焊接工藝對316J1L不銹鋼焊縫耐海水腐蝕性能的影響

 浙江至德鋼業有限公司通過提高焊接速度，減小焊接電流等手段改進316J1L的焊接工藝，提高了焊縫的耐海水腐蝕性能。利用金相顯微鏡、掃描電鏡及Ｘ射線衍射技術對原失效焊件及改進工藝焊件三區的微觀組織形貌、元素分布、物相組成等進行測定，測量２種工藝下焊件三區的動電位極化曲線，并對電化學特性進行了比較分析。結果表明：改進工藝后焊件三區平均晶粒度較大，元素分布更加均勻，腐蝕電流密度更小，腐蝕電位更高，腐蝕速率顯著降低。

 316J1L超低碳奧氏體不銹鋼具有高韌性、高強度、良好的焊接性和耐腐蝕性等特點，在海洋工程中廣泛應用。由于逆頻直流手工電弧焊操作方便，使用靈活，適應性強，所以比較適合海洋環境下復雜結構件的連接。然而，該焊接方法在不同焊接工藝下，其焊接接頭的元素分布不均勻，合金成分、顯微組織及晶粒大小差距較大?？梢姾附庸に噷缚p耐蝕性能的影響較大。不合理的焊接工藝會導致嚴重的腐蝕破壞，這種海水腐蝕破壞往往會對生產造成極大的影響。輕者引起系統停止，需要進行復雜的檢修；重者發生管道爆裂，造成巨大的經濟損失和嚴重的環境污染。

 目前，科研工作者已經對不銹鋼焊縫的腐蝕進行了大量研究。周子業等采用外觀檢查等多種方法發現儲罐腐蝕縫隙往往出現在熱影響區，呈網狀，可以通過改進焊接工藝防止泄露的發生。羅輝等通過草酸腐蝕和硫酸－硫酸鐵腐蝕實驗發現：隨著焊接線能量的增加，其焊接接頭腐蝕越嚴重，且這種腐蝕有增加的趨勢。秦建等在S30408不銹鋼上進行了等離子弧打底及蓋面焊接工藝研究，結果發現：采用合理的焊接工藝參數可以得到綜合性能良好的焊縫。至德鋼業為了獲得激光電弧焊的最佳工藝參數建立了克里格模型，該模型的最優解與實驗結果高度相似，且焊接工藝參數對焊縫形狀影響較大。在316J1L上采用電弧焊，在100Ａ的電弧電流下焊縫缺陷最低，硬度最高，可看作是最合適的電流。張鵬舉等發現：奧氏體不銹鋼焊接線對熱敏感，耐腐蝕性較弱，可以通過小電流、快速焊、快速冷卻等加以改善。

 研究者雖然意識到焊接工藝對耐蝕性能的影響，但是較少去分析工藝引起焊縫耐蝕性能改變的內在原因，而這些原因恰恰是選擇合理焊接工藝的依據。因此，通過對比實驗，筆者綜合分析了工藝影響焊縫耐蝕性能的原因。

一、實驗

 1. 實驗材料

 母材為316J1L不銹鋼，成分如表所示。焊條為Ａ022奧氏體焊條，成分如表所示。

 2. 試樣制備

 采用逆頻直流手工電弧焊，母材加工成6ｍｍ×30ｍｍ×70ｍｍ的塊狀焊接試樣。對接焊接時，錯邊應小于0.5ｍｍ。坡口角度為65～75°，鈍邊為1.0ｍｍ，對組間隙為1～2ｍｍ。采用雙層焊，第1層打底，第2層蓋面。層間溫度控制在60℃以下，焊接時盡量使用低線能快速施焊方式焊接，防止600～900℃區間敏化，析出σ相。在原有工藝的基礎上，并且在保證順利施工的參數范圍內，盡量使用小電流、高速度焊接，從而改進原有的焊接工藝。

 316J1L不銹鋼原失效焊縫區域和改進工藝后的焊縫區域如圖所示。用國產鑲嵌機將截取的試樣制備成金相試樣。然后依次使用400＃、800＃、1000＃、1200＃金相砂紙在金相預磨機上將金相試樣磨光。在雙頭金相拋光機上對磨光的金相試樣進行拋光。

