不同焊接材料對耐候鋼焊接接頭耐腐蝕性能的影響

高立軍,楊建煒,曹建平,張 熹,王鳳會

(首鋼集團總公司技術研究院,北京 100043)

信息

不同焊接材料對耐候鋼焊接接頭耐腐蝕性能的影響

高立軍,楊建煒,曹建平,張 熹,王鳳會

(首鋼集團總公司技術研究院,北京 100043)

利用周期浸潤循環腐蝕實驗,結合掃描電鏡以及電化學分析等手段,研究了不同耐候指數的焊接材料對耐候鋼焊接接頭耐腐蝕性能的影響。結果表明,采用普通焊接材料焊接得到的焊接接頭銹層厚度不均勻,焊接接頭處局部腐蝕嚴重。采用與母材耐候指數相近的焊接材料焊接得到的焊接接頭銹層區分為內銹層和外銹層,內銹層致密且存在大量Cr元素,焊接接頭與母材發生均勻腐蝕。

耐候鋼;耐候指數;焊接接頭;腐蝕

1 引言

耐候鋼由于成本比不銹鋼低,而耐大氣腐蝕性能比普碳鋼有較大的提高,因此得到了廣泛的應用[1-3]。隨著大型橋梁建設中鋼板最大使用厚度的增加,對橋梁鋼耐候性能的要求越來越突出。耐候橋梁鋼在使用過程中通常經過焊接工藝制造,在考慮橋梁整體結構的耐腐蝕性能時,需要綜合考慮耐候鋼母材和焊接接頭的耐蝕性[4]。

大型橋梁鋼結構中的焊接接頭由于冶金、化學、力學的作用,導致接頭耐腐蝕性能不同于母材,往往會成為結構件中的薄弱環節。如何選擇合適的焊接材料和焊接工藝,使母材和焊接接頭耐腐蝕性能相當,是大型橋梁結構安全性的重要保障。20世紀中期,美國材料與試驗協會在不同大氣環境中對270余種化學成分低合金鋼進行了15.5年的暴曬試驗[5],Larrabee和Coburn對腐蝕數據進行回歸得到Legault-Leckie線性公式:I=26.01(%Cu)+3.88 (%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P) -7.29(%Cu)×(%Ni)-9.10(%Ni)×(%P)-33.39(%Cu)2(其中將I定義為耐候指數,規定耐候鋼的耐候指數I＞6)。

以下研究了不同耐候指數焊接材料對耐候鋼焊接接頭的耐腐蝕性能的影響,為耐候橋梁鋼焊接材料的選擇提供數據支持。

2 實驗方法

實驗材料為Q420qENH耐候橋梁鋼和兩種耐候指數的焊接材料,其具體化學成分和耐候指數見 表1。

表1 母材及焊材化學成分

圖1 耐候鋼母材及焊縫的電化學開路電位

兩種焊接材料的焊接實驗采用相同的焊接工藝,焊接設備采用YD-500氣體保護焊機,焊接方法采用CO2氣體保護焊,采用V型坡口,焊接熱輸入為15 kJ/cm。耐候鋼母材和焊接接頭取樣尺寸為40 mm×60 mm×4 mm,試樣表面磨光,丙酮除油,酒精清洗,用吹風機吹干后稱重備用。

利用PARSTAT2273電化學工作站對耐候鋼母材及兩種焊接接頭進行電化學開路電位測試。實驗采用三電極體系,實驗溶液為3.5%的NaCl,輔助電極為Pt片,參比電極為Ag/AgCl電極,試樣為工作電極,室溫下開路電位掃描10 min。

利用循環腐蝕試驗箱對母材及焊接接頭進行室內加速腐蝕實驗,實驗介質為3.5%的NaCl溶液,溫度(45±2)℃,濕度70%±5%,每個循環周期為60 min,其中浸潤時間12 min,干燥時間48 min,實驗持續時間為72 h。對腐蝕后的試樣進行除銹、稱重,計算失重腐蝕速率,每組取3個平行樣測量取平均值。利用JSM-7001F型環境掃描電鏡觀察母材和焊縫處銹層的微觀結構及成分。

3 實驗結果與討論

3.1 電化學開路電位

圖1為耐候鋼母材和不同耐候指數焊接接頭的電化學開路電位。從圖1中我們可以看到,掃描10 min穩定后,母材的開路電位值為-0.48 V,1號焊接接頭焊縫的開路電位值為-0.478 V,2號焊接接頭焊縫的開路電位值為-0.573 V。電化學開路電位表征的是材料表面的腐蝕電化學活性,開路電位越正,材料表面腐蝕傾向性越小,活性越低,反之開路電位越負,材料表面腐蝕傾向性越大,活性越大,耐腐蝕性能差。1號焊接接頭焊縫的電化學開路電位值與母材相差不大,而2號焊接接頭焊縫的電化學開路電位值要比1號和母材負很多,這說明1號焊接接頭焊縫與母材耐腐蝕性能相當,2號焊接接頭焊縫耐腐蝕性能差。

3.2 腐蝕后銹層形貌

72 h周期浸潤加速腐蝕后耐候鋼母材及焊接接頭的銹層表面形貌見圖2?？梢钥吹?母材腐蝕后表面為顏色均勻的黃色銹層,1號焊接接頭腐蝕后表面銹層顏色均勻,焊縫和母材沒有明顯的顏色界限,而2號焊接接頭腐蝕后焊縫區為黃色銹層,母材區有一部分與焊縫銹層顏色不一致。

