電解腐蝕技術(shù)在耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣中的應(yīng)用

張秀荷，代緒成，劉 宏，石寶霞，王曉璇

（1.海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520；2.海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

0 前 言

常見耐腐蝕合金材料有普通不銹鋼、雙相不銹鋼、超級(jí)雙相不銹鋼和鎳基合金等，由于其具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于海洋工程、石油化工、特種船舶、核電和建筑等行業(yè)[1-3]。 在進(jìn)行耐蝕合金材料焊接工藝評(píng)定時(shí)，低倍金相檢驗(yàn)是一個(gè)重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目。 通過(guò)對(duì)低倍金相形貌進(jìn)行分析，系統(tǒng)性地評(píng)價(jià)焊接接頭的成型、熔敷效果以及是否存在焊接缺陷等，從而確定選用的焊接參數(shù)是否合適，并將其運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊接工作中。

焊接接頭低倍金相制樣不同于鋼產(chǎn)品的低倍金相制樣，不僅要求各區(qū)域分界明顯、清晰顯示焊接缺陷，而且要求在焊縫區(qū)域能清晰地顯示各層焊道。 采用常規(guī)的制樣方法，存在制樣不清晰或安全性差等缺點(diǎn)，為了既能獲得清晰可見的低倍金相試樣，又能保證試驗(yàn)方法安全可靠，本研究將電解腐蝕技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和運(yùn)用，對(duì)不同耐蝕合金材料制定了最佳試驗(yàn)參數(shù)。

1 常見低倍金相制樣技術(shù)對(duì)比

國(guó)內(nèi)外常見的焊接接頭低倍金相檢驗(yàn)的制樣標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 26955—2011 《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)——焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)》[4]、ISO 17639：2003 《Destructive tests on welds in metallic materials——Macroscopic and microscopic examination of welds》[5]和 ASME BPVC IX—2017《Welding, Brazing, and Fusing Qualifications》[6]等，其中 GB/T 26955—2011 和 ISO 17629：2003 兩者等同，兩者在制樣方法和腐蝕溶液上均有相對(duì)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，而ASME BPVC IX—2017 中則相對(duì)簡(jiǎn)單地介紹了制樣方法和腐蝕溶液。 同時(shí)，在進(jìn)行焊接接頭低倍金相檢驗(yàn)時(shí)，也常常借鑒GB/T 226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》[7]中的制樣方法和腐蝕溶液。 上述標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)耐蝕合金焊接接頭低倍金相試樣的技術(shù)要求基本相同，但在具體的試驗(yàn)參數(shù)上卻存在很大的差異，詳細(xì)的技術(shù)對(duì)比分析如下。

1.1 GB/T 26955—2011和ISO 17639：2003中耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣技術(shù)

GB/T 26955—2011 和 ISO 17639：2003 標(biāo)準(zhǔn)中常用的方法有：將試樣浸入侵蝕劑中侵蝕、用侵蝕劑擦拭試面侵蝕和電解侵蝕。 但在其分別引用的侵蝕劑標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26956—2011 《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)——宏觀和微觀檢驗(yàn)用侵蝕劑》[8]和ISO/TR 16060：2003 《Destructive test on welds in metallic materials——Etchants foe macroscopic and microscopic examination》[9]中，耐蝕合金焊接接頭的宏觀侵蝕方法均采用冷酸侵蝕法，未使用電解侵蝕和熱酸侵蝕，侵蝕劑為三氯化鐵鹽酸溶液和阿德勒侵蝕劑。

上述標(biāo)準(zhǔn)中的耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣技術(shù)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：①侵蝕方法較為單一，沒有可選擇性； ②普通不銹鋼基本能形成較為清晰的低倍金相試樣； ③雙相不銹鋼、超級(jí)雙相不銹鋼和625 鎳基合金等耐蝕性能較強(qiáng)的材料，其腐蝕效果往往無(wú)法達(dá)到理想的要求。

1.2 ASME BPVC IX—2017中耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣技術(shù)

ASME BPVC IX—2017 中僅對(duì)鎳基合金的侵蝕方法和侵蝕劑進(jìn)行了簡(jiǎn)單的規(guī)定，對(duì)不銹鋼無(wú)相應(yīng)的技術(shù)要求。 鎳基合金侵蝕方法主要有冷酸侵蝕法和熱酸侵蝕法，侵蝕劑主要為王水和Lepito 侵蝕劑。

該標(biāo)準(zhǔn)中耐蝕合金焊接接頭的低倍金相制樣技術(shù)的特點(diǎn)是：①兩種腐蝕方法沒有明顯的界定，可視侵蝕情況進(jìn)行加溫； ②熱酸侵蝕法對(duì)溫度沒有具體的要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)制樣的可操作性不具備一定的指導(dǎo)作用，對(duì)試驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)要求較高；③采用王水侵蝕劑進(jìn)行熱酸侵蝕時(shí)，侵蝕效果較佳； ④侵蝕劑加熱時(shí)易產(chǎn)生酸霧，對(duì)試驗(yàn)人員健康危害較大，試驗(yàn)安全性也相對(duì)較低。

