304不锈钢局部干法水下激光填丝焊接工艺及焊缝性能研究

赵亮，朱加雷，赵志博，赵友亮，李桂新，李松钊，黄钰珊

304不锈钢局部干法水下激光填丝焊接工艺及焊缝性能研究

赵亮，朱加雷*，赵志博，赵友亮，李桂新，李松钊，黄钰珊

（北京石油化工学院 机械工程学院，北京 106217）

采用自主研制的水下激光填丝焊接装备，在304奥氏体不锈钢板材表面进行U形坡口激光填丝焊接试验，为304不锈钢水下修复工作提供技术参考。在功率为5 600 W、焊接速度为6 mm/s、送丝速度为205 cm/min、保护气体流量为15 L/min、排水气体流量为30 L/min的条件下进行焊接试验，并对空气和水下环境下的焊缝进行对比检测分析。通过光学显微镜分析2种环境下焊缝的显微组织；对2种焊缝进行拉伸、弯曲等力学性能测试；采用显微硬度计测试1 kg载荷下不同区域的显微硬度；使用VersaSTAT 3F电化学工作站测定在3.5%（质量分数）的NaCl溶液中2种焊缝的开路电位和极化曲线。2种环境下的焊缝均无明显裂纹、气孔等缺陷；显微组织主要由奥氏体和铁素体组成，但2种环境下焊缝的奥氏体晶粒大小和铁素体形状均略有差别，焊缝拉伸断口均为典型的韧性断裂形貌且抗拉强度符合304不锈钢标准。2种环境下焊缝的微观组织和晶粒大小不同，水下焊缝硬度高于空气的。通过分析2种环境下焊缝的开路电位和极化曲线，可知水下焊缝的耐腐蚀性略高。所开发的局部干法水下激光填丝焊接工艺可以满足实际工程中水下焊接维修的要求，其焊缝性能可以满足304不锈钢空气环境下的焊接质量标准。

局部干法；激光焊接；304不锈钢；水下焊接；电化学腐蚀

304不锈钢具有良好的加工性能，在耐腐蚀性和抗晶间腐蚀性能方面有非常优异的表现，常用于食品、矿山、石油、核电以及海洋船舶等领域[1-5]。在核电领域，核电站的大部分构件长期暴露在复杂水环境中，与在空气中相比，受到水的腐蚀更为严重，因此，水下原位修复技术近年来受到广泛关注[6-11]。

2006年，清华大学Zhang等[12]采用水幕喷嘴形成了局部干腔将焊接区周围的水体排开，并利用该装置进行了水下局部干法Nd: YAG激光焊接研究，结果表明，在良好的屏蔽条件下，水下局部干法可以获得良好的焊接质量，没有任何气孔和表面缺陷。朱加雷[13]研制了一套适合核电检修的局部干法水下MIG自动焊接装置，并利用该装置进行了水深5 m和15 m的304不锈钢水下焊接试验，得到了良好的水下焊缝且其耐腐蚀能力优于母材能力，此外，还研究了密封垫结构和材料选用问题，并对密封状态进行了理论分析。南昌大学陈建平[14]研制了方形结构的局部排水罩，通过激光视觉传感器采集焊缝坡口信号，并反馈至控制器，实现了实时调整焊枪和实时焊缝跟踪的功能。

与一般弧焊技术相比，激光焊接具有焊接速度快、能量密度高、作用位置易控制以及焊后冷却速度快等优点。采用激光进行焊接不仅可以大幅提高焊接生产速度，还可以得到高强度、小变形的高质量焊接接头，且可以焊接高精度的结构[15-18]，在工业制造中得到了广泛应用[19-20]。

本文分别对空气和水下2种环境中的U形坡口进行了局部干法激光填丝焊接修复，通过对2种焊缝的金相组织、力学性能和耐腐蚀性能进行对比，分析了水下环境对组织性能的影响规律。

