Microstructure and corrosion resistance analysis of aluminum/steel "arc+ friction stir" hybrid additive manufacturing
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摘要: 为了实现铝/钢复合结构的灵活制造，提出了“电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造的新方法，即先利用旁路分流熔化极惰性气体保护焊在镀锌的Q235钢表面沉积一层薄的铝合金过渡层，再搅拌摩擦增材制造过渡层和6061铝合金. 在电弧沉积过渡层过程中，镀锌层和旁路电弧促进了液滴在钢表面的润湿性和铺展性，获得了平整的表面成形，随后的搅拌摩擦增材制造过程消除了过渡层的气孔和裂纹缺陷，获得了表面成形良好且无缺陷的铝/钢复合结构. 研究了不同焊丝成分(Al-Si，Al-Mg)对铝/钢复合结构的组织和耐腐蚀性能影响,结果表明，焊丝成分不会影响焊缝成形，但会影响界面金属间化合物层厚度，Al-Si焊丝的Si元素偏聚在铝/钢界面层附近，可以有效阻止Fe，Al元素的相互扩散, 减少金属间化合物的产生.同时填充Al-Si焊丝的铝/钢结构耐腐蚀性好于填充Al-Mg焊丝，这是因为受到界面层金属间化合物的影响，金属间化合物会和基体发生电偶腐蚀，优先腐蚀铝基体，降低铝/钢复合结构耐腐蚀性能.Abstract: In order to realize the manufacturing of aluminum-steel composite structures, this study proposed a new method of "arc + friction stir" hybrid additive manufacturing. First, BC-MIG welding is applied to deposit a thin transition layer of aluminum alloy on the surface of galvanized Q235 steel, and after which the transition layer and the the 6061 aluminum alloy is produced by friction stir additive manufacturing. During the arc deposition of the transition layer, the galvanized layer and the bypass arc have promoted the wetting and spreading of droplets on the steel surface, thus help to form a flat surface.The subsequent friction stir additive manufacturing process eliminated porosity and cracks in the transition layer and brought about a well-formed and defect-free aluminum-steel composite structure.The effects of different wire compositions (Al-Si and Al-Mg) on the microstructure and corrosion resistance of Al-steel composite structures were investigated.The results showed that the wire composition, instead of affecting the weld formation, will affect the thickness of the Fe-Al intermetallic compounds layer at the interface. Besides, the corrosion resistance of Al-steel structures filled with Al-Si wire is better than that with Al-Mg wire, as galvanic corroion will occur among the intermetallic compounds at the interface, while the substrate is tend to be corroded first, so that the corrosion resistance of the Al-steel composite structure is decreased.
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0. 序言
近年来，增材制造由于具有低成本、高效率和灵活性的优势已成为机械科学领域的研究热点[1].现有的增材制造技术主要用于制造单种材料结构件，而关于异种材料增材制造技术的研究尚不多见[2].目前，在汽车、舰船、航空航天和轨道交通等领域采用单种材料成形的传统零件已经不能满足一些应用需求，迫切需要具有结构功能一体化、轻量化的多金属复合材料[3-4].低比重、低密度、高耐腐蚀性能的铝与高强度、高抗蠕变性能的钢相结合，可以充分利用异种金属的优势，在保证组件性能的同时达到减轻重量的目的[5-6].然而，铝/钢的物理性能差异和脆性金属间化合物层的形成，极大降低了铝/钢复合结构的强度[7].除了强度，耐腐蚀性也是评价焊接接头性能的重要指标之一[8].对于铝/钢复合结构，最常见的腐蚀模式是铝与钢的电偶腐蚀、铝合金与焊缝中第二相的局部腐蚀[9].此外，铝和钢焊接产生的多种铁/铝金属间化合物，如FeAl3，Fe2Al5和Fe4Al13等，会恶化接头的力学性能并与基体发生电偶腐蚀[10-11].较厚的金属间化合物层会促进相邻焊缝金属的溶解，从而降低接头的耐腐蚀性能.
