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2205 双相不锈钢薄板 TIG 焊接接头耐点蚀性能研究(一)
来源: | 作者:Emma | 发布时间: 2024-06-03 | 483 次浏览 | 分享到:


   摘 要: 利用 TIG 自熔焊分别对两种不同成分的 1.2mm 厚 2205 双相不锈薄板进行焊接,施焊 后,对焊接接头试样进行 FeCl3 浸泡实验、电子探针、动电位极化和恒电位极化实验, 研究母材中奥氏体形成元素对焊接接头耐点蚀性能的影响。分析发现:提高母材中奥 氏体形成元素的含量,母材的点蚀电位降低了 14.5mV,但在焊接过程中,这类元素 可以促进焊缝奥氏体的形成,显著地改善了焊缝的耐点蚀性能;另外,焊接接头耐点 蚀性能较差的区域是热影响区,通过电子探针结果计算焊接接头各相 PREN 值,母材 中铁素体与奥氏体的 PREN 值相近,热影响区二者的差值最大达到 10,因此,在侵 蚀性环境下,热影响区的铁素体相会发生选择性侵蚀,在酸化 FeCl3 溶液中,当热影 响区点蚀发展到一定程度,腐蚀还会向焊缝区扩展;最后,确定了 N 元素的提高能够 极大地提高奥氏体相的抗点蚀性能。

   关键词:自熔焊 薄板 点蚀 双相不锈钢 

   2205 双相不锈钢属于第二代双相不锈钢,其组织包括铁素体和奥氏体,具有良好的耐点蚀性能,广泛应用于海底管道、港口器械、石油化工等领域。李吉承等对比了手工电弧焊SMAW和钨极氩弧焊(TIG)对焊缝组织 性能的影响,结果表明SMAW 焊的奥氏体含量要显著少于TIG 焊,且奥氏体分布不均匀,导致手工电弧焊的耐腐蚀性能比TIG 焊差。M.Atif Makhdoom 等研究了手工电弧焊和钨极氩弧焊对2205 双相不锈钢组织性能的影响,结果发现在热影响区(HAZ),手工电弧焊的铁素体含量要大于GTAW,采用手工电弧焊时,在铁素体晶界上先形成奥氏体,魏氏体也在铁素体晶界上形核,并向未转变的铁素体内部生长,铁素体晶粒内部也发现了由异质形核而形成的针状奥氏体,在铁素体和奥氏体的相界处发现了 Cr2N。A-H.mourad 等在最佳焊接工艺下研究了 TIG焊和LBW焊对双相不锈钢焊缝组织性能的影响,发现虽然 TIG 焊得到的奥氏体-铁素体两相组织更接近母材,但激光自熔焊焊缝性能,尤其是耐腐蚀性能显著高于TIG 焊焊接接头,这是因为TIG 焊要比LBW焊的热输入高,是由晶粒长大造成的。

   影响耐腐蚀性能最主要的因素不是奥氏体-铁素体比例,而是晶粒大小。目前国内外大量工作主要集中在力学性能上,而对于耐点蚀性能及其影响因素的研究较少。文中利用TIG自熔焊对1.2mm 厚的2205 双相不锈钢进行焊接,利用FeCl3浸泡实验、扫描电镜、 电子探针、恒电位扫描和动电位扫描法对焊接接 头的耐点蚀性能进行表征,分析了焊接工艺及母材成分对焊缝耐点蚀性能的影响,利用扫描电镜观察了母材和焊缝的点蚀形貌。

   1 实验材料和方法

   1.1 焊接方法及过程 

   实验材料为两种不同成分的2205双相不锈钢,规格为 70mm×70mm×1.2mm,成分如表1所示。焊前用丙酮清洗表面油污,不开坡口,采用对接焊,焊接时不添加填充材料,利用电弧热使母材熔化形成焊缝。实验使用钨极氩弧焊进行施焊,为更好控制热输入,选用直流脉冲电源,电极采用铈钨极,钨极直径为2mm,保护气流量为 7L/min,不需要焊前预热和焊后热处理,其他焊接参数如表2所示。

