趙亮，朱加雷，趙志博，趙友亮，李桂新，李松釗，黃鈺珊

304不銹鋼局部干法水下激光填絲焊接工藝及焊縫性能研究

趙亮，朱加雷*，趙志博，趙友亮，李桂新，李松釗，黃鈺珊

（北京石油化工學(xué)院 機械工程學(xué)院，北京 106217）

采用自主研制的水下激光填絲焊接裝備，在304奧氏體不銹鋼板材表面進行U形坡口激光填絲焊接試驗，為304不銹鋼水下修復(fù)工作提供技術(shù)參考。在功率為5 600 W、焊接速度為6 mm/s、送絲速度為205 cm/min、保護氣體流量為15 L/min、排水氣體流量為30 L/min的條件下進行焊接試驗，并對空氣和水下環(huán)境下的焊縫進行對比檢測分析。通過光學(xué)顯微鏡分析2種環(huán)境下焊縫的顯微組織；對2種焊縫進行拉伸、彎曲等力學(xué)性能測試；采用顯微硬度計測試1 kg載荷下不同區(qū)域的顯微硬度；使用VersaSTAT 3F電化學(xué)工作站測定在3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaCl溶液中2種焊縫的開路電位和極化曲線。2種環(huán)境下的焊縫均無明顯裂紋、氣孔等缺陷；顯微組織主要由奧氏體和鐵素體組成，但2種環(huán)境下焊縫的奧氏體晶粒大小和鐵素體形狀均略有差別，焊縫拉伸斷口均為典型的韌性斷裂形貌且抗拉強度符合304不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)。2種環(huán)境下焊縫的微觀組織和晶粒大小不同，水下焊縫硬度高于空氣的。通過分析2種環(huán)境下焊縫的開路電位和極化曲線，可知水下焊縫的耐腐蝕性略高。所開發(fā)的局部干法水下激光填絲焊接工藝可以滿足實際工程中水下焊接維修的要求，其焊縫性能可以滿足304不銹鋼空氣環(huán)境下的焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

局部干法；激光焊接；304不銹鋼；水下焊接；電化學(xué)腐蝕

304不銹鋼具有良好的加工性能，在耐腐蝕性和抗晶間腐蝕性能方面有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，常用于食品、礦山、石油、核電以及海洋船舶等領(lǐng)域[1-5]。在核電領(lǐng)域，核電站的大部分構(gòu)件長期暴露在復(fù)雜水環(huán)境中，與在空氣中相比，受到水的腐蝕更為嚴(yán)重，因此，水下原位修復(fù)技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注[6-11]。

2006年，清華大學(xué)Zhang等[12]采用水幕噴嘴形成了局部干腔將焊接區(qū)周圍的水體排開，并利用該裝置進行了水下局部干法Nd: YAG激光焊接研究，結(jié)果表明，在良好的屏蔽條件下，水下局部干法可以獲得良好的焊接質(zhì)量，沒有任何氣孔和表面缺陷。朱加雷[13]研制了一套適合核電檢修的局部干法水下MIG自動焊接裝置，并利用該裝置進行了水深5 m和15 m的304不銹鋼水下焊接試驗，得到了良好的水下焊縫且其耐腐蝕能力優(yōu)于母材能力，此外，還研究了密封墊結(jié)構(gòu)和材料選用問題，并對密封狀態(tài)進行了理論分析。南昌大學(xué)陳建平[14]研制了方形結(jié)構(gòu)的局部排水罩，通過激光視覺傳感器采集焊縫坡口信號，并反饋至控制器，實現(xiàn)了實時調(diào)整焊槍和實時焊縫跟蹤的功能。

與一般弧焊技術(shù)相比，激光焊接具有焊接速度快、能量密度高、作用位置易控制以及焊后冷卻速度快等優(yōu)點。采用激光進行焊接不僅可以大幅提高焊接生產(chǎn)速度，還可以得到高強度、小變形的高質(zhì)量焊接接頭，且可以焊接高精度的結(jié)構(gòu)[15-18]，在工業(yè)制造中得到了廣泛應(yīng)用[19-20]。

本文分別對空氣和水下2種環(huán)境中的U形坡口進行了局部干法激光填絲焊接修復(fù)，通過對2種焊縫的金相組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能進行對比，分析了水下環(huán)境對組織性能的影響規(guī)律。

