焊后熱處理對(duì)7003鋁合金焊接接頭抗腐蝕性能的影響

龍社明，王孟君，陳欣怡，梁 巖，胡靜遠(yuǎn)，陳新歡

(中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

焊后熱處理對(duì)7003鋁合金焊接接頭抗腐蝕性能的影響

龍社明，王孟君，陳欣怡，梁 巖，胡靜遠(yuǎn)，陳新歡

(中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

采用金相檢測(cè)、慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)和掃描電鏡（SEM）對(duì)7003鋁合金焊接接頭經(jīng)不同焊后熱處理的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明：焊后熱處理有助于提高焊接接頭抗腐蝕晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕能力。焊后120℃/24h時(shí)效時(shí)，晶間腐蝕敏感性的大小為：未熱處理＞450℃/1h＞490℃/1h＞470℃/1h。應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)ISSRT在470℃/1h最小，為0.096，抗應(yīng)力腐蝕性能最好，且在3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性明顯大于在干燥空氣中的。

7003鋁合金；焊后熱處理；晶間腐蝕；應(yīng)力腐蝕

0 前言

7003鋁合金作為一種輕質(zhì)中強(qiáng)鋁合金，具有良好的焊接性能，常用于交通運(yùn)輸、建筑、橋梁、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。鋁合金焊接接頭由于焊接熱的影響，易發(fā)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，常采用焊后熱處理的方法改善合金的抗腐蝕性能[1～4]。P.SIVARAJ[5]等人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單純的進(jìn)行焊后時(shí)效對(duì)接頭的硬度提升不明顯，而進(jìn)行焊后固溶和時(shí)效工藝的焊接接頭硬度提高明顯，兩個(gè)軟化區(qū)硬度與母材基本相當(dāng)，軟化區(qū)性能由于焊后熱處理而得到回復(fù)。Temmar[6]等人的研究表明，TIG焊接的7075鋁合金在焊后分別進(jìn)行120℃/24h和140℃/10h時(shí)效處理后，140℃/10h處理的焊接接頭硬度和伸長(zhǎng)率分別提高了9%和10%，抗應(yīng)力腐蝕性能得到明顯改善?？梢?jiàn)，焊后熱處理工藝（PWHT）是一種非常實(shí)用的熱處理工藝，能均勻焊縫組織和成分，提高材料的綜合性能，降低材料的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用原料為某廠生產(chǎn)的擠壓態(tài)7003-T5態(tài)鋁合金管材，產(chǎn)品規(guī)格為外徑Φ外=22mm，壁厚b=2mm。焊絲材料選用鋁鎂ER5356焊絲，焊絲直徑1.0mm，母材名義化學(xué)成分如表1所示。

表1 7003－T5鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用MIG焊接方法對(duì)7003鋁合金管材進(jìn)行焊接，經(jīng)不同熱焊后熱處理制度后用Leica DMIL LED觀察焊接接頭晶間腐蝕形貌。應(yīng)力腐蝕采用慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)（SSRT），在WDML-3微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)樣品和安裝如圖1所示，安裝后先施加一定載荷消除夾具間的間隙。應(yīng)變速率取10-6s-1，環(huán)境介質(zhì)分別是在空氣中和3.5%NaCl溶液中，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直至試樣斷裂。慢應(yīng)變拉伸斷口在MIRA3 XMU熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，并根據(jù)斷口形貌判斷相關(guān)斷裂機(jī)理，分析討論焊后熱處理對(duì)7003鋁合金焊接接頭斷口形貌的影響。具體焊后熱處理工藝為不同固溶溫度下保溫1h后快速室溫水淬，隨后在120℃進(jìn)行24h人工時(shí)效，固溶溫度分別為450℃、470℃、490℃，固溶時(shí)間均為1h。