表 1 实验用 2205 双相不锈钢的成分 / %

表 2 实验中使用的 2205 双相不锈钢薄板自熔焊接工艺

   1.2 动电位极化 

   实验按照 ISO-15158(2014)的规定进行,用线切割将焊缝切成 10mm×10mm 规格,待测表面用碳化硅砂纸逐级打磨至1200目并抛光,测试在标准三电极体系中进行,溶液为20%NaCl,温度为55℃,电位扫描速率为10mV/min,在开路电位以下50mV开始往阳极区扫描 。当电流密 度超过1000μA/cm2 时回扫,电流密度100μA/cm2对应的电位即为点蚀电位(Epit),在回扫过程中,电流迅速减小时,对应的电位称为再钝化电 位(Eprot)。

   1.3 恒电位 

   实验按照ASTMG150-13标准进行,将焊接接头(WJ)制成 10mm×10mm试样,用碳化硅砂纸逐级打磨至1200 目并抛光。实验采用标准的三电极系统,对工作电极施加750mV 恒电位, 测试溶液为1mol/L 的NaCl 溶液,实验初始温度为0℃,随后以1℃ /min 速率进行升温,规定电流密度达到100μA/cm2 且不再回落时,对应的温度为临界点蚀温度。

   1.4 FeCl3 浸泡实验 

   实验按照ASTM G48-2011规定进行,试样由线切割加工成 25mm×50mm×1.2mm规格,溶液由68.72gFeCl3+16mLHCl+600mLH2O 配制而成,实验温度60℃,实验时间24h。实验结束后用尼龙刷清洗掉腐蚀产物,并用超声波清洗,通过实验前后质量损失得到点蚀速率,评定材料的耐点蚀性能。

   1.5 电子探针 

   实验利用波谱仪分析金相试样母材、焊缝、热影响区各相的化学成分,根据测得的结果计算不同区域奥氏体相和铁素体相的PREN 值,结合 电化学实验结果,明确N元素在双相不锈钢中的作用。

   2 结果与分析

   2.1 金相分析

   2205 双相不锈钢焊接接头截面宏观形貌如图1所示,未发现明显气孔,裂纹等缺陷,焊缝成形较好。

图 1 焊接接头宏观形貌

   为进一步研究焊缝组织,对焊接接头截面进行取样, 通过预磨、抛光、腐蚀、清洗、吹干制备金相样品,腐蚀液由1gK2S2O5+40mLHCl+50mLH2O 配制而成,利用莱卡金相显微镜对母材焊缝及热影响区组织进行观察并作组织定量分析。图2为母材(BM)、焊缝(WM)及热影响区 (HAZ) 的微观组织,母材为轧制态,主要为白色的奥氏体相(γ)和黑色的铁素体(α),图2(a)和图 2(b)为两种母材的显微组织,5.1Ni16N 奥氏体含量为49%,5.7Ni18N 奥氏体含量为54%。这是由于提高了母材中氮和镍的含量,促使更多的铁素体向奥氏体转变。此外, 由图3两种成分相图还可以发现,提高奥氏体稳定化元素导致两相平衡点温度升高,而两种成分均采用相同热处理工艺,因此奥氏体含量增多。图 2(c)和图 2(d)为焊缝区的显微组织,为典型的铸态组织,奥氏体含量分别为 41.6% 和47.5%。熔池金属从高温冷却下来,形成全铁素体, 继续冷却会优先在铁素体晶界形成奥氏体,同时 在晶界奥氏体上也会析出羽毛状的魏氏奥氏体组 织,在铁素体晶粒内部也有少量铁素体转变为奥 氏体组织。图2(e)和图2(f)为热影响区的显微组织,奥氏体含量分别为22.5% 和24.7%。图 片中左侧为低温热影响区,相比于母材,奥氏体发生粗化,同时有部分奥氏体转变成铁素体。右 侧为高温热影响区,焊接时该区域全部转变为铁素体,在随后冷却过程中,铁素体晶界和铁素体内部形成奥氏体,因此热影响区保留了高温铁素体的形貌。由于焊接时热影响区温度低于焊缝区,冷却速度较快,铁素体向奥氏体转变过程受阻,从而使得热影响区的奥氏体含量远低于焊缝区。

图 2 母材、焊缝及热影响区的显微组织

   未完待续