CN114252391B - 钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，其步骤依次包括：试样制备：采用电火花切割，获得焊接接头的焊缝试样，试样在工作面的反面焊接导线；电化学测试：进行电解测试，测试溶液按重量百分比包括0.1～1%的Na2SO4和0.1~1.04%的NaHSO3，pH值为2~4；腐蚀深度测量：清理腐蚀产物得到经腐蚀后的试样，采用金相显微镜分别测量试样原始表面至腐蚀后的母材表面的高度差h1、试样原始表面至腐蚀后的热影响区表面的高度差h2、试样原始表面至腐蚀后的焊接金属区表面的高度差h3；耐腐蚀性能评价：根据公式得到比值β1、β2和β3，如果比值均符合设定条件，则判定焊接接头合格，如果至少有一个比值不符合设定条件，则判定焊接接头不合格。
Description
技术领域
本发明涉及钢材焊接接头耐腐蚀检测技术，特别涉及一种钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法。
背景技术
钢材焊接接头区域一般包括焊接金属区、热影响区和母材，由于焊接金属、热影响区以及母材的成分、组织等理化性质存在差异，使得其在服役环境中会发生选择性局部腐蚀，这种腐蚀被称之为焊缝腐蚀。焊缝腐蚀是导致带焊缝工件寿命降低的主要原因之一。
目前，针对焊缝腐蚀的评价方法主要参照标准《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》（TB/T2375-1993）和《铁道车辆耐大气腐蚀钢及不锈钢焊接材料》（TB/T2374-2008）。试验方法是分别将母材和焊接金属加工成60×40×(2~4)mm的试样，在周浸腐蚀试验箱内进行对比试验，试验条件为：箱内温度为45±2℃，湿度为70±5%RH，每一循环周期为60±3min，其中浸润时间为12±1.5min；总试验时间为72h。周浸试验结束后采用失重法分别计算母材和焊接金属的腐蚀速率，如果两者的比值小于10%，判为合格；否则，判为不合格。该试验方法测试时间长，且没有考虑到热影响区不耐腐蚀也是导致焊接接头不合格的可能原因之一。
专利CN108896476A公开了一种异种钢材焊接接头耐大气腐蚀性能的评价方法，其试验溶液包含0.3~0.6%的NaCl、0.15~0.55%的Na2SO4、0.2~0.5g/L的FeCl3等，周期浸润腐蚀240h以上。最后通过分别测量母材和热影响区腐蚀深度、计算其差值比例来判断此异种金属焊接接头的优劣。该评价方法测试时间长，且主要是针对异种钢材焊接接头耐腐蚀性能评价。
专利CN102788745A公开了一种焊缝抗腐蚀性能测试评价方法，主要包含试样制备、电化学测试、腐蚀深度测量、抗腐蚀性能表征四个步骤，其中，电化学测试的测试介质采用浓度为0.5~6%的NaCl溶液以及浓度为0.1~2%的CH3COOH溶液，电解电位为-600~-300mVvs. SCE，电解时间为4~200h。采用失重法计算母材腐蚀深度，采用轮廓仪测量热影响区、焊接金属以及母材间的高度差，最后通过计算其比值来判断焊接接头的抗腐蚀性能。首先，该测试方法采用NaCl加速腐蚀溶液，主要考察焊缝在含NaCl环境介质中的腐蚀性能，而钢材焊接接头的实际服役环境为工业大气，工业大气中腐蚀介质主要含SO2和SO3，焊缝在工业大气环境中表面往往会生成较厚的腐蚀产物膜，对于较为耐蚀的钢材而言，甚至会形成致密、完整的保护膜；工业大气中，母材、焊缝金属以及热影响区的腐蚀性能主要由各自发生的均匀腐蚀所控制，而在含NaCl环境介质中，NaCl导电性较好，使得母材、焊缝金属以及热影响区的腐蚀性能由各自发生的均匀腐蚀和它们之间产生的电偶腐蚀联合控制；由此，在含有SO2、SO3的工业大气环境中，焊缝所发生的腐蚀机理与在NaCl介质中的腐蚀机理完全不同，因此上述专利无法评价焊接接头在工业大气环境中的耐腐蚀性能。