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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施多層多道焊。焊后對焊接接頭進行金相制備及硬度值的測量，然后分析焊縫及熱影響區(qū)金相組織并對所得接頭的結構組織進行表征，最后分析焊縫及熱影響區(qū)組織對硬度的影響。試驗結果表明，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。 關鍵詞：雙相不銹鋼；熱影響區(qū)；奧氏體；微觀組織；硬度 畢業(yè)設計說明書（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不銹鋼的研究進展 7 1.4本文的研究內容與意義 9 1.4.1研究內容 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 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工藝參數及要求 11 2.2試驗材料與設備 13 2.2.1試驗材料 13 2.2.2試驗設備 13 2.3金相制備與硬度測定 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量 16 第三章試驗結果及分析 18 3.1焊接接頭宏觀形貌 18 3.2接頭金相組織及轉化分析 19 3.1接頭金相組織分析 19 3.2接頭組織轉化分析 22 3.2焊接接頭硬度分析 23 第四章 結論 25 參考文獻 26 致 謝 27 17 前 言 20世紀以來，鋼鐵冶金工業(yè)快速發(fā)展，由此帶動了奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼的發(fā)展。

7、現如今，設備制造業(yè)對于不銹鋼的性能要求越來越苛刻，而奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼以其良好的綜合性能備受關注。 奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼被應用于高腐蝕性、高壓力環(huán)境下的各種容器、管道、換熱器等設備，這在石油化學、造紙、食品、制藥等工業(yè)中尤為多見。奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼在常溫下同時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，母材、焊條成分以及焊接工藝都會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固溶處理工藝控制[1]。而在實際工程應用上，焊接結構件的尺寸往往比較大，這使得通過固溶方式改變接頭

8、組織和相比例顯得不現實。在實際操作過程中，工程師更傾向于通過優(yōu)化不銹鋼的焊接工藝來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，同時其仍保留了良好的塑性、強度以及沖擊韌性[2]，這些原因使它廣泛應用在工程領域。在工程上，鋼板板厚時常較厚，需多層多道焊接，而由此所帶來的焊接熱循環(huán)將對焊縫及熱影響區(qū)的兩相比例產生很大影響進而影響接頭性能。為此，有必要對廣泛使用的2205雙相不銹鋼多層多道焊接頭組織進行分析，研究接頭中鐵素體和奧氏體的轉化規(guī)律及其對接頭性能的影響，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年英國著名的冶金科學家Harry Brearly發(fā)現了“鉻不銹”以來，不銹鋼便以一種迅猛之勢快速發(fā)展。有數據記載，20世紀50年代年全球不銹鋼的產量為100多萬噸，而到世紀末，產量已經達到約1800萬噸。據預計，2015年全球不銹鋼產量將創(chuàng)歷史新高，達到4300萬噸。我國正處于不銹鋼生產和應用的高速增長期，在2001年我國對于不銹鋼的消耗量已經排在世界第一，現如今正以每年大約7.8%的速度增長，在2006年我國不銹鋼的產量也達到了世界第一。 在不銹鋼產量快速增長的同時，不銹鋼的種類也在向多元化趨勢發(fā)展。為了滿足不同領域的特殊

10、要求，近年來各種有特殊性能的不銹鋼被不斷研發(fā)出來，例如超級不銹鋼、無鎳奧氏體不銹鋼、抗菌不銹鋼[3]等。 1.1.2不銹鋼的種類 不銹鋼經發(fā)明以來，經過百年的發(fā)展，已經從Harry Brearly發(fā)明的13%Cr鋼發(fā)展到現如今不同結構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、特超級不銹鋼。 鐵素體不銹鋼鉻的質量分數在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Mo、Ni

11、元素的加入增強了它的耐應力腐蝕性能。常見的鐵素體不銹鋼有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。實際生產中常用的有18-8鋼、25-20鋼和25-35鋼，在采礦、石油、化學等工業(yè)中常見的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)異的高溫強度、高溫抗氧化性以及一定的耐蝕性，因而經常用于蒸汽透平葉片、軸承等。其常見的鋼有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約

