大功率激光焊接工藝對304不銹鋼焊接接頭組織和電化學行為的影響

王鈺， 王凱， 羅子藝， 盧清華， 楊景衛

(1．佛山科學技術學院，廣東 佛山 528231；2．廣東省焊接技術研究所(廣東省中烏研究院)，廣州 510610)

0 前言

304不銹鋼因其具有優良的耐蝕性、優異的加工性能，是應用最為廣泛的一種奧氏體不銹鋼，多用于航空航天、壓力管道、醫療器械等眾多領域[1-5]。激光焊接因其具有能量密度高、熱影響區小、焊接變形小等優點，在工業制造中得到了廣泛的應用[6-10]。大功率激光束因具有很好的光束質量、更均勻的溫度分布，故能使樣品在熱加工和制造過程中變形最小[11-12]，它的出現很大程度上促進了大功率激光焊接技術的發展，使其廣泛應用于材料加工、重工業和管道工業中[13-15]。奧氏體不銹鋼由于線膨脹系數較大、導熱率較低，焊接時容易產生碳化物沿晶界析出、熱裂紋和熱影響區晶粒粗化等缺陷[16]，使得焊縫的耐腐蝕性能較差[17]。304不銹鋼的工作環境往往涉及不同酸堿度的介質，需要焊接接頭保持穩定的電化學性能[18]。因而，有必要通過顯微組織和電化學測試來研究304不銹鋼焊接接頭的電化學性能。

文中對9 kW和9.5 kW大功率激光焊接的304不銹鋼接頭進行測試，研究了其組織、普通電化學以及微區電化學性能，分析得出兩種焊接接頭的顯微組織變化和電化學行為。微區電化學測試使用掃描振動電極技術(Scanning vibrating electrode technique,SVET)，這是一種利用掃描振動探針(Scanning vibration probe,SVP)在不接觸樣品表面的情況下，檢測樣品在溶液中局部腐蝕電位的一種新技術[19-21]。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

焊接所用材料為10 mm厚的304不銹鋼板，規格為200 mm×120 mm×10 mm，其化學成分見表1。焊接前將焊接斷面車銑平整，然后使用無水乙醇清洗后吹干。試驗設備為功率10 kW的Trumpf TruDisk10002激光器。

焊接試驗過程中，焊縫正面和背面均采用流量為20 L/min的Ar氣進行保護，不開坡口直接對接，全熔透單道次焊。1號和2號試樣分別采用功率為9 kW和9.5 kW的激光器進行焊接，其焊接工藝參數見表2。1號試樣和2號試樣的正面和背面熔寬分別為1.62 mm和1.16 mm。以焊縫為中心，使用線切割設備進行取樣，得到尺寸為12 mm×10 mm×10 mm的試樣。

表1 304不銹鋼板材料成分(質量分數，%)

表2 1號和2號試樣的焊接參數

1.2 試驗方法

圖1為得到的焊接試樣，使用DMM-440D倒置金相顯微鏡觀察顯微組織，并利用配備能譜儀的SU8220掃描電子顯微鏡進一步觀察。使用HVS-1000顯微硬度計進行硬度測試，試驗載荷為4.9 N，加載時間為10 s，每間隔1 mm打點測試，在試樣上中下的位置分別測試三次硬度取平均值，測試位置的示意圖如圖1a所示。使用PARSTAT4000設備進行普通電化學測試，分別在3.5%NaCl溶液(質量分數，下同)、10%HCl溶液(質量分數，下同)和10%NaOH溶液(質量分數，下同)中進行開路電位、交流阻抗和極化曲線測試。開路測試之前浸泡30 min，開路測試時間設定為1 800 s，交流阻抗測試頻率為105～10-2Hz，激勵振幅值為10 mV，極化曲線掃描電位為相對于開路電位-1～1 V，掃描速度為1 mV/s。使用Priceton Applied Research Versa Scan微區電化學設備，測試步長為100 μm，振幅為30 μm，頻率為80 Hz，測試區域如圖1b所示。

圖1 焊接接頭測試區域

2 結果與分析

2.1 顯微組織

圖2為1號和2號試樣焊縫區域的顯微組織。其中，圖2a，2b分別為1號、2號試樣接頭的顯微組織，圖2c，2e為圖2a中c,e對應的放大區域，圖2d，2f則為圖2b中d,f對應的放大區域。從圖中可以看出，1號和2號試樣的母材與焊縫交界處均存在針狀的殘余鐵素體組織，其向焊縫中心生長為垂直于激光焊接方向的柱狀樹枝晶，1號試樣柱狀晶較少，且分布不均勻，2號試樣柱狀晶較多，分布也比較均勻。

