双相不锈钢焊接接头耐蚀性的研究进展

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双相不锈钢焊接接头耐蚀性的研究进展

双相不锈钢焊接接头耐蚀性的研究进展

来源:双相不锈钢发布:2020-05-19 20:00:52类别:双相不锈钢

简述了近年来对双相不锈钢焊接接头耐蚀性研究的进展及主要方向。主要介绍了异种焊接、特种焊接和传统焊接参数对双相不锈钢焊接接头耐蚀性的影响。大量的文献研究表明:接头处微观组织的变化、合金元素含量和第二相的析出均会对接头的耐蚀性造成影响。

双相不锈钢经过半个多世纪的发展和完善,已经与铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢并列,成为不锈钢家族中一类重要的分支。目前双相不锈钢发展至第三代,这类双相不锈钢因超低碳、高氮的合金成分设计,以及平衡的铁素体和奥氏体相比例控制,使其机械性能和耐蚀性较上一代均得到极大的提高,因而在船舶制造、桥梁、海底管道、石油钻井平台、化学工业中的脱硫脱硝装置等恶劣腐蚀环境中有着广泛的应用。

对于双相不锈钢的焊接而言,焊接时快速加热和冷却的过程会使双相不锈钢微观组织中析出一些有害的第二相,如σ相、γ相,同时也会破坏母材中铁素体和奥氏体两相的比例,进而恶化双相不锈钢的强度和耐蚀性,造成脆断、点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂,导致材料的失效。特别是微观组织中析出有害的第二相,一直是研究者们关注的重点问题之一。

近年来,随着特种焊接技术如激光焊和搅拌摩擦焊的不断普及,采用这些新型焊接方法焊接双相不锈钢对耐蚀性的影响也逐渐被国内外学者所关注,同时双相不锈钢与其他材料的焊接也有一些文献报道。另外,在传统焊接技术方面,优化焊接工艺参数从而改善双相不锈钢焊接接头的耐蚀性仍旧是近年来的主要研究方向。本文将对异种焊接、特种焊接和传统焊接参数对双相不锈钢焊接接头耐蚀性的影响进行阐述。

1双相不锈钢的异种焊接

对于异种材料的焊接,其难点在于焊缝和热影响区处的合金元素含量差异。由于两种母材合金元素含量不同,焊接时熔池中的合金元素会从高合金浓度向低合金溶度方向迁移,尤其是双相不锈钢与碳钢焊接时,这种迁移过程尤为明显。合金元素含量差异还会造成一些有害的二次相析出,恶化接头的机械性能和耐蚀性。除此之外,两种材料的热导率不同也会导致焊接完成后焊件上不同区域的热残余应力差异较大。

P.Bala Srinivasan等人写尝试采用双相不锈钢焊条E2209与奥氏体不锈钢焊条E309分别对双相不锈钢SAF2205与低碳钢进行手工电弧焊试验。试验结果表明:使用E2209焊条焊接的焊缝中对耐蚀性有益的氮元素和钼元素含量较高,因此在焊缝的动电位极化曲线测试中,采用E2209焊接的焊缝其点蚀电位高于用E309焊条焊接后焊缝的点蚀电位,表明使用E2209焊条进行焊接得到的焊缝其耐蚀性要优于用E309焊条焊接得到的焊缝。Aboulfazl MoteshakkerIman Danaee分别采用了AWS ER 347AWS ER316LAWSER309L三种焊丝对SAF2205AISI316L进行TIG(钨极氩弧焊)焊,其焊接电压为12V、电流为100A、速度为1mm/s,采用纯氩气保护,接头的耐蚀性由动电位极化曲线和电化学阻抗谱来评价。他们的研究结果发现:三种试样的焊缝中均有少量的铁素体存在,采用AWSER347焊丝焊接的焊缝中形成有少量有害的σ相,降低了焊缝组织的耐蚀性;而用AWSER309L焊丝焊接的焊缝中,具有高耐蚀性的铁素体含量较多,电化学测试结果也表明了其耐蚀性高于其余两种。

Shaogang Wang Qihui MaYan Lif通过手工电弧焊和钨极氩弧焊这两种焊接方法焊接SAF220516MnR,研究其对焊接接头的合金成分、机械性能和耐蚀性的影响。研究结果表明:钨极氩弧焊的热输人小于手工电弧焊,采用钨极氩弧焊进行焊接可获得晶粒较细的焊缝,其表面更容易形成一层致密的氧化膜,使腐蚀性离子不能轻易地穿过饨化膜进行扩散,因而焊缝处呈现出比手工电弧焊更高的耐蚀性。

