不锈钢电阻对焊接头的抗点蚀性能研究

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【摘　要】　本文对瑞典产五种双相不锈钢和超级双相不锈钢钢筋电阻对焊接头的抗点蚀性能进行了研究。发现双相不锈钢电阻对焊接头的抗点蚀性能与对应母材相比有一定程度下降，下降范围在10°C以内。超级双相不锈钢电阻对焊接头的抗点蚀性能几乎与母材的相同，高达65～68°C，且热影响区窄，晶粒长大倾向小，表现出极好的抗点蚀性和焊接性。文章对电阻对焊接头性能变化的原因从化学成分和显微组织方面进行了分析。
【关　键　词】　电阻对焊；　双相不锈钢；　点蚀
【中图分类号】　TG43　　　【文献标识码】　A

1　前言
　　随着化学工业、能源工业及海洋工程的发展，在世界范围内对不锈钢的需求不仅在产量方面迅速增加，而且在耐腐蚀性能方面也在不断提高，尤其对不锈钢焊接接头在含氯离子Cl-(如海水)介质中抗点蚀能力的要求越来越高。为满足这种需要，西方工业国家一方面大力开发新钢种，一方面积极开展焊接性能研究。目前已有大量文献报道了这方面的研究成果，但都局限于熔化焊接头，很少涉及电阻焊接头。电阻对焊是电阻焊方法的一种，也是某些焊接结构件(如环形链条)最合适的焊接方法。由于电阻焊过程与熔化焊过程有着本质区别，它对不锈钢接头抗点蚀性能的影响如何还不清楚，因此有必要在这方面做些研究工作。
2　试验材料和方法
　　所用试验材料为五种瑞典产不锈钢钢筋，其中包括四种双相钢和一种超级双相钢。它们的牌号、规格及化学成分列于表1。

表1　试验材料的化学成分

序号	钢　号	直　径	C(%)	Cr(%)	Ni(%)	Mo(%)	N(%)
1	SAF2304	6.0mm	0.019	22.73	4.95	0.21	0.10
2	SAF2205	5.5mm	0.016	22.38	8.62	3.12	0.132
3	SAF2205	6.5mm	0.017	21.95	5.62	3.05	0.160
4	SAF2205	5.6mm	0.014	22.11	5.54	3.16	0.170
5	SAF2507	5.5mm	0.016	25.13	9.56	4.02	0.271

点蚀试验按美国材料试验标准方法ASTM G48-76[1]在英国产GRANT-W38 腐蚀箱中进行。试验用焊接接头在SCHLATTER MICROWELD电阻对焊机上对焊而成，每种钢筋均采用两种规范焊接，以获得不同的能量输入和不同的加热、冷却时间。预压力与顶镦力不变。所用参数用电子电表测得，其平均值列于表2。 表2　所用焊接参数

序号	直径 (mm)	电压 (v)	电　　流 (A)	加热时间 (s)	低能量输入 (kJ)	高能量输入 (kJ)
1	6.0	2.5	1.83　1.37*	0.96　2.21*	4.39	7.57
2	5.5	2.5	1.44　1.25*	0.86　1.74*	3.10	5.44
3	6.5	2.5	2.49　1.52*	0.84　2.12*	5.23	8.06
4	5.6	2.5	1.53　1.31*	0.87　1.78*	3.33	5.83
5	5.5	2.5	1.65　1.05*	0.68　2.08*	2.81	5.46

注: 1. 能量输入 ＝ 电流(kA)×电压(V)×加热时间(s) 2. 表中带"*" 号的值对应于高能量输入 　　点蚀试样皆截成35～40mm长，焊接接头居中，经砂轮打磨，120#砂纸打光，酒精冲洗 (未经酸洗) 后吹干备用。试验前试样用电子称称重，精确到0.001克，然后浸入一定温度的6% FeCl3水溶液中，经72小时后取出洗净，吹干，称重(作为判断试样是否发生点蚀的辅助手段)，并在低倍显微镜(10×)下寻找点蚀坑，观察点蚀情况。调整溶液温度，反复试验， 直至获得刚刚发生点蚀的温度，即临界点蚀温度CPT为止。 3　结果及讨论 3.1　化学成分及PRE值 　　不锈钢中，Cr、Mo、N三元素的含量是影响其抗点蚀性能的重要因素。因而常将它们在不锈钢中的含量折合成抗点蚀当量PRE值(Pitting Resistance Equivalent)来粗略估计不锈钢的抗点蚀能力。这里PRE=Cr+3.3Mo+kN，本文取k=30。由表1可见，双相钢SAF2304(No.1)中，Mo和N的含量都很低，其PRE值为26.423。三种同牌号双相不锈钢No.2、No.3和No.4中，都含较高的 Mo和 N，它们的PRE值分别为36.636、36.815和37.638。其中No.2含Ni异常高，达8.62%。No.3中，Cr、Mo、N 含量都比No.4中略低。超级双相不锈钢SAF2507(No.5)中，Cr、Ni、Mo、N含量都进一步提高，其PRE值高达46.526。当PRE值大于或等于40时，称为超级不锈钢。 3.2　临界点蚀温度CPT 　　点蚀试验结果列于表3。由表3可知，五种不锈钢母材的CPT值高低顺序与其对应的PRE值基本相符。低钼低氮双相不锈钢No.1母材的CPT为15℃，其对焊接头的CPT为6℃左右，下降了9℃。具有典型化学成分的双相钢No.4的抗点蚀性能颇为理想，母材的CPT为37℃，对焊接头的CPT为27℃，下降了10℃。No.2与No.4型号相同，化学成分也大致相同，只是含有异常高的Ni，但其母材的CPT却意外的低，仅为23℃。更值得注意的是其接头的CPT没有丝毫降低，甚至有高于母材的迹象。因为这时的点蚀坑不是发生在接头的热影响区，而是在母材中。No.3母材的CPT为30℃，对焊接头的CPT与母材的相当，为28～30℃。 表3　母材及焊接接头的CPT

