X80管線鋼激光-MIG復合焊焊縫耐腐蝕性分析

姜心怡，嚴春妍，周倩雯，李 琛，張可召，包曄峰

河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022

0 前言

油氣輸送管道壁厚較大，采用常規的焊條電弧焊、自保護藥芯焊絲半自動焊、表面張力熔滴過渡焊（surface tension transfer，STT）等方法需要進行多道焊，由于弧焊熔深較淺，為保證熔透要求鈍邊小，厚板焊接時需開大角度坡口，且多道焊接頭有較高的殘余應力和焊接變形。激光-電弧復合焊兼具激光焊的深熔透能力與電弧焊優良的橋接能力，可以獲得高的焊接效率、優良的力學性能和較低的變形[1-3]，已成為管道施工焊接領域極具應用前景的焊接方法[4]。

油氣管線鋪設往往會經過土壤環境較為惡劣的地區，如我國西部地區的鹽堿地、沙漠，東部地區的酸性土壤等。當管線通過含鹽量較高的地區時，管道焊接接頭面臨著嚴重的腐蝕問題[5-6]，給管道運行帶來了較大的安全隱患。曹睿[7]等人對管線鋼的耐腐蝕性研究進行了綜述，發現關于母材與接頭的耐腐蝕性結論區別較大，一些文獻指出母材比接頭的耐蝕性好，也有文獻得出了相反的結論。Javidi M[8]等人研究了制備過程中形成的碳酸鐵垢對API 5L X65管線鋼CO2腐蝕行為的影響，發現碳酸鐵垢的存在降低了X65管線鋼均勻腐蝕速率。Jafery K M[9]等人對X70管道外表面在酸性土壤（泥炭）環境中的初期腐蝕形成進行了研究，發現X70管道外表面的腐蝕產物是通過酸性土壤顆粒與金屬表面相互作用的化學吸附和物理吸附過程形成的。目前，對于管線鋼接頭和母材的耐腐蝕性尚無統一結論，且管線鋼服役環境復雜、腐蝕原因多變，因此有必要對管線鋼焊縫和母材耐腐蝕性進行進一步研究。

X80管線鋼是目前國內長距離油氣運輸管材的主要用鋼[10]。文中采用激光-MIG復合焊對X80管線鋼進行多道焊試驗，研究顯微組織特征與耐腐蝕性之間的關系，以及激光功率對接頭組織和焊縫耐腐蝕性能的影響。

1 試驗材料和方法

試驗母材為X80管線鋼試板，規格為180 mm×100 mm×18.4 mm，選用直徑1.2 mm的JM-80焊絲，母材和焊絲化學成分如表1所示。試板開Y型坡口，鈍邊8 mm，坡口角度30°，裝配間隙0.2 mm。焊接之前對鋼板進行噴砂處理以除掉鐵銹和油污。采用10 000 W光纖激光器（IPG YSL-10000）和數字化焊機（Fronius TPS-500MIG/MAG）進行激光-MIG復合焊接，焊接工藝參數如表2所示。焊接時采用激光在前、電弧在后的排列方式，光絲間距2.0 mm，保護氣體流量為20 L/min，層間溫度150℃。

表1 X80鋼和焊絲化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical compositions of X80 steel and filler wire（wt.%）

表2 X80管線鋼激光-MIG復合焊接工藝參數Table 2 Hybrid laser-MIG welding parameters of X80 pipeline steel

根據 JY/T 0585-2020[11]標準制備X80管線鋼激光-MIG復合焊接頭金相試樣，采用蔡司Axio Lab5光學顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織。采用上海辰華CHI 660電化學工作站進行母材和激光-MIG復合焊焊縫的電化學阻抗譜和極化曲線試驗，電化學試驗試樣尺寸為10 mm×10 mm×2 mm。試樣作為工作電極、鉑電極作為輔助電極、飽和甘汞電極作為參比電極；腐蝕介質為3.5%NaCl溶液，試驗溫度為室溫20℃；測試頻率100 kHz至0.01 Hz，擾動信號幅值5 mV，掃描速度為0.5 mV/s。將極化試驗后的試樣表面進行短時拋光和清洗，使用Zeiss Gemini SEM 300場發射掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）對腐蝕表面的微觀形貌進行觀察。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

