電子束焊工藝對304不銹鋼焊縫抗晶間腐蝕性能的影響

王永東,鐘慶東,任帥東

(1. 上海核工程研究設計院,上海 200233; 2. 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室,材料科學與工程學院,上海大學,上海 200072)

電子束焊工藝對304不銹鋼焊縫抗晶間腐蝕性能的影響

王永東1,鐘慶東2,任帥東2

(1. 上海核工程研究設計院,上海 200233; 2. 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室,材料科學與工程學院,上海大學,上海 200072)

采用3種不同的電子束焊接工藝焊接304不銹鋼，通過顯微組織觀察、XRD分析、極化曲線測試、動電位再活化 (EPR) 試驗研究了不銹鋼焊縫的抗晶間腐蝕性能。結果表明：減少焊接熱輸入量和添加熔入性焊絲這兩種方法都能減少電子束焊縫中鉻的碳化物的析出，降低焊縫的敏化度，提高焊縫的抗晶間腐蝕性能；與減少焊接熱輸入量相比，添加熔入性焊絲對晶間腐蝕的影響更大，焊縫抗晶間腐蝕性能提高更顯著。

304不銹鋼；電子束焊；晶間腐蝕；極化曲線；動電位再活化(EPR)

不銹鋼因為Cr、Ni等元素的加入，在表面形成一層比較致密的氧化膜，這種氧化膜在很多環境中都比較穩定，使得不銹鋼有很好的耐蝕性。304不銹鋼是目前市場上使用最廣泛的一種奧氏體不銹鋼，它有良好的耐蝕性、耐熱性及加工性能。但是304不銹鋼在450～850 ℃的敏化區間容易發生晶間腐蝕[1-5]。

比較常見的金屬材料的焊接方法有電阻焊、摩擦焊、氬弧焊以及電子束焊等[6-9]。其中電子束焊(electron beam welding，EBW)具有焊縫窄,熱影響區相對較小、深寬比大,焊接能量密度高及工藝參數穩定、易控制等優點[10-14]。電子束焊已經被應用于對焊接工藝穩定性、加工精度及表面完整性要求較高的航空、航天、核能及國防工業中。

國內對304不銹鋼晶間腐蝕的研究有很多，但是對核電站反應堆內304不銹鋼焊縫晶間腐蝕的研究相對較少。據報道，有些超超臨界鍋爐在試水壓階段,其焊縫就發生過晶間腐蝕[15-16]。因此,研究304不銹鋼焊縫的晶間腐蝕對核電站的建設與發展具有重要的意義。

本工作對304不銹鋼進行了電子束焊接，通過金相和X射線衍射(XRD)分析了焊縫的相與組織，通過極化曲線評價了304不銹鋼電子束焊縫的腐蝕情況，通過電化學動電位再活化法(electrochemical potentiokinetic reactivation，EPR)[17-18]定量評價了304不銹鋼電子束焊縫的晶間腐蝕敏感性，為304不銹鋼電子束焊接工藝的改善提供了參考。

1 試驗

1.1 焊接材料及工藝

焊接母材采用商用304不銹鋼，焊絲采用直徑為2.0 mm的ER308L不銹鋼焊絲。304不銹鋼及ER308L焊絲的化學成分采用SPECTROMAXxLMM16直讀光譜儀測得，結果見表1。

表1 304不銹鋼及ER308L焊絲的化學成分(質量分數)

采用不填絲電子束焊對304不銹鋼進行焊接，焊接參數見表2。另外，添加熔入性焊絲(如圖1所示)對304不銹鋼試樣進行焊接，得到焊接試樣3。焊接時，將直段焊絲點焊在坡口處，將試板放入真空室，焊接工藝參數同焊接試樣1的。

表2 電子束焊的焊接參數

圖1 填絲試驗Fig. 1 Wire filling test

1.2 電化學性能測試

電極制備方法：從3種焊接試樣的焊縫中間截取尺寸為10 mm×5 mm×2 mm的電極試樣；將電極試樣一端與銅線焊接作為導線，再固定于塑料短管內，然后將經充分攪拌的密封液注入短管內進行封裝。密封液用環氧樹脂與固化劑按4∶1質量比配制，封裝后電極的工作面積為50 mm2。

極化曲線測試采用CHI660C電化學工作站，腐蝕介質為3.5% NaCl(質量分數)溶液，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極，工作電極為上述焊接試樣制備的電極。

