毕业设计说明书（文）中文摘
锈钢层道焊接头组织研究
文2205双相锈钢焊接材料E2209焊条填充材料采焊条电弧焊方法实施层道焊焊焊接接头进行金相制备硬度值测量然分析焊缝热影响区金相组织接头结构组织进行表征分析焊缝热影响区组织硬度影响试验结果表明焊缝热影响区奥氏体相含量底层填充层方次减少铁素体含量增焊缝区奥氏体含量较热影响区奥氏体含量焊缝热影响区硬度铁素体相含量增加呈降低趋势
关键词：双相锈钢热影响区奥氏体微观组织硬度
毕业设计说明书（文）英文摘
Title Microstructure Research Of Multilayer And Multipass
Welding Of Stainless Steel
The multilayer and multipass 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 hardness 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 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
目 录
前 言 1
第章绪 2
11锈钢概述 2
111锈钢发展 2
112锈钢种类 2
113锈钢特性 3
114锈钢应 4
12锈钢焊接 5
121锈钢焊接性分析 5
121锈钢常焊接方法 6
13锈钢研究进展 7
14文研究容意义 9
141研究容 9
142研究意义 9
第二章2205双相锈钢层道焊工艺试验 10
21工艺确定 10
211焊接材料 10
212焊接方法 10
213填充材料 10
214坡口形式 11
215工艺参数求 11
22试验材料设备 13
221试验材料 13
222试验设备 13
23金相制备硬度测定 15
231接头金相试样制备 15
232接头显微维氏硬度测量 16
第三章试验结果分析 18
31焊接接头宏观形貌 18
32接头金相组织转化分析 19
31接头金相组织分析 19
32接头组织转化分析 22
32焊接接头硬度分析 23
第四章 结 25
参考文献 26
致 谢 27
前 言
20世纪钢铁冶金工业快速发展带动奥氏体—铁素体双相锈钢发展现设备制造业锈钢性求越越苛刻奥氏体—铁素体双相锈钢良综合性备受关注
奥氏体—铁素体双相锈钢应高腐蚀性高压力环境种容器道换热器等设备石油化学造纸食品制药等工业中尤见奥氏体—铁素体双相锈钢常温时具奥氏体铁素体两种组织两种相含量例11选焊条电弧焊焊接双相锈钢时母材焊条成分焊接工艺会影响接头中两相含量两相例越接11接头性越接母材焊接接头中奥氏体铁素体相例通固溶处理工艺控制[1]实际工程应焊接结构件尺寸较通固溶方式改变接头组织相例显现实实际操作程中工程师更倾通优化锈钢焊接工艺控制接头中相含量
2205双相锈钢广锈钢家族中较广知员氮元素加入耐蚀性焊接性优早期双相锈钢时保留良塑性强度击韧性[2]原广泛应工程领域工程钢板板厚时常较厚需层道焊接带焊接热循环焊缝热影响区两相例产生影响进影响接头性必广泛2205双相锈钢层道焊接头组织进行分析研究接头中铁素体奥氏体转化规律接头性影响希焊接工艺规程提供定参考
第章绪
11锈钢概述
111锈钢发展
1912年英国著名冶金科学家Harry Brearly发现铬锈锈钢便种迅猛势快速发展数记载20世纪50年代年全球锈钢产量100万吨世纪末产量已达约1800万吨预计2015年全球锈钢产量创历史新高达4300万吨国正处锈钢生产应高速增长期2001年国锈钢消耗量已排世界第现正年约78速度增长2006年国锈钢产量达世界第
锈钢产量快速增长时锈钢种类元化趋势发展满足领域特殊求年种特殊性锈钢断研发出例超级锈钢镍奥氏体锈钢抗菌锈钢[3]等
112锈钢种类
锈钢发明百年发展已Harry Brearly发明13Cr钢发展现结构成分五系列锈钢五系列锈钢室温组织进行分类分铁素体锈钢奥氏体锈钢马氏体锈钢奥氏体—铁素体双相锈钢沉淀硬化钢现五钢种极发展衍生出含钨铜等更合金元素超级特超级锈钢
铁素体锈钢铬质量分数115~320间般室温组织纯铁素体具良塑性韧性时MoNi元素加入增强耐应力腐蚀性常见铁素体锈钢1Cr25Si21Cr171Cr17Mo奥氏体锈钢高铬钢基础加入Ni元素（含量8~25）形成钢种室温微观组织奥氏体具耐晶间腐蚀性实际生产中常188钢2520钢2535钢采矿石油化学等工业中常见304锈钢188系列钢马氏体锈钢室温组织马氏体含铬量通常11~18具优异高温强度高温抗氧化性定耐蚀性常蒸汽透叶片轴承等常见钢1Cr132Cr133Cr13奥氏体—铁素体双相锈钢室温组织中奥氏体铁素体约占半两相存令耐晶间腐蚀耐应力腐蚀优异性海洋工程石油工业造纸工业等方展拳脚常锈钢SAF2205SAF2507沉淀硬化钢组织中硬化相形成热处理工艺时效强化高强度特性作承高压类零件钢常见沉淀硬化钢马氏体型（00Cr22Ni5Mo3N）半奥氏体型（0Cr17Ni7Al）
113锈钢特性
（1）物理性
锈钢中加入量合金元素物理性普通碳钢差异线膨胀系数电阻率较普通碳钢高热导率较低表11列出种锈钢物理性
表11 种锈钢物理性
钢号
密度ρ（20℃）g·cm3
热容c（0~100℃）J·(g·℃)1
热导率λ（100℃）J·(cm·s·℃)1
线膨胀系数α（0~100℃）μm·（m·℃）1
电阻率μ（20μΩ·（cm2·cm1）
0Cr19Ni10
083
05
015
169
72
0Cr13
775
046
027
108
61
1Cr13
775
046
025
99
57
（2）耐腐蚀性
锈钢良耐蚀性功较高铬镍含量基机理锈钢中Cr元素氧化表面形成致密氧化膜Cr2O3Cr2O3晶粒致密腐蚀性介质具高稳定性锈钢氧化膜破坏时够快重新生成新Cr2O3覆盖表面组织成分合金元素差锈钢腐蚀环境适应性奥氏体锈钢晶间腐蚀具良抗性铁素体锈钢应力腐蚀较强抗性
（3）高温性
锈钢表面形成致密氧化膜提高锈钢温度锈钢高温性表征热稳定性热强性采Cr提高抗氧化性时Cr含量少决定耐氧化性高温度Cr含量122028时应高温度分800℃950℃1150℃
114锈钢应
普通碳钢结构钢暴露海水酸碱盐溶液等腐蚀介质中极易发生腐蚀法承担求性长期处环境海洋设备化学工业设备石油炼制运输储藏设备等需锈钢锈钢种类适领域相应改变3RE60锈钢热交换器冷器2205双相锈钢高压釜含铬25双相锈钢水泵海水热交换器27Cr8NiN含硝酸环境……国家锈钢类致牌号成分方面差异表12国常见锈钢种类应场合
表12 国常见锈钢种类应场合
类型
GB牌号
特性应场合
奥氏体型
0Cr19Ni9
相美国304种锈耐热钢车辆零件锈钢餐具核工业等
00Cr19Ni11
含碳量0Cr19Ni9低耐晶间腐蚀性焊进行热处理
1Cr18Ni9
含碳量0Cr19Ni9高冷加工较高强度建筑装饰材料
0Cr19Ni9N
0Cr19Ni9中加入N元素提高强度降低塑性作结构钢
0Cr19Ni10NbN
