不銹鋼多層多道焊接頭組織研究機(jī)械制造專業(yè)

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1、中文摘要 不銹鋼多層多道焊接頭組織研究 本文以2205雙相不銹鋼為焊接材料，E2209焊條為填充材料，采用焊條電弧焊方法實(shí)施多層多道焊。焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相制備及硬度值的測(cè)量，然后分析焊縫及熱影響區(qū)金相組織并對(duì)所得接頭的結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行表征，最后分析焊縫及熱影響區(qū)組織對(duì)硬度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫和熱影響區(qū)奧氏體相含量由打底層向填充層方向依次減少，鐵素體含量隨之增多。焊縫區(qū)的奧氏體含量較熱影響區(qū)的奧氏體含量多。焊縫和熱影響區(qū)的硬度隨鐵素體相含量的增加呈降低趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：雙相不銹鋼；熱影響區(qū)；奧氏體；微觀組織；硬度 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）英文摘要

2、 Title Microstructure Research Of Multi-layerAndMulti-pass WeldingOf Stainless Steel The multi-layer and multi-pass welding technology of duplex stainless steel 2205 was investigated in this paper. The filling material is E2209. After welding, the work of Metallographic Preparation and har

3、dness test was done. Then the Metallographic structure of weld bead and HAZ was researched and the structure of the joint was characterized .At last, the effect on the hardness of the weld bead and HAZ was also researched. The results show that, the number of austenite reduces from the backing weld

4、to the filling bead while the ferrite increases. The content of austenite in the weld bead is more than that in the HAZ. The hardness of the weld bead and HAZ decreases with the decrease of ferrite. Keywords: Duplex Stainless Steel; HAZ; Austenite; Metallographic structure; Hardness II

5、 目 錄 前 言 1 第一章緒論 2 1.1不銹鋼概述 2 1.1.1不銹鋼的發(fā)展 2 1.1.2不銹鋼的種類 2 1.1.3不銹鋼的特性 3 1.1.4不銹鋼的應(yīng)用 4 1.2不銹鋼的焊接 5 1.2.1不銹鋼的焊接性分析 5 1.2.1不銹鋼常用的焊接方法 6 1.3不銹鋼的研究進(jìn)展 7 1.4本文的研究?jī)?nèi)容與意義 9 1.4.1研究?jī)?nèi)容 9 1.4.2研究意義 9 第二章2205雙相不銹鋼多層多道焊工藝試驗(yàn) 10 2.1工藝確定 10 2.1.1焊接材料 10 2.1.2焊接方法 10 2.1.3填充材料 10 2.1.4坡口形式 1

6、1 2.1.5工藝參數(shù)及要求 11 2.2試驗(yàn)材料與設(shè)備 13 2.2.1試驗(yàn)材料 13 2.2.2試驗(yàn)設(shè)備 13 2.3金相制備與硬度測(cè)定 15 2.3.1接頭金相試樣制備 15 2.3.2接頭顯微維氏硬度測(cè)量 16 第三章試驗(yàn)結(jié)果及分析 18 3.1焊接接頭宏觀形貌 18 3.2接頭金相組織及轉(zhuǎn)化分析 19 3.1接頭金相組織分析 19 3.2接頭組織轉(zhuǎn)化分析 22 3.2焊接接頭硬度分析 23 第四章 結(jié)論 25 參考文獻(xiàn) 26 致 謝 27 17 前 言 20世紀(jì)以來(lái)，鋼鐵冶金工業(yè)快速發(fā)展，由此帶動(dòng)了奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼的發(fā)展。

7、現(xiàn)如今，設(shè)備制造業(yè)對(duì)于不銹鋼的性能要求越來(lái)越苛刻，而奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼以其良好的綜合性能備受關(guān)注。 奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼被應(yīng)用于高腐蝕性、高壓力環(huán)境下的各種容器、管道、換熱器等設(shè)備，這在石油化學(xué)、造紙、食品、制藥等工業(yè)中尤為多見(jiàn)。奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼在常溫下同時(shí)具有奧氏體和鐵素體兩種組織，兩種相含量的比例為1:1。在選用焊條電弧焊焊接雙相不銹鋼時(shí)，母材、焊條成分以及焊接工藝都會(huì)影響接頭中兩相的含量，兩相比例越接近1:1則接頭性能越接近于母材。焊接接頭中奧氏體與鐵素體相的比例可以通過(guò)固溶處理工藝控制[1]。而在實(shí)際工程應(yīng)用上，焊接結(jié)構(gòu)件的尺寸往往比較大，這使得通過(guò)固溶方式改變接頭

8、組織和相比例顯得不現(xiàn)實(shí)。在實(shí)際操作過(guò)程中，工程師更傾向于通過(guò)優(yōu)化不銹鋼的焊接工藝來(lái)控制接頭中的相含量。 2205雙相不銹鋼是廣大不銹鋼家族中較為廣為人知的一員，氮元素的加入使其耐蝕性能、焊接性能優(yōu)于早期的雙相不銹鋼，同時(shí)其仍保留了良好的塑性、強(qiáng)度以及沖擊韌性[2]，這些原因使它廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域。在工程上，鋼板板厚時(shí)常較厚，需多層多道焊接，而由此所帶來(lái)的焊接熱循環(huán)將對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的兩相比例產(chǎn)生很大影響進(jìn)而影響接頭性能。為此，有必要對(duì)廣泛使用的2205雙相不銹鋼多層多道焊接頭組織進(jìn)行分析，研究接頭中鐵素體和奧氏體的轉(zhuǎn)化規(guī)律及其對(duì)接頭性能的影響，從而希望能為焊接工藝規(guī)程提供一定參考。 第

9、一章緒論 1.1不銹鋼概述 1.1.1不銹鋼的發(fā)展 自1912年英國(guó)著名的冶金科學(xué)家Harry Brearly發(fā)現(xiàn)了“鉻不銹”以來(lái)，不銹鋼便以一種迅猛之勢(shì)快速發(fā)展。有數(shù)據(jù)記載，20世紀(jì)50年代年全球不銹鋼的產(chǎn)量為100多萬(wàn)噸，而到世紀(jì)末，產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到約1800萬(wàn)噸。據(jù)預(yù)計(jì)，2015年全球不銹鋼產(chǎn)量將創(chuàng)歷史新高，達(dá)到4300萬(wàn)噸。我國(guó)正處于不銹鋼生產(chǎn)和應(yīng)用的高速增長(zhǎng)期，在2001年我國(guó)對(duì)于不銹鋼的消耗量已經(jīng)排在世界第一，現(xiàn)如今正以每年大約7.8%的速度增長(zhǎng)，在2006年我國(guó)不銹鋼的產(chǎn)量也達(dá)到了世界第一。 在不銹鋼產(chǎn)量快速增長(zhǎng)的同時(shí)，不銹鋼的種類也在向多元化趨勢(shì)發(fā)展。為了滿足不同領(lǐng)域的特殊