圖3為除去表面銹層后各試樣基體的表面形貌?？梢钥吹?1號焊接接頭表面腐蝕坑均勻地分布在母材與焊縫區域,而2號焊接接頭在焊縫區域的腐蝕坑比在母材區域分布密集。

腐蝕后母材和焊縫銹層的斷面形貌見圖4。從圖中可以看到,母材的銹層區分為外銹層和內銹層,靠近基體的內銹層均勻致密,整個銹層厚度為40 μm左右。1號焊接接頭焊縫的內銹層均勻致密,整個銹層厚度為35μm左右。2號焊接接頭焊縫的內外銹層區分不明顯,整個銹層不均勻,平均厚度為50μm左右。

3.3 討論

耐候鋼由于加入了Cu、Ni、Cr等合金元素,后期形成的銹層致密、穩定,對基體的保護性能好,因而耐大氣腐蝕性能比碳鋼得到了很大的提升。有研究表明,Cr是耐候鋼銹層中主要的富集元素,Cr元素的富集有利于細化銹層晶粒,提高銹層的腐蝕電位,阻礙耐候鋼的陽極溶解反應,有利于提高耐候鋼的耐大氣腐蝕性能[6-8]。

圖2 腐蝕后銹層表面形貌

圖3 除銹后試樣表面形貌

圖4 銹層斷面形貌

表2～4分別為耐候鋼母材、1號焊縫和2號焊縫銹層的斷面形貌在高倍數下的EDS能譜成分?？梢园l現,耐候鋼母材內銹層靠近基體位置存在Cr元素,含量在0.6%～1.2%,而外銹層沒有發現Cr元素。1號焊縫內銹層靠近基體處也發現了Cr元素,含量在0.7%左右,外銹層沒有發現。2號焊縫整個銹層中沒有發現Cr元素。

表2 母材銹層成分(wt%)

表3 1號焊縫銹層成分(wt%)

表4 2號焊縫銹層成分(wt%)

上述研究結果表明,采用耐候鋼指數與母材相當的焊接材料進行焊接,得到的焊接接頭耐腐蝕性能與母材的耐腐蝕性能差別不大,表明生成的銹層中Cr元素在內銹層富集,焊縫與母材發生均勻腐蝕。采用普通的焊接材料進行焊接,得到的焊接接頭耐腐蝕性能很差,焊縫處局部腐蝕現象嚴重。因此,在對耐候鋼結構件進行焊接時,采用與母材耐候指數相當的焊接材料有利于耐候鋼發生均勻腐蝕,提高結構件的整體安全性。

4 結論

(1)利用普通焊接材料焊接耐候鋼得到的接頭耐腐蝕性能差,局部腐蝕嚴重,利用耐候指數與母材相近的焊接材料焊接得到的接頭耐腐蝕性能與母材相當。

(2)在對耐候鋼結構件進行焊接時,應當采用與母材耐候指數相近的焊接材料,有利于提高結構件的整體安全性。

[1] 侯文泰,梁彩鳳.經濟耐候鋼[J].鋼鐵研究學報,1994, 6(2):40-46.

[2] Yamashita M,Miyuki H,Nagaro H.The long term growth of the protective rust layer formed onwreathing steel by atmospheric corrosion during a quarter of a century[J].Corrosion Science,1999,41(9):1687 -1702.

[3] Johnson J B.Short-term atmospheric corrosion of steel at two weather and pollution monitored sites[J].Corrosion Science,1997,17:691.

[4] 張淑娟,羅嬌,劉東升.Q500q ENH特厚橋梁鋼板及其焊接接頭的耐腐蝕性能[J].上海金屬,2014,36(1):18 -22.

[5] Larrabee,Coburn.Corrosion resistance of high-strength low-alloy steels as influenced by composition and environment[J].Corrosion.1953,9(9):259-271.

[6] 汪兵,劉志勇,陳吉清,等.Cr含量對耐候鋼耐候性的影響[J].材料保護,2014,47(5):61-63.

[7] 封輝,劉峰,王本賢,等.Cu和Cr對耐候鋼的力學性能及耐蝕性能的影響[J].材料熱處理學報,2012,33(1): 110-116.

[8] 王建軍,郭小丹,鄭文龍,等.海洋大氣暴露3年的碳鋼與耐候鋼表面銹層分析[J].腐蝕與防護,2002,23(7): 288-291.

Effect of Different Welding Materials on Corrosion Resistance of Weathering Steel Welded Joints

GAO Lijun,YANG Jianwei,CAO Jianping,ZHANG Xi,WANG Fenghui

(Shougang Research Institute of Technology,Shougang Group Corporation,Beijing 100043,China)

The influence of different welding material on corrosion resistance of weathering steel welded joints was investigated by means of cyclic immersion tests,SEM and electrochemical tests.The results indicated that the thickness of rust layers of welded joints using ordinary welding materials wasn’t uniform and then caused very serious local corrosion at weathering steel welded joints.The rust layers of welded joints using materials that had similar corrosion resistance index with weathering steel were divided into inner layers and outer layers.There was amount of Cr element in the compact inner layers and the welded joints and weathering steel happened uniform corrosion.

weathering steel,corrosion resistance index,welded joint,corrosion

TG42

A

1001-5108(2017)02-0001-03

高立軍,碩士,工程師,主要從事金屬的腐蝕與防護工作。