序号	钢　号	PRE值	CPT B	CPT WL	CPT WH
1	SAF2304	26.423	15°C	6°C	6°C
2	SAF2205	36.636	23°C	23°C	23°C
3	SAF2205	36.815	30°C	28°C	30°C
4	SAF2205	37.638	37°C	27°C	27°C
5	SAF2507	46.526	68°C	68°C	65°C

注：　1. CPT B——母材的CPT值 2. CPT WL——低能量输入所焊接头的CPT值 3. CPT WH——高能量输入所焊接头的CPT值 　　超级双相钢No.5表现出极好的抗点蚀能力。其母材的CPT高达68°C，其对焊接头的CPT与其母材的相近，为65～68°C。还须指出的是两种焊接能量焊接的接头所表现的抗点蚀能力相当。这说明双相不锈钢电阻对焊接头的抗点蚀能力在一定范围内对焊接能量不敏感。 3.3　显微组织分析 　　显微组织分析结果示于表4和参见图1。 表4　显微组织分析结果

序号	状　　　　态	热影响区 宽度(mm)	晶粒尺寸 ( μm )	铁素体体积 分量(％)
1	base metal		22	46
2	base metal		3	26
3	base metal		5	29
4	base metal		5	41
5	base metal		10	35
1	welds with L.E.I.	5.04	84	70
2	welds with L.E.I.	2.80	56	34
3	welds with L.E.I.	4.48	72	57
4	welds with L.E.I.	5.88	68	64
5	welds with L.E.I.	0.50	56	44
1	welds with H.E.I.	7.28	131	60
2	welds with H.E.I.	3.36	94	30
3	welds with H.E.I.	13.16	125	45
4	welds with H.E.I.	14.0	119	58
5	welds with H.E.I.	1.12	66	30

图1　双相钢和超级双相钢的显微组织

　　如图1所示，双相钢和超级双相钢的母材组织为沿轧制方向拉长了的铁素体和奥氏体混合组织。在焊接热作用下，晶粒明显长大，且长条形变成了等轴形，奥氏体呈网状分布在铁素体晶界和以魏氏组织形态存在于铁素体晶内。由表4可知，它们的热影响区宽度和晶粒尺寸随焊接能量增大而增大。然而特别值得指出的是超级双相钢No.5的热影响区特别窄，晶粒长大现象也不明显(图1d)。
　　上述现象可用铬镍当量比来解释。这里铬镍当量比
　　　　　[Cr/Ni]eq=(Cr+Mo+0.7Nb)/(Ni+20N+35C)[2]
超级双相钢No.5的[Cr/Ni]eq=1.88。由图2[3]可见，在焊接加热过程中，其单相铁素体要在高达1400℃的温度才能形成，随后晶粒长大的区间就很窄，所以它在电阻对焊热作用下，晶粒长大不明显。双相钢No.1、No.3和No.4的[Cr/Ni]eq分别为3.01、2.59和2.66，它们的单相铁素体形成温度比较低，分别为1240℃、1335℃和1320℃，这样，铁素体晶粒长大的温度区间就明显增宽，因此在它们的焊接热影响区晶粒长大明显，尤其是高能量焊接时。

图2　五种不锈钢在采用WRC—88[Cr/Ni]eq
　　关系的Fe—Cr—N三元相图截面中的位置

　　双相钢和超级双相钢中，铁素体和奥氏体的相对体积分量对其点蚀抗力起着重要作用。任何一种组织的体积分量过高或过低都对其点蚀抗力不利。理想状态应是各占50%。一般情况下，其中一种组织的体积分量应在 30％～70%之间[4]。如表4所示，双相钢No.2 的母材中，铁素体分量只有26%，这意味着奥氏体的量占了绝对优势，其原因是这种钢中的镍含量异常高 (8.62%)。文献[5，6]指出，氮元素对不锈钢抗点蚀能力的影响是举足轻重的，而氮元素又主要分布在奥氏体中。奥氏体分量过大，其中的氮元素就会被稀释，因而降低奥氏体的PRE值及其点蚀抗力。这正是No.2母材的CPT比正常含镍量的同牌号钢种No.4母材的CPT低得多的原因。No.3母材中，铁素体的体积分量也较低，只有29%，同理，其母材的CPT也只有30°C，而其对焊接头的CPT与母材的相当。
　　No.4和No.1都具有正常含Ni量.在它们的母材中，铁素体和奥氏体的比例正常。但由于焊后冷却迅速，往往会抑制奥氏体转变，尤其是在焊接能量输入低的情况下。这样就会使奥氏体的体积分量下降，从而影响焊接接头的耐点蚀能力。相反，在No.2和No.5中含有较高的Ni，有利于焊后奥氏体转变，所以在它们的焊接接头中奥氏体的比例仍然较高，但比母材组织有所下降，因此它们的CPT与母材的相当，甚至有高于母材的迹象。
4　结论
4.1　普通双相钢No.1和No.4电阻对焊接头的CPT分别为6°C，和27°C，与母材相比，CPT下降值均在10°C以内。
4.2　超级双相钢No.5电阻对焊接头的CPT与其母材的相当，高达65～68°C，且热影响区窄，晶粒长大较小，表现了极好的耐点蚀性和焊接性。
4．3　双相钢No.2因Ni含量异常高，母材中奥氏体的体积分量过大，使溶于其中的氮元素稀释，故其CPT值较低(23°C)。焊后接头中，奥氏体的体积分量下降至正常量，故其CPT值未见下降。