1.3 GB/T 226—2015中耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣技術(shù)

GB/T 226—2015 主要是檢驗(yàn)鋼產(chǎn)品的低倍組織及缺陷，但在焊接接頭低倍金相檢驗(yàn)中也常常被運(yùn)用。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的侵蝕方法主要有熱酸侵蝕法、冷酸侵蝕法和電解腐蝕法。 熱酸侵蝕法僅介紹奧氏體不銹鋼的制樣技術(shù)，侵蝕時(shí)間、溫度、侵蝕劑等重要試驗(yàn)參數(shù)較為詳細(xì)，具有較好的可操作性。 冷酸侵蝕法中不銹鋼和鎳基合金均提供相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，但在進(jìn)行超級(jí)雙相不銹鋼腐蝕時(shí)，其腐蝕效果不理想。 電解腐蝕方法分交流電電解腐蝕法和直流電電解腐蝕法，其中以直流電電解腐蝕法較為常用。 直流電電解腐蝕法如圖1 所示，侵蝕劑為體積分?jǐn)?shù)6%～11%的鹽酸水溶液，建議工作電流為 8～68 mA/mm2。

該標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用至耐蝕合金焊接接頭的低倍金相制樣，主要有以下技術(shù)特點(diǎn)：①各種方法的試驗(yàn)參數(shù)相對(duì)具體，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可操作性強(qiáng)； ②冷酸侵蝕法腐蝕效果不明顯，試樣表面不能形成清晰的低倍金相形貌； ③電解腐蝕陰極所用電解鋼板存在標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于耐蝕合金焊接接頭的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，該情況下無(wú)法形成電解池，不能有效地進(jìn)行電解腐蝕； ④該標(biāo)準(zhǔn)中的制樣方法在一般材料的焊接接頭低倍金相制樣中運(yùn)用效果較好，但在耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣的運(yùn)用中整體效果不理想，不能形成清晰的宏觀金相形貌。

通過(guò)對(duì)上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)低倍金相制樣方法的技術(shù)分析，得出耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣的技術(shù)特點(diǎn)，見表1。

圖1 直流電電解腐蝕法示意圖

表1 不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)耐蝕合金低倍金相制樣技術(shù)對(duì)比

2 耐蝕合金焊接接頭電解腐蝕技術(shù)原理及技術(shù)參數(shù)

通過(guò)表1 所列常見標(biāo)準(zhǔn)在焊接接頭低倍金相制樣技術(shù)對(duì)比，可以看出焊接接頭較為常用的制樣方法一般為冷酸侵蝕法和熱酸侵蝕法。 電解腐蝕技術(shù)在焊接接頭低倍金相制樣的運(yùn)用實(shí)例相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)外電解腐蝕技術(shù)的研究和運(yùn)用主要集中在金屬材料微觀金相試樣制備[10-11]和鋼產(chǎn)品的低倍組織檢驗(yàn)[12-13]。

將GB/T 226—2015 中直流電電解腐蝕法在耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣中進(jìn)行運(yùn)用，由于標(biāo)準(zhǔn)中陰極材料為電極鋼板，存在其金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于耐蝕合金金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，無(wú)法形成有效的電解池，導(dǎo)致腐蝕效果差，無(wú)法形成清晰可見的低倍金相形貌。 通過(guò)對(duì)GB/T 226—2015 中直流電電解腐蝕裝置進(jìn)行改進(jìn)，并借鑒其他標(biāo)準(zhǔn)的侵蝕劑配方，研究出一套操作性強(qiáng)的電解腐蝕法。

2.1 電解腐蝕裝置改進(jìn)

電解池是指將兩個(gè)電子導(dǎo)體插入電解質(zhì)溶液所組成的電化學(xué)體系中，直流電源接通時(shí)，該電化學(xué)體系中的兩個(gè)電極上分別持續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。 低倍金相試樣形貌的形成主要是由于表面金屬發(fā)生氧化反應(yīng)形成金屬離子而脫離試樣表面，因此參照 GB/T 226—2015，試樣依然作為陽(yáng)極。

根據(jù)電解池的工作原理，陰極材料應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)電極電位比陽(yáng)極材料高、且具有良好導(dǎo)電性能的材質(zhì)，通過(guò)對(duì)耐蝕合金材料的分析，選用標(biāo)準(zhǔn)電極電位均高于所有耐蝕合金材料的石墨碳棒替代GB/T 226—2015 中要求的電極鋼板。 因此，改進(jìn)后的電解腐蝕裝置構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 改造后的電解腐蝕裝置示意圖