10、要求，近年來(lái)各種有特殊性能的不銹鋼被不斷研發(fā)出來(lái)，例如超級(jí)不銹鋼、無(wú)鎳奧氏體不銹鋼、抗菌不銹鋼[3]等。 1.1.2不銹鋼的種類 不銹鋼經(jīng)發(fā)明以來(lái)，經(jīng)過(guò)百年的發(fā)展，已經(jīng)從Harry Brearly發(fā)明的13%Cr鋼發(fā)展到現(xiàn)如今不同結(jié)構(gòu)和成分的五大系列不銹鋼。五大系列不銹鋼是按照其室溫組織的不同進(jìn)行分類，分別為鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼以及沉淀硬化鋼?，F(xiàn)在，五大鋼種也得到了極大發(fā)展，衍生出了含有鎢、銅等更多合金元素的超級(jí)、特超級(jí)不銹鋼。 鐵素體不銹鋼鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.5%~32.0%之間，一般室溫組織為純鐵素體，具有良好的塑性、韌性，同時(shí)Mo、Ni

11、元素的加入增強(qiáng)了它的耐應(yīng)力腐蝕性能。常見(jiàn)的鐵素體不銹鋼有1Cr25Si2、1Cr17和1Cr17Mo。奧氏體不銹鋼是在高鉻鋼的基礎(chǔ)上加入Ni元素（含量在8%~25%）形成的鋼種，其室溫下的微觀組織為奧氏體，具有很好的耐晶間腐蝕性能。實(shí)際生產(chǎn)中常用的有18-8鋼、25-20鋼和25-35鋼，在采礦、石油、化學(xué)等工業(yè)中常見(jiàn)的304不銹鋼即18-8系列鋼。馬氏體不銹鋼室溫下的組織為馬氏體，其含鉻量通常為11%~18%。其具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、高溫抗氧化性以及一定的耐蝕性，因而經(jīng)常用于蒸汽透平葉片、軸承等。其常見(jiàn)的鋼有1Cr13、2Cr13和3Cr13。奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼室溫組織中奧氏體鐵素體個(gè)約

12、占一半，兩相的存在令其既耐晶間腐蝕又耐應(yīng)力腐蝕。優(yōu)異的性能使其在海洋工程、石油工業(yè)、造紙工業(yè)等地方大展拳腳。常用的不銹鋼有SAF2205和SAF2507。沉淀硬化鋼組織中有硬化相形成，熱處理工藝為時(shí)效強(qiáng)化，因其高強(qiáng)度的特性而可用作承高壓類零件用鋼。常見(jiàn)的沉淀硬化鋼有馬氏體型（如00Cr22Ni5Mo3N）、半奧氏體型（如0Cr17Ni7Al）。 1.1.3不銹鋼的特性 （1）物理性能 不銹鋼中加入了大量的合金元素，其物理性能與普通碳鋼有很大差異。其線膨脹系數(shù)和電阻率較普通碳鋼高而熱導(dǎo)率較低。表1.1列出了幾種不銹鋼的物理性能。 表1.1 幾種不銹鋼的物理性能 鋼號(hào) 密度ρ（20℃）

13、/gcm-3 比熱容c（0~100℃）/J(g℃)-1 熱導(dǎo)率λ（100℃）/J(cms℃)-1 線膨脹系數(shù)α（0~100℃）/μm（m℃）-1 電阻率μ（20/μΩ（cm2cm-1） 0Cr19Ni10 0.83 0.5 0.15 16.9 72 0Cr13 7.75 0.46 0.27 10.8 61 1Cr13 7.75 0.46 0.25 9.9 57 （2）耐腐蝕性能 不銹鋼良好的耐蝕性能歸功于其較高的鉻、鎳含量。其基本機(jī)理是不銹鋼中的Cr元素被氧化，在表面形成致密的氧化膜Cr2O3，Cr2O3晶粒致密且對(duì)腐蝕性介質(zhì)具有很高的穩(wěn)定性。而

14、當(dāng)不銹鋼氧化膜被破壞時(shí)，其能夠很快的重新生成新的Cr2O3覆蓋在表面。由于組織成分與合金元素的差別，不同的不銹鋼對(duì)腐蝕環(huán)境的適應(yīng)性也不同，奧氏體不銹鋼對(duì)晶間腐蝕具有良好的抗性而鐵素體不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕有較強(qiáng)抗性。 （3）高溫性能 不銹鋼表面形成的致密氧化膜可以提高不銹鋼的使用溫度。不銹鋼在高溫下的性能表征主要有熱穩(wěn)定性與熱強(qiáng)性。在只采用Cr來(lái)提高抗氧化性能時(shí)，Cr含量的多少?zèng)Q定了耐氧化性的最高溫度。當(dāng)Cr含量為12%、20%和28%時(shí)對(duì)應(yīng)的最高溫度分別為為800℃、950℃和1150℃。 1.1.4不銹鋼的應(yīng)用 普通碳鋼、結(jié)構(gòu)鋼暴露在海水、酸堿鹽溶液等腐蝕介質(zhì)中極易發(fā)生腐蝕而無(wú)法

15、承擔(dān)要求的使用性能，因而長(zhǎng)期處在這些環(huán)境下的海洋設(shè)備、化學(xué)工業(yè)設(shè)備、石油煉制運(yùn)輸儲(chǔ)藏設(shè)備等都需要使用到不銹鋼。而不銹鋼的種類不同，其所適用的領(lǐng)域也相應(yīng)改變。3RE60不銹鋼可用于熱交換器及冷卻器，2205雙相不銹鋼可用于高壓釜，含鉻25%雙相不銹鋼可用于水泵、海水熱交換器，27Cr8NiN可用于含硝酸的環(huán)境下……在不同國(guó)家，不銹鋼的類別是一致的，在牌號(hào)和成分方面有所差異，表1.2為我國(guó)常見(jiàn)不銹鋼的種類及應(yīng)用場(chǎng)合。 表1.2 我國(guó)常見(jiàn)不銹鋼的種類及應(yīng)用場(chǎng)合 類型 GB牌號(hào) 特性與應(yīng)用場(chǎng)合 奧氏體型 0Cr19Ni9 相當(dāng)于美國(guó)的304，是一種不銹耐熱鋼，可用于車(chē)輛零件、不銹

16、鋼餐具、核工業(yè)等。 00Cr19Ni11 含碳量比0Cr19Ni9低，耐晶間腐蝕性能好，焊后可不進(jìn)行熱處理。 1Cr18Ni9 含碳量比0Cr19Ni9高，在冷加工下有較高強(qiáng)度，可用于建筑裝飾材料。 0Cr19Ni9N 0Cr19Ni9中加入N元素，提高了強(qiáng)度而不降低塑性，可用作結(jié)構(gòu)用鋼。 0Cr19Ni10NbN 0Cr19Ni9中加入N和Nb元素，和0Cr19Ni9具有相同的特性與用途，但其耐晶間腐蝕性能較0Cr19Ni9好。 0Cr18Ni12Mo2Ti 此種鋼對(duì)耐酸腐蝕性能好，例如H2SO4、H3PO4。 0Cr18Ni13Si4 0Cr19Ni9中加入Ni、S

