关于高温高湿环境下钢/铝合金焊接搭接接头腐蚀疲劳性能的研究

《Welding in the World》：Research on corrosion fatigue property of steel/aluminum alloy weld-bonded lap joint in high temperature and high humidity

　　摘要
为了通过同时进行疲劳-腐蚀试验来评估不同材料的接头在腐蚀疲劳性能，开发了一种新型的紧凑型剪切疲劳试验机，该试验机能够分别测试三个搭接接头，并已安装在联合循环腐蚀设备中。所使用的材料是一种创新的超高强度钢（i-UHSS），其极限抗拉强度为1.5 GPa， elongation（伸长率）为20%；另一种材料是一种具有高延展性的创新铝镁合金（Al-Mg alloy）。这些不同材料的搭接接头是通过电阻点焊（RSW）或填充摩擦搅拌点焊（RFSSW）工艺制造的。为了形成焊接接头（WB joints），还使用了一种创新的粘合剂。本研究中的加速腐蚀条件是高温高湿气候。此外，自然腐蚀疲劳试验在日本的宫古岛户外以及空调室内进行。加速腐蚀疲劳试验表明，由于搭接接头重叠区域的粘合剂界面面积不同，通过RSW连接的焊接接头在腐蚀疲劳性能上似乎优于通过RFSSW连接的接头。此外，认为裂纹会首先在粘合剂界面扩展，然后在裂纹扩展到接头界面周边时搭接接头可能会突然断裂。可以得出结论，本研究采用的加速腐蚀条件适用于评估高温高湿气候下搭接接头的腐蚀疲劳性能。

1 引言
为了实现碳中和目标，有必要减轻运输设备的重量，从而降低燃料消耗和减少二氧化碳排放。2013年10月，日本启动了“未来先锋项目：创新结构材料技术发展”（Future Pioneering Project: Technology Development of Innovative Structural Materials），并成立了创新结构材料协会（ISMA），该协会致力于开发性能大幅提升的创新材料，该项目将持续到2023年3月。作为这一十年计划的结果，研发出了一种创新的超高强度钢（i-UHSS），其极限抗拉强度达到1.5 GPa，elongation为20% [1]。此外，通过添加Sc元素并控制5000系列铝合金中的Mg含量，还研发出一种具有高延展性和高可焊接性的创新铝镁合金 [2]。由于这些先进且创新的材料具有高比刚度和高比强度，预计它们将被用于新型的多材料汽车车身制造。对于多材料车身的设计，选择适合每种材料的组合以及确定适当的连接方法是关键技术 [3]。
近年来，正如表1所示，汽车的平均使用寿命大约翻了一番 [4]，这些车辆可能会在各种恶劣的腐蚀环境中使用，例如高温高湿气候或含有融雪盐的低温环境等。在恶劣的腐蚀环境中，汽车中的不同材料接头会同时受到多种应力作用和电偶腐蚀的影响。因此，了解不同材料接头的疲劳性能以及腐蚀疲劳性能非常重要，因为电偶腐蚀可能会加剧疲劳性能的退化。然而，目前尚未对不同材料的接头进行过同时的腐蚀疲劳性能测量。通常，评估接头腐蚀疲劳性能时，会先对接头进行加速腐蚀处理，然后再分别进行疲劳试验。D. Thierry等人报告称，在交替疲劳-腐蚀试验中，基于钢的搭接接头的疲劳性能优于同时疲劳-腐蚀试验中的疲劳性能 [5]。随后，由于电偶腐蚀的影响，同时疲劳-腐蚀试验中不同材料的接头疲劳寿命似乎较短。
在这项研究中，开发了一种可以安装在联合腐蚀试验设备中的新型紧凑型剪切疲劳试验机，用于进行同时疲劳-腐蚀试验。使用了一种创新的超高强度钢（i-UHSS），其极限抗拉强度为1.5 GPa，elongation为20%，以及一种具有高延展性的创新铝镁合金（Al-Mg alloy）来制造不同材料的搭接接头。此外，还使用了一种创新的粘合剂来形成焊接接头（WB joints）。本研究中的加速腐蚀条件是高温高湿气候。为了验证在加速腐蚀条件下获得的腐蚀疲劳性能，还在日本宫古岛户外和空调室内进行了自然腐蚀疲劳试验。加速腐蚀疲劳试验表明，通过RSW连接的焊接接头在腐蚀疲劳性能上优于通过RFSSW连接的接头，这是由于搭接接头重叠区域粘合剂界面的面积不同所致。此外，预计裂纹会先在粘合剂界面扩展，然后在裂纹扩展到接头界面周边时搭接接头可能会突然断裂。可以得出结论，本研究采用的加速腐蚀条件适用于评估高温高湿气候下搭接接头的腐蚀疲劳性能。