0Cr19Ni9中加入NNb元素0Cr19Ni9具相特性途耐晶间腐蚀性较0Cr19Ni9
0Cr18Ni12Mo2Ti
种钢耐酸腐蚀性例H2SO4H3PO4
0Cr18Ni13Si4
0Cr19Ni9中加入NiSi元素提高耐应力腐蚀断裂性常含氯离子环境
0Cr25Ni20
高温抗氧化性强度高耐热钢
马氏体型
0Cr13
碳含量减少1Cr13钢具更高耐蚀性加工成形性
1Cr13
含碳量0Cr13高耐蚀性机加工性良刀具类钢
2Cr13
淬火处理具高硬度耐蚀性作蒸汽透叶片刀具类钢
3Cr13
进步提高硬度耐蚀性拥较高强度常作海水腐蚀设备钢
铁素体型
1Cr17
耐蚀性良锈钢餐具电器零部件装饰材料等
00Cr17
1Cr17钢基础降低含碳量改善焊接性加工性热水器卫生器具等
1Cr17Mo
加入Mo元素切削性1Cr17高抗盐溶液性强汽车外装材料
双相锈钢
0Cr26Ni5Mo2
高硬度抗氧化性耐点蚀性海洋工程材料
0Cr18Ni5Mo3Si2
强度较高耐应力腐蚀性耐海水腐蚀设备水道炼油工业造纸工业等场合
12锈钢焊接
121锈钢焊接性分析
1）奥氏体锈钢焊接性
焊接时晶界生成Cr23C6形成贫铬区[4]长时间停留450~850℃中温区时易出现晶间腐蚀现象奥氏体锈钢热导率线膨胀系数SP等杂质形成易容液膜易容晶存促晶间液膜形成柱状晶焊缝组织奥氏体锈钢热裂纹焊缝凝固裂纹液化裂纹敏感性较高奥氏体相中存铁素体时焊缝650~850℃温度区间长时间停留易析出种脆硬σ相降低塑韧性时增加材料腐蚀敏感性
2）铁素体锈钢焊接性
焊接热影响区900℃温度加热时晶粒长倾Cr含量越高倾越严重Cr含量高15普通纯度铁素体钢焊接时加热475℃附者高温缓冷475℃附会出现475℃脆化脆化倾铬含量增加变Cr含量高21铁素体锈钢焊接时600~800℃温度区间长时间加热时会产生硬脆金属间化合物σ相
3）马氏体锈钢焊接性
含碳量较高马氏体锈钢空冷条件具淬硬性高淬硬性会产生冷裂纹脆化问题焊接含较高铁素体形成元素马氏体锈钢时焊冷速度较快条件焊缝热影响区会生成硬脆高碳马氏体组织锈钢含碳量越高时硬脆倾越碳镍铬存马氏体锈钢焊缝区马氏体组织硬脆焊接拘束度较者氢含量较高易产生冷裂纹
4）奥氏体—铁素体双相锈钢焊接性
奥氏体铁素体组织时存奥氏体—铁素体兼具两种锈钢特性：良塑性韧性导热系数低线膨胀系数等焊接时双相锈钢时间隙固溶体形成元素CN更溶解奥氏体非铁素体锈钢析出碳化物氮化物淬硬倾低导热系数低线膨胀系数效防止焊接时晶粒度生长易产生热裂纹焊接热循环双相锈钢焊接头组织相显著影响
121锈钢常焊接方法
然选择焊接方法时时限具体条件选某种实际情况必须综合考虑质量问题焊接求成焊接动化等素获综合效益目选择焊接方法般说焊接锈钢较理想方法药芯焊丝电弧焊药芯焊丝动送实现焊接程连续生产提高效率减少接头数量实心焊丝电弧焊相药芯焊丝通改变药芯调整合金成分适钢材种类丰富焊接效率高埋弧焊热输入相热输入接头具更性
TIG焊MIG焊焊条电弧焊奥氏体锈钢焊接焊接时需预热采低热输入量奥氏体锈钢底焊时采药芯焊丝焊接免背面充氩气保护工艺注意焊焊缝正背面需清渣普通纯铁素体钢常焊接方法焊条电弧焊MIG焊药芯焊丝电弧焊埋弧焊TIG焊种焊接方法应通控制焊接热输入抑制焊接区铁素体晶粒分长工艺方面层道快速焊接强制冷方法冷焊缝马氏体锈钢通常焊接方法焊条电弧焊MIG焊埋弧焊焊接时控制热输入冷速度奥氏体铁素体双相锈钢电渣焊外熔焊方法适常焊接方法TIG焊条电弧焊焊接时尤注意控制热输入采层道焊改善焊接接头组织性
13锈钢研究进展
冶炼技术断提高锈钢材料研发取进展日特殊钢公司通SUS416马氏体锈钢中加入合金元素铅钼硒研制出DSR6F超易切削锈钢[5]进行切削加工时切屑破碎容易附加工面切削面表面精度高利Cu+Ag+细胞造成破坏[6]原理含Cu含Ag抗菌型锈钢分日著名钢铁公司日新制钢株式会社[7]日川崎钢铁公司[8]研制出含Cu抗菌型锈钢制造基原理含质量分数约05~10Cu锈钢进行特热处理加工工艺锈钢材料表层部均匀析出弥散状ξCu获含Cu抗菌锈钢含Cu型抗菌锈钢钢号NSSAM1NSSAM2NSSAM3NSSAM4等中NSSAM4食品行业餐具抗菌加工性均求严格领域途广泛种含Cu抗菌锈钢段时间原表面析出弥散状ξCu相消耗完时抗菌性会降低表面重新生成含Cu相恢复原抗菌性通简单方法例抛光等达目R系列抗菌锈钢含Ag微细弥散类钢种类钢R304ABR430AB化学成分CCrPMnAgSi等Ag属重金属元素银离子会蛋白质变性含银抗菌型锈钢会破坏细菌细胞膜细菌例肠杆菌藤黄八叠球菌绿脓杆黄色葡萄球菌等均具较高抗菌效果表面受磨损时加工研磨时Ag元素裸露外类钢抗菌效果尤优良
美国Allegheny技术公司[9]开发AL2003节镍型锈钢牌号UNSS3203较低镍含量少许Mo含量海洋工程输送硫轻度含硫油气海底高压道系统国中科院金属研究[10]研制出具优良综合理化性生物相容性铬锰氮型镍奥氏体锈钢锈钢保持单奥氏体组织结构锈钢中加入氮锰两种扩奥氏体化元素通工艺控制氮化物溶入奥氏体相中技术手段采先进真空感应熔炼技术时严格控制氮化物保护气氛保护气氛加入时间t真空炉中成功熔炼出具良品质氮含量达043镍高氮锈钢种钢进行生物相容性试验检测发现性优现床铬镍奥氏体锈钢避免含镍锈钢植入体引发发炎组织细胞破坏等反应医种钢取代现普遍022Cr17Ni12Mo2钢表12铬锰氮型镍奥氏体锈钢具体元素含量
表12 医学镍奥氏体锈钢化学成分（质量分数）
Mn
Cr
C
Mo
N
Ni
Cu
Si
S
P
57
160~175
≤003
15~20
04~06
≤05
≤05
≤01
＜001
＜001
锈钢焊接方面栾江峰[11]等研究焊接性较差X12CrNiSi1636奥氏体耐热锈钢新焊接工艺焊接中采取变电流方式减少热输入背面水冷控制层间温度工艺效降低X12CrNiSi1636锈钢热裂倾获焊接接头张青科[12]等奥氏体锈钢钎焊母材钎料界面裂纹形成机理进行探索利铜硅钎料316L锈钢进行浸渍真空钎焊试验银硅银铝钎料进行氩弧钎焊试验发现母材钎料界面裂纹两方面引起方面原钎料母材晶界扩散时钎料中低熔点元素削弱晶界方面母材中温度梯度引起应力两素通焊前预热减缓冷速度焊应力退火减少热输入改善焊接热循环双相锈钢焊接接头微观组织影响Wu H C [13]等通研究双相锈钢激光焊焊接程发现焊接热循环峰值温度快速冷条件双相锈钢组织铁素体化进程加快促铁素体含量增加焊接接头耐蚀性击韧度降低获优良焊缝组织热输量效控制05~25kJcm间层间温度需150℃
14文研究容意义
141研究容
（1）操作TIG焊半动MIG焊手工电弧焊掌握焊机操作方法点设计2205双相锈钢层道焊试验制备接头式样
（2）2205双相锈钢层道焊接头进行力学性试验（硬度）金相分析
（3）焊接接头组织结构进行表征
（4）试验数进行处理分析2205双相锈钢层道焊接头组织力学性（硬度）间关系出相应结
142研究意义
着现代工业断发展工业设备零件求愈发苛严般锈钢耐腐蚀性足法满足抗点腐蚀应力腐蚀缝隙腐蚀性求高设备奥氏体锈钢铁素体锈钢特点集中奥氏体—铁素体双相锈钢具优良耐腐蚀性综合力学性良镍含量低奥氏体锈钢双相锈钢推广会相匮乏镍金属着积极作
