2. 中国空间技术研究院 北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094
2. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China
在欧美等发达国家, 变极性等离子焊接(VPPA)工艺已广泛应用于航空航天领域中，是一种高效的焊接方法。由于其具有焊接变形小、焊接质量高和焊接成本低等特点，被称为零缺陷的焊接方法[1]。由于5A06铝合金塑性好、耐腐蚀性能好等特点，其在船舶、飞机、地铁轻轨、需严格防火的压力容器(如液体罐车)、导弹零件、装甲和管道等领域得到了广泛应用[2-5]。其焊接件易在焊缝及热影响区中形成各种焊接缺陷，焊接接头强度不高，因此采用VPPA方式。但该铝合金在海水、雨水等服役环境中时易发生局部腐蚀[6]，尤其作为需要受力的焊接结构件使用时，在腐蚀液和应力的联合作用下，材料的应力腐蚀敏感性增加[7]，因此研究载荷对5A06铝合金焊接件的腐蚀行为的影响，对预防应力腐蚀断裂、提高结构件服役寿命具有重大意义。
目前研究人员对VPPA焊接件的研究主要集中在焊接设备和工艺的优化[8-9]、焊接残余应力的检测[10-11]和焊接组织性能[12-14]上，偶尔有对焊接接头的腐蚀行为的报道[15]，而鲜有对载荷作用下焊接试样腐蚀行为的研究报道。但在实际生产应用中，载荷对焊接试样的腐蚀敏感性存在着一定的影响。
因此，本文主要研究在载荷作用下，焊缝方向对焊接试样在50℃的3.5%NaCl溶液中腐蚀行为的影响以及焊接接头的电化学腐蚀行为，而不是焊接工艺的优化或者焊接工艺对试样的腐蚀敏感性的影响。通过腐蚀坑尺寸、形貌和产物成分等信息，分析载荷下试样的焊缝方向对试样腐蚀行为的影响及腐蚀原因，为深入研究铝合金焊接件的应力腐蚀机理打下基础，同时为铝合金焊接件在工程生产中的应用提供依据。
1 试验材料与方法 1.1 焊接工艺及材料试验材料选用厚度为5 mm的5A06铝合金轧制板材和直径为1.6 mm的5A06铝合金焊丝，两者化学成分质量分数均为Si 0.40%, Cu 0.10%, Fe 0.40%, Mn 0.50%~0.80%, Mg 5.8%~6.8%, Zn 0.20%, 余量为Al。
试验采用VPPA方式，焊缝外形均匀，背面余高均匀合适。将板材焊接后，选取2种方法截取试样，截取后试样尺寸为110 mm×26 mm×5 mm，一种是留取与试样等长的焊缝(称为穿越焊缝试样)，一种是截取与试样等宽的焊缝(称为垂直焊缝试样)，试样宏观形貌如图 1所示。
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| 图 1 试验试样类型 Fig. 1 Experimental specimen types |
浸泡试验中采用2种焊缝方向的试样，即分别为穿越焊缝试样和垂直焊缝试样。采用两点弯曲法施加载荷，使用尼龙夹具弯曲试样，加载挠度至15 mm后，根据前期研究及文献报道[16-17]选择了50℃的3.5%NaCl溶液，进行试验观察。两点弯曲法选自GB/T 15970.2—2000[18]。试验期间定期观察、拍照记录表面宏观形貌，然后放回腐蚀环境继续试验。试验结束后，根据GB/T 16545—2015[19]去除腐蚀产物，并采用Hirox KH-7700三维立体显微镜测量试样表面的腐蚀坑尺寸，使用JSM-6010型扫描电子显微镜观察腐蚀形貌，使用能谱仪(EDS INCApentalFETx3)对腐蚀坑进行成分分析。
使用Carl Zeiss型金相显微镜观察金相组织，试样采用Keller(95%H2O+2.5%HNO3+1%HF+1.5%HCl)试剂浸蚀；使用上海华辰电化学工作站CHI660D进行试样的电化学极化曲线测试。
2 结果与分析 2.1 两种焊缝方向试样的浸泡腐蚀试验 2.1.1 宏观形貌分析图 2为穿越焊缝试样和垂直焊缝试样，在50℃的3.5%NaCl溶液中的腐蚀点个数随腐蚀时间的变化趋势曲线。
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| 图 2 5A06铝合金焊缝试样在3.5%NaCl溶液中的腐蚀点个数随腐蚀时间的变化趋势 Fig. 2 Variation trend of number of corrosion points of 5A06 aluminum alloy weld sample in 3.5%NaCl solution with corrosion time |