为保证铝/钢异种金属复合结构的可靠性，首先要控制界面层金属间化合物的生长，国内外研究重点主要在控制焊接过程的热输入.旁路分流熔化极惰性气体保护焊(bypass current metal inert gas welding，BC-MIG焊)可以有效降低母材热输入，减少钢的熔化，极大地降低焊接过程中金属间化合物层厚度[12].冷金属过渡(cold metal transfer，CMT)焊接技术具有热输入低的优点，焊接过程中金属间化合物层厚可以控制在10 μm以内[13]. 然而，在铝/钢异种金属增材制造过程中，铝合金的逐层沉积过程会产生大量的热积累，导致界面层金属间化合物层厚度难以控制.搅拌摩擦焊(friction stir welding，FSW)作为一种固态焊接方法可以在相对较低的温度下进行，热循环短，可以降低金属间化合物厚度[14].但是，由于钢的硬度较高，搅拌针在插入钢中后磨损严重，不仅会提高生产成本，也会导致搅拌针损耗的材料留在焊缝中，影响焊缝性能.为了解决钢对搅拌针的磨损问题，提出了“电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造的新方法，即先利用BC-MIG焊在Q235钢表面沉积一层薄的铝合金过渡层，再利用搅拌摩擦增材技术将6061铝合金板与铝过渡层进行增材制造.过渡层材料是影响复合结构性能的主要变量，通过选用ER4043和ER5183两种常用焊丝制备铝/钢复合结构的过渡层的方法，探究两种不同焊丝对铝/钢复合结构微观组织和耐腐蚀性能的影响，为异种材料增材制造技术在汽车、航空航天等领域的应用提供理论依据和实践指导.
1. 试验方法
试验所用板材是Q235钢和AA6061铝合金，板材尺寸为200 mm × 50 mm × 3 mm，其化学成分见表1.采用直径为1.2 mm的ER4043和ER5183铝合金焊丝作为堆焊过渡层的丝材，其化学成分见表2. 试验前对Q235钢板表面进行热镀锌处理，镀锌层可以提高铝合金在钢表面的润湿性.
表 1 板材的化学成分(质量分数，%)Table 1. Chemical compositions of plate materials板材 C Si Mn Cr P Fe Mg Cu Al AA6061 0 0.5 0.15 0.04 0 0.7 1.0 0.25 余量 Q235 0.12 ~ 0.2 0.22 0.48 0.18 ≤0.045 余量 — — — 表 2 丝材的化学成分(质量分数，%)Table 2. Chemical compositions of wire materials丝材 Si Fe Cu Mg Mn Ti Zn Al ER4043 5.0 0.8 0.3 0.05 0.05 0.15 0.1 余量 ER5183 0.4 0.4 0.1 4.90 0.75 0.15 0.2 余量 图1展示了“电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢过程.该过程主要分为两个步骤，首先，通过BC-MIG焊在镀锌钢的表面电弧增材制造一层薄的铝合金过渡层. 表3为焊接工艺参数，焊接过程的保护气为氩气(99.9%). 采用BC-MIG焊来减少母材的热输入，从而有效降低铝/钢界面的金属间化合物层厚度.水冷板提高了焊接冷却率，以减少Fe，Al元素的相互扩散率.熔化极惰性气体保护焊(metal inert gas welding， MIG焊)焊枪与基体成60°，钨极惰性气体保护焊(tungsten inert gas welding，TIG焊)焊枪与基体成30°，并与MIG焊焊枪垂直，这使得更多的TIG焊电弧热量可以熔化焊丝而不是基体金属.焊接过程中，流经焊丝的总电流为MIG焊电流和TIG焊电流之和.此外，在MIG电弧之前的旁路电弧可以预热钢板，以减少液态铝在钢母材的表面张力，从而改善润湿性和铺展性；其次，将Q235钢表面的过渡层铣平至1 mm厚，然后搅拌摩擦增材制造铝/钢异种金属.表4为FSW工艺参数.在搅拌摩擦增材过程中，相邻焊道的偏移量为3.2 mm，略小于搅拌针顶部长度，保证过渡层和铝板完全混合.采用较低的转速和较高的焊接速度以减少焊接过程中的热输入，从而避免促进铝/钢界面金属间化合物生长.此外，搅拌针仅插入过渡层而不插入钢板，避免搅拌针的磨损.