12、占一半，兩相的存在令其既耐晶間腐蝕又耐應力腐蝕。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，熱處理工藝為時效強化，因其高強度的特性而可用作承高壓類零件用鋼。常見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。其線膨脹系數和電阻率較普通碳鋼高而熱導率較低。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 密度ρ（20℃）

13、/gcm-3 比熱容c（0~100℃）/J(g℃)-1 熱導率λ（100℃）/J(cms℃)-1 線膨脹系數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晶粒致密且對腐蝕性介質具有很高的穩(wěn)定性。而

14、當不銹鋼氧化膜被破壞時，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，不同的不銹鋼對腐蝕環(huán)境的適應性也不同，奧氏體不銹鋼對晶間腐蝕具有良好的抗性而鐵素體不銹鋼對應力腐蝕有較強抗性。 （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)定性與熱強性。在只采用Cr來提高抗氧化性能時，Cr含量的多少決定了耐氧化性的最高溫度。當Cr含量為12%、20%和28%時對應的最高溫度分別為為800℃、950℃和1150℃。 1.1.4不銹鋼的應用 普通碳鋼、結構鋼暴露在海水、酸堿鹽溶液等腐蝕介質中極易發(fā)生腐蝕而無法

15、承擔要求的使用性能，因而長期處在這些環(huán)境下的海洋設備、化學工業(yè)設備、石油煉制運輸儲藏設備等都需要使用到不銹鋼。而不銹鋼的種類不同，其所適用的領域也相應改變。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……在不同國家，不銹鋼的類別是一致的，在牌號和成分方面有所差異，表1.2為我國常見不銹鋼的種類及應用場合。 表1.2 我國常見不銹鋼的種類及應用場合 類型 GB牌號 特性與應用場合 奧氏體型 0Cr19Ni9 相當于美國的304，是一種不銹耐熱鋼，可用于車輛零件、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，焊后可不進行熱處理。 1Cr18Ni9 含碳量比0Cr19Ni9高，在冷加工下有較高強度，可用于建筑裝飾材料。 0Cr19Ni9N 0Cr19Ni9中加入N元素，提高了強度而不降低塑性，可用作結構用鋼。 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、機加工性能良好，用于刀具類用鋼。 2Cr13 在經過淬火處理后，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 進一步提高硬度與耐蝕性，且擁有較高的強度，常用作海水腐蝕設備用鋼。 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，可用于汽車外裝材料。 雙相不銹鋼 0Cr26Ni5Mo2 高硬度、抗氧化性能好、耐點蝕性能好，可用于海洋工程材料。 0Cr18Ni5Mo3Si2 強度較高，耐應力腐蝕性能好，多用于耐海水腐蝕設備如水下管道，煉油工業(yè)、造紙工業(yè)等場合。 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，由于在晶界生成Cr23C6形成貧鉻區(qū)[4]，當長時間停留在450~850℃中溫區(qū)時易出現晶間腐蝕現象。由于奧氏體不

19、銹鋼小的熱導率和大的線膨脹系數，S、P等雜質形成易容液膜，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。當奧氏體相中存在有鐵素體時，焊縫在650~850℃溫度區(qū)間長時間停留易析出一種脆硬的σ相，降低塑韌性的同時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℃以上溫度加熱時晶粒有長大傾向，當Cr含量越高，傾向越嚴重。在Cr含量高于15%的普通純度鐵素體鋼焊接時，在加熱至475℃附近或者從高溫緩冷至475℃附近，會出現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，600~800℃溫度區(qū)間長時間加熱時會產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。高的淬硬性將會產生冷裂紋與脆化問題。當在焊接含有較高鐵素體形成元素的馬氏體不銹鋼時，焊后在冷卻速度較快條件下，焊縫及熱影響區(qū)會生成硬脆的高碳馬氏體組織，當不銹鋼的含碳量越高時，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。當焊接拘束度較大或者氫含量較高，易產生冷裂紋。 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、、大的導熱系數、低的線膨脹系數等。在焊接時雙相不銹鋼時，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；大的導熱系數及低的線膨脹系數有效的防止了焊接時晶粒的過度生長而不易產生熱裂紋。焊接熱循環(huán)對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，有時限于具體條件可能只選用某一種，但在實際情況下必須綜合考慮到質量問題、焊接要求、成本及焊接自動化等因素，從而以獲得最大的綜合效益為目的來選擇焊接方法。一般來說，焊接不銹鋼較為理想的方法是藥芯焊絲電弧焊。藥芯焊絲的自動送給實現了焊接過程的連續(xù)生產提高了效率且減少了接

