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        損傷鋁合金表面超聲焊接界面斷口分析與結(jié)合機(jī)理

        2012-10-08 07:28:46黃元林朱有利謝俊峰邊飛龍李占明
        關(guān)鍵詞:斷口鋁合金基體

        黃元林,朱有利,謝俊峰,邊飛龍,李占明

        (裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造工程系,北京100072)

        鋁合金材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn),但在環(huán)境介質(zhì)作用下對腐蝕卻相當(dāng)敏感。這是因?yàn)殇X合金與氧有很強(qiáng)的親和能力,雖然在空氣或水中其表面能自然形成一層氧化物膜,但一些離子,尤其是自然界廣泛存在的鹵化物,卻會破壞鋁合金表面致密的防護(hù)層,引發(fā)腐蝕[1-2]。因此特別是在沿海、多雨、潮濕高溫地區(qū)使用的如飛機(jī)機(jī)體等關(guān)鍵鋁合金構(gòu)件極易被腐蝕。表面腐蝕損傷所帶來的直接危害就是結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的損失。有關(guān)研究結(jié)果表明:自然的預(yù)剝蝕損傷會使飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命下降40% ~60%。當(dāng)腐蝕萌生后,若不加以控制,不僅影響飛機(jī)的飛行安全,還會大大增加維修成本[3]。所以針對飛機(jī)服役過程中鋁合金結(jié)構(gòu)件表面腐蝕損傷的控制與修復(fù)研究十分重要。

        目前,針對飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)件腐蝕損傷的修復(fù)方法有膠粘法、電刷鍍法、激光熔覆法等。這些方法各有其不足:如膠粘法結(jié)合強(qiáng)度及性能恢復(fù)程度有限;電刷鍍法鍍層較薄;激光熔覆法存在熔合區(qū),焊區(qū)易產(chǎn)生氣孔、焊渣及殘余拉應(yīng)力等缺陷[4-6]。超聲焊接是一種新興的金屬修復(fù)工藝,其優(yōu)點(diǎn)是:可在金屬基體上焊接不同材質(zhì)、不同厚度的金屬箔材或絲材,焊點(diǎn)呈冶金結(jié)合,且不存在傳統(tǒng)焊接技術(shù)中的熔合區(qū)、焊渣及殘余拉應(yīng)力等缺陷[7-8]。但是國內(nèi)外少有關(guān)于金屬基體上超聲焊接金屬箔材方面的報道。筆者擬采用該技術(shù)在預(yù)腐蝕的鋁合金表面焊接一層適當(dāng)厚度的鋁合金箔材,并對鋁合金基體與箔材的界面結(jié)合狀況及截面形貌進(jìn)行觀察與分析,旨在為利用該技術(shù)修復(fù)表面受損的鋁合金材料提供參考。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        1.1 試樣材料

        基體為2A12CZ鋁合金板材,板厚3 mm;焊接箔材為2A12CZ鋁合金,厚度為0.3 mm。

        1.2 焊接方法及工藝

        1.2.1 焊接準(zhǔn)備

        為了模擬受損鋁合金零部件,采用腐蝕溶液浸泡法將50 mm×20 mm×3 mm的2A12CZ鋁合金板材試塊的一端8 mm×10 mm部分進(jìn)行局部預(yù)腐蝕,腐蝕溶液選用鋁合金剝蝕液(EXCO):ρ(NaCl)=234 g/L,ρ(KNO3)=50g/L,C(HNO3)=6.5 mol/L,試劑為化學(xué)純,余量為去離子水。試驗(yàn)時腐蝕溶液溫度控制在35±1℃,腐蝕時間為10 min。用砂紙將腐蝕部位打磨,去除腐蝕產(chǎn)物,露出新鮮基體,再用丙酮清洗干凈后以備超聲焊接。

        1.2.2 超聲焊接工藝

        采用 UDW-I超聲焊接設(shè)備,工具頭振幅為20 μm,靜壓力為401 N(對應(yīng)的氣壓為0.5 MPa),焊接時間為0.8 s,激勵電流為1.0~1.6 A,振動頻率為20 kHz。

        1.3 試驗(yàn)方法

        焊接試樣制作如圖1所示。將2塊50 mm×20 mm×3 mm的2A12CZ鋁合金試塊腐蝕一端對接,采用厚度為0.3mm、尺寸為40 mm×20 mm的2A12CZ鋁合金箔材覆蓋在2個鋁合金試塊的預(yù)腐蝕處,采用超聲焊接法將圖1陰影部分預(yù)腐蝕的上面鋁合金箔材與下面的基體焊接起來,使左右2塊基體通過箔材連接為一體。而后,采用同樣的方法焊接背面。焊好的試樣在拉伸試驗(yàn)機(jī)上將其拉伸剪切脫離,暴露出焊接界面(即箔材與基體焊合的部位),以便通過顯微鏡觀察其結(jié)合形貌及機(jī)理,為了能使焊好的箔材通過拉伸剪切方法拉剪開,超聲擴(kuò)散時適當(dāng)降低焊接壓力及時間,壓力由正常壓力482 N降為401 N,焊接時間由正常的1.2 s降為0.8 s。

