藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊接2205不銹鋼焊縫的組織與耐腐蝕性能

張瑩瑩,2，劉政軍，張 琨

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；2.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，撫順 113001)

0 引 言

雙相不銹鋼主要由各約占50%的鐵素體和奧氏體兩相組成，不僅具有奧氏體不銹鋼的優(yōu)良力學(xué)性能，還具有鐵素體不銹鋼的優(yōu)良耐腐蝕性能[1]。石油化工行業(yè)因腐蝕環(huán)境復(fù)雜而對(duì)材料的性能要求甚為嚴(yán)格，因此在該行業(yè)雙相不銹鋼部分取代了傳統(tǒng)316L奧氏體不銹鋼得到了應(yīng)用[2]。設(shè)備的制造連接離不開焊接技術(shù)，優(yōu)良的焊接接頭是保證石油化工設(shè)備長(zhǎng)期安全有效工作的必要條件。雙相不銹鋼焊接接頭的應(yīng)用關(guān)鍵在于應(yīng)具有良好的耐腐蝕能力[3-7]。為保證焊接接頭與母材的耐腐蝕能力相當(dāng)，焊縫處鐵素體和奧氏體的比例盡可能達(dá)到1∶1。但是，制定合理的焊接工藝具有一定的難度[8-9]。

藥芯焊絲氣體保護(hù)焊相對(duì)于手工焊、實(shí)心焊絲氣體保護(hù)焊具有焊接工藝適應(yīng)性強(qiáng)、熔敷率高、熔深大、焊縫質(zhì)量好、飛濺率低等優(yōu)點(diǎn)。藥芯焊絲的藥芯成分起造渣劑和脫氧劑作用，與保護(hù)氣體實(shí)現(xiàn)“渣-氣”聯(lián)合保護(hù)。通過(guò)調(diào)節(jié)藥芯中合金元素的含量可以最大程度地使焊縫金屬達(dá)到力學(xué)性能及工藝性能要求。已有學(xué)者通過(guò)改變藥芯中合金元素含量調(diào)整了焊縫組織中鐵素體與奧氏體的比例，研制出了具有優(yōu)良耐點(diǎn)腐蝕性能和力學(xué)性能的雙相不銹鋼藥芯焊絲[10-12]。張敏等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)藥芯焊絲中鎳、鉻質(zhì)量比增大時(shí)，雙相不銹鋼焊縫中奧氏體相增多且尺寸增大，鐵素體相減少；不添加鎳、鉻元素時(shí)，焊縫的強(qiáng)度最高、沖擊功最小、塑性較差。藥芯焊絲是未來(lái)焊接材料發(fā)展的一個(gè)重要方向，故作者以化工行業(yè)常用的2205雙相不銹鋼為研究對(duì)象，選用經(jīng)焊接評(píng)定試驗(yàn)確定的一組優(yōu)化焊接參數(shù)對(duì)其進(jìn)行了藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊接試驗(yàn)，采用化學(xué)浸泡法和電化學(xué)試驗(yàn)對(duì)焊縫和母材的耐腐蝕性能進(jìn)行了研究，以期為雙相不銹鋼藥芯焊絲焊接研究提供一定的理論支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)?zāi)覆臑榻?jīng)濃硫酸混合試劑酸洗后的固溶態(tài)2205雙相不銹鋼板，尺寸為300 mm×100 mm×10 mm。焊接材料為直徑1.2 mm的E2209T1-1藥芯焊絲。母材及藥芯焊絲的化學(xué)成分分別如表1和表2所示。

采用100%CO2作為保護(hù)氣體，使用Panasonic YD-FR型焊機(jī)進(jìn)行焊接，接頭形式為對(duì)接接頭，開V型坡口，坡口角度為60°，主要焊接參數(shù)見表3。

表1 2205雙相不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 2205 duplex stainless steel (mass) %

表2 E2209T1-1藥芯焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition of E2209T1-1 flux-cored wire (mass) %

表3 藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊接參數(shù)Table 3 Parameters of CO2 gas-shielded welding with flux-cored wire

1.2 試驗(yàn)方法

在焊接接頭上取樣，經(jīng)研磨、拋光,再用由40 g NaOH+12 g K3[Fe(CN)6]+100 mL H2O組成的溶液在70 ℃熱腐蝕2 min,使用德國(guó)LEICA光學(xué)電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