双相锈钢焊接热循环程中微观组织母材差终反映性试验2205双相锈钢焊接材料采应普遍焊条电弧焊方法进行层道焊试验获层道焊接头进行金相制备性测试通观察微观组织结构分析相应力学性获两者关系期双相锈钢焊接工程实际中应提供价值参考
第二章2205双相锈钢层道焊工艺试验
21工艺确定
211焊接材料
试验采焊接材料国产2205双相锈钢表2122分力学性化学成分两块试板加工尺寸均300mmx100mmx10mm
表21 2205双相锈钢力学性
材料
屈服强度RpMPa
抗拉强度RmMPa
断伸长率A
显微硬度
Hv
2205双相锈钢
505
805
38
253
表22 2205双相锈钢化学成分（质量分数）
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Mo
N
≤0030
≤
200
≤100
≤0030
≤0020
220~230
45~65
30~35
014~020
212焊接方法
出焊接质量效率成试验设备等方面考虑试验采焊接方法焊条电弧焊采层道焊工艺焊机选ZX7400手工电弧焊机
213填充材料
焊条电弧焊焊接双相锈钢时采母材质焊条会焊缝中铁素体组织热循环作迅速增加析出氮化物破坏接头性选焊条元素中含促进奥氏体化元素焊条解决问题方法出方面考虑试验采填充材料国产牌号E2209直径φ32mm焊条奥氏体化元素Ni较母材35~45满足求具体化学成分力学性见表2324
表23 E2209焊条化学成分（质量分数）
C
Mn
P
S
Si
Cr
Ni
Mo
N
Cu
0026
090
0025
0002
090
2210
1000
284
0180
008
表24 E2209熔敷金属力学性
焊条型号
抗拉强度RpMPa
延伸率A
E2209
≥620
≥20
214坡口形式
试验中两块锈钢板采接方式连接母材板厚10mm<16mm选取单面V型坡口坡口角度60°保证熔透加工3mm钝边焊接时根部间隙2mm图21坡口示意图坡口开取钝边加工设备刨边机
图21 2205双相锈钢层道焊坡口示意图
215工艺参数求
（1）工艺参数
熔化金属生成奥氏体组织需定时间需控制焊接程中冷速度合适范围焊接方法焊条电弧焊焊接程中允许横摆动焊条防止焊条热单相奥氏体化现象产生焊接接头相衡受焊接程中热输入影响高热输入会冷速度太慢氮元素铁素体中析出时焊缝热影响区金属晶粒会长变粗低热输入会组织中铁素体含量偏高热输入层间温度焊接程中需严格控制层间温度允许超150℃热输入控制600~2600Jmm热输入计算公式
热输入（热效率x焊接电流x焊接电压）焊接速度
正式试验前次预试验通判断焊缝成形质量优劣出终合适工艺参数见表25焊接序焊缝长度见图22
表25 焊接工艺参数
焊接参数
层数
焊接电压V
焊接电流A
焊接速度mms
底层
19~23
96~103
143
第二层
22~28
145~150
323
第三层
22~28
145~150
351
第四层
22~28
145~150
352
图22 焊接序焊缝长度
（2）焊接求
E2209焊条碱性焊条焊接前需350℃~400℃保温两时施焊前仔细检查两块板材坡口钝边表面分层夹杂裂纹等缺陷时机械化学方法清焊接板材外坡口表面坡口两侧母材表面20mm区域容易引起夹杂气孔裂纹等焊接缺陷氧化物油污焊接害物质采夹具两块板材进行定位夹紧错边施焊程中焊条允许做横摆动整焊缝焊四层层厚度控制2mm左右避免析出脆性相焊接层间温度需控制150℃层焊完时采碳弧气刨清理干净次更换焊条继续焊接前彻底刨掉焊缝弧坑焊接全部完成检查焊接接头选择段成性良焊缝表面气孔未融合咬边等缺陷焊缝作续试验
22试验材料设备
221试验材料
1） 300mmx100mmx10mm2205双相锈钢板材干E2209焊条干
2） 镶嵌嵌料
3） 工业水乙醇浓硝酸浓盐酸国药集团化学试剂限公司
4） 抛光Al2O3抛光粉南京化学试剂限公司
5） 漏斗锥形瓶烧杯滴量筒医棉花抛光布砂纸钳子等
222试验设备
1） 刨边机
2） ZX7400焊条电弧焊机
3） 碳弧气刨机
4） 线切割机
5） 金相镶嵌机金相预磨金相抛光机金相显微镜
6） 热风机
7） HV1000显微维氏硬度计
1焊条电弧焊机
试验采焊条电弧焊设备南京中圣集团提供焊机型号ZX7400手工电弧焊机见图21
图21 ZX7400手工电弧焊机
弧焊电源焊钳焊接电缆构成整焊机部件焊条电弧焊焊接程简化：焊条工件接触短路产生瞬时电流然立迅速提起焊条引燃电弧焊条药皮焊芯金属工件电弧产生高温熔化熔融状态焊芯金属熔滴形式渡局部熔化工件表面熔合起形成熔池电弧力熔池搅动作促进焊缝金属成分均匀焊条药皮中含氧化物纤维素等电弧稳定作造渣造气脱氧焊缝中添加合金元素等
2碳弧气刨机[14]
碳弧气刨原理焊条电弧焊原理类似碳弧气刨中碳棒取代焊条作电极身熔化消耗会产生磨损金属电弧加热溶化采压缩空气金属直接吹掉直接金属加工出沟槽常清理焊根坡口开取图22工作原理示意图
图22 碳弧气刨工作原理
1碳棒2夹头3压缩空气4工件5电弧L碳棒外伸长α气刨角度
碳弧气刨机设备价格等离子弧气刨机相低构造简单操作方便压缩空气源广泛成低具济性砂轮风铲相产生噪音效率高劳动强度方面减轻黑色金属碳弧气刨加工铜铝锈钢等色金属合金样采原工作原理高温熔化利氧化作刨削金属碳弧气刨通压缩空气熔化金属吹操作工位没限制实现全位置操作手工碳弧气刨具良操作性灵活性碳弧气刨空间狭工位者达性差部位
3显微维氏硬度计
常硬度试验类型布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）三种硬度测量方法测量焊缝硬度较常维氏硬度测量点较测量面积较时选显微维氏硬度测量HV表示维氏硬度维氏硬度计压头金刚石制成夹角136°四棱锥维氏硬度布氏硬度试验相类似维氏硬度金刚石压头硬度高检验质软材料检验硬度较高材料维氏硬度显微维氏硬度类似显微维氏硬度试验压力较低仅0098~196实验硬度计HV1000型显微硬度仪见图23
图23 HV1000型显微硬度仪
23金相制备硬度测定
231接头金相试样制备
前面选取段接头进行线切割具体方法着垂直焊缝方焊缝中心线切割截取出块长度24mm宽8mm条形试块图23
图23焊接接头试样切取示意图
试块清理干净磨整试件做金相表面镶嵌机丝杆表面贴合放置保持面丝杆表面相接触缝隙勺子中加入适量镶嵌嵌料放入压块压紧盖住通黄色指示灯指示转动旋紧系统施加压力压制试样加热约10分钟等试样冷取出
试样镶嵌先预磨机金相试样表面磨光滑整然标号W50W20W10W5W35砂纸（砂粒粗细）序金相试样表面磨划痕方致均匀需注意磨时力求均匀回程时试样砂纸接触次换号砂纸时垂直90度改变次磨方直磨出试样整光亮试样磨完成放抛光机进行抛光抛光时方道磨方垂直抛光时适时适量抛光布表面滴加Al2O3抛光液利抛光粉抛光面产生摩擦作达磨抛光面划痕目抛光时时刻注意抛光布湿润度防止干抛损伤试样表面抛光完成工业酒精清洗烘干腐蚀