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图 1 “电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造示意图Figure 1. Schematic diagram of “arc + friction stir” hybrid additive manufacturing表 3 BC-MIG焊工艺参数Table 3. Process parameters of BC-MIG welding总焊接电流
I/AMIG焊电流
Im /A旁路TIG焊
电流It /ABC-MIG焊焊接
速度v1 /(m·min−1)保护气体流量Q/(L·min−1) MIG导电嘴
高度h1/mm钨极高度
h2/mmMIG焊电弧
电压U/VMIG焊 TIG焊 70 45 25 0.8 15 5 8 5 17 表 4 FSW工艺参数Table 4. Process parameters of friction stir welding焊接速度
v/(m·min−1)转速
n/(r·min−1)搅拌针长度
L/mm轴肩下压量
P/mm轴肩直径
D1/mm搅拌针根部
直径D2/mm搅拌针顶部
直径D3/mm搅拌针倾角
θ/(°)焊接道数
N/道120 800 3.4 0.2 14 4 3.3 2.5 3 通过线切割制作垂直于焊接方向的金相试样.使用Olympus DSX510型3D超景深光学显微镜(optical microscope， OM)观察焊缝截面的宏观形貌和微观组织.通过配备能量色散光谱仪(energy dispersive spectrometer， EDS)的Zeiss-Merlin Compact型扫描电子显微镜(scanning electron microscope， SEM)进一步观察铝/钢界面层.分析铝/钢复合结构不同区域的耐腐蚀性能，截取面积为10 mm × 3 mm的铝侧、钢侧和铝/钢界面侧，使用CS310H电化学工作站测量接头的开路电位、极化曲线和电化学阻抗.采用三电极工作系统，包括辅助电极(铂对电极)、参比电极(饱和甘汞电极，SCE)和工作电极，并在测试完成后观察接头的腐蚀形貌.
2. 试验结果与分析
2.1 表面形貌
图2为两种焊丝在不同工艺过程的的焊缝表面形貌.图2a和2b分别为电弧增材制造Al-Si和Al-Mg过渡层的表面形貌，焊缝表面形貌几乎相同，表明焊丝成分对铝合金电弧增材制造过渡层形貌影响较小.过渡层表面平整且飞溅较少，这主要归因于旁路电弧提高了熔滴过渡的稳定性和熔滴在镀锌钢表面的润湿性和铺展性[15].此外，镀锌层也有助于熔滴在钢表面铺展.图2c为Al-Si表面铣平后的过渡层形貌，过渡层的表面平整性可以提高铣平后的厚度.图2d为搅拌摩擦增材制造铝/钢复合结构的表面形貌，焊缝表面成形良好，没有观察到空隙、隧道和沟槽等缺陷.由于采用两种不同焊丝的过渡层在搅拌摩擦焊后外观没有区别，因此没给出对Al-Mg过渡层搅拌摩擦后的表面形貌.
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图 2 “电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢结构的表面形貌Figure 2. Surface morphology of aluminum/steel structures fabricated by “arc + friction stir” hybrid additive manufacturing. (a) Al-Si transition layer; (b) Al-Mg transition layer; (c) transition layer after surface milling; (d) friction stir additive manufacturing aluminum-steel composite structure2.2 微观组织
图3为搅拌摩擦增材制造前后结构横截面形貌.从图3a和图3b可以看出，Al-Si过渡层主要是气孔缺陷，包括形状规则的单个圆形氢气孔和形状不规则的凝固空隙.氢气孔主要是由于焊缝冷却速度较快，过饱和的氢析出而形成的.凝固空隙通常是由凝固收缩或相和枝晶壁之间的界面供液不足引起的.而Al-Mg过渡层除孔隙缺陷外，还有裂纹缺陷.由于Al-Mg二元合金凝固范围较Al-Si二元合金更宽，宽的凝固范围会进一步导致晶间空隙的供液不足，产生凝固裂纹.但是，过渡层的裂纹和气孔缺陷在搅拌摩擦增材制造后被消除，这可以归因于搅拌头在高速旋转和推进的作用下，对铝合金进行了机械搅拌.这种机械搅拌的作用使得原有的裂纹和气孔被彻底分散和破碎，使缺陷得到有效消除，如图3c所示.
