殘余應力對焊接結構腐蝕行為的影響規律研究

白林越，江克斌，高 磊 ，陳俞龍

（1.陸軍工程大學野戰工程學院，江蘇南京 210007；2.陸軍工程大學 訓練基地，江蘇徐州221000）

0 前言

焊接時鋼結構的主要連接方式，焊接結構在殘余應力和腐蝕環境的共同作用下容易產生應力腐蝕裂紋，成為結構應力腐蝕開裂、失效的高發區[1-4]。為提高焊接結構的耐腐蝕性能，研究殘余應力對焊接結構腐蝕行為的影響規律十分重要。研究人員目前對焊接結構腐蝕行為的研究手段以觀察焊接結構不同區域極化曲線、電化學阻抗譜及表面腐蝕形貌為主[5-7]，而對于力學因素對焊接結構腐蝕行為影響規律的研究相對較少。肖紀美[8]等人通過大量試驗發現，應力主要通過破壞金屬表面膜的方式影響焊接結構的腐蝕行為，但在殘余應力對焊接結構腐蝕行為影響規律方面的研究報道較少。因此，殘余應力對焊接結構腐蝕行為的影響規律及其相關問題成為亟待解決的重要問題。

本研究以X65鋼對焊平板試件在自然海水中的腐蝕行為為對象，通過振動時效法降低部分試件內部的殘余應力水平，利用磁測法測量其近焊縫區域的焊接殘余應力，觀察殘余應力水平不同的兩組試件表面各區域的腐蝕形貌，并通過金相分析說明顯微組織結構與兩組試件腐蝕形貌差異的形成無關，最終獲得殘余應力對焊接結構腐蝕行為的影響規律，對焊接結構耐腐蝕性能提高措施的設計具有一定的參考意義。

1 試驗方法

1.1 試件制備與焊接殘余應力測量

試驗材料采用X65級管線鋼，施焊后試件尺寸為350mm×150mm×10mm。將試驗試件分為A1、A2兩組（每組含3個試件），利用JH-600A振動時效設備降低A2組試件內部的焊接殘余應力水平，并對比A1、A2兩組試件的腐蝕行為。為保證試件表面完整性，采用磁測法（無損法）測量試件表面的焊接殘余應力。測量前將試件表面打磨平整，保證平面公差等級小于7°，表面粗糙度Ra小于12 μm，以滿足磁測要求。

受試件尺寸限制，利用H-80三維應力磁測儀測量和分析兩組試件表面的橫向殘余應力，在確定A2組試件內部殘余應力消除效果的同時，為研究焊接殘余應力對焊接結構腐蝕行為機理的分析提供數據支持。

1.2 全浸式海水腐蝕試驗

為降低外界對試件腐蝕過程中能量轉化過程的干擾（如電化學試驗中引入的電能干擾），試驗參照《GB/T 6384-2008船舶及海洋工程用金屬材料在天然環境中的海水腐蝕試驗方法》，利用自然海水對焊接試件進行腐蝕，試驗時間為60 d。下水前通過酸洗除去試件表面膜，排除表面膜不連續對試件腐蝕行為的影響。同時，將試件與石墨片相連，以提高其在自然海水中的腐蝕速率。

1.3 腐蝕形貌觀察

腐蝕試驗后通過酸洗除去其表面腐蝕產物，并在酸洗溶液中加入緩蝕劑，避免腐蝕試件與溶液中的酸發生反應。

采用SNE 4500M型掃描電子顯微鏡觀察腐蝕后試件焊縫、HAZ（熱影響區）和母材表面的腐蝕形貌，并分析各區域的腐蝕特征。

1.4 顯微組織觀察

為研究焊接結構不同區域的腐蝕行為與顯微組織結構之間的關系、確定殘余應力對焊接結構腐蝕行為的影響規律，分別在兩組試件的焊縫、HAZ和母材區域進行取樣，并進行拋光處理。為保證顯微組織觀察效果，采用化學浸蝕方法腐蝕試樣拋光表面，并利用光學顯微鏡觀察兩組焊接試件各區域的顯微組織。

2 結果與討論

2.1 焊接殘余應力測量結果

A1組試件的焊接殘余應力測量結果如圖1所示。焊接結構中的橫向殘余應力為拉應力，在熔合線位置達到峰值，分別為155.83 MPa、158.96 MPa和138.85 MPa。隨著距焊縫中心距離的增大，結構中的殘余應力水平逐漸降低，依次為：焊縫＞HAZ＞母材。

