激光冲击对X70焊接接头慢拉伸电化学腐蚀的影响

孔德军，吴永忠，龙 丹

(常州大学机械工程学院，江苏常州213016，E-mail:kong-dejun@163.com)

激光冲击对X70焊接接头慢拉伸电化学腐蚀的影响

孔德军，吴永忠，龙 丹

(常州大学机械工程学院，江苏常州213016，E-mail:kong-dejun@163.com)

为了改善X70管线钢焊接接头慢拉伸电化学腐蚀性能，用激光冲击波对X70管线钢焊接接头表面进行强化处理.采用慢应变速率拉伸法分析了X70管线钢焊接接头，在不同H2S浓度的NACE溶液(0.5% HAC+5%NaCl)中电化学腐蚀行为，测试了激光冲击处理前后X70管线钢焊接接头腐蚀电位，讨论了激光冲击处理对X70管线钢焊接接头腐蚀电位和断口形貌的影响.实验结果表明，激光冲击处理改善了X70管线钢焊接接头腐蚀性能，其SCC敏感性指数Iscc降低了6%.经激光冲击处理后试样自然腐蚀电位正移，极化电阻逐渐增大，其耐蚀性比原始状态有所提高.

激光冲击处理;X70管线钢;焊接接头;慢拉伸;电化学腐蚀

X70管线钢是国内应用最广泛的管线钢之一，具有优良的综合性能，目前主要应用于西气东输二线工程中的干线［1-2］.材料电化学腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素，其中，H2S应力腐蚀是管线钢腐蚀的重要形式之一［3］.金属材料的应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking，简写为SCC)，是在应力和腐蚀介质共同作用下产生的一种极其危险的低应力破坏形式，焊接接头往往是金属结构中SCC的敏感部位［4］.目前，国内外已采用喷丸处理、超声捶击、超声波、磁处理等方法改善管线钢焊接接头的耐腐蚀性能［5-8］，与上述工艺方法相比，激光冲击是利用高强度激光冲击波使金属表面产生微塑性变形的强化新技术，可以改善焊接接头表面的几何形状，消除焊接接头的表面缺陷并产生残余压应力［8-10］，提高其抗应力腐蚀性能.国外在制造领域已实现了激光冲击强化的商业化应用，美、日等国已将激光冲击处理应用于风扇叶片、核反应堆中型芯零件和焊接结构焊接接头的强化处理，以减小应力腐蚀裂纹的敏感性［10］，国内对激光冲击处理后X70管线钢焊接接头在H2S环境中电化学腐蚀行为的研究尚未见到报道.为此，本文将采用慢拉伸对X70管线钢焊接接头在不同浓度H2S的NACE溶液中电化学腐蚀行为进行研究，通过扫描电镜观察其断裂后断口形貌，分析激光冲击处理对X70管线钢焊接接头在H2S环境中发生应力腐蚀敏感性的影响.

1 试验

试验材料为国产X70管线钢化学成分(质量分数，%):C0.05，Si0.23，Mn1.56，P0.013，S0.002，V0.032.其焊接接头化学成分(质量分数，%):C0.07，Si0.22，Mn1.18，其余Fe.试样状态分为激光冲击处理和原始状态两种形式，选取H2S为研究介质.试验设备为日本东申工业株式会社制造的SERT-5000-D9H型恒慢应变速率应力腐蚀试验机.试样尺寸如图1所示，试验参数:温度为常温，压力为常压，应变速率10-5s-1.试样焊接接头冲击强化试验在大功率KQ开关钕玻璃脉冲激光装置上进行，输出波长为1 054 nm、脉宽为23 ns左右、峰值功率为GW量级激光对X70管线钢焊接接头表面进行冲击处理，其产生的激光波长为1.06 μm，脉冲宽度23 ns，最大有效光斑直径为2 mm，激光脉冲功率2.0×109W.标距区用金相砂纸打磨后抛光处理后，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂.安装在实验装置上，其他部分全部浸泡在实验溶液中.在拉伸过程中由M273恒电位仪施加外加电位，采用三电极体系，辅助电极为Pt片，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，试验过程中由计算机自动控制，并记录载荷-时间曲线.试样拉断后，用扫描电子显微镜(SEM)进行试样表面和断口形貌观察.

图1 试样尺寸示意图

2 实验结果与分析

2.1 慢拉伸曲线

原始状态和激光冲击处理后试样分别在空气中、NACE溶液(不含H2S)、NACE溶液(含500 ppmH2S)、NACE溶液(含饱和H2S)中慢拉伸试验曲线如图2所示.为了表征X70管线钢焊接接头在NACE溶液中应力腐蚀敏感性，用SCC敏感性指数Iscc来描述X70管线钢焊接接头的韧性损失，即

式中:Pe和P0分别为在溶液中和空气中SSRT后内积功.

