黃體方 王藝霏 陳思浩 李峻臣 萬(wàn) 龍,3 孟祥晨,3 謝聿銘,3 黃永憲,3

（1.先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；3.鄭州研究院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，鄭州 450046）

1 引言

鋁合金和鎂合金因其密度低、比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軌道交通和3C電子領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，其中鋁、鎂復(fù)合結(jié)構(gòu)的需求也隨之增加。鋁合金與鎂合金焊接面臨的最大挑戰(zhàn)是兩者會(huì)生成脆性的金屬間化合物（Intermetallic Compound,IMC），導(dǎo)致表面成形困難，且強(qiáng)度較低。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding,FSW）作為一種固相連接方法，是克服這些難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋁、鎂合金高強(qiáng)連接的最有潛力的方法。水浸攪拌摩擦焊（Submerged Friction Stir Welding,SFSW）作為一種衍生技術(shù)，相比于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊方法，焊接過(guò)程峰值溫度更低，高溫停留時(shí)間明顯縮短，應(yīng)用于鋁合金與鎂合金異質(zhì)接頭的焊接，更易得到高強(qiáng)度的接頭[1，2]。鋁/鎂復(fù)合結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中會(huì)接觸到多種腐蝕介質(zhì)，目前對(duì)其異質(zhì)接頭腐蝕行為的研究還較少，也需要得到進(jìn)一步的研究。

異種金屬FSW得到的接頭由于攪拌針的劇烈攪拌作用使鋁、鎂兩種金屬發(fā)生充分的混合，異種金屬之間的腐蝕電位差不同，會(huì)形成大量局部腐蝕微電池[3]。Jayaraj等人[4]以不同濃度的NaCl溶液作為腐蝕液，對(duì)AZ31B鎂合金和AA6061鋁合金的FSW接頭的耐腐蝕性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)攪拌區(qū)中由于兩種金屬的混合會(huì)導(dǎo)致此區(qū)域耐腐蝕性能變差；接頭攪拌區(qū)的腐蝕速率在酸性介質(zhì)中高于堿性和中性介質(zhì)，Cl-濃度的增加加快了腐蝕速率；在pH值小于或等于7的溶液中，沒(méi)有產(chǎn)生鈍化膜，因?yàn)镸g(OH)2在這種條件下不穩(wěn)定，pH值大于7有利于Mg(OH)2的形成，從而提高接頭的耐腐蝕性能。Zheng等人[5]對(duì)添加Zr夾層的6061鋁合金和AZ31鎂合金FSW接頭進(jìn)行腐蝕行為研究，發(fā)現(xiàn)各位置的腐蝕速率排序?yàn)锳l

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所采用材料為6mm 厚的6061-T6鋁合金和AZ31B 鎂合金長(zhǎng)方形板材，尺寸為150mm×60mm，水浸攪拌摩擦焊鋁/鎂異質(zhì)接頭的示意圖如圖1所示。水槽與制冷機(jī)和水泵相連，使水槽內(nèi)的水保持在設(shè)定溫度。鎂板置于前進(jìn)側(cè)（Advancing side,AS），鋁板置于后退側(cè)（Retreating side,RS）。采用轉(zhuǎn)速 700 ～1000r/min，焊速70mm/min，攪拌頭偏向前進(jìn)側(cè)1.1mm，軸肩壓入深度0.3mm。攪拌頭軸肩采用內(nèi)凹及同心環(huán)的結(jié)構(gòu)，提高軸肩對(duì)材料的包容和帶動(dòng)作用，直徑為15mm。攪拌針形狀為錐狀，且針上有螺紋和三個(gè)銑平面，以提高攪拌針的動(dòng)/靜體積比，提高對(duì)材料的攪拌作用，攪拌針針尖直徑為2.0mm。攪拌頭材料采用強(qiáng)度和韌性綜合性能較好的H13 鋼。

圖1 水浸鋁/鎂攪拌摩擦焊示意圖

腐蝕試樣以兩種方式進(jìn)行切取。一種如圖2a 中1所示，沿垂直于焊接方向切取橫截面。另一種如圖2a中2所示，先銑去焊縫表面1mm 厚的材料，接著平行于工件表面進(jìn)行橫剖，得到的橫剖面如圖2b所示。由于實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)焊縫表面進(jìn)行銑削加工再進(jìn)行后續(xù)的表面處理工序，對(duì)焊縫橫剖面進(jìn)行腐蝕測(cè)試更具有實(shí)際意義。

