大功率激光焊接工藝對(duì)304不銹鋼焊接接頭組織和電化學(xué)行為的影響

王鈺， 王凱， 羅子藝， 盧清華， 楊景衛(wèi)

(1．佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528231；2．廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣州 510610)

0 前言

304不銹鋼因其具有優(yōu)良的耐蝕性、優(yōu)異的加工性能，是應(yīng)用最為廣泛的一種奧氏體不銹鋼，多用于航空航天、壓力管道、醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域[1-5]。激光焊接因其具有能量密度高、熱影響區(qū)小、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)制造中得到了廣泛的應(yīng)用[6-10]。大功率激光束因具有很好的光束質(zhì)量、更均勻的溫度分布，故能使樣品在熱加工和制造過程中變形最小[11-12]，它的出現(xiàn)很大程度上促進(jìn)了大功率激光焊接技術(shù)的發(fā)展，使其廣泛應(yīng)用于材料加工、重工業(yè)和管道工業(yè)中[13-15]。奧氏體不銹鋼由于線膨脹系數(shù)較大、導(dǎo)熱率較低，焊接時(shí)容易產(chǎn)生碳化物沿晶界析出、熱裂紋和熱影響區(qū)晶粒粗化等缺陷[16]，使得焊縫的耐腐蝕性能較差[17]。304不銹鋼的工作環(huán)境往往涉及不同酸堿度的介質(zhì)，需要焊接接頭保持穩(wěn)定的電化學(xué)性能[18]。因而，有必要通過顯微組織和電化學(xué)測(cè)試來研究304不銹鋼焊接接頭的電化學(xué)性能。

文中對(duì)9 kW和9.5 kW大功率激光焊接的304不銹鋼接頭進(jìn)行測(cè)試，研究了其組織、普通電化學(xué)以及微區(qū)電化學(xué)性能，分析得出兩種焊接接頭的顯微組織變化和電化學(xué)行為。微區(qū)電化學(xué)測(cè)試使用掃描振動(dòng)電極技術(shù)(Scanning vibrating electrode technique,SVET)，這是一種利用掃描振動(dòng)探針(Scanning vibration probe,SVP)在不接觸樣品表面的情況下，檢測(cè)樣品在溶液中局部腐蝕電位的一種新技術(shù)[19-21]。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

焊接所用材料為10 mm厚的304不銹鋼板，規(guī)格為200 mm×120 mm×10 mm，其化學(xué)成分見表1。焊接前將焊接斷面車銑平整，然后使用無水乙醇清洗后吹干。試驗(yàn)設(shè)備為功率10 kW的Trumpf TruDisk10002激光器。

焊接試驗(yàn)過程中，焊縫正面和背面均采用流量為20 L/min的Ar氣進(jìn)行保護(hù)，不開坡口直接對(duì)接，全熔透單道次焊。1號(hào)和2號(hào)試樣分別采用功率為9 kW和9.5 kW的激光器進(jìn)行焊接，其焊接工藝參數(shù)見表2。1號(hào)試樣和2號(hào)試樣的正面和背面熔寬分別為1.62 mm和1.16 mm。以焊縫為中心，使用線切割設(shè)備進(jìn)行取樣，得到尺寸為12 mm×10 mm×10 mm的試樣。

表1 304不銹鋼板材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 1號(hào)和2號(hào)試樣的焊接參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

