316L不锈钢管
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焊接工艺对316J1L不锈钢焊缝耐海水腐蚀性能的影响

来源:至德钢业 日期:2020-06-03 21:55:19 人气:192

通过提高焊接速度减小焊接电流等手段改进316J1L的焊接工艺提高了焊缝的耐海水腐蚀性能利用金相显微镜扫描电镜及X射线衍射技术对原失效焊件及改进工艺焊件三区的微观组织形貌元素分布物相组成等进行测定测量种工艺下焊件三区的动电位极化曲线并对电化学特性进行了比较分析结果表明改进工艺后焊件三区平均晶粒度较大元素分布更加均匀腐蚀电流密度更小,腐蚀电位更高腐蚀速率显著降低

316J1L超低碳奥氏体不锈钢具有高韧性高强度良好的焊接性和耐腐蚀性等特点在海洋工程中广泛应用由于逆频直流手工电弧焊操作方便使用灵活适应性强所以比较适合海洋环境下复杂结构件的连接然而该焊接方法在不同焊接工艺下其焊接接头的元素分布不均匀合金成分显微组织及晶粒大小差距较大可见焊接工艺对焊缝耐蚀性能的影响较大。不合理的焊接工艺会导致严重的腐蚀破坏这种海水腐蚀破坏往往会对生产造成极大的影响轻者引起系统停止需要进行复杂的检修重者发生管道爆裂造成巨大的经济损失和严重的环境污染

目前科研工作者已经对不锈钢焊缝的腐蚀进行了大量研究周子业等采用外观检查等多种方法发现储罐腐蚀缝隙往往出现在热影响区呈网状可以通过改进焊接工艺防止泄露的发生罗辉等通过草酸腐蚀和硫酸硫酸铁腐蚀实验发现随着焊接线能量的增加其焊接接头腐蚀越严重且这种腐蚀有增加的趋势。秦建等在S30408不锈钢上进行了等离子弧打底及盖面焊接工艺研究结果发现采用合理的焊接工艺参数可以得到综合性能良好的焊缝ZhongmeiGao等为了获得激光电弧焊的最佳工艺参数建立了克里格模型该模型的最优解与实验结果高度相似且焊接工艺参数对焊缝形状影响较大NavidMoslemi等在316J1L上采用电弧焊100A的电弧电流下焊缝缺陷最低硬度最高可看作是最合适的电流张鹏举等发现奥氏体不锈钢焊接线对热敏感耐腐蚀性较弱可以通过小电流快速焊快速冷却等加以改善

研究者虽然意识到焊接工艺对耐蚀性能的影响但是较少去分析工艺引起焊缝耐蚀性能改变的内在原因而这些原因恰恰是选择合理焊接工艺的依据因此通过对比实验笔者综合分析了工艺影响焊缝耐蚀性能的原因

1实验

1.1实验材料

母材为316J1L不锈钢成分如表所示。焊条为A022奥氏体焊条成分如表所示

1.2试样制备

采用逆频直流手工电弧焊母材加工成mm×30mm×70mm的块状焊接试样对接焊接时错边应小于0.5mm坡口角度为6575°钝边为1.0mm对组间隙为2mm。采用双层焊层打底层盖面层间温度控制在60以下焊接时尽量使用低线能快速施焊方式焊接防止600900区间敏化,析出σ在原有工艺的基础上并且在保证顺利施工的参数范围内尽量使用小电流高速度焊接从而改进原有的焊接工艺

316J1L不锈钢原失效焊缝区域和改进工艺后的焊缝区域如图所示

用国产XQ-1型镶嵌机将截取的试样制备成金相试样然后依次使用400800、10001200金相砂纸在M-2A型金相预磨机上将金相试样磨光在PG-2C型双头金相抛光机上对磨光的金相试样进行抛光