量取体积31浓盐酸浓硝酸配制王水滴吸取适量王水滴试样表面腐蚀时间约40s腐蚀接头试样表面出现明显焊缝形状腐蚀样品清水清洗干净表面滴加水乙醇烘干放置光学显微镜切片台调节显微镜清晰果清晰光学显微镜中锈钢层道焊接头晶粒形态够采集金相片便期观察分析光学显微镜观察明显观察晶粒形态观察腐蚀度重复抛光腐蚀操作腐蚀时间适增加减少
232接头显微维氏硬度测量
已进行金相组织片拍摄焊接接头进行显微维氏硬度测量取样方法：焊接接头焊缝截面四焊层焊缝区热影响区母材分进行显微氏硬度测量焊缝表面开始焊缝表面焊层焊缝区热影响区测量点分2两点间距离05mm16组硬度数（图24焊缝区测量点示意图）母材测量8组硬度数三区域数绘制成折线图
图24焊缝区测量点示意图
具体操作流程首先开设备相应软件测试样放操作台适位置通低倍镜找测量硬度合适约位置然高倍镜确定测量硬度具体位置仪器中输入测量数压力压时间分100gf10s完成根印痕迹选取合适位置计算硬度记录数完成选取外位置重复述步骤操作试验全部完成
第三章试验结果分析
31焊接接头宏观形貌
图312205双相锈钢层道焊接焊缝宏观形貌仔细观察图31出正面焊缝成形较美观成形良焊缝中裂纹气孔未融合咬边夹杂等缺陷形成焊缝表面呈现光亮色形成非常均匀鱼鳞纹
图31 焊接接头宏观形貌
图32线切割焊接接头截面图隐约出焊缝区域母材区金属颜色略测量焊缝深度9mm焊缝宽度9mm深宽1背面焊根高度1mm
图32 焊接接头截面图
32接头金相组织转化分析
31接头金相组织分析
普通熔焊接头通常四区域组成焊缝区熔合线热影响区母材焊接接头截面通抛光腐蚀获清晰显微组织片图33~图39母材熔合线焊缝区热影响区组织图
图33 2205双相锈钢母材显微组织
图34 熔合线金相组织
图33出50倍金相显微镜2205双相锈钢母材组织中铁素体相分布着亮色条块状奥氏体相相例约11图34中熔合线两侧相组织结构明显差异母材中焊缝非边缘区铁素体相奥氏体相两相例相占约百分五十奥氏体量熔合线附明显降低
图35 第四层焊缝金相组织图 36 第三层焊缝金相组织
图37 第二层焊缝金相组织图 38 底层焊缝金相组织
图35~38清晰2205双相锈钢层道焊接头焊层焊缝中铁素体相奥氏体相呈现分布底焊层第二层填充焊层第三层填充焊层第四层填充焊层焊缝中铁素体相含量次增加奥氏体含量次减少仔细观察四焊层焊缝金相组织分析出焊缝区奥氏体形状发生改变条块状组织转变成树枝状结构图35示第四层填充焊层焊缝中铁素体晶界析出树枝状奥氏体初生相含量较少第三层填充焊缝第四层焊接时相历次热循环焊缝中铁素体含量继续减少焊缝组织第四层填充焊缝组织明显差次生树枝状奥氏体原铁素体相部析出奥氏体组织数量增图36示第三层填充层焊缝类似第二层填充焊缝总历两次焊接热循环量树枝状奥氏体次生奥氏体相基础进步析出数量较前两层图37示底层历三次焊接热环产生奥氏体相图38示
图39 第四层焊缝热影响区金相组织图 310 第三层焊缝热影响区金相组织
图311 第二层焊缝热影响区金相组织图 312 底焊缝热影响区金相组织
焊层热影响区金相组织出类似现象见图39~312少量树枝状初生奥氏体第四层填充层热影响区中析出第三层第二层填充层热影响区焊缝类似初生奥氏体相基础析出新树枝状结构奥氏体底层热影响区中奥氏体组织含量达图35图39第四层填充焊层焊缝区域热影响区区域明显出焊缝位置奥氏体数量热影响区奥氏体数量许E2209焊条具更高含量奥氏体相稳定元素Ni焊条金属熔入焊缝中Ni元素含量高母材促进奥氏体相焊缝位置生成历第次热循环程中焊缝位置产生更奥氏体组织
32接头组织转化分析
根镍铬量验公式：
CreqCr+Mo+15Si（）
NieqNi+05Mn+30（N+C）（）
母材铬量Creq225+325+152725焊接材料铬量Creq 2210+284+15x092629母材镍量Nieq5+05x2+30(003+017)12
焊接材料镍量Nieq10+05x018+30(0026+018)1627母材铬镍量值[CrNi]eq272512227样焊接材料铬镍量值[CrNi]eq26291627162
根图313铁铬镍三元相图[15]分析铁素体溶解曲线温度2205双相锈钢焊缝金属液相冷凝固完全铁素体相组织铁素体继续冷达较低温度时部分铁素体开始转变形成奥氏体组织中存奥氏体铁素体相
图313 铁铬镍三元相图
图313出铬镍量值20时[CrNi]eq值逐渐增铁素体奥氏体开始转变温度明显降铁素体相区域逐渐变定程度会出现纯铁素体组织焊条合金元素中存较含量促进奥氏体化元素镍该量值减转变曲线左移根313图知铁素体奥氏体双相组织2205双相锈钢焊缝金属凝固会先析出范围较宽单相铁素体区会先形成熔合线附焊接热影响区中奥氏体相冷更低温度会逐渐析出断连续进行焊接程温度较高焊接热影响区域历次焊接热循环奥氏体逐渐铁素体边界析出2205双相锈钢言进行单道焊条电弧焊焊接情况热影响区获奥氏体相含量相较少图39续焊道施焊产生热影响作奥氏体相逐渐析出2～3次焊接程奥氏体相逐渐增加约50左右两相例基母材相例相接图312
32焊接接头硬度分析
图3142205双相锈钢焊接接头显微维氏硬度曲线
图314 焊接接头显微维氏硬度曲线图
焊接接头显微维氏硬度曲线图出：母材硬度值253HV左右材料供货商出硬度值相热影响区明显出整体硬度曲线呈降趋势底层焊缝硬度值高285HV着第四层焊层方移动硬度值逐渐降低275HV左右热影响区整体硬度值高焊缝区母材原热影响区焊接程中受热循环作晶粒度长变粗性变差导致硬度值升高原热影响区母材区焊缝区交界区域图34出晶粒分布均匀组织结构发生明显变化种变化容易焊接程中形成焊接残余应力导致显微硬度升高焊缝区硬度曲线呈先升降形状约整焊缝中部硬度值极值278HV区域历次焊接热循环温度较高形成粗脆硬σ相冷具魏氏体组织特征显微维氏硬度值增加焊缝区区域组织形状然发生变化成分中奥氏体铁素体两相例母材接晶粒分布较均匀显微硬度处270~275HV间整体焊缝区硬度值热影响区样呈降趋势焊缝区热影响区中铁素体相含量少关铁素体组织纯铁类似含碳量较低良塑性韧性低强度硬度属软韧相焊缝区热影响区中铁素体含量焊缝表面表面逐渐增显微硬度降低
第四章 结
课题采焊条电弧焊2205双相锈钢进行层道焊接通金相制备显微维氏硬度测量接头显微组织结构显微维氏硬度值进行分析研究层道焊2205双相锈钢组织特征接头性影响
1 焊接热循环2205双相锈钢焊接接头组织成分显著影响次焊接热循环2205双相锈钢焊接接头焊缝区热影响区中铁素体含量底焊层填充层方逐渐增奥氏体含量逐渐减少焊缝区奥氏体含量较热影响区奥氏体含量历焊接热程奥氏体组织原先条块状转变针状2205双相锈钢层道焊改善焊接接头性
2 2205双相锈钢焊接接头组织成分相例硬度明显影响着组织中铁素体相含量增加焊缝热影响区硬度降低
3 焊缝区中间区域硬度升高否σ相存组织结构突变否会接头硬度升高进步研究
参考文献
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锈钢层道焊接头组织研究
