不同焊接方法下Q235钢焊接热影响区海水腐蚀性能研究

周　密，孙　翔（．南通航运职业技术学院，江苏南通600；.南通中远船务工程有限公司，江苏南通6005）



不同焊接方法下Q235钢焊接热影响区海水腐蚀性能研究

周密1，孙翔2
（1．南通航运职业技术学院，江苏南通226010；2.南通中远船务工程有限公司，江苏南通226005）

摘要：Q235钢的焊接在船舶工程中广泛应用，其焊接热影响区在海水中腐蚀严重，针对此情况，综合运用金相组织分析、电化学技术，对焊条电弧焊与CO2气体保护焊得到的碳钢焊接热影响区进行海水腐蚀行为的研究。结果表明：随着腐蚀过程的进行，CO2气体保护焊试样始终比焊条电弧焊试样耐蚀性更强。

关键词：Q235钢；焊接热影响区；海水腐蚀；电化学

孙翔（1988-），男，山东金乡人，助理工程师，学士，研究方向：海洋工程。

Q235钢是碳素结构钢，属于低碳钢，同时具有良好的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能，是目前应用非常广泛的一种碳钢，主要用于制造受力不大的零件，如螺钉、螺母、垫圈、焊接件、冲压件等金属构件，同时也作为一般船体结构用钢，广泛应用于船舶工业中。本实验采用焊条电弧焊和CO2气体保护焊两种工程上最为常用的焊接方法对Q235钢进行焊接，来探讨焊接方法对焊接热影响区腐蚀性能的影响，对提高船舶钢结构的耐腐蚀性能和安全性能、节约成本以及对碳钢焊接时采取适当的方法，都具有重要的意义。

1　实验内容

1.1试样制备

焊条电弧焊，焊条直径2.4 mm，型号为E4303，电源电极采用交流方式，焊接电压为25 V，焊接电流为110 A。CO2气体保护焊，H08MnSiA焊丝、焊条直径1.2 mm，焊接电流为200 A，电弧电压为25 V，CO2气体流量为16.5 L/min。用线切割机对两种焊接方法下的焊接钢板的热影响区取样，其尺寸为10 mm×10 mm×5 mm，依次对试样进行打磨、抛光，对电化学试样用电烙铁在非工作面上锡焊直径为2 mm、长15 cm的带有绝缘层的铜导线，待焊接妥当后，在非工作面上以及4个侧表面上涂上环氧树脂，确保环氧树脂胶将4个表面覆盖，并紧紧包裹锡焊的非工作面，使电化学试样牢靠固定、不易脱落。

本实验采用的腐蚀介质为天然的东海海域（121°55′E，30°51′N附近）的新鲜海水，为了保持海水的活性，取水周期为1周。取水后经过24 h的沉淀后除去泥沙再进行使用，投入到浸泡池当中。在实验浸泡过程中，不定期地测量海水的数据，测得海水温度范围在14～23℃，PH值为7.6～8.0，呈弱碱性，溶氧量为4～6 mg/ L，盐度为32.1～34.6%。

1.2金相观察

对浸入海水腐蚀后的试样进行打磨、抛光，浸入4%的硝酸酒精溶液中，待试样表面发乌时，将试样取出，置于无水乙醇中进行脱水，冷风吹干后用4XC显微镜观察腐蚀后热影响区的金相。

1.3电化学分析

电化学工作站型号为Autolab PGSTAT 302N。实验采用经典的三电极体系，对电极为15 mm×15 mm的铂电极，参比电极为Ag/AgCl电极，工作电极为两种焊接方法下不同时间腐蚀后的电极试样。测量极化曲线时，极化电压的变化范围为-0.3～+1.0 V，变动速度为10 mv/ s；测量阻抗谱曲线时，使其频率在1×10-2～1× 105Hz之间变动，测量信号为幅值10 mv的交流正弦波。然后将对应曲线的拟合参数用Origin8.0进行处理。

