不同焊接材料对耐候钢焊接接头耐腐蚀性能的影响

高立军,杨建炜,曹建平,张 熹,王凤会

(首钢集团总公司技术研究院,北京 100043)

信息

不同焊接材料对耐候钢焊接接头耐腐蚀性能的影响

高立军,杨建炜,曹建平,张 熹,王凤会

(首钢集团总公司技术研究院,北京 100043)

利用周期浸润循环腐蚀实验,结合扫描电镜以及电化学分析等手段,研究了不同耐候指数的焊接材料对耐候钢焊接接头耐腐蚀性能的影响。结果表明,采用普通焊接材料焊接得到的焊接接头锈层厚度不均匀,焊接接头处局部腐蚀严重。采用与母材耐候指数相近的焊接材料焊接得到的焊接接头锈层区分为内锈层和外锈层,内锈层致密且存在大量Cr元素,焊接接头与母材发生均匀腐蚀。

耐候钢;耐候指数;焊接接头;腐蚀

1 引言

耐候钢由于成本比不锈钢低,而耐大气腐蚀性能比普碳钢有较大的提高,因此得到了广泛的应用[1-3]。随着大型桥梁建设中钢板最大使用厚度的增加,对桥梁钢耐候性能的要求越来越突出。耐候桥梁钢在使用过程中通常经过焊接工艺制造,在考虑桥梁整体结构的耐腐蚀性能时,需要综合考虑耐候钢母材和焊接接头的耐蚀性[4]。

大型桥梁钢结构中的焊接接头由于冶金、化学、力学的作用,导致接头耐腐蚀性能不同于母材,往往会成为结构件中的薄弱环节。如何选择合适的焊接材料和焊接工艺,使母材和焊接接头耐腐蚀性能相当,是大型桥梁结构安全性的重要保障。20世纪中期,美国材料与试验协会在不同大气环境中对270余种化学成分低合金钢进行了15.5年的暴晒试验[5],Larrabee和Coburn对腐蚀数据进行回归得到Legault-Leckie线性公式:I=26.01(%Cu)+3.88 (%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P) -7.29(%Cu)×(%Ni)-9.10(%Ni)×(%P)-33.39(%Cu)2(其中将I定义为耐候指数,规定耐候钢的耐候指数I＞6)。

以下研究了不同耐候指数焊接材料对耐候钢焊接接头的耐腐蚀性能的影响,为耐候桥梁钢焊接材料的选择提供数据支持。

2 实验方法

实验材料为Q420qENH耐候桥梁钢和两种耐候指数的焊接材料,其具体化学成分和耐候指数见 表1。

表1 母材及焊材化学成分

图1 耐候钢母材及焊缝的电化学开路电位

两种焊接材料的焊接实验采用相同的焊接工艺,焊接设备采用YD-500气体保护焊机,焊接方法采用CO2气体保护焊,采用V型坡口,焊接热输入为15 kJ/cm。耐候钢母材和焊接接头取样尺寸为40 mm×60 mm×4 mm,试样表面磨光,丙酮除油,酒精清洗,用吹风机吹干后称重备用。

利用PARSTAT2273电化学工作站对耐候钢母材及两种焊接接头进行电化学开路电位测试。实验采用三电极体系,实验溶液为3.5%的NaCl,辅助电极为Pt片,参比电极为Ag/AgCl电极,试样为工作电极,室温下开路电位扫描10 min。

利用循环腐蚀试验箱对母材及焊接接头进行室内加速腐蚀实验,实验介质为3.5%的NaCl溶液,温度(45±2)℃,湿度70%±5%,每个循环周期为60 min,其中浸润时间12 min,干燥时间48 min,实验持续时间为72 h。对腐蚀后的试样进行除锈、称重,计算失重腐蚀速率,每组取3个平行样测量取平均值。利用JSM-7001F型环境扫描电镜观察母材和焊缝处锈层的微观结构及成分。

3 实验结果与讨论

3.1 电化学开路电位

图1为耐候钢母材和不同耐候指数焊接接头的电化学开路电位。从图1中我们可以看到,扫描10 min稳定后,母材的开路电位值为-0.48 V,1号焊接接头焊缝的开路电位值为-0.478 V,2号焊接接头焊缝的开路电位值为-0.573 V。电化学开路电位表征的是材料表面的腐蚀电化学活性,开路电位越正,材料表面腐蚀倾向性越小,活性越低,反之开路电位越负,材料表面腐蚀倾向性越大,活性越大,耐腐蚀性能差。1号焊接接头焊缝的电化学开路电位值与母材相差不大,而2号焊接接头焊缝的电化学开路电位值要比1号和母材负很多,这说明1号焊接接头焊缝与母材耐腐蚀性能相当,2号焊接接头焊缝耐腐蚀性能差。

3.2 腐蚀后锈层形貌

72 h周期浸润加速腐蚀后耐候钢母材及焊接接头的锈层表面形貌见图2。可以看到,母材腐蚀后表面为颜色均匀的黄色锈层,1号焊接接头腐蚀后表面锈层颜色均匀,焊缝和母材没有明显的颜色界限,而2号焊接接头腐蚀后焊缝区为黄色锈层,母材区有一部分与焊缝锈层颜色不一致。

