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[防腐蚀设计] 焊接工艺对SMA490BW耐候钢接头腐蚀行为的影响

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发表于 2020-6-23 09:12:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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焊接工艺对SMA490BW耐候钢接头腐蚀行为的影响

谢旭1,吴向阳2,张志毅2,齐维闯2,黄诗铭1,史春元1

(1.大连交通大学 材料科学与工程学院,辽宁 大连 116028;2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术工程部,山东 青岛 266111)

【中国汽车材料网】摘 要:目的 研究转向架焊接构架用SMA490BW耐候钢及其在不同焊接工艺条件下制得的焊接接头在模拟工业大气环境下的腐蚀行为。方法 采用周浸腐蚀试验方法,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和能谱(EDS)等方法,研究了腐蚀产物的表面形貌、锈层结构及相组成。结果 在模拟工业大气环境条件下,SMA490BW耐候钢母材、自动MAG焊接头、手工MAG焊接头的腐蚀失重率呈先增后减的变化规律,其中自动MAG焊接头腐蚀失重率最小,手工MAG焊接头腐蚀失重率最大,而SMA490BW耐候钢母材居于两者之间。耐候钢母材及其焊接接头腐蚀产物的相组成均为γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4。经过150 h腐蚀后,耐候钢母材及其焊接接头腐蚀产物中Cr、Ni、Cu合金元素含量有所差异,其中自动MAG焊焊缝腐蚀产物中Cr、Ni、Cu合金元素含量最高,分别为1.79%、0.23%、0.17%。Cr、Ni、Cu合金元素将直接对耐候钢母材及其焊接接头耐腐蚀性产生影响。结论 与手工MAG焊接头相比,自动MAG焊接头耐蚀性较高的主要原因是焊缝中主要抑制锈层腐蚀的Cr、Ni、Cu合金元素含量较高。

关键词:SMA490BW耐候钢;手工焊接头;自动焊接头;模拟工业大气;周期浸润腐蚀

随着我国高速动车组的快速发展,转向架及其焊接接头的安全可靠性变得十分重要[1]。转向架是连接列车车轮与车厢之间的关键部件之一,其焊接接头质量及性能的优劣直接关系到列车运行的安全与寿命。列车行驶过程中,在大气等广域的环境中,转向架构架及其焊接接头的很多部位会发生腐蚀现象。目前,国内外研究主要集中在耐候钢在大气环境中的腐蚀行为[2-5],但对耐候钢焊接接头的腐蚀研究较少。因此,研究转向架及其接头的耐腐蚀性十分重要。
现代城市工业化的快速发展,会产生大量的硫化物气体,排放到大气中,因此对转向架构架腐蚀影响最大的是工业大气环境中的 SO32−。周期浸润腐蚀试验可模拟干湿交替的大气环境,较为适合于耐候钢表面形成稳定化锈层[6]。本文针对转向架及其焊接接头进行周期浸润试验,建立耐候钢及其焊接接头周期浸润腐蚀失重与腐蚀时间关系的动力学曲线,观察分析腐蚀产物及腐蚀形貌,对腐蚀机理进行深入讨论分析,为转向架构架及其焊接接头工艺优化提供数据分析支持。

1 试验材料及方法
1.1 试验材料
试验选用制造转向架焊接构架的SMA490BW耐候钢板材,钢板尺寸为350 mm×150 mm×12 mm。焊接填充材料选用CHW-55CNH焊丝,直径为1.2 mm。焊接保护气体采用 80%Ar+20%CO2混合气体。SMA480BW耐候钢板及焊丝的主要化学成分见表1。
表1 试验材料的化学成分