1 試驗

試驗采用304奧氏體不銹鋼作為母材，其尺寸為300 mm×150 mm×10 mm，化學(xué)成分如表1所示。選取ER308L焊絲，其直徑為1.2 mm，焊絲成分如表2所示。U形坡口示意圖如圖1所示。試驗中選用銳科連續(xù)激光器（RFL-C6600S），保護氣體為純度99.99%的氬氣，空氣環(huán)境和局部干法水下環(huán)境的激光填絲焊接工藝參數(shù)相同，如表3所示。采用三道填充加兩道蓋面焊的方式。局部干法水下焊接設(shè)備如圖2所示。

表1 304不銹鋼化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel wt.%

表2 ER308L焊絲化學(xué)成分

圖1 U形坡口示意圖

表3 激光填絲焊接參數(shù)

Tab.3 Laser fillet welding parameters

圖2 水下焊接平臺

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫宏觀形貌

在304不銹鋼基材上制備的空氣和水下環(huán)境的激光填絲修復(fù)焊縫宏觀形貌如圖3所示。可以看到，焊縫表面成形良好，外觀呈魚鱗狀，且連續(xù)均勻，無咬邊、未熔合等明顯缺陷。與空氣環(huán)境下制備的焊縫相比，局部干法水下焊縫表面的氧化程度更小，顏色以銀白色為主，這主要與水下焊接時排水罩內(nèi)部的純氬氣環(huán)境提高了保護效果有關(guān)。

a 空氣

b 水下

圖3 不同環(huán)境下激光填絲修復(fù)宏觀形貌

Fig.3 Macroscopic morphology of laser filleting repair in different environments: a) in air; b) under water

將所得的焊縫用線切割機切成20 mm×15 mm× 10 mm試樣，經(jīng)過打磨、拋光后，使用5 g三氯化鐵+50 mL鹽酸+100 mL水的腐蝕液進行腐蝕處理，并用金相顯微鏡觀察，對比分析組織中鐵素體和奧氏體的比例及分布形態(tài)。空氣和水下環(huán)境的焊縫宏觀截面如圖4所示?？梢钥闯?，焊縫與母材金屬之間熔合良好，均未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜等水下焊接常見缺陷。由于與空氣相比，水下環(huán)境中的冷卻速度更快，因此熔池凝固更快，熱循環(huán)速度更快，熱影響區(qū)面積更小。

圖4 不同環(huán)境下制備的焊縫宏觀截面

2.2 焊縫顯微組織

不同環(huán)境下的焊縫顯微組織如圖5所示?？梢钥吹?，在2種環(huán)境下均有良好的冶金結(jié)合。在空氣環(huán)境下，熱影響區(qū)所含奧氏體略多，且奧氏體晶粒較大，鐵素體以點狀或短線狀分布。在水下環(huán)境中，鐵素體含量多于空氣中的，在熔合區(qū)部分，由于冷卻速度相對較慢，奧氏體和鐵素體相變擴散比較充分，所以鐵素體多為蠕蟲狀和板條狀。由于水下環(huán)境中水的冷卻作用較為明顯，因此板條狀較多。在空氣環(huán)境下冷卻較慢，鐵素體可以充分?jǐn)U展，故蠕蟲狀和網(wǎng)格狀鐵素體較多。

由圖5b和圖5e可以看出，在2種環(huán)境下，奧氏體含量明顯居多。通常情況下，奧氏體不銹鋼的凝固組織是由其凝固模式?jīng)Q定的[21]。本文304不銹鋼的凝固模式為FA凝固模式，在焊接過程中δ鐵素體從金屬中析出，在隨后的固態(tài)相變過程中轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。

圖5 空氣和水下環(huán)境焊縫的顯微組織

由于在水下環(huán)境中鐵素體相變時的擴散會受到限制，擴散距離減小，故鐵素體以緊密排列的板條形狀進行相變。由于空氣環(huán)境中的冷卻速度相對較慢，故鐵素體以蠕蟲狀或板條狀沿奧氏體晶界分布。水下環(huán)境中的焊縫平均晶粒尺寸和奧氏體含量均與空氣中的持平，但由于水的作用，奧氏體晶粒大小有所差異，2種環(huán)境下焊縫的鐵素體含量相當(dāng)?shù)螒B(tài)存在細(xì)微差別。

