Q500qENH高強(qiáng)度耐候鋼焊接接頭的組織與耐蝕性

朱桂琴

(甘肅一安建設(shè)科技集團(tuán)有限公司,蘭州 730060)

高性能橋梁與重載列車等大量使用高強(qiáng)鋼,其在服役過(guò)程中承受著較大載荷。高強(qiáng)鋼經(jīng)常在較為惡劣的環(huán)境中工作,一旦材料性能發(fā)生變化,將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡[1]。Q500qENH高強(qiáng)度耐候鋼(簡(jiǎn)稱Q500qENH)是應(yīng)用最為廣泛的材料[2],但關(guān)于Q500qENH焊接組織的相關(guān)性能,尤其是耐蝕性的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道[3]。

胡秀華等[4]研究了高強(qiáng)鋁合金TIG和MIG焊接接頭的組織與耐蝕性,結(jié)果表明,焊核區(qū)受熱輸入的影響,晶粒粗大,硬度下降,熱影響區(qū)受到熱循環(huán)的作用,晶粒長(zhǎng)大,硬度相比于母材有所降低。朵元才等[5]研究了熱處理方式對(duì)鎳基焊材焊接347H接頭組織和性能的影響,認(rèn)為裂紋的產(chǎn)生與焊縫金屬高溫蠕變損傷、鐵素體含量及接頭拘束度呈正相關(guān)關(guān)系,且接頭拘束度受客觀因素制約,但其研究不夠深入,存在不足之處。苗俊安等[6]研究了Inconel625合金的焊接工藝及其耐蝕性,結(jié)果表明選擇合適的焊接工藝能夠獲得良好的焊縫質(zhì)量,但焊接接頭的腐蝕速率略高。

針對(duì)以上情況,筆者以Q500qENH高強(qiáng)度耐候鋼為母材,制作了兩種焊接接頭,考察了Q500qENH焊接接頭的耐蝕性。

1 試 驗(yàn)

1.1 試 樣

試驗(yàn)用母材為Q500qENH高強(qiáng)度耐候鋼[7-8],母材及焊材采購(gòu)于江蘇省無(wú)錫市城湟不銹鋼有限公司[9]。

采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(SMAW)制作了兩種焊接接頭,該方法具有高熔覆率、低飛濺率、高過(guò)渡系數(shù)、較低焊縫含氧量以及良好焊縫成型性等特點(diǎn)[10-12]。根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)采用對(duì)接方式焊接[13-14],使用V型坡口作為焊接接頭的坡口,見(jiàn)圖1。使用GER-C16型焊條,直徑為4 mm,焊道共設(shè)計(jì)4層,母材厚13 mm,焊接熱輸出16 kJ/cm,具體焊接參數(shù)見(jiàn)表1。母材及焊接接頭的化學(xué)成分及耐候指數(shù)見(jiàn)表2,1號(hào)(焊接接頭)試樣的耐候元素含量比2號(hào)(焊接接頭)試樣多。

表1 焊接工藝參數(shù)

表2 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及耐候指數(shù)

圖1 焊接坡口示意Fig.1 Schematic of welding groove

將母材和兩個(gè)焊接接頭切割成尺寸為50 mm×50 mm×5 mm的試樣,表面用砂紙逐級(jí)打磨拋光,經(jīng)丙酮除油、酒精清洗、冷風(fēng)吹干后,稱量待用。

為使焊接接頭試樣具有良好的韌性與強(qiáng)度,避免焊縫金屬熱脹冷縮造成的內(nèi)應(yīng)力不均勻分布,采取退火處理方法[15]。按照Q500qENH的特性,將試樣緩慢加熱到較低溫度(510～640 ℃),為使試件在內(nèi)部出現(xiàn)弛豫現(xiàn)象,開(kāi)展短時(shí)間保溫并等待試件緩慢冷卻。該熱處理只消除了試樣中有害應(yīng)力的影響,防止試樣由于內(nèi)應(yīng)力過(guò)大出現(xiàn)裂紋[16-17]。

1.2 性能表征

1.2.1 腐蝕性能評(píng)價(jià)

按照參考文獻(xiàn)[18],使用自動(dòng)周浸腐蝕試驗(yàn)箱(廣東省東莞市寶輪精密檢驗(yàn)儀器有限公司)對(duì)母材試樣及焊接接頭試樣進(jìn)行干濕交替加速腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)溶液為0.001 mol/L NaHSO3溶液,pH為4.3～4.9,采用恒溫水浴鍋(河北省滄州市慧牧儀器設(shè)備有限公司)控制試驗(yàn)溫度為45 ℃。一個(gè)干濕循環(huán)周期為1 h,其中浸潤(rùn)時(shí)間為10 min,干燥時(shí)間為50 min,試驗(yàn)時(shí)間為440 h。分別在試驗(yàn)110,220,330,440 h時(shí)取出試樣,采用由六次甲基四胺與鹽酸配制的清洗液清洗試樣,采用掃描電子顯微鏡(安徽省蚌埠市潁上力程儀器設(shè)備有限公司)觀察試樣的微觀形貌,并按照式(1)和(2)計(jì)算腐蝕速率(v)及腐蝕深度(D)。

式中:m0與m分別表示試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量;T為試驗(yàn)試驗(yàn);S為試樣的原始面積;ρ為材料密度。

1.2.2 耐候元素富集情況檢測(cè)