其次，上述专利还公开了一种抗腐蚀性能表征方法，即根据热影响区、焊接金属分别相对于母材的腐蚀深度得到β1和β2，如β1和β2越接近1，则表明该焊缝抗腐蚀性能越好；但在实际情况下，往往发现该表征方法不足以描述焊缝在工业大气环境中的腐蚀行为，在工业大气环境中，焊缝的薄弱点既可能发生在热影响区，也可能发生在母材和焊缝金属，该表征方法没有考虑到热影响区和焊接金属之间的腐蚀深度关系。另外，上述专利将抗腐蚀性能评价的参考数值恒定在1，会相应地增加焊缝制造成本，有必要将参考数值放宽至可靠、合理的范围。
因此，亟需一种快速、准确的适用于评价钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，通过电化学测试用于模拟焊接接头在工业大气环境中的耐腐蚀性能表现，并通过腐蚀深度测量和耐腐蚀性能评价，从而能快速、准确地评价焊接接头耐工业大气腐蚀性能。
本发明是这样实现的：
一种钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，其步骤如下：
步骤一，试样制备：采用电火花切割，获得焊接接头的焊缝试样，试样包括焊接金属区、热影响区和母材，焊接金属区位于试样的中心，试样在工作面的反面焊接导线；
步骤二，电化学测试：将试样放入电解槽进行电解测试，测试溶液按重量百分比包括0.1～1%的Na2SO4和0.1~1.04%的NaHSO3，测试溶液的pH值为2~4；
步骤三，腐蚀深度测量：电解测试结束后清理腐蚀产物得到经腐蚀后的试样，然后采用金相显微镜分别测量试样原始表面至腐蚀后的母材表面的高度差h1、试样原始表面至腐蚀后的热影响区表面的高度差h2、试样原始表面至腐蚀后的焊接金属区表面的高度差h3；
步骤四，耐腐蚀性能评价：根据公式β1=h2/h1、β2=h3/h1、β3=h3/h2得到比值β1、β2和β3，如果比值均符合设定条件，则判定焊接接头合格，如果至少有一个比值不符合设定条件，则判定焊接接头不合格。
所述步骤一中，所述试样的尺寸为：垂直于焊缝方向的长度为20~60mm、平行于焊缝方向的长度为15~60mm、沿焊缝深度方向的长度为1~20mm。
所述步骤一中，采用点焊方式焊接导线。
所述步骤一中，焊接导线时，先采用双组份环氧树脂或704防水胶对试样的非工作面进行封固，再采用多道水砂纸对试样的工作面进行打磨，且最后一道水砂纸磨制方向垂直于焊缝。
所述步骤二中，测试溶液由稀硫酸进行pH值调节。
所述步骤二中，测试溶液的温度范围为20~60℃，电解池阳极电位范围为-400~-200mV vs. SCE，电解测试时间为2~72h。
所述步骤三中，金相显微镜的测量精度不低于0.1μm。
所述步骤四中，设定条件为比值位于0.9至1.1的数值区间内且不含端点值。
本发明钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，首先，在电化学测试中，测试溶液包含一定比例的Na2SO4和NaHSO3，能较好地模拟出钢材焊接接头所实际服役的工业大气环境，其中，重量百分比为0.1～1%的Na2SO4，既增强电化学导电性，又不会对试验结果产生其他额外影响；重量百分比0.1~1.04%的NaHSO3用于加速腐蚀，具有明显加速效果，能适用于各地区工业大气中不同浓度的SO2和SO3污染物；通过稀硫酸对测试溶液进行pH值调节，能模拟各地区工业大气腐蚀区域的不同。其次，腐蚀深度测量只需要在电解测试结束、清理腐蚀产物后即可进行，操作简单、易于实现、测量结果可靠，测量对象包括试样原始表面分别至腐蚀后的母材表面、腐蚀后的热影响区表面、腐蚀后的焊接金属区表面的三个高度差数值，为全面考察评价焊接接头提供了数据基础。