图3为除去表面锈层后各试样基体的表面形貌。可以看到,1号焊接接头表面腐蚀坑均匀地分布在母材与焊缝区域,而2号焊接接头在焊缝区域的腐蚀坑比在母材区域分布密集。

腐蚀后母材和焊缝锈层的断面形貌见图4。从图中可以看到,母材的锈层区分为外锈层和内锈层,靠近基体的内锈层均匀致密,整个锈层厚度为40 μm左右。1号焊接接头焊缝的内锈层均匀致密,整个锈层厚度为35μm左右。2号焊接接头焊缝的内外锈层区分不明显,整个锈层不均匀,平均厚度为50μm左右。

3.3 讨论

耐候钢由于加入了Cu、Ni、Cr等合金元素,后期形成的锈层致密、稳定,对基体的保护性能好,因而耐大气腐蚀性能比碳钢得到了很大的提升。有研究表明,Cr是耐候钢锈层中主要的富集元素,Cr元素的富集有利于细化锈层晶粒,提高锈层的腐蚀电位,阻碍耐候钢的阳极溶解反应,有利于提高耐候钢的耐大气腐蚀性能[6-8]。

图2 腐蚀后锈层表面形貌

图3 除锈后试样表面形貌

图4 锈层断面形貌

表2～4分别为耐候钢母材、1号焊缝和2号焊缝锈层的断面形貌在高倍数下的EDS能谱成分。可以发现,耐候钢母材内锈层靠近基体位置存在Cr元素,含量在0.6%～1.2%,而外锈层没有发现Cr元素。1号焊缝内锈层靠近基体处也发现了Cr元素,含量在0.7%左右,外锈层没有发现。2号焊缝整个锈层中没有发现Cr元素。

表2 母材锈层成分(wt%)

表3 1号焊缝锈层成分(wt%)

表4 2号焊缝锈层成分(wt%)

上述研究结果表明,采用耐候钢指数与母材相当的焊接材料进行焊接,得到的焊接接头耐腐蚀性能与母材的耐腐蚀性能差别不大,表明生成的锈层中Cr元素在内锈层富集,焊缝与母材发生均匀腐蚀。采用普通的焊接材料进行焊接,得到的焊接接头耐腐蚀性能很差,焊缝处局部腐蚀现象严重。因此,在对耐候钢结构件进行焊接时,采用与母材耐候指数相当的焊接材料有利于耐候钢发生均匀腐蚀,提高结构件的整体安全性。

4 结论

(1)利用普通焊接材料焊接耐候钢得到的接头耐腐蚀性能差,局部腐蚀严重,利用耐候指数与母材相近的焊接材料焊接得到的接头耐腐蚀性能与母材相当。

(2)在对耐候钢结构件进行焊接时,应当采用与母材耐候指数相近的焊接材料,有利于提高结构件的整体安全性。

[1] 侯文泰,梁彩凤.经济耐候钢[J].钢铁研究学报,1994, 6(2):40-46.

[2] Yamashita M,Miyuki H,Nagaro H.The long term growth of the protective rust layer formed onwreathing steel by atmospheric corrosion during a quarter of a century[J].Corrosion Science,1999,41(9):1687 -1702.

[3] Johnson J B.Short-term atmospheric corrosion of steel at two weather and pollution monitored sites[J].Corrosion Science,1997,17:691.

[4] 张淑娟,罗娇,刘东升.Q500q ENH特厚桥梁钢板及其焊接接头的耐腐蚀性能[J].上海金属,2014,36(1):18 -22.

[5] Larrabee,Coburn.Corrosion resistance of high-strength low-alloy steels as influenced by composition and environment[J].Corrosion.1953,9(9):259-271.

[6] 汪兵,刘志勇,陈吉清,等.Cr含量对耐候钢耐候性的影响[J].材料保护,2014,47(5):61-63.

[7] 封辉,刘峰,王本贤,等.Cu和Cr对耐候钢的力学性能及耐蚀性能的影响[J].材料热处理学报,2012,33(1): 110-116.

[8] 王建军,郭小丹,郑文龙,等.海洋大气暴露3年的碳钢与耐候钢表面锈层分析[J].腐蚀与防护,2002,23(7): 288-291.

Effect of Different Welding Materials on Corrosion Resistance of Weathering Steel Welded Joints

GAO Lijun,YANG Jianwei,CAO Jianping,ZHANG Xi,WANG Fenghui

(Shougang Research Institute of Technology,Shougang Group Corporation,Beijing 100043,China)

The influence of different welding material on corrosion resistance of weathering steel welded joints was investigated by means of cyclic immersion tests,SEM and electrochemical tests.The results indicated that the thickness of rust layers of welded joints using ordinary welding materials wasn’t uniform and then caused very serious local corrosion at weathering steel welded joints.The rust layers of welded joints using materials that had similar corrosion resistance index with weathering steel were divided into inner layers and outer layers.There was amount of Cr element in the compact inner layers and the welded joints and weathering steel happened uniform corrosion.

weathering steel,corrosion resistance index,welded joint,corrosion

TG42

A

1001-5108(2017)02-0001-03

高立军,硕士,工程师,主要从事金属的腐蚀与防护工作。