圖2 1號和2號試樣焊縫微觀組織

圖3為1號和2號試樣焊縫區域的SEM圖，表3為圖3標定的微區化學成分分析?？傻脠D3中A1區檢測出質量分數為1.01%的Si，且A1和B1區的C含量較低，質量分數分別為3.62%和3.89%，Fe含量較高，為基體。A2,A3,B2和B3區C含量較高，質量分數均超過4%，分別為4.57%,5.47%,4.83%和6.52%，其樹枝晶密集區和稀疏區存在區別。

圖3 不同試樣焊縫區域的微觀組織

表3 圖3中標定微區的EDS成分分析(質量分數，%)

2.2 顯微硬度

表4為1號和2號試樣的硬度值，根據其繪制如圖4所示的顯微硬度變化曲線。從圖中可以看出硬度值以焊縫為中心呈現對稱分布，焊縫中心硬度值較高，焊縫兩邊硬度值逐漸下降。綜合EDS測試結果可知，焊縫區域的含碳量最低為3.62%(質量分數)，遠遠高于母材的0.07%(質量分數)，含碳量越高，材料的硬度越大，因此焊縫區域的硬度值高于母材。

表4 1號和2號試樣硬度值分布情況

圖4 1號和2號試樣的顯微硬度曲線

2.3 電化學測試與分析

2.3.1普通電化學測試與分析

圖5為1號和2號試樣在不同溶液中開路腐蝕電位與時間的關系曲線。表5為最終穩定狀態的電位數據，可以看出，在3.5%NaCl溶液中1號試樣的電位絕對值更大，因此更具有發生腐蝕的傾向。而在10%HCl溶液和10%NaOH溶液中，2號試樣的電位絕對值更大，此時2號試樣更具有發生腐蝕的傾向。

圖5 1號和2號試樣在不同溶液中腐蝕電位與時間的關系

表5 1號和2號試樣在不同溶液中開路測試30 min的穩定電位 VSCE

圖6所示為1號和2號試樣分別在3.5%NaCl溶液、10%HCl溶液和10%NaOH溶液中進行極化測試后的宏觀腐蝕形貌。從圖中可以看出，1號和2號試樣在3.5%NaCl溶液中均發生明顯的點蝕，1號試樣點蝕坑較淺且較小，但腐蝕坑較多，而2號試樣的點蝕坑較深且較大，腐蝕坑較少。在10%HCl溶液中，1號和2號試樣表面均發生嚴重的腐蝕，反應劇烈，且母材部分較焊縫區域腐蝕得更為嚴重，焊縫區域的耐蝕性較母材略好。在10%NaOH溶液中，1號和2號試樣表面無明顯變化，基本沒有發生腐蝕，此時試樣表現出較好的耐蝕性。

圖7為1號和2號試樣在不同溶液中的極化曲線。表6為根據1號和2號試樣在不同溶液中的極化曲線進行線性極化電阻擬合的數據。極化電阻Rp是腐蝕電化學的一個重要的動力學參數，反應了腐蝕體系的腐蝕速度大小。對比數據可以看出，1號試樣在3.5%NaCl溶液中極化電阻值更大，所以腐蝕速度較小，而2號試樣在10%HCl溶液和10%NaOH溶液中均有較大的極化電阻，因此腐蝕速度更小，但在10%NaOH溶液中1號和2號試樣極化電阻值均較大，因此腐蝕速率均很小，2號試樣較1號腐蝕速率更小。圖8為1號和2號試樣在不同溶液中的Nyquist圖。圖9為試樣在3.5%NaCl溶液和10%HCl溶液中進行交流阻抗測試的等效電路圖。當10%NaOH溶液中進行交流阻抗測試時，圖9中的等效電路不再適用，此時使用圖10所示等效電路可得到更好的擬合效果。其中，Rs是溶液電阻，Rct是電荷轉移電阻，CPE表示常相位角元件，包括CPE-T和CPE-P兩個元件參數，CPE-T 表示電容量，單位Ω-1·cm-2·sn，CPE-P為彌散指數，量綱為1，取值為0～1。表7為交流阻抗譜的等效電路中各元件擬合參數?？梢钥闯?，2號試樣在3.5%NaCl溶液中的電荷轉移電阻更大，因此具有更好的耐蝕性。該結果與極化曲線測試結果并不一致，是因為極化曲線測試結果反映了腐蝕速率，在3.5%NaCl溶液中，2號試樣腐蝕速率更快，使得腐蝕產物覆蓋在試樣表面，導致電荷轉移電阻更大，整體表現出更好的耐蝕性，與開路測試結果一致。而在10%HCl溶液中，1號試樣的電荷轉移電阻值更大，耐蝕性更好，與開路測試結果一致，該結果也與極化曲線測試結果相反，與在3.5%NaCl溶液中的情況相同，因此1號試樣整體上也表現出更好的耐蝕性。在10%NaOH溶液中，兩種試樣基本不發生腐蝕，均具有較好的耐蝕性。

