异种铝合金GMAW与FSW接头力学性能及腐蚀疲劳特性的对比研究

针对船舶制造中异种铝合金焊接难题，研究人员对比研究了AA6061-T6/AA5083-H112的GMAW（气体保护金属极电弧焊）和FSW（搅拌摩擦焊）接头性能。结果表明，FSW接头在腐蚀环境中疲劳性能更优（腐蚀电流密度1.024 μA/cm2），GMAW接头强度更高（199.4 MPa）。该研究为海洋工程焊接工艺选择提供了重要依据。

　　

在船舶和海洋工程领域，5XXX和6XXX系列铝合金的焊接一直是技术难点。AA5083-H112（非热处理强化Al-Mg合金）与AA6061-T6（热处理强化Al-Mg-Si合金）因性能互补常需异种焊接，但两者在冶金、物理和化学性质上的差异导致传统焊接易出现强度下降、腐蚀敏感等问题。目前主流的气体保护金属极电弧焊（GMAW）虽效率高，但熔焊过程产生的粗大枝晶组织和残余应力影响性能；而新兴的搅拌摩擦焊（FSW）作为固态焊接技术，虽能避免熔焊缺陷，但存在材料混合不均的"吻接"（kissing bond）风险。究竟哪种工艺更适合海洋环境应用？印度尼西亚加查马达大学的Mochammad Noer Ilman团队在《Next Materials》发表的研究给出了答案。

研究采用中子衍射残余应力分析、电化学腐蚀测试和疲劳裂纹扩展实验等关键技术，对3 mm厚AA6061-T6/AA5083-H112板材的GMAW与FSW接头进行系统对比。GMAW使用ER5356焊丝（直径0.8 mm），FSW采用H13钢工具（转速1500 rpm）。通过建立等热输入条件（GMAW高热输入+高速焊接 vs FSW低热输入+低速焊接），排除了热影响变量。

【微观结构】FSW接头焊核区（WNZ）呈现6061-T6（暗区）与5083-H112（亮区）未完全混合的层状结构，平均晶粒尺寸9.21μm；GMAW接头则为均匀的α-Al枝晶组织，但存在粗大柱状晶（热导率差异导致5083侧晶粒更粗大）。

【力学性能】GMAW接头强度（199.4±14.8 MPa）显著高于FSW（175.1±3.0 MPa），但后者数据离散性更小。断裂均呈45°剪切特征，FSW断裂发生于6061-T6侧热机械影响区（TMAZ），与β相(Mg₂Si)粗化导致的软化有关。

【残余应力】GMAW接头呈现M型纵向应力分布（HAZ峰值达120 MPa），FSW为经典W型分布。5083-H112侧应力始终高于6061-T6侧，源于其更低的热导率（80-140 W/m·K vs 200-220 W/m·K）和更高热膨胀系数。

【腐蚀行为】FSW接头腐蚀电流密度（1.024 μA/cm²）低于GMAW（1.175 μA/cm²），腐蚀电位更高（-605.0 mV vs -647.1 mV），归因于更稳定的钝化膜形成能力。

【疲劳性能】干燥环境中两者疲劳裂纹扩展速率（FCGR）相当，但3.5% NaCl溶液中FSW表现更优（ΔK>5 MPa√m时FCGR降低）。SEM显示GMAW断口被Mg/Na/Cl腐蚀产物覆盖，而FSW断口保留明显疲劳辉纹，证实其抗腐蚀疲劳优势。

该研究首次揭示了异种铝合金FSW接头在腐蚀环境中的性能优势机制：细晶组织（ASTM 13.17级）结合低残余应力（WNZ区<50 MPa）和稳定钝化膜，有效抑制了氢脆和阳极溶解。尽管GMAW在静态强度上占优，但FSW更适用于海洋动态载荷场景。研究为船舶焊接工艺选择提供了量化依据，同时指出通过优化FSW工艺参数（如工具几何形状）可进一步改善材料混合均匀性，这将成为未来研究重点。