最后，耐腐蚀性能评价根据高度差数值得到腐蚀深度比值β1、β2和β3，能全面考察焊接接头在母材、热影响区和焊接金属区的焊缝薄弱点，而且可根据现场实际服役环境对用于判定耐腐蚀性能的设定条件进行调整，将设定条件设置在一个合理、有效的数值范围，既能满足对钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价要求，也能合理控制焊缝制造成本，更具实际可操作性。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：操作简单，方法合理，测试效率高，能对实际服役于工业大气环境下的钢材焊接接头耐腐蚀性能进行全面、合理、可靠的评价。
附图说明
图1为本发明钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法的焊缝试样的各区腐蚀深度测量示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，包括步骤如下：
步骤一，试样制备。采用电火花切割，获得焊接接头的焊缝试样，试样包括焊接金属区、热影响区和母材，焊接金属区位于试样的中心。试样的尺寸优选为：垂直于焊缝方向的长度为20~60mm、平行于焊缝方向的长度为15~60mm、沿焊缝深度方向的长度为1~20mm。
试样在工作面的反面采用点焊方式焊接导线，导线用于连接电解槽的接线柱。焊接导线时，先采用双组份环氧树脂或704防水胶对试样的五个非工作面进行封固，再采用180#至800#水砂纸依次对试样的工作面进行打磨，且最后一道水砂纸（800#）磨制方向垂直于焊缝。
步骤二，电化学测试。将试样放入电解槽进行电解测试，采用恒电位仪或恒电流仪进行测试。测试溶液按重量百分比包括0.1～1%的Na2SO4和0.1~1.04%的NaHSO3。工业大气环境中主要是SO2和SO3污染物造成焊接接头腐蚀，考虑到不同地区的SO2和SO3污染物浓度，测试溶液中重量百分比为0.1~1.04%的NaHSO3起到加速腐蚀的作用；测试溶液中重量百分比为0.1～1%的Na2SO4，既能增强电化学导电性，又不会对试验结果产生其他额外影响。根据所模拟工业大气腐蚀区域的不同，采用稀硫酸对测试溶液进行pH值调节，测试溶液的pH值为2~4。
电解测试条件还包括：测试溶液的温度范围为20~60℃，电解测试时间为2~72h，电解池阳极电位范围为-400~-200mV vs. SCE，SCE为饱和甘汞电极。温度设定如过低则起不到加速试验的目的，如过高则造成测试溶液中的NaHSO3分解，从而降低测试溶液的有效性。阳极电位设定如过低则使得加速作用变弱，如过高则会偏离钢材在工业大气中的腐蚀机理，导致测试结果不准确。
步骤三，腐蚀深度测量。电解测试结束后清理腐蚀产物得到经腐蚀后的试样，然后采用金相显微镜分别测量试样原始表面至腐蚀后的母材表面的高度差h1、试样原始表面至腐蚀后的热影响区表面的高度差h2、试样原始表面至腐蚀后的焊接金属区表面的高度差h3，参见图1。金相显微镜的测量精度不低于0.1μm。
步骤四，耐腐蚀性能评价。根据公式β1=h2/h1、β2=h3/h1、β3=h3/h2分别得到三个比值β1、β2和β3，比值越接近1，表明焊接接头焊缝耐腐蚀性能越好。如果三个比值均符合设定条件，则判定焊接接头合格，如果至少有一个比值不符合设定条件，则判定焊接接头不合格。
