A6061-T6鋁合金焊接接頭腐蝕行為

薛海峰，趙佳佳，云中煌，火巧英，朱忠尹，祝鵬飛

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京210031；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031）

0 前言

A6061-T6鋁合金是軌道車輛制造的常用材料，為了減輕質量，鋁合金材料通常制造為型材，表皮板厚度2～3mm。軌道車輛在線路運行時會受到環境影響，例如運行于沿海鹽霧環境、地下潮濕環境等，空氣中的Cl-、SO42-、NO3-等離子會對車輛鋁合金本體造成一定的破壞，從而在材料表面形成腐蝕痕跡，降低結構的使用壽命，因此有必要對軌道車輛常用的鋁合金材料及接頭開展腐蝕行為研究[1-4]。

在此以軌道車輛常用的A6061-T6鋁合金焊接接頭為研究對象，在人造氣氛鹽霧腐蝕環境中進行鹽霧腐蝕試驗研究，測試試件的腐蝕失重和宏觀形貌。同時采用控制電位法（線性伏安掃描法）測量試樣的極化曲線，研究A6061-T6鋁合金焊接接頭的電化學腐蝕性能。

1 試驗結果和討論

1.1 焊接接頭在中性鹽霧中的腐蝕行為

試驗按照GB/T10125-1997《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》進行。試驗前對焊接接頭試樣進行編號，并在邊緣上打直徑為8mm的小孔；機械拋光后用丙酮清洗試樣表面，然后用蒸餾水洗凈吹干，測量表面積，并用FA1004型精密天平測量試樣初始質量，精確至小數點后4位；最后將試樣放入GP/YWP90型鹽霧腐蝕試驗箱，如圖1所示，試樣受檢驗表面與垂直方向成30°角，焊接接頭試樣的焊縫正面朝上。試驗鹽溶液濃度為50±5 g/L，用去離子蒸餾水配制，pH范圍為6.5～7.2，試驗時鹽霧箱內溫度恒定在35±1℃，飽和器溫度為40℃，采用連續噴霧方式，噴霧壓力0.09MPa，確認鹽霧收集速度和條件在規定范圍內（24～48ml/24 h）后開始試驗。試驗時間分別為 7 d、14 d、28 d、56 d、112 d，每個時間點取3個平行樣。

圖1 鹽霧腐蝕試驗箱

在預定時間取出試樣，用去離子水漂洗試樣表面并吹干；拍攝腐蝕宏觀形貌，然后根據HB 5257-83標準清除腐蝕產物，多次清洗試樣直至最后兩次試樣質量基本一致；最后用FA1004型精密天平測量試樣質量，精確至小數點后4位。

不同腐蝕時間的焊接接頭宏觀形貌如圖2所示。焊接接頭的失重曲線如圖3所示。可以看出，在腐蝕初期，試樣的失重呈快速增長趨勢，在14 d時達到最大，然后隨著腐蝕時間的進一步延長，失重逐漸減小，呈現平穩下降趨勢。

試樣在腐蝕試驗前均經過打磨，其表面氧化層被破壞，因此腐蝕初期在NaCl作用下，腐蝕很快發生，Al快速反應成為Al3+溶解，導致試樣失重。隨著腐蝕時間的延長，腐蝕產物在試樣表面堆積越來越多，使得腐蝕介質滲入到鋁合金內部的阻力越來越大，從而產生位阻效應（分子中某些原子或基團彼此接近而引起的空間阻礙和偏離正常鍵角而引起的分子內的張力），阻礙腐蝕的進一步進行，導致失重逐漸減緩。

圖3 A6061-T6焊接接頭在中性鹽霧環境中的失重曲線

1.2 焊接接頭的電化學腐蝕性能

用DK7750型數控電火花線切割機在A6061-T6焊接接頭的焊縫（WZ）、母材（BM）區域分別切取尺寸10mm×10mm的試樣（焊縫的取樣原則是盡量取焊縫中間區域）。在試樣背面用電烙鐵錫焊電極導線，然后用硅橡膠封樣試樣除工作面外的其他表面，依次用 400#、600#、1000#、1500#、2500#砂紙打磨暴露的工作表面。電化學測試儀器為微機控制型LK-98A型電化學分析儀，采用常規的三電極法體系，工作電極為試樣、參比電極為甘汞飽和氯化鉀溶液電極（SCE）、輔助電極為金屬鉑片電極，電解質溶液分別為去離子蒸餾水配制的質量分數為5%的NaCl、Na2SO4、NaNO3化學分析純溶液，測試溫度35±1℃，電位掃描范圍-1 200～400mV，掃描速度3mV/s。為了克服可能產生的濃差極化，用磁力攪拌器攪拌測定腐蝕液。試驗開始前先將試樣在溶液中浸泡5min，使腐蝕溶液均勻、穩定地浸入試樣被測表面。

根據電化學動力學過程，評價一個電化學體系的熱力學和動力學參數主要有：腐蝕電位Ecorr、腐蝕速度 Icorr、陰陽極塔菲爾斜率 bc、ba、法拉第電阻 Rp、陰陽極的傳遞系數αc、βa等。本研究主要通過極化曲線測試獲得腐蝕電位Ecorr、腐蝕速度Icorr、陽極塔菲爾斜率ba、陽極傳遞系數βa來評價A6061-T6焊接接頭在不同腐蝕介質中的電化學腐蝕性能。