Tab.1 Chemical composition of test materials


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1.2 试验方法
焊接工艺分别采用手工MAG焊和自动MAG焊的多道焊接工艺。焊接接头为对接形式,焊接坡口为V形,坡口角度60°,钝边尺寸为1 mm,焊接间隙为0~2 mm。手工MAG焊接设备采用松下TD-500GL3焊机,自动MAG焊接设备使用弗尼斯TPS5000焊机。焊接工艺参数列于表2。
参照TB/T 2375—93对SMA490BW耐候钢及其焊接接头进行周期浸润腐蚀试验,试验环境模拟工业大气环境。腐蚀试样尺寸为60 mm×40 mm×4 mm,其中焊接接头腐蚀试片中,焊缝的面积占整个试片面积的28.3%,在试样一端的中部钻取直径φ2.5 mm通孔,以便于悬挂试件。试验前先用砂纸将试件打磨光滑,去掉表面氧化层,再用石油醚、无水酒精和丙酮进行超声清洗,去除表面油污。将试样置于干燥器中24 h后,采用电子天平称量样品的初始质量,精度为0.1 mg。
表2 焊接工艺参数

Tab.2 Welding process parameters


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采用FL-65型周期浸润腐蚀试验机,试验溶液为初始浓度(1.0±0.05)×10−2 mol/L 的 NaHSO3溶液,补充液为(2.0±0.05)×10−2 mol/L 的 NaHSO3溶液。试验溶液温度为(45±2) ℃,湿度为(70±5%)RH,每一循环周期(60±3) min,浸润时间为(12±1.5) min,烘烤后试样表面的最高温度为(70±10) ℃。每组材料取 5个平行样,悬挂入腐蚀箱中,试验分为5个周期,分别在50、75、100、125、150 h后将试样取出,其中1块进行组织观察,另外4块为失重测量平行试样。试验后采用含有缓蚀剂(六次甲基四胺)的盐酸溶液清洗表面锈蚀产物,酸洗后用清水冲净,用无水乙醇、丙酮浸泡,取出后立即用热风吹干,放入干燥器中保存24 h后对试样进行称量(精确到1 mg)。
试样腐蚀失重率计算: e79ef2261be22e511f0aea73c4fe3b66.jpg
式中,W表示腐蚀失重率(g/(m2·h));m0表示试样原始质量(g);m1表示试样试验后质量(g);a、b、c分别表示试样的长度、宽度、厚度(mm);t表示试验时间(h)。

2 试验结果与讨论
2.1 腐蚀动力学
通过分析试样腐蚀前后的失重情况,得到SMA490BW 耐候钢母材及其焊接接头在模拟工业大气环境条件下的周期浸润腐蚀失重试验数据,如表3所示。
表3 腐蚀失重试验数据

Tab.3 Test data of corrosion weight loss


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图1为SMA490BW耐候钢母材及其焊接接头的腐蚀失重拟合线。可以看出,在腐蚀时间为75 h之前,随着时间的增加,由于锈层刚刚形成,对基体没有保护作用,耐候钢母材及其焊接接头的腐蚀失重率逐渐增大。在腐蚀75 h之后,随着腐蚀的继续进行,由于表面锈层不断增厚,这在一定程度上阻碍了腐蚀的进一步进行,腐蚀失重呈逐渐减小的趋势。从腐蚀动力学曲线中可以得出,在模拟工业大气环境条件下,SMA490BW 耐候钢母材、自动 MAG焊接头、手工MAG焊接头的腐蚀失重率呈先增后减的变化规律,其中自动MAG焊接头的腐蚀失重率最低,耐候钢母材次之,而手工MAG焊接头的失重率最高。这表明在模拟工业大气环境条件下,SMA490BW 自动MAG焊接头的耐腐蚀性优于手工 MAG焊接头及耐候钢母材。
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图1 SMA490BW母材及其焊接接头的腐蚀动力学曲线

Fig.1 Corrosion kinetics curves of SMA490BW base metal and its welding joints



2.2 锈层宏微观形貌及相组成
图2 为试样腐蚀150 h后的宏观形貌。可以看出,SMA490BW 耐候钢母材和其焊接接头经腐蚀后的表面宏观形貌特征基本相同,即在表层出现黄褐色的腐蚀产物层,黄褐色腐蚀产物层下为黑色的基体腐蚀产物层。黑色腐蚀产物基层较为致密,基本覆盖试样的整体外表面。随着腐蚀试验时间的增长,腐蚀产物的厚度相应增加,其中母材表面存在较多腐蚀坑,锈层较为疏松,部分锈层开始脱落。手工MAG焊接头的腐蚀较为严重,尤其是在焊缝金属区域,腐蚀锈层出现脱落现象;相比于手工MAG焊接头,自动MAG焊接头锈层表面较为致密,且紧密贴附于金属表面,对基体具有良好的防护作用。
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图2 耐候钢母材及其焊接接头宏观腐蚀形貌

