船用AH32钢在不同焊接工艺下焊缝腐蚀电化学分析_刘未来.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言船舶制造领域传统的焊接工艺有手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等1，而这些焊接方法有焊接效率低、焊缝成型差等缺点。激光焊接技术是一种焊接速度快、精度高、可控性好、变形小、成型好的新型焊接技术，广泛应用于航天、精密仪器制造、船舶制造等领域2-4。激光焊接技术在船舶建造上已普遍应用，尤其是在游船、潜艇、舰艇等大型船舶发展迅速。虽然激光焊接技术发展迅速，但是对于船舶用钢的激光焊接焊缝腐蚀研究较少，尤其对激光焊接产生的焊缝在腐蚀环境中电化学研究分析，是焊缝在不同温度、海水流速等工况下的耐腐蚀性能比较等研究。材料在焊缝处腐蚀，远洋破冰船上设备的焊接处发生严重不均匀腐蚀，是人类首次意识到腐蚀会最先发生在焊缝区，这种不均匀腐蚀对设备的使用寿命影响极大。影响焊缝腐蚀的原因很多，包括焊缝区域的微观组织变化、化学成分改变和应力改变等多种因素5-6，船舶焊缝质量的优良直接决定船舶的安全性。电化学测试分析技术是研究材料腐蚀性能的重要手段，分析电位、电流在不同极化信号作用下的变化关系。0.1 A/cm2的自然腐蚀电流连续流通 1 h 而产生的腐蚀产物大致 1.04104 mg/cm2，这种细微的电流变化，电化学测试技术能迅速响应，而利用其他方法很难测出如此微小的变化7。船用AH32钢在不同焊接工艺下焊缝腐蚀电化学分析刘未来1，辛鹏飞2（1.武警士官学校，浙江 杭州 311400；2.远景能源科技有限公司，上海 200336）摘 要：本文利用 Autolab PGSTAT 302N 电化学工作站对 2 种不同焊接工艺下的船用 AH32 钢焊缝区域进行实验，分析对比在不同腐蚀环境下不同激光焊接工艺的焊缝电化学腐蚀性能。结果表明：激光单焊焊缝试样自腐蚀电位为-0.602 V，激光电弧复合焊缝试样的自腐蚀电位为-0.604 V；比较不同腐蚀环境中试样极化曲线的自腐蚀电位和最大腐蚀速率，激光电弧复合焊缝自腐蚀电位和最大腐蚀速率较大；综合焊缝腐蚀试样在不同环境中耐腐蚀性能分析，得出 AH32 钢在激光单焊接工艺下焊缝的耐腐蚀性能更优。为今后研究激光焊接焊缝腐蚀的方法提供一定的参考借鉴。关键词：AH32 钢；激光单焊；激光电弧复合焊；电化学腐蚀中图法分类号：U668.1 文献标志码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.014引用格式刘未来,辛鹏飞.船用 AH32 钢在不同焊接工艺下焊缝腐蚀电化学分析 J.船舶物资与市场,2023,31 (3):41-45.收稿日期：2022-11-18 作者简介：刘未来（1990-），男，硕士，助教，研究方向为船舶结构与设计、材料腐蚀与防护等。本文利用电化学测试分析技术，研究不同激光焊接工艺下焊缝的电化学腐蚀行为，为以后研究激光焊接焊缝腐蚀提供技术参考。1 实验材料及方法1.1 试样材料本文选样船用 AH32 钢为研究对象，其密度为 7.85 g/cm3，用金相切割机切割成10 mm10 mm6 mm的试样小块。1.2 激光焊接参数选择激光焊接采用库卡 KR5R1400 焊接机器人进行焊接，首先通过几组测试选择一组最佳激光焊接参数，功率 P 为 4300 W，离焦量 DF 为-4 mm，焊接速度 V为 0.8 m/min。激光-电弧复合焊接技术参数的选择，首先通过 12 组的焊接参数测试，选择焊接状况、成型最好的一组参数作为实验参数，最终确定参数如表 1 所示。表 1 激光-电弧复合焊接参数焊丝成份离焦/mm光丝间距/mm焊丝干伸长/mm保护气焊速/mmin-1JQ-MG50-6-4 34 2023Ar+5%CO2,23 L/min1送气速度/L/min激光功率/W弧长修正脉冲修正起弧电流收弧电流93500 Arc 8%PC 0.540%30%船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 42 1.3 试样处理及腐蚀环境设置将 AH32 钢板焊缝区域用金相切割机切割成10 mm10 mm6 mm 的试样小块，逐次用 240#2000#水磨砂纸打磨试样，直到表面平整光滑，用无水乙醇清洗干燥，保存在干燥箱内进行干燥。