動電位再活化(EPR)試驗：將盛有500 mL電解液(0.5 mol/L H2SO4+0.01 mol/L KSCN)的五口瓶放入恒溫水浴槽中，設定溫度為30 ℃，待達到預設溫度后，將測試試樣放入電解液中浸泡約10 min測試開路電位；然后從開路電位以0.001 67 V/s掃描速率向陽極方向掃描，至選定的鈍化電位(0.3 V)后以相同速率回掃至開路電位，得到EPR曲線。從EPR曲線上可以得到正向極化時的電流峰值Ia和反向極化時的再活化電流峰值Ir。

1.3 顯微組織觀察及XRD分析

從3種焊接試樣的焊縫處取金相試樣，采用FeCl3+HCl腐蝕液腐蝕，然后在金相顯微鏡下觀察焊縫的組織。采用X射線衍射儀(XRD)分析焊縫的相組成。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出：304不銹鋼電子束焊縫的組織為鑄態組織，組織形態為胞狀枝晶，晶粒之間有明顯的寬而深的腐蝕溝且有條狀或塊狀析出物[19]，這些腐蝕溝沿晶界成網狀分布，為晶間腐蝕產生的腐蝕溝；比較晶粒尺寸發現，焊縫1、2、3的晶粒尺寸依次變小。晶粒越大，單位體積內的晶界面積越大，晶界處鉻的碳化物析出越多，造成鉻元素的偏聚，晶間腐蝕傾向加強[20]。所以焊縫1、2、3的晶間腐蝕傾向依次減弱。

2.2 XRD譜

(a) 焊縫1 (b) 焊縫2 (c) 焊縫3圖2 3種焊縫的顯微組織Fig. 2 Microstructure of three welds

為了更好地比較XRD譜中各相衍射峰的強弱，將每條曲線中的最強相(γ相)強度定義為1，其他相的強度進行歸一化處理，歸一化處理后3種焊縫的XRD譜，見圖3。從圖3可以看出：304不銹鋼電子束焊縫主要由γ相和碳化鉻(Cr23C6)組成，焊縫1的碳化鉻晶面衍射峰峰值最大，焊縫3的碳化鉻晶面衍射峰峰值最小。碳化鉻晶面衍射峰峰值越大，說明碳化鉻析出的量越多。碳化鉻的析出是因為Cr元素在晶界處與γ相中的C元素相互結合。焊縫2析出的碳化鉻量較焊縫1的少，說明電子束焊過程中降低熱輸入能夠阻礙焊縫處Cr元素與C元素的結合。同理，焊縫3析出的碳化鉻量較焊縫1的少，說明添加熔入性焊絲能夠阻礙焊縫處Cr元素與C元素的結合，且效果比降低熱輸入更明顯。

圖3 3種焊縫的XRD譜Fig. 3 XRD patterns of three welds

2.3 極化曲線

圖4為3種焊縫的極化曲線。表3為極化曲線中電化學參數的擬合結果。從圖4和表3可以發現，焊縫1、2、3的自腐蝕電位依次正移，自腐蝕電流密度依次減小。這表明減小熱輸入和添加熔入性焊絲都能提高304不銹鋼電子束焊縫的耐蝕性，且添加熔入性焊絲的焊縫的耐蝕性最好。

2.4 EPR試驗結果

圖4 3種焊縫的極化曲線Fig. 4 Polarization curves of three welds

表3 圖4中極化曲線的擬合結果

從圖5可以看到，3種焊縫EPR曲線的變化趨勢相似。陽極掃描時，3種焊縫的EPR曲線上都出現一個很明顯的電流峰。溶液中的H2SO4能促使不銹鋼表面生成一層鈍化膜。當電位升高，電流隨之減小，說明此時鈍化膜在不銹鋼表面逐漸生成;當電流不隨電位的升高而變化時，說明此時生成了一層致密完整的鈍化膜[21]。陰極掃描時，3種焊縫的EPR曲線上均出現了不同程度的再活化峰。溶液中的KSCN有去極化作用，能促使鈍化膜破裂，陰極掃描過程中出現再活化電流峰，說明之前形成的鈍化膜開始逐漸溶解[21]。根據貧鉻化理論，由于鉻的碳化物在晶界處析出，造成晶界處出現貧鉻區，而晶粒處于鈍態，這就形成了以晶粒為陰極，晶界為陽極的腐蝕電池，晶界貧鉻區發生陽極溶解，發生晶間腐蝕，不銹鋼的再鈍化能力也隨之大幅下降。此時電流峰的大小正好能夠反應測試試樣貧鉻區在溶液中的溶解程度。因此，從EPR曲線可知，3種304不銹鋼電子束焊縫的晶界處均出現了貧鉻現象，有晶間腐蝕傾向。

