6082-T6鋁合金協(xié)同脈沖CMT焊縫表面微觀組織及其腐蝕行為

朱 楨，董其鵬，陳夏明，長(zhǎng)海博文，曹文耀

(1.蘇州大學(xué)沙鋼鋼鐵學(xué)院, 江蘇 蘇州 215137； 2.蘇州大學(xué)高性能金屬結(jié)構(gòu)材料研究院，江蘇 蘇州 215137)

Al-Mg-Si合金由于具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐蝕性，被廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域[1]。在車身及零部件的生產(chǎn)制造過(guò)程中不可避免需要考慮到鋁合金的焊接問(wèn)題。21世紀(jì)初Fronius公司在傳統(tǒng)熔化極惰性氣體保護(hù)焊(melt inert-gas welding,MIG)工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)推出的冷金屬過(guò)渡焊(cold metal transfer welding,CMT)工藝，通過(guò)精確控制焊接電流和焊絲抽拉行為實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、無(wú)飛濺的熔滴過(guò)渡過(guò)程，為薄板鋁合金的低變形高性能焊接提供了新的方法[2-3]。

然而由于可調(diào)熱輸入有限，CMT并不適用于厚度大于3 mm的中厚板鋁合金的焊接[4-5]。為此，F(xiàn)ronius公司在傳統(tǒng)CMT焊接工藝基礎(chǔ)上推出了一種脈沖CMT焊接工藝。Pang[6]等人的研究指出，脈沖CMT焊接工藝本質(zhì)上是脈沖焊接工藝和傳統(tǒng)CMT焊接工藝的結(jié)合，脈沖階段的高脈沖電流提供了更高的焊接熱輸入，從而增加了焊縫熔池深度，進(jìn)一步擴(kuò)大了CMT焊接工藝在鋁合金焊接中的應(yīng)用范圍。此外，脈沖階段高脈沖電流的加入使得熔滴對(duì)熔池的沖擊和攪拌作用增強(qiáng)，有效降低焊縫氣孔率，并細(xì)化了焊縫晶粒尺寸，這有利于提高焊接接頭的力學(xué)性能[7-8]。近期，Huan[9]等人采用一種新型CMT焊接工藝——協(xié)同脈沖CMT焊接工藝制備了Al-Mg-Si合金焊接接頭，焊接接頭的強(qiáng)度可達(dá)到基材的70%以上，適用于Al-Mg-Si合金的高性能優(yōu)質(zhì)焊接。然而Li[10]等人的研究表明，脈沖工藝會(huì)使焊縫表面存在明顯的元素宏觀偏析，對(duì)焊縫力學(xué)性能有不利影響。同時(shí)宏觀偏析的存在使得焊縫中易形成電偶腐蝕，從而降低焊縫耐蝕性。然而，目前對(duì)這種新型協(xié)同脈沖CMT焊接工藝的焊縫表面元素分布及其對(duì)焊縫耐蝕性能的影響鮮有研究。

本試驗(yàn)采用協(xié)同脈沖CMT焊接工藝對(duì)6082-T6鋁合金進(jìn)行焊接，研究焊縫表面元素分布規(guī)律及其形成原因，并分析其對(duì)焊縫表面耐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為3.0 mm厚的6082-T6鋁合金板材，填充材料為直徑1.2 mm的ER5183鋁合金焊絲，化學(xué)成分如表1所示。焊接試驗(yàn)前，采用化學(xué)方法除去待焊區(qū)域表面氧化膜，并清洗晾干。試驗(yàn)用Fronius TPS500i焊機(jī)，以無(wú)間隙拼焊的方式完成協(xié)同脈沖CMT焊接，焊槍與焊縫傾角為60°，焊接速度為0.66 m/min，送絲速度為6.60 m/min，焊絲干伸長(zhǎng)12 mm(焊絲干伸長(zhǎng)指焊絲端頭至焊槍出口的距離)，保護(hù)氣體為高純氬氣，氣體流量30 L/min。焊接過(guò)程中采用電流電壓采集系統(tǒng)以10 000幀/s的采集頻率記錄實(shí)時(shí)電流。

表1 6082-T6和ER5183鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 6082-T6 and ER5183 aluminum alloys(wt/%)

焊接試樣按照ASTM G110-92腐蝕標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浸泡腐蝕，將精拋后的金相試樣放置在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%NaCl+10 mL/L H2O2溶液中浸泡24 h，浸泡過(guò)程中采用恒溫水浴鍋控制溶液溫度在25 ℃±1 ℃[11]。試驗(yàn)結(jié)束后利用超聲波清洗去除試樣表面的可溶雜質(zhì)，再用蒸餾水沖洗吹干。利用Olympus GX53金相顯微鏡和臺(tái)式Phenom XI掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)對(duì)焊縫組織及腐蝕形貌進(jìn)行觀察。利用EDS對(duì)焊縫析出相和焊縫腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫表面腐蝕行為