圖2 A6061-T6焊接接頭宏觀腐蝕形貌

當處于強極化區時，腐蝕金屬電極的實驗曲線與其局部陽、陰極理論極化曲線近似重合可得

式中 Ia和Ic分別為外加陽極電流密度和外加陰極電流密度。

由式（1）和式（2）可知，在強極化情況下，極化電位與外加電流的對數呈現直線關系，其中直線的斜率即為陰陽極塔菲爾斜率bc、ba，因此在該區域取2個點即可求出該直線的斜率。當式（1）和式（2）相等時，有Ia=Ic=ik，因此，陰陽極極化曲線的塔菲爾直線段的延長線應與ε=Ecorr處相交，交點即為該體系的自然腐蝕電流密度Icorr，該方法叫做極化曲線外延法，如圖4所示。

圖4 極化曲線外延法求bc、ba和Icorr

陰陽極的傳遞系數αc、βa與陰陽極的塔菲爾斜率有關，可表示為

式中R為氣體常數[8.314 J/（mol·K）]；T為反應絕對溫度（單位：K）；F 為法拉第常數（96500C/mol）；n為電極反應速度控制步驟的得失電子數或溶解金屬離子的價數。

由式（3）可知，當陽極傳遞系數越大時，陽極反應活化能降低得越多，反應速度增加越快。

試驗所測和計算所得的A6061-T6母材及焊縫的腐蝕熱力學和動力學參數如表1所示。

表1 A6061-T6母材和焊縫的腐蝕熱力學和動力學參數

自腐蝕電位Ecorr是熱力學概念，是一個特定的腐蝕體系在沒有其他外加電流情況下測得的金屬電位，反映腐蝕發生的難易程度。Ecorr值越負，腐蝕傾向越大；其值越正，腐蝕傾向越小。而自腐蝕電流Icorr則是動力學概念，它表征金屬在發生腐蝕后腐蝕進行的快慢，Icorr越大腐蝕速度越快，金屬材料的耐蝕性越差，Icorr越小腐蝕速度越慢，材料的耐蝕性就越好。

由表1還可知，母材的塔菲爾斜率ba大于焊縫，陽極傳遞系數βa小于焊縫。陽極傳遞系數越大，塔菲爾斜率越小，材料的耐蝕性越差，說明焊縫的耐蝕性差。

A6061-T6的母材、焊縫和熱影響區在5%的NaCl、Na2SO4、NaNO3溶液中的極化曲線如圖5～圖7所示。A6061-T6 的焊縫在 5%的 NaCl、Na2SO4、NaNO3溶液中的Ecorr均比母材的更正，表明焊縫發生腐蝕的傾向大于母材；A6061-T6的焊縫在5%的NaCl、NaNO3溶液中的Icorr均大于母材，表明在這兩種介質中焊縫的腐蝕速率大于母材；在5%的Na2SO4溶液中，A6061-T6母材的Icorr小于焊縫，表明在Na2SO4介質中A6061-T6母材的腐蝕速率大于焊縫。

圖5 A6061-T6母材（BM）和焊縫（WZ）在5%NaCl溶液中的極化曲線

圖6 A6061-T6母材（BM）和焊縫（WZ）在5%Na2SO4溶液中的極化曲線

圖 7 A6061-T6母材（BM）和焊縫（WZ）在 5%NaNO3溶液中的極化曲線

A6061-T6鋁合金和ER5356焊絲化學成分如表2所示。ER5356焊絲的w（Mg）遠高于A6061-T6母材，Mg是活潑元素，在A6061-T6中主要以Mg2Si相從基體中析出成為強化相，其電極電位（-0.91V）低于Al基體電位（-0.85 V），相對于鋁基體作為陽極而優先腐蝕。在A6061-T6焊接接頭中焊縫中的w（Mg）高于母材，導致其耐腐蝕性低于母材。此外，焊絲中的Mg/Si為18～22，Mg2Si強化相中的Mg/Si為1.73，為保證合金的耐腐蝕性，Al-Mg-Si合金中的Mg/Si一般不大于1.73，Mg含量過剩將會導致Mg2Si相的粗化和析出，從而降低合金的耐腐蝕性。焊絲中的Mg/Si遠大于1.73，大量的過剩Mg大大降低焊縫的耐腐蝕性能。

表2 A6061-T6鋁合金和ER5356焊絲的化學成分%

2 結論

（1）腐蝕失重速率先快速增長，在14 d時達到最大，然后隨著腐蝕時間的進一步延長，失重逐漸減小，呈現平穩下降趨勢。

（2）焊縫在質量分數為5%的NaCl、Na2SO4、NaNO3溶液中的自腐蝕電位Ecorr比母材的更負，而自腐蝕電流Icorr大于母材。

（3）母材和焊縫在質量分數為5%的不同腐蝕溶液中的自腐蝕電位隨Cl-、SO42-、NO3-順序依次變正，而自腐蝕電流隨 Cl-、SO42-、NO3-順序依次變小。SO42-對鋁合金的腐蝕加速作用弱于Cl-，強于NO3-。

[1]Godard H P，Jepson W B，Bothwell M R，et al.Corrosion of LightMetals[M].New York：JohnWiley&Sons Inc，1967.

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[4]Guoqing Gou，Jia Chen，ZhiruiWang，etal.StressCorrosion Cracking Behavior of 4.19%Zn-1.34%Mg（A7N01S-T5）Aluminum AlloyWelded Joints[J].Corrosion，2016，72（9）：1133-1145.