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        攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)2024-T3鋁合金攪拌摩擦焊接接頭腐蝕行為的影響

        2021-08-23 02:23:54南黃河
        輕合金加工技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:腐蝕電流耐蝕性伸長(zhǎng)率

        南黃河,李 娜,2,何 冰

        (1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000;2. 西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院,陜西 西安 710072)

        攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding:FSW)是一種綠色固相焊接技術(shù),解決了鋁、鎂、鈦等輕質(zhì)合金的焊接難題[1],尤其在焊接高強(qiáng)鋁合金方面優(yōu)勢(shì)顯著,能夠有效避免傳統(tǒng)熔焊方法中出現(xiàn)的夾渣、氣孔等缺陷[2]。因此,鋁合金攪拌摩擦焊廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、陸路交通等領(lǐng)域[3-4]。然而,對(duì)于高強(qiáng)鋁合金而言,由于焊接過程中接頭各個(gè)區(qū)域晶粒的熱力作用不同,故焊后接頭形成了四個(gè)不同的區(qū)域:焊核區(qū)(SZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)。由于在FSW過程中母材表面包鋁層被破壞,且接頭各個(gè)區(qū)域顯微組織呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非均勻第二相組織,導(dǎo)致高強(qiáng)鋁合金FSW接頭在服役過程中耐腐蝕較差[5-6]。

        高強(qiáng)鋁合金FSW接頭特殊的顯微組織導(dǎo)致其在腐蝕環(huán)境下服役時(shí)接頭耐蝕性較差,極大地限制了其在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用[7-9]。因此,研究高強(qiáng)鋁合金FSW接頭的腐蝕機(jī)制受到廣泛關(guān)注,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高強(qiáng)鋁合金腐蝕行為做了大量工作,但是對(duì)其力學(xué)性能和腐蝕行為的相關(guān)性研究較少。本試驗(yàn)就不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下2024-T3鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能和腐蝕行為的關(guān)系展開研究。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        試驗(yàn)材料采用厚度為3.2 mm的2024-T3鋁合金板,化學(xué)成分見表1。固定焊接速度為200 mm/min,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度υ分別為400 r/min、600 r/min、800 r/min、900 r/min,焊接方向平行于母材軋制方向,攪拌頭傾角2.5°,軸肩尺寸10 mm。

        表1 2024-T3鋁合金板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 2024-T3 aluminum alloy plate(wt/%)

        不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的FSW接頭的力學(xué)性能均采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試,拉伸試樣垂直于焊縫方向,拉伸速度為1 mm/min,每組測(cè)試3個(gè)平行試樣并取其平均值。焊接接頭不同區(qū)域的腐蝕行為采用標(biāo)準(zhǔn)三電極系統(tǒng)測(cè)試塔菲爾曲線(Tafel)來表征,飽和甘汞電極和大面積鉑片分別作為參比電極和輔助電極,工作電極為焊接接頭的不同區(qū)域,電化學(xué)測(cè)試設(shè)備為PRARSTATV4電化學(xué)工作站,測(cè)試溶液w(NaCl)=3.5%的NaCl溶液,電位為-0.25 V~0.25 V,電位掃描速度為0.167 mV/s,測(cè)試溫度為室溫(25 ℃左右)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 焊接接頭的力學(xué)性能

        不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度v下2024-T3鋁合金FSW接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率如圖1所示。從圖1可以得出,v對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響較大,隨著v的增加,伸長(zhǎng)率先增加后減小,當(dāng)v=800 r/min、900 r/min時(shí),接頭呈現(xiàn)出了較低的伸長(zhǎng)率(5.7%、6.0%),明顯低于v=400 r/min、600 r/min時(shí)的(7.9%、8.7%)。當(dāng)v=600 r/min時(shí),接頭的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)最大值(420 N/mm2),伸長(zhǎng)率也同時(shí)呈現(xiàn)最大值(8.7%)。究其原因,F(xiàn)SW接頭的力學(xué)性能取決于FSW過程中接頭各個(gè)區(qū)域經(jīng)歷的熱作用和力作用,υ越大,接頭熱輸入越大,υ越小,接頭熱輸入不足,只有在熱輸入適當(dāng)(υ=600 r/min)的條件下,接頭的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率才能最優(yōu)。