穿越焊缝试样和垂直焊缝试样的宏观腐蚀过程大致类似，放入腐蚀液1 d后，热影响区附近出现大量腐蚀点；随着腐蚀时间的推移，热影响区附近的腐蚀点逐渐增多，且腐蚀点逐渐发展成为腐蚀坑；腐蚀5 d后，腐蚀点个数趋于最大。此后在腐蚀液和外加载荷的联合作用下，试样表面的腐蚀产物逐渐增多，并开始相连生长形成腐蚀产物膜；浸泡30 d后，腐蚀产物个数趋于稳定，产物膜开始破裂—形成—破裂的循环过程，因此腐蚀产物膜逐渐致密并呈现晶莹状。试验在110 d时结束，试样表面呈现大量的腐蚀产物，将表面去除腐蚀产物后，进行检测分析。图 2表明在浸泡腐蚀过程中，腐蚀主要发生在穿越焊缝试样和垂直焊缝试样的热影响区，母材区和焊缝区腐蚀轻微。
2.1.2 腐蚀坑尺寸分析表 1为腐蚀110 d后的2种试样相同区域的腐蚀坑尺寸。结果表明垂直焊缝试样比穿越焊缝试样腐蚀更严重，这是因为垂直焊缝方向与应力方向不一致，穿越焊缝试样焊缝方向平行于应力方向，垂直焊缝试样焊缝方向垂直于应力方向。当二者方向垂直时，加速腐蚀进程，试样的应力腐蚀敏感性更大；当二者方向平行时，试样的应力腐蚀敏感性较小[20]。
| 试样类型 | 腐蚀坑长度/mm | 腐蚀坑面积/mm2 | 最大腐蚀坑深度/μm | 腐蚀坑数目 |
| 穿越焊缝试样 | 14.72 | 23.55 | 2 345 | 3 |
| 垂直焊缝试样 | 30.58 | 50.12 | 2 727 | 9 |
2.1.3 微观形貌分析
图 3和图 4分别为腐蚀110 d后的穿越焊缝试样和垂直焊缝试样的微观组织和腐蚀形貌。通过对比2种焊缝方向试样的腐蚀形貌，可以看出，垂直焊缝试样的腐蚀更严重，这是由于拉应力方向与焊缝方向不同，载荷对腐蚀行为产生了不同的影响。另外可以看出，2种试样均是热影响区首先发生腐蚀，原因是热影响区(图 3(a))在焊接时由于靠近熔合区，受到较强的热循环作用，晶粒获得足够能量而聚集长大，从而晶粒获得一定的粗化，析出的第2相(β相)呈网状分布于晶界[21]，从而使耐蚀性降低[22]。
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| 图 3 5A06铝合金穿越焊缝试样的微观组织和形貌 Fig. 3 Microstructure and morphology of 5A06 aluminum alloy cross weld specimen |
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| 图 4 5A06铝合金垂直焊缝试样的微观组织和形貌 Fig. 4 Microstructure and morphology of 5A06 aluminum alloy vertical weld specimen |
穿越焊缝试样在盐水中腐蚀110 d后，表面的腐蚀坑方向与拉应力方向相同(图 3(b))。腐蚀坑顶端应力集中，蚀坑不断向纵深方向发展，留下一层层的滑移台阶，且台阶下降趋势较陡(图 3(c))。腐蚀坑两侧分别呈现台阶式和韧窝状(图 3(d))，这是两侧材料的组织不同造成的，母材在轧制作用时晶粒被拉长(图 3(e))，腐蚀后呈现台阶状；焊缝区在焊接后析出的第2相均匀弥散分布于晶界(图 3(f))，晶粒均匀细小，腐蚀后呈韧窝状。同时两侧在试样表面较圆滑，台阶和韧窝上存在大量的腐蚀坑和第2相质点。
垂直焊缝试样在盐水中腐蚀110 d后，试样表面的腐蚀坑沿焊缝贯穿试样表面，腐蚀坑方向与拉应力方向垂直(图 4(a))。在腐蚀液和拉应力作用下，腐蚀坑向纵深方向发展，但没有下降台阶，下降趋势平缓(图 4(b))。腐蚀坑两侧分别呈台阶式与韧窝状，与穿越焊缝试样相同，这是因为垂直焊缝试样和穿越焊缝试样本身材料完全相同的。而在试样表面呈平行撕裂状态(图 4(c))，这是因为腐蚀坑在遭受晶间腐蚀的同时，应力使晶界晶粒脱离开裂，裂缝沿着与应力垂直的方向向内延伸[23]。
2.1.4 腐蚀坑内部元素分布5 mm厚的载荷作用下不同焊缝方向的5A06铝合金试样，去除试样表面的腐蚀产物后进行能谱分析，图 5为腐蚀坑内部元素分析点，表 2为腐蚀坑元素分布。
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| 图 5 5A06铝合金焊缝试样腐蚀坑元素分布点 Fig. 5 Element distribution points of corrosion pits in 5A06 aluminum alloy weld specimen |