圖1 焊縫取樣位置示意Fig.1 Diagram of sampling position of the weld

在母材(沿軋制方向)和焊縫處分別截取尺寸為20 mm×10 mm×3 mm的試樣，焊縫取樣位置見圖1。對(duì)試樣進(jìn)行磨拋，使其6個(gè)面的尺寸精度一致，使用丙酮、無(wú)水乙醇去除表面油污，冷風(fēng)吹干后存放在干燥器中。使用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量并計(jì)算各試樣總面積，用電子天平稱取試樣質(zhì)量。按照ASTM G48進(jìn)行化學(xué)浸泡腐蝕試驗(yàn)，腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%，12%，18%的FeCl3鹽酸水溶液(由質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的稀鹽酸和FeCl3·6H2O配制而成)，溫度分別為20，50，80 ℃，腐蝕時(shí)間為24 h。腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后，稱取試樣質(zhì)量，計(jì)算腐蝕質(zhì)量損失及點(diǎn)腐蝕速率。點(diǎn)腐蝕速率計(jì)算公式為

(1)

式中：v為點(diǎn)腐蝕速率；Δm為腐蝕質(zhì)量損失；m1,m2分別為腐蝕前后試樣質(zhì)量；S為試樣表面積；t為腐蝕時(shí)間。

采用TESCAN VEGA3型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察腐蝕形貌，用附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。

在接頭焊縫和母材上分別截取尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的試樣，將其制備成電化學(xué)測(cè)試試樣。使用PARSTAT 2273型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，采用三電極體系，工作電極為試樣，輔助電極為石墨，參比電極為飽和KCl溶液，腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl溶液。利用Tafel外推法擬合極化曲線，借助ZSimpWin分析軟件處理阻抗譜數(shù)據(jù)并選擇R(C(R(CR)))型等效電路進(jìn)行擬合。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可知：2205雙相不銹鋼板焊接接頭不同位置的顯微組織均由奧氏體(A，白色區(qū)域)和鐵素體 (F，灰黑色區(qū)域)組成[14]，無(wú)其他析出物。焊接接頭具有清晰的焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)，熱影響區(qū)中的奧氏體呈條帶狀分布在鐵素體基體中，且沿軋制方向展開。在焊接冷卻過(guò)程中，焊縫金屬在以鐵素體-奧氏體(FA)模式凝固時(shí)，鐵素體相從液相中析出，當(dāng)溫度從1 200 ℃降至800 ℃時(shí)發(fā)生F→A固態(tài)相變，焊縫中先后出現(xiàn)邊界奧氏體、晶內(nèi)奧氏體和二次奧氏體[15-16]。使用人工數(shù)點(diǎn)法對(duì)接頭母材和焊縫中的兩相含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鐵素體體積分?jǐn)?shù)分別為49.5%和42.4%。

圖2 2205雙相不銹鋼焊接接頭不同位置的顯微組織Fig.2 Microstructure of different positions of welded joint of 2205 duplex stainless steel: (a) near fusion zone; (b) center of weld and (c) heat affected zone

2.2 耐點(diǎn)腐蝕性能

2.2.1 FeCl3溶液濃度的影響

圖3 在50 ℃、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)FeCl3溶液中浸泡24 h時(shí)母材和焊縫的點(diǎn)腐蝕速率Fig.3 Pitting corrosion rates of base metal and weld during immersion in FeCl3 solutions with different mass fractions at 50 ℃ for 24 h

由圖3可知，在50 ℃下，母材與焊縫的點(diǎn)腐蝕速率均隨著FeCl3溶液濃度的增加而增大，且增大的速率相差不大，焊縫的點(diǎn)腐蝕速率均高于母材的，說(shuō)明焊縫的耐腐蝕性能較差。

2.2.2 溫度的影響

圖4 在不同溫度6%FeCl3溶液中浸泡24 h時(shí)母材和焊縫的點(diǎn)腐蝕速率Fig.4 Pitting corrosion rates of base metal and weld during immersion in 6% FeCl3 solution at different temperatures for 24 h

由圖4可知:在6% FeCl3溶液中，母材與焊縫的點(diǎn)腐蝕速率均隨著溫度的升高而增大；隨著溫度的升高，焊縫的點(diǎn)腐蝕速率高于母材的，且溫度越高，與母材點(diǎn)腐蝕速率的差值越大。

2.2.3 點(diǎn)腐蝕形貌

由圖5可知：在20 ℃，6%FeCl3溶液中浸泡后，焊縫試樣仍存在金屬光澤，未出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕坑；溫度升至50 ℃時(shí)，焊縫試樣表面失去金屬光澤，出現(xiàn)少量腐蝕坑；溫度升至80 ℃時(shí)，焊縫試樣表面氧化，產(chǎn)生較多小而深的孔，孔邊存在褐色腐蝕產(chǎn)物，敲擊呈脆性。選擇經(jīng)50 ℃，6%FeCl3溶液腐蝕后的焊縫試樣進(jìn)行進(jìn)一步分析。

從圖6和表4可以看出：焊縫試樣腐蝕后，鉻含量顯著增加，且出現(xiàn)了硫、氯等元素，氯來(lái)自FeCl3溶液，硫?yàn)辂}酸中的雜質(zhì)；高鉻相周圍發(fā)生腐蝕并向縱向發(fā)展，表面金屬塌陷，這是由于貧鉻區(qū)會(huì)優(yōu)先腐蝕，當(dāng)高鉻相連成串時(shí)，點(diǎn)蝕就沿其周圍貧鉻區(qū)向縱深發(fā)展形成蟻穴形孔蝕。

