任浩銘，趙懷鵬，劉昌明，任玉寶，張 弟

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111000)

鋁作為用量?jī)H次于鋼鐵的第二大金屬，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要的作用[1]。6082鋁合金因其具有密度低、強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕和良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、成形性、焊接性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)高速列車與船舶領(lǐng)域[2-4]。為提升鋁合金零部件的耐腐蝕性能，通常需進(jìn)行表面防護(hù)處理，鋁合金陽極氧化技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛表面技術(shù)，已大量應(yīng)用于航空鋁合金材料的表面防護(hù)[5-9]。對(duì)6082合金而言，焊接過程產(chǎn)生的熱量會(huì)對(duì)后續(xù)的陽極氧化過程產(chǎn)生影響。本文通過調(diào)節(jié)氧化前處理工藝參數(shù)，解決焊接件黃線及暈圈等表面缺陷問題。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為6082鋁合金擠壓型材，其化學(xué)成分見表1。焊接采用MIG焊技術(shù)及5356合金焊絲。

表1 6082鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 6082 aluminum alloy(mass fraction,%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

氧化處理工藝流程為：脫脂→水洗→(酸蝕→水洗)→堿蝕→水洗→中和→水洗→氧化→水洗→封孔→水洗。

采用四種方案對(duì)6082鋁合金焊接件氧化前處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)，具體工藝見表2。先按照現(xiàn)有平光氧化制度(方案A)進(jìn)行試驗(yàn)，若效果欠佳，則進(jìn)行方案B、C及D，觀察氧化后效果，探究其最佳的前處理?xiàng)l件。其中NaOH堿蝕濃度為50～80 g/l，NH4HF2酸蝕濃度為12～16 g/l，H2SO4氧化濃度為180～200 g/l。

表2 實(shí)驗(yàn)方案及工藝參數(shù)Table 2 Experimental scheme and process parameters

對(duì)焊接件氧化后表面形貌和膜層厚度進(jìn)行檢測(cè)。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12967.6—2008《鋁及鋁合金陽極氧化膜檢測(cè)方法 第6部分：目視觀察法檢驗(yàn)著色陽極氧化膜色差和外觀質(zhì)量》，采用目視方法對(duì)陽極化膜層外觀進(jìn)行檢查。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4957—2003《非磁性基體金屬上非導(dǎo)電覆蓋層覆蓋層厚度測(cè)量 渦流法》和GB/T 5237.2—2017《鋁合金建筑型材 第二部分 陽極氧化型材》，采用渦流測(cè)厚儀(型號(hào)ED400)對(duì)氧化膜厚進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 方案A

采用平光氧化制度，依據(jù)方案A對(duì)6082鋁合金焊接件進(jìn)行氧化處理，具體的氧化工藝參數(shù)為：堿蝕時(shí)間5 min，堿蝕溫度58 ℃；中和2 min；陽極氧化穩(wěn)壓15 V，溫度20±2 ℃，時(shí)間20 min。

氧化處理后6082鋁合金焊接件的外觀形貌如圖1所示。由圖1可知，焊縫附近出現(xiàn)兩條明顯的黃色線條以及光亮?xí)炄?箭頭標(biāo)注位置)。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)焊接件經(jīng)堿蝕處理后，在熱影響區(qū)位置會(huì)出現(xiàn)黃色的堿灰，該黃色堿灰經(jīng)中和處理或擦拭后會(huì)消除，但氧化后在該位置復(fù)現(xiàn)黃線，其形狀、尺寸與延伸狀態(tài)與氧化前出現(xiàn)的黃色堿灰位置相同。

下一步將對(duì)前處理堿蝕工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，淡化或去除焊縫附近黃線及暈圈。

2.2 方案B

堿蝕處理對(duì)鋁材的腐蝕是均勻的，可以去除表面的輕微劃痕和機(jī)械紋等缺陷，使其表面光滑平整。堿蝕溫度決定單位時(shí)間內(nèi)去除缺陷的快慢。為了確定焊接件氧化前處理工藝的最佳堿蝕溫度，獲得最佳表面效果，按方案B進(jìn)行工藝試驗(yàn)，不同堿蝕溫度下6082鋁合金焊接件的表面形貌如圖2所示，氧化膜厚度見表3。