22、頭數量，與實心焊絲電弧焊相比，藥芯焊絲可通過改變藥芯來調整合金成分，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，在焊接時無需預熱并且采用低的熱輸入量。奧氏體不銹鋼打底焊時采用藥芯焊絲焊接，可以免去背面充氬氣保護的工藝，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，都應通過控制焊接熱輸入抑制焊接區(qū)鐵素體晶粒的過分長大。在工藝方面可使用多層多道快速焊接，并且使用強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，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TIG和焊條電弧焊。在焊接時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不銹鋼的研究進展 冶煉技術的不斷提高使不銹鋼材料的研發(fā)取得了很大的進展。日本特殊鋼公司通過往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]。在進行切削加工時，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+可對細胞造成破壞[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社[7]和日本川崎鋼鐵公司[8]研制出來。含Cu抗菌型不銹鋼制造的基本原理是對含有質量分數約0.5%~1.0%Cu的不銹鋼進行特別的熱處理加工工藝使不銹鋼從材料表層到內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有NSSAM1、NSSAM2、NSSAM3、NSSAM4等。其中NSSAM4在食品行業(yè)、餐具及其他對抗菌和加工性能均要求嚴格的領域用途及其廣泛。這種含Cu的抗菌不銹鋼其在使用一段時間后，原本表面析出的彌散狀ξ-Cu相消耗完時抗菌性能會大大降低。為了在表面重新生成含Cu相，恢復原來的抗菌性能，可以通過簡

25、單的方法例如拋光等來達到目的。R系列抗菌不銹鋼是含Ag微細彌散的一類鋼種，此類鋼主要有R304-AB、R430-AB，主要化學成分為C、Cr、P、Mn、Ag、Si等。Ag屬于重金屬元素，銀離子會使蛋白質變性，因而含銀抗菌型不銹鋼會破壞細菌的細胞膜，從而對一些細菌例如大腸桿菌、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。當其表面受磨損時和經過加工研磨時，Ag元素裸露在外，這類鋼的抗菌效果尤為優(yōu)良。 美國Allegheny技術公司[9]開發(fā)了AL2003節(jié)鎳型不銹鋼，牌號為UNSS3203。較低的鎳含量和少許的Mo含量使其多用于海洋工程，如輸送無硫或輕度含硫油氣的海底高壓管道系統(tǒng)。

26、在我國，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鎳奧氏體不銹鋼。為了使不銹鋼保持單一的奧氏體組織結構，他們在不銹鋼中加入了氮和錳兩種擴大奧氏體化元素，通過工藝控制使氮化物溶入奧氏體相中。其主要技術手段是在采用先進的真空感應熔煉技術的同時嚴格控制氮化物的保護氣氛與保護氣氛的加入時間t，從而在真空爐中成功地熔煉出具有良好品質的氮含量達到0.43%以上的無鎳高氮不銹鋼。對此種鋼進行生物相容性試驗檢測，發(fā)現其性能優(yōu)于現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)炎和組織細胞破壞等反應，在醫(yī)用上這種鋼將來有望取代現在普遍使用的022Cr17Ni

