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(1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院， 廣西南寧530004;2.廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室， 廣西南寧530004;3.廣西柳州銀海鋁業(yè)股份有限公司廣西， 廣西柳州545006)

0 引言

5052鋁合金屬于Al-Mg系鋁合金，由于其疲勞性能及焊接性能好，又耐海洋大氣腐蝕，因而作為焊接結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用于船舶[1-2]、航空[3-4]和車輛[5]等領(lǐng)域。在眾多鋁合金焊接方法中，屬以焊接質(zhì)量佳為突出優(yōu)點的攪拌摩擦焊[6-9]和激光焊接[10-13]的研究最多。然而，攪拌摩擦焊僅限于回轉(zhuǎn)件的焊接，而激光焊接對高反射和高導(dǎo)熱材料(如鋁、銅)存在較高的能量耦合壁壘[14]，焊接時對激光器的輸出功率和光束質(zhì)量要求極高。因此，基于實用性和成本的考量，人們?nèi)匀挥斜匾芯可鲜鰞煞N焊接方法外的其余焊接方法。

非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊(tungsten inert gas welding，TIG)具有電弧穩(wěn)定、易于控制、無飛濺、噪聲小、焊接質(zhì)量高、對焊接場合要求低以及成本低等優(yōu)點[15]。若能得出5052鋁合金TIG焊接過程中的工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，找到適合的焊接工藝參數(shù)，就可將TIG焊接作為5052鋁合金在不適合攪拌摩擦焊和激光焊接的場合使用。

TIG焊接工藝中，坡口形式、夾具和墊板設(shè)計、焊接參數(shù)等直接影響焊縫成形、焊接質(zhì)量和焊接接頭的強度，其中，以調(diào)整焊接參數(shù)最為重要；在焊接參數(shù)中，焊接電流又起主導(dǎo)作用。Kumar等[16]研究了AA 5456鋁合金板脈沖鎢極氬弧焊焊接峰值電流、基值電流以及焊接速度對焊接質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)焊接電流對熔深影響較大：電流過大，工件容易燒穿；電流過小，則可能產(chǎn)生未焊透現(xiàn)象。徐正[17]使用TIG焊接方法在160 A和200 A的電流下對7075鋁板進(jìn)行了焊接，發(fā)現(xiàn)其抗拉強度僅有219 MPa和188 MPa，并且他沒有進(jìn)行較低電流的焊接研究。王錫嶺[18]研究了焊接電流為170 A和180 A的TIG焊接工藝；廖傳清等[19]研究了焊接電流為250 A的TIG焊接工藝；王培吉等[20]研究的TIG焊接電流更高，為300 A。上述文獻(xiàn)[18-20]只研究了TIG焊接單一的電流參數(shù)，沒有進(jìn)行不同電流下的TIG焊接研究；并且以7系鋁合金板材為母體所得的焊接接頭強度較低，只達(dá)到了母材的40 %～50 %[18-20]。

本文研究了焊接電流在100～120 A變化時，3 mm厚的5052鋁合金板材采用TIG焊接時焊接電流對焊接接頭力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響，得出該合金TIG焊接電流對組織性能的影響規(guī)律，是對小電流范圍內(nèi)TIG焊接鋁合金薄板工藝的一個補充，為工程實踐提供參考。

1 實驗材料與方法

圖1 焊接接頭形式Fig.1 Type of the welding joint

焊接母材為5052鋁合金，所用焊絲為ER 5356，成分見表1。母材切割成100 mm×80 mm×3 mm的焊板，焊前用丙酮和酒精擦拭去除油污和水分，再用Φ0.15 mm的不銹鋼絲刷子刷，直至露出金屬光澤。清理后的焊板在4 h內(nèi)用YC-300 WX交直流氬弧焊機，采用TIG工藝進(jìn)行雙面焊接。接頭及坡口尺寸如圖1所示。焊絲直徑為2.4 mm，焊接速度為3 mm/s，氬氣流量為11 L/min，焊接電壓為17.5 V，焊接電流為100～120 A。

表1 5052鋁合金和ER 5356焊絲成份Tab.1 Chemical compositions of 5052 aluminum alloy and ER 5356 welding wire wt %

注1：—表示無此元素。

焊后沿焊縫橫截面取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光和Keller試劑腐蝕后，用DMC 4000/MC 170光學(xué)顯微鏡觀察組織，用HXD-1000/LCD維氏硬度計測顯微硬度。

電化學(xué)腐蝕試樣為Φ14 mm×3 mm的圓片，用水砂紙磨至5 000目。實驗用PS-286 C電化學(xué)工作站，輔助電極為Pt片，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為3.5 %NaCl水溶液，電位測量范圍為-1 200～400 mV，電位掃描速度為60 mV/min。鹽霧腐蝕按照《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》(GB/T 10125—2012)進(jìn)行，用YFX-150型鹽霧腐蝕機，樣品尺寸為20 mm×10 mm×3 mm的長方體，用水砂紙磨至2 000目，稱重時精確到0.000 1 mg。腐蝕時，壓力桶溫度為47 ℃，實驗溫度為35 ℃，噴霧壓力為0.6 MPa，腐蝕時長168 h，期間每隔24 h取樣，沖洗吹干后稱重。