運(yùn)用電探針微量分析儀(廣東省深圳市康平電子儀器設(shè)備有限公司)檢測(cè)經(jīng)過(guò)110 h干濕循環(huán)腐蝕后試樣的元素富集情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

由圖2可見(jiàn):經(jīng)過(guò)110 h干濕循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后,母材試樣鼓泡較少,即母材試樣未出現(xiàn)較為嚴(yán)重的腐蝕;1號(hào)試樣表面呈現(xiàn)比較均勻、平整的銹斑,沒(méi)有出現(xiàn)比較明顯的鼓泡情況,去除腐蝕產(chǎn)物后,焊縫清晰可見(jiàn),未出現(xiàn)明顯腐蝕坑;2號(hào)試樣表面出現(xiàn)疏松的銹層,鼓泡大量出現(xiàn)且試樣表面顏色不均勻。去除腐蝕產(chǎn)物后,2號(hào)試樣表面出現(xiàn)大量黑色腐蝕坑,這表明2號(hào)試樣的耐蝕性比1號(hào)試樣差。

圖2 幾種試樣經(jīng)過(guò)110 h干濕循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后的表面宏觀形貌Fig.2 Surface macro morphology of several samples after 110 h of dry wet cyclic corrosion test before (a,c,e) and after (b,d,f) the removal of corrosion products

2.2 微觀形貌

由圖3和圖4 可見(jiàn):經(jīng)過(guò)110 h循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后,兩種焊接接頭試樣焊縫區(qū)域均出現(xiàn)結(jié)晶形態(tài)的附著物,1號(hào)試樣表面的銹層更加致密,呈現(xiàn)出聚集分布狀態(tài),而2號(hào)試樣表面銹層更加疏松、分散。隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至330 h,1號(hào)試樣表面銹層變得疏松,而2號(hào)試樣表面的銹層呈現(xiàn)出較為疏松的片狀,且在焊接接頭上散落。經(jīng)過(guò)440 h試驗(yàn)后,兩種試樣表面銹層均呈現(xiàn)附著狀態(tài),且同時(shí)產(chǎn)生裂紋,即兩種焊接接頭表面都形成了具有一定厚度且疏松的腐蝕層,但這兩種銹層具有不同的形狀。觀察焊縫的微觀腐蝕形貌可見(jiàn),腐蝕初期,焊縫表面先是緩慢出現(xiàn)腐蝕銹層,隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),腐蝕銹層變厚,從致密轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?。由此可?腐蝕初期,1號(hào)試樣的耐蝕性優(yōu)于2號(hào)試樣,這是由于1號(hào)試樣中的耐候元素比2號(hào)試樣多,但隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),兩種試樣的腐蝕情況并未出現(xiàn)明顯變化,說(shuō)明隨著耐候元素逐漸消耗,兩種試樣的腐蝕情況趨于一致。

圖3 經(jīng)過(guò)不同時(shí)間循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后,1號(hào)試樣焊縫位置的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of the weld of No.1 samples after cyclic corrosion testing for different times

圖4 經(jīng)過(guò)不同時(shí)間循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后,2號(hào)焊接接頭試樣焊縫位置的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of the weld of No.2 samples after cyclic corrosion testing for different times

2.3 元素富集情況

由圖5可見(jiàn):1號(hào)試樣添加了多種耐候元素,銹層較薄;而2號(hào)試樣只添了加少量鎳元素作為耐候材料,銹層較厚。電探針微量分析結(jié)果表明,1號(hào)試樣表面銹層出現(xiàn)大量耐候元素富集,這些元素對(duì)腐蝕有抑制作用。而2號(hào)試樣中的鎳元素富集效果較差,試樣腐蝕嚴(yán)重,且表面銹層未分為內(nèi)外兩層,穩(wěn)定性差且較為疏松,不能起到有效的保護(hù)作用。

圖5 兩種試樣的銹層截面形貌及元素富集情況Fig.5 Cross section morphology of rust layer(a,c) and element enrichment (b,d) of two samples

2.4 耐蝕性

由圖6(a)可見(jiàn):隨著干濕交替循環(huán)腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),兩種試樣的腐蝕深度逐漸加深,1號(hào)試樣的腐蝕深度始終低于2號(hào)試樣,即1號(hào)試樣的腐蝕情況弱于2號(hào)試樣的,這是因?yàn)楦嗄秃蛟氐募尤?提高了試樣的耐蝕性。由圖6(b)可見(jiàn):隨著干濕交替循環(huán)腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),焊接接頭腐蝕速率逐漸降低。即延長(zhǎng)腐蝕時(shí)間能夠促進(jìn)試樣表面銹層的致密與穩(wěn)定,有效隔絕腐蝕介質(zhì)與試樣的接觸,防止試樣繼續(xù)腐蝕。試驗(yàn)初期,兩種試樣的腐蝕速率差距較大,但是隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),由于外部銹層的保護(hù)作用,兩者的腐蝕速率差異變小。

圖6 兩種焊接接頭試樣的耐蝕性Fig.6 Corrosion depth (a) and corrosion rate (b) of two welded joint samples

3 結(jié) 論

不同耐候元素對(duì)于Q500qENH高強(qiáng)度耐候鋼焊接接頭耐蝕性的影響是不同的,添加少量且單一的耐候元素并不能有效改善焊接接頭的耐蝕性,只有混合多種耐候元素才能有效提升Q500qENH高強(qiáng)度耐候鋼焊接接頭的耐蝕性。