        圖1 不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率Fig.1 Tensile strength and elongation of welded joints at different rotating speeds

        2.2 焊接接頭的電化學(xué)腐蝕行為

        圖2和圖3分別為不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下2024-T3鋁合金FSW接頭的SZ和HAZ在w(NaCl)=3.5%的 NaCl溶液中的腐蝕Tafel極化曲線(測(cè)試前先靜置浸泡1 h)。選取位置為接頭上表面。由于TMAZ在上表面區(qū)域非常窄,因此未對(duì)該區(qū)域進(jìn)行電化學(xué)腐蝕測(cè)試。由圖2和圖3可知,不同v的焊接接頭的SZ和HAZ的Tafel差異明顯。由于低腐蝕電位和高腐蝕電流密度值都表明樣品的耐蝕性較差,尤其是腐蝕電流密度更對(duì)樣品的耐蝕性起到?jīng)Q定作用。由Tafel外推法可獲得電化學(xué)腐蝕電位和腐蝕電流密度參數(shù),如表2所示。

        圖2 不同旋轉(zhuǎn)速度下焊核區(qū)在w(NaCl)=3.5%溶液中的腐蝕Tafel極化曲線Fig.2 SZs Tafel polarization curves of the joints atdifferent rotation speeds in w(NaCl)=3.5% solution

        觀察同一旋轉(zhuǎn)速度下焊接接頭不同區(qū)域的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果可知,焊接接頭的HAZ和SZ的腐蝕電位均低于BM的,且腐蝕電流密度均高于BM的,表明BM的耐蝕性優(yōu)于SZ和HAZ的;對(duì)比SZ和HAZ的腐蝕電流密度值表明,HAZ的耐蝕性優(yōu)于SZ的。通過對(duì)比不同旋轉(zhuǎn)速度下的焊接接頭相同區(qū)域的電化學(xué)腐蝕結(jié)果可知,當(dāng)v=600 r/min時(shí),焊接接頭的SZ和HAZ均呈現(xiàn)出最高的腐蝕電位和最低的腐蝕電流密度,表明600 r/min時(shí)接頭的耐蝕性最佳。通過Tafel極化測(cè)試后的電流密度可得出不同旋轉(zhuǎn)速度下接頭耐蝕性從大到小的順序如下:600 r/min、400 r/min、800 r/min、900 r/min。

        圖3 不同旋轉(zhuǎn)速度下熱影響區(qū)和母材在w(NaCl)=3.5%溶液中的腐蝕Tafel極化曲線Fig.3 HAZs Tafel polarization curves of the joints atdifferent rotation speeds in w(NaCl)=3.5% solution

        表2 由Tafel曲線得到的電化學(xué)腐蝕數(shù)據(jù)Table 2 Electrochemical parameters obtained from Tafel polarization curves

        究其原因,同一旋轉(zhuǎn)速度時(shí),HAZ在焊接過程中較低的溫度可以有效防止第二相粒子的析出和粗化;旋轉(zhuǎn)速度越高(800 r/min和900 r/min),在焊接過程中焊接接頭的溫度和塑性變形程度均越高,焊接接頭內(nèi)部的第二相粒子破碎程度越高,且在高溫作用時(shí)焊接接頭第二相粒子容易長(zhǎng)大[10];旋轉(zhuǎn)速度越低(400 r/min),接頭第二相粒子破碎程度低,由于溫度低焊接接頭第二相粒子不會(huì)發(fā)生回溶,導(dǎo)致第二相粒子較多且尺寸較大[11]。因此,在合適的旋轉(zhuǎn)速度下(600 r/min),焊接接頭耐蝕性好。

        3 結(jié) 論

        1)固定焊接速度200 mm/min,對(duì)比四種攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度(400 r/min、600 r/min、800 r/min、900 r/min)2024-T3鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能表明,當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時(shí),焊接接頭具有最高的抗拉強(qiáng)度(420 N/mm2)和伸長(zhǎng)率(8.7%)。

        2)當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時(shí),焊接接頭各個(gè)區(qū)域的腐蝕電流密度均低于其他三組旋轉(zhuǎn)速度相同區(qū)域的接頭的電流密度,600 r/min時(shí)各個(gè)區(qū)域的耐蝕性最好。

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