用电烙铁在试样非工作面上锡焊带有绝缘层的实芯铜导线。在非腐蚀的 5 个面以及裸露的铜导线上用环氧树脂 AB 胶均匀涂抹以密封，再用迈克 AB 胶涂抹密封，起到定型作用。再用 2000#水磨砂纸打磨腐蚀面，去除表面胶水层，用去离子水进行清洗、干燥之后，把各试样放在不同实验环境中进行浸泡腐蚀。利用 Autolab PGSTAT 302N 电化学工作站，采用三电极体工作系统，扫描电压范围为-0.3+1.0 V，扫描速度为 10 mV/s，腐蚀介质为质量分数为 3.5%NaCl 溶液。本文共设置 6 组实验，每组的实验参数不同，分别模拟船舶在不同工况下的腐蚀环境，如表 2 所示。具体内容为：A 组：激光单焊、室温静止海水环境。B 组：激光-电弧复合焊、室温静止海水环境。C 组：激光单焊、室温 500 r/min 海水环境。D 组：激光-电弧复合焊、室温 500 r/min 海水环境。E 组：激光单焊、25 静止海水环境。F 组：激光-电弧复合焊试样、25静止海水环境。在实验中，分别在 0、1、3、5、8、11 周时进行焊缝试样的电化学测试，分别记录下实验数据。表 2 实验参数选择试样编号单焊复合焊室温、静止室温、500 r/min 25静止A-B-C-D-E-F-2 实验结果与分析2.1 AH32 钢不同焊接工艺下焊缝自腐蚀电位分析自腐蚀电位又叫开路电位、自然电位，用 Ecorr 表示自由电子摆脱金属束缚的难易程度，电位值越负，腐蚀越容易发生；电位值越正，腐蚀倾向越小8。通过测定材料自腐蚀电位，可以初步判断材料的腐蚀倾向程度。表 3 为不同焊接工艺下焊缝在未腐蚀时的自腐蚀电位。可以看出，AH32 钢激光电弧复合焊焊缝和激光单焊焊缝在未腐蚀时的自腐蚀电位相差不大，前者自腐蚀电位为-0.604 V，后者自腐蚀电位为-0.602 V，两者相比激光电弧复合焊焊缝自腐蚀电位较负，说明 AH32 钢激光单焊焊缝在未腐蚀时的耐蚀性能强于激光电弧复合焊焊缝。表 3 AH32 钢不同焊接工艺焊缝未腐蚀自腐蚀电位腐蚀时间/周A（单焊）室温静止海水B（复合焊）室温静止海水C（单焊）室温500 r/min0-0.602 V-0.604 V-0.602 V腐蚀时间/周D（复合焊）室温500/minE（单焊）25静止海水F（复合焊）25静止海水0-0.604 V-0.602 V-0.604 V 2.2 AH32 钢不同焊接工艺下焊缝极化曲线分析极化曲线反映的是电极电位和极化电流之间的关系，表示促进腐蚀原电池反应的电极电位与反应电流间的函数关系。电化学腐蚀过程中，作为腐蚀速度的判断标准，阳极电流密度主要受到电极极化的影响12，极化曲线根据腐蚀过程的不同可分为活性溶解区、过渡钝化区、稳定钝化去、过钝化区。通过分析研究极化曲线，可以很好地解释腐蚀的基本规律，揭示 AH32 钢焊缝腐蚀的机理，为今后的防腐蚀途径选择提供依据9。本实验通过动态法测量极化曲线，通过控制电极电势以较慢的速率持续扫描，获得瞬时电流，转换为电流密度，获取极化曲线10。此三电极体系工作电极为 AH32钢焊缝区，Pt 电极为对电极，Ag/AgCl 电极为参比电极，曲线上半部为阳极极化曲线，下半部为阴极极化曲线。图 1 AH32 钢不同焊接工艺焊缝腐蚀 5 周的极化曲线第 3 期 43 图 1 为 AH32 钢不同焊接工艺焊缝在不同腐蚀环境中腐蚀 5 周极化曲线图，其中纵坐标为电极电压，横坐标为电极电流密度。图中曲线分别表示：A：单焊、室温静止海水环境；B：复合焊、室温静止海水环境；C：单焊、室温 500 r/min 环境；D：复合焊、室温 500 r/min 环境；E：单焊、25 静止海水环境；F：复合焊、25 静止海水环境。