CN113579428A - 一种316l工艺管线焊接热影响区抗点蚀和晶间腐蚀协同提升的焊接方法 - Google Patents

一种316l工艺管线焊接热影响区抗点蚀和晶间腐蚀协同提升的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了316L工艺管线焊接热影响区抗点蚀和晶间腐蚀协同提升的焊接方法，涉及焊接技术领域。本发明提供的316L工艺管线惰性气体钨极氩弧焊焊接方法，即一种针对316L工艺管线合理控制惰性气体钨极氩弧焊热输入的焊接工艺。本发明所述焊接方法可以快速选取合适的焊接线热量，并且通过热模拟技术得到尺寸较大的焊接热影响区，方便开展组织和性能试验；实现各阶段参数严格合理控制，流程规范，减少时间成本与经济成本，从而综合提高316L工艺管线在海洋环境服役下焊接工艺的开发；在保证焊接质量的情况下，简化了焊接操作步骤，提高了焊接工作效率。

Description

一种316L工艺管线焊接热影响区抗点蚀和晶间腐蚀协同提升 的焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种316L工艺管线焊接热影响区抗点蚀和晶间腐蚀协同提升的焊接方法。
背景技术
AISI 316L不锈钢不仅含有适量的铬、镍,还有2％左右的钼元素，有利于得到单相奥氏体组织，并具有比AISI 304更高的电极电位，所以此类不锈钢具有良好的塑韧性、耐蚀性、焊接性以及加工性能。在腐蚀环境下综合使用成本较低，316L在化学工业、沿海、食品、生物医学、石油化工等领域中得到广泛应用，并且全球仍以每年3％-5％的速度递增。焊接结构具有良好的密封性和经济性已成为不锈钢最常见的一种使用形式，世界主要工业国家生产的焊接结构占到钢产量的50％-60％。焊接接头中热影响区是整个结构中最为薄弱、复杂的部位，相比于基体更容易受到腐蚀，尤其是经历不当热输入之后。对316L焊接接头而言在含有卤素离子的环境中，特别是氯离子中，不锈钢中可能会出现点蚀、晶间腐蚀等失效形式。因此，316L不锈钢的焊接工艺尤其要对焊接热输入进行严格的把控。
目前，对于316L工艺管线的焊接大多采用TIG、MIG等气体保护焊，保护气的作用便于得到成形美观，性能良好的焊接接头。但焊接过程由于热量的输入难以避免的会导致焊件性能的恶化，尤其是焊接接头热影响区的性能会严重恶化，直接影响到焊件的使用寿命。并且很多工艺管线的使用环境都含有一定的氯离子、硫离子，比如海上环境和石油运输，均容易导致接头热影响区的点蚀和晶间腐蚀。点蚀是一种集中在金属表面针尖状、点状的微小区域内，并快速而持续的向深处发展甚至穿透金属的腐蚀行为。在侵蚀性介质中常发生在表面氧化膜被破坏等薄弱位置，从而产生局部腐蚀。晶间腐蚀是指包括晶界在内的一个和晶粒尺寸相比较小的区域内发生的腐蚀，一般发生腐蚀破坏时肉眼不可见，但受到应力时即会沿晶界断裂，几乎丧失强度，给焊接结构带来巨大的安全隐患。面对这类问题，近年来发展起来的焊接热模拟技术可以用来研究焊接热影响区的各种性能，为焊接工程选用最佳的焊接工艺，为保证焊接热影响区性能提供可靠的依据和试验手段。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供316L工艺管线惰性气体钨极氩弧焊焊接方法，即一种针对316L工艺管线合理控制惰性气体钨极氩弧焊热输入的焊接工艺，特别是针对不锈钢失效发生在焊接接头热影响区域的条件下，可以提高接头薄弱区的耐局部腐蚀性能，高效率低成本地完成焊接工艺的开发。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
基于热模拟技术，利用Gleeble 3500试验机，316L工艺管线惰性气体钨极氩弧焊焊接工艺，按照下述步骤进行确定：
Gleeble 3500热模拟试验机是一台电阻加热式全模拟装置，由加力系统、加热系统、计算机控制系统组成，具有极快的降温和升温速度，同时记录试样热模拟过程中的温度、应力、应变等参数变化曲线。可对金属材料焊接各阶段的工艺与材料性能变化之间的关系进行精确模拟，可以准确的模拟出不同区域不同热输入的焊接组织。使用此设备，将机加工后直径为φ6mm母材以不同的热模拟参数进行实验，模拟焊接过程，得到不同冷却速度下的焊接热影响区组织。然后对不同参数热影响区的组织和耐蚀性能进行表征，确定合适的焊接工艺。
