攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)2024-T3鋁合金攪拌摩擦焊接接頭腐蝕行為的影響

南黃河，李 娜,2，何 冰

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2. 西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding:FSW)是一種綠色固相焊接技術(shù)，解決了鋁、鎂、鈦等輕質(zhì)合金的焊接難題[1]，尤其在焊接高強(qiáng)鋁合金方面優(yōu)勢(shì)顯著，能夠有效避免傳統(tǒng)熔焊方法中出現(xiàn)的夾渣、氣孔等缺陷[2]。因此，鋁合金攪拌摩擦焊廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、陸路交通等領(lǐng)域[3-4]。然而，對(duì)于高強(qiáng)鋁合金而言，由于焊接過(guò)程中接頭各個(gè)區(qū)域晶粒的熱力作用不同，故焊后接頭形成了四個(gè)不同的區(qū)域：焊核區(qū)(SZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)。由于在FSW過(guò)程中母材表面包鋁層被破壞，且接頭各個(gè)區(qū)域顯微組織呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非均勻第二相組織，導(dǎo)致高強(qiáng)鋁合金FSW接頭在服役過(guò)程中耐腐蝕較差[5-6]。

高強(qiáng)鋁合金FSW接頭特殊的顯微組織導(dǎo)致其在腐蝕環(huán)境下服役時(shí)接頭耐蝕性較差，極大地限制了其在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用[7-9]。因此，研究高強(qiáng)鋁合金FSW接頭的腐蝕機(jī)制受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高強(qiáng)鋁合金腐蝕行為做了大量工作，但是對(duì)其力學(xué)性能和腐蝕行為的相關(guān)性研究較少。本試驗(yàn)就不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下2024-T3鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能和腐蝕行為的關(guān)系展開(kāi)研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料采用厚度為3.2 mm的2024-T3鋁合金板，化學(xué)成分見(jiàn)表1。固定焊接速度為200 mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度υ分別為400 r/min、600 r/min、800 r/min、900 r/min，焊接方向平行于母材軋制方向，攪拌頭傾角2.5°，軸肩尺寸10 mm。

表1 2024-T3鋁合金板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 2024-T3 aluminum alloy plate(wt/%)

不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的FSW接頭的力學(xué)性能均采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，拉伸試樣垂直于焊縫方向，拉伸速度為1 mm/min，每組測(cè)試3個(gè)平行試樣并取其平均值。焊接接頭不同區(qū)域的腐蝕行為采用標(biāo)準(zhǔn)三電極系統(tǒng)測(cè)試塔菲爾曲線(Tafel)來(lái)表征，飽和甘汞電極和大面積鉑片分別作為參比電極和輔助電極，工作電極為焊接接頭的不同區(qū)域，電化學(xué)測(cè)試設(shè)備為PRARSTATV4電化學(xué)工作站，測(cè)試溶液w(NaCl)=3.5%的NaCl溶液，電位為-0.25 V～0.25 V，電位掃描速度為0.167 mV/s，測(cè)試溫度為室溫(25 ℃左右)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的力學(xué)性能

不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度v下2024-T3鋁合金FSW接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率如圖1所示。從圖1可以得出，v對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響較大，隨著v的增加，伸長(zhǎng)率先增加后減小，當(dāng)v=800 r/min、900 r/min時(shí)，接頭呈現(xiàn)出了較低的伸長(zhǎng)率(5.7%、6.0%)，明顯低于v=400 r/min、600 r/min時(shí)的(7.9%、8.7%)。當(dāng)v=600 r/min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)最大值(420 N/mm2)，伸長(zhǎng)率也同時(shí)呈現(xiàn)最大值(8.7%)。究其原因，F(xiàn)SW接頭的力學(xué)性能取決于FSW過(guò)程中接頭各個(gè)區(qū)域經(jīng)歷的熱作用和力作用，υ越大，接頭熱輸入越大，υ越小，接頭熱輸入不足，只有在熱輸入適當(dāng)(υ=600 r/min)的條件下，接頭的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率才能最優(yōu)。

圖1 不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率Fig.1 Tensile strength and elongation of welded joints at different rotating speeds