2 实验程序
2.1 使用的材料
本研究中使用的i-UHSS厚度为1.4 mm，而创新铝镁合金的厚度为3.0 mm。由于这些创新材料是通过改进抗拉强度为1.5 GPa的超高强度钢（UHSS）和5000系列铝合金制成的，因此还准备了1.4 mm厚的UHSS和3.0 mm厚的A5083P-O作为参考材料。i-UHSS是一种中碳钢，其碳含量约为0.4% [1]。创新铝镁合金（Al-Mg alloy）、UHSS和A5083P-O的化学成分分别见表2、表3和表4。这些材料的力学性能见表5。
准备了长150 mm、宽40 mm的钢板和铝板，以制造搭接长度为40 mm的不同材料搭接接头，根据JIS Z3138标准评估其腐蚀疲劳性能。因此，搭接接头的总长度为260 mm。通常，为了防止不同材料直接接触处发生电偶腐蚀，在搭接界面除了直接焊接外，还会使用非导电胶水形成粘合接头。基于关于钢和铝合金直接焊接过程的研究结果，电阻点焊（RSW）和填充摩擦搅拌点焊（RFSSW）被认为是未来汽车制造过程中最合适的焊接方法 [6, 7]。因此，在本研究中，腐蚀疲劳试验中的不同材料搭接接头是通过粘合接头和RSW或RFSSW工艺制造的。具体来说，搭接接头是采用焊接方式连接的（WB joints）。对于RSW，先在钢板的重叠区域涂上ISMA项目中开发的创新环氧树脂粘合剂DENATITE XNR6852E-3（如图1所示），然后在放置了玻璃珠的铝板上进行RSW，以控制粘合层的厚度。粘合剂的位置和用量是通过初步考虑确定的，因为这种粘合剂是非导电的，能够在RSW过程中阻止钢和铝板之间的电导。表6列出了i-UHSS/创新铝镁合金和UHSS/A5083P-O不同材料焊接接头的RSW焊接条件。如表6所示，为了评估仅使用创新粘合剂连接的UHSS/A5083P-O不同材料接头的腐蚀疲劳性能，焊接过程中没有通电。对于RFSSW，先在所有重叠区域涂上创新粘合剂，然后在铝板放置在钢板上后，在重叠区域中心进行RSW，并在重叠区域边缘放置玻璃带以控制粘合剂厚度（如图2所示）。i-UHSS/创新铝镁合金和UHSS/A5083P-O不同材料焊接接头的RFSSW条件分别总结在表7和表8中。表6、表7和表8中列出的RSW和RFSSW条件是基于对这些不同材料接头静态拉伸剪切强度的初步考虑以及微观结构观察结果确定的。RSW或RFSSW工艺后，不同材料搭接接头在180°C下热处理1小时以固化粘合剂。此外，为了防止腐蚀疲劳试验过程中的表面腐蚀，在碱脱脂处理和锆转化涂层处理后，还在不同材料搭接接头上施加了阳极电沉积涂层 [10, 11]。