17、i元素，從而提高了耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能，常用于含氯離子環(huán)境下。 0Cr25Ni20 在高溫下的抗氧化性和強(qiáng)度高，用于耐熱鋼。 馬氏體型 0Cr13 碳含量的減少使其比1Cr13鋼具有更高的耐蝕性與加工成形性。 1Cr13 含碳量比0Cr13高，耐蝕性、機(jī)加工性能良好，用于刀具類用鋼。 2Cr13 在經(jīng)過(guò)淬火處理后，具有高的硬度與耐蝕性，可用作蒸汽透平葉片、刀具類用鋼。 3Cr13 進(jìn)一步提高硬度與耐蝕性，且擁有較高的強(qiáng)度，常用作海水腐蝕設(shè)備用鋼。 鐵素體型 1Cr17 耐蝕性良好，用于不銹鋼餐具、電器零部件、裝飾用材料等。 00Cr17 在1Cr17鋼的基礎(chǔ)上降低

18、了含碳量，從而改善了焊接性，加工性能，可用于熱水器、衛(wèi)生器具等。 1Cr17Mo 加入了Mo元素，其切削性能比1Cr17高，抗鹽溶液性能強(qiáng)，可用于汽車(chē)外裝材料。 雙相不銹鋼 0Cr26Ni5Mo2 高硬度、抗氧化性能好、耐點(diǎn)蝕性能好，可用于海洋工程材料。 0Cr18Ni5Mo3Si2 強(qiáng)度較高，耐應(yīng)力腐蝕性能好，多用于耐海水腐蝕設(shè)備如水下管道，煉油工業(yè)、造紙工業(yè)等場(chǎng)合。 1.2不銹鋼的焊接 1.2.1不銹鋼的焊接性分析 1）奧氏體不銹鋼的焊接性 在焊接時(shí)，由于在晶界生成Cr23C6形成貧鉻區(qū)[4]，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間停留在450~850℃中溫區(qū)時(shí)易出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象。由于奧氏體不

19、銹鋼小的熱導(dǎo)率和大的線膨脹系數(shù)，S、P等雜質(zhì)形成易容液膜，易容共晶的存在以及促使晶間液膜形成的柱狀晶的焊縫組織，使得奧氏體不銹鋼對(duì)熱裂紋主要是焊縫凝固裂紋與液化裂紋的敏感性比較高。當(dāng)奧氏體相中存在有鐵素體時(shí)，焊縫在650~850℃溫度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間停留易析出一種脆硬的σ相，降低塑韌性的同時(shí)增加材料的腐蝕敏感性。 2）鐵素體不銹鋼的焊接性 焊接熱影響區(qū)在900℃以上溫度加熱時(shí)晶粒有長(zhǎng)大傾向，當(dāng)Cr含量越高，傾向越嚴(yán)重。在Cr含量高于15%的普通純度鐵素體鋼焊接時(shí)，在加熱至475℃附近或者從高溫緩冷至475℃附近，會(huì)出現(xiàn)475℃脆化。脆化傾向隨鉻含量增加而變大。在Cr含量高于21%的鐵素體不銹鋼焊

20、接時(shí)，600~800℃溫度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生硬脆的金屬間化合物σ相。 3）馬氏體不銹鋼的焊接性 含碳量較高的馬氏體不銹鋼，在空冷條件下具有很大的淬硬性。高的淬硬性將會(huì)產(chǎn)生冷裂紋與脆化問(wèn)題。當(dāng)在焊接含有較高鐵素體形成元素的馬氏體不銹鋼時(shí)，焊后在冷卻速度較快條件下，焊縫及熱影響區(qū)會(huì)生成硬脆的高碳馬氏體組織，當(dāng)不銹鋼的含碳量越高時(shí)，硬脆傾向越大。碳、鎳以及鉻的存在使得馬氏體不銹鋼在焊后其近縫區(qū)仍為馬氏體組織，并且硬而脆。當(dāng)焊接拘束度較大或者氫含量較高，易產(chǎn)生冷裂紋。 4）奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼的焊接性 奧氏體和鐵素體組織的同時(shí)存在使得奧氏體—鐵素體兼具兩種不銹鋼的特性：良好的塑性、韌性

21、、大的導(dǎo)熱系數(shù)、低的線膨脹系數(shù)等。在焊接時(shí)雙相不銹鋼時(shí)，間隙固溶體形成元素C、N更多的溶解于奧氏體而非如鐵素體不銹鋼析出碳化物與氮化物，淬硬傾向低；大的導(dǎo)熱系數(shù)及低的線膨脹系數(shù)有效的防止了焊接時(shí)晶粒的過(guò)度生長(zhǎng)而不易產(chǎn)生熱裂紋。焊接熱循環(huán)對(duì)雙相不銹鋼焊后接頭組織相有顯著影響。 1.2.1不銹鋼常用的焊接方法 雖然在選擇焊接方法時(shí)，有時(shí)限于具體條件可能只選用某一種，但在實(shí)際情況下必須綜合考慮到質(zhì)量問(wèn)題、焊接要求、成本及焊接自動(dòng)化等因素，從而以獲得最大的綜合效益為目的來(lái)選擇焊接方法。一般來(lái)說(shuō)，焊接不銹鋼較為理想的方法是藥芯焊絲電弧焊。藥芯焊絲的自動(dòng)送給實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程的連續(xù)生產(chǎn)提高了效率且減少了接

22、頭數(shù)量，與實(shí)心焊絲電弧焊相比，藥芯焊絲可通過(guò)改變藥芯來(lái)調(diào)整合金成分，并且適用的鋼材種類豐富，焊接效率高。與埋弧焊大的熱輸入相比其熱輸入要小很多，接頭具有更好的性能。 TIG焊、MIG焊以及焊條電弧焊都可用于奧氏體不銹鋼的焊接，在焊接時(shí)無(wú)需預(yù)熱并且采用低的熱輸入量。奧氏體不銹鋼打底焊時(shí)采用藥芯焊絲焊接，可以免去背面充氬氣保護(hù)的工藝，但要注意的是焊后的焊縫正背面需要清渣。普通的純鐵素體鋼常用的焊接方法有焊條電弧焊、MIG焊、藥芯焊絲電弧焊、埋弧焊和TIG焊，但不論使用哪種焊接方法，都應(yīng)通過(guò)控制焊接熱輸入抑制焊接區(qū)鐵素體晶粒的過(guò)分長(zhǎng)大。在工藝方面可使用多層多道快速焊接，并且使用強(qiáng)制冷卻方法冷卻焊縫

23、。馬氏體不銹鋼通常使用的焊接方法有焊條電弧焊、MIG焊及埋弧焊。在焊接時(shí)，主要控制好熱輸入和冷卻速度。奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼除電渣焊以外幾乎所有熔焊方法都適用，常用的焊接方法為T(mén)IG和焊條電弧焊。在焊接時(shí)也尤其要注意控制熱輸入，采用多層多道焊可改善焊接接頭的組織和性能。 1.3不銹鋼的研究進(jìn)展 冶煉技術(shù)的不斷提高使不銹鋼材料的研發(fā)取得了很大的進(jìn)展。日本特殊鋼公司通過(guò)往SUS416馬氏體不銹鋼中加入合金元素鉛、鉬、硒研制出了DSR6F超易切削不銹鋼[5]。在進(jìn)行切削加工時(shí)，切屑破碎容易而不附在加工面使得切削面表面精度高。利用Cu+與Ag+可對(duì)細(xì)胞造成破壞[6]的原理，含有Cu和含有Ag的抗

