)化鋁合金，因其比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)、冷加工性好，可滿足于鐵路列車及道路運(yùn)輸專用車的大型薄壁、高精度復(fù)雜實(shí)心和空心型材需求；但是，由于該系列鋁合金的焊接難度較大，采用MIG或者TIG焊接方法時(shí)，存在焊接接頭弱化，且易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕等缺陷，限制了其應(yīng)用范圍[3-6]。

由于鋁合金的性能優(yōu)良，吸能性好，在碰撞安全性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，鋁合金成為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最理想的首選材料[7-8]?，F(xiàn)階段，全鋁骨架車、半掛車等車身承重縱梁為6xxx系鋁合金焊接連接結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度偏低，不能滿足更高的使用需求，因此，人們正嘗試采用7xxx系鋁合金代替6xxx系鋁合金來(lái)解決此問(wèn)題。當(dāng)7020合金作為特種車車身承重結(jié)構(gòu)時(shí)，不可避免地會(huì)與其他6xxx合金部件連接。因此，研究以7020合金為基礎(chǔ)的異材焊接及其腐蝕產(chǎn)生的原因，可為焊接結(jié)構(gòu)件的選擇提供幫助[9]。

1 試驗(yàn)方案

選用尺寸為330 mm×150 mm×10 mm的焊接試板，采用3層4道焊。焊后進(jìn)行滲透、超聲檢測(cè)，確保焊縫質(zhì)量。進(jìn)行四點(diǎn)彎（恒載荷）抗應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)[10]，并對(duì)熔合區(qū)、熱影響區(qū)、基材分別進(jìn)行光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力腐蝕檢測(cè)

焊接試樣經(jīng)過(guò)應(yīng)力腐蝕處理后，焊接接頭熱影響區(qū)腐蝕明顯，且7020+6082（異材焊接）合金焊接試樣中7020合金一側(cè)的腐蝕程度較7020+7020焊接試樣嚴(yán)重，見(jiàn)圖1。

2.2 宏觀組織檢測(cè)

圖 1 焊接板材（7020合金側(cè)）宏觀晶粒度Fig.1 Macro grain size of welded plates (7020 side)

由圖1可知，熔合區(qū)幾乎沒(méi)有腐蝕現(xiàn)象，熱影響區(qū)嚴(yán)重腐蝕，7020合金基材輕微腐蝕。7020+7020試樣焊接接頭一側(cè)，上表面的腐蝕寬度為2.50 mm、腐蝕深度為0.05 mm，下表面的腐蝕寬度為3.10 mm、腐蝕深度為0.05 mm；7020+6082試樣焊接接頭中，7020合金一側(cè)表面的腐蝕寬度為1.90 mm、腐蝕深度為0.15 mm，下表面的腐蝕寬度為2.60 mm、腐蝕深度為0.09 mm。7020+6082試樣熱影響區(qū)上表面腐蝕深度相比7020+7020試樣大3倍，下表面腐蝕深度大1倍。焊接接頭熱影響區(qū)對(duì)腐蝕更敏感，異材焊接增加敏感性。

2.3 微觀組織檢測(cè)

圖 2 2種焊接板材的金相組織Fig.2 Metallographic structures of welded plates

7020+7020和7020+6082的2種焊接板材在7020合金一側(cè)不同位置的金相組織見(jiàn)圖2。焊接接頭熱影響區(qū)較寬，靠近焊縫部分有一條窄的熔合區(qū)，在熔合區(qū)焊縫一側(cè)為沿散熱方向的柱狀晶，基材一側(cè)為細(xì)小的等軸晶組織，緊接著為完全再結(jié)晶組織及不完全再結(jié)晶組織；遠(yuǎn)離焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)的光學(xué)組織與基材區(qū)沒(méi)有明顯區(qū)別。2種焊接接頭出現(xiàn)了典型的網(wǎng)狀晶間腐蝕形貌，說(shuō)明腐蝕形態(tài)主要為晶間腐蝕，從表面向內(nèi)部侵蝕，在腐蝕尖端有分枝現(xiàn)象，由于試樣內(nèi)晶粒方向與應(yīng)力狀態(tài)不同，熱影響區(qū)上面腐蝕尖端平行于試樣表面，下面腐蝕尖端與試樣表面呈一定角度[11-12]。通過(guò)2種試樣組織對(duì)比可知，7020+6082焊接板材中，7020合金一側(cè)熱影響區(qū)腐蝕坑深度與面積更大。