2.3 焊縫力學(xué)性能

利用線切割技術(shù)切成2個尺寸為150 mm× 20 mm× 4 mm的彎曲試樣，對2種環(huán)境下的焊縫進行彎曲性能測試，彎曲角度≥90°，彎曲結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，2種環(huán)境下的焊縫均未斷裂。對2種環(huán)境下的焊縫進行拉伸試驗，拉伸試樣示意圖如圖7所示，對應(yīng)的拉伸試驗結(jié)果如圖8所示。2種環(huán)境下的斷裂位置均位于焊縫，其中空氣環(huán)境下的焊縫抗拉強度為683 MPa，達到母材強度的93.7%，水下焊接焊縫的抗拉強度為708 MPa，達到母材強度的97.1%。不同環(huán)境下的焊縫拉伸強度和母材拉伸強度如表4所示。由我國304不銹鋼抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)06Cr19Ni10（新牌號）可知，304不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度≥515 MPa。2種環(huán)境下焊縫的抗拉強度均高于此標(biāo)準(zhǔn)，說明滿足使用條件。水下環(huán)境焊縫的抗拉強度略高，這是由于在進行水下焊接時，焊縫冷卻速度較快，從而導(dǎo)致晶粒尺寸減小，阻礙位錯運動的晶界增多。

圖6 彎曲試樣

圖7 拉伸試樣示意圖

圖8 拉伸試樣

表4 不同環(huán)境下的焊縫拉伸強度和母材拉伸強度

Tab.4 Weld tensile strength and base metal tensile strength in different environments

2.4 顯微硬度

使用顯微硬度計在1 kg載荷下作用10 s，測量焊縫截面硬度?？諝夂退颅h(huán)境中焊縫的硬度分布曲線如圖9所示。其中母材硬度在210HV左右。空氣環(huán)境中焊縫平均硬度為223.6HV，最高硬度為235.36HV。水下環(huán)境中焊縫平均硬度為236.9HV，最高硬度為257.5HV?？傮w來看，2種環(huán)境中焊縫區(qū)的硬度均高于母材硬度。這是由于焊接接頭硬度與金屬材料的晶粒大小、合金元素含量等因素有關(guān)，當(dāng)晶粒較為細(xì)小時，晶界面積較大，此時對位錯運動將產(chǎn)生較大的阻礙作用[22]。通過對比2種環(huán)境中的硬度可知水下環(huán)境的焊縫硬度略高于空氣環(huán)境的。2種環(huán)境焊縫的顯微組織表明，水下環(huán)境中熔池冷卻速度相對較快，其過冷度較大，形核率也隨之增大，從而導(dǎo)致結(jié)晶后晶粒尺寸相對較小，故顯微硬度較空氣環(huán)境中的略微增大（見圖5）。

圖9 顯微硬度分布圖

2.5 耐腐蝕性能

為測試空氣和水下環(huán)境中焊縫的電化學(xué)腐蝕性能，將其放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中，采用VersaSTAT 3F電化學(xué)工作站，以飽和甘汞電極為參照電極、鉑電極為輔助電極，掃描速度為0.167 mV/s，在室溫下測定2種環(huán)境中焊縫的開路電位曲線，結(jié)果如圖10所示。通過比較不同環(huán)境下焊縫OCP值的正向程度來比較其耐腐蝕性能。由圖10可知，在任意時間點下，水中的OCP值均大于空氣中的，故水下環(huán)境中焊縫的耐腐蝕性大于空氣環(huán)境中的。為了進一步測試不同環(huán)境下焊縫的耐腐蝕性能，在同樣環(huán)境下測定其極化曲線，結(jié)果如圖11所示。通過切線交點法（Tafel擬合）得到接頭各區(qū)域的自腐蝕電流密度

及其對應(yīng)的電位值，擬合結(jié)果如表5所示。通過測量Tafel極化曲線比較2種環(huán)境下焊縫的耐腐蝕性，結(jié)果表明，自腐蝕電位corr(water)＞corr(air)，2種環(huán)境下焊縫的腐蝕電流密度corr(water)＜corr(air)。使用極化曲線測定試樣時，常根據(jù)腐蝕電流密度的大小及自腐蝕電位的正向程度來評定測定區(qū)域的耐腐蝕性能，其中自腐蝕電位值決定了腐蝕的難易程度，腐蝕電流密度值代表著腐蝕進行的速度[23-25]，通過比較進一步驗證了水下環(huán)境焊縫的耐腐蝕性較高。此外，2種環(huán)境下的焊縫均出現(xiàn)了鈍化現(xiàn)象和相似的寬度范圍，說明焊縫存在致密的氧化膜，阻礙了離子擴散。在焊接過程中，碳與304不銹鋼中的鉻形成了高鉻的碳化物，由于在水下冷卻時的溫度比空氣中的低且溫降梯度更大，水下環(huán)境中的碳從母材和焊絲中析出的速度低于空氣中的，所以水下環(huán)境中焊縫的含鉻量略大，從而使水下環(huán)境中焊縫的耐腐蝕性優(yōu)于空氣環(huán)境中的。