圖1為得到的焊接試樣，使用DMM-440D倒置金相顯微鏡觀察顯微組織，并利用配備能譜儀的SU8220掃描電子顯微鏡進(jìn)一步觀察。使用HVS-1000顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，試驗(yàn)載荷為4.9 N，加載時(shí)間為10 s，每間隔1 mm打點(diǎn)測(cè)試，在試樣上中下的位置分別測(cè)試三次硬度取平均值，測(cè)試位置的示意圖如圖1a所示。使用PARSTAT4000設(shè)備進(jìn)行普通電化學(xué)測(cè)試，分別在3.5%NaCl溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、10%HCl溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)和10%NaOH溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)中進(jìn)行開路電位、交流阻抗和極化曲線測(cè)試。開路測(cè)試之前浸泡30 min，開路測(cè)試時(shí)間設(shè)定為1 800 s，交流阻抗測(cè)試頻率為105～10-2Hz，激勵(lì)振幅值為10 mV，極化曲線掃描電位為相對(duì)于開路電位-1～1 V，掃描速度為1 mV/s。使用Priceton Applied Research Versa Scan微區(qū)電化學(xué)設(shè)備，測(cè)試步長(zhǎng)為100 μm，振幅為30 μm，頻率為80 Hz，測(cè)試區(qū)域如圖1b所示。

圖1 焊接接頭測(cè)試區(qū)域

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為1號(hào)和2號(hào)試樣焊縫區(qū)域的顯微組織。其中，圖2a，2b分別為1號(hào)、2號(hào)試樣接頭的顯微組織，圖2c，2e為圖2a中c,e對(duì)應(yīng)的放大區(qū)域，圖2d，2f則為圖2b中d,f對(duì)應(yīng)的放大區(qū)域。從圖中可以看出，1號(hào)和2號(hào)試樣的母材與焊縫交界處均存在針狀的殘余鐵素體組織，其向焊縫中心生長(zhǎng)為垂直于激光焊接方向的柱狀樹枝晶，1號(hào)試樣柱狀晶較少，且分布不均勻，2號(hào)試樣柱狀晶較多，分布也比較均勻。

圖2 1號(hào)和2號(hào)試樣焊縫微觀組織

圖3為1號(hào)和2號(hào)試樣焊縫區(qū)域的SEM圖，表3為圖3標(biāo)定的微區(qū)化學(xué)成分分析。可得圖3中A1區(qū)檢測(cè)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.01%的Si，且A1和B1區(qū)的C含量較低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.62%和3.89%，F(xiàn)e含量較高，為基體。A2,A3,B2和B3區(qū)C含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過4%，分別為4.57%,5.47%,4.83%和6.52%，其樹枝晶密集區(qū)和稀疏區(qū)存在區(qū)別。

圖3 不同試樣焊縫區(qū)域的微觀組織

表3 圖3中標(biāo)定微區(qū)的EDS成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 顯微硬度

表4為1號(hào)和2號(hào)試樣的硬度值，根據(jù)其繪制如圖4所示的顯微硬度變化曲線。從圖中可以看出硬度值以焊縫為中心呈現(xiàn)對(duì)稱分布，焊縫中心硬度值較高，焊縫兩邊硬度值逐漸下降。綜合EDS測(cè)試結(jié)果可知，焊縫區(qū)域的含碳量最低為3.62%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材的0.07%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，含碳量越高，材料的硬度越大，因此焊縫區(qū)域的硬度值高于母材。

表4 1號(hào)和2號(hào)試樣硬度值分布情況

圖4 1號(hào)和2號(hào)試樣的顯微硬度曲線

2.3 電化學(xué)測(cè)試與分析

2.3.1普通電化學(xué)測(cè)試與分析

圖5為1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中開路腐蝕電位與時(shí)間的關(guān)系曲線。表5為最終穩(wěn)定狀態(tài)的電位數(shù)據(jù)，可以看出，在3.5%NaCl溶液中1號(hào)試樣的電位絕對(duì)值更大，因此更具有發(fā)生腐蝕的傾向。而在10%HCl溶液和10%NaOH溶液中，2號(hào)試樣的電位絕對(duì)值更大，此時(shí)2號(hào)試樣更具有發(fā)生腐蝕的傾向。

圖5 1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中腐蝕電位與時(shí)間的關(guān)系

表5 1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中開路測(cè)試30 min的穩(wěn)定電位 VSCE