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图 3 搅拌摩擦增材制造前后横截面形貌Figure 3. Cross-sectional morphology of the structure before and after friction stir additive manufacturing. (a) Al-Si transition layer; (b) Al-Mg transition layer; (c) aluminum/steel composite structures fabricated by friction stir additive manufacturing图4为“电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢界面层微观组织.图4a为使用Al-Si焊丝的铝/钢(4043)界面微观组织.Al和Fe元素通过热输入相互扩散，生成Al-Fe金属间化合物，形成薄的金属间化合物层.在电弧增材制造过程中，界面层上方为Si与Al形成的α-Al固溶体和Al-Si共晶网状组织.图4b为用Al-Mg焊丝的铝/钢(5183)界面微观组织，与铝/钢(4043)相比，界面层上方组织变化较小，但金属间化合物层比铝/钢(4043)厚.
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图 4 “电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢的界面微观组织Figure 4. Microstructure of aluminum-steel interface by “arc + friction stir” hybrid additive manufacturing. (a) aluminum/steel(4043); (b) aluminum/steel(5183)图5为铝/钢界面的SEM形貌和EDS扫描结果.可以明显看到Fe，Al元素的相互扩散，随着扩散距离的增加，元素含量逐渐降低并趋近于0.由于钢几乎没有熔化，在钢侧没有观察到铝的分布，而Fe元素在Al侧部分区域富集.Zn元素含量较低，这是由于Zn的熔点低，焊接过程中镀锌层大量挥发.图5a和图5b分别为铝/钢(4043)的界面SEM形貌和EDS扫描结果，界面层元素变化范围很窄，扩散层厚度较窄，铁/铝金属间化合物层厚度都在1 μm以内. Si元素在界面层明显偏聚，阻止了Fe，Al元素的相互扩散.图5c和图5d分别为铝/钢(5183)的界面SEM形貌和EDS扫描结果，界面层元素变化范围比用Al-Si焊丝更宽，铁/铝金属间化合物层明显变厚，除了致密的金属间化合物层外，还形成了条状的铁/铝金属间化合物.对图5中标记的A ~ G点进行了点扫描，分析相成分，扫描结果如表5所示.B和G点上铁原子和铝原子的摩尔比例接近2∶5，这表明靠近钢侧的致密金属间化合物是Fe2Al5相.A，D和F点上的铁原子和铝原子的摩尔比例接近1∶3，这表明条纹状的铁/铝金属间化合物是FeAl3相.当液态铝接触钢表面时，Fe原子不断扩散进入Al中，Fe2Al5自由能最低，优先形核生成.而远离钢表面的铝原子比例更高，生成了FeAl3相.
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图 5 SEM形貌与EDS扫描结果Figure 5. SEM morphology and EDS scanning results. (a) SEM morphology of aluminum/steel (4043); (b) elements distribution of aluminum/steel (4043); (c) SEM morphology of aluminum/steel (5183); (d) elements distribution of aluminum/steel (5183)表 5 图5标记点的化学成分和可能的相Table 5. Chemical compositions and possible phases of the marked points in Fig.5测试点 化学成分(原子分数，%) 可能相 Fe Al Si Mg A 22.54 72.57 3.25 — FeAl3 B 27.55 68.46 1.80 — Fe2Al5 C 98.6 — 0.43 — Fe D 24.04 74.35 — 1.4 FeAl3 E 3.20 93.50 — 3.1 Al F 25.84 70.35 — 2.2 FeAl3 G 29.34 68.30 — 1.5 Fe2Al5 2.3 电化学腐蚀分析
2.3.1 开路电位与极化曲线
图6 为不同材料在3.5%的NaCl溶液中的开路电位随时间变化的曲线.从图6可以看出，钢的开路电位随时间增加逐渐下降，表明腐蚀倾向性提高.铝合金的开路电位随时间增加略微上升，这是由于随时间增加铝合金表面产生了氧化膜，表面腐蚀倾向性降低.铝/钢复合结构的开路电位在0 ~ 300 s内略微上升，在300 s后明显稳定.