圖1 應(yīng)力腐蝕試樣示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 晶間腐蝕

圖2所示為不同焊后熱處理制度下的晶間腐蝕形貌，晶間腐蝕深度如表2所示。

圖2 7003鋁合金焊接接頭的晶間腐蝕形貌

表2 7003鋁合金焊接接頭晶間腐蝕深度

由圖2和表2可知，隨著固溶溫度的升高，焊接接頭的晶間腐蝕程度呈一個(gè)先變小，后增大的趨勢(shì)。未熱處理時(shí)，晶間腐蝕程度最嚴(yán)重，腐蝕深度約為0.078mm，腐蝕等級(jí)達(dá)到3級(jí)；當(dāng)固溶溫度為450℃時(shí)，焊接接頭晶間腐蝕深度有所減少，但仍處在一個(gè)較高的晶間腐蝕水平，腐蝕深度約為0.054mm，腐蝕等級(jí)為3級(jí)；當(dāng)固溶溫度為470℃，焊接接頭腐蝕敏感性不大，僅邊緣有輕微的腐蝕痕跡，腐蝕深度較淺，約為0.022mm，腐蝕等級(jí)為2級(jí)；當(dāng)固溶溫度為490℃時(shí)，焊接接頭的腐蝕深度有所加深，腐蝕敏感性呈增大趨勢(shì)，腐蝕深度約為0.035mm。綜上可知，晶間腐蝕敏感性的大小為：未熱處理＞450℃/1h＞490℃/1h＞470℃/1h。

固溶溫度對(duì)晶間腐蝕性能的影響主要表現(xiàn)在對(duì)合金過(guò)飽和度的大小[7]。在不發(fā)生過(guò)燒和晶粒長(zhǎng)大的情況下，淬火加熱溫度可以適當(dāng)高些，保溫時(shí)間長(zhǎng)些，以利于溶質(zhì)原子能充分固溶，獲得最大過(guò)飽和度的固溶體。過(guò)飽和度越高，時(shí)效后具有更高的強(qiáng)度，時(shí)效強(qiáng)化效果更顯著，對(duì)合金的抗腐蝕性能提升也越明顯。

2.3 應(yīng)力腐蝕

表3為試樣經(jīng)不同焊后熱處理后，分別在空氣和3.5%的NaCl溶液中的慢應(yīng)變拉伸結(jié)果。由表3可知，焊接接頭在3.5%的NaCl溶液中的慢應(yīng)變拉伸與干燥空氣中相比，不論是抗拉強(qiáng)度還是伸長(zhǎng)率都有明顯下降，說(shuō)明試樣在3.5%的NaCl腐蝕介質(zhì)中的斷裂具有應(yīng)力腐蝕（SCC）敏感性比在空氣中的大，應(yīng)力腐蝕斷裂傾向明顯。

表3 7003鋁合金焊接接頭慢應(yīng)變拉伸時(shí)的力學(xué)性能

式中：σfw和σfA分別表示合金在3.5%NaCl溶液和空氣中的斷裂強(qiáng)度；δfw和δfA分別表示合金在3.5%NaCl溶液和空氣中的斷裂伸長(zhǎng)率。ISSTR從0→1，表示合金的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性逐漸增強(qiáng)?？梢杂?jì)算出在不同焊后熱處理溫度下7003鋁合金焊接接頭的應(yīng)力腐蝕指數(shù)ISSTR。應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù) ISSTR大小為：未熱處理(0.235)＞450℃(0.195)＞490℃(0.173)＞470℃(0.096)，說(shuō)明未熱處理時(shí)的應(yīng)力腐蝕指數(shù)ISSTR均大于焊后熱處理的。由表3可知試樣在腐蝕環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性最強(qiáng)，最容易發(fā)生斷裂。試樣在470℃時(shí)應(yīng)力腐蝕指數(shù) ISSTR最小，應(yīng)力腐蝕斷裂傾向最小，最不容易發(fā)生斷裂，說(shuō)明焊后進(jìn)行470℃/1h固溶處理時(shí)，焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能最好。