27、12Mo2鋼。表1.2為鉻錳氮型無鎳奧氏體不銹鋼具體的元素含量。 表1.2 醫(yī)學用無鎳奧氏體不銹鋼的化學成分（質量分數%） 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。他們在焊接中采取變電流的方式減少熱輸入，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]等人對奧氏體不銹鋼釬焊母材與釬料界面裂紋形成機理進行了探索。他們在利用銅硅釬料對316L不銹鋼進行浸漬以及真空釬焊試驗，銀硅、銀鋁釬料進行氬弧釬焊試驗后發(fā)現，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散時，釬料中的低熔點元素削弱了晶界，另一方面是母材中溫度梯度引起了內應力，而這兩個因素可以通過焊前預熱減緩冷卻速度、焊后去應力退火以及減少熱輸入改善。焊接熱循環(huán)對雙相不銹鋼焊接接頭微觀組織有很大影響。Wu H C [13]等人通過研究雙相不銹鋼激光焊焊接過程，發(fā)現在焊接熱循環(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本文的研究內容與意義 1.4.1研究內容 （1）操作TIG焊、半自動MIG焊、手工電弧焊，掌握焊機的操作方法與要點；設計2205雙相不銹鋼多層多道焊試驗，制備接頭式樣。 （2）對2205雙相不銹鋼多層多道焊接頭進行力學性能試驗（硬度）和金相分析。 （3）對焊接后所得接頭的組織結構進行表征。 （4）對試驗數據進行處理，分析2205雙相不銹鋼多層多道焊接頭組織與力學性能（硬度）之間的關系，得出相應結論。 1.4.2研究意義 隨著現

30、代工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)設備、零件的要求愈發(fā)苛嚴，一般的不銹鋼耐腐蝕性能不足，無法滿足對抗點腐蝕、應力腐蝕和縫隙腐蝕性要求高的設備。奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的一些特點集中于奧氏體—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對相對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。本試驗以2205雙相不銹鋼為焊接材料，采用應用最普遍的焊條電弧焊方法進行多層多道焊試驗以獲得多層多道焊接頭并進行金相制備與性能測試，通過觀察微觀組織結構和分析相應的力學性能獲得兩者的關系，以期為

31、雙相不銹鋼在焊接工程實際中的應用提供一些有價值的參考。 第二章2205雙相不銹鋼多層多道焊工藝試驗 2.1工藝確定 2.1.1焊接材料 本試驗所采用的焊接材料為國產2205雙相不銹鋼，表2.1和2.2分別為它的力學性能與化學成分，兩塊試板加工尺寸均為300mmx100mmx10mm。 表2.1 2205雙相不銹鋼的力學性能 材料 屈服強度Rp/MPa 抗拉強度Rm/MPa 斷后伸長率A% 顯微硬度 Hv 2205雙相不銹鋼 505 805 38 253 表2.2 2205雙相不銹鋼的化學成分（質量分數%） 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 出于焊接質量、效率、成本、試驗設備等多方面的考慮，本試驗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。焊機選用ZX7-400手工電弧焊機。 2.1.3填充材料 焊條電弧焊焊接雙相不銹鋼時，采用與母材同質的焊條會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奧氏體化元素多的焊條是解決這個問題的方法之一。出于這方面考慮，本試驗所采用的填充材料為國產牌號

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。其具體的化學成分及力學性能見表2.3和2.4。 表2.3 E2209焊條的化學成分（質量分數%） 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熔敷金屬的力學性能 焊條型號 抗拉強度Rp/MPa 延伸率A% E2209 ≥620 ≥20 2.1.4坡口形式 本試驗中兩塊不銹鋼板采用對接方式連接，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，焊接時根部間隙2mm，圖2.1為坡口示意圖。坡口開取、鈍邊加工的設備為刨邊機。 圖2.1 2205雙相不銹鋼多層多道焊坡口示意圖 2.1.5工藝參數及要求 （1）工藝參數 熔化金屬生成奧氏體組織需要一定時間，這需要控制焊接過程中的冷卻速度在一個合適的范圍。因為焊接方法是焊條電弧焊，焊接過程中不允許橫向擺動焊條以防止焊條過熱以及單相奧氏體化現象的產生。焊接接頭的相平衡受到焊接過程中的熱輸入影響。過高的熱輸入，會因為冷卻速度太慢而使得氮元素在鐵素體中析出，同時焊縫與熱影響區(qū)金屬晶粒會長大變粗；過低的熱輸

