301L不銹鋼激光填絲焊接頭腐蝕性能研究

曹春鵬　呂衛群　單清群　房相國

摘要：不銹鋼的車體部件的腐蝕主要是晶間腐蝕，結合不銹鋼自身的組成成分以及焊接過程中的相關工藝參數，研究線能量在窄間隙激光填絲焊中對焊接接頭腐蝕性能的影響，設計了不銹鋼焊接接頭的腐蝕試驗方案，并從貧鉻理論出發闡述其對于焊接接頭腐蝕行為的影響機理。以6 mm厚301L不銹鋼板材作為基體材料，以ER308L焊絲為填充材料，研究線能量分別為120 J/mm、150 J/mm、180 J/mm時窄間隙激光填絲焊焊接接頭的腐蝕行為。對三組不同線能量下窄間隙激光填絲焊焊接接頭進行電化學測試，并在浸泡腐蝕之后進行電鏡掃描，表征對比腐蝕形貌，得出線能量為150 J/mm時接頭的腐蝕性能最佳。

關鍵詞：301L;激光填絲焊;腐蝕行為;微觀組織

中圖分類號：TG456.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0050-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.10

0 前言

隨著軌道交通的飛速發展，高質量、高速度、輕量化的軌道車輛已經成為發展主流。在滿足車體剛度、強度的使用條件下，隨著列車工作環境的多樣性日益增加，對列車車體的耐腐蝕性也提出了更嚴格的要求。秦麗雁[1]利用電化學動電位再活化法（EPR）研究了典型的鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼在不同溫度下晶間腐蝕的敏感性。研究結果表明，鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼具有不同的敏感溫度區間。保溫時間和冷卻方式的差異對晶間腐蝕敏感性的影響程度很高[2-3]。不銹鋼在低溫下進行熱處理可以避免發生晶間腐蝕[4]。當加熱溫度為500～800 ℃時，不銹鋼會產生貧鉻現象，并且在650 ℃左右最為嚴重[5]。當前解釋奧氏體不銹鋼晶間腐蝕機理的主要依據為貧鉻理論[6-8]。

文中針對軌道交通用不銹鋼車體部件的晶間腐蝕，結合貧鉻理論研究線能量在窄間隙激光填絲焊中對焊接接頭的腐蝕性能的影響及原因。

1 試驗材料及方法

采用窄間隙激光填絲焊進行焊接，選擇三組不同線能量下窄間隙激光填絲焊焊接接頭進行電化學測試，并在浸泡腐蝕后進行電鏡掃描，表征對比腐蝕形貌。試驗設備及流程如圖1所示。

試驗基體材料為奧氏體不銹鋼301L，填充材料使用ER308L焊絲，焊接方法為窄間隙激光填絲焊，選用IPG公司生產的YLS-4000光纖激光器。焊接工藝及參數如表1所示。

2 結果與討論

2.1 焊接工藝

窄間隙激光填絲焊接接頭的表面成形可以作為評價該焊接方法的焊接參數合理性的一個重要依據，也是直觀表現焊接接頭質量的重要內容。焊縫表面形貌如圖2所示。

2.2 浸泡腐蝕試驗

將不同線能量的三組窄間隙激光填絲焊焊接接頭試樣進行常溫（25 ℃）下的浸泡腐蝕試驗，介質為質量分數3.5%的NaCl溶液，浸泡周期144 h。三種線能量下301L奧氏體不銹鋼焊接接頭的微觀組織與浸泡腐蝕后的表面形貌對比如圖3所示。可以看出，三種線能量下的焊接接頭焊縫中心均主要為等軸樹枝晶。這是因為熔池的冷卻速度降低，剩余液體的散熱方向性與焊縫邊界剛開始結晶時相比有所降低，處于均勻冷卻狀態，同時一些破碎枝晶等集中于焊縫中心，降低了形核功，由于晶粒的形核，這些都促進了焊縫中心等軸晶的形成及影響腐蝕性能關鍵元素Cr的擴散與聚集。