Fig.2 Macroscopic corrosion morphology of weathering steel base metal and its welding joints:a) weathering steel base metal, b) manual welding joint, c) automatic welding joint



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图3 耐候钢母材及其焊接接头腐蚀后的XRD分析结果

Fig.3 XRD analysis results of weathering steel base metal and its welded joints after corrosion: a) weathering steel base metal, b) manual welding joint, c) automatic welding joint



SMA490BW母材及其焊接接头周浸腐蚀后的X射线衍射分析结果如图3所示。显然,母材及其接头腐蚀产物的相组成均含有γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4。并且,随着腐蚀时间的增加,α-FeOOH衍射峰明显增强,而 γ-FeOOH衍射峰强度逐渐降低,表明在耐候钢母材及其焊接接头的锈层中,α-FeOOH的含量增多,γ-FeOOH含量降低。通过不同相组成的衍射峰强度可以看出,α-FeOOH衍射峰在SMA490BW自动MAG焊接头腐蚀相中最强,耐候钢母材次之,手工MAG焊接头的峰强最弱。说明在模拟工业大气环境中,自动焊接头的耐腐蚀性优于耐候钢及手工焊接头。
图4为通过扫描电镜观察的试样腐蚀表面的微观结构。结合腐蚀表面的相组成可以发现,经150 h长时间腐蚀后,SMA490BW 耐候钢母材腐蚀锈层存在微裂纹、腐蚀坑等缺陷,腐蚀产物多呈球状。手工MAG焊焊缝表面较为疏松,且有较深的孔穴和较大裂纹,腐蚀产物不密集,多呈丛状和球状。但相较于手工MAG焊焊缝,手工MAG焊热影响区表面多呈针状和球状,致密性较差,且孔穴较多。自动 MAG焊接头表面裂纹细小,且腐蚀产物紧密贴附于基体表面,多为球状结构。但相较于自动MAG焊焊缝,自动MAG焊热影响区表面出现较大的裂纹,且表层腐蚀产物较为疏松,多呈丛状和球状。
结合XRD分析结果可知,球状产物为α-FeOOH,针状和丛状产物为γ-FeOOH。在腐蚀的初期,腐蚀产物主要为γ-FeOOH,由于其化学性质不稳定,形成的锈层较为疏松,容易脱落,对基体的保护作用较小。随着腐蚀的不断进行,γ-FeOOH逐渐转变为α-FeOOH。α-FeOOH是绝缘的非活性物质,晶体枝晶纤细,其稳定性最强,是保护性锈层的主要成分[7]。
2.3 锈层腐蚀机理分析
模拟工业大气环境下的周期浸润腐蚀,主要是钢铁材料在薄液膜下发生的电化学腐蚀过程,而腐蚀溶液覆盖在试样表面,形成具有电解质性质的液膜,为试样发生电化学反应提供了外部条件。根据Evans和Taylor提出的锈层下钢铁大气腐蚀机理,可将周浸腐蚀试验分为湿润和干燥两种不同环境的腐蚀条件[8-9]。
在湿润的腐蚀条件下,阳极反应在金属基体/Fe3O4的界面上发生(基体铁发生溶解):
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图4 耐候钢母材及其焊接接头不同区域的微观腐蚀形貌

Fig.4 Microscopic corrosion morphology of weathering steel base metal and its welded joints in different areas: a) weathering steel base metal, b) manual welding seam, c) manual welding HAZ, d) automatic welding seam, e) automatic welding HAZ