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图 6 不同材料开路电位测试结果Figure 6. Open-circuit potential test results for different materials图7为不同材料在3.5%NaCl溶液中的极化曲线.表6为对应的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度.可以看出钢的腐蚀电位最高，铝合金的腐蚀电位最低，铝/钢复合结构的腐蚀电位在铝合金与钢之间.与钢相比，铝合金和铝/钢复合结构都在阳极区出现钝化区，其中铝合金的钝化区最宽，铝/钢(4043)的钝化区略低于铝/钢(5183)，这是由于ER5183焊丝中的Mg在腐蚀过程也会形成氧化膜.但是，铝和钢的自腐蚀电位相差较大，铝/钢复合结构发生电偶腐蚀会导致铝侧表面氧化膜的溶解破坏速率高于单一铝合金.
表 6 不同材料的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度Table 6. Self-corrosion potential and self-corrosion current density of different materials试样 自腐蚀电位Ecorr/V 自腐蚀电流密度i/(10−7A·cm−2) 钢 −0.455 8.125 铝合金 −1.150 0.395 铝/钢(4043) −0.760 5.130 铝/钢(5183) −0.792 7.590 铝/钢复合结构的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度介于铝合金和钢之间，其中铝/钢(4043)的自腐蚀电位更高且自腐蚀电流密度更低.这是由于铝/钢(5183)界面金属间化合物层更厚，大量金属间化合物会与基体形成电偶腐蚀，加速铝/钢界面附近材料溶解，降低结构耐腐蚀性能[8].此外，铝/钢复合结构的自腐蚀电流与钢的自腐蚀电流接近，表明铝/钢复合结构腐蚀速率主要受钢的腐蚀速率控制.
2.3.2 电化学阻抗
为了了解腐蚀产物在腐蚀过程中的作用，在3.5%NaCl溶液中进行了电化学阻抗测试.图8为不同材料的Nyquist图.钢在测试期间展示出一个容抗弧，铝合金展示出一个容抗弧和一个Warburg阻抗，铝/钢复合结构展示出两个容抗弧.不同材料在高频容抗弧的变化较小，高频容抗弧为电荷转移电阻与双层电容并联的法拉第阻抗.而材料在低频部分差异较大，归因于电极表面吸附物质的弛豫过程或腐蚀坑的形成.铝合金由于焊接过程中产生了致密的氧化膜，阻止了材料电荷转移内阻，材料的阻抗变为Warburg扩散阻抗.铝/钢复合结构在低频部分形成了一个新的容抗弧，这是由于铝/钢复合结构的电偶腐蚀，铝合金表面氧化膜快速溶解后又再生成新的氧化膜，腐蚀过程发生了转变.
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图 8 不同材料电化学阻抗测试结果Figure 8. Electrochemical resistance test results for different materials根据焊接接头不同部位的电化学阻抗谱(EIS)特征，通过Zsimpwin软件拟合等效电路，进一步定量阐明腐蚀机理，如图9所示，拟合结果如表7和表8所示.n为常相位角元件Q的偏差参数，n接近1代表是电容元件[16]. Rs，Rct和Qdl分别是指电解质/基板表面的溶液电阻、电荷转移电阻和双层电容.Rf和Qf代表腐蚀产物膜的电阻和电容.W是Warburg阻抗.为了比较EIS测量结果并进一步分析腐蚀过程，将Rs，Rct，Rf和W的总和进行了计算，确定不同材料的总电阻，由总电阻大到小的排列顺序为铝合金、铝/钢(4043)、铝/钢(5183)、钢，总电阻越高表明接头的耐腐蚀性能越好，这与极化曲线测得的腐蚀电流密度结果一致.
