Effect of process parameters on corrosion resistance of aluminum alloy hybrid welded joints

现代工业产品正在向高强度、轻量化方向研究发展，由于铝合金具有较高的比强度、比刚度和较好的加工性等优良特点，铝合金已被广泛应用在航海、航空和汽车领域等生产加工制造中^[1-5]。由于铝合金应用范围广阔，其焊接技术也相应发展起来。其中激光-熔化极惰性气体保护焊/熔化极活性气体保护焊(metal inert gas welding/metal active gas welding，MIG/MAG)复合焊接技术具有高焊接质量和高焊接效率等优点，解决了单独激光、电弧焊接时热源输入不稳定、焊接裂纹和熔深小等缺点，可有效提高铝合金焊接时的稳定性和焊接结构强度^[6-8]。

腐蚀是破坏金属性能的重要因素之一。由于船舰长期在海水中作业，海水对船舰的腐蚀会造成大量的经济损失，所以海水腐蚀是航海领域亟待解决的问题^[9]。相比单热源焊接，复合焊接包含更多的工艺参量，在铝合金的复合焊接过程中，不适当的焊接参量和方法易导致接头产生气孔、粗大晶粒和元素烧蚀等缺陷，使其接头组织分布不均匀，当金属与腐蚀介质接触时, 不同的相之间、缺陷与基体金属之间都会存在电势差，形成微观腐蚀原电池，加速材料腐蚀速率，严重影响其接头强度。然而，目前国内外学者对铝合金激光-电弧复合焊接接头在盐水环境下耐腐蚀性能的研究仍相对较少。因此，作者以5083-O铝合金为试验对象，研究焊接工艺参量对铝合金激光-MIG电弧复合焊接接头在盐水环境下耐腐蚀性能的影响。

试验材料选用尺寸为100mm×50mm×10mm的5083-O铝镁系铝合金板。焊前将材料浸泡在饱和氢氧化钠溶液中去除表面氧化膜，然后用HF(质量分数为0.03)+HCl(质量分数为0.07)混合溶液进行中和，用水清洗风干后再用丙酮清洗。填充材料选用ER5087焊丝，焊丝直径为Ø1.2mm。试验材料和填充焊丝化学成分如表 1所示。

焊接设备采用德国Trumph公司生产的HL4006D型Nd: YAG激光器、松下Panasonic YD-350AG2HGE型MIG/MAG焊机与KUKA机器人组成的旁轴复合焊接系统，如图 1所示。YAG激光波长λ=1064nm，光束质量因子为25mm·mrad，焊枪与激光焊接头间夹角为30°。图 2为焊接过程示意图。实验过程的具体工艺参量如表 2所示。

Figure 1.  Physical drawing of laser-MIG hybrid welding equipment

Figure 2.  Diagrammatic sketch of laser-MIG hybrid welding

以上保护气体均为质量分数为0.9999的Ar。腐蚀测试设备为CHI760D三电极系电化学工作站。工作电极为待腐蚀样件，对电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞，如图 3a所示。样品的有效腐蚀面积为0.1cm²，为保证试验准确性，测试样品的非腐蚀区域用环氧树脂涂层与腐蚀介质绝缘，如图 3b所示。腐蚀环境为NaCl溶液(质量分数为0.035)，测试温度为25°，电压测试范围为-1.3V~0.2V，扫描速率为5mV/s。图 4为电化学反应原理示意图。

