船用低合金鋼焊接件腐蝕行為研究

張彭輝，顧良華，丁康康，逄昆，范林

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船用低合金鋼焊接件腐蝕行為研究

張彭輝，顧良華，丁康康，逄昆，范林

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島，266101）

目的 研究船用低合金鋼焊接件在海水中的腐蝕行為。方法 采用金相組織觀察、極化曲線、電化學阻抗譜測試，以及掃描振動電極技術（SVET），對船用低合金鋼焊接件在天然海水中的腐蝕行為進行研究。結果 船用低合金鋼焊接件中熱影響區(qū)與焊縫區(qū)及母材區(qū)金相組織發(fā)生明顯分化，熱影響區(qū)腐蝕傾向最大，耐蝕性最差，并且易與母材區(qū)形成電偶發(fā)生破壞。SVET測試結果表明，最大陽極電流出現(xiàn)在熱影響區(qū)，隨著浸泡時間的延長集中于靠近母材處。結論 焊接件各區(qū)域間組織存在較大差異，熱影響區(qū)成為最易發(fā)生腐蝕破壞的區(qū)域，在海水中陽極反應發(fā)生在熱影響區(qū)，隨浸泡時間延長電流增大，腐蝕加重。

SVET；焊接件；低合金鋼；海水腐蝕

低合金鋼因其良好的性能，在船舶工業(yè)中得到廣泛應用[1—4]。焊接結構是低合金鋼在船舶上的主要結構形式，由于在焊接過程中接頭部位容易出現(xiàn)金屬成分和組織結構的改變，以及氣孔、夾雜等焊接缺陷和殘余應力問題，使得焊縫區(qū)成為整個構件的薄弱環(huán)節(jié)，在實際使用過程中易發(fā)生局部破壞，導致整個構件失效[5—9]。海水是一種復雜、苛刻的腐蝕介質(zhì)，船舶長時間服役于海洋環(huán)境中，更加加劇了焊接件的腐蝕，不僅嚴重影響著船舶的服役壽命，更造成巨大的安全隱患。

焊接件由于各區(qū)域組織發(fā)生分化，其腐蝕以局部腐蝕為主。傳統(tǒng)的宏觀電化學研究方法是以整個電極為研究對象，獲得電極過程的平均信息，無法獲得電極表面微區(qū)的電化學特性。掃描振動電極技術（SVET）可在不接觸樣品表面的情況下檢測樣品的局部腐蝕電位（電流）信息，在局部腐蝕、涂層性能研究等方面得到了應用[10—13]。采用SVET技術可以在無損情況下對焊縫腐蝕進行原位研究，可以更好地對焊接件局部位置的腐蝕過程和機理進行分析，從而彌補傳統(tǒng)電化學方法的不足。S. Wang等[14]采用SVET技術結合其他多種測試技術，對低合金鋼（A508）與鎳基合金（52M）焊縫在模擬壓水反應堆介質(zhì)中的腐蝕行為進行了研究。L.W. Wang等[15]采用熱模擬方法對X80管線鋼進行處理，制得了模擬焊接熱影響區(qū)的試樣，并采用SVET，LEIS等方法對其腐蝕行為進行了原位表征。S. J. Luo和R. Wang[16]研究了高頻焊接管材鋼焊接接頭在含硫條件下的腐蝕行為，研究結果發(fā)現(xiàn)，與母材區(qū)相比，焊縫區(qū)電位負，腐蝕電流密度大，焊縫區(qū)會由于與母材區(qū)形成微電偶而導致腐蝕加速。采用SVET對焊接接頭的腐蝕過程進行研究，能夠從微觀角度更好地研究焊接接頭的腐蝕行為，因此文中采用SVET測試技術，結合金相組織分析、極化以及電化學阻抗測試方法，對船用低合金鋼埋弧焊焊接件在海水中的腐蝕行為進行研究。

1 實驗

1.1 材料

焊接件母材材料為船用低合金鋼，其化學成分見表1。

焊接件采用埋弧焊工藝進行加工，焊條成分見表2。

表1 低合金鋼化學成分

表2 焊條化學成分

1.2 方法

1）金相組織分析。采用線切割切取尺寸為100 mm×16 mm×10 mm的試樣，試樣取樣以焊縫為中心，左右各取20 mm長度母材，確保所取試樣包含母材區(qū)、熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)。用180#，400#，800#，1200#，2000#砂紙逐級打磨試樣，然后用金剛石研磨膏拋光至鏡面。拋光后用無水乙醇清洗表面，并用吹風機吹干。采用4%硝酸酒精溶液對試樣表面進行浸蝕，浸蝕時間為15 s，然后用去離子水和無水乙醇依次清洗表面，吹干后采用Leica DIM 5000 M金相顯微鏡觀察試樣的金相組織。