圖2 腐蝕試樣示意圖

選擇將29.22g NaCl 和14.20g Na2SO4溶解于1L去離子水中制得的含0.5M NaCl 和0.1M Na2SO4的溶液作為腐蝕液，對(duì)6061 鋁合金母材（BM-6061）、AZ31B鎂合金母材（BM-AZ31B）、焊核區(qū)（Stir zone,SZ）三者的耐腐蝕性進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)根據(jù)ISO 3160-2 制備人工汗液，進(jìn)行不同主軸轉(zhuǎn)速下的接頭橫剖面耐腐蝕性能測(cè)試，人工汗液的具體組分配比如表1所示，通過(guò)80g/L 的氫氧化鈉將溶液調(diào)整至pH=4.7±0.1。

表1 人工汗液各組分配比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊縫表面和內(nèi)部成形

主軸轉(zhuǎn)速分別為700r/min、800r/min、900r/min 和1000r/min 情況下的鋁/鎂水浸攪拌摩擦焊焊縫表面和內(nèi)部均無(wú)缺陷，如圖3所示。在焊核區(qū)，焊縫上層的鋁合金在軸肩作用下，界面被明顯拉長(zhǎng)，形成鋁、鎂互相嵌合的鋸齒狀結(jié)構(gòu)；焊縫中部和下層的鋁合金在攪拌針作用下插入到前進(jìn)側(cè)的鎂合金中形成枝狀結(jié)構(gòu)，增大了兩金屬間的混合和機(jī)械互鎖的程度；同時(shí)在靠近前進(jìn)側(cè)的焊核區(qū)存在著鋁、鎂合金交替分布的疊層結(jié)構(gòu)。以上均說(shuō)明不論在何種轉(zhuǎn)速下，鋁合金與鎂合金均發(fā)生了較大程度的混合，有利于兩金屬之間的機(jī)械連接的作用，但在電化學(xué)腐蝕中，這也導(dǎo)致大量的腐蝕微電池的形成，可能對(duì)接頭的耐腐蝕性不利。

圖3 不同主軸轉(zhuǎn)速下的焊縫表面形貌和金相照片

3.2 接頭不同區(qū)域的電化學(xué)腐蝕性研究

選用轉(zhuǎn)速為800r/min 的接頭橫截面進(jìn)行接頭不同區(qū)域的電化學(xué)腐蝕性研究。電化學(xué)腐蝕測(cè)試可以定量測(cè)量接頭上表面各位置之間存在的腐蝕電位差[7]。比較各位置的開(kāi)路電位，可以確定各位置的腐蝕傾向性[8]。極化曲線存在兩個(gè)階段。曲線斜率為負(fù)的部分是陰極反應(yīng)階段，主要反應(yīng)為水溶液的析氫。曲線斜率為正的部分是陽(yáng)極溶解反應(yīng)階段，主要反應(yīng)為材料的溶解和陽(yáng)極的異常析氫，即負(fù)差效應(yīng)，兩階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為自腐蝕電位Ecorr[9]。通過(guò)Tafel 曲線外推法，分別取極化曲線兩個(gè)階段的切線，ba和bc分別為陽(yáng)極和陰極兩階段切線的斜率，切線交點(diǎn)為腐蝕電流密度Icorr。

圖4 為異質(zhì)FSW 接頭各位置在0.5M NaCl 和0.1M Na2SO4組成的腐蝕液中的極化曲線測(cè)試結(jié)果。

圖4 典型Al/Mg異種金屬FSW接頭電化學(xué)腐蝕極化曲線

表2 為根據(jù)各極化曲線所得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。SZ 開(kāi)路電位為-1.420V，略低于 BM-AZ31B 的開(kāi)路電壓-1.540V，但低于BM-6061 的-0.720V，說(shuō)明在腐蝕過(guò)程中，局部微電池中BM-AZ31B 作為陽(yáng)極更易優(yōu)先被腐蝕。此外，腐蝕電流密度值與腐蝕速度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。腐蝕電流密度越大則腐蝕速度也越大。在Al/Mg異種金屬FSW 接頭中，SZ 區(qū)域具有最大的腐蝕電流密度，也呈現(xiàn)出最大的腐蝕速率。在FSW 過(guò)程中，SZ由于焊具的劇烈塑性形變作用，鋁元素與鎂元素大量混合，形成了嚴(yán)重的局部腐蝕微電池效應(yīng)，腐蝕速率大幅度提高。