熱影響區(qū)上面在四點(diǎn)彎恒載荷應(yīng)力腐蝕過(guò)程中受拉應(yīng)力，組織為再結(jié)晶晶粒，熱影響區(qū)下面受壓應(yīng)力，組織為有一定方向的部分再結(jié)晶組織，結(jié)合晶間腐蝕尖端的發(fā)展方向可知，組織狀態(tài)對(duì)腐蝕的影響大于外界應(yīng)力對(duì)腐蝕的影響，這也說(shuō)明該應(yīng)力腐蝕主要為晶間腐蝕。

2種焊接板材在7020一側(cè)不同位置的偏光顯微鏡下的組織見(jiàn)圖3。焊接接頭的熔合區(qū)附近為小的再結(jié)晶晶粒；熱影響區(qū)發(fā)生不同程度再結(jié)晶，越靠近熔合區(qū)，再結(jié)晶面積越大。

圖 3 2種焊接板材不同位置的組織Fig.3 Structure at different positions of welding plates

對(duì)2種焊接板材7020一側(cè)的熔合區(qū)、熱影響區(qū)進(jìn)行SEM觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。由圖可知：7020+6082焊接板材的腐蝕區(qū)域從熔合區(qū)開始，而7020+7020焊接板材的腐蝕區(qū)域從熱影響區(qū)開始；7020+6082試樣在熔合區(qū)與熱影響區(qū)上第二相的數(shù)量與尺寸比7020+7020試樣的小。經(jīng)EDS檢測(cè)可知：在背散射下呈黑色的第二相主要含Al、Zn、Mg、Fe、Si，推測(cè)為 AlFeSi雜質(zhì)相；呈灰色的第二相主要含Al、Zn、Mg或Al、Mg，推測(cè)為MgZn2相、AlMg3相。

圖 4 7020+7020焊接試板的SEM組織Fig.4 SEM structure of 7020+7020 welding plates

圖 5 7020+6082焊接試板的SEM組織Fig.5 SEM structure of 7020 +6082 welding plates

3 溫度場(chǎng)模擬分析

對(duì)于鋁合金而言，熱影響區(qū)性能差異的影響因素有合金成分、合金焊前狀態(tài)、焊接熱輸入量、焊后熱處理。而7020+7020合金焊接與7020+6082合金焊接后，在7020合金一側(cè)的熱影響區(qū)腐蝕深度不同。異材焊接后的腐蝕深度增加，推測(cè)異材焊接兩側(cè)基材對(duì)焊接熱輸入量分配不同，導(dǎo)致7020熱影響區(qū)受到的熱循環(huán)不同，產(chǎn)生組織變化的差異，故對(duì)2種焊接接頭進(jìn)行溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析[13]。

對(duì)7020+7020和7020+6082焊接試板溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析。圖6給出了溫度隨距焊縫距離變化曲線，焊接過(guò)程中，7020+6082試板溫度高于7020+7020試板，在距離焊縫12～20 mm附近兩者溫差較大，大約為28 ℃。圖7為距離焊縫15 mm處溫度隨時(shí)間變化曲線，從冷卻速率角度來(lái)看，7020+6082試板的冷卻速率高于7020+7020試板。

圖 6 溫度隨距焊縫距離變化曲線Fig.6 Temperature curve with distance to weld

圖 7 15 mm處溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Temperature curve with time at the position 15 mm away from the weld