文2205双相锈钢焊接材料E2209焊条填充材料采焊条电弧焊方法实施层道焊焊焊接接头进行金相制备硬度值测量然分析焊缝热影响区金相组织接头结构组织进行表征分析焊缝热影响区组织硬度影响试验结果表明焊缝热影响区奥氏体相含量底层填充层方次减少铁素体含量增焊缝区奥氏体含量较热影响区奥氏体含量焊缝热影响区硬度铁素体相含量增加呈降低趋势
关键词：双相锈钢热影响区奥氏体微观组织硬度
毕业设计说明书（文）英文摘
Title Microstructure Research Of Multilayer And Multipass
Welding Of Stainless Steel
The multilayer and multipass 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 hardness 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 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
目 录
前 言 1
第章绪 2
11锈钢概述 2
111锈钢发展 2
112锈钢种类 2
113锈钢特性 3
114锈钢应 4
12锈钢焊接 5
121锈钢焊接性分析 5
121锈钢常焊接方法 6
13锈钢研究进展 7
14文研究容意义 9
141研究容 9
142研究意义 9
第二章2205双相锈钢层道焊工艺试验 10
21工艺确定 10
211焊接材料 10
212焊接方法 10
213填充材料 10
214坡口形式 11
215工艺参数求 11
22试验材料设备 13
221试验材料 13
222试验设备 13
23金相制备硬度测定 15
231接头金相试样制备 15
232接头显微维氏硬度测量 16
第三章试验结果分析 18
31焊接接头宏观形貌 18
32接头金相组织转化分析 19
31接头金相组织分析 19
32接头组织转化分析 22
32焊接接头硬度分析 23
第四章 结 25
参考文献 26
致 谢 27
前 言
20世纪钢铁冶金工业快速发展带动奥氏体—铁素体双相锈钢发展现设备制造业锈钢性求越越苛刻奥氏体—铁素体双相锈钢良综合性备受关注
奥氏体—铁素体双相锈钢应高腐蚀性高压力环境种容器道换热器等设备石油化学造纸食品制药等工业中尤见奥氏体—铁素体双相锈钢常温时具奥氏体铁素体两种组织两种相含量例11选焊条电弧焊焊接双相锈钢时母材焊条成分焊接工艺会影响接头中两相含量两相例越接11接头性越接母材焊接接头中奥氏体铁素体相例通固溶处理工艺控制[1]实际工程应焊接结构件尺寸较通固溶方式改变接头组织相例显现实实际操作程中工程师更倾通优化锈钢焊接工艺控制接头中相含量
2205双相锈钢广锈钢家族中较广知员氮元素加入耐蚀性焊接性优早期双相锈钢时保留良塑性强度击韧性[2]原广泛应工程领域工程钢板板厚时常较厚需层道焊接带焊接热循环焊缝热影响区两相例产生影响进影响接头性必广泛2205双相锈钢层道焊接头组织进行分析研究接头中铁素体奥氏体转化规律接头性影响希焊接工艺规程提供定参考
第章绪
11锈钢概述
111锈钢发展
1912年英国著名冶金科学家Harry Brearly发现铬锈锈钢便种迅猛势快速发展数记载20世纪50年代年全球锈钢产量100万吨世纪末产量已达约1800万吨预计2015年全球锈钢产量创历史新高达4300万吨国正处锈钢生产应高速增长期2001年国锈钢消耗量已排世界第现正年约78速度增长2006年国锈钢产量达世界第
锈钢产量快速增长时锈钢种类元化趋势发展满足领域特殊求年种特殊性锈钢断研发出例超级锈钢镍奥氏体锈钢抗菌锈钢[3]等
112锈钢种类
锈钢发明百年发展已Harry Brearly发明13Cr钢发展现结构成分五系列锈钢五系列锈钢室温组织进行分类分铁素体锈钢奥氏体锈钢马氏体锈钢奥氏体—铁素体双相锈钢沉淀硬化钢现五钢种极发展衍生出含钨铜等更合金元素超级特超级锈钢
铁素体锈钢铬质量分数115~320间般室温组织纯铁素体具良塑性韧性时MoNi元素加入增强耐应力腐蚀性常见铁素体锈钢1Cr25Si21Cr171Cr17Mo奥氏体锈钢高铬钢基础加入Ni元素（含量8~25）形成钢种室温微观组织奥氏体具耐晶间腐蚀性实际生产中常188钢2520钢2535钢采矿石油化学等工业中常见304锈钢188系列钢马氏体锈钢室温组织马氏体含铬量通常11~18具优异高温强度高温抗氧化性定耐蚀性常蒸汽透叶片轴承等常见钢1Cr132Cr133Cr13奥氏体—铁素体双相锈钢室温组织中奥氏体铁素体约占半两相存令耐晶间腐蚀耐应力腐蚀优异性海洋工程石油工业造纸工业等方展拳脚常锈钢SAF2205SAF2507沉淀硬化钢组织中硬化相形成热处理工艺时效强化高强度特性作承高压类零件钢常见沉淀硬化钢马氏体型（00Cr22Ni5Mo3N）半奥氏体型（0Cr17Ni7Al）
113锈钢特性
（1）物理性
锈钢中加入量合金元素物理性普通碳钢差异线膨胀系数电阻率较普通碳钢高热导率较低表11列出种锈钢物理性
表11 种锈钢物理性
钢号
密度ρ（20℃）g·cm3
热容c（0~100℃）J·(g·℃)1
热导率λ（100℃）J·(cm·s·℃)1
线膨胀系数α（0~100℃）μm·（m·℃）1
电阻率μ（20μΩ·（cm2·cm1）
0Cr19Ni10
083
05
015
169
72
0Cr13
775
046
027
108
61
1Cr13
775
046
025
99
57
（2）耐腐蚀性
锈钢良耐蚀性功较高铬镍含量基机理锈钢中Cr元素氧化表面形成致密氧化膜Cr2O3Cr2O3晶粒致密腐蚀性介质具高稳定性锈钢氧化膜破坏时够快重新生成新Cr2O3覆盖表面组织成分合金元素差锈钢腐蚀环境适应性奥氏体锈钢晶间腐蚀具良抗性铁素体锈钢应力腐蚀较强抗性
（3）高温性
锈钢表面形成致密氧化膜提高锈钢温度锈钢高温性表征热稳定性热强性采Cr提高抗氧化性时Cr含量少决定耐氧化性高温度Cr含量122028时应高温度分800℃950℃1150℃
114锈钢应
普通碳钢结构钢暴露海水酸碱盐溶液等腐蚀介质中极易发生腐蚀法承担求性长期处环境海洋设备化学工业设备石油炼制运输储藏设备等需锈钢锈钢种类适领域相应改变3RE60锈钢热交换器冷器2205双相锈钢高压釜含铬25双相锈钢水泵海水热交换器27Cr8NiN含硝酸环境……国家锈钢类致牌号成分方面差异表12国常见锈钢种类应场合
表12 国常见锈钢种类应场合
类型
GB牌号
特性应场合
奥氏体型
0Cr19Ni9
相美国304种锈耐热钢车辆零件锈钢餐具核工业等
00Cr19Ni11
含碳量0Cr19Ni9低耐晶间腐蚀性焊进行热处理
1Cr18Ni9
含碳量0Cr19Ni9高冷加工较高强度建筑装饰材料
0Cr19Ni9N
0Cr19Ni9中加入N元素提高强度降低塑性作结构钢
0Cr19Ni10NbN