2.2 实验程序
2.1 使用的材料
本研究中制备的i-UHSS厚度为1.4 mm，创新铝镁合金的厚度为3.0 mm。由于这些创新材料是通过改进抗拉强度为1.5 GPa的超高强度钢（UHSS）和5000系列铝合金制成的，因此还准备了1.4 mm厚的UHSS和3.0 mm厚的A5083P-O作为参考材料。i-UHSS是一种中碳钢，其碳含量约为0.4% [1]。创新铝镁合金（Al-Mg alloy）、UHSS和A5083P-O的化学成分分别见表2、表3和表4。这些材料的力学性能见表5。
准备长150 mm、宽40 mm的钢板和铝板来制造不同材料的搭接接头，搭接长度为40 mm，以评估其腐蚀疲劳性能。根据JIS Z3138标准，搭接接头的总长度为260 mm。通常，为了防止不同材料直接接触处发生电偶腐蚀，除了直接焊接外，还会在搭接界面使用非导电胶水形成粘合接头。根据关于钢和铝合金直接焊接过程的研究结果，电阻点焊（RSW）和填充摩擦搅拌点焊（RFSSW）被认为是未来汽车制造中最适用的焊接方法 [6, 7]。因此，在本研究中，腐蚀疲劳试验中的不同材料搭接接头是通过粘合接头和RSW或RFSSW工艺制造的。即，搭接接头是采用焊接方式连接的（WB joints）。对于RSW，先在钢板的重叠区域涂上ISMA项目中开发的创新环氧树脂粘合剂DENATITE XNR6852E-3（如图1所示），然后在放置了玻璃珠的铝板上进行RSW，以控制粘合层厚度。创新粘合剂的位置和用量是根据初步考虑确定的，因为这种粘合剂是非导电的，可以在RSW过程中防止钢和铝板之间的电导。表6列出了i-UHSS/创新铝镁合金和UHSS/A5083P-O不同材料焊接接头的RSW焊接条件。如表6所示，为了评估仅使用创新粘合剂连接的UHSS/A5083P-O不同材料接头的腐蚀疲劳性能，焊接过程中没有通电。对于RFSSW，先在整个重叠区域涂上创新粘合剂，然后在铝板放置在钢板上后，在重叠区域中心进行RFSSW，同时在上覆铝板的重叠区域边缘放置玻璃带以控制粘合剂厚度（如图2所示）。i-UHSS/创新铝镁合金和UHSS/A5083P-O不同材料焊接接头的RFSSW条件分别总结在表7和表8中。表6、表7和表8中列出的RSW和RFSSW条件是基于对这些不同材料接头静态拉伸剪切强度以及微观结构观察的初步考虑结果确定的。RSW或RFSSW工艺后，不同材料搭接接头在180°C下热处理1小时以固化粘合剂。此外，为了防止腐蚀疲劳试验过程中的表面腐蚀，在碱性脱脂处理和锆转化涂层处理后，还在不同材料搭接接头上施加了阳极电沉积涂层 [10, 11]。
图1：RSW前的钢板和创新粘合剂概览
表6：i-UHSS/创新铝镁合金和UHSS/A5083P-O焊接接头的RSW条件
图2：RFSSW前的钢板和玻璃带概览
表7：i-UHSS/创新铝镁合金焊接接头的RFSSW条件
表8：UHSS/A5083P-O焊接接头的RFSSW条件
此外，根据JIS Z3138标准，还准备了仅通过RSW或RFSSW制造的不同材料搭接接头，作为腐蚀疲劳试验的参考测试。每块板的尺寸、搭接长度和搭接接头的总长度与腐蚀疲劳试验相同。在RSW和RFSSW条件下，RSW的焊接电流和RFSSW的压入压力与不同材料焊接接头的要求有所不同（见表9和表10），这是基于对这些不同材料接头静态拉伸剪切强度以及微观结构观察的初步考虑结果。表11总结了本研究中不同类型的接头和进行的试验。如表11所示，由于没有粘合剂的参考材料的拉伸剪切疲劳性能与通过RSW或RFSSW及粘合剂连接的i-UHSS/创新铝镁合金接头的腐蚀疲劳性能没有直接关系，且这些性能已在文献中发表 [12, 13]，因此本研究中未对仅通过RSW或RFSSW制造的UHSS/A5083P-O不同材料搭接接头进行拉伸剪切疲劳试验。
2.2 机械试验
为了评估不同材料搭接接头的腐蚀剪切疲劳性能，如图3a所示，开发了一种新型的紧凑型疲劳试验装置。为了使这种紧凑型疲劳装置能够安装在复合腐蚀测试设备中（见图3b），该疲劳装置的长度为900毫米，宽度为550毫米，高度为300毫米，重量小于40千克。疲劳装置内可以分别组装三个搭接接头，根据JIS Z3138标准，夹具之间的距离为160毫米。拉伸载荷的加载/卸载是以0.5赫兹的频率进行的，这与Thierry等人报告的测试[5]中使用的频率相同。对于高温高湿气气候下的加速腐蚀测试，采用了表12中显示的复合循环腐蚀条件，该条件基于ISMA项目提出的新的循环腐蚀测试方法[14]，其中0.5%的NaCl和0.1%的CaCl混合盐每周喷洒两次，每次15分钟。图4显示了复合循环腐蚀测试设备测量的温度和湿度变化，该图表明由于混合盐的喷洒，温度和湿度在27:00突然变为100%和30°C。此外，为了验证表12中所示的加速腐蚀环境的有效性，新的紧凑型疲劳装置被放置在日本宫岛的室外（该地区受盐分影响较大）和图5所示的空调室内。在宫岛进行的测试中，温度和湿度的平均值分别约为30°C和80%，而在空调室内则分别为20°C和45%。在这些加速和自然腐蚀环境测试中，最大循环次数被设定为1.0×10^6次，大约相当于12天。