在上述技术方案中，采用的母材为316L工艺管线，并沿着平行于母材的轧制方向加工出直径为φ6*80mm的棒状试样。
在上述技术方案中，热模拟采用的实验参数为以200℃/s加热到1300℃，保温1s(即模拟接头热影响区)，再控制不同以t12/5(由1200℃冷却到500℃所用时间)为20s、30s、40s、50s、65s、80s、100s、150s冷却，最后在空冷至室温，以得到不同热输入参数下的焊接热影响区，然后探究不同试样的组织和腐蚀性能。
在上述技术方案中，按照试验方案对模拟后的焊接热影响区焊件加工成各类试样。先将小棒沿着热模拟中间切开，漏出的截面作为后续组织和电化学腐蚀的待测试表面，电化学测试主要包括反映点蚀敏感性的动电位极化试验和反映晶间腐蚀敏感性的双环动电位试验。
在上述技术方案中，通过动电位极化试验和双环动电位试验的点蚀电位和晶间腐蚀指数的大小来评价不同t12/5条件下的耐腐蚀性能。
在上述技术方案中，选出最优的一组t12/5，再根据标准雷卡林传热公式，可以得到与t12/5对应的焊接热输入，即：
Figure BDA0003224707290000031
其中Q为输入线能量，单位kJ；T1、T2为用于决定冷却时间的温度，单位℃；d为实际板厚，单位cm；ρ为材料密度，单位g/cm3；c为比热容，单位J/(g·℃)；Δt为从T1到T2的冷却时间，单位s；λ为热导率，单位W/(cm·℃)。
在上述技术方案中，采用惰性气体钨极氩弧焊，根据得到的热输入进行316L母材焊接，按照晶间腐蚀弯曲试验对焊接接头熔合线区域进行腐蚀倾向试验，来进一步验证实际焊接件的耐腐蚀性能。
有益效果：(1)在本发明的焊接方法中，可以快速选取合适的焊接线热量，并且通过热模拟技术得到尺寸较大的焊接热影响区，方便开展组织和性能试验；实现各阶段参数严格合理控制，流程规范，减少时间成本与经济成本，从而综合提高316L工艺管线在海洋环境服役下焊接工艺的开发。(2)在本发明的焊接方法中，省去了在焊接过程中对焊接母材的焊前预热处理和对焊缝的焊后热处理。这样，在保证焊接质量的情况下，简化了焊接操作步骤，提高了焊接工作效率。
说明书附图
图1是本发明技术方案中热模拟曲线；
图2是本发明技术方案中电化学试样示意图；
图3是本发明技术方案中电化学试验性能指标。
具体实施方式
本发明提供了。
下面结合实施例对本发明提供的进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
步骤一，母材材料选择：选用国产的316L母材。
步骤二，试样加工：沿着316L母材轧制方向加工出φ6*80mm的圆棒状试样，用于热模拟使用热模拟后将试样沿着热模拟区中间切开漏出待测面，然后加工成φ6*7mm的金相试样用于电化学测试，以及微观组织分析，包括微观金相和EBSD实验，沿着热模拟中心加工成φ6mm，厚度为0.5mm的小圆片用于TEM实验。
步骤三，热模拟实验(图1)：取φ6*80mm的圆棒，在中心点焊上热电偶丝用于记录温度与时间的实时变化，监控加热和冷却过程。用200℃/s加热到1300℃，保温1s(即模拟热影响区)，随后空冷至1200℃，再控制不同以t12/5(由1200℃冷却到500℃所用时间)为20s、30s、40s、50s、65s、80s、100s、150s冷却，最后在空冷至室温。
步骤四，微观组织实验：将热模拟后的试样加工成金相试样和透射试样，用于SEM、EBSD和TEM实验。其中SEM试样用2000#砂纸打磨，抛光后用王水腐蚀进行观察和元素定性分析；EBSD试样用7000#砂纸打磨后，利用体积分数为5％的高氯酸酒精溶液在20V下电解抛光30s进行表面处理；TEM试样手工研磨至70μm厚，然后离子减薄进行后处理。并分别记录不同热模拟试样的微观组织形貌、残余铁素体含量及形态、境界特征、二次相的生成加以确定。
