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(duì)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(huì)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(lái)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(huì)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(huì)大大增加維修成本［3］。所以針對(duì)飛機(jī)服役過(guò)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(duì)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(guó)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(bào)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(duì)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(shí)腐蝕溶液溫度控制在35±1℃，腐蝕時(shí)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(duì)應(yīng)的氣壓為0.5 MPa)，焊接時(shí)間為0.8 s，激勵(lì)電流為1.0～1.6 A，振動(dòng)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(duì)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(gè)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(lái)，使左右2塊基體通過(guò)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(guò)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(guò)拉伸剪切方法拉剪開(kāi)，超聲擴(kuò)散時(shí)適當(dāng)降低焊接壓力及時(shí)間，壓力由正常壓力482 N降為401 N，焊接時(shí)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?？梢?jiàn):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(guò)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(dòng)箔材與基體之間發(fā)生高頻振動(dòng)，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(guò)機(jī)械方法使其焊接界面脫開(kāi)，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(kāi)的2個(gè)表面，對(duì)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(shuō)明:在本試驗(yàn)的靜壓力401 N、焊接時(shí)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?jiàn):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(jiàn)圖3(b)-(d))及韌窩現(xiàn)象(見(jiàn)圖3(e)、(f)中虛線圈內(nèi)部位)，為典型的金屬斷口形貌。這說(shuō)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(kāi)，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(kāi)，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?jiàn):從經(jīng)過(guò)拋光的截面來(lái)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(lái)看，在靜壓力401 N、焊接時(shí)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(dòng)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(bào)，2005，19(2):76-80.

［3］ 張有宏.飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷及其對(duì)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.

［5］ 王新坤，王東蜂，閆旭.飛機(jī)硬鋁合金構(gòu)件戰(zhàn)時(shí)表面劃傷電刷鍍快速修復(fù)［J］.表面技術(shù)，2005，34(3):48-53.

［6］ 姜偉，胡芳友，韓莉.激光熔覆技術(shù)在飛機(jī)葉片修復(fù)中的應(yīng)用研究［J］.新技術(shù)新工藝，2007(12):57-59.

［7］ 阮世勛，雷運(yùn)清.金屬超聲焊及應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2004(12):38-40.

［8］ 陳思忠.金屬材料的超聲縫焊技術(shù)研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，1999(3):54-57.

［9］ GunduzI E，Ando T，Shattuck E，et al.Enhanced Diffusion and Phase Transformations During Ultrasonic Welding of Zinc and A-luminum［J］.Scripta Materialia，2005，52(9):939-943.