1.3焊件表征方法

首先用酒精和丙酮清洗试样吹干待用。将试样在碱性赤血盐水溶液赤血盐10g+氢氧化钾10g+100mL中煮沸4min用O-LYMPUS-CK40M型金相显微镜观察并检测试样的金相组织用蘸有氯化铁盐酸水溶液氯化铁5g+盐酸50mL+100mL的棉球轻度擦拭试样表面1020sS-530型扫描电镜观察并分析试样的化学成分在相同条件下用Dmax衍射仪分析焊件三区的腐蚀产物用德国IM6ex电化学工作站对试样的电化学特性进行分析SCE饱和甘汞电极为参比电极铂为辅助电极电极置于3.105%NaCl溶液中温度为25非工作面用704硅橡胶胶黏剂密封有效工作面积为0.2cm扫描速率为2mV

2结果与讨论

2.1金相组织观察

316J1L不锈钢焊接时历经一系列复杂的非平衡物理化学反应受焊接热循环的影响焊接接头不同区域的微观组织存在显著差异14。分别截取原失效焊缝区域改进工艺焊缝区域的材料作为试样记录金相组织图片如图2所示

由图可知工艺改进后焊件三区整体晶粒变化不大晶界减小不明显对比图)、图发现工艺改进后焊缝区相较失效焊缝区晶粒度较大分布方向趋势不明显由晶间滑移引起的位错显著减小)、2种工艺焊件的热影响区失效焊缝热影响区组织发生了明显的变化有部分孪晶晶粒十分粗大而且晶粒均匀性较差316J1L不锈钢焊缝中晶粒度差异较大的混晶区通常是产生晶间腐蚀最薄弱的环节所以失效焊缝热影响区通常晶间耐蚀性能最差此外晶粒长大的驱动力主要取决于温度,改进后的工艺由于采用小电流高速度因此高温停留时间较短焊缝温度相对失效焊缝较低促使晶粒长大的动力较弱中的晶粒度显著大于图),验证了上述推论

通过显微镜的软件自动评级功能及截距法得到种工艺焊件各区晶粒度等级和对应平均晶粒尺寸如表所示

由表可以看出种工艺下的焊件晶粒度由小到大顺序均为热影响区焊缝区母材区对比计算出的平均晶粒尺寸发现改进工艺焊件总体晶粒细化程度有很小的提高和Y.C.Lee等的研究结果一致结合图,这种晶粒度略微增大使晶界数量增加有限。因此晶间腐蚀的变化不大对焊缝整体耐蚀性能影响较小。此外改进工艺焊缝各区晶粒度差异相对较小晶内能量差异也相应较小因而在一定程度上抑制了由晶粒度引起的腐蚀微电池的形成从而减缓了腐蚀进程

2扫描电镜实验

通过SEM扫描得到了原失效焊缝及改进工艺焊缝区域的元素分布如图所示。由图可知原失效焊缝区融合线附近CrFe质量分数明显减少由图可知改进工艺焊缝三区元素分布较为均匀对比图和图),改进工艺焊缝区CrFeNi质量分数明显高于失效焊缝且出现了Mn元素。原焊接工艺由于速度慢电流大故焊缝温度较高冷却速度较快易产生偏析导致焊缝区Cr的突减Cr质量分数会影响316J1L不锈钢焊缝耐海水腐蚀性能这是因为在腐蚀过程中会形成Cr3的致密保护膜减缓腐蚀的进行。Cr质量分数越大Cr3保护膜的厚度越大,越能有效减缓金属离子对外扩散阻碍有害离子对基体的破坏新工艺焊缝Cr质量分数较高且无明显突变因而耐蚀性会较好失效焊缝区Fe的锐减阻碍了其他诸如CO等元素与Fe形成性能优异的化合物的可能性,在一定程度上削弱了失效焊缝区的耐蚀性能此外失效焊缝区Fe元素分布极不均匀在电解液中由于合金成分分布不均匀导致其在电解质界面上电极电位分布微观不均匀因而很容易形成腐蚀微电池,进而加速整个焊缝区的腐蚀进程失效焊缝区包含Fe在内的多种元素分布离散较大腐蚀微电池形成倾向较大,因而腐蚀进程较快改进工艺焊缝Ni的质量分数显著高于失效焊缝Ni作为一种稳定的元素,其质量分数的增加容易在焊缝形成一层致密层同时能提高不锈钢焊缝的自腐蚀电位,增强其耐蚀性另外改进工艺焊缝中出现了Mn且质量分数在2%左右研究发现2%左右的Mn合金相关特性最好析出二次相晶粒度最大。可见元素的质量分数及其分布是影响种焊缝耐蚀性能差异的重要原因之一