2）電化學測試。在試樣焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)分別切割試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，工作面積為1 cm2。試樣除油吹干后在背部焊接銅導線，然后用環(huán)氧樹脂封裝，制成電化學測試試樣。工作面用180#，400#，800#，1000#砂紙逐級打磨，并用無水乙醇清洗表面，吹干后放入干燥器備用。將試樣浸泡在天然海水中，并對其進行電化學阻抗測試和極化曲線測試，對比分析各區(qū)域電化學性質(zhì)的差異。電化學測試采用三電極體系，工作電極為低合金鋼試樣，參比電極為飽和甘汞電極，對電極為鉑電極。采用PMC電化學工作站進行電化學阻抗和動電位極化曲線測試，電化學阻抗測試頻率范圍為100 kHz~10 mHz，激勵信號幅值為10 mV。動電位極化曲線測試電位（vs OCP）范圍為－0.25~1.6 V，掃描速率為0.33 mV/s。

3）SVET測試。按圖1切取試樣，試樣尺寸為15 mm×7 mm×4 mm。試樣背后焊接銅導線后用環(huán)氧樹脂封裝，露出工作面，工作面面積為15 mm×7 mm。對工作面進行打磨拋光，用無水乙醇清洗表面，并用吹風機吹干。SVET測試采用VersaSCAN電化學掃描系統(tǒng)，掃描探針為直徑50 μm的Pt-Ir微電極。試驗開始時將試樣置于電解槽中，并將試樣工作面調(diào)至水平。掃描探針在試樣上方沿垂直于試樣工作面方向振動，振幅為30 μm，調(diào)整探針與試樣表面間距離為100 μm，掃描區(qū)域如圖1所示。掃描面積為3 mm×15 mm，由母材區(qū)向焊縫區(qū)進行掃描。試驗開始前向電解槽中注入天然海水并沒過探針。SVET測試結果為試樣表面局部氧化還原反應的離子電勢差，依據(jù)儀器數(shù)據(jù)處理規(guī)范將測得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為局部電流密度。

圖1 焊接件測試試樣

2 結果與討論

2.1 金相組織觀察

對低合金鋼焊接試樣表面進行侵蝕后表面形貌如圖2所示。對焊接件表面不同區(qū)域進行金相觀察，對應區(qū)域金相組織如圖3所示。由圖3可知，焊接件不同區(qū)域金相組織差異較大。焊縫區(qū)微觀組織分布均勻，晶粒細小，其金相組織由大量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成。熱影響區(qū)主要為鐵素體和珠光體，呈明顯的帶狀分布，并且離焊縫區(qū)越遠，帶狀組織分化越明顯。母材區(qū)以板條貝氏體和針狀鐵素體為主，表面分布著碳化物顆粒。

圖2 焊接件金相試樣侵蝕后形貌

由于焊縫區(qū)是由焊條在熱源作用下，經(jīng)熔化凝固后形成的，因此焊縫與母材金相組織不同。熱影響區(qū)受熱源熱輸入影響，其組織發(fā)生變化，并且離熱源距離不同，受到的影響不同。由圖3可以看出，與母材相比，熱影響區(qū)組織明顯發(fā)生分化，導致熱影響區(qū)的組織與母材區(qū)不同。同時可看出，離熱源越遠，熱影響區(qū)組織不均勻性越小。

2.2 電化學測試

焊接件不同區(qū)段極化曲線的測試結果如圖4a所示。由電流密度可以看出，熱影響區(qū)的自腐蝕速率最大。試樣熱影響區(qū)腐蝕電位為－0.638 V，與焊縫區(qū)（－0.642V）接近，低于母材區(qū)電位（－0.631 V）。由于焊接過程中熱影響區(qū)成分和組織發(fā)生變化，化學成分和組織的不均勻性導致熱影響區(qū)的電極電位與母材區(qū)存在差異，使熱影響區(qū)與母材區(qū)之間易發(fā)生電偶腐蝕，使焊接件腐蝕失效[14]。

電化學阻抗測試結果如圖4b所示。采用三元件等效電路進行擬合，等效電路如圖5所示。其中s代表溶液電阻，t代表電荷轉(zhuǎn)移電阻，代表具有雙電層電容特性的常相位角元件。

焊接件各區(qū)域電化學阻抗測試結果擬合數(shù)據(jù)見表3。由阻抗測試結果可知，在整個焊接件中，熱影響區(qū)的阻抗值為最低，其耐蝕性最差。根據(jù)極化曲線測試結果，在焊接件中熱影響區(qū)發(fā)生腐蝕的傾向最大。同時，其腐蝕電位與母材區(qū)之間存在較大差值，因此熱影響區(qū)易與母材區(qū)形成電偶而發(fā)生腐蝕。在整個焊接結構中，熱影響區(qū)面積最小，因此在與母材形成電偶發(fā)生腐蝕過程中極易出現(xiàn)大陰極小陽極的情況，腐蝕一旦發(fā)生，熱影響區(qū)會發(fā)生較為嚴重的腐蝕，從而導致整個構件的失效。

