焊后热处理对7003铝合金焊接接头抗腐蚀性能的影响

龙社明，王孟君，陈欣怡，梁 岩，胡静远，陈新欢

(中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南 长沙 410083)

焊后热处理对7003铝合金焊接接头抗腐蚀性能的影响

龙社明，王孟君，陈欣怡，梁 岩，胡静远，陈新欢

(中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南 长沙 410083)

采用金相检测、慢应变拉伸试验和扫描电镜（SEM）对7003铝合金焊接接头经不同焊后热处理的晶间腐蚀和应力腐蚀行为进行研究。结果表明：焊后热处理有助于提高焊接接头抗腐蚀晶间腐蚀和应力腐蚀能力。焊后120℃/24h时效时，晶间腐蚀敏感性的大小为：未热处理＞450℃/1h＞490℃/1h＞470℃/1h。应力腐蚀敏感性指数ISSRT在470℃/1h最小，为0.096，抗应力腐蚀性能最好，且在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀敏感性明显大于在干燥空气中的。

7003铝合金；焊后热处理；晶间腐蚀；应力腐蚀

0 前言

7003铝合金作为一种轻质中强铝合金，具有良好的焊接性能，常用于交通运输、建筑、桥梁、医疗器械等领域。铝合金焊接接头由于焊接热的影响，易发生晶间腐蚀和应力腐蚀，常采用焊后热处理的方法改善合金的抗腐蚀性能[1～4]。P.SIVARAJ[5]等人的研究结果发现，单纯的进行焊后时效对接头的硬度提升不明显，而进行焊后固溶和时效工艺的焊接接头硬度提高明显，两个软化区硬度与母材基本相当，软化区性能由于焊后热处理而得到回复。Temmar[6]等人的研究表明，TIG焊接的7075铝合金在焊后分别进行120℃/24h和140℃/10h时效处理后，140℃/10h处理的焊接接头硬度和伸长率分别提高了9%和10%，抗应力腐蚀性能得到明显改善。可见，焊后热处理工艺（PWHT）是一种非常实用的热处理工艺，能均匀焊缝组织和成分，提高材料的综合性能，降低材料的应力腐蚀断裂敏感性。

1 实验

1.1 实验原料

实验所用原料为某厂生产的挤压态7003-T5态铝合金管材，产品规格为外径Φ外=22mm，壁厚b=2mm。焊丝材料选用铝镁ER5356焊丝，焊丝直径1.0mm，母材名义化学成分如表1所示。

表1 7003－T5铝合金的化学成分（质量分数／%）

1.2 实验方法

采用MIG焊接方法对7003铝合金管材进行焊接，经不同热焊后热处理制度后用Leica DMIL LED观察焊接接头晶间腐蚀形貌。应力腐蚀采用慢应变拉伸试验（SSRT），在WDML-3微机控制试验机上进行。实验样品和安装如图1所示，安装后先施加一定载荷消除夹具间的间隙。应变速率取10-6s-1，环境介质分别是在空气中和3.5%NaCl溶液中，记录实验数据直至试样断裂。慢应变拉伸断口在MIRA3 XMU热场发射扫描电子显微镜下进行观察，并根据断口形貌判断相关断裂机理，分析讨论焊后热处理对7003铝合金焊接接头断口形貌的影响。具体焊后热处理工艺为不同固溶温度下保温1h后快速室温水淬，随后在120℃进行24h人工时效，固溶温度分别为450℃、470℃、490℃，固溶时间均为1h。

图1 应力腐蚀试样示意图

2 实验结果与分析

2.1 晶间腐蚀

图2所示为不同焊后热处理制度下的晶间腐蚀形貌，晶间腐蚀深度如表2所示。

图2 7003铝合金焊接接头的晶间腐蚀形貌

表2 7003铝合金焊接接头晶间腐蚀深度

由图2和表2可知，随着固溶温度的升高，焊接接头的晶间腐蚀程度呈一个先变小，后增大的趋势。未热处理时，晶间腐蚀程度最严重，腐蚀深度约为0.078mm，腐蚀等级达到3级；当固溶温度为450℃时，焊接接头晶间腐蚀深度有所减少，但仍处在一个较高的晶间腐蚀水平，腐蚀深度约为0.054mm，腐蚀等级为3级；当固溶温度为470℃，焊接接头腐蚀敏感性不大，仅边缘有轻微的腐蚀痕迹，腐蚀深度较浅，约为0.022mm，腐蚀等级为2级；当固溶温度为490℃时，焊接接头的腐蚀深度有所加深，腐蚀敏感性呈增大趋势，腐蚀深度约为0.035mm。综上可知，晶间腐蚀敏感性的大小为：未热处理＞450℃/1h＞490℃/1h＞470℃/1h。