X80管線鋼母材的顯微組織如圖1所示，X80鋼母材的顯微組織主要為粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體，不同激光功率下的接頭蓋面焊焊縫和粗晶區（coarse-grained heat affected zone，CGHAZ）顯微組織如圖2～圖4所示。

圖1 X80鋼母材顯微組織Fig.1 Microstructures of X80 steel base metal

圖2 激光-MIG復合焊接接頭顯微組織（PL=2 kW）Fig.2 Microstructures of hybrid laser-MIG welded joint（PL=2 kW）

圖3 激光-MIG復合焊接接頭顯微組織（PL=3.0 kW）Fig.3 Microstructures of hybrid laser-MIG welded joint（PL=3.0 kW）

圖4 激光-MIG復合焊接接頭顯微組織（PL=3.5 kW）Fig.4 Microstructures of hybrid laser-MIG welded joint（PL=3.5 kW）

由圖2可知，采用2.0 kW激光功率填充時，蓋面焊道焊縫組織主要由針狀鐵素體和粒狀貝氏體構成。蓋面焊電弧區焊縫針狀鐵素體含量高于激光區焊縫，這是因為電弧區冷卻速度較慢，在針狀鐵素體形成溫度附近停留時間更長。因激光功率較低，熱影響區冷卻速度較快，蓋面焊對應的電弧區CGHAZ和激光區CGHAZ的顯微組織則均主要由粗大的條狀貝氏體和粒狀貝氏體構成。由圖3可知，當激光功率增加到3.0 kW時，因熱輸入增加，蓋面焊縫的組織中針狀鐵素體變得較為粗大，并出現了一定量的先共析鐵素體。由圖4可知，當激光功率增加到3.5 kW時，蓋面焊縫組織中針狀鐵素體和先共析鐵素體變得更為粗大，電弧區CGHAZ和激光區CGHAZ中條狀貝氏體數量減少，粒狀貝氏體數量增加，并出現了少量的針狀鐵素體。

粒狀貝氏體為雙相組織，鐵素體基體和基體上分布的M-A組元的電勢不同，因此粒狀貝氏體中會形成較多微小的腐蝕單元。而先共析鐵素體組織粗大、晶界面積小，位錯密度低，耐腐蝕性較好[12]。激光功率為2.0 kW時，焊縫中粒狀貝氏體較多，因此耐腐蝕較差。隨著激光功率的增加，焊縫中針狀鐵素體、先共析鐵素體數量增加，粒狀貝氏體數量減少。當激光功率為3.0 kW時，因具有較多的先共析鐵素體，故耐腐蝕性很好。當激光功率為3.5 kW時，焊縫中針狀鐵素體和先共析鐵素體過于粗大，在晶界會優先形成腐蝕，故耐腐蝕性有所下降。母材因晶粒較為細小，故具有較大的晶界面積，且其顯微組織為大量的粒狀貝氏體和少量的多邊形鐵素體，并具有較高的位錯密度，故耐腐蝕性略低。

2.2 極化曲線

母材和不同激光功率下復合焊焊縫試樣的極化曲線如圖5所示，對其擬合后的電化學參數如表3所示。由圖5可知，在3.5%NaCl溶液中，X80管線鋼母材和復合焊焊縫均未出現明顯的鈍化區，這意味著金屬表面并未形成有效的腐蝕產物層。隨著激光功率從2.0 kW增加到3.0 kW，焊縫的極化曲線向右側移動，表明材料的自腐蝕電位Ecorr升高，電化學穩定性升高，耐腐蝕性能變好；但當PL為3.5 kW時，自腐蝕電位較PL為3.0 kW條件下有所下降，表明耐腐蝕性能有所降低。母材的自腐蝕電位為-0.757 V，介于PL=2.0 kW和PL=2.5 kW的復合焊焊縫之間。

表3 母材和不同激光功率下焊縫的極化曲線參數Table 3 Parameters of polarization curves of base metal and weld metal with different laser powers

圖5 母材和不同激光功率下焊縫的極化曲線Fig.5 Polarization curves of base metal and base weld with different laser powers