圖1 試樣氧化后表面形貌Fig.1 Surface morphology of sample after oxidation

由圖2可知，焊接件氧化后膜層厚度均勻，透明度較好，表面光滑，無電燒傷現(xiàn)象出現(xiàn)。但所有焊接件氧化后在焊道附近位置均出現(xiàn)了不同程度黃線及暈圈。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著堿液溫度的升高，焊道附近熱影響區(qū)位置氧化后黃線及暈圈顯現(xiàn)程度逐漸增強(qiáng)；堿液溫度較低時(shí)，難以去除表面劃痕和機(jī)械紋等缺陷；堿蝕溫度較高時(shí)，促使鋁材表面出現(xiàn)組織缺陷。當(dāng)堿蝕溫度為50 ℃時(shí)，試樣理表面缺陷及顯現(xiàn)黃線程度相對(duì)較好。

(a)45 ℃; (b) 50 ℃; (c) 55 ℃; (d) 60 ℃圖2 不同堿蝕溫度下試樣的表面形貌Fig.2 Surface morphology of sample at different alkali etching temperatures

表3 堿蝕溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of alkali etching temperature

2.3 方案C

堿蝕處理的時(shí)間直接影響氧化后型材表面的質(zhì)量，為了確定最佳堿蝕時(shí)間，達(dá)到最佳氧化表面效果，按方案C進(jìn)行工藝試驗(yàn)。不同堿蝕時(shí)間下6082鋁合金焊接件的表面形貌如圖3所示，氧化膜厚度見表4。

(a) 3 min ; (b) 5 min ; (c) 7 min ; (d) 9 min圖3 不同堿蝕時(shí)間下試樣的表面形貌Fig.3 Surface morphology of sample under different alkali etching time

表4 堿蝕時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of alkali etching time

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著堿蝕時(shí)間的增加，黃線及暈圈的顯現(xiàn)程度呈上升趨勢(shì)，由淺黃色線到顯黃線的轉(zhuǎn)變過程；堿蝕時(shí)間短時(shí)，表面擠壓紋、劃痕等清除不完全，影響氧化膜層質(zhì)量；堿蝕時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，氧化膜黃線暈圈明顯，粗晶缺陷明顯，影響產(chǎn)品外觀。當(dāng)堿蝕時(shí)間為5 min時(shí)，表面劃痕清除效果較好，但膜層表面仍有較淺黃線及暈圈。

由上述實(shí)驗(yàn)可知，無法通過調(diào)整堿蝕工藝完全去除或遮蓋焊接件氧化后表面出現(xiàn)的黃線及暈圈缺陷。因此，現(xiàn)考慮通過添加酸蝕前處理工藝對(duì)焊接件氧化后出現(xiàn)的黃線進(jìn)行掩蓋處理。

2.4 方案D

酸蝕處理是在平光氧化基礎(chǔ)上另外增加的一道工序，是將脫脂清洗后的鋁型材浸入到含有氟化氫銨的酸蝕槽中處理，在鋁材表面生成一層氟鋁酸鹽，以獲得均勻、細(xì)致的砂面效果，是掩蓋表面缺陷的一種表面處理方式。通常酸蝕時(shí)間為3±0.5 min，因?yàn)樗嵛g處理時(shí)間過長(zhǎng)表面會(huì)附著一層氟鋁酸鹽，阻礙其與鋁基體的反應(yīng)。為了確定焊接件氧化前處理工藝的最佳酸蝕溫度，達(dá)到最佳表面效果，按方案D進(jìn)行工藝試驗(yàn)，不同酸蝕溫度下6082鋁合金焊接件的表面形貌如圖4所示，氧化膜厚度見表5。