优选地，设定条件为比值位于0.9至1.1的数值区间内且不含端点值。通常条件下，焊接接头在实际使用过程中可能会出现“大阴极小阳极”的电化学腐蚀现象，从而加速腐蚀过程，造成较为严重的局部腐蚀。为了避免这种现象的发生，通常可采取的手段包括两方面。一方面，选用比母材较为耐蚀的焊接金属，焊接金属的耐蚀性与其中合金元素（Cr、Ni、Cu等）的添加密切相关，通常情况下合金元素越多，耐蚀性越好（即h3数值越小，β2、β3可能小于0.9，甚至更小），这也意味着制造成本也越高；焊接金属耐蚀性略低于母材和热影响区也是允许的，但如果过低（h3数值较大，β2、β3可能大于1.1，甚至更大），会导致严重的“沟槽腐蚀”。另一方面，控制焊接工艺，避免热影响区有害相的过多析出等；较为宽泛的焊接工艺，可能会导致热影响区耐蚀性较差（h2数值较大，β1可能大于1.1，甚至更大）；严格的焊接工艺控制（h2数值较小，β1、β3可能小于0.9，甚至更小），必然也会导致制造成本的上升。因此，有必要合理选用焊接金属和焊接工艺，在实际实践中，发现将设定条件为比值0.9至1.1数值区间，最为经济和可靠。另外，焊接接头腐蚀形貌通常为不连续的沟槽，深度测量较为困难。为了提高常规深度测量仪器（如三维轮廓仪、金相显微镜等）的操作简便性和有效性，有必要将上述比值限定在合理的数值范围内：数值范围设定过小，例如为0.95~1.05，则要求测试精度较高，稍有偏差则会导致发生误判；数值范围设定过大，例如为0.8~1.2，则有可能使得焊接接头制造成本过高或耐蚀性能不满足实际需要。
实施例1
采用普通结构钢A（不含Cu、P等常规耐蚀合金元素）焊接接头。
采用电火花切割，获得焊缝试样。试样尺寸为30mm（垂直焊缝方向）×20mm（平行焊缝方向）×2.5mm（焊缝深度方向）。试样在工作面的反面用点焊方式焊接导线，用双组份环氧树脂对五个非工作面进行封固。用180#至800#水砂纸依次对工作面进行打磨，最后一道砂纸（800#）磨制方向垂直焊缝。
将试样放入电解槽中，采用恒电位仪/恒电流仪进行测试。测试溶液为：pH=2、Na2SO4的重量百分比为1%、NaHSO3的重量百分比为1.04%。测试溶液温度为60℃。电解池阳极电位为-200mV vs. SCE。电解测试时间为2h。
电解结束、清理腐蚀产物后，采用金相显微镜分别测量得到h1、h2、h3，测量精度为0.1μm。
根据公式计算得到β1=h2/h1=1.02、β2=h3/h1=0.99、β3=h3/h2=0.97。比值均较接近1，且均符合设定条件（即0.9和1.1数值区间内且不含端点值），表明该焊接接头焊缝耐腐蚀性能好，判定该焊接接头合格。
实施例2
采用耐蚀钢B（含Cu、Cr、Ni等耐蚀合金元素）焊接接头。
采用电火花切割，获得焊缝试样。试样尺寸为30mm（垂直焊缝方向）×20mm（平行焊缝方向）×2.5mm（焊缝深度方向）。试样在工作面的反面用点焊方式焊接导线，用双组份环氧树脂对五个非工作面进行封固。用180#至800#水砂纸依次对工作面进行打磨，最后一道砂纸（800#）磨制方向垂直焊缝。
将试样放入电解槽中，采用恒电位仪/恒电流仪进行测试。测试溶液为：pH=4、Na2SO4的重量百分比为0.5%、NaHSO3的重量百分比为0.2%。测试溶液温度为45℃。电解池阳极电位为-300mV vs. SCE。电解测试时间为24h。
电解结束、清理腐蚀产物后，采用金相显微镜分别测量得到h1、h2、h3，测量精度为0.1μm。
根据公式计算得到β1=h2/h1=1.03、β2=h3/h1=0.98、β3=h3/h2=0.95。比值均较接近1，且均符合设定条件（即0.9和1.1数值区间内且不含端点值），表明该焊接接头焊缝耐腐蚀性能好，判定该焊接接头合格。
实施例3
采用耐蚀钢C（含Cu、Cr等耐蚀合金元素）焊接接头。
采用电火花切割，获得焊缝试样。试样尺寸为30mm（垂直焊缝方向）×20mm（平行焊缝方向）×4mm（焊缝深度方向）。试样在工作面的反面用点焊方式焊接导线，用双组份环氧树脂对五个非工作面进行封固。用180#至800#水砂纸依次对工作面进行打磨，最后一道砂纸（800#）磨制方向垂直焊缝。
将试样放入电解槽中，采用恒电位仪/恒电流仪进行测试。测试溶液为：pH=6、Na2SO4的重量百分比为0.1%、NaHSO3的重量百分比为0.1%。测试溶液温度为25℃。电解池阳极电位为-400mV vs. SCE。电解测试时间为72h。