2.3 SVET測試結果

SVET測試結果如圖6所示。試驗開始時，最大腐蝕電流出現(xiàn)在熱影響區(qū)與母材交界處。隨著時間的延長，熱影響區(qū)陽極電流覆蓋面積增加，陰極區(qū)仍出現(xiàn)在母材區(qū)。浸泡至5 h時，陽極電流密度明顯增大，熱影響區(qū)發(fā)生嚴重腐蝕，陽極電流峰值主要出現(xiàn)在熱影響區(qū)與母材區(qū)交界處，同時母材區(qū)陰極電流也增大，并且焊縫區(qū)也表現(xiàn)為陰極區(qū)。由圖6可知，在試驗周期內(nèi)，陽極反應主要發(fā)生在熱影響區(qū)，并且隨浸泡時間的延長，最大陽極電流密度增大。

表3 焊接件各區(qū)域電化學阻抗測試結果擬合數(shù)據(jù)

研究表明，鋼鐵中不同組織之間存在電化學性能差異[18]。由于焊接過程中熱輸入的影響，使熱影響區(qū)與母材區(qū)組織發(fā)生明顯分化，導致熱影響區(qū)與母材區(qū)之間存在明顯的電位差，從而在熱影響區(qū)與母材區(qū)之間產(chǎn)生了不同組織之間的電偶腐蝕。因此當試樣浸入海水中時，陽極反應首先在熱影響區(qū)發(fā)生，母材區(qū)則作為陰極得到保護，并且最大陽極電流出現(xiàn)在熱影響區(qū)與母材區(qū)交界處。同時根據(jù)極化以及電化學阻抗測試的結果，熱影響區(qū)自腐蝕速率最大，阻抗值最低，進一步加速了熱影響區(qū)的腐蝕。因此隨著時間的延長，熱影響區(qū)的腐蝕電流密度進一步增大。熱影響區(qū)在整個試驗周期中均作為陽極發(fā)生腐蝕，并且隨著浸泡時間的延長，表現(xiàn)為較為集中的局部陽極電流峰。這可能是由于受熱源影響不同，熱影響區(qū)本身組織也不均勻，其局部區(qū)域的電化學性質(zhì)也存在一定差異，電偶腐蝕發(fā)生后，對缺陷位置的加速作用更加明顯。因此在浸泡周期內(nèi)，熱影響區(qū)內(nèi)局部區(qū)域出現(xiàn)較大陽極電流。

圖6 不同浸泡時間SVET測試結果

3 結論

1）實驗用船用低合金鋼焊接件各區(qū)段之間的組織存在明顯差異，焊縫區(qū)金相組織由大量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成。熱影響區(qū)主要為鐵素體和珠光體，呈明顯的帶狀分布，并且離焊縫區(qū)越遠，帶狀組織分化越明顯。母材區(qū)以板條貝氏體和針狀鐵素體為主，表面分布著碳化物顆粒。

2）低合金鋼焊接件熱影響區(qū)具有最大的自腐蝕速率和腐蝕傾向，同時其阻抗值最小，耐蝕性最差。熱影響區(qū)與母材區(qū)存在較大的電位差，并且熱影響區(qū)在整個焊接結構中面積最小，熱影響區(qū)會由于電偶腐蝕而發(fā)生破壞。

3）實驗用船用低合金鋼材料在海水中發(fā)生局部腐蝕，陽極反應發(fā)生在熱影響區(qū)。隨浸泡時間的延長，最大陽極電流密度增大，腐蝕加重。陽極電流峰值主要出現(xiàn)在熱影響區(qū)與母材區(qū)交界處。

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Corrosion Behaviors of Welded Low-alloy Hull Steel

ZHANG Peng-hui, GU Liang-hua, DING Kang-kang, PANG Kun, FAN Lin

(State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Luoyang Ship Material Research Institute, Qingdao 266101, China)

Objective To study corrosion behaviors of low-alloy hull steel in seawater. Methods Corrosion behaviors of low-alloy hull steel were studied by metallurgical structure observing, potentiodynamic scanning, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and scanning vibration electrode test. Results There was obvious difference among metallographic structures in basement zone (BZ), heat-affected zone (HAZ) and weld zone (WZ). HAZ tended to have corrosion firstly, while the corrosion resistance of which was the lowest. And there was the probability of galvanic corrosion between HAZ and BZ. The result of SVET showed that the highest anodic current appeared in HAZ, and concentrated near BS as the time went on. Conclusion There are obvious differences among metallurgical structures in different zones, while HAZ turns out to be prior to corrode. Anodic reaction occurs at HAZ, and the max anodic current and corrosion increase with time.

SVET; weldment; low-alloy steel; seawater corrosion

10.7643/ issn.1672-9242.2017.06.019

TJ04; TG172

A

1672-9242(2017)06-0097-05

2017-04-01；

2017-05-01

張彭輝（1989—），男，山東煙臺人，碩士，工程師，主要研究方向為材料腐蝕與防護。