2双相不锈钢的特种焊接

随着现代化生产对材料性能要求的逐步提高和工件结构的日趋复杂,要求焊接接头所能达到的性能也日益苛刻。激光焊作为高能束焊接方法之一,具有热量集中、焊缝深宽比大、无磁偏吹干扰和生产效率高等诸多优势,特别适合于精密设备的焊接。搅拌摩擦焊是一种固态焊接方法,它通过搅拌头的摩擦生热和高旋转形成金属塑性流动来达到焊接的目的,其焊合区在力学和冶金的共同作用下可形成致密的细晶组织,从而获得性能优良的焊接接头。近年来,对采用这些特种焊接方法的焊接接头其耐蚀性的研究也在逐步进行。

H. Sarlak等人研究了采用搅拌摩擦焊对双相不锈钢焊接后在硫酸溶液中的腐蚀行为。试验采用转速为800r/min的搅拌头分别以50mm/min100mm/min150mm/min三种不同的焊接速度对1.5mm厚的SAF2205板材进行焊接,随后耐蚀性评价由动电位极化曲线和浸泡试验测出,钝化膜的半导体特征由Mott-Schottky分析得到。试验结果表明:所有母材和焊缝的试样都包含了较宽的钝化区和较短的活化钝化转变区;另外,母材的腐蚀电流密度均大于焊缝,焊接速度为150mm/min的试样具有最小的腐蚀电流密度,说明其耐蚀性最高。这是由于增加焊接速度会使奥氏体和铁素体的晶粒尺寸降低,提高了搅拌区的耐蚀性。根据Mott-Schottky分析结果计算出的载流子浓度随着搅拌区晶粒尺寸的下降而降低,该分析结合浸泡试验测试结果表明:晶粒尺寸的降低增加了搅拌区的钝化行为,焊接速度为150mm/min的试样呈现出最好的耐蚀性。

A-H.I.Mourad等人对比分析了采用TIG焊和二氧化碳激光焊焊接2205双相不锈钢6.4mm厚度的板材,两种焊接方法均采用无填充的自熔焊。

钨极氩弧焊所用电流为110A、电压为12V、焊接速度为0.15m/min、保护气为氩气、气流量为15L/min

激光焊的离焦量为0mm,纯氩气保护,气流量为20L/min,最大激光功率为8kW。与TIG焊相比,激光焊的熔合区尺寸明显减少,焊缝和热影响区的相比例平衡易受焊接过程的影响。而TIG焊热输入较高,焊缝和热影响区的相比例更接近母材组织的相比例。但是,激光焊焊接接头的耐蚀性要比TIG焊接接头好得多,TIG焊和激光焊焊接接头的年腐蚀速率分别为0.2456mm/年、0.05334mm/年。经分析得出:这是由于激光焊的焊缝与热影响区的晶粒尺寸较小,提高了接头的耐蚀性,而不是由铁素体和奥氏体的相比例偏离平衡所致。

Rui Lai等人研究了激光焊中氮吸收对组织和耐蚀性的影响。Rui Lai指出,激光焊时氮元素的损失非常严重,而通过在保护气中加入氮气是一种有效抑制焊接时氮元素损失的方式,而且这种方式不会增加气孔的发生概率,也不会降低激光束的穿透能力,但是,焊缝中的氮含量仍旧低于母材。在激光焊特有的快速冷却过程中,少量的氮吸收对焊缝中奥氏体含量的增加起到至关重要的作用。研究发现当工件的上、下表面均采用纯氮气作为保护气时,焊缝中的奥氏体含量接近40%,且奥氏体沿着激光焊穿透深度均匀分布,吸收的氮元素对奥氏体形貌的影响也比较明显。对于激光自熔焊而言,高温铁素体转变成的奥氏体形貌有仿晶界状、魏氏体条状、晶内析出三种,当保护气中加入氮气后,仿晶界奥氏体和魏氏体状的奥氏体显著增加,尤其是魏氏体状的奥氏体。双相不锈钢的奥氏体含量和形态是耐腐蚀的主要因素之一,动电位阳极极化曲线的测试结果表明:氮气作为保护气可提高焊件的抗腐蚀能力。

3双相不锈钢传统工艺焊接及参数优化

双相不锈钢在焊接时经历的热作用会严重损害母材的性能,尤其是耐蚀性和韧性。这是由于焊接时铁素体含量过大和有害的二次相的析出所致。焊缝的组织和性能可由高合金焊丝和含氮的保护气改善,但是热影响区却无法用上述方法改善组织和提高性能,因此最容易成为接头的薄弱区。