 3. 焊件表征方法

 首先，用酒精和丙酮清洗試樣，吹干待用。將試樣在堿性赤血鹽水溶液中煮沸2～4分鐘，用金相顯微鏡觀察并檢測試樣的金相組織；用蘸有氯化鐵鹽酸水溶液的棉球輕度擦拭試樣表面10～20秒，用掃描電鏡觀察并分析試樣的化學成分；在相同條件下用衍射儀分析焊件三區的腐蝕產物；用德國電化學工作站對試樣的電化學特性進行分析，（飽和甘汞）電極為參比電極，鉑為輔助電極，電極置于氯化鈉溶液中，溫度為25℃，非工作面用704硅橡膠膠黏劑密封，有效工作面積為0.2平方厘米，掃描速率為2ｍV/s。

二、結果與討論

 1. 金相組織觀察

 316J1L不銹鋼焊接時歷經一系列復雜的非平衡物理化學反應，受焊接熱循環的影響，焊接接頭不同區域的微觀組織存在顯著差異。分別截取原失效焊縫區域、改進工藝焊縫區域的材料作為試樣，記錄金相組織圖片，如圖所示。

 由圖可知，工藝改進后焊件三區整體晶粒變化不大，晶界減小不明顯。對比圖發現：工藝改進后焊縫區相較失效焊縫區晶粒度較大，分布方向趨勢不明顯，由晶間滑移引起的位錯顯著減小。圖為2種工藝焊件的熱影響區，失效焊縫熱影響區組織發生了明顯的變化，有部分孿晶，晶粒十分粗大，而且晶粒均勻性較差。316J1L不銹鋼焊縫中晶粒度差異較大的混晶區通常是產生晶間腐蝕最薄弱的環節，所以失效焊縫熱影響區通常晶間耐蝕性能最差。此外，晶粒長大的驅動力主要取決于溫度，改進后的工藝由于采用小電流、高速度，因此，高溫停留時間較短，焊縫溫度相對失效焊縫較低，促使晶粒長大的動力較弱。圖中的晶粒度顯著大于圖，驗證了上述推論。

 通過顯微鏡的軟件自動評級功能及截距法得到２種工藝焊件各區晶粒度等級和對應平均晶粒尺寸，如表所示。由表可以看出，2種工藝下的焊件晶粒度由小到大順序均為：熱影響區＜焊縫區＜母材區。對比計算出的平均晶粒尺寸發現：改進工藝焊件總體晶粒細化程度有很小的提高，這和至德鋼業研究結果一致。結合圖這種晶粒度略微增大，使晶界數量增加有限。因此，晶間腐蝕的變化不大，對焊縫整體耐蝕性能影響較小。此外，改進工藝焊縫各區晶粒度差異相對較小，晶內能量差異也相應較小，因而在一定程度上抑制了由晶粒度引起的腐蝕微電池的形成，從而減緩了腐蝕進程。

 2. 掃描電鏡實驗

 通過SEM掃描，得到了原失效焊縫及改進工藝焊縫區域的元素分布，如圖所示。由圖可知，原失效焊縫區融合線附近鉻、鐵質量分數明顯減少；由圖可知，改進工藝焊縫三區元素分布較為均勻。對比圖改進工藝焊縫區鉻、鐵、鎳質量分數明顯高于失效焊縫，且出現了錳元素。原焊接工藝由于速度慢，電流大，故焊縫溫度較高，冷卻速度較快，易產生偏析，導致焊縫區鉻的突減。鉻質量分數會影響316J1L不銹鋼焊縫耐海水腐蝕性能，這是因為在腐蝕過程中會形成三氧化二鉻的致密保護膜減緩腐蝕的進行。鉻質量分數越大，三氧化二鉻保護膜的厚度越大，越能有效減緩金屬離子對外擴散，阻礙有害離子對基體的破壞。新工藝焊縫鉻質量分數較高，且無明顯突變，因而耐蝕性會較好。失效焊縫區鐵的銳減阻礙了其他諸如碳、氧等元素與鐵形成性能優異的化合物的可能性，在一定程度上削弱了失效焊縫區的耐蝕性能。此外，失效焊縫區鐵元素分布極不均勻。在電解液中，由于合金成分分布不均勻，導致其在電解質界面上電極電位分布微觀不均勻，因而很容易形成腐蝕微電池，進而加速整個焊縫區的腐蝕進程。失效焊縫區包含鐵在內的多種元素分布離散較大，腐蝕微電池形成傾向較大，因而腐蝕進程較快。改進工藝焊縫鎳的質量分數顯著高于失效焊縫，鎳作為一種穩定的元素，其質量分數的增加容易在焊縫形成一層致密層，同時能提高不銹鋼焊縫的自腐蝕電位，增強其耐蝕性。另外，改進工藝焊縫中出現了錳，且質量分數在2%左右。研究發現，2%左右的錳合金相關特性最好，析出二次相晶粒度最大?？梢?，元素的質量分數及其分布是影響2種焊縫耐蝕性能差異的重要原因之一。