可以看出，6 组环境中的试样 5 周的极化曲线走势基本一致，随着扫描电压的增大，前期电流密度相比于电压增加电流密度增加，此线段比较陡峭，为腐蚀的活性溶解区（I 右边）；随着电压继续增大，电流密度走势放缓，电流密度相对下降，此时腐蚀进入过渡钝化区（I-II 之间）；电流密度曲线呈直线下降趋势，电极电压保持不变，此时试样处于钝化区，这时电压为临界钝化电压；随着电压继续增大，电流密度越来越大，材料进入过钝化区，腐蚀加剧。由图中 III 可以看出，随着电压的增大，电流密度维持不变。由法拉第第二定律可知，自腐蚀电流密度越大，材料的腐蚀速率越大，相应的耐蚀性就越差11。从密度曲线可以看出，各组试样的最大腐蚀速率，很明显 F 组试样腐蚀速率最大，此时电流密度达到-2 A/cm2，其他曲线最大腐蚀速率基本相同。最终可以得出：激光电弧复合焊焊缝在 25环境中的腐蚀速率最大，耐蚀性最差。材料自腐蚀电流密度随温度的增大而增加，其腐蚀速率也相应增大12。单独比较焊缝的临界腐蚀电位和最大腐蚀速率，所得出的结果误差较大，准确度不高。由此比较不同腐蚀环境下的极化曲线，更为精确。图2为不同腐蚀环境下13周的焊缝极化曲线，由此可以得出温度、转速对不同焊缝腐蚀过程的影响。由图 2（a）可以看出，A:激光单焊、室温静止海水环境下试样自腐蚀电位为-0.75 V；C:激光单焊、室温 500 r/min环境海水环境下试样自腐蚀电位为-0.79 V；E:激光单焊、25静止海水环境的试样自腐蚀电位为-0.81 V；自腐蚀电位大小关系为：ACE，腐蚀难易程度为：室温静止海水环境 室温 500 r/min 环境海水环境 25静止海水环境。说明激光单焊焊缝在室温静止海水环境下不易腐蚀，而在 25静止海水环境下易腐蚀。从最大腐蚀速率来看，A 组试样达到最大腐蚀速率时所需电位最高，说明 A 组试样最耐腐蚀。由图 2（b）可以看出，B:复合焊、室温静止海水环境下试样自腐蚀电位为-0.55 V；D:复合焊、室温 500 r/min 环境下试样自腐蚀电位为-0.76 V；F:复合焊、25静止海水环境下试样自腐蚀电位为-0.801 V；自腐蚀电位大小关系为：B D F，腐蚀难易程度为：室温静止海水环境 室温 500 r/min 环境海水环境 25静止海水环境。说明激光复合焊焊缝在室温静止海水环境下不易腐蚀，而在 25静止海水环境下易腐蚀。从最大腐蚀速率看，B 组试样所需电极电位明显高于其他 2组，说明 B 组试样最耐腐蚀。分析可以得出结论：激光焊接焊缝在 25海水环境中腐蚀最为严重，其次是转速为 500 r/min 环境海水环境中，最不易腐蚀的环境是在室温静止海水，说明温度升高、海水流动都会加速激光焊接焊缝的腐蚀，且温度影响更大。（a）单焊 （b）复合焊图 2 腐蚀 13 周极化曲线图 3 为不同焊接工艺下焊缝在相同环境中极化曲线，比较在相同环境中两种焊接工艺焊缝耐蚀性的影响。由图 3（a）可以看出，2 种焊缝在 25静止海水环刘未来，等：船用 AH32 钢在不同焊接工艺下焊缝腐蚀电化学分析船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 44 境中腐蚀 5 周时间的极化曲线，E:单焊、25静止海水环境中试样的自腐蚀电位为-0.57 V；F:复合焊、25静止海水环境中试样的自腐蚀电位为-0.72 V；自腐蚀电位大小关系为：EF，腐蚀难易程度为：单焊、25静止海水环境 复合焊、25静止海水环境，说明激光电弧复合焊焊缝在25静止海水环境下比激光单焊焊缝更易腐蚀。从最大腐蚀速率来看，E 组试样达到最大腐蚀速率时所需电极电位比 E 组试样最大腐蚀速率时电极电位高，说明激光电弧复合焊焊缝在 25静止海水环境下更易腐蚀。-7-6-5-4-3-2-1-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6Esce/Vlogi(A/cm2)E F-7-6-5-4-3-2-1-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40