2.4 慢應(yīng)變速率拉伸斷口SEM形貌

圖3所示為在干燥空氣中的慢應(yīng)變拉伸斷口形貌（應(yīng)變速率10-6s-1）。未熱處理的試樣慢應(yīng)變拉伸斷口韌窩大且深，形狀不規(guī)則。450℃固溶的焊接接頭存在許多點(diǎn)蝕坑和沿晶的二次裂紋，屬于沿晶韌性斷裂；當(dāng)焊后固溶溫度為470℃，慢應(yīng)變拉伸斷口中的點(diǎn)蝕坑和沿晶的二次裂紋數(shù)量明顯減少，韌窩密集程度較450℃時(shí)有所減少，但韌窩的平均尺寸增大，見(jiàn)圖3（c）。圖3（d）所示為焊后固溶溫度為490℃的慢應(yīng)變拉伸斷口形貌，圖中斷口開(kāi)始變得平滑，韌窩數(shù)量進(jìn)一步減少，個(gè)別韌窩中還存在第二相粒子，在空氣中的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性最高。

圖3 空氣中慢應(yīng)變拉伸斷口形貌

圖4 3.5%NaCl溶液中慢應(yīng)變拉伸斷口形貌

圖4 所示為7003鋁合金焊接接頭在3.5%NaCl溶液中的慢應(yīng)變拉伸斷口形貌（應(yīng)變速率10-6s-1）。由圖可知，斷口大都比較平滑，斷口表面存在大小不一的韌窩，韌窩深度較淺，表面部分地方被腐蝕產(chǎn)物覆蓋。圖4（a）為未熱處理的慢應(yīng)變拉伸斷口，斷口整體比較平滑，韌窩較淺，可以看出其應(yīng)力腐蝕敏感性較大。圖4（b）～4（d）中，韌窩數(shù)量和深度相對(duì)圖4（a）有所增加，可見(jiàn)經(jīng)焊后熱處理后，焊接接頭應(yīng)力腐蝕敏感性有所改善。

對(duì)于試樣在3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性比在空氣中大，可以有如下解釋?zhuān)阂环矫?，鋁合金焊接接頭在自然狀態(tài)下，表面很容易形成一層氧化層薄膜，當(dāng)承受一定的拉應(yīng)力時(shí)，氧化膜破裂，裸露出來(lái)的金屬基體與氧化薄膜在腐蝕介質(zhì)中形成了小陽(yáng)極和大陰極的微腐蝕電池，促進(jìn)陽(yáng)極的溶解；此外，焊接接頭處的成分不均且內(nèi)部存在許多微小的氣孔，雜質(zhì)原子與基體金屬存在電位差，進(jìn)一步造成陽(yáng)極的溶解，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生，為應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)展提供條件。另一方面，裸露部分的金屬不斷與腐蝕介質(zhì)中的水發(fā)生反應(yīng)生成了［H］，具有一定的活性，以吸附、擴(kuò)散或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方式輸送到金屬內(nèi)部而導(dǎo)致氫脆。在3.5%NaCl溶液中，試樣完全浸入在水中，試樣與腐蝕介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間也大大增加，NaCl溶液本身也相當(dāng)于一個(gè)電解池，提供導(dǎo)電環(huán)境，促進(jìn)電子在陽(yáng)極和陰極之間的移動(dòng)，從而加快反應(yīng)速度，產(chǎn)生更多的氫原子。因此，在NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性較高。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)7003鋁合金焊接接頭抗腐蝕性能的研究，探究了在不同焊后熱處理制度下7003鋁合金焊接接頭的晶間腐蝕、抗應(yīng)力腐蝕性能影響規(guī)律，主要結(jié)論有：

（1）隨著固溶溫度的升高，晶間腐蝕深度呈先減小后增大的趨勢(shì)，晶間腐蝕敏感性的大小為：未熱處理＞450℃/1h＞490℃/1h＞470℃/1h。

（2）采用焊后熱處理工藝，接頭的抗應(yīng)力腐蝕能力明顯提升。在470℃時(shí)，接頭拉伸性能最好，抗應(yīng)力腐蝕能力最強(qiáng)，ISSRT為0.096，490℃次之，450℃最差，應(yīng)力腐蝕敏感性最大，ISSRT為0.195。