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图 9 不同材料的拟合等效电路图Figure 9. Fitting equivalent circuit diagram for different materials. (a) Al alloy; (b) steel; (c) aluminum/steel composite structure表 7 使用不同焊丝的铝/钢结构EIS数据拟合结果Table 7. Fitting results of EIS data for aluminum-steel structures using different welding wires填充焊丝
型号溶液电阻
Rs /Ω电荷转移电阻
Rct /Ω双层电容
Qd1 /μF偏差参数1
n1腐蚀产物膜电阻
Rf /Ω腐蚀产物膜电容
Qf /mF偏差参数2
n2ER4043 22.54 1 174 7.37 0.81 1 124 5.52 0.84 ER5183 22 867 7.90 0.80 971 4.70 0.81 表 8 铝合金和钢的EIS数据拟合结果Table 8. Fitting results of EIS data for aluminum and steel base materials试样 溶液电阻
Rs /Ω电荷转移电阻
Rct /Ω双层电容
Qd1 /μF偏差参数
N钢 21.64 1 439 320 0.76 铝合金 21.67 1 661 54.3 0.81 2.3.3 腐蚀后界面层组织
图10为EIS测量后铝/钢复合结构的微观组织.复合结构的铝侧均为点蚀，远离界面层的钢侧为晶间腐蚀和全面腐蚀，界面层附近的钢侧几乎没有腐蚀，这是由于界面层附近铝合金对钢形成了保护，界面层附近的铝腐蚀明显加重，发生了全面腐蚀和晶间腐蚀.其中，铝/钢(5183)比铝/钢(4043)在铝/钢界面层附近腐蚀明显加重，这是由于大量的金属间化合物和铝基体之间形成了电偶腐蚀，进一步加速了铝基体的腐蚀.
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图 10 EIS测量后铝/钢复合结构的微观组织Figure 10. Microstructure of aluminum/steel composite structure after EIS measurement. (a) Al alloy interface; (b) steel interface; (c) aluminum/steel(4043) interface; (d) aluminum/steel(5183) interface3. 结论
(1)采用“电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造的方式，获得了成形良好的铝/钢复合结构，既控制了铝/钢电弧增材制造界面层的厚度，又避免了铝/钢搅拌摩擦增材过程中搅拌针的磨损.
(2)与使用Al-Mg焊丝相比，使用Al-Si焊丝铝/钢复合结构具有更薄的金属间化合物层，这归因于高熔点的Si偏聚在铝/钢界面层附近，阻止了Fe，Al元素的相互扩散，降低了界面金属间化合物层厚度.
(3)腐蚀的极化曲线和电化学阻抗谱表明，与使用Al-Mg焊丝相比，使用Al-Si焊丝的铝/钢复合结构腐蚀电位更高，腐蚀电流更低，总电阻更高，表明Al-Si焊丝具有更好的耐腐蚀性能，这是因为界面层金属间化合物会和基体发生电偶腐蚀，加速铝/钢结构腐蚀速率，并优先腐蚀铝基体.
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图 1 “电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造示意图
Figure 1. Schematic diagram of “arc + friction stir” hybrid additive manufacturing
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图 2 “电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢结构的表面形貌
Figure 2. Surface morphology of aluminum/steel structures fabricated by “arc + friction stir” hybrid additive manufacturing. (a) Al-Si transition layer; (b) Al-Mg transition layer; (c) transition layer after surface milling; (d) friction stir additive manufacturing aluminum-steel composite structure
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图 3 搅拌摩擦增材制造前后横截面形貌
Figure 3. Cross-sectional morphology of the structure before and after friction stir additive manufacturing. (a) Al-Si transition layer; (b) Al-Mg transition layer; (c) aluminum/steel composite structures fabricated by friction stir additive manufacturing
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图 4 “电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢的界面微观组织
Figure 4. Microstructure of aluminum-steel interface by “arc + friction stir” hybrid additive manufacturing. (a) aluminum/steel(4043); (b) aluminum/steel(5183)
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图 5 SEM形貌与EDS扫描结果
Figure 5. SEM morphology and EDS scanning results. (a) SEM morphology of aluminum/steel (4043); (b) elements distribution of aluminum/steel (4043); (c) SEM morphology of aluminum/steel (5183); (d) elements distribution of aluminum/steel (5183)