圖1給出了協(xié)同脈沖CMT焊接接頭上表面的宏觀形貌和腐蝕形貌。由圖1可見(jiàn)，焊縫表面腐蝕形貌呈現(xiàn)出輕微區(qū)和嚴(yán)重區(qū)交替分布的情況，形成與宏觀形貌一樣的魚鱗紋狀。由局部放大圖1c、d可以看出，腐蝕輕微區(qū)內(nèi)的腐蝕坑主要以細(xì)小的圓形點(diǎn)蝕坑為主；而腐蝕嚴(yán)重區(qū)內(nèi)點(diǎn)蝕坑的尺寸更大。為了比較兩個(gè)區(qū)域腐蝕的嚴(yán)重程度，對(duì)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)蝕坑面積占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)：腐蝕輕微區(qū)內(nèi)點(diǎn)蝕坑的面積占比約為8%，腐蝕嚴(yán)重區(qū)內(nèi)的點(diǎn)蝕坑面積占比則達(dá)到了19%。由此可見(jiàn)，協(xié)同脈沖CMT焊接工藝下焊縫表面存在明顯的耐蝕性能不均勻現(xiàn)象，局部區(qū)域耐蝕性顯著降低。

圖1 協(xié)同脈沖CMT焊接接頭表面形貌Fig.1 Surface morphologies of CMT MIX synchro-pulse welding joint

圖2給出了腐蝕嚴(yán)重區(qū)和腐蝕輕微區(qū)點(diǎn)蝕坑的微觀形貌。從圖2可以看出，點(diǎn)蝕坑中存在不同形狀的白色腐蝕殘留物，且點(diǎn)蝕坑的形貌與腐蝕殘留物的形狀相似。由此可見(jiàn)，金屬間化合物析出相的存在狀況會(huì)影響焊縫的腐蝕行為。表2呈現(xiàn)了點(diǎn)蝕坑內(nèi)白色腐蝕殘留物的EDS元素分析結(jié)果，以此推斷點(diǎn)蝕坑內(nèi)原本的金屬間化合物為Mg2Si相。

圖2 腐蝕坑顯微組織Fig.2 Micro morphologyies of pits

表2 腐蝕坑內(nèi)殘留物元素含量EDS分析結(jié)果(摩爾分?jǐn)?shù)/%)Table 2 EDS analysis of the residue element content in pits(mole fraction/%)

2.2 焊縫顯微組織

圖3給出的是焊縫表面兩個(gè)不同腐蝕程度區(qū)域的顯微組織。由圖3可知，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)晶界上均存在黑色長(zhǎng)條狀析出相和白色棒狀或球狀析出相，不同的是腐蝕嚴(yán)重區(qū)析出相的數(shù)量和尺寸明顯大于腐蝕輕微區(qū)的。為了確定兩個(gè)區(qū)域內(nèi)基體與析出相的成分差異，采用EDS進(jìn)行了元素分析，結(jié)果如表3所示。

表3 基體及析出相EDS分析結(jié)果(摩爾分?jǐn)?shù)/%)Table 3 EDS analysis of matrix and precipitates(mole fraction/%)

圖3 協(xié)同脈沖CMT焊縫表面不同腐蝕程度區(qū)域的顯微組織Fig.3 Microstructures of different corrosion areas on the weld surface of CMT MIX synchro-pulse welding joint

由表3可知，腐蝕嚴(yán)重區(qū)鎂含量明顯大于腐蝕輕微區(qū)，而腐蝕嚴(yán)重區(qū)對(duì)應(yīng)魚鱗紋的凹陷處，元素偏析的形成可能與魚鱗紋兩個(gè)區(qū)域焊絲填充量不同有關(guān)。此外，分析表明，黑色析出相存在明顯的Mg、Si元素富集，白色析出相則存在Fe元素富集。結(jié)合本課題組的前期研究結(jié)果可知[12]，黑色析出相為Mg2Si相，白色相為Al3Fe相。而魚鱗紋凹陷處鎂含量的升高促進(jìn)了Mg2Si的形成，致使該區(qū)域在凝固過(guò)程中析出了大量的Mg2Si相[13]，如圖3a所示。