2.2 焊接接頭的電化學(xué)腐蝕行為

圖2和圖3分別為不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下2024-T3鋁合金FSW接頭的SZ和HAZ在w(NaCl)=3.5%的 NaCl溶液中的腐蝕Tafel極化曲線(測(cè)試前先靜置浸泡1 h)。選取位置為接頭上表面。由于TMAZ在上表面區(qū)域非常窄，因此未對(duì)該區(qū)域進(jìn)行電化學(xué)腐蝕測(cè)試。由圖2和圖3可知，不同v的焊接接頭的SZ和HAZ的Tafel差異明顯。由于低腐蝕電位和高腐蝕電流密度值都表明樣品的耐蝕性較差，尤其是腐蝕電流密度更對(duì)樣品的耐蝕性起到?jīng)Q定作用。由Tafel外推法可獲得電化學(xué)腐蝕電位和腐蝕電流密度參數(shù)，如表2所示。

圖2 不同旋轉(zhuǎn)速度下焊核區(qū)在w(NaCl)=3.5%溶液中的腐蝕Tafel極化曲線Fig.2 SZs Tafel polarization curves of the joints atdifferent rotation speeds in w(NaCl)=3.5% solution

觀察同一旋轉(zhuǎn)速度下焊接接頭不同區(qū)域的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果可知，焊接接頭的HAZ和SZ的腐蝕電位均低于BM的，且腐蝕電流密度均高于BM的，表明BM的耐蝕性優(yōu)于SZ和HAZ的；對(duì)比SZ和HAZ的腐蝕電流密度值表明，HAZ的耐蝕性優(yōu)于SZ的。通過(guò)對(duì)比不同旋轉(zhuǎn)速度下的焊接接頭相同區(qū)域的電化學(xué)腐蝕結(jié)果可知，當(dāng)v=600 r/min時(shí)，焊接接頭的SZ和HAZ均呈現(xiàn)出最高的腐蝕電位和最低的腐蝕電流密度，表明600 r/min時(shí)接頭的耐蝕性最佳。通過(guò)Tafel極化測(cè)試后的電流密度可得出不同旋轉(zhuǎn)速度下接頭耐蝕性從大到小的順序如下：600 r/min、400 r/min、800 r/min、900 r/min。

圖3 不同旋轉(zhuǎn)速度下熱影響區(qū)和母材在w(NaCl)=3.5%溶液中的腐蝕Tafel極化曲線Fig.3 HAZs Tafel polarization curves of the joints atdifferent rotation speeds in w(NaCl)=3.5% solution

表2 由Tafel曲線得到的電化學(xué)腐蝕數(shù)據(jù)Table 2 Electrochemical parameters obtained from Tafel polarization curves

究其原因，同一旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，HAZ在焊接過(guò)程中較低的溫度可以有效防止第二相粒子的析出和粗化；旋轉(zhuǎn)速度越高(800 r/min和900 r/min)，在焊接過(guò)程中焊接接頭的溫度和塑性變形程度均越高，焊接接頭內(nèi)部的第二相粒子破碎程度越高，且在高溫作用時(shí)焊接接頭第二相粒子容易長(zhǎng)大[10]；旋轉(zhuǎn)速度越低(400 r/min)，接頭第二相粒子破碎程度低，由于溫度低焊接接頭第二相粒子不會(huì)發(fā)生回溶，導(dǎo)致第二相粒子較多且尺寸較大[11]。因此，在合適的旋轉(zhuǎn)速度下(600 r/min)，焊接接頭耐蝕性好。

3 結(jié) 論

1)固定焊接速度200 mm/min，對(duì)比四種攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度(400 r/min、600 r/min、800 r/min、900 r/min)2024-T3鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時(shí)，焊接接頭具有最高的抗拉強(qiáng)度(420 N/mm2)和伸長(zhǎng)率(8.7%)。

2)當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時(shí)，焊接接頭各個(gè)區(qū)域的腐蝕電流密度均低于其他三組旋轉(zhuǎn)速度相同區(qū)域的接頭的電流密度，600 r/min時(shí)各個(gè)區(qū)域的耐蝕性最好。