(a)40 ℃ ; (b) 45 ℃ ; (c) 50℃ ; (d) 55 ℃圖4 不同酸蝕溫度下試樣的表面形貌Fig.4 Surface morphology of sample at different acid etching temperature

表5 酸蝕溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of acid etching temperature

試驗(yàn)結(jié)果表明：6082鋁合金焊接件經(jīng)不同酸蝕溫度處理后，熱影響區(qū)位置黃線缺陷基本不顯現(xiàn)，表面無機(jī)械紋和劃痕等缺陷，表面質(zhì)量較好。采用酸蝕時(shí)間3 min、酸蝕溫度40 ℃和堿蝕時(shí)間5 min、堿蝕溫度50 ℃處理工藝對(duì)6082鋁合金焊接件氧化后出現(xiàn)的黃線缺陷具有一定的掩蓋作用。

3 分析

3.1 成分及組織對(duì)缺陷形成的影響

通過對(duì)焊接件進(jìn)行宏觀觀察，出現(xiàn)黃線及暈圈位置基本與焊接件熱影響區(qū)重疊。分別對(duì)焊接件的黃線區(qū)域(熱影響區(qū))、焊絲以及焊接基材(6082鋁合金)進(jìn)行SEM成分分析，結(jié)果見表6。

由表6可知，黃線區(qū)域的成分及含量與基材一致，說明焊接后熱影響區(qū)的黃線缺陷與該位置的合金成分無關(guān)。通過對(duì)焊接機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)焊接過程中，循環(huán)熱輸入會(huì)導(dǎo)致焊縫附近熱影響區(qū)位置出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，導(dǎo)致強(qiáng)化相析出，影響局部組織性能。本文試驗(yàn)中經(jīng)氧化處理后，黃線區(qū)域表面未出現(xiàn)粗晶等晶粒粗大現(xiàn)象，但不排除組織變化對(duì)黃線缺陷生成的影響。

表6 成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 6 Composition analysis results(mass fraction，%)

3.2 焊后表面黑灰對(duì)缺陷形成的影響

焊接過程中鋁合金容易與氧氣結(jié)合形成氧化膜或雜質(zhì)，導(dǎo)熱性和熱膨脹性較高，焊接時(shí)易產(chǎn)生氣孔、夾渣、很大的收縮應(yīng)力、裂紋等缺陷[10]。因此，焊接過程中會(huì)采用惰性保護(hù)氣體對(duì)焊縫進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)待焊金屬免受其他氣體和雜質(zhì)的影響，確保焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖5 (a,b)鋁合金焊接后表面及(c)氧化后表面形貌Fig.5 (a,b) surface morphology of aluminum alloy after welding and (c) surface morphology after oxidation

由圖5可知，6082鋁合金焊接后焊縫附近出現(xiàn)帶狀黑色物質(zhì)，該區(qū)域與焊縫有一定距離；黑色物質(zhì)與焊縫之間有一段顏色近于基材的緩沖區(qū)域。因焊接過程中惰性保護(hù)氣體僅能在焊縫及附近的有限區(qū)域起到保護(hù)作用，處在保護(hù)氣邊緣的熱影響區(qū)的表面受到循環(huán)高溫影響，致使基材表面的鎂等物質(zhì)與空氣中的氧氣等其他雜質(zhì)反應(yīng)，生成MgO等氧化物，呈黑色；形成的黑色物質(zhì)部分滲透入基體，在陽極氧化反應(yīng)中與硫酸反應(yīng)生成純度較低的MgS，呈黃棕色。

4 結(jié)論

1)6082鋁合金焊接件采用平光氧化制度時(shí)，堿蝕時(shí)間為5 min，堿蝕溫度為50 ℃，可改善表面黃線及暈圈缺陷，有效去除表面劃痕等缺陷。

2)6082鋁合金焊接件采用酸蝕工藝時(shí)，酸蝕時(shí)間為3 min，酸蝕溫度為40～45 ℃，可有效的掩蓋表面黃線，掩蓋效果較好。