固溶温度对晶间腐蚀性能的影响主要表现在对合金过饱和度的大小[7]。在不发生过烧和晶粒长大的情况下，淬火加热温度可以适当高些，保温时间长些，以利于溶质原子能充分固溶，获得最大过饱和度的固溶体。过饱和度越高，时效后具有更高的强度，时效强化效果更显著，对合金的抗腐蚀性能提升也越明显。

2.3 应力腐蚀

表3为试样经不同焊后热处理后，分别在空气和3.5%的NaCl溶液中的慢应变拉伸结果。由表3可知，焊接接头在3.5%的NaCl溶液中的慢应变拉伸与干燥空气中相比，不论是抗拉强度还是伸长率都有明显下降，说明试样在3.5%的NaCl腐蚀介质中的断裂具有应力腐蚀（SCC）敏感性比在空气中的大，应力腐蚀断裂倾向明显。

表3 7003铝合金焊接接头慢应变拉伸时的力学性能

式中：σfw和σfA分别表示合金在3.5%NaCl溶液和空气中的断裂强度；δfw和δfA分别表示合金在3.5%NaCl溶液和空气中的断裂伸长率。ISSTR从0→1，表示合金的应力腐蚀断裂敏感性逐渐增强。可以计算出在不同焊后热处理温度下7003铝合金焊接接头的应力腐蚀指数ISSTR。应力腐蚀敏感指数 ISSTR大小为：未热处理(0.235)＞450℃(0.195)＞490℃(0.173)＞470℃(0.096)，说明未热处理时的应力腐蚀指数ISSTR均大于焊后热处理的。由表3可知试样在腐蚀环境中的应力腐蚀断裂敏感性最强，最容易发生断裂。试样在470℃时应力腐蚀指数 ISSTR最小，应力腐蚀断裂倾向最小，最不容易发生断裂，说明焊后进行470℃/1h固溶处理时，焊接接头的抗应力腐蚀性能最好。

2.4 慢应变速率拉伸断口SEM形貌

图3所示为在干燥空气中的慢应变拉伸断口形貌（应变速率10-6s-1）。未热处理的试样慢应变拉伸断口韧窝大且深，形状不规则。450℃固溶的焊接接头存在许多点蚀坑和沿晶的二次裂纹，属于沿晶韧性断裂；当焊后固溶温度为470℃，慢应变拉伸断口中的点蚀坑和沿晶的二次裂纹数量明显减少，韧窝密集程度较450℃时有所减少，但韧窝的平均尺寸增大，见图3（c）。图3（d）所示为焊后固溶温度为490℃的慢应变拉伸断口形貌，图中断口开始变得平滑，韧窝数量进一步减少，个别韧窝中还存在第二相粒子，在空气中的应力腐蚀断裂敏感性最高。

图3 空气中慢应变拉伸断口形貌

图4 3.5%NaCl溶液中慢应变拉伸断口形貌

图4 所示为7003铝合金焊接接头在3.5%NaCl溶液中的慢应变拉伸断口形貌（应变速率10-6s-1）。由图可知，断口大都比较平滑，断口表面存在大小不一的韧窝，韧窝深度较浅，表面部分地方被腐蚀产物覆盖。图4（a）为未热处理的慢应变拉伸断口，断口整体比较平滑，韧窝较浅，可以看出其应力腐蚀敏感性较大。图4（b）～4（d）中，韧窝数量和深度相对图4（a）有所增加，可见经焊后热处理后，焊接接头应力腐蚀敏感性有所改善。