圖6所示為1號(hào)和2號(hào)試樣分別在3.5%NaCl溶液、10%HCl溶液和10%NaOH溶液中進(jìn)行極化測(cè)試后的宏觀腐蝕形貌。從圖中可以看出，1號(hào)和2號(hào)試樣在3.5%NaCl溶液中均發(fā)生明顯的點(diǎn)蝕，1號(hào)試樣點(diǎn)蝕坑較淺且較小，但腐蝕坑較多，而2號(hào)試樣的點(diǎn)蝕坑較深且較大，腐蝕坑較少。在10%HCl溶液中，1號(hào)和2號(hào)試樣表面均發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，反應(yīng)劇烈，且母材部分較焊縫區(qū)域腐蝕得更為嚴(yán)重，焊縫區(qū)域的耐蝕性較母材略好。在10%NaOH溶液中，1號(hào)和2號(hào)試樣表面無明顯變化，基本沒有發(fā)生腐蝕，此時(shí)試樣表現(xiàn)出較好的耐蝕性。

圖7為1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中的極化曲線。表6為根據(jù)1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中的極化曲線進(jìn)行線性極化電阻擬合的數(shù)據(jù)。極化電阻Rp是腐蝕電化學(xué)的一個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，反應(yīng)了腐蝕體系的腐蝕速度大小。對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，1號(hào)試樣在3.5%NaCl溶液中極化電阻值更大，所以腐蝕速度較小，而2號(hào)試樣在10%HCl溶液和10%NaOH溶液中均有較大的極化電阻，因此腐蝕速度更小，但在10%NaOH溶液中1號(hào)和2號(hào)試樣極化電阻值均較大，因此腐蝕速率均很小，2號(hào)試樣較1號(hào)腐蝕速率更小。圖8為1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中的Nyquist圖。圖9為試樣在3.5%NaCl溶液和10%HCl溶液中進(jìn)行交流阻抗測(cè)試的等效電路圖。當(dāng)10%NaOH溶液中進(jìn)行交流阻抗測(cè)試時(shí)，圖9中的等效電路不再適用，此時(shí)使用圖10所示等效電路可得到更好的擬合效果。其中，Rs是溶液電阻，Rct是電荷轉(zhuǎn)移電阻，CPE表示常相位角元件，包括CPE-T和CPE-P兩個(gè)元件參數(shù)，CPE-T 表示電容量，單位Ω-1·cm-2·sn，CPE-P為彌散指數(shù)，量綱為1，取值為0～1。表7為交流阻抗譜的等效電路中各元件擬合參數(shù)。可以看出，2號(hào)試樣在3.5%NaCl溶液中的電荷轉(zhuǎn)移電阻更大，因此具有更好的耐蝕性。該結(jié)果與極化曲線測(cè)試結(jié)果并不一致，是因?yàn)闃O化曲線測(cè)試結(jié)果反映了腐蝕速率，在3.5%NaCl溶液中，2號(hào)試樣腐蝕速率更快，使得腐蝕產(chǎn)物覆蓋在試樣表面，導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移電阻更大，整體表現(xiàn)出更好的耐蝕性，與開路測(cè)試結(jié)果一致。而在10%HCl溶液中，1號(hào)試樣的電荷轉(zhuǎn)移電阻值更大，耐蝕性更好，與開路測(cè)試結(jié)果一致，該結(jié)果也與極化曲線測(cè)試結(jié)果相反，與在3.5%NaCl溶液中的情況相同，因此1號(hào)試樣整體上也表現(xiàn)出更好的耐蝕性。在10%NaOH溶液中，兩種試樣基本不發(fā)生腐蝕，均具有較好的耐蝕性。

圖6 1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中進(jìn)行極化測(cè)試后的宏觀腐蝕形貌

圖7 1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中得到的極化測(cè)試曲線

表6 1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中線性極化電阻擬合數(shù)據(jù)