Iscc测试计算结果如表1所示.表1结果表明，激光冲击处理后X70管线钢焊接接头在含H2S的NACE溶液中SCC敏感性指数下降了6%左右.激光冲击波作用下使X70管线钢焊接接头表面产生晶粒细化和残余压应力，是导致抗腐蚀性提高的主要原因［11-12］.

图2 试样在空气、NACE溶液中慢拉伸曲线

表1 试样在空气、NACE溶液中慢拉伸试验结果

2.2 断口形貌

图3为原始状态试样在不同介质中SSRT断口形貌.图3(a)为空气中的拉伸断口形貌，断裂前出现明显的颈缩，存在高低不一的剪切台阶，主要由韧窝组成，大小不均匀，表明该断口属韧窝型延性断裂，表现出良好的韧性断裂.X70钢焊接接头在溶液(不含H2S)中断口形貌如图3(b)所示，可以看出试样在这种介质中的断口形貌和试样在空气中拉伸的断口形貌相似，为韧窝形貌，表面覆盖腐蚀物，没有产生裂纹现象，表明X70管线钢焊接接头在此环境仍具有很好的韧性.通常，当Iscc大于35%，表明研究体系具有明显的应力腐蚀倾向，为氢脆敏感区;当Iscc小于25%，表明研究体系没有明显的应力腐蚀倾向，为安全区;当Iscc介于25%～35%，视为潜在危险区［13］.由表1可知，试样在这种介质中应力腐蚀敏感指数Iscc为8%，远小于25%，表明在这种体系中X70钢焊接接头没有明显的应力腐蚀开裂倾向，为安全区.X70钢试样在溶液(含500 ppmH2S)中断口形貌如图3(c)所示，可以看出试样在这种介质中的断口为韧窝+明显解理形貌，且其应力腐蚀敏感指数Iscc为63%，大于35%，断口表面产生了明显的裂纹，已经有一定的应力腐蚀开裂敏感性.X70管线钢焊接接头试样在溶液(含饱和H2S)中断口形貌如图3(d)所示，断口形貌呈现河流状样(大量解理裂纹)，为典型的脆断特征，断口裂纹宽度明显增加，应力腐蚀敏感指数Iscc为66%，远大于35%，表明这种体系具有明显的应力腐蚀倾向，为氢脆敏感区.

图3 X70管线钢焊接接头原始状态慢拉伸断口形貌

图4为激光冲击处理后试样在不同介质中SSRT断口形貌，均断于焊接接头的焊缝区和熔合区.

图4 X70管线钢焊接接头激光冲击处理后慢拉伸断口形貌

图4(a)、(b)、(c)呈45°斜口断裂，表明断裂为剪切断裂，断口形式为韧性断裂.图4(a)为在空气中拉伸断口形貌，断裂前出现明显的颈缩，断口主要由韧窝组成，韧窝尺寸大于原始状态尺寸韧窝(图3(a))，由表1可知，激光冲击处理后在X70管线钢焊接接头表面产生了强化效果，其SSRT后内积功P增加了20 Nm，表现出优异的韧性断裂.X70钢焊接接头在溶液(不含H2S)中断口形貌如图4(b)所示，为韧窝形貌，断口表面仍为腐蚀物覆盖，没有发生裂纹现象，表明X70管线钢焊接接头在此环境中有很好的韧性，由表1可知，试样在这种介质中应力腐蚀敏感指数Iscc为22%，高于原始状态的腐蚀敏感指数，这是由于经激光冲击处理后使粗糙度等级有所降低，在一定程度上会减小有效承载面积，增加了应力腐蚀敏感性，但其Iscc小于25%，表明在这种体系中X70钢应力腐蚀开裂倾向不明显.X70钢试样在溶液(含500 ppmH2S)中断口形貌如图4(c)所示，可以看出试样在这种介质中的断口为韧窝+明显解理形貌，且其应力腐蚀敏感指数Iscc为58.6%，降低了4.4%，Iscc大于35%，断口表面产生了明显的裂纹，裂纹密度比原始状态密度(图3(c))有所下降，但仍表现为有一定的应力腐蚀开裂敏感性.试样在溶液(含饱和H2S)中断口形貌如图4(d)所示，断口为典型的脆断特征，裂纹宽度比原始状态有所降低，应力腐蚀敏感指数Iscc为60.4%，降低了5.6%，Iscc大于35%，表明这种体系具有明显的应力腐蚀倾向，为氢脆敏感区.

2.3 电位分析

X70管线钢焊接接头在NACE溶液中自腐蚀电位-时间变化关系如图5所示.

图5 焊接接头电化学腐蚀电位曲线

由图5可知，激光冲击处理后X70管线钢焊接接头腐蚀断裂电位高于原始状态腐蚀电位，随电位的正向增加，SCC敏感性下降［14-15］，焊接接头试样断裂寿命tf明显增加.试样断裂位置发生在焊接接头处，表明焊接接头是试样的SCC敏感区.