拉伸試驗按照《焊接接頭拉伸試驗方法》(GB/T 2651—2008)，在WDW-1000電子萬能試驗機上進(jìn)行，橫梁移動速率為3 mm/min。用日立SU 8020掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的顯微組織

100～120 A電流下TIG焊接時焊接接頭的顯微組織見圖2，當(dāng)焊接電流在100～120 A變化時，5052焊接接頭的顯微組織主要由焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成，但各區(qū)域之間的界限并不明顯。當(dāng)焊接電流分別為100 A、110 A和115 A時，基體為等軸晶，焊縫區(qū)為樹枝晶，在等軸晶與樹枝晶之間為熔合區(qū)和熱影響區(qū)。隨著焊接電流從100 A增大到115 A時，熔合區(qū)和熱影響區(qū)域變大，該區(qū)域的形貌處于等軸晶和樹枝晶之間，偏向于較細(xì)的樹枝晶；當(dāng)焊接電流為120 A時，熱影響區(qū)更大并且組織也較粗大，這是由于焊接電流較大，焊接熱輸入也增大，導(dǎo)致熱影響區(qū)增大和組織粗大。

(a) 100 A (b) 110 A

(c) 115 A (d) 120 A

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能

表2為100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭的力學(xué)性能。接頭的斷面收縮率隨著焊接電流增大而減小，表明接頭塑性隨焊接電流增大而下降。隨著焊接電流從100 A升高至115 A，接頭的抗拉強度由160.4 MPa逐漸升高至212.1 MPa，達(dá)到母材抗拉強度的90.8 %。其中，100～110 A時接頭抗拉強度對焊接電流變化最敏感，抗拉強度從160.4 MPa增至201.9 MPa。當(dāng)焊接電流提高到120 A后，接頭抗拉強度為210.2 MPa，與焊接電流為115 A的接頭相比幾乎無變化。

表2 100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of TIG joints with welding currents of 100～120 A

焊接電流過小，熔池溫度過低凝固速度加快，熔池中的溶質(zhì)來不及擴散容易發(fā)生偏析，降低了焊接接頭的強度；當(dāng)焊接電流增大，偏析程度減小，力學(xué)性能也會得到改善。但焊接電流增大，會使焊縫區(qū)晶粒粗大，熱影響區(qū)受熱高于再結(jié)晶溫度發(fā)生“軟化”，也會影響接頭的強度[21-22]。這也是焊接電流從115 A增大到120 A時，接頭抗拉強度不再增加的原因。

100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭的顯微硬度如圖3所示，熔合區(qū)的HV最高，為63～68；基體的HV為60～63；焊縫區(qū)的HV為50～55；在接近基體的區(qū)域出現(xiàn)了一個“軟化”區(qū)，HV最低為51，稱為熱影響區(qū)。這四個區(qū)域與圖2的顯微組織相一致：基體為等軸晶，焊縫區(qū)為樹枝晶，以及等軸晶和樹枝晶之間的混合區(qū)域。硬度在焊縫區(qū)最低，在熔合區(qū)上升至最高，在熱影響區(qū)出現(xiàn)“軟化”后隨著離焊縫中心距離的增加逐漸上升趨于母材硬度(63 HV)。在焊縫區(qū)顯微硬度大小的順序為115 A>110 A>100 A>120 A；熔合區(qū)顯微硬度大小的順序為115 A >100 A>120 >110 A；熱影響區(qū)顯微硬度大小的順序為115 A>120 A>110 A>100 A。當(dāng)焊接電流為115 A時TIG焊接接頭的焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度均最高。

圖3 100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭的顯微硬度(垂直于焊接方向)Fig.3 Microhardness of welding TIG joints with welding currents of 100～120 A (perpendicular to the weld direction)

圖4為100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭拉伸斷口形貌，當(dāng)焊接電流為100 A和110 A時，為韌性斷口，但是韌窩較小較淺；當(dāng)焊接電流為115 A和120 A時，主要是脆性斷口，有少量的韌窩。

(a) 100 A (b) 110 A

(c) 115 A (d) 120 A

圖5 100～120 A焊接電流下TIG焊接 接頭鹽霧腐蝕的動力學(xué)曲線Fig.5 Corrosion kinetics curves of TIG joints with welding current of 100～120 A