圖8 1號(hào)和2號(hào)試樣在不同溶液中Nyquist圖

圖9 304不銹鋼在3.5%NaCl溶液和10%HCl溶液中的等效電路圖

圖10 304不銹鋼在10%NaOH溶液中的等效電路圖

表7 試樣在不同溶液中等效電路各元件擬合參數(shù)

2.3.2SVET測(cè)試與分析

由于普通電化學(xué)方法測(cè)試出的結(jié)果只能反映整個(gè)焊接接頭的電化學(xué)行為，因此采用SVET技術(shù)對(duì)焊接接頭的局部腐蝕行為進(jìn)行研究，進(jìn)一步探究焊接接頭的微區(qū)電化學(xué)行為差異。

圖11和圖12分別為1號(hào)和2號(hào)試樣在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時(shí)間后進(jìn)行SVET測(cè)試的電位差轉(zhuǎn)化為電流密度的結(jié)果，圖11a，12a為二維圖，圖11b，12b為三維圖。可以看出，1號(hào)和2號(hào)試樣隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)電流密度的變化趨勢(shì)相同，與1號(hào)和2號(hào)試樣硬度測(cè)試值差異不大的結(jié)果一致。浸泡時(shí)間為0～24 h時(shí)，除浸泡12 h時(shí)電流密度有增大的突變，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，電流密度減小，腐蝕速率下降。浸泡12 h時(shí)發(fā)生突變是因?yàn)槟さ拟g化生長(zhǎng)速率比腐蝕速率慢，成膜具有反復(fù)性，延長(zhǎng)浸泡時(shí)間，鈍化速度加快，形成的鈍化膜變穩(wěn)定，電流密度減小。浸泡48 h和72 h時(shí)電流密度發(fā)生波動(dòng)，較24 h呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且72 h之后隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，電流密度不斷增加，腐蝕速率加快，這是由于浸泡48～72 h時(shí)試樣表面形成的鈍化膜逐漸破裂，導(dǎo)致試樣表面狀態(tài)不均勻，電流密度波動(dòng)較大，完全破裂后，電流密度則隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，表面反應(yīng)加快。浸泡48～72 h鈍化膜逐漸破裂時(shí)，2號(hào)試樣由于組織較1號(hào)更均勻，因此電流密度差異性比1號(hào)更小，鈍化膜性能更穩(wěn)定。

因?yàn)閽呙鑵^(qū)域以焊縫為中心對(duì)稱分布，從圖中可以看出焊縫、熱影響區(qū)和母材的電流密度基本沒有差異，表明在這兩種大功率激光功率下的304不銹鋼焊接接頭在3.5%NaCl溶液中微區(qū)電化學(xué)性能均勻。

圖11 1號(hào)試樣在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時(shí)間時(shí)SVET測(cè)試電流密度

圖12 2號(hào)試樣在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時(shí)間時(shí)SVET測(cè)試電流密度

3 結(jié)論

(1)9 kW和9.5 kW兩種激光功率下的焊接接頭顯微硬度值相差不大。9.5 kW激光功率焊接的接頭比9 kW激光功率焊接的接頭顯微組織更加均勻。

(2)9.5 kW激光功率焊接的試樣在3.5%NaCl溶液中耐蝕性較好，而在10%HCl溶液中的耐蝕性則較弱，在10%NaOH溶液中兩種試樣均基本不發(fā)生腐蝕。

(3)兩種大功率焊接接頭在3.5%NaCl溶液中浸泡，隨時(shí)間變化的微區(qū)電化學(xué)測(cè)試整體變化趨勢(shì)差異不大，呈現(xiàn)開始時(shí)腐蝕速率減慢，浸泡時(shí)間到48～72 h時(shí)試樣表面鈍化膜逐漸破裂，隨后隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，腐蝕速率逐漸加快。焊縫、熱影響區(qū)和母材的微區(qū)電化學(xué)性能均勻性較好。