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激光冲击对X70管线钢焊缝盐雾腐蚀性能试验研究


 
 
一、试验方法
试验材料为X70管线钢卷板,其化学成分(质量分数,%):C 0.05,Si 0.23,Mn 1.56,P 0.013,S0.002,V 0.032,其余为Fe.焊缝区化学成分:0.07%C,0.22%Si,1.18%Mn,其余为Fe.激光冲击处理试验在大功率KQ开关钕玻璃脉冲激光装置上进行,用0.1 mm厚铝箔作为涂层,水作为约束层,其厚度为2 mm,搭接率为50%.激光冲击工艺参数为输出波长1054 nm,脉宽25 ns左右,峰值功率为GW量级,最大的有效光斑直径为5 mm.
激光冲击处理后试样的盐雾腐蚀试验按照国家标准GB6468—86(NSS试验)进行,试验设备为YQW-250型盐雾腐蚀试验箱.试验溶液由化学纯NaCl溶于蒸馏水配置成浓度为50 g/L±5 g/L,试验温度为35℃±1℃,pH值为6.5左右,接近中性偏酸性,喷雾压力为50~100 kPa,试样腐蚀面朝上并与垂直方向成20°夹角,腐蚀时间为8 h.腐蚀试验结束后,用SEM,EDS和XRD分析试样腐蚀表面—断面形貌、腐蚀物的化学元素和物相组成.
二、试验结果与分析
1、表面与断面形貌
原始状态的X70管线钢焊缝表面显微组织比较粗大,如图1a所示.经激光冲击处理后表面发生微塑性变形,形成冲击强化区,其特征为表面晶粒产生了细化现象,如图1b所示.同时表面由于微塑性变形产生了微凹坑,微凹坑的深度反映了残余压应力的大小及表面硬度的高低,微凹坑的形貌反映了残余压应力与硬度的分布情况.在两个凹坑之间出现了表面不平整的现象,增加了焊缝的表面粗糙度,可通过提高激光冲击的覆盖率来改善冲击表面质量.经激光冲击处理后在其表面产生了塑性应变强化层,如图2所示,在强化层内晶粒产生了细化现象.由于激光冲击强化在极短时间内完成,强化材料表面被快速加热和激冷,造成被加热区产生极大的温度梯度,加大了相变的驱动力.因此强化层组织形核速率快则晶粒非常细小、位错密度较高、晶界增加,从而提高了焊缝的抗盐雾腐蚀能力.
2、残余应力分析
用X-350A型应力仪测量激光冲击处理前后焊缝表面残余应力如图3所示.原始状态焊缝表面残余应力为150.2 MPa,表现为拉应力状态(图3a),经激光冲击处理后焊缝表面残余应力为-207.3MPa,表现为压应力(图3b).由于激光冲击处理导致材料晶粒细化,晶粒尺寸变小,使得焊缝的应力状态由拉应力转变成压应力.经激光冲击处理后焊缝产生的残余压应力可部分抵消作用在焊缝上的拉应力,对裂纹产生闭合效果,有利于提高其抗盐雾腐蚀性能.
 
激光冲击对X70管线钢焊缝盐雾腐蚀性能

 
 
3、盐雾腐蚀后表面与断面形貌原始状态
试样焊缝区发生严重的全面腐蚀,出现了裂纹和疏松组织及一定量的蚀坑,如图4a所
示.裂纹粗细不一,并有分支出现,分支较细.这是因为在焊接过程中引进了残余拉应力,在含有Cl-的腐蚀介质共同作用下发生了应力腐蚀开裂.表面腐蚀坑的出现说明腐蚀过程中有点蚀行为发生,主要与焊接气孔、成分偏析以及MnS等夹杂物有关.激光冲击处理后试样表面腐蚀形貌如图4b所示,表面发生局部腐蚀,出现了腐蚀层,微裂纹分布在腐蚀层毗邻区域,说明其抗盐雾腐蚀性能明显优于原始试样.原始试样腐蚀后断面如图5a所示,出现浅黑色腐蚀物,随着腐蚀时间的延长,腐蚀区域不断延伸成山峰状.当很多腐蚀区域连接到一起时,会导致焊缝区组织成块脱落,这与图4a中腐蚀表面出现块状物相吻合.焊接中孔隙率对耐蚀性有重要影响,激光冲击处理产生的冲击波使得焊缝区孔隙率降低、晶粒细化以及表面产生强化层,使得腐蚀介质通过晶界以及孔隙等其它缺陷向试样内部侵蚀变得困难,如图5b所示.这表明激光冲击处理可以有效地阻止部分腐蚀发生,有利于提高焊缝抗盐雾腐蚀性能.
4、表面腐蚀物EDS分析
原始试样焊缝腐蚀后表面化学成分为:C 5.02,26.49,Cl 5.24,Fe 63.24,如图6a所示;激光冲击处理焊缝腐蚀后表面化学成分为:C 6.18,O 22.87,Cl 5.89,Fe 65.05,如图6b所示.由EDS分析结果可知,腐蚀物主要是由铁的氧化物和氯化物组成,可以认为腐蚀产物的化学通式为FexOyHnClz.激光冲击处理后试样表面腐蚀物中O元素含量较原始试样降低了13.67%,而Cl元素含量提高了12.4%,这是因为原始试样的表面腐蚀较为严重,焊接硬化层被破坏后,焊缝次表层暴露在空气中被氧化所致.而激光冲击处理后试样表面腐蚀物中Cl。


 管线钢焊缝盐雾腐蚀性能试验研究
 
元素较原始试样高,是由于激光冲击处理使表面位错密度增加,腐蚀介质Cl-很难透过表面进入焊缝内部,从而沉积在试样表面盐雾腐蚀物以及部分NaCl,使Cl元素含量高.上述腐蚀产物由图7中XRD分析得到了验证,反应产生的氢气和焊缝内部的微裂纹或孔洞共同作用,促使钝化膜破裂,使得腐蚀过程伴有氢致开裂的影响,其结果产生了氢鼓泡,如图8a所示.腐蚀产物不断脱落的同时,还出现腐蚀裂纹,如图8b所示,剥落腐蚀是一种晶间腐蚀与内应力的协同作用下的腐蚀失效,由于焊接过程引入的拉应力为腐蚀提供了应力来源,在此应力作用下,高于晶界强度的焊缝部分发生沿晶脆性断裂,腐蚀介质沿垂直方向深入焊缝内部,晶界产生晶间腐蚀和剥落腐蚀.
 

管线钢焊缝盐雾腐蚀性能
 
 
因此原始状态的焊缝盐雾腐蚀是一个混合腐蚀的过程.一般研究认为,腐蚀与析出相的分布和数量有关.激光冲击处理使得焊缝区内部金属化合物形成强化相,使得析出物重新分布,形成了表层强化层,减少了焊缝区内部及表面缺陷,从而降低了腐蚀速度,减少了腐蚀介质和内部合金组织的接触概率.图9a中表面微裂纹比原始状态试样(图8b)明显减少,这表明激光冲击处理提高了其抗盐雾腐蚀性能.但由于激光冲击过程中引入了压应力,腐蚀表面也发生剥落腐蚀,如图9b所示.http://www.zgyqcp.cn 
 
 
 

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