24、菌型不銹鋼分別于日本著名的鋼鐵公司日新制鋼株式會(huì)社[7]和日本川崎鋼鐵公司[8]研制出來(lái)。含Cu抗菌型不銹鋼制造的基本原理是對(duì)含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.5%~1.0%Cu的不銹鋼進(jìn)行特別的熱處理加工工藝使不銹鋼從材料表層到內(nèi)部均勻地析出彌散狀的ξ-Cu，從而獲得含Cu抗菌不銹鋼。含Cu型抗菌不銹鋼主要鋼號(hào)有NSSAM1、NSSAM2、NSSAM3、NSSAM4等。其中NSSAM4在食品行業(yè)、餐具及其他對(duì)抗菌和加工性能均要求嚴(yán)格的領(lǐng)域用途及其廣泛。這種含Cu的抗菌不銹鋼其在使用一段時(shí)間后，原本表面析出的彌散狀ξ-Cu相消耗完時(shí)抗菌性能會(huì)大大降低。為了在表面重新生成含Cu相，恢復(fù)原來(lái)的抗菌性能，可以通過(guò)簡(jiǎn)

25、單的方法例如拋光等來(lái)達(dá)到目的。R系列抗菌不銹鋼是含Ag微細(xì)彌散的一類鋼種，此類鋼主要有R304-AB、R430-AB，主要化學(xué)成分為C、Cr、P、Mn、Ag、Si等。Ag屬于重金屬元素，銀離子會(huì)使蛋白質(zhì)變性，因而含銀抗菌型不銹鋼會(huì)破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，從而對(duì)一些細(xì)菌例如大腸桿菌、藤黃八疊球菌、綠膿桿、黃色葡萄球菌等均具有較高的抗菌效果。當(dāng)其表面受磨損時(shí)和經(jīng)過(guò)加工研磨時(shí)，Ag元素裸露在外，這類鋼的抗菌效果尤為優(yōu)良。 美國(guó)Allegheny技術(shù)公司[9]開(kāi)發(fā)了AL2003節(jié)鎳型不銹鋼，牌號(hào)為UNSS3203。較低的鎳含量和少許的Mo含量使其多用于海洋工程，如輸送無(wú)硫或輕度含硫油氣的海底高壓管道系統(tǒng)。

26、在我國(guó)，中科院金屬研究所[10]研制出了具有優(yōu)良的綜合理化性能和生物相容性的鉻錳氮型無(wú)鎳奧氏體不銹鋼。為了使不銹鋼保持單一的奧氏體組織結(jié)構(gòu)，他們?cè)诓讳P鋼中加入了氮和錳兩種擴(kuò)大奧氏體化元素，通過(guò)工藝控制使氮化物溶入奧氏體相中。其主要技術(shù)手段是在采用先進(jìn)的真空感應(yīng)熔煉技術(shù)的同時(shí)嚴(yán)格控制氮化物的保護(hù)氣氛與保護(hù)氣氛的加入時(shí)間t，從而在真空爐中成功地熔煉出具有良好品質(zhì)的氮含量達(dá)到0.43%以上的無(wú)鎳高氮不銹鋼。對(duì)此種鋼進(jìn)行生物相容性試驗(yàn)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)于現(xiàn)在臨床使用的鉻鎳奧氏體不銹鋼，避免了在含鎳不銹鋼植入人體后引發(fā)的發(fā)炎和組織細(xì)胞破壞等反應(yīng)，在醫(yī)用上這種鋼將來(lái)有望取代現(xiàn)在普遍使用的022Cr17Ni

27、12Mo2鋼。表1.2為鉻錳氮型無(wú)鎳奧氏體不銹鋼具體的元素含量。 表1.2 醫(yī)學(xué)用無(wú)鎳奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%） Mn Cr C Mo N Ni Cu Si S P 57 16.0~17.5 ≤0.03 1.5~2.0 0.4~0.6 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.1 ＜0.01 ＜0.01 在不銹鋼的焊接方面，欒江峰[11]等人研究了焊接性較差的X12CrNiSi1636奧氏體耐熱不銹鋼新的焊接工藝。他們?cè)诤附又胁扇∽冸娏鞯姆绞綔p少熱輸入，以背面水冷卻控制層間溫度的工藝，有效的降低了X12CrNiSi1636不銹鋼的熱裂傾向，獲得可靠的焊接接

28、頭。張青科[12]等人對(duì)奧氏體不銹鋼釬焊母材與釬料界面裂紋形成機(jī)理進(jìn)行了探索。他們?cè)诶勉~硅釬料對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行浸漬以及真空釬焊試驗(yàn)，銀硅、銀鋁釬料進(jìn)行氬弧釬焊試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，母材與釬料界面的裂紋主要有兩方面引起。一方面原因是釬料在母材晶界上擴(kuò)散時(shí)，釬料中的低熔點(diǎn)元素削弱了晶界，另一方面是母材中溫度梯度引起了內(nèi)應(yīng)力，而這兩個(gè)因素可以通過(guò)焊前預(yù)熱減緩冷卻速度、焊后去應(yīng)力退火以及減少熱輸入改善。焊接熱循環(huán)對(duì)雙相不銹鋼焊接接頭微觀組織有很大影響。Wu H C [13]等人通過(guò)研究雙相不銹鋼激光焊焊接過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在焊接熱循環(huán)的峰值溫度與快速冷條件下，雙相不銹鋼組織鐵素體化進(jìn)程加快，促使鐵素體的含量增加，

29、焊接接頭的耐蝕性和沖擊韌度因此降低。為此，為了獲得優(yōu)良的焊縫組織，要將熱輸人量有效地控制在0.5~2.5kJ/cm之間，層間溫度需要小于150℃。 1.4本文的研究?jī)?nèi)容與意義 1.4.1研究?jī)?nèi)容 （1）操作TIG焊、半自動(dòng)MIG焊、手工電弧焊，掌握焊機(jī)的操作方法與要點(diǎn)；設(shè)計(jì)2205雙相不銹鋼多層多道焊試驗(yàn)，制備接頭式樣。 （2）對(duì)2205雙相不銹鋼多層多道焊接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)（硬度）和金相分析。 （3）對(duì)焊接后所得接頭的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。 （4）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析2205雙相不銹鋼多層多道焊接頭組織與力學(xué)性能（硬度）之間的關(guān)系，得出相應(yīng)結(jié)論。 1.4.2研究意義 隨著現(xiàn)

30、代工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)設(shè)備、零件的要求愈發(fā)苛嚴(yán)，一般的不銹鋼耐腐蝕性能不足，無(wú)法滿足對(duì)抗點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕性要求高的設(shè)備。奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的一些特點(diǎn)集中于奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼，其具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，綜合力學(xué)性能良好，并且鎳含量低于奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼的推廣使用將會(huì)對(duì)相對(duì)匱乏的鎳金屬有著積極作用。 雙相不銹鋼在焊接熱循環(huán)過(guò)程中其微觀組織與母材有很大差別，并且最終反映在性能上。本試驗(yàn)以2205雙相不銹鋼為焊接材料，采用應(yīng)用最普遍的焊條電弧焊方法進(jìn)行多層多道焊試驗(yàn)以獲得多層多道焊接頭并進(jìn)行金相制備與性能測(cè)試，通過(guò)觀察微觀組織結(jié)構(gòu)和分析相應(yīng)的力學(xué)性能獲得兩者的關(guān)系，以期為