        采用Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察界面斷口形貌及截面形貌。

        圖1 焊接試樣制作示意圖

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 表面宏觀形貌

        圖2給出了2A12CZ鋁合金基體上超聲焊接鋁合金箔片拉伸剪切試樣。可見:焊接部位表面較平整,有網(wǎng)格狀壓紋痕跡。原因是:為了增加焊接壓頭與試件之間摩擦力,設(shè)計(jì)加工焊接壓頭表面為網(wǎng)格狀微刺,以便在焊接過程中,壓頭在豎向壓力的作用下,其表面微刺壓入鋁箔表面,這樣使壓頭與箔材之間在較大靜摩擦力的作用下,帶動箔材與基體之間發(fā)生高頻振動,但箔材在微刺的豎向壓力作用下,發(fā)生塑性變形,所以留下了印痕。

        圖2 超聲焊接試樣的表面宏觀形貌

        2.2 界面斷口微觀形貌

        2A12CZ鋁合金基體表面超聲焊接箔材后,通過機(jī)械方法使其焊接界面脫開,這樣,焊接部位斷口,即箔材與基體焊合后又被機(jī)械拉脫開的2個表面,對其中的基體斷口的表面形貌進(jìn)行了微觀觀察。

        圖3給出了2A12CZ鋁合金基體界面斷口形貌SEM照片。圖3(a)為基體界面的低倍表面形貌,其中發(fā)亮的部位為焊合部位,發(fā)暗的部位為未焊合的原基體形貌,說明:在本試驗(yàn)的靜壓力401 N、焊接時間0.8 s的條件下,焊接處大部分面積被焊合。圖3(b)-(f)給出了焊合部位(即發(fā)亮部位)的微觀形貌??梢?基體表面焊合部位層發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形,已經(jīng)完全分辨不出原有的加工條紋,且界面斷口微觀形貌主要為鱗片狀現(xiàn)象(見圖3(b)-(d))及韌窩現(xiàn)象(見圖3(e)、(f)中虛線圈內(nèi)部位),為典型的金屬斷口形貌。這說明了該焊接部位已經(jīng)發(fā)生冶金結(jié)合后被機(jī)械斷開,成為金屬斷口。

        圖3 2A12CZ鋁合金基體界面斷口形貌SEM照片

        2.3 截面形貌

        為了從截面觀察箔材與基體的結(jié)合狀況,垂直于焊接試樣表面將試樣剖開,將其截面打磨、拋光、清洗,再在光學(xué)顯微鏡下觀察、拍照。圖4給出了損傷2A12CZ鋁合金基體上超聲焊接箔材的截面形貌照片??梢?從經(jīng)過拋光的截面來看,鋁箔與基體大部分組織已完全結(jié)合成一體,氧化物及原界面線消失(圖4虛線圈內(nèi)部分),少部分呈未結(jié)合的裂紋或孔洞狀態(tài)(圖4白色箭頭所指部位),這些與界面斷口形貌一致。

        2.4 討論

        圖4 2A12CZ鋁合金超聲焊接箔材截面形貌

        由以上焊接界面斷口分析及截面形貌來看,在靜壓力401 N、焊接時間0.8 s的條件下,超聲焊接部位大部分已呈冶金結(jié)合狀態(tài)。其結(jié)合機(jī)理為:在超聲頻率的振動摩擦力及正壓力作用下,鋁箔與基體接觸部位組織發(fā)生了充分的塑性變形,界面處氧化物或污染物等雜質(zhì)可能被揉碎、擠出或分解、擴(kuò)散、消失,使上下表面之間以潔凈的金屬表面相接觸,并在摩擦熱及超高形變率的作用下,產(chǎn)生界面局部真空,使界面元素加速擴(kuò)散[9],產(chǎn)生再結(jié)晶、擴(kuò)散、金屬間的鍵合等現(xiàn)象,使焊接界面呈冶金結(jié)合。

        [1] 唐秀梅,張宏偉,楊金鳳.淺析7A10鋁合金焊接裂紋的成因及其預(yù)防措施[J].輕合金加工技術(shù),2003,31(7):40-41.

        [2] 楊守杰,戴圣龍.航空鋁合金的發(fā)展回顧與展望[J].材料導(dǎo)報,2005,19(2):76-80.

        [3] 張有宏.飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷及其對壽命的影響[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.

        [4] 姚武文,陳名華,楊后川.飛機(jī)粘接修理質(zhì)量缺陷的誘因及預(yù)防[J].粘接,2006,27(2):53-54.

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