针对这一问题,Hua Tan等人通过gleeble热力模拟机在不同的热输入下对2304双相不锈钢进行多道焊热影响区的模拟,研究多道焊热影响区上微观组织的变化和对耐蚀性的影响。研究表明:在2304双相不锈钢单道焊时,有一些氮化物在铁素体和奥氏体边界析出,显著恶化了微观组织和耐蚀性。随着焊道数增加,铁素体含量降低,临界点蚀温度也随之增加,表明耐蚀性逐步提高,但仍然低于母材的临界点蚀温度。

Lindou Chenf10则是通过改变冷却速度来研究双相不锈钢热影响区的微观组织变化和耐蚀性的影响。研究结果表明:随着1300℃到800℃区间的冷却速度由100C/s降低到10C/s,铁素体中CrMo的含量增加,Ni的含量下降;与此同时奥氏体中CrMo的含量下降,Ni的含量增加。冷却速度降低时,合金元素的扩散作用促进了更多的奥氏体形成,观察发现冷却速度降低时奥氏体的质量分数从27.8%增加到35.7%

另外,合金元素含量的变化也导致两相的点蚀抗力指数(PREN)发生变化,铁素体的PREN值始终低于奥氏体的PREN值,因此铁素体成为弱相,更容易招致点蚀的发生。Yanjun Guo等人调查了冷却速度对双相不锈钢新钢种2202模拟热影响区的组织演变规律和耐蚀性的变化情况。当1300℃到800温度区间的冷却速度由100/s降低到10/s时,奥氏体相的含量和晶粒尺寸均显著增加。与此同时,临界点蚀温度值也由31.2C增加到43.6C,点蚀电位从0.322V增加到0.477V,表明耐蚀性随着冷却速度的降低而提高。冷却速度为100/s时,由于铁素体基体中的Cr2N析出形成贫Cr区,导致铁素体内部和铁素体与奥氏体边界发生点蚀。当冷却速度为50/s30/s20/s时,稳态的点蚀坑全部在铁素体内部,表明铁素体的耐蚀性比奥氏体更低;当冷却速度为10C/s时,点蚀首先发生在两相的边界处。此外,随着冷却速度的降低,铁素体相的PREN值下降,而奥氏体的PREN值上升,冷却速度为10/s时两相的PREN值差距最小,表明两相的耐蚀性接近相等。

Hye-Jin Kim等人考察了保护气中加入氮气对双相不锈钢焊接接头冲刷腐蚀的影响。研究表明:保护气中加入氮气加强了凝固过程时奥氏体的形成,降低了铁素体的含量和氮化物的析出,同时氮元素也强化了金属表面钝化膜的修复能力,使接头的耐蚀性得到提高。另外,还观察到在热影响区上由于氮化物的析出和粗大的铁素体晶粒形成,使该区域成为最容易遭受侵蚀的部位,恶化了接头的机械性能和耐蚀性。

Z.Brytan则是选取了不同的混合气作为TIG焊的保护气来研究接头的耐蚀性。研究发现:氩气中加入5%的氮气可降低接头上的腐蚀速率,但是加入10%15%的氮气会导致更大的腐蚀电流密度。分析表明:氩气中加入过量的氮气作为保护气在较低热输入焊接时,铁素体中过饱和的氮元素会形成Cr2N,低热输入时的急速冷却过程和高热输入时氮元素的烧损均会导致热影响区和焊缝处铁素体含量增加。因此为了提高接头的耐蚀性,应当综合考虑热输入值和加入的氮气含量对耐蚀性的影响。

Abbas Eghlimi研究了电流类型对双相不锈钢TIG焊接头的微观组织和耐蚀性的影响。Abbas Eghlimi指出,恒电流焊接的冷却速度较慢,微观组织中奥氏体含量较多,因此展现出更好的耐蚀性。而电化学阻抗谱的测试结果表明:采用脉冲电流焊接的试样表面钝化膜的缺陷更多,金属离子更容易穿过钝化膜表面,降低了接头的耐蚀性。

4结论

纵观近年来国内外对双相不锈钢焊接接头耐蚀性的研究进展来看,已有大量的文献对此进行研究和调查。这些研究从材料角度既涉及了新开发的耐蚀性更强的超级双相不锈钢,也包含更具经济性的节镍型双相不锈钢,从焊接工艺角度既包括常规的手工电弧焊和TIG焊,也包括激光焊和搅拌摩擦焊等特种焊接方法。由此可以看出,对于不同的双相不锈钢钢种,不同的焊接方法和焊接参数对微观组织的形貌、两相比例以及第二相的析出情况均有较大影响。目前,对于这些新材料和新工艺的耐蚀性研究并不系统,如新钢种在焊接时微观组织的演变规律和合金元素的扩散过程等因素对耐蚀性的影响仍需更深入而细致的研究。

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