2.3XRD物相分析

原失效焊缝及改进工艺后焊缝的XRD衍射峰图如图所示

由图可知种焊接工艺下腐蚀产物略有不同而不同的腐蚀产物对基体腐蚀性能的影响差异较大。原失效焊缝区的主相是Cr0.19Fe0.7Ni0.11有少量的FeCrσ相)。316J1L不锈钢焊缝σ相的产生容易导致晶间贫Cr使得靠近σ相的晶粒表面钝化膜严重缺Cr因而钝化膜被破坏难以产生保护作用。改进工艺后的焊缝主相是Cr0.19Fe0.7Ni0.11非主相是Fe9.7Mo0.3FeMo相不仅能有效阻止铁氧化物的还原而且能形成致密的保护膜改善焊缝的耐腐蚀性能。通常在3%左右的NaCl溶液中FeMo相的自腐蚀电位会相对纯铁正移且腐蚀电流只有纯铁的7%20%。对比失效焊缝和改进工艺后焊缝的XRD图可以发现两者区别在于非主相的不同这或许是2种工艺下焊缝耐蚀程度不同的内在原因

2.4焊缝区电化学性能分析

失效焊缝及改进工艺后焊缝三区的极化曲线如图所示

由图可知随着电位的升高腐蚀电流密度在钝化区内为维钝电流过钝化区以后极化电流逐渐增大并且出现震荡这是由于活性阴离子Cl-在金属表面形成微电池增强了腐蚀的活性破坏了金属表面的钝化膜进而加剧了腐蚀焊缝区极化曲线总体较陡极化曲线越陡极化率越大对防止金属腐蚀越有利,可知316J1L不锈钢具有良好的耐腐蚀能力由图5可知热影响区和焊缝区的自腐蚀电位得到提高这使焊件三区的电位差减小316J1L焊接接头是一个多电极体系域内局部构成了错综复杂的电化学电池关系电位差作为此原电池的驱动力将直接影响焊缝的腐蚀进程改进工艺后焊缝电位差异的减小抑制了腐蚀微电池的形成因而提高了焊缝的耐腐蚀性能

通过弱极化区三参数法对极化曲线进行拟合计算结果如表所示

由表可知改进工艺焊件三区的自腐蚀电位除了母材区相近外热影响区及焊缝区的自腐蚀电位都远高于失效焊件因而改进工艺焊件较难发生腐蚀改进工艺焊件三区的自腐蚀电位差异相对较小而在电解质溶液中腐蚀微电池的驱动力主要来源于电位差因此改进工艺焊件的腐蚀微电池的驱动力远弱于失效焊件此外改进工艺焊缝区的电流密度只有失效焊缝的一半甚至更低而改进工艺热影响区的电流密度为失效焊缝的倍以上通过计算发现种工艺下不同区域的腐蚀速率也有上述规律可见改进工艺焊件的整体腐蚀行为远弱于失效焊件

3结论

工艺改进后的焊缝区晶粒度较大由滑移引起的位错等缺陷较少晶粒大小比较均匀,有利于抑制腐蚀微电池的形成

改进工艺焊缝区有益元素质量分数远多于失效焊缝且分布相对均匀有效抑制了局部微电池的产生改进工艺焊缝区无σ相析出避免了晶间贫Cr而FeMo相的析出提高了自腐蚀电位增强了焊缝的耐腐蚀性能

改进工艺焊件三区电化学特性得到显著的改善腐蚀速率明显减小

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