 3. XRD物相分析

 原失效焊縫及改進工藝后焊縫的XRD衍射峰圖如圖所示。

 由圖可知，2種焊接工藝下腐蝕產物略有不同，而不同的腐蝕產物對基體腐蝕性能的影響差異較大。316J1L不銹鋼焊縫σ相的產生容易導致晶間貧鉻，使得靠近σ相的晶粒表面鈍化膜嚴重缺鉻，因而鈍化膜被破壞，難以產生保護作用。改進工藝后的焊縫主相是 鉻：0.19、鐵：0.7、鎳：0.11 非主相是 鐵：9.7、鉬：0.3、。鐵鉬相不僅能有效阻止鐵氧化物的還原，而且能形成致密的保護膜，改善焊縫的耐腐蝕性能。通常在3％左右的氯化鈉溶液中，鐵-鉬相的自腐蝕電位會相對純鐵正移，且腐蝕電流只有純鐵的7%～20%。對比失效焊縫和改進工藝后焊縫的XRD圖可以發現，兩者區別在于非主相的不同，這或許是2種工藝下焊縫耐蝕程度不同的內在原因。

 4. 焊縫區電化學性能分析

 失效焊縫及改進工藝后焊縫三區的極化曲線如圖所示。由圖可知，隨著電位的升高，腐蝕電流密度在鈍化區內為維鈍電流；過鈍化區以后，極化電流逐漸增大，并且出現“震蕩”。這是由于活性陰離子氯離子在金屬表面形成微電池，增強了腐蝕的活性，破壞了金屬表面的鈍化膜，進而加劇了腐蝕。焊縫區極化曲線總體較陡，極化曲線越陡，極化率越大，對防止金屬腐蝕越有利，可知316J1L不銹鋼具有良好的耐腐蝕能力。由圖可知，熱影響區和焊縫區的自腐蝕電位得到提高，這使焊件三區的電位差減小。316J1L焊接接頭是一個多電極體系，域內局部構成了錯綜復雜的電化學電池關系。電位差作為此原電池的驅動力，將直接影響焊縫的腐蝕進程。改進工藝后焊縫電位差異的減小抑制了腐蝕微電池的形成，因而提高了焊縫的耐腐蝕性能。通過弱極化區三參數法對極化曲線進行擬合計算，結果如表所示。

 由表可知，改進工藝焊件三區的自腐蝕電位除了母材區相近外，熱影響區及焊縫區的自腐蝕電位都遠高于失效焊件，因而改進工藝焊件較難發生腐蝕。改進工藝焊件三區的自腐蝕電位差異相對較小，而在電解質溶液中，腐蝕微電池的驅動力主要來源于電位差。因此，改進工藝焊件的腐蝕微電池的驅動力遠弱于失效焊件。此外，改進工藝焊縫區的電流密度只有失效焊縫的一半甚至更低，而改進工藝熱影響區的電流密度為失效焊縫的3倍以上。通過計算發現：2種工藝下不同區域的腐蝕速率也有上述規律，可見改進工藝焊件的整體腐蝕行為遠弱于失效焊件。

三、結論

 1. 工藝改進后的焊縫區晶粒度較大，由滑移引起的位錯等缺陷較少；晶粒大小比較均勻，有利于抑制腐蝕微電池的形成。

 2. 改進工藝焊縫區有益元素質量分數遠多于失效焊縫，且分布相對均勻，有效抑制了局部微電池的產生。改進工藝焊縫區無σ相析出，避免了晶間貧Ｃｒ，而Ｆｅ－Ｍｏ相的析出提高了自腐蝕電位，增強了焊縫的耐腐蝕性能。

 3. 改進工藝焊件三區電化學特性得到顯著的改善，腐蝕速率明顯減小。