0Cr19Ni9中加入NNb元素0Cr19Ni9具相特性途耐晶间腐蚀性较0Cr19Ni9
0Cr18Ni12Mo2Ti
种钢耐酸腐蚀性例H2SO4H3PO4
0Cr18Ni13Si4
0Cr19Ni9中加入NiSi元素提高耐应力腐蚀断裂性常含氯离子环境
0Cr25Ni20
高温抗氧化性强度高耐热钢
马氏体型
0Cr13
碳含量减少1Cr13钢具更高耐蚀性加工成形性
1Cr13
含碳量0Cr13高耐蚀性机加工性良刀具类钢
2Cr13
淬火处理具高硬度耐蚀性作蒸汽透叶片刀具类钢
3Cr13
进步提高硬度耐蚀性拥较高强度常作海水腐蚀设备钢
铁素体型
1Cr17
耐蚀性良锈钢餐具电器零部件装饰材料等
00Cr17
1Cr17钢基础降低含碳量改善焊接性加工性热水器卫生器具等
1Cr17Mo
加入Mo元素切削性1Cr17高抗盐溶液性强汽车外装材料
双相锈钢
0Cr26Ni5Mo2
高硬度抗氧化性耐点蚀性海洋工程材料
0Cr18Ni5Mo3Si2
强度较高耐应力腐蚀性耐海水腐蚀设备水道炼油工业造纸工业等场合
12锈钢焊接
121锈钢焊接性分析
1）奥氏体锈钢焊接性
焊接时晶界生成Cr23C6形成贫铬区[4]长时间停留450~850℃中温区时易出现晶间腐蚀现象奥氏体锈钢热导率线膨胀系数SP等杂质形成易容液膜易容晶存促晶间液膜形成柱状晶焊缝组织奥氏体锈钢热裂纹焊缝凝固裂纹液化裂纹敏感性较高奥氏体相中存铁素体时焊缝650~850℃温度区间长时间停留易析出种脆硬σ相降低塑韧性时增加材料腐蚀敏感性
2）铁素体锈钢焊接性
焊接热影响区900℃温度加热时晶粒长倾Cr含量越高倾越严重Cr含量高15普通纯度铁素体钢焊接时加热475℃附者高温缓冷475℃附会出现475℃脆化脆化倾铬含量增加变Cr含量高21铁素体锈钢焊接时600~800℃温度区间长时间加热时会产生硬脆金属间化合物σ相
3）马氏体锈钢焊接性
含碳量较高马氏体锈钢空冷条件具淬硬性高淬硬性会产生冷裂纹脆化问题焊接含较高铁素体形成元素马氏体锈钢时焊冷速度较快条件焊缝热影响区会生成硬脆高碳马氏体组织锈钢含碳量越高时硬脆倾越碳镍铬存马氏体锈钢焊缝区马氏体组织硬脆焊接拘束度较者氢含量较高易产生冷裂纹
4）奥氏体—铁素体双相锈钢焊接性
奥氏体铁素体组织时存奥氏体—铁素体兼具两种锈钢特性：良塑性韧性导热系数低线膨胀系数等焊接时双相锈钢时间隙固溶体形成元素CN更溶解奥氏体非铁素体锈钢析出碳化物氮化物淬硬倾低导热系数低线膨胀系数效防止焊接时晶粒度生长易产生热裂纹焊接热循环双相锈钢焊接头组织相显著影响
121锈钢常焊接方法
然选择焊接方法时时限具体条件选某种实际情况必须综合考虑质量问题焊接求成焊接动化等素获综合效益目选择焊接方法般说焊接锈钢较理想方法药芯焊丝电弧焊药芯焊丝动送实现焊接程连续生产提高效率减少接头数量实心焊丝电弧焊相药芯焊丝通改变药芯调整合金成分适钢材种类丰富焊接效率高埋弧焊热输入相热输入接头具更性
TIG焊MIG焊焊条电弧焊奥氏体锈钢焊接焊接时需预热采低热输入量奥氏体锈钢底焊时采药芯焊丝焊接免背面充氩气保护工艺注意焊焊缝正背面需清渣普通纯铁素体钢常焊接方法焊条电弧焊MIG焊药芯焊丝电弧焊埋弧焊TIG焊种焊接方法应通控制焊接热输入抑制焊接区铁素体晶粒分长工艺方面层道快速焊接强制冷方法冷焊缝马氏体锈钢通常焊接方法焊条电弧焊MIG焊埋弧焊焊接时控制热输入冷速度奥氏体铁素体双相锈钢电渣焊外熔焊方法适常焊接方法TIG焊条电弧焊焊接时尤注意控制热输入采层道焊改善焊接接头组织性
13锈钢研究进展
冶炼技术断提高锈钢材料研发取进展日特殊钢公司通SUS416马氏体锈钢中加入合金元素铅钼硒研制出DSR6F超易切削锈钢[5]进行切削加工时切屑破碎容易附加工面切削面表面精度高利Cu+Ag+细胞造成破坏[6]原理含Cu含Ag抗菌型锈钢分日著名钢铁公司日新制钢株式会社[7]日川崎钢铁公司[8]研制出含Cu抗菌型锈钢制造基原理含质量分数约05~10Cu锈钢进行特热处理加工工艺锈钢材料表层部均匀析出弥散状ξCu获含Cu抗菌锈钢含Cu型抗菌锈钢钢号NSSAM1NSSAM2NSSAM3NSSAM4等中NSSAM4食品行业餐具抗菌加工性均求严格领域途广泛种含Cu抗菌锈钢段时间原表面析出弥散状ξCu相消耗完时抗菌性会降低表面重新生成含Cu相恢复原抗菌性通简单方法例抛光等达目R系列抗菌锈钢含Ag微细弥散类钢种类钢R304ABR430AB化学成分CCrPMnAgSi等Ag属重金属元素银离子会蛋白质变性含银抗菌型锈钢会破坏细菌细胞膜细菌例肠杆菌藤黄八叠球菌绿脓杆黄色葡萄球菌等均具较高抗菌效果表面受磨损时加工研磨时Ag元素裸露外类钢抗菌效果尤优良
美国Allegheny技术公司[9]开发AL2003节镍型锈钢牌号UNSS3203较低镍含量少许Mo含量海洋工程输送硫轻度含硫油气海底高压道系统国中科院金属研究[10]研制出具优良综合理化性生物相容性铬锰氮型镍奥氏体锈钢锈钢保持单奥氏体组织结构锈钢中加入氮锰两种扩奥氏体化元素通工艺控制氮化物溶入奥氏体相中技术手段采先进真空感应熔炼技术时严格控制氮化物保护气氛保护气氛加入时间t真空炉中成功熔炼出具良品质氮含量达043镍高氮锈钢种钢进行生物相容性试验检测发现性优现床铬镍奥氏体锈钢避免含镍锈钢植入体引发发炎组织细胞破坏等反应医种钢取代现普遍022Cr17Ni12Mo2钢表12铬锰氮型镍奥氏体锈钢具体元素含量
表12 医学镍奥氏体锈钢化学成分（质量分数）
Mn
Cr
C
Mo
N
Ni
Cu
Si
S
P
57
160~175
≤003
15~20
04~06
≤05
≤05
≤01
＜001
＜001
锈钢焊接方面栾江峰[11]等研究焊接性较差X12CrNiSi1636奥氏体耐热锈钢新焊接工艺焊接中采取变电流方式减少热输入背面水冷控制层间温度工艺效降低X12CrNiSi1636锈钢热裂倾获焊接接头张青科[12]等奥氏体锈钢钎焊母材钎料界面裂纹形成机理进行探索利铜硅钎料316L锈钢进行浸渍真空钎焊试验银硅银铝钎料进行氩弧钎焊试验发现母材钎料界面裂纹两方面引起方面原钎料母材晶界扩散时钎料中低熔点元素削弱晶界方面母材中温度梯度引起应力两素通焊前预热减缓冷速度焊应力退火减少热输入改善焊接热循环双相锈钢焊接接头微观组织影响Wu H C [13]等通研究双相锈钢激光焊焊接程发现焊接热循环峰值温度快速冷条件双相锈钢组织铁素体化进程加快促铁素体含量增加焊接接头耐蚀性击韧度降低获优良焊缝组织热输量效控制05~25kJcm间层间温度需150℃
14文研究容意义
141研究容
（1）操作TIG焊半动MIG焊手工电弧焊掌握焊机操作方法点设计2205双相锈钢层道焊试验制备接头式样
（2）2205双相锈钢层道焊接头进行力学性试验（硬度）金相分析
（3）焊接接头组织结构进行表征
（4）试验数进行处理分析2205双相锈钢层道焊接头组织力学性（硬度）间关系出相应结
142研究意义
着现代工业断发展工业设备零件求愈发苛严般锈钢耐腐蚀性足法满足抗点腐蚀应力腐蚀缝隙腐蚀性求高设备奥氏体锈钢铁素体锈钢特点集中奥氏体—铁素体双相锈钢具优良耐腐蚀性综合力学性良镍含量低奥氏体锈钢双相锈钢推广会相匮乏镍金属着积极作
