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1、精品论文高强度 LC4CZ 铝合金 FSW 接头腐蚀性能研究钱晓强，杨新岐，郭晓娟 天津大学材料学院，天津(300072) E-mail：摘 要：利用 ASTM G34 标准研究了 LC4 铝合金 FSW 接头的腐蚀蚀行为。结果表明，LC4 铝合金 FSW 接头对剥蚀敏感，焊缝热机影响区最易受腐蚀。铝合金 FSW 街头焊接缺陷“弱 连接”对剥蚀影响很大。关键词：LC4CZ；FSW 接头；焊接缺陷; 剥落腐蚀1.引言搅拌摩擦焊（FSW）是一项相对较新的固态连接方法，在铝及铝合金等轻质合金连接方 面具有明显的优势。当前，国内外 FSW 焊接接头由于摩擦热引发塑性变形导致微观组织变 化的研究，FSW
2、 过程焊接温度场模拟，焊接应力应变场模拟，焊接接头疲劳断裂性能等的 研究都比较多，有关 FSW 焊接接头耐腐蚀性能的系统研究较少。国外有关FSW在 2XXX，7XXX和 5XXX系列铝合金焊接接头的腐蚀性能研究的相关文 献有：AA2024T3 铝合金在焊核区域的腐蚀现象研究1，AA2024-T351，AA5456-H116，AA7010-T7651 在焊核区域的腐蚀行为研究2，还有一些文献研究结果表明腐蚀主要发生在 热影响区域（HAZ），如 AA7075T651 合金3，还有一些文献研究表明焊缝区域腐蚀性能与母材相当，如AA2024T3 和AA2195 合金4，还有一些铝合金FSW焊接接头的耐
3、腐蚀 性能明显优于母材5。英国的D.A Wadeson等人研究了AA7108-T79 铝合金搅拌摩擦焊的腐蚀行为6。腐蚀试验采用改进的ASTM G34,EXCO实验方法进行。金相观察表明，在腐蚀 72h后，最严重的腐 蚀出现在铝合金焊缝热机械影响区的边界处。在TMAZ表面的一些凹凸棱痕迹被完全腐蚀 掉，随着腐蚀扩展从TMAZ到HAZ进行，腐蚀深度以原来表面计算达到 300 微米。同样明显 的是保留下来的凹凸棱痕迹也被严重腐蚀，这表明凹凸棱痕迹对腐蚀作用很敏感。这被认为 是与TMAZ中产生的热机械过程引起的严重变形微观组织部分密切相关。电化学测试也表 明，最低开路电压出现在TMAZ的边缘。这都是
4、由于在TMAZ内阳极反应速率的增加造成的。 D.A Wadeson等人的腐蚀试验证明了TMAZ是最容易受到腐蚀的。目前，国内有关铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为的研究还是空白。本文参考 ASTM G34 标准研究了 LC4CZ 铝合金 FSW 接头的腐蚀现象，探讨了影响铝 合金 FSW 接头腐蚀性能的因素。2.试验2.1 试验材料本文所用试验材料为北京赛福斯特有限公司提供的航空用高强度铝合金 LC4，新牌号为7A04，母材热处理状态为 T4（或 CZ），即固溶热处理后自然时效至基本稳定的状态，适 用于固溶热处理后不再进行冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限）的产品。 LC4 铝合金是超硬
5、铝合金，其强度高于硬铝，塑性较低，对应力集中的敏感性强，耐热性较- 1 -差。LC4 铝合金 FSW 接头的化学成分和外观尺寸如下表 1，表 2 所示。表 1 LC4 铝合金化学成分材料化学成分（质量分数）/%ZnMgCuCrMnNiTiFeSiAlLC45.07.01.82.81.42.00.10.250.20.60.10.500.50余量表 2 LC4 铝合金 FSW 接头外观尺寸材料板材厚度（mm）焊缝宽度(mm)LC44.815.02.2 焊接参数LC4 铝合金试验样板由中国搅拌摩擦焊中心北京赛福斯特有限公司制备。FSW 技术的 主要工艺参数是搅拌头的旋转速度 n、焊接速度 v、轴肩压