圖5 在不同溫度6%FeCl3溶液中浸泡24 h后焊縫試樣的宏觀形貌Fig.5 Macromorphology of weld samples after immersion in 6% FeCl3 solution at different temperatures for 24 h

圖6 在50 ℃,6%FeCl3溶液中浸泡24 h后焊縫處腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of corrosion products in weld after immersion in 6% FeCl3 solution at 50 ℃ for 24 h

表4 焊縫與A區(qū)域腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 EDS analysis results of weld and corrosion products in area A (mass) %

2.3 電化學(xué)性能

2.3.1 動(dòng)電位極化曲線

圖7 焊縫及母材在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl溶液中的極化曲線Fig.7 Polarization curves of weld and base metal in 3.5wt% NaCl solution

從圖7可以看出：焊縫和母材均具有明顯的鈍化區(qū)，且鈍化區(qū)較寬；母材的自腐蝕電位Ecorr為-600.255 mV，焊縫的為-987.473 mV；母材的表面保護(hù)膜擊破電位Eb略高，其在電化學(xué)試驗(yàn)初期的耐點(diǎn)腐蝕性能更好；焊縫的Eb-Ecorr差值更大，說(shuō)明其腐蝕時(shí)形核阻力大，腐蝕坑擴(kuò)展緩慢。當(dāng)雙相不銹鋼成分一定時(shí)，表面保護(hù)膜的均勻性及穩(wěn)定性與鐵素體和奧氏體兩相組織相關(guān)。兩相組織分布均勻，比例接近1∶1時(shí)，不銹鋼表面的保護(hù)膜較為穩(wěn)定且對(duì)點(diǎn)腐蝕有較好的阻礙作用；當(dāng)兩相組織不均勻時(shí)，則會(huì)降低不銹鋼的耐點(diǎn)腐蝕性能[17]。

2.3.2 交流阻抗譜

由圖8可知，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl溶液中，焊縫的容抗弧半徑小于母材的，母材的耐腐蝕性能更好。容抗弧與雙電層容抗及金屬材料溶解有很大關(guān)系，溶液與金屬界面間的電荷轉(zhuǎn)移會(huì)促進(jìn)高頻區(qū)容抗弧的形成。容抗弧半徑的大小受電荷轉(zhuǎn)移電阻的影響，電荷在轉(zhuǎn)移時(shí)受到的阻力越強(qiáng)，容抗弧半徑越大[18]，則材料耐腐蝕性能越好。

表5中：Rs為溶液電阻；Cdl為雙電層電容；Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻；Cf為純化膜電容；Rf為鈍化膜電阻。由圖9和表5可知，母材鈍化膜電阻比焊縫的稍大，電荷轉(zhuǎn)移電阻則遠(yuǎn)大于焊縫的，說(shuō)明溶液與母材金屬界面的電荷和離子在遷移過(guò)程中所受的阻力更大，耐腐蝕性能更好。這是因?yàn)槟覆闹需F素體和奧氏體兩相分布較均勻，體積比更接近1∶1，其表面鈍化膜更穩(wěn)定；而焊縫中合金元素分布不均，兩相含量相差較大，且存在少量氣孔、夾渣等缺陷，這些因素均加速了點(diǎn)腐蝕。交流阻抗譜測(cè)試結(jié)果與動(dòng)電位極化曲線測(cè)試結(jié)果一致。綜上所述,經(jīng)優(yōu)化參數(shù)焊接得到的2205不銹鋼焊縫的耐腐蝕性能略低于母材的。

圖9 R(C(R(CR)))型等效電路圖Fig.9 Quivalent circuit of R(C(R(CR)))

表5 等效電路擬合結(jié)果Table 5 Results by equivalent circuit fitting

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)條件下藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊得到的2205雙相不銹鋼焊縫由鐵素體和奧氏體雙相組織組成，鐵素體體積分?jǐn)?shù)為42.4%，與母材中的相近(49.5%)。

(2) 在FeCl3溶液中浸泡腐蝕時(shí)，隨著FeCl3溶液濃度的增大和溫度的升高，焊縫及母材的點(diǎn)腐蝕速率均增大，但焊縫的點(diǎn)腐蝕速率高于母材的，母材的耐點(diǎn)腐蝕性能更好。

(3) 與雙相不銹鋼母材相比，焊縫的自腐蝕電位、容抗弧半徑、鈍化膜電阻均較小，說(shuō)明焊縫的耐腐蝕性能低于母材的，但雙相不銹鋼焊縫腐蝕時(shí)的形核阻力較大，腐蝕坑不易擴(kuò)展。