焊接工艺对低合金海洋用钢焊接接头耐蚀性的影响

1、钢号C Si Mn Cr 10CrNiSiMnCu<0.120.81.10.50.80.60.9钢号Ni Cu P S 10CrNiSiMnCu0.50.80.40.6<0.35<0.35表1试验用焊接接头母材的化学成分(质量分数,%Table1Compositions of material (mass fraction ,%现代船舶和海洋工程均为焊接结构,由于接头各区的成分和组织的不均匀性、残余应力及应变的存在、以及应力集中等因素的影响,使得接头的耐蚀性低于母材。焊接接头的腐蚀形式是不同程度的局部腐蚀1。局部腐蚀的危害性远大于全面腐蚀,尤其是焊缝附近所发生的沟槽状腐蚀,往

2、往会引起船体强度的降低和应力集中,可能导致非常严重的后果;因此,焊接接头耐蚀性的研究一直是腐蚀研究的重要方面2-5。影响焊接接头耐蚀性的因素很多,作者针对一种低合金海洋用钢采用不同焊接工艺时焊接接头的腐蚀特征,探讨焊接工艺对焊接接头腐蚀性能的影响,为实际工程中制订采用合理的焊接工艺提供帮助。1试验材料和方法1.1试验材料及试样制备试验用焊接接头的母材是一种低合金海洋用钢,其主要成分见表1。采用配套的焊接材料,按实际使用的几种焊接工艺规范焊接成对接试板,然后按不同的试验要求加工成各种不同的腐蚀试样。试验所用焊接接头试样序号及其所用焊接工艺参数如表2所示。1.2试验内容与方法1.2.1室内腐蚀挂片

3、试验挂片试验包括全浸挂片和间浸挂片两种,全浸挂焊接工艺对低合金海洋用钢焊接接头耐蚀性的影响*孔小东1,杨明波1,童康明2,朱梅五1(1.海军工程大学理学院化学与材料系,湖北武汉430033;2.广州黄埔造船厂军代表室,广东广州510715摘要:采用不同焊接工艺制备10CrNiSiMnCu 钢焊接接头的腐蚀试样,通过室内挂片和电化学测试,探讨焊接工艺对焊接接头腐蚀性能的影响。分析结果认为,接头各区夹杂物、化学成分和微观组织的差别,是导致接头各区耐蚀性差异和不同种类接头耐蚀性差异的重要影响因素;熔合区由于成分、组织的不均匀,微观缺陷和焊接残余应力的存在等促使该区容易发生沟槽状腐蚀;焊接过程中输入的

4、线能量较高,是造成埋弧焊接头的耐腐蚀性比其手工焊接头好的主要原因。关键词:腐蚀;耐蚀性;低合金钢;焊接接头;电化学测试中图分类号:TG172.5文献标识码:A文章编号:1004-244X (200705-0009-04Effects of welding processes on corrosion resistivity of joints of low alloy steels in offshore applicationsKONG Xiao-dong 1,YANG Ming-bo 1,TONG Kang-ming 2,ZHU Mei-wu 1(1.Chemistry and Mater

5、ial Department ,Naval University of Engineering,Hubei 430033,China ;2.Huangpu Ship Plant ,Guangdong 510715,China Abstract:In order to study the effects of welding processes on the corrosion-resistivity of joints of 10CrNiSiMnCu,the immersing and electrochemical tests were used to the specimen which

6、was prepared with different welding processes.The results show that the main reasons which affect corrosion resistivity of joint are the inclusions,composition and microstructure.As for melting zone,the treach like corrosion occurs easily because of the difference of composition,structure,microdefec

7、ts and residual stress.The higher the linear energy of welding process,the better the corrosion resistivity ,which results in the higher corrosion resistivity of submerged arc welding than that of manual welding.Key words:corrosion;corrosion resistivity;low alloy steel;welding joint;electrochemical

8、test*收稿日期:2006-07-18;修回日期:2007-02-25作者简介:孔小东(1963-,男,副教授,主要从事新材料,材料腐蚀与防护技术研究工作。E-mail :kxd63813 。兵器材料科学与工程ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERINGVol.30No.5Sept.,2007第30卷第5期2007年9月兵器材料科学与工程第30卷接头种类BM HAZ WI WM A10.2520.2070.2820.229A20.2410.1430.2150.204A30.2520.2100.2600.179表3各接头试样全浸挂片试验的各区局部腐蚀速率(