表2 典型Al/Mg 異種金屬FSW 接頭電化學(xué)腐蝕參數(shù)

圖5 為典型異質(zhì)FSW 接頭各微區(qū)在0.1M Na2SO4+0.5M NaCl 溶液中開(kāi)路電位下的Nyquist 圖和Bode圖。BM-6061 及BM-AZ31B 表現(xiàn)出相似的電化學(xué)行為，在高頻區(qū)及中頻區(qū)都形成了比較理想的電容回路。而SZ 區(qū)域除了高頻區(qū)、中頻區(qū)的電容回路外，在低頻區(qū)存在電感回路。在低頻出現(xiàn)的電感回路與陽(yáng)極反應(yīng)中表面氧化膜的溶解和表面吸附的氧化腐蝕產(chǎn)物的脫落有關(guān)[10]。高頻范圍內(nèi)的電容回路是金屬/氧化膜界面上的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程造成的，其直徑約等于工作電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻。中頻范圍的電容回路表示表面腐蝕產(chǎn)物與0.1M Na2SO4+0.5M NaCl 溶液之間的電荷轉(zhuǎn)移，腐蝕產(chǎn)物膜松弛脫落。電容回路的半徑越大，Icorr越小，材料的耐腐蝕性能越好[11]。根據(jù)電容回路半徑的大小，確定不同區(qū)域的耐腐蝕順序?yàn)椋築 M-6 0 6 1>BM-AZ31B>SZ。

圖5 典型鋁/鎂異種金屬FSW 接頭電化學(xué)阻抗譜分析

根據(jù)上述電路特性，建立如圖6所示的等效電路圖用于定量擬合電化學(xué)阻抗響應(yīng)特性。圖6a所示的電路擬合的是SZ，而圖6b 擬合的是BM-6061 和BM-AZ31B 的等效電路。RS表示腐蝕介質(zhì)即0.1M Na2SO4+0.5M NaCl 溶液的電阻。R1和CPE1的并聯(lián)表示了界面處的電荷轉(zhuǎn)移阻抗與電雙層電容特性，其中，CPE 為恒相位元件，代表著與非理想電容行為有關(guān)的電容性原件，其表征著表面反應(yīng)的非均勻分布，即各微區(qū)內(nèi)部的沉淀相與基體間的局部性微電池結(jié)構(gòu)，其阻抗與頻率的關(guān)系為ZCPE=1/T(iω)n，其中T為幅值，n為CPE 指數(shù)，當(dāng)其取值分別為0、1、-1 時(shí)，分別代表了電阻、電容、電感元件特性。R2為陽(yáng)極和陰極反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移相關(guān)的電阻，CPE2與腐蝕產(chǎn)物的電容有關(guān)，R2和CPE2的并聯(lián)則用于描述表層氧化膜的電阻和電容特性。R3代表了工作電極表面陽(yáng)極區(qū)域局部腐蝕環(huán)境變化相關(guān)的電阻。電感元件L則用于解釋陽(yáng)極活性區(qū)域的變化[6]。還有一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)RP，即極化電阻，極化電阻被定義為零頻率阻抗，此時(shí)阻抗虛部為零。

圖6 等效電路圖

圖7 不同主軸轉(zhuǎn)速下鋁/鎂異種金屬FSW 接頭電化學(xué)腐蝕極化曲線

一般來(lái)說(shuō)，極化電阻RP的倒數(shù)被認(rèn)為與腐蝕速率成正相關(guān)，常用于評(píng)估合金的耐腐蝕性。根據(jù)等效電路圖，可推導(dǎo)出其計(jì)算公式為：

表3 為根據(jù)Nyquist 電化學(xué)阻抗譜曲線所得的擬合結(jié)果。所有腐蝕介質(zhì)阻抗RS數(shù)值差異不大，這說(shuō)明在整個(gè)腐蝕過(guò)程中，腐蝕介質(zhì)電阻改變程度較小，測(cè)試結(jié)果是可靠的。對(duì)比各位置的極化電阻RP，BM-6061最高，SZ 最低，反映耐腐蝕性能由好到差排序?yàn)椋築M-6061>BM-AZ31B>SZ。