2.3 焊接接頭的耐腐蝕性能

如圖5所示，為100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭在鹽霧箱中失重速率與時間的關(guān)系。樣品腐蝕速率隨腐蝕時間的增加而減小，在腐蝕的前24 h，樣品的失重率最大。因為初放入鹽霧腐蝕箱的樣品沒有致密氧化膜保護(hù)而腐蝕速率很快；特別是當(dāng)焊接電流為120 A時腐蝕速率最大為0.86 g/(m2·h)。樣品的腐蝕速率在24～96 h均有明顯減小，因為在被35°C鹽霧氛圍侵蝕的同時，樣品中的鋁會與箱中氧氣反應(yīng)生成一層致密的氧化膜，富鎂區(qū)的鎂單質(zhì)也會與箱體中的氧氣作用形成一層耐蝕的鎂羥基碳酸鹽薄膜[23]，加之焊絲中含有微量的銅、鐵元素，將使5052鋁合金表面自腐蝕電位右移[24]，提高了5052鋁合金的耐蝕性，腐蝕速率降低。

圖6為100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭經(jīng)鹽霧腐蝕168 h后的形貌。焊接電流為100 A和110 A的焊接接頭的焊縫區(qū)主要為點蝕，焊接電流為115 A和120 A的焊接接頭的焊縫區(qū)主要為點蝕和晶間腐蝕。在中性鹽霧腐蝕的環(huán)境中隨著5052鋁合金TIG焊接電流增大，焊縫區(qū)晶間腐蝕傾向逐漸增大。晶間腐蝕會使晶粒間的結(jié)合力大大削弱，降低材料強度。

NaCl小液滴中的Cl-對5052試樣表面的鈍化膜有破壞作用，鹽霧腐蝕箱中的氧氣通過反應(yīng)式(1)、(2)在氯化鈉小液滴中形成OH-和O2-。此外，由于NaCl溶液中的Al3+和Mg2+與5052鋁合金的化學(xué)位不相等，5052鋁合金中的Al3+和Mg2+會向溶液中轉(zhuǎn)移，通過反應(yīng)式(3)、(4)在氯化鈉溶液中形成Al3+和Mg2+。最終，形成了Al2O3、MgO、Al(OH)3和Mg(OH)2等腐蝕產(chǎn)物。結(jié)合A點能譜分析見表3，可知腐蝕產(chǎn)物主要為Al2O3。因為5052鋁合金中鎂作為合金元素含量少且噴霧為中性，所以產(chǎn)生的Mg2+和OH-較少，生成的Mg(OH)2未能超過其在鹽水中的溶解度而析出[24]，因此觀察到的腐蝕產(chǎn)物主要為Al2O3。

O2+ 2H2O + 4e-→ 4 OH-

(1)

O2+4e-→ 2O2-

(2)

Al - 3e-→ Al3+

(3)

Mg - 2e-→ Mg2+

(4)

(a) 100 A (b) 110 A

(c) 115 A (d) 120 A

元素質(zhì)量百分比/wt%原子百分比/%O53.1365.77Mg0.620.50Al44.9432.99Cl1.320.74

圖7 100～120 A焊接電流下 TIG焊接接頭的Tafel曲線Fig.7 Tafel curves of the joints at different welding currents using TIG

圖7為100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭的Tafel曲線。表4為100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭的腐蝕電流密度與腐蝕電位。100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭的腐蝕電位在-720～-680 mV，腐蝕電流密度在-5.22～-4.78 mA/cm2。所有樣品腐蝕電位和腐蝕電流密度相較母材均有輕微右移，所有接頭電化學(xué)腐蝕傾向和腐蝕后腐蝕速率均比母材小。當(dāng)焊接電流為115 A時，接頭腐蝕傾向最?。缓附与娏鳛?00 A時，腐蝕后腐蝕速率最小。焊接電流為110 A時，腐蝕電流密度和腐蝕電位均較負(fù)，與其余焊接電流下的接頭相比腐蝕傾向和腐蝕速率均處于較高水平，耐腐蝕性能最差。

表4 100～120 A焊接電流下TIG焊接接頭的腐蝕電流密度與腐蝕電位Tab.4 Corrosion current densities and the corrosion potentials at different welding currents using TIG

3 結(jié)論

①100～120 A焊接電流的5052鋁合金TIG焊接時，焊接電流為115 A所得焊接接頭綜合力學(xué)性能較好。其接頭抗拉強度為212.1 MPa，達(dá)到母材抗拉強度的90.8 %，斷面收縮率為28.9 %，比母材50.3 %的斷面收縮率損失近一半。

②168 h后的鹽霧腐蝕表明，當(dāng)焊接電流在100 A和110 A時，5052鋁合金TIG焊接接頭以點蝕為主，腐蝕較均勻；當(dāng)電流為115 A和120 A時，晶間腐蝕加劇，轉(zhuǎn)變?yōu)辄c蝕和晶間腐蝕為主。當(dāng)焊接電流在100～120 A時，腐蝕電流密度變化規(guī)律不明顯，這與焊縫組織不均勻有關(guān)。