4 分析與討論

7系鋁合金主要強(qiáng)化相為MgZn2，在鋁中具有很大的溶解度，并隨溫度變化而劇烈變化。材料在焊接過(guò)程中，焊接接頭及母材經(jīng)歷了一個(gè)熱循環(huán)過(guò)程，依據(jù)距離焊道的遠(yuǎn)近，承受熱循環(huán)的峰值溫度不同，對(duì)于熱影響區(qū)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于經(jīng)歷短時(shí)的熱處理過(guò)程，由于受到不同的急速升溫及冷卻的熱循環(huán)作用，基體內(nèi)發(fā)生析出物析出、合金成分固溶與第二相粗化等組織變化，同時(shí)發(fā)生再結(jié)晶及晶粒部分粗化。越靠近熱影響區(qū)的位置受熱溫度越高，MgZn2在晶界上形核及長(zhǎng)大的時(shí)間越充分，合金成分及雜質(zhì)元素越容易在晶界富集；再結(jié)晶程度越高，大角度晶界的面積越大，腐蝕快速通道越多[3]。

通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，由于7020合金較6082合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)低，在相同的熱輸入條件下，7020+6082試板相比7020+7020試板的7020合金一側(cè)熱循環(huán)溫度高30～40 ℃，說(shuō)明2種不同材料焊接后影響焊接熱循環(huán)的效果，7020+6082焊接板材中7020合金一側(cè)熱影響區(qū)受熱溫度變高，冷卻速率減緩；因此，7020+6082試板的平衡第二相析出數(shù)量比7020+7020試板多，且尺寸大、元素偏聚程度大。

應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)制很復(fù)雜，通常認(rèn)為晶粒邊界沉淀析出相溶解和氫原子在晶界邊界的聚集導(dǎo)致的氫脆是抗應(yīng)力腐蝕的源頭。由于本次四點(diǎn)彎（恒載荷）抗應(yīng)力腐蝕沒(méi)有產(chǎn)生明顯裂紋，只是在試樣表面產(chǎn)生不同深度的局部腐蝕，晶界沉淀相/溶質(zhì)貧化區(qū)之間形成了平行于表面的層狀分布的活性通道，以晶間腐蝕為主。晶間腐蝕機(jī)制是晶界析出物與周圍的電極存在電位差，聚集在晶界處的活化相優(yōu)先溶解而發(fā)生晶間腐蝕。7系鋁合金在腐蝕介質(zhì)中，MgZn2電位為-0.86 V，形成的無(wú)沉淀析出帶為-0.57 V，固溶體電位為-0.68 V，故晶界析出相（主要為MgZn2相）、無(wú)沉淀析出帶及晶粒內(nèi)部相互之間會(huì)形成腐蝕微電池，而晶界析出相和無(wú)沉淀析出帶作為陽(yáng)極優(yōu)先溶解，從而形成沿晶界的陽(yáng)極溶解通道?？梢酝茰y(cè)出，7020+6082試板在7020合金一側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)晶界析出相尺寸變大、晶界無(wú)析出帶寬度增加和亞晶處MgZn2相析出，降低了合金的抗晶間腐蝕性能。

5 結(jié)論

1）7系鋁合金焊接接頭的熱影響區(qū)對(duì)晶間腐蝕最敏感。由于晶界及亞晶界上析出MgZn2，與晶?；w及周圍貧化區(qū)形成腐蝕微電池，其電位最低被優(yōu)先腐蝕，導(dǎo)致腐蝕在熱影響區(qū)發(fā)生及擴(kuò)展。

2）異材焊接（7020+6082）中 7020合金一側(cè)應(yīng)力腐蝕嚴(yán)重。主要是由于異材焊接過(guò)程中的熱影響區(qū)的熱循環(huán)發(fā)生變化，最高溫度較同材焊接（7020+7020）高，故異材焊接相比同材焊接板材在7020合金一側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)晶界析出相尺寸變大、晶界無(wú)析出帶寬度增加和亞晶處MgZn2相析出數(shù)量增加，使腐蝕程度加重。