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图 6 不同材料开路电位测试结果
Figure 6. Open-circuit potential test results for different materials
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图 8 不同材料电化学阻抗测试结果
Figure 8. Electrochemical resistance test results for different materials
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图 9 不同材料的拟合等效电路图
Figure 9. Fitting equivalent circuit diagram for different materials. (a) Al alloy; (b) steel; (c) aluminum/steel composite structure
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图 10 EIS测量后铝/钢复合结构的微观组织
Figure 10. Microstructure of aluminum/steel composite structure after EIS measurement. (a) Al alloy interface; (b) steel interface; (c) aluminum/steel(4043) interface; (d) aluminum/steel(5183) interface
表 1 板材的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of plate materials
板材 C Si Mn Cr P Fe Mg Cu Al AA6061 0 0.5 0.15 0.04 0 0.7 1.0 0.25 余量 Q235 0.12 ~ 0.2 0.22 0.48 0.18 ≤0.045 余量 — — — 
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表 2 丝材的化学成分(质量分数，%)
Table 2 Chemical compositions of wire materials
丝材 Si Fe Cu Mg Mn Ti Zn Al ER4043 5.0 0.8 0.3 0.05 0.05 0.15 0.1 余量 ER5183 0.4 0.4 0.1 4.90 0.75 0.15 0.2 余量
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表 3 BC-MIG焊工艺参数
Table 3 Process parameters of BC-MIG welding
总焊接电流
I/AMIG焊电流
Im /A旁路TIG焊
电流It /ABC-MIG焊焊接
速度v1 /(m·min−1)保护气体流量Q/(L·min−1) MIG导电嘴
高度h1/mm钨极高度
h2/mmMIG焊电弧
电压U/VMIG焊 TIG焊 70 45 25 0.8 15 5 8 5 17
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表 4 FSW工艺参数
Table 4 Process parameters of friction stir welding
焊接速度
v/(m·min−1)转速
n/(r·min−1)搅拌针长度
L/mm轴肩下压量
P/mm轴肩直径
D1/mm搅拌针根部
直径D2/mm搅拌针顶部
直径D3/mm搅拌针倾角
θ/(°)焊接道数
N/道120 800 3.4 0.2 14 4 3.3 2.5 3
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表 5 图5标记点的化学成分和可能的相
Table 5 Chemical compositions and possible phases of the marked points in Fig.5
测试点 化学成分(原子分数，%) 可能相 Fe Al Si Mg A 22.54 72.57 3.25 — FeAl3 B 27.55 68.46 1.80 — Fe2Al5 C 98.6 — 0.43 — Fe D 24.04 74.35 — 1.4 FeAl3 E 3.20 93.50 — 3.1 Al F 25.84 70.35 — 2.2 FeAl3 G 29.34 68.30 — 1.5 Fe2Al5
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表 6 不同材料的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度
Table 6 Self-corrosion potential and self-corrosion current density of different materials
试样 自腐蚀电位Ecorr/V 自腐蚀电流密度i/(10−7A·cm−2) 钢 −0.455 8.125 铝合金 −1.150 0.395 铝/钢(4043) −0.760 5.130 铝/钢(5183) −0.792 7.590
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表 7 使用不同焊丝的铝/钢结构EIS数据拟合结果
Table 7 Fitting results of EIS data for aluminum-steel structures using different welding wires
填充焊丝
型号溶液电阻
Rs /Ω电荷转移电阻
Rct /Ω双层电容
Qd1 /μF偏差参数1
n1腐蚀产物膜电阻
Rf /Ω腐蚀产物膜电容
Qf /mF偏差参数2
n2ER4043 22.54 1 174 7.37 0.81 1 124 5.52 0.84 ER5183 22 867 7.90 0.80 971 4.70 0.81
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表 8 铝合金和钢的EIS数据拟合结果
Table 8 Fitting results of EIS data for aluminum and steel base materials
试样 溶液电阻
Rs /Ω电荷转移电阻
Rct /Ω双层电容
Qd1 /μF偏差参数
N钢 21.64 1 439 320 0.76 铝合金 21.67 1 661 54.3 0.81
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