双相锈钢焊接热循环程中微观组织母材差终反映性试验2205双相锈钢焊接材料采应普遍焊条电弧焊方法进行层道焊试验获层道焊接头进行金相制备性测试通观察微观组织结构分析相应力学性获两者关系期双相锈钢焊接工程实际中应提供价值参考
第二章2205双相锈钢层道焊工艺试验
21工艺确定
211焊接材料
试验采焊接材料国产2205双相锈钢表2122分力学性化学成分两块试板加工尺寸均300mmx100mmx10mm
表21 2205双相锈钢力学性
材料
屈服强度RpMPa
抗拉强度RmMPa
断伸长率A
显微硬度
Hv
2205双相锈钢
505
805
38
253
表22 2205双相锈钢化学成分（质量分数）
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Mo
N
≤0030
≤
200
≤100
≤0030
≤0020
220~230
45~65
30~35
014~020
212焊接方法
出焊接质量效率成试验设备等方面考虑试验采焊接方法焊条电弧焊采层道焊工艺焊机选ZX7400手工电弧焊机
213填充材料
焊条电弧焊焊接双相锈钢时采母材质焊条会焊缝中铁素体组织热循环作迅速增加析出氮化物破坏接头性选焊条元素中含促进奥氏体化元素焊条解决问题方法出方面考虑试验采填充材料国产牌号E2209直径φ32mm焊条奥氏体化元素Ni较母材35~45满足求具体化学成分力学性见表2324
表23 E2209焊条化学成分（质量分数）
C
Mn
P
S
Si
Cr
Ni
Mo
N
Cu
0026
090
0025
0002
090
2210
1000
284
0180
008
表24 E2209熔敷金属力学性
焊条型号
抗拉强度RpMPa
延伸率A
E2209
≥620
≥20
214坡口形式
试验中两块锈钢板采接方式连接母材板厚10mm<16mm选取单面V型坡口坡口角度60°保证熔透加工3mm钝边焊接时根部间隙2mm图21坡口示意图坡口开取钝边加工设备刨边机
图21 2205双相锈钢层道焊坡口示意图
215工艺参数求
（1）工艺参数
熔化金属生成奥氏体组织需定时间需控制焊接程中冷速度合适范围焊接方法焊条电弧焊焊接程中允许横摆动焊条防止焊条热单相奥氏体化现象产生焊接接头相衡受焊接程中热输入影响高热输入会冷速度太慢氮元素铁素体中析出时焊缝热影响区金属晶粒会长变粗低热输入会组织中铁素体含量偏高热输入层间温度焊接程中需严格控制层间温度允许超150℃热输入控制600~2600Jmm热输入计算公式
热输入（热效率x焊接电流x焊接电压）焊接速度
正式试验前次预试验通判断焊缝成形质量优劣出终合适工艺参数见表25焊接序焊缝长度见图22
表25 焊接工艺参数
焊接参数
层数
焊接电压V
焊接电流A
焊接速度mms
底层
19~23
96~103
143
第二层
22~28
145~150
323
第三层
22~28
145~150
351
第四层
22~28
145~150
352
图22 焊接序焊缝长度
（2）焊接求
E2209焊条碱性焊条焊接前需350℃~400℃保温两时施焊前仔细检查两块板材坡口钝边表面分层夹杂裂纹等缺陷时机械化学方法清焊接板材外坡口表面坡口两侧母材表面20mm区域容易引起夹杂气孔裂纹等焊接缺陷氧化物油污焊接害物质采夹具两块板材进行定位夹紧错边施焊程中焊条允许做横摆动整焊缝焊四层层厚度控制2mm左右避免析出脆性相焊接层间温度需控制150℃层焊完时采碳弧气刨清理干净次更换焊条继续焊接前彻底刨掉焊缝弧坑焊接全部完成检查焊接接头选择段成性良焊缝表面气孔未融合咬边等缺陷焊缝作续试验
22试验材料设备
221试验材料
1） 300mmx100mmx10mm2205双相锈钢板材干E2209焊条干
2） 镶嵌嵌料
3） 工业水乙醇浓硝酸浓盐酸国药集团化学试剂限公司
4） 抛光Al2O3抛光粉南京化学试剂限公司
5） 漏斗锥形瓶烧杯滴量筒医棉花抛光布砂纸钳子等
222试验设备
1） 刨边机
2） ZX7400焊条电弧焊机
3） 碳弧气刨机
4） 线切割机
5） 金相镶嵌机金相预磨金相抛光机金相显微镜
6） 热风机
7） HV1000显微维氏硬度计
1焊条电弧焊机
试验采焊条电弧焊设备南京中圣集团提供焊机型号ZX7400手工电弧焊机见图21
图21 ZX7400手工电弧焊机
弧焊电源焊钳焊接电缆构成整焊机部件焊条电弧焊焊接程简化：焊条工件接触短路产生瞬时电流然立迅速提起焊条引燃电弧焊条药皮焊芯金属工件电弧产生高温熔化熔融状态焊芯金属熔滴形式渡局部熔化工件表面熔合起形成熔池电弧力熔池搅动作促进焊缝金属成分均匀焊条药皮中含氧化物纤维素等电弧稳定作造渣造气脱氧焊缝中添加合金元素等
2碳弧气刨机[14]
碳弧气刨原理焊条电弧焊原理类似碳弧气刨中碳棒取代焊条作电极身熔化消耗会产生磨损金属电弧加热溶化采压缩空气金属直接吹掉直接金属加工出沟槽常清理焊根坡口开取图22工作原理示意图
图22 碳弧气刨工作原理
1碳棒2夹头3压缩空气4工件5电弧L碳棒外伸长α气刨角度
碳弧气刨机设备价格等离子弧气刨机相低构造简单操作方便压缩空气源广泛成低具济性砂轮风铲相产生噪音效率高劳动强度方面减轻黑色金属碳弧气刨加工铜铝锈钢等色金属合金样采原工作原理高温熔化利氧化作刨削金属碳弧气刨通压缩空气熔化金属吹操作工位没限制实现全位置操作手工碳弧气刨具良操作性灵活性碳弧气刨空间狭工位者达性差部位
3显微维氏硬度计
常硬度试验类型布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）三种硬度测量方法测量焊缝硬度较常维氏硬度测量点较测量面积较时选显微维氏硬度测量HV表示维氏硬度维氏硬度计压头金刚石制成夹角136°四棱锥维氏硬度布氏硬度试验相类似维氏硬度金刚石压头硬度高检验质软材料检验硬度较高材料维氏硬度显微维氏硬度类似显微维氏硬度试验压力较低仅0098~196实验硬度计HV1000型显微硬度仪见图23
图23 HV1000型显微硬度仪
23金相制备硬度测定
231接头金相试样制备
前面选取段接头进行线切割具体方法着垂直焊缝方焊缝中心线切割截取出块长度24mm宽8mm条形试块图23
图23焊接接头试样切取示意图
试块清理干净磨整试件做金相表面镶嵌机丝杆表面贴合放置保持面丝杆表面相接触缝隙勺子中加入适量镶嵌嵌料放入压块压紧盖住通黄色指示灯指示转动旋紧系统施加压力压制试样加热约10分钟等试样冷取出
试样镶嵌先预磨机金相试样表面磨光滑整然标号W50W20W10W5W35砂纸（砂粒粗细）序金相试样表面磨划痕方致均匀需注意磨时力求均匀回程时试样砂纸接触次换号砂纸时垂直90度改变次磨方直磨出试样整光亮试样磨完成放抛光机进行抛光抛光时方道磨方垂直抛光时适时适量抛光布表面滴加Al2O3抛光液利抛光粉抛光面产生摩擦作达磨抛光面划痕目抛光时时刻注意抛光布湿润度防止干抛损伤试样表面抛光完成工业酒精清洗烘干腐蚀