圖10 不同環(huán)境下焊縫的開路電位曲線

圖11 空氣環(huán)境和水下環(huán)境下焊縫的極化曲線

表5 PDP擬合結(jié)果

Tab.5 Results of PDP fitting

3 結(jié)論

1）與空氣環(huán)境相比，水下環(huán)境有著更快的冷卻速度并且局部排水裝置內(nèi)部有較好的氬氣保護效果，使水下環(huán)境中焊縫宏觀上以銀白色為主，氧化程度較小。水下環(huán)境導(dǎo)致熔池凝固速度加快、熱循環(huán)速度加快、熱影響區(qū)減小。

2）在熱影響區(qū)，與水下環(huán)境相比，空氣環(huán)境中焊縫的奧氏體含量更多，但水下環(huán)境中焊縫中心的平均晶粒尺寸和奧氏體含量均與空氣中的持平，由于水的作用，奧氏體晶粒大小有所差異，2種環(huán)境下焊縫的鐵素體含量相當(dāng)?shù)螒B(tài)有細(xì)微差別。

3）在2種環(huán)境下均可獲得符合拉伸和彎曲檢測標(biāo)準(zhǔn)的焊縫，其中拉伸斷口為典型的韌性斷裂，表明焊縫具有良好的韌性。同時，由于水下環(huán)境導(dǎo)致晶粒尺寸減小，阻礙位錯的晶界增多，所以水下環(huán)境焊縫的抗拉強度略高于空氣環(huán)境的。

4）2種環(huán)境的焊縫硬度均大于母材硬度，由于水下焊縫的過冷度較大，導(dǎo)致晶粒尺寸相對較小，所以水下焊縫硬度大于空氣環(huán)境焊縫硬度。

5）水下環(huán)境焊縫的耐腐蝕性略高，在焊接過程中，碳與鉻形成高鉻碳化物的含量和焊縫的晶粒尺寸是導(dǎo)致耐腐蝕性能不同的主要因素。

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Local Dry Underwater Laser Wire Filling Welding Process and Weld Properties of 304 Stainless Steel

ZHAO Liang, ZHU Jialei*, ZHAO Zhibo, ZHAO Youliang, LI Guixin, LI Songzhao, HUANG Yushan

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 106217, China)

The work aims to conduct an U-shaped bevel laser filler welding test on the surface of a 304 austenitic stainless steel plate with self-developed underwater laser filler welding equipment, to provide technical reference for underwater repair of 304 stainless steel. Welding tests were conducted at the power of 5 600 W, welding speed of 6 mm/s, wire feeding speed of 205 cm/min, protective gas flow rate of 15 L/min, drainage gas flow rate of 30 L/min. Welds in the air environment and the underwater environment were subject to comparative testing and analysis. The microstructures of the welds in both environments were analyzed with an optical microscope; The mechanical properties of the two welds were tested in tensile and bending; The distribution of microhardness in different areas under 1 kg load was tested with a microhardness tester; And the open-circuit potentials and polarization curves of welds in different environments were determined through the Versa STAT 3F electrochemical workstation in 3.5% NaCl solution. The welds in the two environments had no obvious cracks, pores and other defects; Their microstructure was mainly composed of austenite and ferrite, but their austenite grain size and ferrite shape were slightly different. Their weld tensile fractures were typical toughness fracture morphology and tensile strength in line with the standards of 304 stainless steel; Due to the different microstructure and grain size of the welds in two environments, the hardness of the welds in the underwater environment was higher than those in the air environment. By analyzing the open-circuit potential and polarization curves of the welds in both environments, it is shown that the corrosion resistance of the welds in the underwater environment was slightly higher. In conclusion, the developed local dry underwater laser wire filling welding process can meet the actual project underwater welding repair requirements, and its weld performance can meet the 304 stainless steel air environment welding quality standards.KEY WORDS: local dry method; laser welding; 304 stainless steel; underwater welding; electrochemical corrosion

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.012

TG456.7

A

1674-6457(2024)01-0105-07

2023-10-06

2023-10-06

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（U22B20127）；北京市科技計劃（KZ202210017023）；北京市屬高校分類發(fā)展項目（11000023T000002199202）

The National Natural Science Foundation of China (U22B20127); Beijing Science and Technology Plan (KZ202210017023); the Classified Development Projects of Beijing Municipal Institutions (11000023T000002199202)

趙亮, 朱加雷, 趙志博, 等. 304不銹鋼局部干法水下激光填絲焊接工藝及焊縫性能研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 105-111.

ZHAO Liang, ZHU Jialei, ZHAO Zhibo, et al. Local Dry Underwater Laser Wire Filling Welding Process and Weld Properties of 304 Stainless Steel[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 105-111.

（Corresponding author）