9、mm a -1Table 3Corrosion rates of various zones of joints in immersion test(mm a -1接头序号焊接方法焊接材料焊材直径/mm预热温度坡口形式焊接用线能量/(kJ cm -1A1手工电弧焊TH (10CrNiSiMnCuA 4.0室温V60型13A2埋弧自动焊(10CrNiSiMnCuA 焊丝+705ch 焊剂4.0室温I 型23A3气体保护焊(10CrNiSiMnCuA 药芯焊丝1.0室温V60型11表2接头试样的焊接工艺Table 2Welding technology of joints片试验试样面积为100mm

10、 ×20mm ,间浸挂片试验试样面积为100mm ×50mm ;板面为研究面;试样表面先经磨光处理,测量试样厚度,对非试验表面进行石蜡涂封;间浸挂片干湿比为91。挂片试验介质为3%海盐水溶液,定期更换溶液和调整pH 值(保持在8.2左右,试验时间为285d ,温度为1335。试验结束后,试样经除锈、清洗、干燥,测厚并计算局部腐蚀速率;观察并记录试样表面腐蚀形貌特征。1.2.2电化学性能测试试验焊接试样母材、焊缝、热影响区自腐蚀电位测量。对每种工艺焊接试样的测定母材、焊缝、热影响区的自腐蚀电位。试验介质为3%海盐水溶液,调整pH 值保持在8.2左右,试验时间为10d ,温度为

11、3035,测量接头各区的稳定自腐蚀电位,以分析它们之间的电偶腐蚀效应。循环极化试验。对不同工艺焊接的接头试样,测量各自的循环极化曲线。参比电极为饱和甘汞电极(SCE ,辅助电极为铂电极,焊接接头各区试样为研究电极;测量仪器为Model283型恒电位/恒电流仪,试验介质pH=8.2的人造海水溶液,试验温度为30。试验前通高纯N 2除氧30min ,并保持通N 2至试验结束;试样放入溶液中从自然腐蚀电位开始极化,电位扫描速度为1mV/s ,当阳极电流密度升高到1000!A/cm 2时,立即逆向扫描,直至逆扫曲线与正扫曲线相交为止。2试验结果与分析2.1挂片试验结果表3列出了各接头试样全浸腐蚀挂片试

12、验的各区局部腐蚀速率测量结果。图13为A1、A2、A3焊接接头试样全浸腐蚀挂片试验结束后,试验面的腐蚀形貌照片。由表3和图13的结果可见:A1以熔合区(WI 的腐蚀最为严重,其腐蚀沿该区纵深发展形成很深的腐蚀沟槽;而其他区腐蚀比较均匀;A2接头试样母材、熔合区和焊缝区的腐蚀较为轻微,但母材偏重;A3接头主要是熔合区的腐蚀沿纵深发展形成一定的腐蚀沟槽。对比三种接头试样,除了母材外,埋弧焊接头的其他三个区局部腐蚀速率都比手工焊和气体保护焊接头的相应区要低;气体保护焊和手工焊接头相应区的局部腐蚀速率相差不大,但均比埋弧焊接接头相应区域的要高。表4列出了各接头试样间浸腐蚀挂片试验的各区图1A1接头试样

13、全浸腐蚀形貌Fig.1Corrosion feature of A1joint图2A2接头试样全浸腐蚀形貌Fig.2Corrosion feature of A2joint10第5期孔小东等:焊接工艺对低合金海洋用钢焊接接头耐蚀性的影响-300-350-400-450-500-550-600-700-650-2-1102435log (!A/cm 2E /m V图4A1接头试样WM 的循环极化曲线Fig.4Polarizing curves of WM in A1joint-300-350-400-450-500-550-600-700-650-2-1102435log (!A/cm 2E /

