損傷鋁合金表面超聲焊接界面斷口分析與結合機理

黃元林，朱有利，謝俊峰，邊飛龍，李占明

(裝甲兵工程學院裝備再制造工程系，北京100072)

鋁合金材料具有強度高、質量輕的特點，但在環境介質作用下對腐蝕卻相當敏感。這是因為鋁合金與氧有很強的親和能力，雖然在空氣或水中其表面能自然形成一層氧化物膜，但一些離子，尤其是自然界廣泛存在的鹵化物，卻會破壞鋁合金表面致密的防護層，引發腐蝕［1-2］。因此特別是在沿海、多雨、潮濕高溫地區使用的如飛機機體等關鍵鋁合金構件極易被腐蝕。表面腐蝕損傷所帶來的直接危害就是結構靜強度和疲勞強度的損失。有關研究結果表明:自然的預剝蝕損傷會使飛機結構的疲勞壽命下降40% ～60%。當腐蝕萌生后，若不加以控制，不僅影響飛機的飛行安全，還會大大增加維修成本［3］。所以針對飛機服役過程中鋁合金結構件表面腐蝕損傷的控制與修復研究十分重要。

目前，針對飛機鋁合金結構件腐蝕損傷的修復方法有膠粘法、電刷鍍法、激光熔覆法等。這些方法各有其不足:如膠粘法結合強度及性能恢復程度有限;電刷鍍法鍍層較薄;激光熔覆法存在熔合區，焊區易產生氣孔、焊渣及殘余拉應力等缺陷［4-6］。超聲焊接是一種新興的金屬修復工藝，其優點是:可在金屬基體上焊接不同材質、不同厚度的金屬箔材或絲材，焊點呈冶金結合，且不存在傳統焊接技術中的熔合區、焊渣及殘余拉應力等缺陷［7-8］。但是國內外少有關于金屬基體上超聲焊接金屬箔材方面的報道。筆者擬采用該技術在預腐蝕的鋁合金表面焊接一層適當厚度的鋁合金箔材，并對鋁合金基體與箔材的界面結合狀況及截面形貌進行觀察與分析，旨在為利用該技術修復表面受損的鋁合金材料提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣材料

基體為2A12CZ鋁合金板材，板厚3 mm;焊接箔材為2A12CZ鋁合金，厚度為0.3 mm。

1.2 焊接方法及工藝

1.2.1 焊接準備

為了模擬受損鋁合金零部件，采用腐蝕溶液浸泡法將50 mm×20 mm×3 mm的2A12CZ鋁合金板材試塊的一端8 mm×10 mm部分進行局部預腐蝕，腐蝕溶液選用鋁合金剝蝕液(EXCO):ρ(NaCl)=234 g/L，ρ(KNO3)=50g/L，C(HNO3)=6.5 mol/L，試劑為化學純，余量為去離子水。試驗時腐蝕溶液溫度控制在35±1℃，腐蝕時間為10 min。用砂紙將腐蝕部位打磨，去除腐蝕產物，露出新鮮基體，再用丙酮清洗干凈后以備超聲焊接。

1.2.2 超聲焊接工藝

采用 UDW-I超聲焊接設備，工具頭振幅為20 μm，靜壓力為401 N(對應的氣壓為0.5 MPa)，焊接時間為0.8 s，激勵電流為1.0～1.6 A，振動頻率為20 kHz。

1.3 試驗方法

焊接試樣制作如圖1所示。將2塊50 mm×20 mm×3 mm的2A12CZ鋁合金試塊腐蝕一端對接，采用厚度為0.3mm、尺寸為40 mm×20 mm的2A12CZ鋁合金箔材覆蓋在2個鋁合金試塊的預腐蝕處，采用超聲焊接法將圖1陰影部分預腐蝕的上面鋁合金箔材與下面的基體焊接起來，使左右2塊基體通過箔材連接為一體。而后，采用同樣的方法焊接背面。焊好的試樣在拉伸試驗機上將其拉伸剪切脫離，暴露出焊接界面(即箔材與基體焊合的部位)，以便通過顯微鏡觀察其結合形貌及機理，為了能使焊好的箔材通過拉伸剪切方法拉剪開，超聲擴散時適當降低焊接壓力及時間，壓力由正常壓力482 N降為401 N，焊接時間由正常的1.2 s降為0.8 s。