(a) 焊縫1 (b) 焊縫2 (c) 焊縫3圖5 3種焊縫的EPR曲線Fig. 5 EPR curves of three welds

將EPR曲線的陰極掃描的再活化電流峰值Ir及陽極掃描的電流峰值Ia的比值定義敏化度(DOS)。DOS值越大，表明材料越容易發生晶間腐蝕。通過計算得到3種焊縫的敏化度，見表4。從表4可以看到：焊縫1、2、3的敏化度DOS分別為14.47%，9.52%，8.01%。焊縫1的敏化度最大，說明它有很強的晶間腐蝕傾向；焊縫2的敏化度較焊縫1明顯減小，晶間腐蝕傾向減弱；焊縫3的敏化度最小，晶間腐蝕傾向也最弱。

表4 3種焊縫的敏化度

(a) 焊縫1 (b) 焊縫2 (c) 焊縫3圖6 EPR試驗后3種焊縫的顯微組織Fig. 6 Microstructure of three welds after EPR test

從圖6可以看到：EPR試驗后，3種焊縫的晶界出現較深的腐蝕溝槽，且溝槽連成一片，有些晶粒甚至整顆缺失，發生了晶間腐蝕。比較3種焊縫的腐蝕溝寬度可知，焊縫1、2、3的腐蝕溝寬度依次遞減，表明焊縫1、2、3的晶間腐蝕程度依次遞減。這與前面的敏化度結果一致。

由于焊接試樣2是在焊接試樣1的基礎上大幅減小了熱輸入量，使得焊縫的敏化溫度降低，在敏化溫度區間內停留的時間縮短，碳化鉻的析出量減少，所以焊縫及熱影響區的敏化度降低。從表2可以發現，焊接時熱輸入量減少，焊縫的熔深也隨之變淺，這直接影響了焊接的效果。焊縫3敏化度降低的主要原因是：熔入性焊絲中碳含量要遠低于母材的，焊縫的碳含量得到充分稀釋，減少了碳化物的析出，降低了晶間腐蝕的敏感性。

3 結論

(1) 采用3種不同的電子束焊工藝焊接的304不銹鋼焊縫為鑄態組織，組織形態為胞狀枝晶，有沿晶界成網狀分布的晶間腐蝕溝。添加熔入性焊絲的焊縫的晶粒尺寸最小，且碳化鉻析出量最少。

(2) 從極化曲線中可以看出，減小熱輸入和添加熔入性焊絲都能提高電子束焊縫的耐蝕性，且添加熔入性焊絲的焊縫耐蝕性最好。

(3) 添加熔入性焊絲后，焊縫的敏化度顯著降低，晶間腐蝕減弱。減小真空電子束焊的熱輸入量也能夠降低焊縫的敏化度，但是效果不如添加熔入性焊絲的效果顯著。

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Influence of Beam Welding Process on Intergranular Corrosion Resistance of 304 Stainless Steel Weld

WANG Yongdong1, ZHONG Qingdong2, REN Shuaidong2

(1. Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Special Steel, Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy, School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

304 stainless steel was welded by three different processes of electron beam welding. The intergranular corrosion resistance of the electron beam weld of 304 stainless steel was studied through microstructure observation, XRD analysis, polarization curve testing and electrokinetic potential reactivation (EPR) test. The results show that two methods, reducing the amount of heat input and adding fusing welding wire, can reduce the precipitation of chromium carbides in the electron beam weld, reduce the degree of sensitization and improve the intergranular corrosion resistance of the weld. Compared with reducing the amount of heat input, adding fusing welding wire had more influence on intergranular corrosion, and can more significantly improve the intergranular corrosion resistance of the weld.

304 stainless steel; electron beam welding; intergranular corrosion; polarization curve; electrokinetic potential reactivation (EPR)

10.11973/fsyfh-201708005

2016-05-12

南通市產學研協同創新計劃項目(BC2014010); 上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室開放課題基金資助(SELF-2015-01)

鐘慶東(1969-)，教授，博士，從事材料腐蝕與防護研究，13391312191，qdzhong@shu.edu.cn

TG172

A

1005-748X(2017)08-0593-05