2　实验结果与分析

2.1锈层形貌分析

焊条电弧焊试样浸泡不同时期的锈层形貌如图1所示。浸泡1周后，锈层尚未开始分层，只有稀疏的浅黄色的球状锈斑分布在试样表面，这些锈层的主要成分是铁和氧的化合物。2周时，试样表面已经出现了完整的锈层，并且锈层已经开始分为内锈层和外锈层。3周时，黑色的内锈层面积增大，此时内锈层紧密附着在金属表面上，其主要成分是Fe3O4、α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH；而外锈层附着得并不牢固，在腐蚀过程中都会随时脱落的情况发生。5周时，大部分内锈层已经被外锈层所覆盖，外锈层生成的速率大于其脱落的速率，使其覆盖在内锈层表面，内外两种锈层的叠加，使得锈层变得更厚。6周时，团状的外锈层又开始脱落，而内锈层中的黑色部分也被覆盖，只剩下红棕色部分。内锈层也分为两层，其中红棕色的区域能够被轻易敲落，而黑色区域却不容易脱落。内锈层中的β-FeOOH具有较高的活性，容易发生还原反应，并且会随着浸泡时间的不断增加而逐渐增多，使得内锈层不再具备保护性，反而会因为β-FeOOH参与还原反应而加速试样的腐蚀。

图1　焊条电弧焊下热影响区浸泡不同时期的锈层形貌

CO2气体保护焊试样的锈层形貌如图2所示，试样上附着的锈层与焊条电弧焊试样相比较疏松，并且外锈层在第5周就已经脱落，比焊条电弧焊提前了一周，说明外锈层在两种试样上的附着程度存在差异，CO2气体保护焊下的热影响区上的附着量较少，并且更容易脱落。这是因为焊条电弧焊得到的热影响区表面焊接时产生了飞溅，相对较为粗糙，而CO2气体保护焊得到的热影响区较为光滑，材料表面越粗糙，物质就越容易附着其上，此外物质在材料表面的附着程度和附着量与疏水性呈正相关。试样为同一种材料，疏水性相同，因此影响外锈层附着行为的主要因素就是材料表面的粗糙程度。

图2　 CO2气体保护焊下热影响区浸泡不同时期锈层形貌

2.2金相组织分析

同一试样其焊接热影响区各个部分的晶粒大小有所不同，为保证在显微镜下可以观察到不同试样的同一区域，用载玻片对试样进行覆盖，两种焊接方法得到的试样浸泡4周后的金相如图3所示。

两种试样的组织依旧是铁素体和珠光体。珠光体的成分是渗碳体（Fe3C）+铁素体。Fe3C的电位比铁素体高，二者的电位不同，在腐蚀介质中出现了原电池。铁素体作为阳极被溶解，导致了腐蚀发生，且珠光体当中铁素体率先被腐蚀。随着浸泡时间的延长，其内部的铁素体随着腐蚀过程不断发生电化学反应，导致了基体珠光体和铁素体分布不平衡，使得腐蚀速率加快。但是在整个腐蚀过程中，均未发现明显的晶间腐蚀。

CO2气体保护焊试样的晶粒比焊条电弧焊试样的晶粒要粗大，对于碳钢而言，大晶粒尺寸的铁素体和珠光体组织的耐腐蚀性能略优，因此其试样的耐蚀性更高。其中一个原因是相对于焊条电弧焊，CO2气体保护焊具有更高的热输入。较高的焊接热输入，能够提高热影响区的耐蚀性。但焊接热输入增大到一定程度时，会使热影响区粗晶区晶粒尺寸增大，发生过热现象，反而会延缓奥氏体相变，增加淬硬倾向，因此要合理控制焊接的热输入。