由表3可知，隨著PL從2.0 kW增大到3.0 kW，焊縫的自腐蝕電位Ecorr從-0.830 V升高到-0.530 V；而自腐蝕電流密度icorr呈下降趨勢，從1.094×10-2mA·cm-2降至1.416×10-3mA·cm-2，表明材料的腐蝕速率下降，耐腐蝕性逐漸變好。當PL從3.0 kW增加到3.5 kW時，自腐蝕電位從-0.530 V降到-0.648 V，自腐蝕電流密度icorr增加至2.810×10-3mA·cm-2，耐腐蝕性略有下降。母材的自腐蝕電流密度icorr為1.438×10-2mA·cm-2，大于所有復合焊焊縫試樣，可以看出其耐腐蝕性低于復合焊焊縫。

4組焊縫試樣極化試驗后的表面腐蝕形貌如圖6所示。由圖6可知，母材表面腐蝕和較低激光功率下的焊縫試樣表面腐蝕較為嚴重。隨著PL從2.0 kW增加到3.0 kW，焊縫試樣的表面腐蝕逐漸減弱，PL為2.0 kW時表面腐蝕最為嚴重。當PL從3.0 kW增加到3.5 kW時，表面出現了較深的腐蝕坑，腐蝕又有所加重。

圖6 母材和不同激光功率下焊縫表面腐蝕形貌Fig.6 Corrosion morphology of base metal and weld metal with different laser powers

2.3 阻抗譜

母材和4組焊縫試樣的電化學阻抗譜如圖7所示。電化學阻抗試驗的等效電路如圖8所示，Rs和Rct分別表示溶液電阻和表面電荷轉移電阻，Q為常相位角原件，Rct越大，表面腐蝕反應進行的阻力就越大，腐蝕速率越小，耐腐蝕性能越好。利用等效電路擬合出的電化學阻抗參數如表4所示。

圖7 母材和不同激光功率下焊縫電化學阻抗譜Fig.7 Electrochemical impedance spectroscopy of base metal and weld metal with different laser powers

圖8 等效電路Fig.8 Equivalent circuit

表4 電化學阻抗譜擬合參數Table 4 Electrochemical impedance spectroscopy fitting parameters

由圖7可以看出，母材和4組不同激光功率下的焊縫的電化學阻抗譜均表現出單一容抗弧，呈現一個時間常數，對應的曲線半徑從大到小分別為：S3（3.0 kW）>S4（3.5 kW）>S2（2.5 kW）>S1（2.0 kW）>母材。結合表4中Rct數據可知，S3試樣表面形成的電荷轉移電阻Rct最大，S1試樣的Rct最小。因而，隨著激光功率的增大，焊縫的耐腐蝕性能呈現先上升后下降的趨勢，母材的Rct低于所有的焊縫試樣，因此耐腐蝕性最差。阻抗譜結果與極化曲線的分析結果一致。

3 結論

（1）激光功率為2.0 kW時，蓋面焊道焊縫組織主要由針狀鐵素體和粒狀貝氏體構成，故耐腐蝕較差。激光功率為3.0 kW時，先共析鐵素體較多，故耐腐蝕性很好。激光功率為3.5 kW時，蓋面焊縫的組織中針狀鐵素體變得較為粗大，并出現了一定量的先共析鐵素體，因組織過于粗大，在晶界會優先形成腐蝕，故耐腐蝕性有所下降。X80鋼母材的顯微組織主要為粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體，位錯密度高，且晶粒細小，晶界面積較大，故耐腐蝕性略低。

（2）陽極極化曲線和電化學交流阻抗譜試驗結果表明，X80管線鋼激光-MIG復合焊焊縫具有較好的耐腐蝕性，耐腐蝕性均優于母材。

（3）隨著激光功率為由2.0 kW增至3.5 kW，激光-MIG復合焊焊縫的自腐蝕電位先由-0.830 V（PL=2.0 kW）升高至-0.530 V（PL=3.0 kW），而后降低；自腐蝕電流密度先從 1.094×10-2mA·cm-2（PL=2.0 kW）降低到1.416×10-3mA·cm-2（PL=3.0 kW），而后增大；電荷轉移電阻先增大后減小。激光功率為3.0 kW時，復合焊焊縫的自腐蝕電位最高、自腐蝕電流密度最小，電荷轉移電阻最大，耐腐蝕性最好。

（4）通過對X80管線鋼激光-MIG復合焊焊縫耐腐蝕性的分析，研究了顯微組織特征與耐腐蝕性之間的關系，以及激光功率對接頭組織和焊縫耐腐蝕性能的影響，對優化X80管線鋼焊接工藝、改善焊縫耐腐蝕性具有現實指導意義。