14、m V图5A1接头试样HAZ 的循环极化曲线Fig.5Polarizing curves of HAZ in A1joint接头种类BM HAZ WM A1-659-646-650A2-657-632-645A3-676-646-671BM -HAZ -13-25-30BM -WM -9-12-5WM -HAZ-4-13-25表5接头各区的自腐蚀电位(mV vs SCE Table 5E corr of distinct zones of joints接头种类BM HAZ WI WM A10.8140.4620.5630.715A20.7900.4230.4810.657A30.7730.48

15、70.6250.730表4各接头试样间浸腐蚀挂片试验的各区腐蚀速率测量计算结果(mm a -1Table 4Corrosion rates of distinct zones of various joints in immersion test(mm a -1图3A3接头试样全浸腐蚀形貌Fig.3Corrosion feature of A3joint in immersion test局部腐蚀结果。由表中结果可以看出:三种接头都是母材的腐蚀程度最严重。三种接头试样中,除母材外埋弧焊接接头的各区腐蚀速率均比手工焊和气体保护焊接接头的相应区要低,而气体保护焊接接头除母材外,其它各区的腐蚀速率均

16、比手工焊接接头的相应区域稍高。三种焊接接头的腐蚀规律基本相同,都是以热影响区的腐蚀速率最低,焊缝次之,母材最高。两种挂片试验结果说明:三种接头中埋弧焊接头的局部腐蚀状况较轻微,而手工焊和气体保护焊都存在较为严重的腐蚀。2.2电化学试验结果2.2.1接头各区自腐蚀电位测定结果接头各区的自腐蚀电位列于表5,电位从负到正的顺序均为母材、焊缝、热影响区。A1接头试样母材区、焊缝区、热影响区的自腐蚀电位相差不大,其中母材的电位稍低;A2接头试样的热影响区电位较正;A3接头试样母材和焊缝的电位接近,都负于热影响区。从可能的电偶腐蚀效应来看,都是母材腐蚀严重,热影响区则腐蚀最轻微。2.2.2循环极化试验结果

17、图4、5是两个典型的焊接接头试样的循环极化曲线,其他试样也有类似的曲线。以阳极电流密度100!A/cm 2时对应的电位作为点蚀电位E b ,以回扫曲线与正扫曲线相交点对应的电位作为保护电位E p ,得出各接头的E b 、E p 值如表6所示。一般来说,E b 越正,金属发生点蚀的敏感性越小;而点蚀保护电位E p 的高低在一定程度上反映了点蚀扩展的倾向,E p 越正,金属发生点蚀后扩展的倾向就越小6。对于A1接头试样,各区试样的E b 、E p 值都比较接近,说明它们的耐点蚀性能大致相同。A2接头试样的点蚀诱发敏感性由小到大的顺序是焊缝<热影响区<母材;点蚀扩展的倾向由小到大的顺序是

18、焊缝<热影响区<母材。A3接头试样的点蚀诱发敏感性由小到大的顺序是焊缝<热影响区母材,点蚀扩展的倾表6各接头试样三个区的E b 和E pmV Table 6E b and E p of three zones of various jointsmVA1-419-642-425A2-401-635-413A3-402-636-420-651-647-635-423-423-423-649-649-649接头种类WMHAZBME b E p E b E p E b E p 11兵器材料科学与工程第30卷向由小到大的顺序是热影响区焊缝<母材。综合来看,三种焊接接头都是母材耐蚀

19、性较差;而比较三种接头则是A2接头整体耐点蚀性能占优,主要表现在焊缝和热影响区耐蚀性最好。2.3冶金因素分析结果2.3.1焊接接头夹杂物的分析结果母材和热影响区中的夹杂物基本相同,主要为沿轧向分布的长条状和链条状三氧化二铝和氧化钙形成的复合夹杂,体积较大,数量较少。A1接头焊缝中的夹杂物主要为二氧化硅、氧化钙、二氧化钛与氧化锰等形成的球状复合夹杂,体积较小,数量较多。A2接头焊缝中的夹杂物主要为氧化锰、二氧化硅与三氧化二铝等形成的球状复合夹杂,体积较小,数量较多。A3接头焊缝中的夹杂物主要为二氧化硅、氧化锰与三氧化二铝等形成的球状复合夹杂,体积较小,数量较多。2.3.2接头各区显微组织观察结果