3.3 焊接轉(zhuǎn)速對(duì)電化學(xué)腐蝕性的影響

圖 7 為不同主軸轉(zhuǎn)速下異質(zhì) FSW 接頭在pH=4.7±0.1 的人工汗液中的極化曲線測(cè)試結(jié)果。表4為根據(jù)各極化曲線所得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，接頭的開(kāi)路電位和自腐蝕電位均有所升高，說(shuō)明在轉(zhuǎn)速700r/min 到1000r/min 范圍內(nèi)，接頭的腐蝕傾向性隨主軸轉(zhuǎn)速增大而減小。主軸轉(zhuǎn)速的增加卻也導(dǎo)致了腐蝕電流密度的提高，意味著接頭的腐蝕速率也隨之提高。這可能是由于轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致兩種材料混合更為充分，接頭宏觀上的電偶效應(yīng)更為顯著，這說(shuō)明，在鋁/鎂異種金屬FSW 過(guò)程中，提高主軸轉(zhuǎn)速，接頭的腐蝕傾向減小，但腐蝕速率增大。

表4 不同主軸轉(zhuǎn)速下鋁/鎂異種金屬接頭整體電化學(xué)腐蝕極化曲線

圖8 為典型異質(zhì)FSW 接頭各微區(qū)在人工汗液中開(kāi)路電位下的Nyquist 圖和Bode 圖。如圖8a 的Nyquist圖所示，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，電容回路半徑的減小，耐腐蝕性能變差。而圖8b 的Bode 圖中，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，相位角的最大值逐漸向高頻方向偏移，也表明接頭的耐腐蝕性能降低。

圖8 不同主軸轉(zhuǎn)速下鋁/鎂異種金屬FSW 接頭電化學(xué)阻抗譜分析

表5 為Nyquist 電化學(xué)阻抗譜曲線的擬合結(jié)果。所有腐蝕介質(zhì)阻抗RS數(shù)值差異不大，說(shuō)明在整個(gè)腐蝕過(guò)程中腐蝕介質(zhì)電阻改變程度較小，測(cè)試結(jié)果可靠。對(duì)比不同主軸轉(zhuǎn)速下的極化電阻RP，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，RP的數(shù)值減小，即耐腐蝕性能降低。這主要是因?yàn)殡S轉(zhuǎn)速增加，攪拌頭對(duì)焊縫的熱輸入和對(duì)材料的攪拌作用增加，材料混合程度增大，導(dǎo)致微區(qū)間平衡電位差加劇，加速接頭的腐蝕。

表5 不同主軸轉(zhuǎn)速下鋁/鎂異種金屬FSW 接頭擬合等效電路參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

a.采用水浸攪拌摩擦焊的方法焊接鋁/鎂合金異質(zhì)接頭，在轉(zhuǎn)速700r/min 到1000r/min 范圍內(nèi)，焊縫表面和內(nèi)部均無(wú)明顯缺陷，且焊核區(qū)鋁和鎂發(fā)生了較大程度的混合；

b.對(duì)接頭的不同區(qū)域進(jìn)行電化學(xué)腐蝕性能測(cè)試，極化曲線表明 BM-6061 的自腐蝕電位最高而B(niǎo)M-AZ31B 的自腐蝕電位最低，SZ 的腐蝕電流密度最大而B(niǎo)M-6061 最小，說(shuō)明SZ 的腐蝕傾向性不是最大但腐蝕速率最大；電化學(xué)阻抗譜測(cè)試結(jié)果表明耐腐蝕性能由好到差排序?yàn)椋築M-6061>BM-AZ31B>SZ；

c.對(duì)不同主軸轉(zhuǎn)速下接頭進(jìn)行電化學(xué)腐蝕性能測(cè)試，極化曲線表明隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，接頭的自腐蝕電位升高，腐蝕電流密度的提高，即主軸轉(zhuǎn)速的增大會(huì)導(dǎo)致接頭的腐蝕傾向減小而腐蝕速率又會(huì)增大；電化學(xué)阻抗譜測(cè)試表明，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，接頭的耐腐蝕性能降低。