（3）7003鋁合金焊接接頭在3.5%NaCl溶液中的拉伸力學(xué)性能明顯低于在干燥空氣中的，應(yīng)力腐蝕敏感性大。

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信息報(bào)道

汽車(chē)輕量化必須迎接的挑戰(zhàn)－鋁焊接

現(xiàn)在，汽車(chē)架構(gòu)中采用的鋁制材料越來(lái)越多，為了保證汽車(chē)在使用大量鋁材料后的安全性，不僅需要可靠的制造工藝，還必須審慎考慮汽車(chē)維修維護(hù)方面的問(wèn)題。而在這當(dāng)中需要重點(diǎn)考慮的就是鋁焊接的問(wèn)題，鋁焊接本身并不比鋼焊接難多少，但需要在許多方面采取不同的做法。建議從以下幾方面加以注意：（1）建立操作區(qū)，將鋁制車(chē)輛維修區(qū)與鋼材料焊接區(qū)分開(kāi)；（2）選用適當(dāng)?shù)匿X焊接的工藝和設(shè)備。鋁焊接采用的是MIG氣體，應(yīng)使用鋁材料專(zhuān)用的焊接導(dǎo)電嘴，中間的焊絲通道也應(yīng)更大，專(zhuān)用焊槍上應(yīng)刻有“A”或“AL”的字樣。此外，鋁焊接所使用的保護(hù)氣體噴孔也必須大于鋼焊接，以便供應(yīng)更大的保護(hù)氣流；（3）做好準(zhǔn)備工作；（4）掌握焊接技巧。鋁焊接的技巧與鋼焊接不同，技術(shù)人員應(yīng)該用“推”的方式進(jìn)行鋁焊接，而不是“拉”的方式。在鋁焊接中，焊絲需要與焊炬保持較遠(yuǎn)距離，而焊炬需要離焊接表面更遠(yuǎn)。應(yīng)使用汽車(chē)廠商推薦的焊絲。在鋁焊接中金屬過(guò)渡形式最好的方法是脈沖噴射過(guò)渡，在焊珠噴進(jìn)熔池之前就會(huì)爆斷。焊接動(dòng)作應(yīng)該先慢后快，而焊炬在部件上移動(dòng)時(shí)，速度應(yīng)該更快。為了避免鋁焊接開(kāi)始時(shí)溫度過(guò)低，技術(shù)人員需要使用引弧板(run-on tab)，或具有預(yù)熱功能的設(shè)備。

福州試點(diǎn)可拆卸式鋁合金擋洪板

據(jù)悉，福州正在安裝試用一種可拆卸的鋁合金擋洪板，這種擋洪板為三片組合式結(jié)構(gòu)，全部安裝后，可提升1m的防洪高度。產(chǎn)品由中鋁南鋁（福建）鋁結(jié)構(gòu)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司研制，擋板采用高強(qiáng)度鋁合金制造，每片長(zhǎng)3.6m、高0.33m，重量約30kg，確保由2個(gè)工作人員就能快速安裝使用。每片擋板都設(shè)有防水膠條，保證密封性，這種膠條比普通膠條價(jià)格貴7、8倍，為潛艇使用級(jí)別。目前的試驗(yàn)段，每平方米擋洪板可抵御500kg的洪水沖力。

Effects of Post Weld Heat Treatment on Corrosion Resistance of Welded Joints for 7003 Aluminum Alloy

LONG She-ming，WANG Meng-jun，CHEN Xin-yi，LIANG Yan，HU Jing-yuan，CHEN Xin-huan
(The Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education，Central South University，Changsha 410083，China)

The intergranular corrosion and stress corrosion behavior of welded joints for 7003 aluminum alloy were studied by metal?lographic examination，slow strain tension test and scanning electron microscope(SEM).The results show that the intergranular corro?sion resistance and the stress corrosion resistance of the welded joints have been improved after PWHT，The order of intergranular corrosion susceptibility is without heat treatment＞450℃＞490℃ ＞470℃，it also has the minimum ISSRT at 470℃，about 0.096，which means has the best stress corrosion resistance.And the stress corrosion sensitivity of the 3.5%NaCl solution was significantly higher than that in the dry air.

7003 aluminum;post weld heat treatment;intergranular corrosion;stress corrosion

TG441.8，TG146.21

A

1005-4898(2017)02-0008-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.02

龍社明（1990-），男，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生。

2016－12－01