由圖3可知，當線能量為120 J/mm時，301L奧氏體不銹鋼焊接接頭腐蝕最為嚴重，其表面已經完全被腐蝕產物所覆蓋，無法觀察到基體金屬。在圖片上方區域，腐蝕產物已經連接成塊，基體金屬幾乎完全被腐蝕。當線能量為150 J/mm時，301L奧氏體不銹鋼焊接接頭發生腐蝕的區域較小，腐蝕產物只在部分區域出現，能夠直接觀察到基體金屬。對比發現，120 J/mm下焊接接頭的腐蝕產物主要是球狀，而150 J/mm下焊接接頭的腐蝕產物既有球狀，也有數量較多的晶態。激光功率為180 J/mm時焊接接頭也出現了大量堆疊的球狀腐蝕產物，但是尺寸較120 J/mm下的明顯降低，說明了其腐蝕程度不及120 J/mm下的。由此可見，150 J/mm下的焊接接頭的耐腐蝕性能最佳，其次是180 J/mm下的，120 J/mm下的焊接接頭的耐腐蝕性能最差。

2.2 電化學試驗

電化學試驗在常溫（25 ℃）下進行，為研究301L奧氏體不銹鋼在窄間隙激光填絲焊下焊接接頭在3.5%NaCl溶液中的電化學腐蝕行為和特征，分別測試了線能量為120 J/mm、150 J/mm、180 J/mm的三組焊接接頭試樣在3.5%NaCl溶液中的極化曲線及阻抗分布。

在進行動電位掃描測量三種線能量下301L奧氏體不銹鋼窄間隙激光填絲焊焊接接頭的極化曲線時，設置初始電位為-0.8 V，終止電位為0.6 V，掃描頻率為1 Hz。三種線能量下焊接接頭的極化曲線如圖4所示。

由圖4可知，三個焊接接頭均存在活化區。在活化區內，不銹鋼的陽極過程主要是活性溶解。在鈍化過渡區的電位區間內，不銹鋼的表面狀態很不穩定并開始發生急劇變化，301L不銹鋼焊接接頭開始發生鈍化，陽極電流密度有所降低。線能量為120 J/mm和150 J/mm時焊接接頭并未出現鈍化過渡區，僅180 J/mm下的焊接接頭存在鈍化過渡區，且鈍化過渡區的電位區間極小，約0.1 V，因此三種焊接接頭不存在過鈍化區。但是，鈍化區寬度并不能從極化曲線中得到，因此需要對三條極化曲線進行擬合，結果如表2所示。

自腐蝕電流密度Icorr越小，自腐蝕電位E0越正，不銹鋼表面越容易形成鈍化膜，即耐腐蝕性能越好。由表2可知，當線能量為150 J/mm時，301L不銹鋼焊接接頭自腐蝕電流密度Icorr最小，自腐蝕電位E0最正，腐蝕速率最低，耐腐蝕性能在三組試樣中最佳。

3 結論

對三組不同線能量下的301L奧氏體不銹鋼焊接接頭的腐蝕性能進行了研究，得出以下結論：

（1）由三種焊接接頭的電鏡掃描得到的腐蝕處腐蝕產物形貌表明，150 J/mm下焊接接頭的耐腐蝕性能最佳，120 J/mm下焊接接頭的耐腐蝕性能最差。

（2）在相同的浸泡腐蝕時間下，120 J/mm下的焊接接頭腐蝕最為嚴重，其次是180 J/mm下的焊接接頭，150 J/mm下的焊接接頭腐蝕最輕。焊接接頭的熔合線和焊接接頭的缺陷處容易成為耐腐蝕性的薄弱環節，腐蝕最先從這兩處發生。

（3）對三組焊接接頭進行動電位掃描，120 J/mm、150 J/mm、180 J/mm焊接接頭的腐蝕速率分別為0.028 29 mm/a、0.012 661 mm/a、0.018 709 mm/a。通過極化曲線得到的腐蝕速率大小排布與通過浸泡腐蝕失重法測得的平均腐蝕速率分布相符合。

參考文獻：

[1] 秦麗雁，張壽祿，宋詩哲. 典型不銹鋼晶間腐蝕敏化溫度的研究[J]. 中國腐蝕與防護學報，2006，26（1）：1-5.

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[7] 謝春玉，黃子東，陳麗玲，等. 使用電化學動電位再活化法研究熱處理工藝對304不銹鋼晶間腐蝕敏感性的影響[J]. 理化檢驗-物理分冊，2017，53（5）：303-308.

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