20、接头试样各区的显微组织形貌。a焊缝区,先共析铁素体沿柱状晶界析出,部分铁素体向晶内呈针状析出,还有粒状贝氏体和少量珠光体。b过热区,先共析铁素体沿原奥氏体晶界析出,晶内析出大量粒状贝氏体,还有少量珠光体,组织粗大。c正火区,组织为细而匀的铁素体、珠光体和粒状贝氏体;A3接头正火区有大量先共析铁素体沿原奥氏体晶界析出,呈宽网状分布,晶内主要为粒状贝氏体及少量珠光体,晶粒均匀而细小。d部分重结晶区,组织为铁素体、珠光体和少量粒状贝氏体,晶粒大小各异、细而不匀,成等轴状分布。e母材区,组织为带状分布的先共析铁素体和少量珠光体。2.4不同焊接工艺接头耐蚀性差异的原因分析综合腐蚀挂片试验结果和电化学试验

21、结果来看,埋弧焊接头试样的耐腐蚀性能比手工焊接头试样的要好。埋弧焊接接头试样焊缝中所含夹杂物数量比手工焊接接头试样焊缝的要少;夹杂物的影响可能是埋弧焊接接头试样耐蚀性比手工焊接接头试样耐蚀性好的一个重要原因。许多研究者发现焊缝与母材的成分差异会对腐蚀性能造成很大影响7-8,但本试验中埋弧焊接头焊缝和手工焊接头焊缝的差别不大,甚至手工焊接头试样焊缝的有益合金元素含量(例如Ni元素比埋弧焊接头的高,而有害合金元素含量(例如Mn元素却比埋弧焊接头的还低。因此成分的差异不会是埋弧焊接接头试样的耐蚀性比手工焊接头试样好的主要原因。Huang等人9在研究A516型钢焊接接头的腐蚀性能时发现,较高的线能量可

22、以提高焊缝和热影响区的耐蚀性。而且黄安国等人10发现,随着线能量和层间温度的提高,针状铁素体的数量随之减少。针状铁素体是通过切变机制生成的,转变过程中有剧烈的塑性变形发生,会伴随产生大量的位错11,事实上,针状铁素体的转变温度在450600o C,其位错密度在1012m-2左右,远比其他形式的铁素体组织要高。降低焊接层间温度和线能量,能够增加焊缝熔敷金属中针状铁素体的比例和熔敷金属表面的位错数目,从而诱使试样表面更多腐蚀孔形成,增大其腐蚀速度。也有研究认为:针状铁素体的存在可以提高焊缝熔敷金属中总的晶界面积;针状铁素体的长大过程刚一结束,碳便向其周围扩散,最终在两个侧边上出现了一层富碳的薄膜,

23、增加了针状铁素体的晶界活性,在腐蚀介质中会出现电偶效应,从而会提高腐蚀电化学反应的发生速度12;针状铁素体晶界面积的增多会加速焊缝金属的腐蚀。因此焊接层间温度和线能量的提高不仅会减少焊缝熔敷金属内针状铁素体的比例,还会使针状铁素体粗化,减少焊缝熔敷金属内总的晶界面积,从而提高焊缝金属的耐蚀性能。从表2可以看出,各埋弧焊接接头的输入线能量比手工焊接头的高,使得埋弧焊缝中具有高密度位错的针状铁素体的量减少,并将会使焊缝的自腐蚀电位提高,降低焊缝区的腐蚀速率,有利于接头腐蚀性能的提高。输入的线能量较高可能是埋弧焊接接头耐蚀性优于手工焊和气体保护焊接头的另一个重要原因。3结论1对于本研究中采用的10C

24、rNiSiMnCu低合金钢而言,埋弧焊接接头的耐腐蚀性优于手工焊和气体保护自动焊接头。2接头各区夹杂物、化学成分和微观组织的差别,是导致接头各区耐蚀性差异和不同种类接头耐蚀性差异的重要影响因素;熔合区由于成分、组织的不均匀,微观缺陷和焊接残余应力的存在等促使该区容易发生沟槽状腐蚀。3焊接过程中输入的线能量较高,则可能是造成埋弧焊接头的耐腐蚀性比其手工焊接头好的主要原因。参考文献:1中国机械工程学会焊接学会.焊接手册M.北京:机械工业出版社,1992:142.2刘洪义,蔡文达.双相不锈钢热影响区的应力腐蚀破裂机构建立C.第三界海峡两岸材料腐蚀与防护研讨会论文集, 2002:629-635.3Du