1 试验

试验采用304奥氏体不锈钢作为母材，其尺寸为300 mm×150 mm×10 mm，化学成分如表1所示。选取ER308L焊丝，其直径为1.2 mm，焊丝成分如表2所示。U形坡口示意图如图1所示。试验中选用锐科连续激光器（RFL-C6600S），保护气体为纯度99.99%的氩气，空气环境和局部干法水下环境的激光填丝焊接工艺参数相同，如表3所示。采用三道填充加两道盖面焊的方式。局部干法水下焊接设备如图2所示。

表1 304不锈钢化学成分

Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel wt.%

表2 ER308L焊丝化学成分

图1 U形坡口示意图

表3 激光填丝焊接参数

Tab.3 Laser fillet welding parameters

图2 水下焊接平台

2 结果与分析

2.1 焊缝宏观形貌

在304不锈钢基材上制备的空气和水下环境的激光填丝修复焊缝宏观形貌如图3所示。可以看到，焊缝表面成形良好，外观呈鱼鳞状，且连续均匀，无咬边、未熔合等明显缺陷。与空气环境下制备的焊缝相比，局部干法水下焊缝表面的氧化程度更小，颜色以银白色为主，这主要与水下焊接时排水罩内部的纯氩气环境提高了保护效果有关。

a 空气

b 水下

图3 不同环境下激光填丝修复宏观形貌

Fig.3 Macroscopic morphology of laser filleting repair in different environments: a) in air; b) under water

将所得的焊缝用线切割机切成20 mm×15 mm× 10 mm试样，经过打磨、抛光后，使用5 g三氯化铁+50 mL盐酸+100 mL水的腐蚀液进行腐蚀处理，并用金相显微镜观察，对比分析组织中铁素体和奥氏体的比例及分布形态。空气和水下环境的焊缝宏观截面如图4所示。可以看出，焊缝与母材金属之间熔合良好，均未发现气孔、裂纹、夹杂等水下焊接常见缺陷。由于与空气相比，水下环境中的冷却速度更快，因此熔池凝固更快，热循环速度更快，热影响区面积更小。

图4 不同环境下制备的焊缝宏观截面

2.2 焊缝显微组织

不同环境下的焊缝显微组织如图5所示。可以看到，在2种环境下均有良好的冶金结合。在空气环境下，热影响区所含奥氏体略多，且奥氏体晶粒较大，铁素体以点状或短线状分布。在水下环境中，铁素体含量多于空气中的，在熔合区部分，由于冷却速度相对较慢，奥氏体和铁素体相变扩散比较充分，所以铁素体多为蠕虫状和板条状。由于水下环境中水的冷却作用较为明显，因此板条状较多。在空气环境下冷却较慢，铁素体可以充分扩展，故蠕虫状和网格状铁素体较多。

由图5b和图5e可以看出，在2种环境下，奥氏体含量明显居多。通常情况下，奥氏体不锈钢的凝固组织是由其凝固模式决定的[21]。本文304不锈钢的凝固模式为FA凝固模式，在焊接过程中δ铁素体从金属中析出，在随后的固态相变过程中转变为奥氏体。

图5 空气和水下环境焊缝的显微组织

由于在水下环境中铁素体相变时的扩散会受到限制，扩散距离减小，故铁素体以紧密排列的板条形状进行相变。由于空气环境中的冷却速度相对较慢，故铁素体以蠕虫状或板条状沿奥氏体晶界分布。水下环境中的焊缝平均晶粒尺寸和奥氏体含量均与空气中的持平，但由于水的作用，奥氏体晶粒大小有所差异，2种环境下焊缝的铁素体含量相当但形态存在细微差别。

2.3 焊缝力学性能

利用线切割技术切成2个尺寸为150 mm× 20 mm× 4 mm的弯曲试样，对2种环境下的焊缝进行弯曲性能测试，弯曲角度≥90°，弯曲结果如图6所示。结果表明，2种环境下的焊缝均未断裂。对2种环境下的焊缝进行拉伸试验，拉伸试样示意图如图7所示，对应的拉伸试验结果如图8所示。2种环境下的断裂位置均位于焊缝，其中空气环境下的焊缝抗拉强度为683 MPa，达到母材强度的93.7%，水下焊接焊缝的抗拉强度为708 MPa，达到母材强度的97.1%。不同环境下的焊缝拉伸强度和母材拉伸强度如表4所示。由我国304不锈钢抗拉强度标准06Cr19Ni10（新牌号）可知，304不锈钢标准抗拉强度≥515 MPa。2种环境下焊缝的抗拉强度均高于此标准，说明满足使用条件。水下环境焊缝的抗拉强度略高，这是由于在进行水下焊接时，焊缝冷却速度较快，从而导致晶粒尺寸减小，阻碍位错运动的晶界增多。