圖1 A1組試件橫向殘余應力分布曲線Fig.1 Transverse stress curve of specimens in group A1

A2組試件振動時效（VSR）處理前后的焊接殘余應力測量結果如圖2所示。

在振動時效處理前，A2組試件中的焊接殘余應力分布與A1組試件相同。經過振動時效處理后，A2組試件的橫向殘余應力峰值顯著降低，分別由186.56MPa、181.35MPa、188.02MPa降為 53.87MPa、49.96 MPa、57.92 MPa。振動時效處理對A2組試件的殘余應力消除率分別為71.1%、72.5%和69.2%，達到預期的殘余應力消除效果。

圖2 A2組試件橫向殘余應力分布曲線Fig.2 Transverse stress curve of specimens in group A2

圖3 試件不同區域表面腐蝕形貌Fig.3 Surface Corrosion morphology in different areas of specimens

2.2 腐蝕形貌觀察結果

A1組、A2組試件焊縫、HAZ和母材表面的腐蝕形貌如圖3所示。

由圖3可知，兩試件焊縫表面的腐蝕形貌均以點蝕為主，A1組試件焊縫的點蝕坑密度和直徑均大于A2組試件，說明其耐腐蝕性能低于A2組試件。在HAZ中，A1組試件的腐蝕行為以均勻腐蝕為主，并伴有少量蝕坑，A2組試件的腐蝕行為以點蝕為主。這說明在殘余應力的影響下，A1組試件HAZ整體的耐腐蝕性能降低，殘余應力對試件表面整體腐蝕速率的促進作用超過金屬表面局部腐蝕電偶對金屬局部腐蝕速率的提高作用，從而改變HAZ表面的腐蝕形貌。在母材區，雖然區域內部殘余應力水平相對較低，但A1組試件母材表面仍形成連續的腐蝕溝槽，并伴有蝕坑。將溝槽底部放大200倍后發現，其腐蝕形貌仍以均勻腐蝕為主。與A1組試件相比，A2組試件母材表面的腐蝕程度較低，其腐蝕行為以點蝕為主，說明焊接殘余應力降低了A1組試件母材的耐腐蝕性能。

經過酸洗處理后發現，A1組試件經過腐蝕后在熔合線處形成明顯的腐蝕溝槽，而在A2組試件中這一現象并不明顯，利用SEM觀察A1組、A2組試件熔合線處的腐蝕形貌，結果如圖4所示。

由圖4可知，在A1組、A2組試件熔合線處均產生了腐蝕溝槽，但A1組試件熔合線處的腐蝕溝槽更深，說明在殘余應力作用下，A1組試件熔合線處金屬的耐腐蝕性更差。在近熔合線焊縫位置，A1組試件表面產生了嚴重的點蝕現象，無論是蝕坑直徑還是分布密度均遠大于焊縫其他區域。這表明高殘余應力水平不僅能夠降低區域整體的耐腐蝕性能，促進溝槽腐蝕形貌的形成，還能促進局部蝕坑的發展。而A2組試件近熔合線處焊縫表面的點蝕程度雖沒A1組試件嚴重，但比焊縫其他區域更為嚴重。在近熔合線HAZ位置，A1組試件溝槽底部的腐蝕形貌更趨近于均勻腐蝕，幾乎不存在直徑較大的蝕坑，說明熔合線處金屬的耐腐蝕性能低于HAZ表面金屬的耐腐蝕性能。同時，A2組試件近熔合線處HAZ表面的腐蝕形貌也呈現出一定的均勻腐蝕特征，雖然仍存在少量直徑較大的蝕坑，但該區域金屬的耐腐蝕性能同樣低于A2組試件HAZ的耐腐蝕性能。

圖4 近熔合線表面腐蝕形貌Fig.4 Surface Corrosion morphology near fusion line

2.3 金相分析

顯微組織結構能夠直接影響焊接結構表面的腐蝕形貌，因此為獲得殘余應力對焊接結構腐蝕行為的影響規律，需分析兩組試件的顯微組織結構，進而得出兩組試件不同區域的顯微組織結構對各區域不同腐蝕形貌特征的影響。A1組、A2組試件焊縫、HAZ和母材區域的顯微組織結構如圖5所示。

由圖5可知，A1組、A2組試件焊縫、HAZ和母材區域的顯微組織結構無明顯差異。焊縫區域的顯微組織為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和珠光體，且存在大量細小的鐵素體和顆粒狀珠光體，使區域內的顯微組織結構更為細密。HAZ的顯微組織為塊狀鐵素體和少量珠光體，并伴有少量貝氏體析出。由于HAZ在施焊過程中承受大量熱輸入，區域內的鐵素體發生膨脹，晶粒尺寸變大。母材區的顯微組織為塊狀鐵素體和珠光體，但因其鐵素體晶粒的平均尺寸小于HAZ內的鐵素體晶粒的平均尺寸，且顆粒狀珠光體的數量多于HAZ，所以母材區的耐腐蝕性能高于HAZ。