图3　两种试样浸泡4周后的金相组织（4%硝酸-酒精溶液浸蚀）

2.3电化学分析

2.3.1极化曲线分析

两种焊接方法得到的试样浸泡10周的极化曲线如图4所示。

图4　两种试样浸泡不同时期的极化曲线

焊条电弧焊试样，1周时，钝化区域最短，自腐蚀电位较低，而电流密度始终偏高，此时试样表面尚未形成完整致密的锈层，使得海水透过疏松的锈层直接与试样接触，导致腐蚀加快。第3周时，完整外锈层形成，阻止了海水和基体直接接触，使基体表面受到的腐蚀程度变小，试样耐蚀性非但没有下降，反而有所上升。6周时，自腐蚀电位稍微左移，略有减小，而腐蚀电流明显增加，说明此时试样的腐蚀倾向增加，耐蚀性降低。这是因为在第6周时，试样表面的外锈层脱落得最为严重，海水透过铁锈直接与试样表面接触，使腐蚀加剧。由于浸泡得越来越久，海水冲击着试样表面外锈层，使其逐渐脱落，从而导致其厚度减小，降低了锈层对基体的保护作用，因而在第10周时，自腐蚀电位最负，且曲线比前两周更加陡峭，阳极曲线的电流密度依旧与之前几周保持相同，说明此时腐蚀倾向最为严重。

对于CO2气体保护焊试样，与焊条电弧焊试样相比，电流密度较小，自腐蚀电位偏低，并且曲线比较陡峭，腐蚀较为轻。两者耐蚀性强弱的差别，主要因为采用了不同的焊接方法，使得两种焊接接头具有了不同的性质。对于焊条电弧焊，焊接过程中焊件与空气中的氧气接触，由于Q235钢中含有Si和Mn，在焊接高温时，O2与Mn和Si发生反应（Si+O2→SiO2，Mn+O2→MnO），上述反应使Q235钢中的合金元素受到烧损，生成的SiO2和MnO作为杂质，包裹在焊渣之中，附着于热影响区的表面。MnO是阴极性物质，属于很强的去极化剂，会加快金属的腐蚀。

2.3.2 Nyqusit图分析

两种焊接方法得到的试样浸泡10周的Nyqusit图如图5所示。

图5　两种试样浸泡不同时期的Nyqusit图

焊条电弧焊试样不同时期的容抗弧半径不同，说明试样的腐蚀程度不同。总体上经历了先增大后减小的趋势，说明其腐蚀程度在初期有所减轻，但随着浸泡时间的延长而越来越严重，腐蚀程度逐渐加深。

试样放入海水初期，其腐蚀速率主要是由海水中的溶氧扩散决定，主要以吸氧腐蚀为主。由于化学性质的不均一性，试样表面形成了原电池，发生了电化学反应，金属本身作为负极，金属元素（主要是Fe元素）发生溶解，形成离子而进入到试样表面的水膜中。试样表面水膜中的氧直接得到电子被还原成为OH-，OH-聚集在阳极附近，与金属离子结合形成氢氧化物，主要是氢氧化亚铁，之后氢氧化亚铁进一步反应生成氢氧化铁沉淀，之后再发生复杂的化学反应生成铁锈。但是在第1周时，由于锈层很薄，腐蚀速率主要由溶氧扩散决定，腐蚀速率很大。相比于第1周，第3周的容抗弧圆心上移，半径增大，说明此时试样的阻抗增大，耐蚀性增强。主要是因为第3周时试样表面形成了完整致密的锈层，阻隔了海水直接接触试样表面，减缓了溶氧的扩散，降低了腐蚀速率。42天时，容抗弧半径变小，此时内锈层中的β-FeOOH含量增多，使腐蚀速率加快。第56天和第70天的容抗弧半径相继减小，但二者相差不大，说明腐蚀程度接近，两条容抗弧在阻抗谱的低频区出现了明显的拖尾，这说明出现了扩散现象，腐蚀过程主要由扩散控制，海水中Cl-开始慢慢渗透锈层，攻击试样表面。此时锈层不断增厚，而试样表面与锈层之间的溶氧已经消耗殆尽，试样表面水膜中的氢离子得到电子，被还原成氢原子，再以分子形态聚集成氢气逸出，产生析氢反应。氢气的出现使得试样表面成分不均匀，破坏了电场的平衡性，电场分布不均匀而发生豫弛过程，引发了弥散现象。