Figure 3.  Electrochemical workstation and corrosion specimen

Figure 4.  Principle schematic of corrosion

在焊接过程中，不同的工艺参量导致热输入、焊接稳定性不同，使得其接头质量及耐腐蚀性能有所不同。图 5为不同焊接参量下激光-MIG电弧复合焊接铝合金焊缝的宏观形貌、微观组织和腐蚀形貌。当选择焊接参量为激光功率P=3.0kW、焊接电流I=200A、光丝距L=3mm时，如图 5a所示，焊缝整体成形良好，深宽比较大，表面无明显缺陷, 其微观组织中，气孔等缺陷较少，组织以等轴晶为主，其腐蚀区占比相对较小，蚀坑分布均匀且腐蚀深度较浅，耐腐蚀性能最好。如图 5b所示，焊接电流I=160A时，由于焊接电流的减小，焊缝熔深和熔宽显著减小，且飞溅较为严重, 其微观组织中气孔明显增多，有大量元素烧蚀区，局部出现了粗大晶粒，其腐蚀区占比较大且蚀坑深度较大，耐腐蚀性能较差。如图 5c所示，当光丝距L=1mm时，过小的光丝距导致光致等离子体与电弧等离子体作用强烈，使焊接匙孔不稳定而发生坍塌现象，将保护气体及金属蒸汽等卷入熔池，在焊缝底部形成较大的工艺性气孔, 其微观组织中出现了多条由粗大晶粒所组成的等温线，其腐蚀区占比较大，在气孔等缺陷处蚀坑较深，腐蚀较严重。如图 5d所示，当功率增加到P=4.0kW时，焊缝熔深增加，其接头组织局部出现大量等轴枝晶和元素烧蚀区，在等轴枝晶聚集区沿晶界发生晶间腐蚀，腐蚀介质侵入，腐蚀易往深度方向发展，腐蚀较严重。对于母材而言，其腐蚀区域较小，但腐蚀深度较大，如图 5e所示。事实上，退火态的5083-O铝合金内部应力基本消除，内应力所导致的电势差对母材腐蚀影响较小；且组织为均匀分布的等轴晶，无气孔及夹渣等缺陷，氯离子不易吸附在表面。KIM^[10]和RAJAN^[11]等人对5083铝合金经能谱分析和电子扫描显微镜检测后一致认为，其第二相主要为Al₆Mn相与Al₃Mg₂相。其中，Al₆Mn相电位值约为-700mV，Al₃Mg₂相电位值约为-900mV，而5083-O铝合金基体电位值约为-800mV^[12]。在腐蚀环境中，Al₆Mn相作为阴极，而其周围基体为阳极，致使第二相附近α-Al基体发生溶解。而Al₃Mg₂相为阳极，α-Al基体为阴极，作为阳极的第二相发生溶解，形成小阳极-大阴极微电偶原电池^[13]。由于母材主要在第二相处发生电化学初期腐蚀，使得蚀坑一旦产生，主要向蚀坑深度方向腐蚀加深。

Figure 5.  Macroscopic morphology(up), microstructure(left)and corrosion morphology(right)of welds under different welding parameters

图 6为不同功率影响下的动电位极化曲线。激光功率为2.0kW时出现了短暂的钝化区间。图 7为自腐蚀电流密度随激光功率变化曲线。由图 7可知, 自腐蚀电流密度随激光功率变化的规律并不明显，由其拟合曲线得知，整体上，随着激光功率的增加，自腐蚀电流密度呈上升趋势，但很明显激光功率为3.0kW时，自腐蚀电流密度达到最小。分析认为，激光功率过小时，激光提供工件表面的线能量较小，虽然第二相析出较少，但熔池表面张力较大，使得熔池流动性变差，母材与焊丝混合不均匀，局部形成较大电势差，加速其在电解质中的腐蚀速率，导致接头耐腐蚀性较差^[14]。随着激光功率增加，熔池流动性提高，母材与焊丝混合度较好，且温度梯度减小，粗大晶粒及气孔等缺陷减少，此时薄的氧化膜不易被破坏，对内部金属的保护能力较强，接头耐腐蚀性能较好。随着激光功率继续增加，能量输入增加，第二相及夹杂物析出变多，如图 5d所示, 出现局部元素烧蚀区且粗大晶粒明显增多，使晶界和晶粒之间电化学效应增强，从而发生沿晶界向晶粒内部的晶间腐蚀。在电解质中，元素烧蚀区和缺陷处作为活化阳极区，形成闭塞电池，微观腐蚀电流会增加，从而加速接头腐蚀速率。

Figure 6.  Potential dynamic polarization curves of welds under different laser powers