31、雙相不銹鋼在焊接工程實(shí)際中的應(yīng)用提供一些有價(jià)值的參考。 第二章2205雙相不銹鋼多層多道焊工藝試驗(yàn) 2.1工藝確定 2.1.1焊接材料 本試驗(yàn)所采用的焊接材料為國(guó)產(chǎn)2205雙相不銹鋼，表2.1和2.2分別為它的力學(xué)性能與化學(xué)成分，兩塊試板加工尺寸均為300mmx100mmx10mm。 表2.1 2205雙相不銹鋼的力學(xué)性能 材料 屈服強(qiáng)度Rp/MPa 抗拉強(qiáng)度Rm/MPa 斷后伸長(zhǎng)率A% 顯微硬度 Hv 2205雙相不銹鋼 505 805 38 253 表2.2 2205雙相不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%） C Mn Si P S Cr Ni M

32、o N ≤0.030 ≤ 2.00 ≤1.00 ≤0.030 ≤0.020 22.0~23.0 4.5~6.5 3.0~3.5 0.14~0.20 2.1.2焊接方法 出于焊接質(zhì)量、效率、成本、試驗(yàn)設(shè)備等多方面的考慮，本試驗(yàn)所采用的焊接方法是焊條電弧焊，并且采用多層多道焊工藝。焊機(jī)選用ZX7-400手工電弧焊機(jī)。 2.1.3填充材料 焊條電弧焊焊接雙相不銹鋼時(shí)，采用與母材同質(zhì)的焊條會(huì)使焊縫中鐵素體組織在熱循環(huán)作用下迅速增加，析出氮化物從而破壞接頭性能。選用焊條元素中含促進(jìn)奧氏體化元素多的焊條是解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一。出于這方面考慮，本試驗(yàn)所采用的填充材料為國(guó)產(chǎn)牌號(hào)

33、E2209，直徑φ3.2mm的焊條，其奧氏體化元素Ni較母材多3.5%~4.5%，滿足要求。其具體的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表2.3和2.4。 表2.3 E2209焊條的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%） C Mn P S Si Cr Ni Mo N Cu 0.026 0.90 0.025 0.002 0.90 22.10 10.00 2.84 0.180 0.08 表2.4 E2209熔敷金屬的力學(xué)性能 焊條型號(hào) 抗拉強(qiáng)度Rp/MPa 延伸率A% E2209 ≥620 ≥20 2.1.4坡口形式 本試驗(yàn)中兩塊不銹鋼板采用對(duì)接方式連接，因母材板厚10

34、mm<16mm，故選取單面V型坡口，坡口角度為60，為保證熔透，加工3mm鈍邊，焊接時(shí)根部間隙2mm，圖2.1為坡口示意圖。坡口開(kāi)取、鈍邊加工的設(shè)備為刨邊機(jī)。 圖2.1 2205雙相不銹鋼多層多道焊坡口示意圖 2.1.5工藝參數(shù)及要求 （1）工藝參數(shù) 熔化金屬生成奧氏體組織需要一定時(shí)間，這需要控制焊接過(guò)程中的冷卻速度在一個(gè)合適的范圍。因?yàn)楹附臃椒ㄊ呛笚l電弧焊，焊接過(guò)程中不允許橫向擺動(dòng)焊條以防止焊條過(guò)熱以及單相奧氏體化現(xiàn)象的產(chǎn)生。焊接接頭的相平衡受到焊接過(guò)程中的熱輸入影響。過(guò)高的熱輸入，會(huì)因?yàn)槔鋮s速度太慢而使得氮元素在鐵素體中析出，同時(shí)焊縫與熱影響區(qū)金屬晶粒會(huì)長(zhǎng)大變粗；過(guò)低的熱輸

35、入，會(huì)使組織中鐵素體含量偏高。熱輸入和層間溫度在焊接過(guò)程中需嚴(yán)格的控制，層間溫度不允許超過(guò)150℃，熱輸入要控制在600~2600J/mm，熱輸入計(jì)算公式如下。 熱輸入=（熱效率x焊接電流x焊接電壓）/焊接速度 在正式試驗(yàn)前，經(jīng)過(guò)多次預(yù)試驗(yàn)，通過(guò)判斷焊縫成形質(zhì)量的優(yōu)劣得出最終合適的工藝參數(shù)，見(jiàn)表2.5。焊接順序及焊縫長(zhǎng)度見(jiàn)圖2.2。 表2.5 焊接工藝參數(shù) 焊接參數(shù) 層數(shù) 焊接電壓/V 焊接電流/A 焊接速度mm/s 打底層 19~23 96~103 1.43 第二層 22~28 145~150 3.23 第三層 22~28 145~150

36、 3.51 第四層 22~28 145~150 3.52 圖2.2 焊接順序及焊縫長(zhǎng)度 （2）焊接要求 E2209焊條為堿性焊條，因而在焊接前需要在350℃~400℃保溫一到兩小時(shí)。在施焊之前仔細(xì)檢查兩塊板材坡口及鈍邊表面，不得有分層、夾雜、裂紋等缺陷，同時(shí)用機(jī)械或化學(xué)方法清除焊接板材的內(nèi)外坡口表面及坡口兩側(cè)母材表面20mm區(qū)域內(nèi)容易引起夾雜、氣孔、裂紋等焊接缺陷的氧化物、油污及其它對(duì)焊接有害的物質(zhì)。采用夾具對(duì)兩塊板材進(jìn)行定位夾緊，不得有錯(cuò)邊。在施焊過(guò)程中，焊條不允許做橫向擺動(dòng)。整個(gè)焊縫一共焊四層，每層的厚度控制在2mm左右，為避免析出脆性相，焊接層

37、間溫度需控制在150℃以內(nèi)。每一層焊完后要及時(shí)采用碳弧氣刨清理干凈，每一次在更換焊條繼續(xù)焊接前，要徹底刨掉焊縫弧坑。焊接全部完成后，檢查焊接接頭，選擇一段成性良好，焊縫表面無(wú)氣孔、未融合、咬邊等缺陷的焊縫以作后續(xù)試驗(yàn)用。 2.2試驗(yàn)材料與設(shè)備 2.2.1試驗(yàn)材料 1） 300mmx100mmx10mm2205雙相不銹鋼板材若干，E2209焊條若干； 2） 鑲嵌嵌料； 3） 工業(yè)用無(wú)水乙醇、濃硝酸、濃鹽酸，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司； 4） 拋光用Al2O3拋光粉，南京化學(xué)試劑有限公司； 5） 漏斗、錐形瓶、燒杯、滴管、量筒、醫(yī)用棉花、拋光布、砂紙、鉗子等。 2.2.2試驗(yàn)設(shè)備