图6 弯曲试样

图7 拉伸试样示意图

图8 拉伸试样

表4 不同环境下的焊缝拉伸强度和母材拉伸强度

Tab.4 Weld tensile strength and base metal tensile strength in different environments

2.4 显微硬度

使用显微硬度计在1 kg载荷下作用10 s，测量焊缝截面硬度。空气和水下环境中焊缝的硬度分布曲线如图9所示。其中母材硬度在210HV左右。空气环境中焊缝平均硬度为223.6HV，最高硬度为235.36HV。水下环境中焊缝平均硬度为236.9HV，最高硬度为257.5HV。总体来看，2种环境中焊缝区的硬度均高于母材硬度。这是由于焊接接头硬度与金属材料的晶粒大小、合金元素含量等因素有关，当晶粒较为细小时，晶界面积较大，此时对位错运动将产生较大的阻碍作用[22]。通过对比2种环境中的硬度可知水下环境的焊缝硬度略高于空气环境的。2种环境焊缝的显微组织表明，水下环境中熔池冷却速度相对较快，其过冷度较大，形核率也随之增大，从而导致结晶后晶粒尺寸相对较小，故显微硬度较空气环境中的略微增大（见图5）。

图9 显微硬度分布图

2.5 耐腐蚀性能

为测试空气和水下环境中焊缝的电化学腐蚀性能，将其放入质量分数为3.5%的NaCl溶液中，采用VersaSTAT 3F电化学工作站，以饱和甘汞电极为参照电极、铂电极为辅助电极，扫描速度为0.167 mV/s，在室温下测定2种环境中焊缝的开路电位曲线，结果如图10所示。通过比较不同环境下焊缝OCP值的正向程度来比较其耐腐蚀性能。由图10可知，在任意时间点下，水中的OCP值均大于空气中的，故水下环境中焊缝的耐腐蚀性大于空气环境中的。为了进一步测试不同环境下焊缝的耐腐蚀性能，在同样环境下测定其极化曲线，结果如图11所示。通过切线交点法（Tafel拟合）得到接头各区域的自腐蚀电流密度

及其对应的电位值，拟合结果如表5所示。通过测量Tafel极化曲线比较2种环境下焊缝的耐腐蚀性，结果表明，自腐蚀电位corr(water)＞corr(air)，2种环境下焊缝的腐蚀电流密度corr(water)＜corr(air)。使用极化曲线测定试样时，常根据腐蚀电流密度的大小及自腐蚀电位的正向程度来评定测定区域的耐腐蚀性能，其中自腐蚀电位值决定了腐蚀的难易程度，腐蚀电流密度值代表着腐蚀进行的速度[23-25]，通过比较进一步验证了水下环境焊缝的耐腐蚀性较高。此外，2种环境下的焊缝均出现了钝化现象和相似的宽度范围，说明焊缝存在致密的氧化膜，阻碍了离子扩散。在焊接过程中，碳与304不锈钢中的铬形成了高铬的碳化物，由于在水下冷却时的温度比空气中的低且温降梯度更大，水下环境中的碳从母材和焊丝中析出的速度低于空气中的，所以水下环境中焊缝的含铬量略大，从而使水下环境中焊缝的耐腐蚀性优于空气环境中的。

图10 不同环境下焊缝的开路电位曲线

图11 空气环境和水下环境下焊缝的极化曲线

表5 PDP拟合结果

Tab.5 Results of PDP fitting

3 结论

1）与空气环境相比，水下环境有着更快的冷却速度并且局部排水装置内部有较好的氩气保护效果，使水下环境中焊缝宏观上以银白色为主，氧化程度较小。水下环境导致熔池凝固速度加快、热循环速度加快、热影响区减小。