6、力 p,倾角 等,各参数所代表的意 义见图 1 所示。本文所有焊件均采用高焊速焊接,具体焊接参数见表 3 所示(全部焊接参数由 北京赛福斯特有限公司提供)。表 3 铝合金搅拌摩擦焊接参数焊接参数材料旋转速度 n移动速度 v倾角 搅拌头插入深度 t轴肩压力 pLC48001000rmp150250mm/min34.75mm1.52.5KN图 1 铝合金搅拌摩擦焊接参数示意图2.3 试验方案1未腐蚀对比金相试样制作将试样沿垂直焊接方向的横截面依次用 200，400，600，800 和 1000 号耐水砂纸打磨后 抛光。用酒精擦洗表面后用新配的 Dix-Keller 试剂（4ml 氢氟酸，6ml 盐
7、酸，10ml 硝酸 和190ml 水）在抛光表面进行腐蚀，腐蚀大约 12min 后用无水酒精洗净吹干，在光学显微镜OLYMPUS GX51 下观察其显微组织。用体式显微镜 TK-C921EC 观察宏观外貌。2剥落腐蚀试验本试验的目的是研究铝合金FSW接头的层状剥落性能。试验所用溶液参考ASTM G34EXCO 标准 7 ，配置 溶 液方案用 标 准的 EXCO 溶液 (pH=0.4) 4mol/L-1NaCl+0.5 mol/L-1KNO3+0.1 mol/L-1HNO3，合金腐蚀面与腐蚀介质面容比为50cm2/l-1。试样处理方法将试样 沿垂直焊接方向的横截面依次用 200，400，600，
8、800 和 1000 号耐水砂纸打磨后抛光，用丙 酮去表面油污，酒精擦洗，烘干后放入EXCO溶液中腐蚀。腐蚀环境温度大致为 203。 浸泡腐蚀时间为 120h。3.试验结果与讨论3.1 微观组织根据材料的流动性差异产生的不同区域可把铝合金 FSW 接头分为四个区域：母材区（Base Metal, BM）、焊核区（Weld Nugget）、机械热影响区（Thermal Mechanical Affected Zone，TMAZ）和热影响区（Heat Affected Zone，HAZ），如图 2 所示。LC4 铝合金 FSW 接头焊核厚度近似 4.4mm，焊缝表面搅拌区宽度近似 10mm。图2
9、LC4铝合金搅拌摩擦焊接头切面组织分区示意图A母材区, B热影响区, C，D机械热影响区, E焊核区 A.S.搅拌头前进侧 R.S.搅拌头后退侧LC4 铝合金母材组织呈现沿轧制方向拉长的等轴晶，其间均匀弥散着黑色强化相颗粒， 其时效强化相除了相(CuAl2)和S相(CuMgAl2)外，尚有强化效果强烈的相(MgZn2)和T相 (Al2Mg3Zn3),在母材微观组织图中不明显，如图 3(a)所示。LC4 铝合金FSW接头焊核区域由 一系列细小的等轴再结晶颗粒相构成，其间分布的强化弥散相很不明显，如图 3(e，f)所示。 这是由于在焊接过程中，条状的强化相在焊接过程中随着温度的升高，部分强化相组织
10、熔化 后进入基体中，熔点较高的强化相在搅拌头的搅动下相组织被打碎后发生再结晶的缘故。焊 核内相组织的重结晶和强化相的再分散表明焊接过程中温度超过了部分强化相的熔点但低 于线材金属的熔点。在焊核与母材之间有一过渡区，在这一过渡区中，母材条状的特征被高度扭曲，形成一 种高度变形的弧形条状汇合于焊核，研究表明这一区域没有发生与焊核区内类似的再结晶过 程。在焊核最边缘高度变形的区域为热机影响区，这一区域在焊接过程中温度仅于焊核。图 3(c)是搅拌头前进侧热机影响区，由图中明显可以看到熔核区与母材的分界线，图3(d)是搅拌头后退侧热机影响区，图中熔核区与母材的分界线不明显，熔核到母材是逐渐过 渡的。这是