圖6 1號和2號試樣在不同溶液中進行極化測試后的宏觀腐蝕形貌

圖7 1號和2號試樣在不同溶液中得到的極化測試曲線

表6 1號和2號試樣在不同溶液中線性極化電阻擬合數據

圖8 1號和2號試樣在不同溶液中Nyquist圖

圖9 304不銹鋼在3.5%NaCl溶液和10%HCl溶液中的等效電路圖

圖10 304不銹鋼在10%NaOH溶液中的等效電路圖

表7 試樣在不同溶液中等效電路各元件擬合參數

2.3.2SVET測試與分析

由于普通電化學方法測試出的結果只能反映整個焊接接頭的電化學行為，因此采用SVET技術對焊接接頭的局部腐蝕行為進行研究，進一步探究焊接接頭的微區電化學行為差異。

圖11和圖12分別為1號和2號試樣在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時間后進行SVET測試的電位差轉化為電流密度的結果，圖11a，12a為二維圖，圖11b，12b為三維圖?？梢钥闯觯?號和2號試樣隨著浸泡時間的延長電流密度的變化趨勢相同，與1號和2號試樣硬度測試值差異不大的結果一致。浸泡時間為0～24 h時，除浸泡12 h時電流密度有增大的突變，隨著時間延長，電流密度減小，腐蝕速率下降。浸泡12 h時發生突變是因為膜的鈍化生長速率比腐蝕速率慢，成膜具有反復性，延長浸泡時間，鈍化速度加快，形成的鈍化膜變穩定，電流密度減小。浸泡48 h和72 h時電流密度發生波動，較24 h呈現上升趨勢，且72 h之后隨著浸泡時間的延長，電流密度不斷增加，腐蝕速率加快，這是由于浸泡48～72 h時試樣表面形成的鈍化膜逐漸破裂，導致試樣表面狀態不均勻，電流密度波動較大，完全破裂后，電流密度則隨時間延長而增大，表面反應加快。浸泡48～72 h鈍化膜逐漸破裂時，2號試樣由于組織較1號更均勻，因此電流密度差異性比1號更小，鈍化膜性能更穩定。

因為掃描區域以焊縫為中心對稱分布，從圖中可以看出焊縫、熱影響區和母材的電流密度基本沒有差異，表明在這兩種大功率激光功率下的304不銹鋼焊接接頭在3.5%NaCl溶液中微區電化學性能均勻。

圖11 1號試樣在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時間時SVET測試電流密度

圖12 2號試樣在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時間時SVET測試電流密度

3 結論

(1)9 kW和9.5 kW兩種激光功率下的焊接接頭顯微硬度值相差不大。9.5 kW激光功率焊接的接頭比9 kW激光功率焊接的接頭顯微組織更加均勻。

(2)9.5 kW激光功率焊接的試樣在3.5%NaCl溶液中耐蝕性較好，而在10%HCl溶液中的耐蝕性則較弱，在10%NaOH溶液中兩種試樣均基本不發生腐蝕。

(3)兩種大功率焊接接頭在3.5%NaCl溶液中浸泡，隨時間變化的微區電化學測試整體變化趨勢差異不大，呈現開始時腐蝕速率減慢，浸泡時間到48～72 h時試樣表面鈍化膜逐漸破裂，隨后隨著浸泡時間延長，腐蝕速率逐漸加快。焊縫、熱影響區和母材的微區電化學性能均勻性較好。