在鋁合金中，Mg2Si相的存在會(huì)使其耐蝕性惡化。表4給出了鋁合金中各析出相的自腐蝕電位。由表4可知，Mg2Si的自腐蝕電位最低，在浸泡腐蝕過(guò)程中充當(dāng)陽(yáng)極先被腐蝕，且Mg2Si在被腐蝕的過(guò)程中會(huì)優(yōu)先腐蝕Mg元素，使得Si殘留在點(diǎn)蝕坑內(nèi)。此外，Si的自腐蝕電位顯著高于α-Al基體的，在腐蝕過(guò)程中充當(dāng)陰極加速周圍鋁基體的腐蝕。鎂含量越高的區(qū)域，形成的Mg2Si析出相越多，其耐蝕性越差[14]。在焊縫中，Mg元素產(chǎn)生了宏觀偏析，富Mg區(qū)和貧Mg區(qū)呈魚鱗紋狀交替分布，因此經(jīng)過(guò)腐蝕后也形成了腐蝕嚴(yán)重區(qū)和腐蝕輕微區(qū)交替分布的形貌。由此可見(jiàn)，協(xié)同脈沖CMT焊縫上表面的腐蝕情況與脈沖電流波形特征有著密切的關(guān)系。

表4 鋁合金中常見(jiàn)析出相的自腐蝕電位(V)Fig.4 Self-corrosion potential of common precipitates in aluminum alloy(V)

2.3 焊縫宏觀形貌和組織宏觀偏析形成原理

焊縫的宏觀形貌與焊接電流波形特征有關(guān)。圖4為協(xié)同脈沖CMT焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)的電流曲線。

圖4 協(xié)同脈沖CMT焊接工藝電流-時(shí)間曲線Fig.4 Current-time curves of the CMT MIX synchro-pulse welding process

(1)

式中：

Ii—瞬時(shí)電流，A；

Δt—脈沖電流單一周期時(shí)間，ms。

計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 協(xié)同脈沖CMT焊接工藝不同階段電流特征值Table 5 Characteristic values of current at different welding stages of CMT MIX synchro-pulse welding process

由表5可知，由于高頻率脈沖電流的存在使協(xié)同脈沖CMT焊接工藝脈沖階段的平均焊接電流明顯增加，從而使得與CMT階段的焊接電流差值ΔI增加至91 A。因此，協(xié)同脈沖CMT焊接工藝中高頻脈沖階段和CMT階段焊接電流差值的增加使脈沖階段的熔池尺寸顯著增加，從而使得縫上表面魚鱗紋更為顯著。在高頻脈沖階段，具有較高熱輸入和電弧壓力的電弧使熔池寬度和熔池深度增大，熔池表面產(chǎn)生明顯的凹陷變形；在CMT階段，熱輸入和電弧壓力較小導(dǎo)致熔池寬度和深度變小，熔池表面由于張力形成凸起，如圖1a所示。

由于焊縫魚鱗紋凹陷的位置焊絲填充量較多，使得凹陷處鎂含量明顯高于凸起處，凝固時(shí)析出更多的Mg2Si相。在腐蝕過(guò)程中由于優(yōu)先腐蝕Mg2Si相，因此焊縫凹陷處表現(xiàn)出耐蝕性惡化。而相比之下魚鱗紋凸起處焊絲填充量較少，焊縫中的鎂含量低，形成的Mg2Si析出相較少，最終焊縫該區(qū)域的耐蝕性能相對(duì)較好。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)采用協(xié)同脈沖CMT焊接工藝焊接了6082-T6鋁合金板試樣，分析了焊縫表面宏觀偏析形成原因及其對(duì)耐蝕性的影響，結(jié)論如下：

1)協(xié)同脈沖CMT焊接工藝存在CMT階段和脈沖電流階段，且脈沖階段存在低頻脈沖和高頻脈沖。三個(gè)階段的平均電流分別為125 A、216 A和226 A，脈沖頻率分別約為100 Hz、140 Hz和170 Hz。高頻脈沖階段因高頻高峰值脈沖電流的存在使其平均電流約為CMT階段的1.8倍，致使焊縫表面形成明顯的魚鱗紋。

2)魚鱗紋的形成使焊縫不同區(qū)域焊絲填充量明顯不同，凹陷處鎂含量高于凸起處的，凹陷處的w(Mg)約為2.5%，是凸起處的3倍，這使焊縫表面形成與魚鱗紋形狀相似交替出現(xiàn)的Mg元素富集現(xiàn)象。

3)交替出現(xiàn)的Mg元素富集現(xiàn)象導(dǎo)致焊縫表面凹陷處Mg2Si含量高于凸起處的，使焊縫表面Mg元素富集區(qū)域的耐蝕性能惡化。