采用Quanta 200型環境掃描電子顯微鏡觀察界面斷口形貌及截面形貌。

圖1 焊接試樣制作示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 表面宏觀形貌

圖2給出了2A12CZ鋁合金基體上超聲焊接鋁合金箔片拉伸剪切試樣。可見:焊接部位表面較平整，有網格狀壓紋痕跡。原因是:為了增加焊接壓頭與試件之間摩擦力，設計加工焊接壓頭表面為網格狀微刺，以便在焊接過程中，壓頭在豎向壓力的作用下，其表面微刺壓入鋁箔表面，這樣使壓頭與箔材之間在較大靜摩擦力的作用下，帶動箔材與基體之間發生高頻振動，但箔材在微刺的豎向壓力作用下，發生塑性變形，所以留下了印痕。

圖2 超聲焊接試樣的表面宏觀形貌

2.2 界面斷口微觀形貌

2A12CZ鋁合金基體表面超聲焊接箔材后，通過機械方法使其焊接界面脫開，這樣，焊接部位斷口，即箔材與基體焊合后又被機械拉脫開的2個表面，對其中的基體斷口的表面形貌進行了微觀觀察。

圖3給出了2A12CZ鋁合金基體界面斷口形貌SEM照片。圖3(a)為基體界面的低倍表面形貌，其中發亮的部位為焊合部位，發暗的部位為未焊合的原基體形貌，說明:在本試驗的靜壓力401 N、焊接時間0.8 s的條件下，焊接處大部分面積被焊合。圖3(b)-(f)給出了焊合部位(即發亮部位)的微觀形貌。可見:基體表面焊合部位層發生了強烈的塑性變形，已經完全分辨不出原有的加工條紋，且界面斷口微觀形貌主要為鱗片狀現象(見圖3(b)-(d))及韌窩現象(見圖3(e)、(f)中虛線圈內部位)，為典型的金屬斷口形貌。這說明了該焊接部位已經發生冶金結合后被機械斷開，成為金屬斷口。

圖3 2A12CZ鋁合金基體界面斷口形貌SEM照片

2.3 截面形貌

為了從截面觀察箔材與基體的結合狀況，垂直于焊接試樣表面將試樣剖開，將其截面打磨、拋光、清洗，再在光學顯微鏡下觀察、拍照。圖4給出了損傷2A12CZ鋁合金基體上超聲焊接箔材的截面形貌照片。可見:從經過拋光的截面來看，鋁箔與基體大部分組織已完全結合成一體，氧化物及原界面線消失(圖4虛線圈內部分)，少部分呈未結合的裂紋或孔洞狀態(圖4白色箭頭所指部位)，這些與界面斷口形貌一致。

2.4 討論

圖4 2A12CZ鋁合金超聲焊接箔材截面形貌

由以上焊接界面斷口分析及截面形貌來看，在靜壓力401 N、焊接時間0.8 s的條件下，超聲焊接部位大部分已呈冶金結合狀態。其結合機理為:在超聲頻率的振動摩擦力及正壓力作用下，鋁箔與基體接觸部位組織發生了充分的塑性變形，界面處氧化物或污染物等雜質可能被揉碎、擠出或分解、擴散、消失，使上下表面之間以潔凈的金屬表面相接觸，并在摩擦熱及超高形變率的作用下，產生界面局部真空，使界面元素加速擴散［9］，產生再結晶、擴散、金屬間的鍵合等現象，使焊接界面呈冶金結合。

［1］ 唐秀梅，張宏偉，楊金鳳.淺析7A10鋁合金焊接裂紋的成因及其預防措施［J］.輕合金加工技術，2003，31(7):40-41.

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