对于试样在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀敏感性比在空气中大，可以有如下解释：一方面，铝合金焊接接头在自然状态下，表面很容易形成一层氧化层薄膜，当承受一定的拉应力时，氧化膜破裂，裸露出来的金属基体与氧化薄膜在腐蚀介质中形成了小阳极和大阴极的微腐蚀电池，促进阳极的溶解；此外，焊接接头处的成分不均且内部存在许多微小的气孔，杂质原子与基体金属存在电位差，进一步造成阳极的溶解，促进应力腐蚀裂纹的萌生，为应力腐蚀裂纹的发展提供条件。另一方面，裸露部分的金属不断与腐蚀介质中的水发生反应生成了［H］，具有一定的活性，以吸附、扩散或位错运动的方式输送到金属内部而导致氢脆。在3.5%NaCl溶液中，试样完全浸入在水中，试样与腐蚀介质发生反应的时间也大大增加，NaCl溶液本身也相当于一个电解池，提供导电环境，促进电子在阳极和阴极之间的移动，从而加快反应速度，产生更多的氢原子。因此，在NaCl溶液中的应力腐蚀敏感性较高。

3 结论

通过对7003铝合金焊接接头抗腐蚀性能的研究，探究了在不同焊后热处理制度下7003铝合金焊接接头的晶间腐蚀、抗应力腐蚀性能影响规律，主要结论有：

（1）随着固溶温度的升高，晶间腐蚀深度呈先减小后增大的趋势，晶间腐蚀敏感性的大小为：未热处理＞450℃/1h＞490℃/1h＞470℃/1h。

（2）采用焊后热处理工艺，接头的抗应力腐蚀能力明显提升。在470℃时，接头拉伸性能最好，抗应力腐蚀能力最强，ISSRT为0.096，490℃次之，450℃最差，应力腐蚀敏感性最大，ISSRT为0.195。

（3）7003铝合金焊接接头在3.5%NaCl溶液中的拉伸力学性能明显低于在干燥空气中的，应力腐蚀敏感性大。

[1]潘复生，张丁非.铝合金及应用[M].北京:化学工业出版社，2006:59

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信息报道

汽车轻量化必须迎接的挑战－铝焊接

现在，汽车架构中采用的铝制材料越来越多，为了保证汽车在使用大量铝材料后的安全性，不仅需要可靠的制造工艺，还必须审慎考虑汽车维修维护方面的问题。而在这当中需要重点考虑的就是铝焊接的问题，铝焊接本身并不比钢焊接难多少，但需要在许多方面采取不同的做法。建议从以下几方面加以注意：（1）建立操作区，将铝制车辆维修区与钢材料焊接区分开；（2）选用适当的铝焊接的工艺和设备。铝焊接采用的是MIG气体，应使用铝材料专用的焊接导电嘴，中间的焊丝通道也应更大，专用焊枪上应刻有“A”或“AL”的字样。此外，铝焊接所使用的保护气体喷孔也必须大于钢焊接，以便供应更大的保护气流；（3）做好准备工作；（4）掌握焊接技巧。铝焊接的技巧与钢焊接不同，技术人员应该用“推”的方式进行铝焊接，而不是“拉”的方式。在铝焊接中，焊丝需要与焊炬保持较远距离，而焊炬需要离焊接表面更远。应使用汽车厂商推荐的焊丝。在铝焊接中金属过渡形式最好的方法是脉冲喷射过渡，在焊珠喷进熔池之前就会爆断。焊接动作应该先慢后快，而焊炬在部件上移动时，速度应该更快。为了避免铝焊接开始时温度过低，技术人员需要使用引弧板(run-on tab)，或具有预热功能的设备。

福州试点可拆卸式铝合金挡洪板

据悉，福州正在安装试用一种可拆卸的铝合金挡洪板，这种挡洪板为三片组合式结构，全部安装后，可提升1m的防洪高度。产品由中铝南铝（福建）铝结构技术开发有限公司研制，挡板采用高强度铝合金制造，每片长3.6m、高0.33m，重量约30kg，确保由2个工作人员就能快速安装使用。每片挡板都设有防水胶条，保证密封性，这种胶条比普通胶条价格贵7、8倍，为潜艇使用级别。目前的试验段，每平方米挡洪板可抵御500kg的洪水冲力。

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

龙社明（1990-），男，湖南益阳人，硕士研究生。

2016－12－01