步骤五，电化学试验(图2)：将上述电化学试样焊上一根导线后进行环氧树脂冷镶，只露出待测面，然后打磨至2000#砂纸，抛光后进行动电位极化和双环动电位再活化试验。电化学测试均在Gamry Interface 1000工作站进行，实验温度为25℃，均采用饱和甘汞作为参比电极、铂片电极作为辅助电极、试样作为工作电极的三电极体系。其中动电位再活化试验采用质量分数为3.5％的氯化钠溶液，实验开始前浸泡一段时间，待开路电位稳定以后，从相对于开路电位-0.5V正向极化至1.2V，根据ASTM G61-86标准，扫描速度为0.167mV/s；得到极化曲线后对比试样的点蚀电位(Epit)大小，通过Tafel拟合，得到试样的自腐蚀电流密度(Icorr)并进行比较。动电位再活化实验根据相关标准在0.5mol/L H2SO4+0.01mol/LKSCN的混合溶液中进行，扫描速度为1.67mV/s；得到双环曲线后，通过测量再活化扫描峰值电流(Ir)和相对应的活化扫描峰值电流(Ip)得出两者比值，即为敏化程度指数(DOS)，其值越大表明敏化程度越大，晶间腐蚀越严重。根据耐蚀性的指标Epit和DOS选择出的最优的t12/5。
步骤五，焊接热输入计算：根据雷卡林传热公式，计算出选用的t12/5与焊接热输入的关系：
Figure BDA0003224707290000051
其中Q为输入线能量，单位kJ；T1、T2为用于决定冷却时间的温度，单位℃；d为实际板厚，单位cm；ρ为材料密度，单位g/cm3；c为比热容，单位J/(g·℃)；Δt为从T1到T2的冷却时间，单位s；λ为热导率，单位W/(cm·℃)。
步骤六，焊接热输入：按照上述步骤把得到的焊接热输入带入到下列公式中就可以得到焊接电流(I)，电弧电压(U)与焊接速度(V)之间的关系，从而得到316L工艺管线焊接参数。
E＝IUη/V
其中I为焊接电流；U为电弧电压；V为焊接速度；η为惰性气体钨极氩弧焊热效率系数。
步骤七，焊件耐腐蚀性检测(图3)：按照优选的焊接参数，采用惰性气体钨极氩弧焊进行316L母材焊接，将得到的焊接接头进行取样处理，根据动电位极化和双环动电位再活化试验探究焊后实际热影响区的腐蚀倾向，然后再针对接头热影响区进行宏观晶间腐蚀弯曲试验，试验之后观察弯曲试样受力面有无肉眼可见的皱裂或微裂缺陷。开裂说明对应的焊接参数不合格，反之就是合适的焊接参数，从而得到316L工艺管线焊接接头热影响区抗点蚀、晶间腐蚀的焊接工艺。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种316L工艺管线焊接热影响区抗点蚀和晶间腐蚀协同提升的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：采用热模拟技术，模拟316L工艺管线惰性气体钨极氩弧焊的焊接过程，得到不同冷却速度下的焊接热影响区组织；然后对不同参数热影响区的组织和耐蚀性能进行表征，确定合适的焊接工艺。
2.根据权利要求1所述焊接方法，其特征在于，采用Gleeble 3500热模拟试验机进行所述模拟。
3.根据权利要求1或2所述焊接方法，其特征在于，所述模拟包括：将机加工后直径为φ6mm母材以不同的热模拟参数进行实验，模拟焊接过程，得到不同冷却速度下的焊接热影响区组织。
4.根据权利要求3所述焊接方法，其特征在于，采用的母材为316L工艺管线，并沿着平行于母材的轧制方向加工出直径为φ6*80mm的棒状试样。
5.根据权利要求3所述焊接方法，其特征在于，热模拟采用的实验参数为以200℃/s加热到1300℃，保温1s，再控制不同以t12/5为20s、30s、40s、50s、65s、80s、100s、150s冷却，最后在空冷至室温，以得到不同热输入参数下的焊接热影响区，然后探究不同试样的组织和腐蚀性能。
6.根据权利要求5所述焊接方法，其特征在于，通过动电位极化试验和双环动电位试验的点蚀电位和晶间腐蚀指数的大小来评价不同t12/5条件下的耐腐蚀性能。
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