对于CO2气体保护焊试样，第1周时，容抗弧比焊条电弧焊试样具有更大的半径，说明它的阻抗大，腐蚀程度较轻，耐蚀性更好。尚未形成致密完整的锈层，此时的腐蚀程度取决于试样表面的化学性质。CO2气体保护焊得到的试样的原子晶粒排列更紧密、表面化学成分更均匀。从图3可以看出，CO2气体保护焊试样的晶粒更加粗大。晶粒的大小是金属组织的重要标志，对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大的影响。细晶粒金属的力学性能好，粗晶粒金属的耐蚀性能好。CO2气体保护焊样具有较为粗大的晶粒，因此其耐蚀性更好。第4周时，焊条电弧焊试样的容抗弧半径比CO2气体保护焊试样半径大，此时焊条电弧焊具有较高的阻抗值，腐蚀程度较轻，耐蚀性较好。第7周时，CO2气体保护焊试样的容抗弧再次比焊条电弧焊容抗弧半径大，阻抗值更大，这是因为第6周时试样表面外锈层已经脱落，海水透过疏松的锈层重新与试样表面接触，此时耐腐蚀的强弱重新由焊接接头的性质决定。

2.3.3 Bod-模图和Bode-相图分析

两种焊接方法得到的试样浸泡10周的Bode图如图6所示。

焊条电弧焊试样得到的Bode-相图，第1周和第3周时，相位角只有一个时间常数，且相位角出现在低频端，波峰非常接近，说明此时锈层对试样的保护作用相差不大，主要是由溶氧的扩散控制反应过程。第5周时，在低频端和高频端各出现了一个时间常数，低频端代表作为试样表面的特性，高频端代表微生物膜和锈层界面，说明此时的腐蚀是由试样表面的溶氧与内锈层中β-FeOOH的还原反应共同作用，腐蚀速率明显增大。第6周时，相位角出现在中频区域，中频区域代表了试样表面锈层物膜界面，由于第6周时外锈层已经脱落，此时控制腐蚀的主要步骤是海水中侵蚀性离子（主要包括Cl-和S2-）通过疏松多孔的锈层向试样表面迁移，从而攻击试样表面，再加上内锈层中β-FeOOH的还原反应共同作用，腐蚀越来越严重。CO2气体保护焊试样的Bode图变化趋势与焊条电弧焊试样相同，腐蚀机理也相同。

图6　两种试样浸泡不同时期的Bode图

3　结论

第一，观察不同焊接方法下试样表面的金相组织，发现随着腐蚀的进行，CO2气体保护焊试样的晶粒始终比焊条电弧焊试样的晶粒粗大，耐蚀性较强。在腐蚀过程中，珠光体（渗碳体+铁素体）中的铁素体作为电化学反应的阳极逐渐溶解，发生了电偶腐蚀。

第二，对电化学实验测试得到的极化曲线进行分析，发现两种试样自腐蚀电位出现了先增大后减小的趋势。对Nyqusit图进行分析，两种试样的阻抗谱的容抗弧呈现先增大后减小的趋势，即热影响区的耐蚀性先增大后减小。腐蚀程度先减弱，随后增强。

第三，在整个腐蚀过程中，CO2气体保护焊试样的容抗弧基本高于焊条电弧焊试样，其腐蚀程度较轻，耐蚀性更强。腐蚀过程中试样表面的锈层对基体起到一定的保护作用，但随着锈层的脱落，其保护作用削弱，腐蚀加深。

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［责任编辑：刘月］

The Seawater Corrosion Resistance Research on Q235 Steel Welding Heat Affected Zone Using Different Welding Methods

ZHOU Mi1, SUN Xiang2
（1. Nantong Shipping College, Nantong 226010, China; 2. COSCO Shipyard, Nantong 226005, China）

Abstract:The welding of Q235 steel is widely used in ship engineering, and its welding heat affected zone corrodes seriously in seawater. In order to overcome these disadvantages, the researcher makes seawater corrosion resistance research on the carbon steel welding heat affected zone, which is gained by the comprehensive use of metallographic structure analysis, electrochemical techniques, SMAW and CO2gas shielded welding. The results show that during the process of corrosion, the corrosion resistant ability of CO2gas shielded welding is always stronger than that of SMAW sample.

Key words:Q235 steel; welding heat affected zone; seawater corrosion; electrochemistry

中图分类号：TG172.5

文献标识码：A

文章编号：2095-5928（2016）02-34-06

DOI:10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.02.010

收稿日期：2016-02-22

作者简介：周密（1989-），男，黑龙江密山人，助教，硕士，研究方向：轮机工程材料腐蚀研究。