3 结论

1)激光冲击处理可以提高X70管线钢焊接接头腐蚀性能，其SCC敏感性指数Iscc下降值约为6%，但不能完全消除H2S应力腐蚀.

2)激光冲击处理对X70管线钢焊接接头在H2S溶液中电化学行为有明显的影响，电化学腐蚀电位正移，减小了X70管线钢焊接接头SCC敏感性，提高了慢拉伸加载条件下X70管线钢焊接接头SCC抗力.

［1］ LIU Zhi-yong，LI Xiao-gang，ZHANG Ying-rui，et al.Relationship between electrochemical characteristics and SCC of X70 pipeline steel in an acidic soil simulated solution［J］.Acta Metallurgica Sinica(English Letters)，2009，22(1):58-64.

［2］ DU C W，LI X G，CHEN X，et al.Crevice corrosion behavior of X70 Steel in HCO-3solution under cathodic polarization［J］.Acta Metallurgica Sinica(English Letters)，2008，21(4):235-244.

［3］ LIU Z Y，LI X G，DU C W，et al.Stress corrosion cracking behavior of X70 pipe steel in an acidic soil environment［J］.Corrosion Science，2008，50(8): 2251-2257.

［4］ LIU Z Y，LI X G，CHENG Y F.In-situ characterization of the electrochemistry of grain and grain boundary of an X70 steel in a near-neutral pH solution［J］.Electrochemistry Communications，2010，12(7):936-938.

［5］ 李 东，陈怀宁，徐 宏.表面纳米化对SS400钢焊接接头应力腐蚀性能的影响［J］.焊接学报，2009，30(3):65-69.

［6］ 林 健，赵海燕，蔡志鹏，等.磁处理改善低碳钢焊接接头的耐腐蚀性能［J］.焊接学报，2006，27(1): 61-64，68.

［7］ 王快社，王 文，郭 韡，等.搅拌摩擦焊与手工电弧焊接头电化学腐蚀性能研究［J］.稀有金属材料与工程，2010，39(4):747-749.

［8］ 陈 旭，李晓刚，杜翠薇，等.阴极极化条件下X70钢的缝隙腐蚀行为［J］.金属学报，2008，44(12): 1431-1438.

［9］ 孔德军，周朝政，吴永忠.304不锈钢激光冲击处理后的残余应力产生机理［J］.红外与激光工程，2010，39(4):737-740.

［10］ 邹世坤，王 健，王华明.激光冲击处理对焊接接头力学性能的影响［J］.焊接学报，2001，22(3):79 -81.

［11］ 宋颖刚，高玉魁，陆 峰.TC21钛合金喷丸强化层微观组织结构及性能变化［J］.航空材料学报，2010，30(2):40-44.

［12］ 叶雄林，朱有利.超声冲击细化22SiMn2TiB超高强钢焊接接头晶粒研究［J］.热加工工艺，2006，35 (23):12-14.

［13］ 毕凤琴，张旭昀，王 勇，等.X70管线钢在湿H2S环境中的应力腐蚀行为研究［J］.材料工程，2009，53(8):15-18.

［14］ 张 亮，李晓刚，杜翠薇，等.X70管线钢在含CO2库尔勒土壤模拟溶液中的腐蚀行为［J］.金属学报，2008，44(12):1439-1444.

［15］ ZHANG G A，CHENG Y F.Micro-electrochemical characterization of corrosion of welded X70 pipeline steel in near-neutral pH solution［J］.Corrosion Science，2009，51(8):1714-1724.

Effects of laser shock processing on electrochemical corrosion properties of X70 pipeline steel welded joints by slow strain rate testing

KONG De-jun，WU Yong-zhong，LONG Dan
(College of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，China，E-mail:kong-dejun@163.com)

For the improvement of electrochemical corrosion properties of X70 pipeline steel welded joint during slow-strain rate tension，the surface of the welded joint was processed by laser shock wave.The electrochemical corrosion behaviors in NAC solution(0.5%HAC+5%NaCl)with different H2S concentrations were analyzed，and the corrosion potentials of the welded joint before and after laser shock processing were measured.The effects of laser shock processing on corrosion potentials and fracture morphologies were discussed.The results show that the corrosion resistance is improved by laser shock processing，and the sensitivity index of SCC Isccdecreases about 6%.The spontaneous potential is moved to the positive direction，the polarization resistance is increased gradually，and the corrosion resistance is higher than that in primitive state.

laser shock processing;X70 pipeline steel;welded joint;slow strain rate test(SSRT);electrochemical corrosion

V261.8;O346.2;TG174.3 文献标志码:A 文章编号:1005-0299(2012)01-0139-05

2011-04-11.

江苏省自然科学基金资助项目(BK2009104)，江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX11-0388).

孔德军(1966-)，男，博士，副教授.

(编辑 吕雪梅)