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)常用的侵蝕劑進(jìn)行綜合分析，所有標(biāo)準(zhǔn)中的侵蝕劑均含有鹽酸試劑，該試劑屬于易制毒化學(xué)藥品，購(gòu)買、存儲(chǔ)、使用和處理均要求較為嚴(yán)格，對(duì)實(shí)驗(yàn)室硬件投入和管理提出較高的要求。 為了降低實(shí)驗(yàn)室對(duì)易制毒化學(xué)品的管控，侵蝕劑選用硝酸進(jìn)行替代。

2.2 技術(shù)參數(shù)

對(duì)于不同材料的耐蝕合金焊接接頭，由于其化學(xué)成分和組織性能的差異，不同的耐蝕合金材料呈現(xiàn)不同的性能，因而針對(duì)不同材質(zhì)的耐蝕合金需要選擇不同的試驗(yàn)參數(shù)。 通過(guò)大量正交試驗(yàn)，確定了不同耐蝕合金材料焊接接頭低倍金相電解腐蝕制樣技術(shù)的具體試驗(yàn)參數(shù)，見表2。

根據(jù)表2 所列的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得的耐蝕合金焊接接頭低倍金相試樣形貌如圖3所示。 由圖3 可以看出，試樣表面清晰可見，各區(qū)域分界明顯，焊縫區(qū)域各焊道也清晰可見，滿足焊接接頭低倍金相檢驗(yàn)的制樣要求。

表2 不同耐蝕合金焊接接頭低倍金相電解腐蝕制樣技術(shù)參數(shù) （室溫）

3 電解腐蝕技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)對(duì)電解腐蝕技術(shù)的改進(jìn)，在耐蝕合金焊接接頭低倍金相試樣上能形成清晰可見的宏觀形貌，證明該項(xiàng)技術(shù)完全能夠滿足焊接工藝評(píng)定對(duì)耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣的更高要求，且具備以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1） HCl 為第三類易制毒化學(xué)品，屬于公安重點(diǎn)監(jiān)管的化學(xué)藥品，對(duì)購(gòu)買、運(yùn)輸、使用及處理均要求較為嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)室必須具備24 h 監(jiān)控和密碼柜等硬件條件。 采用HNO3替代HCl，則降低實(shí)驗(yàn)室在管制化學(xué)藥品的硬件投入和日常管理投入。

（2） 電解腐蝕方法的運(yùn)用無(wú)需投入大型試驗(yàn)設(shè)備，只需購(gòu)置直流電源、石墨電極、玻璃瓶、導(dǎo)線等小型設(shè)備和材料即可。

（3） 采用的 HNO3溶液體積分?jǐn)?shù)為 6.5%～6.8%，侵蝕劑的濃度比較低； 電解腐蝕的輸出電流 （2 A） 和輸出電壓 （3～6 V） 也較小，大大提高了試驗(yàn)安全性。

（4） 電解腐蝕試驗(yàn)溫度為常溫，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不產(chǎn)生 “酸霧”； 電解過(guò)程中在陰極產(chǎn)生的氣體為氫氣。 整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程不產(chǎn)生無(wú)毒無(wú)刺激性化學(xué)物質(zhì)，對(duì)試驗(yàn)人員身體傷害較輕。

（5） 設(shè)置科學(xué)合理的試驗(yàn)參數(shù)，并具有較強(qiáng)的實(shí)操性。 由于材料在組織、化學(xué)成分等存在一定的差異性，可通過(guò)適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)或降低腐蝕時(shí)間獲得清晰可見的低倍金相試樣形貌。

（6） 相比于傳統(tǒng)的制樣技術(shù)，腐蝕時(shí)間短，整個(gè)制樣效率大大提高。

4 結(jié) 論

（1） 電解腐蝕技術(shù)在耐蝕合金焊接接頭低倍金相制樣技術(shù)的應(yīng)用，徹底解決了耐蝕合金焊接接頭腐蝕難度大、試驗(yàn)安全性低、人員身體傷害大和效率低等難題。

（2） 根據(jù)試驗(yàn)得出的最佳電解腐蝕參數(shù)進(jìn)行電解腐蝕，可獲得焊接接頭各區(qū)域清晰可見的低倍金相試樣，且能清晰顯示焊縫各層焊道，滿足焊接工藝評(píng)定要求。

（3） 最佳電解腐蝕參數(shù)是基于比較有代表性的牌號(hào)進(jìn)行研究，且由于材料本身存在一定的差異，因此在電解腐蝕過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)觀察焊縫橫截面的腐蝕情況，可在最佳腐蝕時(shí)間的基礎(chǔ)上適當(dāng)延長(zhǎng)或縮短腐蝕時(shí)間，以達(dá)到最優(yōu)的宏觀金相形貌。