25、ran C,Treiss E,Herbsleb G.Resistance of high frequency12inductive welded pipe to grooving corrosion in salt water J .Mater Perfor ,1986,25(9:41-47.4梁成浩,温殿江.海水中碳钢及低合金钢的焊接接头腐蚀行为的研究J .腐蚀科学与防护技术,1994,6(3:260-263.5江志强,夏向东,李建国,等.含稀土20钢焊接接头耐腐蚀性能的电化学研究J .兵器材料科学与工程,1999,22(4:45-49.6杨武,顾濬祥,黎樵燊,等.金属的局部腐蚀M .北京:

26、化学工业出版社,1995:44.7Parkinson L D ,Malik L ,Lult H B ,et al.Laboratary and fieldassessment of weld zone corrosion J .Corrosion Engineering ,1990,46(9:774-777.8黄桂桥.Cr 对钢耐海水腐蚀性能的影响J .腐蚀科学与防护技术,2000,12(2:86-89.9Huang H H ,Tsai W T ,Lee J T.The influence of microstruc-ture and composition on the electroche

27、mical behavior of A516steel weldment J .Corrosion Science ,1994,36(6:1027-1038.10黄安国,王永生,李志远,等.针状铁素体焊缝金属腐蚀行为的研究J .材料保护,2004,37(3:6-8.11Savva G C ,Wentherly G C ,Aust K T.Heat affected zonecorrosion behavior of carbon maganese steels J .Corrosion ,1989,45(3:243-248.12贾斯克C E ,等.物理化学原理和实际问题M 吴荫顺译.金属腐蚀.

28、北京:化学工业出版社,1984:63.Al-Cu-Mg 系铝合金由于其较高的强度和良好的耐热性能,被广泛用于航空航天结构材料,但合金主要用在100以下的工作环境。当高于100时,强化相的粗化使其力学性能显著下降1。为了进一步提高铝合金的耐热温度,近年来,有科技人员尝试采用快速凝固、机械合金化等工艺开发了新型耐热铝合金,但因工艺复杂,生产成本比较高而难以推广使用。为了降低生产成本,提高铝合金的高温耐热性能,有必要研究开发新的耐热铝合金。Al-Cu-Mg-Ag 合金,在111!面析出了一种相,该相具有较高的沉淀硬化能力,具有Al-Cu-Mg-Ag-Zr 合金高温持久后的组织与性能*夏卿坤1,2,刘

29、志义1,李云涛1,余日成1,周杰1(1.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083;2.长沙大学机电工程系,湖南长沙410003摘要:研究Al-Cu-Mg-Ag-Zr 合金在165时效组织与性能的变化,并采用欠时效态(165×2h的试样进行200及外加应力为200MPa 的高温持久试验。结果表明,欠时效态的试样在高温持久下,随时间延长,其剩余强度先上升后下降,强度峰值出现在持久20h 。延伸率变化与强度变化基本相似。持久100h 后,合金力学性能相对欠时效态无明显下降,显示出优良的热稳定性。关键词:新型耐热合金;时效;高温持久;显微组织;力学性能中图分类号:TG 146文献标识

30、码:A文章编号:1004-244X (200705-0013-05Microstructures and properties of Al-Cu-Mg-Ag-Zr alloy after high temperature lastingXIA Qing-kun 1,2,LIU Zhi-yi 1,LI Yun-tao 1,YU Ri-cheng 1,ZHOU Jie 1(1.College of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China ;2.Department ofMech

31、anical and Electrical Engineering,Changsha University,Changsha 410003,China Abstract:The microstructure and performance of Al-Cu-Mg-Ag alloy aging at 165have been investigated,and the high tem-perature lasting test is done at 200and 200MPa for underageing (165×2hsamples.The results indicate that with the lasting time prolonging,the residual stress of underageing samp