38、1） 刨邊機(jī)； 2） ZX7-400焊條電弧焊機(jī)； 3） 碳弧氣刨機(jī)； 4） 線切割機(jī)； 5） 金相鑲嵌機(jī)、金相預(yù)磨、金相拋光機(jī)、金相顯微鏡； 6） 熱風(fēng)機(jī)； 7） HV-1000顯微維氏硬度計(jì)。 1.焊條電弧焊機(jī) 本試驗(yàn)所采用的焊條電弧焊設(shè)備由南京中圣集團(tuán)提供，焊機(jī)型號(hào)為ZX7-400手工電弧焊機(jī)，見(jiàn)圖2.1。 圖2.1 ZX7-400手工電弧焊機(jī) 弧焊電源、焊鉗和焊接電纜是構(gòu)成整個(gè)焊機(jī)的主要部件。焊條電弧焊焊接過(guò)程可以簡(jiǎn)化為：焊條和工件接觸短路產(chǎn)生瞬時(shí)大電流，然后立即迅速提起焊條引燃電弧。焊條藥皮、焊芯金屬及工件被電弧產(chǎn)生的高溫熔化，熔融狀態(tài)的焊芯金屬以熔滴形式過(guò)渡

39、到局部熔化的工件表面并熔合在一起形成熔池，電弧力對(duì)熔池的攪動(dòng)作用促進(jìn)最后焊縫金屬成分均勻。焊條藥皮中含有的氧化物、纖維素等對(duì)電弧有穩(wěn)定作用、造渣造氣、脫氧以及向焊縫中添加合金元素等。 2.碳弧氣刨機(jī)[14] 碳弧氣刨的原理與焊條電弧焊原理類似，只是在碳弧氣刨中碳棒取代了焊條作為電極，其本身并不熔化消耗只會(huì)產(chǎn)生磨損。金屬在被電弧加熱下溶化后，采用壓縮空氣將金屬直接吹掉，它可以直接在金屬上加工出溝槽。其常被用來(lái)清理焊根與坡口開(kāi)取。圖2.2為其工作原理示意圖。 圖2.2 碳弧氣刨工作原理 1.碳棒2.夾頭3.壓縮空氣4.工件5.電弧L.碳棒外伸長(zhǎng)α.氣刨角度 碳弧氣刨機(jī)設(shè)備價(jià)格

40、與等離子弧氣刨機(jī)相比要低很多，其構(gòu)造簡(jiǎn)單操作方便，因使用的壓縮空氣來(lái)源廣泛且成本低而具有經(jīng)濟(jì)性；其與用砂輪或風(fēng)鏟相比，產(chǎn)生的噪音小而效率高，在勞動(dòng)強(qiáng)度方面大大減輕；黑色金屬可以用碳弧氣刨來(lái)加工，銅、鋁、不銹鋼等有色金屬及其合金同樣也可以采用，原因是其工作原理是用高溫熔化而不是利用氧化作用來(lái)刨削金屬；由于碳弧氣刨是通過(guò)壓縮空氣把熔化金屬吹去，對(duì)操作工位沒(méi)有限制可實(shí)現(xiàn)全位置操作；手工碳弧氣刨具有良好的可操作性和靈活性，因而碳弧氣刨可使用在空間狹小工位或者可達(dá)性差的部位。 3.顯微維氏硬度計(jì) 常用的硬度試驗(yàn)類型有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）以及維氏硬度（HV）。三種硬度測(cè)量方法都可測(cè)量焊縫

41、硬度，較常用的是維氏硬度，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)較多且測(cè)量面積較小時(shí)，可以選用顯微維氏硬度來(lái)測(cè)量。HV表示維氏硬度，維氏硬度計(jì)的壓頭是一個(gè)由金剛石制成夾角為136的四棱錐。維氏硬度與布氏硬度試驗(yàn)相類似，但由于維氏硬度是金剛石壓頭硬度很高，不但可用來(lái)檢驗(yàn)質(zhì)軟的材料，而且也可用來(lái)檢驗(yàn)硬度較高的材料。維氏硬度與顯微維氏硬度也類似，但顯微維氏硬度的試驗(yàn)壓力較低僅為0.098~1.96。本實(shí)驗(yàn)所用的硬度計(jì)為HV-1000型顯微硬度儀，見(jiàn)圖2.3。 圖2.3 HV-1000型顯微硬度儀 2.3金相制備與硬度測(cè)定 2.3.1接頭金相試樣制備 對(duì)前面所選取的一段接頭進(jìn)行線切割，具體方法為沿著所垂直焊縫方向以焊縫

42、為中心用線切割截取出一塊長(zhǎng)度為24mm，寬8mm的條形試塊，如圖2.3。 圖2.3焊接接頭試樣切取示意圖 之后將所得試塊清理干凈和打磨平整，將試件待做金相表面與鑲嵌機(jī)內(nèi)絲桿的上表面貼合放置，保持其平面和絲桿上表面相接觸而無(wú)縫隙。用勺子向其中加入適量鑲嵌嵌料，放入壓塊壓緊蓋住，通過(guò)黃色指示燈指示，轉(zhuǎn)動(dòng)旋緊系統(tǒng)施加壓力壓制試樣。加熱大約10分鐘后以后等待試樣冷卻后取出即可。 試樣鑲嵌好以后，先在預(yù)磨機(jī)上將金相試樣表面打磨光滑平整，然后用標(biāo)號(hào)為W50、W20、W10、W5、W3.5的砂紙（砂粒由粗到細(xì)）順序?qū)⒔鹣嘣嚇颖砻娲蚰ブ羷澓鄯较蛞恢虑揖鶆颍枰⒁獾氖谴蚰r(shí)用力要求均勻且回程時(shí)試樣不

43、要與砂紙接觸。在每次換小一號(hào)砂紙時(shí)垂直90度改變一次打磨方向，直至最后打磨出的試樣平整光亮。在試樣打磨完成后，放到拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，拋光時(shí)的方向要與最后一道打磨方向垂直。在拋光時(shí)適時(shí)適量的向拋光布表面滴加Al2O3拋光液，利用拋光粉與拋光面產(chǎn)生的摩擦作用來(lái)達(dá)到磨平拋光面上的劃痕的目的。拋光時(shí)要時(shí)刻注意拋光布的濕潤(rùn)度防止干拋損傷試樣表面。拋光完成后用工業(yè)酒精清洗并烘干待腐蝕。 量取體積比為3:1的濃鹽酸與濃硝酸配制王水，用滴管吸取適量王水滴在試樣表面，腐蝕時(shí)間大約為40s或腐蝕至接頭試樣表面出現(xiàn)明顯的焊縫形狀，腐蝕好的樣品用清水清洗干凈后再在其表面滴加無(wú)水乙醇并烘干，將其放置光學(xué)顯微鏡切片臺(tái)上