量取体积31浓盐酸浓硝酸配制王水滴吸取适量王水滴试样表面腐蚀时间约40s腐蚀接头试样表面出现明显焊缝形状腐蚀样品清水清洗干净表面滴加水乙醇烘干放置光学显微镜切片台调节显微镜清晰果清晰光学显微镜中锈钢层道焊接头晶粒形态够采集金相片便期观察分析光学显微镜观察明显观察晶粒形态观察腐蚀度重复抛光腐蚀操作腐蚀时间适增加减少
232接头显微维氏硬度测量
已进行金相组织片拍摄焊接接头进行显微维氏硬度测量取样方法：焊接接头焊缝截面四焊层焊缝区热影响区母材分进行显微氏硬度测量焊缝表面开始焊缝表面焊层焊缝区热影响区测量点分2两点间距离05mm16组硬度数（图24焊缝区测量点示意图）母材测量8组硬度数三区域数绘制成折线图
图24焊缝区测量点示意图
具体操作流程首先开设备相应软件测试样放操作台适位置通低倍镜找测量硬度合适约位置然高倍镜确定测量硬度具体位置仪器中输入测量数压力压时间分100gf10s完成根印痕迹选取合适位置计算硬度记录数完成选取外位置重复述步骤操作试验全部完成
第三章试验结果分析
31焊接接头宏观形貌
图312205双相锈钢层道焊接焊缝宏观形貌仔细观察图31出正面焊缝成形较美观成形良焊缝中裂纹气孔未融合咬边夹杂等缺陷形成焊缝表面呈现光亮色形成非常均匀鱼鳞纹
图31 焊接接头宏观形貌
图32线切割焊接接头截面图隐约出焊缝区域母材区金属颜色略测量焊缝深度9mm焊缝宽度9mm深宽1背面焊根高度1mm
图32 焊接接头截面图
32接头金相组织转化分析
31接头金相组织分析
普通熔焊接头通常四区域组成焊缝区熔合线热影响区母材焊接接头截面通抛光腐蚀获清晰显微组织片图33~图39母材熔合线焊缝区热影响区组织图
图33 2205双相锈钢母材显微组织
图34 熔合线金相组织
图33出50倍金相显微镜2205双相锈钢母材组织中铁素体相分布着亮色条块状奥氏体相相例约11图34中熔合线两侧相组织结构明显差异母材中焊缝非边缘区铁素体相奥氏体相两相例相占约百分五十奥氏体量熔合线附明显降低
图35 第四层焊缝金相组织图 36 第三层焊缝金相组织
图37 第二层焊缝金相组织图 38 底层焊缝金相组织
图35~38清晰2205双相锈钢层道焊接头焊层焊缝中铁素体相奥氏体相呈现分布底焊层第二层填充焊层第三层填充焊层第四层填充焊层焊缝中铁素体相含量次增加奥氏体含量次减少仔细观察四焊层焊缝金相组织分析出焊缝区奥氏体形状发生改变条块状组织转变成树枝状结构图35示第四层填充焊层焊缝中铁素体晶界析出树枝状奥氏体初生相含量较少第三层填充焊缝第四层焊接时相历次热循环焊缝中铁素体含量继续减少焊缝组织第四层填充焊缝组织明显差次生树枝状奥氏体原铁素体相部析出奥氏体组织数量增图36示第三层填充层焊缝类似第二层填充焊缝总历两次焊接热循环量树枝状奥氏体次生奥氏体相基础进步析出数量较前两层图37示底层历三次焊接热环产生奥氏体相图38示
图39 第四层焊缝热影响区金相组织图 310 第三层焊缝热影响区金相组织
图311 第二层焊缝热影响区金相组织图 312 底焊缝热影响区金相组织
焊层热影响区金相组织出类似现象见图39~312少量树枝状初生奥氏体第四层填充层热影响区中析出第三层第二层填充层热影响区焊缝类似初生奥氏体相基础析出新树枝状结构奥氏体底层热影响区中奥氏体组织含量达图35图39第四层填充焊层焊缝区域热影响区区域明显出焊缝位置奥氏体数量热影响区奥氏体数量许E2209焊条具更高含量奥氏体相稳定元素Ni焊条金属熔入焊缝中Ni元素含量高母材促进奥氏体相焊缝位置生成历第次热循环程中焊缝位置产生更奥氏体组织
32接头组织转化分析
根镍铬量验公式：
CreqCr+Mo+15Si（）
NieqNi+05Mn+30（N+C）（）
母材铬量Creq225+325+152725焊接材料铬量Creq 2210+284+15x092629母材镍量Nieq5+05x2+30(003+017)12
焊接材料镍量Nieq10+05x018+30(0026+018)1627母材铬镍量值[CrNi]eq272512227样焊接材料铬镍量值[CrNi]eq26291627162
根图313铁铬镍三元相图[15]分析铁素体溶解曲线温度2205双相锈钢焊缝金属液相冷凝固完全铁素体相组织铁素体继续冷达较低温度时部分铁素体开始转变形成奥氏体组织中存奥氏体铁素体相
图313 铁铬镍三元相图
图313出铬镍量值20时[CrNi]eq值逐渐增铁素体奥氏体开始转变温度明显降铁素体相区域逐渐变定程度会出现纯铁素体组织焊条合金元素中存较含量促进奥氏体化元素镍该量值减转变曲线左移根313图知铁素体奥氏体双相组织2205双相锈钢焊缝金属凝固会先析出范围较宽单相铁素体区会先形成熔合线附焊接热影响区中奥氏体相冷更低温度会逐渐析出断连续进行焊接程温度较高焊接热影响区域历次焊接热循环奥氏体逐渐铁素体边界析出2205双相锈钢言进行单道焊条电弧焊焊接情况热影响区获奥氏体相含量相较少图39续焊道施焊产生热影响作奥氏体相逐渐析出2～3次焊接程奥氏体相逐渐增加约50左右两相例基母材相例相接图312
32焊接接头硬度分析
图3142205双相锈钢焊接接头显微维氏硬度曲线
图314 焊接接头显微维氏硬度曲线图
焊接接头显微维氏硬度曲线图出：母材硬度值253HV左右材料供货商出硬度值相热影响区明显出整体硬度曲线呈降趋势底层焊缝硬度值高285HV着第四层焊层方移动硬度值逐渐降低275HV左右热影响区整体硬度值高焊缝区母材原热影响区焊接程中受热循环作晶粒度长变粗性变差导致硬度值升高原热影响区母材区焊缝区交界区域图34出晶粒分布均匀组织结构发生明显变化种变化容易焊接程中形成焊接残余应力导致显微硬度升高焊缝区硬度曲线呈先升降形状约整焊缝中部硬度值极值278HV区域历次焊接热循环温度较高形成粗脆硬σ相冷具魏氏体组织特征显微维氏硬度值增加焊缝区区域组织形状然发生变化成分中奥氏体铁素体两相例母材接晶粒分布较均匀显微硬度处270~275HV间整体焊缝区硬度值热影响区样呈降趋势焊缝区热影响区中铁素体相含量少关铁素体组织纯铁类似含碳量较低良塑性韧性低强度硬度属软韧相焊缝区热影响区中铁素体含量焊缝表面表面逐渐增显微硬度降低
第四章 结
课题采焊条电弧焊2205双相锈钢进行层道焊接通金相制备显微维氏硬度测量接头显微组织结构显微维氏硬度值进行分析研究层道焊2205双相锈钢组织特征接头性影响
1 焊接热循环2205双相锈钢焊接接头组织成分显著影响次焊接热循环2205双相锈钢焊接接头焊缝区热影响区中铁素体含量底焊层填充层方逐渐增奥氏体含量逐渐减少焊缝区奥氏体含量较热影响区奥氏体含量历焊接热程奥氏体组织原先条块状转变针状2205双相锈钢层道焊改善焊接接头性
2 2205双相锈钢焊接接头组织成分相例硬度明显影响着组织中铁素体相含量增加焊缝热影响区硬度降低
3 焊缝区中间区域硬度升高否σ相存组织结构突变否会接头硬度升高进步研究
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