阴极反应在 Fe3O4/FeOOH的界面上发生(即腐蚀锈层内发生还原反应Fe3+→Fe2+):
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在干燥的腐蚀条件下,Fe3O4发生氧化反应,生成FeOOH(锈层的再氧化):
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SMA490BW 耐候钢母材及其焊接接头中的合金元素,对腐蚀反应的进行会产生影响,从而影响其耐腐蚀性能[10-11]。其中,元素 Cr有助于形成具有阳离子选择性的锈层,抑制腐蚀性阴离子的进入,加速FexHyOz→γ-FeOOH→α-FeOOH的转化。同时由于Cr可以部分置换Fe,形成铬铁羟基氧化物CrxFe1−xOOH[12],使锈层具有阳离子选择性,从而在基体表面形成致密的氧化膜,这有助于细化α-FeOOH,阻止SO42−向基体表面渗透,提高耐候钢的耐腐蚀性。在金属腐蚀过程中,Cu在钢表面形成氢氧硫酸铜,在锈层的孔隙中析出,从而提高锈层的致密性,增强锈层对钢基体的保护作用[13]。当 Cr与 Cu同时存在时,效果更明显。Ni在耐候钢锈层中并未出现富集现象[14],而是以NiFe2O4存在于尖晶石型氧化物中,有效促进氧化物向均匀、致密结构型转变,增强内锈层致密性,并促进钢的腐蚀电位正移[15]。
因此,合金元素含量会直接影响到耐候钢母材及其焊接接头的耐腐蚀性能。SMA490BW 耐候钢母材及其焊接接头腐蚀前后的能谱分析结果列于表 4和表 5,其中 Cr、Ni、Cu元素为主要抑制锈层腐蚀的合金元素。
表4 耐候钢母材及其焊接接头不同区域化学成分

Tab.4 Chemical composition of weathering steel base metal and its welded joints in different areas


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表5 耐候钢母材及其焊接接头不同区域经150 h腐蚀后腐蚀产物的合金成分

Tab.5 Alloy composition of weathering steel base metal and its welded joints in different areas after 150 h corrosion


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由表4和表5可知,与自动MAG焊接相比,手工MAG焊接速度低、熔池热输入大,从而导致焊缝金属中主要抑制锈层腐蚀的Cr、Ni、Cu合金元素含量明显减少。与耐候钢母材相比,自动MAG焊接过程中,由于填充材料中含有较高的Cr、Ni、Cu合金元素,使得焊缝金属中主要抑制锈层腐蚀的Cr、Ni、Cu合金元素含量高于耐候钢母材。在腐蚀初期,由于NaHSO3具有还原性,使得锈层中FeOH+的浓度较高,因此在基体表面优先形成黄褐色的腐蚀产物γ-FeOOH。但 γ-FeOOH的致密度较差,极易发生脱落,对基体的保护作用较差。
经过150 h周浸腐蚀后,在耐候钢母材及其接头的锈层腐蚀产物中,由于Cr、Ni、Cu元素会促进Fe2+转化成Fe3+,加速γ-FeOOH转化成为α-FeOOH,在基体表面形成致密的氧化膜,阻挡 SO32−与基体金属的进一步接触,从而有效地抑制腐蚀的继续进行。由此可见,在模拟工业大气环境条件下,自动MAG焊接头的耐腐蚀性要优于手工MAG焊接头。

3 结论
1)在模拟工业大气环境条件下,SMA490BW耐候钢母材及其焊接接头的腐蚀失重率随腐蚀时间的延长,呈先增后减的变化规律。其中自动MAG焊接头腐蚀失重率最小,手工MAG焊接头腐蚀失重率最大,而SMA490BW耐候钢母材居于两者之间。
2)自动 MAG焊接头、手工 MAG焊接头及SMA490BW母材表面锈层的腐蚀产物均为γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe2O3和 Fe3O4,其中 α-FeOOH中 Fe元素被部分置换为Cr元素而形成CrxFe1−xOOH,并在基体表面形成致密的氧化膜。
3)与自动 MAG焊接头的耐腐蚀性能相比,手工MAG焊接头的耐腐蚀性能降低,其主要原因是由于手工MAG焊热输入量较大,合金烧损导致焊缝中主要抑制锈层腐蚀的Cr、Ni、Cu合金元素含量明显减少。

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