11、因为在搅拌头的旋转摩擦作用下，前进侧熔融金属几乎即刻便被搅拌头指棒挤压 出去，该部分温度冷却快，因此熔核与母材分界线明显。后退侧熔融金属有一个流动过程，(a)(b)(c)(d)(e)(f)图3 LC4铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织(a)母材 (b)热影响区 (c)前进侧热机影响区 (d)后退侧热机影响区(e)焊核中心上部 (f)焊核中心下部部分强化相发生熔化并伴随有晶粒长大的过程，熔核区与母材的分界线不明显。紧邻热机影 响区的为焊接热影响区图 3(b)，这一区域的组织形态与母材相似，只是在焊接过程中随着温 度的升高而伴随有晶粒的长大。3.2EXCO 腐蚀结果讨论LC4 铝合金试样投入 EXCO
12、腐蚀溶液中就有气泡产生。2h 后，继续有气泡，试样抛光 表面出现不连续的腐蚀点，在点的边缘有轻微鼓起，4h 后，反应继续发展，但速度减慢， 试样表面有少量鼓泡裂开，呈薄片，有轻微的剥落层，24h 后，试样表面严重变色，溶液中 存在大量的剥蚀产物，剥蚀扩展到较深的基体金属内部，母材体表微微发红，试样表面上热 机影响区腐蚀较严重，腐蚀产物为黑色，前进侧热机影响区腐蚀面积比后退侧要小，焊核中 心区域光亮，腐蚀不明显，48h 后，热影响区腐蚀情况更严重，表面有大量白色粉末。72h 后腐蚀变慢。图 4 所示为 LC4 铝合金 FSW 接头腐蚀 120h 后与未腐蚀的试样的宏观对比图。从图中 可以看出，L
13、C4 铝合金 FSW 接头的两侧热机影响区和热影响区域是发生腐蚀的严重区域。 接头焊核区域的腐蚀程度相比要轻。(a) 腐蚀前(b) 腐蚀后 图 4 LC4 铝合金 FSW 接头腐蚀前后宏观对比图 5 为 LC4 铝合金 FSW 接头两侧焊缝处飞边“flash”的腐蚀图。从图中可以看出，飞 边对剥落腐蚀的影响不大。(a) 前进侧飞边(b) 后退侧飞边 图 5 LC4 铝合金 FSW 接头飞边在LC4 铝合金FSW接头焊缝表面出现了较多的腐蚀种类，见图 6。从图中可以看出，LC4 铝合金的剥落腐蚀现象比较严重。母材区表面蚀坑较多，部分区域出现了较为危险的穿晶腐 蚀。焊缝区焊核中心区域有孔蚀生成较多
14、，靠近熔合线区剥蚀严重。这说明LC4 铝合金对剥 蚀十分敏感。原因可能是LC4 材料在热处理时，晶界析出的强化相如CuAl2、MgAl2Zn、 CuAl2Mg等相对于晶粒本身为阳极而优先溶解,造成晶间腐蚀。当晶间腐蚀沿着平行于表面 的大量狭窄通道进行时，形成的难溶物质占据了大量空间，此空间大于这些材料形成时的原 空间。这些大量的腐蚀产物起着“楔子作用”，引起了侧向拉伸力，导致了未腐蚀属的分离、 剥落或分层8。(a) 母材蚀坑(b) 母材穿晶腐蚀(c) 焊核临近熔合线大范围剥蚀(d) 焊核中心孔蚀图 6 LC4 铝合金 FSW 接头焊缝表面腐蚀本次EXCO剥落腐蚀试验还观察到了铝合金FSW接头“弱连接”缺陷对剥落腐蚀的影响。 “弱连接(weak-bond)”或“吻接(kissing-bond)”缺陷是搅拌摩擦焊接头特有的一种缺陷，用传统 的无损检测方法（如超声波检测和X射线探伤）都无法检测到的。这些缺陷其实是由无定形 的Al2O3颗粒组成的氧化队列。铝合金FSW接头弱连接缺陷主要是焊接前铝合金板材表面氧 化铝薄膜在搅拌摩擦焊进程中被搅拌头打碎进熔核区域产生连续的氧化铝碎片带。(a) 腐蚀前(b) 腐蚀后 图 7 LC4 铝合金 FSW 接头根部缺陷对腐蚀的影响本次 EXC