| % | ||||
| 元素分布点 | O | Mg | Al | Si |
| 1 | 4.72 | 8.22 | 85.68 | 1.37 |
| 2 | 20.55 | 8.14 | 68.68 | 2.62 |
| 3 | 17.14 | 4.34 | 78.52 | 0 |
| 4 | 3.95 | 8.41 | 86.98 | 0.66 |
| 5 | 4.26 | 5.02 | 89.17 | 1.55 |
| 6 | 15.83 | 5.81 | 78.35 | 0 |
Al-Mg系合金的强化相Mg5Al8是阳极相，当铝合金遭受盐水腐蚀时，Mg5Al8优先被腐蚀，形成腐蚀缺陷同时生成腐蚀产物Al(OH)3[7]，因此腐蚀坑内O元素含量升高，Mg元素含量下降。在腐蚀坑顶端区域，垂直焊缝试样比穿越焊缝试样的Al元素含量比例稍微偏高，O、Si、Mg元素含量比例稍微偏低(表 2)，说明垂直焊缝试样浸泡初期腐蚀剧烈。而在应力的作用下，腐蚀坑向纵深方向发展，腐蚀产物逐渐增多，随着时间的延长，产物膜致密性逐渐升高，腐蚀坑闭塞程度增加，阳极相溶解增多，最后腐蚀坑内Mg、Al、Si元素含量急剧下降，O元素含量剧烈增加。在腐蚀坑内部，垂直焊缝试样比穿越焊缝试样的O、Al元素含量比例稍微偏高，Mg元素含量比例稍微偏低(表 2)，说明垂直焊缝试样后期腐蚀更严重。通过腐蚀坑的元素成分分析，可以看出垂直焊缝试样比穿越焊缝试样腐蚀程度更多，应力腐蚀敏感性更高。
2.2 两种焊缝方向试样的电化学极化曲线分析图 6为焊接接头各区域在3.5%NaCl溶液中的电化学极化曲线，利用极化曲线外推的方法可以测定材料的自腐蚀电流密度，在强极化条件下，有
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(1) |
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| 图 6 铝合金焊接接头各区域的电化学极化曲线 Fig. 6 Electrochemical polarization curves of different zones of welded joints in aluminum alloy |
式中：E为外加电压；Ek为自腐蚀电位；Ia和Ic分别为外加阳极电流密度和阴极电流密度；ik为腐蚀电流密度；ba和bc分别为金属阳极溶解反应和阴极还原反应的Tafel常数。
从式(1)可以看出，强极化条件下，极化电位与外加电流的对数呈线性关系，即Tafel半对数关系。将阴极、阳极极化曲线的直线部分外推得交点，该点的横坐标为自腐蚀电位Ecorr，纵坐标为自腐蚀电流lg icorr[7]。
对图 6的极化曲线进行拟合计算，得到热影响区、母材区和焊缝区的Ecorr和jcorr。Ecorr分别为-1.369、-0.791和-0.740 V，jcorr分别为0.006 01、0.004 67和0.001 56 μA/mm2。说明热影响区、母材区和焊缝区的耐蚀性依次升高；同时热影响区在3.5%NaCl溶液中形成了稳定的钝化膜，母材区有较窄的钝化区，而焊缝区几乎没有钝化区。说明在浸泡初期试样在3.5%NaCl溶液中腐蚀速率快，当到达钝化区时，腐蚀速率趋于稳定，这与试样在50℃的3.5%NaCl溶液中的腐蚀规律一致。
3 结论1) 两种焊缝方向的试样浸泡腐蚀后表现出一些共同点：热影响区首先发生腐蚀，这是因为热影响区析出的第2相呈网状分布于晶界；试样浸泡腐蚀110 d后，腐蚀坑两侧分别呈现台阶状和韧窝状，这是由于两侧分别为母材区和焊缝区，其显微组织不同，母材在轧制后晶粒被拉长，而焊缝区在焊接熔合后析出的第2相弥散分布于晶界。同时台阶和韧窝上均分布大量腐蚀坑和第2相质点。
2) 在盐水溶液浸泡110 d后，穿越焊缝试样应力腐蚀敏感性较低，腐蚀坑顶端应力集中，有滑移台阶，腐蚀坑两侧较圆滑；垂直焊缝试样应力腐蚀敏感性较高，腐蚀坑沿焊缝贯穿试样表面，没有滑移台阶，腐蚀坑两侧在试样表面呈平行撕裂状态。
3) 5A06铝合金无载荷的焊缝试样的热影响区、母材区和焊缝区的自腐蚀电位分别为-1.369、-0.791和-0.740 V，因此焊缝区的耐蚀性最好，热影响区耐蚀性最差，母材区耐腐蚀性能居中。
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