Figure 7.  Influence of laser power on self-corrosion current density

图 8为不同焊接电流影响下的动电位极化曲线。由图可看出此组参量下均未出现稳定的钝化区。图 9为自腐蚀电流密度随焊接电流变化曲线。由图可看出，自腐蚀电流密度随焊接电流的增加呈“V”形变化趋势。分析认为，当焊接电流较小时，电弧线能量较低导致焊接稳定性较差，熔池流动性较差造成局部能量偏聚，如图 5b所示, 在结晶时易形成局部粗大晶粒和元素烧蚀现象，晶粒与晶粒之间电势差增大，发生晶间腐蚀，元素烧蚀区和粗大晶粒作为活化阳极区优先溶解，导致接头耐腐蚀性能较差。当焊接电流增大到200A时，电弧能量增加，焊接稳定性和熔池流动性得到提高，气孔较容易逸处熔池，熔池温度梯度降低，粗大晶粒和元素烧蚀区明显减少，此时的接头耐腐蚀性能较好。随着焊接电流继续增加，热输入量不断变大，冷却速度变慢，使第二相更容易析出，且熔池的高温时间延长，晶粒生长时间增加，加剧晶粒的长大，易形成枝晶^[15]。因此在腐蚀介质中第二相及其杂质物与基体间的微电池效应增加，活化相和活性元素优先溶解，薄的氧化膜一旦被氯离子破坏，电解质大量侵入加速腐蚀，导致接头耐腐蚀性能较差。

Figure 8.  Potential dynamic polarization curves of welds under different welding currents

Figure 9.  Influence of welding current on self-corrosion current density

图 10为不同光丝距影响下的动电位极化曲线。由图可看出, 此组参量下也未出现稳定的钝化区。图 11为自腐蚀电流密度随光丝距变化曲线。随光丝距增大自腐蚀电流密度先减小后增大，且光丝距的变化对自腐蚀电流密度影响最大。分析认为，当两热源距离过小时，一方面激光会受到焊丝和熔滴的反射作用，另一方面，高密度等离子体会对激光产生反射和散射作用，使到达工件的激光能量减少，影响焊接过程的稳定性，且熔池的流动性会降低，如图 5c所示, 局部出现由粗大晶粒所组成的等温线。此外，焊接过程中工件上方的水蒸气易被电离形成氢气进入熔池，熔池结晶后在焊缝中形成冶金性气孔；另一方面，由于密度过高的等离子体对激光束的作用，导致激光匙孔不稳定而发生周期性闭合现象，保护气体及金属蒸汽被卷入熔池底部而形成工艺性气孔。在腐蚀环境中，气孔等缺陷处易被氯离子吸附，氯离子会破坏氧化膜，氧化膜破坏处往往是点蚀开始的地方，随着氧化膜破坏，腐蚀介质会更容易渗入金属与其发生化学反应，加速腐蚀速率。当光丝距为3mm时，激光能量与电弧能量达到最佳耦合效果，此时焊接过程比较稳定，熔池流动性较好，有利于气孔上浮逸处熔池，且晶粒明显细化，组织分布较均匀，降低晶间电势差，故耐腐蚀能力较强^[16]。随着光丝距继续增加，光致等离子体和电弧等离子体逐渐分离，两热源间的耦合效率和稳定性降低，工件对能量的吸收率降低，且熔池流动性变差，使熔池热交换困难，导致粗大晶粒形成，其与周围区域存在电位差，粗大晶粒作为活化阳极区优先发生腐蚀，导致接头耐腐蚀性能也较差。

Figure 10.  Potential dynamic polarization curves of welds with different heat source distances

Figure 11.  Influence of heat source distance on self-corrosion current density

在铝合金的激光-MIG电弧复合焊接中，不同焊接参量下的焊缝微观组织有很大差异，当焊缝中的气孔、析出的第二相和粗大晶粒较多时，在电解质中，与周围其它区域存在电位差，形成微观原电池，其作为活化阳极区优先溶解发生腐蚀。当选择焊接参量为激光功率P=3.0kW、焊接电流I=200A、光丝距L=3mm时，焊缝微观组织均匀，缺陷较少，其对应的腐蚀形貌中，腐蚀区域占比较小，腐蚀深度较浅，接头耐腐蚀性能较好。