高强铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀防护研究进展

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1、高强铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀防护研究进展　　摘要：搅拌摩擦焊被广泛应用于航空航天等重要工业领域的高强铝合金结构件的连接，由于高强铝合金接头的抗腐蚀性能较差，限制了其进一步的应用，实际应用中必须对接头进行腐蚀防护。文中详细综述了目前高强铝合金搅拌摩擦焊接头的四种腐蚀防护方法：降低热量输入、焊后热处理、表面改性和喷涂涂层，指出了高强铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀防护今后的研究方向。关键词：搅拌摩擦焊；高强铝合金；腐蚀防护中图分类号：TGl74.4　　0.前言　　搅拌摩擦焊作为一种优质、高效、环保的固相连接方

2、法，可以避免熔化焊接过程中产生的气孔、裂纹、偏析等缺陷，有效提高接头的力学性能。基于此，搅拌摩擦焊（FSW）现己被广泛用于航空、航天、船舶、陆路交通等重要领域的高强铝合金结构件（如机身壁板、船体甲板等）的焊接。有些焊接结构件长期在恶劣的腐蚀环境下服役，接头抗腐蚀性是评价其使用性能的重要指标之一。然而，大量的研究表明高强铝合金搅拌摩擦焊接头的抗腐蚀性能较差。究其原因，在铝合金板材轧制过程中通常会在合金上下表面包覆纯铝使其形成50-100um的包铝层来防止合金遭受腐蚀，但在搅拌摩擦焊过程中，剧烈的机械

3、搅拌作用将使高强铝合金的包铝层完全破坏，导致接头失去腐蚀保护。此外，焊后在接头中还会存在残余拉应力，影响接头的服役性能，尤其是会降低其腐蚀性能和疲劳性能。因此，在实际工业应用中必须对这些接头进行防腐处理以提高其服役寿命。　　部分学者针对铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为进行了大量研究，试图找出最佳的腐蚀防护方法并揭示其机理。相关研究表明，降低焊接过程热输入、焊后热处理、表面改性（如激光表面熔化、微弧氧化）以及喷涂方法（如热喷涂、冷喷涂）制备的防护涂层均能一定程度上改善接头的抗腐蚀性能，但在实际工业应用中

4、，尚存在一定的问题与挑战。　　1.提高搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法　　1.1降低焊接过程热输入　　相关研究表明，一方面，改变搅拌头尺寸，调整焊接工艺参数可在一定程度上减小焊接热输入，从而减小腐蚀敏感区范围；另一方面，在焊接过程中，采用循环水冷却、水雾冷却或低温冷却等方法也可有效减小腐蚀敏感区范围。控制焊接接头的热输入状态，可以改善接头的显微组织，一定程度上可以提高焊接接头的耐蚀性能。　　Esmaily等人对AA6005-T6铝合金采用液氮冷却的搅拌摩擦加工技术（FSP）在其焊核区（SZ）形成了超细晶

5、，并对比了传统的空冷FSP对SZ腐蚀性能的影响。得出了AA6005-T6接头在相对湿度95%、温度22°C的0.04%C02和70ug/cm2NaCl溶液中浸泡40天后的重量损失和点蚀情况，对比结果如图1所示。由于液氮冷却的FSP接头晶粒被细化，所以其抗腐蚀性能优于传统空冷的接头。然而，接头残余应力以及晶粒大小梯度的存在，使得降低接头热输入这一措施并不能完全避免接头遭受腐蚀的危害。　　1.2焊后热处理　　焊后热处理是常用的提高搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法，由于焊缝的沉淀相、金属间化合物及其它微量元素

6、对接头的耐蚀性影响较大，焊后对接头组织进行匀质化处理可以显著提高接头的耐蚀性。Paglia等人研究发现，对高强铝合金搅拌摩擦焊接头在250-450°C温度范围内进行短时间焊后热处理可以降低接头组织对腐蚀的敏感性，从而提高接头的耐蚀性。另外，高强铝合金的腐蚀性能通常取决于母材与焊核区之问的“最薄弱区域”，采用火焰热处理对AA7075-T651铝合金和AA2219-T87铝合金搅拌摩擦焊焊缝“最薄弱区域”进行了局部热处理。试验结果表明，经热处理后，搅拌摩擦焊接头的显微组织更加均匀，抗腐蚀性能得到显著提

7、高。图2比较了焊接态AA7075-O和热处理态T7451的搅拌摩擦焊接头在NaCl和H2O2混合溶液中浸泡30min后的接头横截面腐蚀形貌，对比发现热处理之后接头横截面白色腐蚀产物明显减少，腐蚀程度降低。然而，通过这种方法得到的耐蚀性的提高往往伴随着力学性能的下降，此外，热处理耗时较长并且不能处理尺寸较大的结构件。　　1.3表面改性　　1.3.1激光表面熔化　　激光表面熔化速度高、能量密度大，可以在材料表面形成一?幼橹?细化并且均匀的微层结构，该技术能选择性地处理工件表面，有利于在工件整体保持足够

8、的韧性和强度的同时，达到改善材料抗腐蚀性能的目的。　　Kalita对AA2024-T351铝合金搅拌摩擦焊接头进行激光表面熔化处理，发现搅拌摩擦焊表层组织发生了均匀化和细化，其沉淀相及金属间化合物完全溶解，接头表面的点蚀形核门槛值提高。浸泡试验结果表明经激光处理后的表面未出现点蚀（a区域），未经处理的表面出现了较大的点蚀坑（b区域），如图3所示。然而，激光熔化过程的热影响会导致不同区域的金属离子发生溶解或富集，在激光扫描轨道边缘发现Cu元素的富集和Al元素含量的降低。　　激光表面处