电解结束、清理腐蚀产物后，采用金相显微镜分别测量得到h1、h2、h3，测量精度为0.1μm。
根据公式计算得到β1=h2/h1=1.14、β2=h3/h1=1.25、β3=h3/h2=1.10。比值均偏离1较多，且均不符合设定条件（即0.9和1.1数值区间内且不含端点值），表明该焊接接头焊缝耐腐蚀性能较差，判定该焊接接头不合格。
本发明钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，通过电化学测试溶液模拟焊接接头实际服役的工业大气环境，并结合腐蚀深度测量和耐腐蚀性能评价，能对焊接接头进行有效、合理、可靠的耐腐蚀性能评价，可应用于普通结构钢、耐蚀钢等钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的测试和评价。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，其特征在于：其步骤如下：
步骤一，试样制备：采用电火花切割，获得焊接接头的焊缝试样，试样包括焊接金属区、热影响区和母材，焊接金属区位于试样的中心，试样在工作面的反面焊接导线；
步骤二，电化学测试：将试样放入电解槽进行电解测试，测试溶液按重量百分比包括0.1～1%的Na2SO4和0.1~1.04%的NaHSO3，测试溶液的pH值为2~4；
步骤三，腐蚀深度测量：电解测试结束后清理腐蚀产物得到经腐蚀后的试样，然后采用金相显微镜分别测量试样原始表面至腐蚀后的母材表面的高度差h1、试样原始表面至腐蚀后的热影响区表面的高度差h2、试样原始表面至腐蚀后的焊接金属区表面的高度差h3；
步骤四，耐腐蚀性能评价：根据公式β1=h2/h1、β2=h3/h1、β3=h3/h2得到比值β1、β2和β3，如果比值均符合设定条件，所述设定条件为比值位于0.9至1.1的数值区间内且不含端点值，则判定焊接接头合格，如果至少有一个比值不符合设定条件，则判定焊接接头不合格。
2. 根据权利要求1所述的钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，其特征在于： 所述步骤一中，所述试样的尺寸为：垂直于焊缝方向的长度为20~60mm、平行于焊缝方向的长度为15~60mm、沿焊缝深度方向的长度为1~20mm。
3.根据权利要求1所述的钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，其特征在于：所述步骤一中，采用点焊方式焊接导线。
4.根据权利要求1所述的钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，其特征在于：所述步骤一中，焊接导线时，先采用双组份环氧树脂或704防水胶对试样的非工作面进行封固，再采用多道水砂纸对试样的工作面进行打磨，且最后一道水砂纸磨制方向垂直于焊缝。
5.根据权利要求1所述的钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，其特征在于：所述步骤二中，测试溶液由稀硫酸进行pH值调节。
6. 根据权利要求1所述的钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，其特征在于：所述步骤二中，测试溶液的温度范围为20~60℃，电解池阳极电位范围为-400~-200mVvs. SCE，电解测试时间为2~72h。
7.根据权利要求1所述的钢材焊接接头耐工业大气腐蚀性能的评价方法，其特征在于：所述步骤三中，金相显微镜的测量精度不低于0.1μm。
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