图3：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
原始紧凑型剪切疲劳试验机概述

表12：高温高湿气候下的加速腐蚀测试条件

图4：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
高温高湿气候下加速腐蚀测试条件下的温度和湿度历史记录

图5：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
放置在室外和室内的原始紧凑型剪切疲劳试验机概述

此外，拉伸剪切疲劳试验是在符合Z3138标准的环境中、室温下进行的。即夹具之间的距离、应力比和频率分别为160毫米、0.1和20赫兹。图6显示了拉伸剪切疲劳试验装置及其连接的异种搭接接头的概览。在疲劳测试中，最大循环次数被设定为1.0×10^7次，大约相当于6天。

图6：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
带有拉伸剪切疲劳试验装置的异种搭接接头概览

3 结果与讨论
3.1 加速腐蚀条件下的腐蚀疲劳测试
图8总结了通过RSW和RFSSW连接的i-UHSS/创新Al-Mg合金异种WB接头在加速腐蚀条件下的腐蚀疲劳测试结果。图8显示了施加载荷为7.0 kN后异种WB接头的典型断裂表面。如图8所示，所有发生断裂的接头都在接头界面处断裂，而粘合界面在重叠区域的两侧保持完好。图7表明，随着施加载荷的减小，循环次数几乎呈单调增加，因此裂纹可能沿着接头界面扩展。此外，RSW连接的WB接头与RFSSW连接的WB接头相比，载荷与循环次数的关系斜率似乎相同。因此，在这两种接头中，裂纹似乎都在腐蚀疲劳过程中扩展到粘合界面内部，然后在RSW或RFSSW产生的直接接头界面周围突然断裂。此外，由于RSW连接的WB接头中的粘合界面面积比RFSSW连接的WB接头更宽（如图8所示），因此认为RSW连接的WB接头的耐腐蚀疲劳性能更好。换句话说，通过加宽粘合接头并缩小RFSSW产生的直接接头界面，可以改善RFSSW连接的WB接头的耐腐蚀疲劳性能。

图7：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
i-UHSS/创新Al-Mg WB接头的耐腐蚀疲劳性能

图8：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
施加载荷为7.0 kN后i-UHSS/创新Al-Mg WB接头的典型断裂表面

图9显示了仅通过RSW或RFSSW连接的i-UHSS/创新Al-Mg合金异种接头的疲劳性能，其中轴的最大值与图6相同。与图7中显示的焊接接头的结果相反，尽管随着载荷的减小循环次数单调增加，但RSW连接的异种接头的疲劳性能似乎比RFSSW连接的接头差。图10显示了施加载荷为4.0 kN后异种接头的典型断裂表面。该图表明，RFSSW接头的直接接头界面明显比RSW接头的宽，这可能是疲劳性能差异的原因。此外，由于RFSSW接头的载荷与循环次数的斜率比RSW接头更陡，因此RFSSW接头界面中的裂纹扩展阻力似乎大于RSW接头界面中的阻力。因为RSW是一种熔焊方式，而RFSSW是一种固态连接方式，RSW接头界面中的铁和铝之间的金属间化合物量可能比RFSSW接头界面中的更多，从而导致金属间化合物降解了裂纹扩展的阻力[15]。此外，从图7和图9的比较来看，仅通过RSW或RFSSW连接的异种接头的疲劳性能被认为比焊接接头更差，这种差异似乎支持了在RSW或RFSSW产生的直接接头界面周围粘合界面出现裂纹后的脆性断裂。

图9：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
i-UHSS/创新Al-Mg接头的拉伸剪切疲劳性能

图10：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
施加载荷为4.0 kN后i-UHSS/创新Al-Mg接头的典型断裂表面

图11绘制了UHSS/A5083P-O WB接头在加速腐蚀条件下的腐蚀疲劳测试结果。图12也总结了这些接头在施加载荷为6.0 kN后的典型断裂表面。与图7中显示的焊接接头的结果相反，尽管随着载荷的减小循环次数单调增加，但RSW连接的异种接头的疲劳性能似乎比RFSSW连接的接头差。图13通过将图7中的横轴最小值更改为图11中的值得到。从图11和图13的比较中发现，随着载荷的减小循环次数几乎呈单调增加，所有UHSS/A5083P-O WB接头的载荷与循环次数的关系斜率相同，这也与i-UHSS/创新Al-Mg合金异种接头的情况几乎相同。因此可以得出结论，在加速腐蚀条件下，UHSS/A5083P-O WB接头的裂纹会在粘合界面内部扩展。此外，图11和图12可能表明，粘合界面的面积控制了UHSS/A5083P-O WB接头的腐蚀疲劳性能顺序。即耐腐蚀疲劳性能的顺序为“RFSSW焊接接头、仅粘合接头和RSW焊接接头”。