熔合線處的顯微組織結構如圖6所示。由圖6中可知，兩組試件熔合線HAZ一側在成形后產生粗大魏氏體組織，這是由于熔合線處的HAZ在施焊過程中過熱所致[9]。粗大的魏氏體晶粒降低了熔合線HAZ一側的耐腐蝕性能，是熔合線處腐蝕溝槽產生的主要原因。

2.4 分析與討論

觀察A1組、A2組試件表面的腐蝕形貌發現，雖然兩組試件腐蝕前的表面狀態、腐蝕環境和腐蝕時間均相同，但無論是試件自身各區域的腐蝕行為還是兩試件的腐蝕行為，均存在很大差異。焊接殘余應力檢測數據顯示：A1、A2組試件中的焊接殘余應力水平隨著距焊縫中心距離的增大而逐漸降低，焊接結構三個區域殘余應力水平關系為σ焊縫＞σHAZ＞σ母材；A2 組試件在經過振動時效處理后，其內部的殘余應力水平降低約70%，而兩組試件各區域的顯微組織結構無明顯差異。因此，兩組試件內部殘余應力水平的差異與試件之間腐蝕形貌的差異存在對應關系，焊接結構內部的殘余應力水平是影響焊接結構腐蝕行為的主要因素。

圖5 試件不同區域顯微組織結構Fig.5 Microstructure in different areas of specimens

圖6 各組試件熔合線處顯微組織結構Fig.6 Microstructure of fusion line in different groups of specimens

2.4.1 不同區域腐蝕行為差異

焊縫表面的焊接殘余應力水平很高，本應出現嚴重的腐蝕現象，但是在施焊過程中，焊材熔化并迅速升溫，焊材晶體組織在高溫下（T＞700℃）發生相變并進入奧氏體轉化區[9]，因此冷卻后的焊縫顯微組織結構為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和珠光體。雖然在腐蝕過程中焊縫區的顯微組織結構會受到破壞，引起晶間腐蝕，但由于焊縫區域顯微組織結構更為細小致密，其耐腐蝕性能仍然高于HAZ和母材區。

HAZ表面較高水平的焊接殘余應力會導致區域內能升高[10]，降低金屬原子轉化為金屬離子所需的活化能，使金屬表面的電化學反應更容易進行。當焊接殘余應力水平較低時，HAZ表面的腐蝕形貌以點蝕為主，在殘余應力和較大晶粒尺寸的影響下，其點蝕程度比焊縫和母材表面更嚴重。當焊接殘余應力水平較高時，結構內能的升高降低了區域整體的耐腐蝕性能，腐蝕電偶對局部電化學反應速率的促進作用不再明顯，HAZ表面的主要腐蝕行為由點蝕轉化為均勻腐蝕。同時，不論HAZ表面殘余應力水平高低，其表面腐蝕程度均隨著殘余應力水平的升高而趨于嚴重。

振動消除應力后，母材表面的腐蝕速率很低，在腐蝕過程中會出現少量的點蝕坑。但是，未經振動消除應力處理焊接結構中的殘余應力會導致母材表面形成腐蝕溝槽，并在腐蝕溝槽以外區域產生大量蝕坑，其蝕坑直徑大于低殘余應力水平下母材的蝕坑直徑。

2.4.2 近熔合線表面腐蝕行為

熔合線處的粗大魏氏體是腐蝕溝槽產生的主要原因，且熔合線處的殘余應力水平會影響腐蝕溝槽的深度：殘余應力水平越高，腐蝕溝槽越深，金屬損失越多。

振動消除應力后，由于該區域焊縫在形成過程中與少量熔化的母材融合，其顯微組織結構在相變后更為粗大，耐腐蝕性能降低。在殘余應力的作用下，近熔合線處焊縫表面的點蝕程度明顯高于焊縫其他區域，且焊接殘余應力水平越高，點蝕程度越嚴重。

近熔合線處HAZ表面的焊接殘余應力水平高于HAZ其他區域，在焊接殘余應力的作用下內能增量更大。因此近熔合線處HAZ表面呈現出更明顯的均勻腐蝕特征，其表面的蝕坑數量明顯少于HAZ其他區域。

3 結論

（1）振動消除應力后，焊接結構中的殘余應力會對焊縫、HAZ和母材表面的點蝕行為起到促進作用，局部腐蝕電偶仍是結構表面腐蝕行為的主要影響因素。

（2）未經振動消除應力處理時，殘余應力為影響結構表面腐蝕行為的主要因素，并使結構表面的腐蝕行為由點腐蝕轉化為均勻腐蝕。

（3）粗大魏氏體是腐蝕溝槽產生的主要原因，而殘余應力水平越高，熔合線處的腐蝕溝槽越深，金屬損失量越多，因此殘余應力是焊接結構成為應力腐蝕開裂、失效高發區的重要原因。

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