44、，調(diào)節(jié)顯微鏡至清晰。如果可以清晰地看到光學(xué)顯微鏡中不銹鋼多層多道焊接頭的晶粒形態(tài)，就能夠采集金相照片以便后期觀察分析。若在光學(xué)顯微鏡觀察下不能明顯觀察到晶粒形態(tài)或觀察到腐蝕過(guò)度，則再重復(fù)拋光和腐蝕操作，腐蝕時(shí)間適當(dāng)增加或減少。 2.3.2接頭顯微維氏硬度測(cè)量 對(duì)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)金相組織照片拍攝的焊接接頭進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)量。取樣方法：在焊接接頭的焊縫截面上，對(duì)四個(gè)焊層的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及母材分別進(jìn)行顯微為氏硬度的測(cè)量。從焊縫下表面開(kāi)始至焊縫上表面，每個(gè)焊層的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)測(cè)量的點(diǎn)分別為2個(gè)，兩點(diǎn)之間距離不得小于0.5mm，一共16組硬度數(shù)據(jù)（圖2.4為焊縫區(qū)測(cè)量點(diǎn)示意圖）母材則一共測(cè)量8組硬

45、度數(shù)據(jù)。最后將三個(gè)區(qū)域得到的數(shù)據(jù)繪制成折線圖。 圖2.4焊縫區(qū)測(cè)量點(diǎn)示意圖 具體操作流程為首先打開(kāi)設(shè)備及相應(yīng)軟件，將待測(cè)試樣放在操作臺(tái)上適當(dāng)位置，通過(guò)低倍鏡找到測(cè)量硬度的合適的大約位置，然后使用高倍鏡確定測(cè)量硬度的具體位置。往儀器中輸入測(cè)量的數(shù)據(jù)，下壓力和下壓時(shí)間分別為100gf和10s，完成后根據(jù)打印的痕跡選取合適的位置計(jì)算硬度并記錄數(shù)據(jù)。完成后選取另外的一個(gè)位置重復(fù)上述步驟操作至試驗(yàn)全部完成。 第三章試驗(yàn)結(jié)果及分析 3.1焊接接頭宏觀形貌 圖3.1為2205雙相不銹鋼多層多道焊對(duì)接焊縫的宏觀形貌，仔細(xì)觀察圖3.1可以看出，正面焊縫成形比較美觀且成形良好，在焊縫中無(wú)

46、裂紋、氣孔、未融合、咬邊和夾雜等缺陷的形成。焊縫表面呈現(xiàn)光亮色，并且形成非常均勻的魚(yú)鱗紋。 圖3.1 焊接接頭的宏觀形貌 圖3.2為線切割后焊接接頭的截面圖，隱約可看出焊縫區(qū)域與母材區(qū)金屬顏色略有不同。經(jīng)過(guò)測(cè)量，可得到焊縫深度為9mm，焊縫寬度為9mm，深寬比為1，背面焊根高度1mm。 圖3.2 焊接接頭的截面圖 3.2接頭金相組織及轉(zhuǎn)化分析 3.1接頭金相組織分析 普通熔焊接頭通常由四個(gè)區(qū)域組成，焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)以及母材。焊接接頭截面通過(guò)拋光腐蝕后可獲得清晰的顯微組織照片。圖3.3~圖3.9是母材、熔合線、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)組織圖。 圖3.3 2205雙相不銹

47、鋼母材顯微組織 圖3.4 熔合線金相組織 從圖3.3可以看出，在50倍金相顯微鏡下，2205雙相不銹鋼母材組織中可以看到，鐵素體相上分布著亮色條塊狀?yuàn)W氏體相，相比例約為1:1。從圖3.4中可以看到，在熔合線兩側(cè)的相組織結(jié)構(gòu)有明顯的差異。母材中和焊縫非邊緣區(qū)鐵素體相和奧氏體相兩相比例相當(dāng)，各占約百分之五十，而奧氏體的量在熔合線附近明顯有所降低。 圖3.5 第四層焊縫金相組織圖 3.6 第三層焊縫金相組織 圖3.7 第二層焊縫金相組織圖 3.8 打底層焊縫金相組織 從圖3.5~3.8可以清晰看到，2205雙相不銹鋼多層多道焊接頭每個(gè)焊層的焊縫

48、中的鐵素體相與奧氏體相呈現(xiàn)不同的分布。在打底焊層、第二層填充焊層、第三層填充焊層、第四層填充焊層的焊縫中鐵素體相的含量依次增加而奧氏體含量依次減少。仔細(xì)觀察四個(gè)焊層的焊縫金相組織可以分析出，焊縫區(qū)奧氏體的形狀發(fā)生改變，從條塊狀組織轉(zhuǎn)變成樹(shù)枝狀的結(jié)構(gòu)。如圖3.5所示，在第四層填充焊層的焊縫中，鐵素體晶界析出了樹(shù)枝狀的奧氏體初生相，含量較少；第三層填充焊縫在第四層焊接時(shí)相當(dāng)于又經(jīng)歷了一次熱循環(huán)，焊縫中鐵素體含量繼續(xù)減少且焊縫組織與第四層填充焊縫組織有明顯差別，次生樹(shù)枝狀的奧氏體在原來(lái)鐵素體相內(nèi)部析出使奧氏體組織在數(shù)量上有所增多，如圖3.6所示；同第三層填充層焊縫類似，第二層填充焊縫總共經(jīng)歷了兩次焊

49、接熱循環(huán)，大量的樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體在次生奧氏體相的基礎(chǔ)上進(jìn)一步析出，數(shù)量較前兩層又多，如圖3.7所示。而打底層一共經(jīng)歷三次焊接熱環(huán)，其產(chǎn)生了最多的奧氏體相，如圖3.8所示。 圖3.9 第四層焊縫熱影響區(qū)金相組織圖 3.10 第三層焊縫熱影響區(qū)金相組織 圖3.11 第二層焊縫熱影響區(qū)金相組織圖 3.12 打底焊縫熱影響區(qū)金相組織 從不同焊層的的熱影響區(qū)金相組織上也可以看出類似的現(xiàn)象，見(jiàn)圖3.9~3.12，少量的樹(shù)枝狀初生奧氏體在第四層填充層熱影響區(qū)中析出。第三層和第二層填充層熱影響區(qū)和焊縫類似，在初生奧氏體相基礎(chǔ)上析出新的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的奧氏體，而在打底層熱影響區(qū)中奧氏體組織的含量達(dá)到

50、最多。從圖3.5和圖3.9對(duì)比來(lái)看即對(duì)比第四層填充焊層焊縫區(qū)域及熱影響區(qū)區(qū)域，可以明顯看出焊縫位置奧氏體的數(shù)量比熱影響區(qū)奧氏體的數(shù)量多許多。由于E2209焊條具有更高含量的奧氏體相穩(wěn)定元素Ni，焊條金屬的熔入使得焊縫中Ni元素的含量高于母材從而促進(jìn)了奧氏體相在焊縫位置的生成，在經(jīng)歷第一次熱循環(huán)的過(guò)程中，焊縫位置就產(chǎn)生了更多的奧氏體組織。 3.2接頭組織轉(zhuǎn)化分析 根據(jù)鎳、鉻當(dāng)量的經(jīng)驗(yàn)公式： Creq=Cr+Mo+1.5Si（%） Nieq=Ni+0.5Mn+30（N+C）（%） 得母材的鉻當(dāng)量為Creq=22.5+3.25+1.5=27.25%；焊接材料的鉻當(dāng)量為Creq= 22.10