2）在热影响区，与水下环境相比，空气环境中焊缝的奥氏体含量更多，但水下环境中焊缝中心的平均晶粒尺寸和奥氏体含量均与空气中的持平，由于水的作用，奥氏体晶粒大小有所差异，2种环境下焊缝的铁素体含量相当但形态有细微差别。

3）在2种环境下均可获得符合拉伸和弯曲检测标准的焊缝，其中拉伸断口为典型的韧性断裂，表明焊缝具有良好的韧性。同时，由于水下环境导致晶粒尺寸减小，阻碍位错的晶界增多，所以水下环境焊缝的抗拉强度略高于空气环境的。

4）2种环境的焊缝硬度均大于母材硬度，由于水下焊缝的过冷度较大，导致晶粒尺寸相对较小，所以水下焊缝硬度大于空气环境焊缝硬度。

5）水下环境焊缝的耐腐蚀性略高，在焊接过程中，碳与铬形成高铬碳化物的含量和焊缝的晶粒尺寸是导致耐腐蚀性能不同的主要因素。

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Local Dry Underwater Laser Wire Filling Welding Process and Weld Properties of 304 Stainless Steel

ZHAO Liang, ZHU Jialei*, ZHAO Zhibo, ZHAO Youliang, LI Guixin, LI Songzhao, HUANG Yushan

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 106217, China)

The work aims to conduct an U-shaped bevel laser filler welding test on the surface of a 304 austenitic stainless steel plate with self-developed underwater laser filler welding equipment, to provide technical reference for underwater repair of 304 stainless steel. Welding tests were conducted at the power of 5 600 W, welding speed of 6 mm/s, wire feeding speed of 205 cm/min, protective gas flow rate of 15 L/min, drainage gas flow rate of 30 L/min. Welds in the air environment and the underwater environment were subject to comparative testing and analysis. The microstructures of the welds in both environments were analyzed with an optical microscope; The mechanical properties of the two welds were tested in tensile and bending; The distribution of microhardness in different areas under 1 kg load was tested with a microhardness tester; And the open-circuit potentials and polarization curves of welds in different environments were determined through the Versa STAT 3F electrochemical workstation in 3.5% NaCl solution. The welds in the two environments had no obvious cracks, pores and other defects; Their microstructure was mainly composed of austenite and ferrite, but their austenite grain size and ferrite shape were slightly different. Their weld tensile fractures were typical toughness fracture morphology and tensile strength in line with the standards of 304 stainless steel; Due to the different microstructure and grain size of the welds in two environments, the hardness of the welds in the underwater environment was higher than those in the air environment. By analyzing the open-circuit potential and polarization curves of the welds in both environments, it is shown that the corrosion resistance of the welds in the underwater environment was slightly higher. In conclusion, the developed local dry underwater laser wire filling welding process can meet the actual project underwater welding repair requirements, and its weld performance can meet the 304 stainless steel air environment welding quality standards.KEY WORDS: local dry method; laser welding; 304 stainless steel; underwater welding; electrochemical corrosion

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.012

TG456.7

A

1674-6457(2024)01-0105-07

2023-10-06

2023-10-06

国家自然科学基金联合基金（U22B20127）；北京市科技计划（KZ202210017023）；北京市属高校分类发展项目（11000023T000002199202）

The National Natural Science Foundation of China (U22B20127); Beijing Science and Technology Plan (KZ202210017023); the Classified Development Projects of Beijing Municipal Institutions (11000023T000002199202)

赵亮, 朱加雷, 赵志博, 等. 304不锈钢局部干法水下激光填丝焊接工艺及焊缝性能研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 105-111.

ZHAO Liang, ZHU Jialei, ZHAO Zhibo, et al. Local Dry Underwater Laser Wire Filling Welding Process and Weld Properties of 304 Stainless Steel[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 105-111.

（Corresponding author）