图11：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
UHSS/A5083P-O WB接头的耐腐蚀疲劳性能

图12：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
施加载荷为6.0 kN后UHSS/A5083P-O WB接头的典型断裂表面

图13：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
（横向轴的最小值已从图7更改）

3.2 自然腐蚀条件下的腐蚀疲劳测试
图14和图15分别显示了通过RSW或RFSSW连接的i-UHSS/创新Al-Mg合金异种WB接头在自然腐蚀条件下的腐蚀疲劳测试结果。这些图中也绘制了加速腐蚀条件下的测试结果以进行比较。图16和图17分别总结了RSW和RFSSW WB接头在腐蚀疲劳测试后的典型断裂表面，其中施加载荷为7.0 kN。所有RFSSW WB接头都在整个重叠接头界面处断裂，而在某些RSW WB接头的情况下，裂纹在粘合界面内部扩展并进入铝合金中，而未断裂RSW WB接头界面（见图16c）。然后，无论腐蚀环境如何，RFSSW WB接头的载荷与循环次数的所有斜率似乎都相同，尽管自然腐蚀条件下的RSW WB接头的斜率被认为比加速腐蚀条件下的更陡。

图14：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
通过RSW连接的i-UHSS/创新Al-Mg WB接头的耐腐蚀疲劳性能

图15：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
通过RFSSW连接的i-UHSS/创新Al-Mg WB接头的耐腐蚀疲劳性能

图16：此图像的替代文本可能是使用AI生成的。
施加载荷为7.0 kN后通过RSW连接的i-UHSS/创新Al-Mg WB接头的典型断裂表面

如图上述部分所述，异种WB接头的耐腐蚀疲劳性能似乎受腐蚀环境中粘合界面裂纹扩展行为的控制，为了定量预测异种WB接头的腐蚀疲劳性能，必须研究粘合界面的腐蚀行为。然而，这种新型粘合剂是使用新型环氧树脂制成的，在开发过程中仅研究了粘合剂的静态机械性能。尽管如此，发现耐腐蚀疲劳性能的顺序为“加速腐蚀条件、日本宫岛的室外环境和空调室内的室内环境”。在这项研究中，加速腐蚀条件下的温度在60°C到40°C之间变化，而宫岛和空调室内的平均温度分别约为30°C和20°C。这些温度差异似乎与耐腐蚀性能的顺序相符。然而，由于加速腐蚀条件下使用了混合盐，并且日本宫岛是受盐分影响的地区之一，因此应该考虑盐分和湿度的影响，以揭示粘合界面中的裂纹扩展行为。接下来，作为后续工作，将研究 adhesive joint interface（粘合接头界面）的腐蚀疲劳行为。尽管 adhesive joint interface 中的裂纹扩展行为尚未被揭示，但可以得出结论，本研究中采用的加速腐蚀条件（表12）是评估高温高湿度气候下接头腐蚀疲劳特性的合适测试条件，因为如图14.4所示，无论腐蚀环境如何，RFSSW WB接头（电阻点焊和粘合剂连接的接头）的载荷与循环次数的关系曲线似乎都是相同的。

**结论：**

我们开发了一种新型的紧凑型剪切疲劳测试机，并将其安装在复合腐蚀测试设备中。研究了对钢/铝合金异种材料通过焊接和粘合剂连接的搭接接头的腐蚀疲劳特性。此外，这种紧凑型剪切疲劳测试装置还被放置在日本宫古岛的户外以及室内空调环境中，以验证在加速腐蚀环境下获得的腐蚀疲劳特性的可靠性。研究结论如下：

(1) 通过电阻点焊和粘合剂连接的异种材料搭接接头的腐蚀疲劳性能优于通过重新填充摩擦搅拌点焊和粘合剂连接的异种材料接头，这是因为搭接接头重叠区域中粘合剂界面的面积存在差异。

(2) 裂纹会在搭接接头的粘合剂界面处扩展，当裂纹扩展到由电阻点焊或重新填充摩擦搅拌点焊形成的直接接头接口周边时，搭接接头可能会突然断裂。因此，除了粘合剂连接方式外，无论采用何种连接方法，载荷与循环次数的关系曲线似乎都是相同的。作为未来的工作，应该研究 adhesive joint interface 的腐蚀疲劳行为。

(3) 在这种加速腐蚀条件下，即潮湿和干燥交替进行，并且每周两次喷洒混合盐15分钟，被认为是评估高温高湿度气候下搭接接头腐蚀疲劳特性的合适条件。