51、+2.84+1.5x0.9=26.29%；母材的鎳當(dāng)量Nieq=5+0.5x2+30(0.03+0.17)=12%； 焊接材料的鎳當(dāng)量為Nieq=10+0.5x0.18+30(0.026+0.18)=16.27%；則母材的鉻鎳當(dāng)量比值為[Cr/Ni]eq=27.25/12=2.27；同樣可得焊接材料的鉻鎳當(dāng)量比值為[Cr/Ni]eq=26.29/16.27=1.62。 根據(jù)圖3.13鐵-鉻-鎳三元相圖[15]可以分析，在鐵素體溶解曲線的溫度以上，2205雙相不銹鋼焊縫金屬?gòu)囊合嗬鋮s凝固后都是完全的鐵素體相組織，鐵素體繼續(xù)冷卻達(dá)到一個(gè)較低的溫度時(shí)，一部分鐵素體開(kāi)始轉(zhuǎn)變形成奧氏體從而使組織中共

52、存奧氏體與鐵素體相。 圖3.13 鐵-鉻-鎳三元相圖 由圖3.13可以看出，當(dāng)鉻鎳當(dāng)量比值大于2.0時(shí)，隨[Cr/Ni]eq比值逐漸增大鐵素體向奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度明顯下降，鐵素體相區(qū)域逐漸變大，到一定程度可能會(huì)出現(xiàn)純鐵素體組織。焊條合金元素中存在有較多含量的促進(jìn)奧氏體化元素鎳使該當(dāng)量值得到減小，使轉(zhuǎn)變曲線向左移。根據(jù)3.13圖可知，鐵素體與奧氏體雙相組織在2205雙相不銹鋼焊縫金屬凝固后將會(huì)先析出，范圍較寬的單相鐵素體區(qū)則會(huì)先形成在熔合線附近的焊接熱影響區(qū)中，奧氏體相在其冷卻到更低的溫度后才會(huì)逐漸析出。不斷連續(xù)進(jìn)行的焊接過(guò)程使溫度較高的焊接熱影響區(qū)域在經(jīng)歷了多次的焊接熱循環(huán)后，奧氏體逐

53、漸在鐵素體的邊界上析出。就2205雙相不銹鋼而言，在只進(jìn)行單道焊條電弧焊焊接的情況下熱影響區(qū)獲得的奧氏體相含量相對(duì)較少，如圖3.9。但經(jīng)過(guò)后續(xù)焊道的施焊所產(chǎn)生的熱影響作用，奧氏體相逐漸析出。當(dāng)經(jīng)過(guò)2～3次焊接過(guò)程后，奧氏體相逐漸增加到約50%左右，兩相比例基本上與母材相比例相接近，如圖3.12。 3.2焊接接頭硬度分析 圖3.14為2205雙相不銹鋼焊接接頭的顯微維氏硬度曲線。 圖3.14 焊接接頭顯微維氏硬度曲線圖 從焊接接頭顯微維氏硬度曲線圖可以看出：母材硬度值在253HV左右，與材料供貨商給出的硬度值相近。對(duì)于熱影響區(qū)可以明顯的看出整體硬度曲線呈下降趨勢(shì)，即打底層焊縫硬度值

54、最高有285HV，隨著向第四層焊層方向移動(dòng)硬度值逐漸降低至275HV左右。并且熱影響區(qū)的整體硬度值高于焊縫區(qū)和母材，其可能原因是由于熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中受熱循環(huán)的作用，晶粒過(guò)度長(zhǎng)大變粗、性能變差從而導(dǎo)致硬度值升高；而另一個(gè)原因可能是熱影響區(qū)靠近母材區(qū)和焊縫區(qū)的交界區(qū)域，從圖3.4可以看出其晶粒分布不均勻，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，這種變化容易在焊接過(guò)程中形成焊接殘余應(yīng)力，導(dǎo)致其顯微硬度的升高。而在焊縫區(qū)，硬度曲線呈先上升后下降的形狀，大約在整個(gè)焊縫的中部有一個(gè)硬度值的極大值278HV，這可能是由于此區(qū)域經(jīng)歷多次焊接熱循環(huán)且溫度較高而形成粗大的脆硬σ相，在冷卻后具有魏氏體組織特征，從而使得其顯微維

55、氏硬度值增加。而在焊縫區(qū)的其他區(qū)域，其組織形狀雖然發(fā)生變化但成分中奧氏體和鐵素體兩相比例仍與母材接近，并且晶粒分布較為均勻，其顯微硬度處于270~275HV之間。整體上，焊縫區(qū)的硬度值與熱影響區(qū)一樣呈下降趨勢(shì)，這可能與焊縫區(qū)與熱影響區(qū)中鐵素體相含量的多少有關(guān)。鐵素體組織與純鐵很類似，其含碳量比較低，有良好的塑性和韌性，低的強(qiáng)度和硬度，屬于軟韌相。焊縫區(qū)與熱影響區(qū)中的鐵素體含量從焊縫下表面至上表面逐漸增多，其顯微硬度隨之降低。 第四章 結(jié)論 本課題采用焊條電弧焊對(duì)2205雙相不銹鋼進(jìn)行多層多道焊接，通過(guò)金相制備以及顯微維氏硬度測(cè)量，對(duì)得到的接頭顯微組織結(jié)構(gòu)和顯微維

56、氏硬度值進(jìn)行分析，研究了多層多道焊下2205雙相不銹鋼組織的特征以及其對(duì)接頭性能的影響。 1. 焊接熱循環(huán)對(duì)2205雙相不銹鋼焊接接頭組織成分有顯著影響。經(jīng)過(guò)多次的焊接熱循環(huán)，2205雙相不銹鋼焊接接頭的焊縫區(qū)與熱影響區(qū)中鐵素體含量由打底焊層向填充層方向逐漸增多，奧氏體含量逐漸減少。焊縫區(qū)的奧氏體含量較熱影響區(qū)的奧氏體含量多。在經(jīng)歷焊接熱過(guò)程后，奧氏體組織由原先的條塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧?。?duì)于2205雙相不銹鋼，多層多道焊可以改善焊接接頭性能。 2. 2205雙相不銹鋼焊接接頭組織成分及相比例對(duì)硬度有明顯影響。隨著組織中鐵素體相含量的增加，焊縫及熱影響區(qū)的硬度隨之降低。 3. 焊縫區(qū)中間區(qū)域硬度

57、的升高是否是因?yàn)棣蚁嗟拇嬖谝约敖M織結(jié)構(gòu)的突變是否會(huì)使得接頭硬度升高，這還有待進(jìn)一步研究。 參考文獻(xiàn) [1] 李為衛(wèi).22Cr雙相不銹鋼組織-性能及其焊接技術(shù)研究[D].2007. [2] 宣征南.雙相不銹鋼SAF2205的性能及其應(yīng)用前景[J].中華紙業(yè),2002,23(9). [3] 于曉飛.304,316不銹鋼晶間腐蝕的實(shí)驗(yàn)與理論研究[D].2010. [4] 熊云龍,婁延春,劉新峰. 不銹鋼材料研究的新進(jìn)展[J]. 熱加工工藝,2005,(5). [5] 超易切削不銹鋼"DSR6F"[J].金屬功能材料,2002

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