35、入，會使組織中鐵素體含量偏高。熱輸入和層間溫度在焊接過程中需嚴格的控制，層間溫度不允許超過150℃，熱輸入要控制在600~2600J/mm，熱輸入計算公式如下。 熱輸入=（熱效率x焊接電流x焊接電壓）/焊接速度 在正式試驗前，經過多次預試驗，通過判斷焊縫成形質量的優(yōu)劣得出最終合適的工藝參數，見表2.5。焊接順序及焊縫長度見圖2.2。 表2.5 焊接工藝參數 焊接參數 層數 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。在施焊之前仔細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，同時用機械或化學方法清除焊接板材的內外坡口表面及坡口兩側母材表面20mm區(qū)域內容易引起夾雜、氣孔、裂紋等焊接缺陷的氧化物、油污及其它對焊接有害的物質。采用夾具對兩塊板材進行定位夾緊，不得有錯邊。在施焊過程中，焊條不允許做橫向擺動。整個焊縫一共焊四層，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。每一層焊完后要及時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，焊縫表面無氣孔、未融合、咬邊等缺陷的焊縫以作后續(xù)試驗用。 2.2試驗材料與設備 2.2.1試驗材料 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)用無水乙醇、濃硝酸、濃鹽酸，國藥集團化學試劑有限公司； 4） 拋光用Al2O3拋光粉，南京化學試劑有限公司； 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試驗設備

38、1） 刨邊機； 2） ZX7-400焊條電弧焊機； 3） 碳弧氣刨機； 4） 線切割機； 5） 金相鑲嵌機、金相預磨、金相拋光機、金相顯微鏡； 6） 熱風機； 7） HV-1000顯微維氏硬度計。 1.焊條電弧焊機 本試驗所采用的焊條電弧焊設備由南京中圣集團提供，焊機型號為ZX7-400手工電弧焊機，見圖2.1。 圖2.1 ZX7-400手工電弧焊機 弧焊電源、焊鉗和焊接電纜是構成整個焊機的主要部件。焊條電弧焊焊接過程可以簡化為：焊條和工件接觸短路產生瞬時大電流，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生的高溫熔化，熔融狀態(tài)的焊芯金屬以熔滴形式過渡

39、到局部熔化的工件表面并熔合在一起形成熔池，電弧力對熔池的攪動作用促進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[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產生磨損。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。其常被用來清理焊根與坡口開取。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α.氣刨角度 碳弧氣刨機設備價格

40、與等離子弧氣刨機相比要低很多，其構造簡單操作方便，因使用的壓縮空氣來源廣泛且成本低而具有經濟性；其與用砂輪或風鏟相比，產生的噪音小而效率高，在勞動強度方面大大減輕；黑色金屬可以用碳弧氣刨來加工，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刨削金屬；由于碳弧氣刨是通過壓縮空氣把熔化金屬吹去，對操作工位沒有限制可實現全位置操作；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性差的部位。 3.顯微維氏硬度計 常用的硬度試驗類型有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）以及維氏硬度（HV）。三種硬度測量方法都可測量焊縫

41、硬度，較常用的是維氏硬度，當測量點較多且測量面積較小時，可以選用顯微維氏硬度來測量。HV表示維氏硬度，維氏硬度計的壓頭是一個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，不但可用來檢驗質軟的材料，而且也可用來檢驗硬度較高的材料。維氏硬度與顯微維氏硬度也類似，但顯微維氏硬度的試驗壓力較低僅為0.098~1.96。本實驗所用的硬度計為HV-1000型顯微硬度儀，見圖2.3。 圖2.3 HV-1000型顯微硬度儀 2.3金相制備與硬度測定 2.3.1接頭金相試樣制備 對前面所選取的一段接頭進行線切割，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內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，通過黃色指示燈指示，轉動旋緊系統(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，先在預磨機上將金相試樣表面打磨光滑平整，然后用標號為W50、W20、W10、W5、W3.5的砂紙（砂粒由粗到細）順序將金相試樣表面打磨至劃痕方向一致且均勻，需要注意的是打磨時用力要求均勻且回程時試樣不

43、要與砂紙接觸。在每次換小一號砂紙時垂直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，放到拋光機上進行拋光，拋光時的方向要與最后一道打磨方向垂直。在拋光時適時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生的摩擦作用來達到磨平拋光面上的劃痕的目的。拋光時要時刻注意拋光布的濕潤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，腐蝕時間大約為40s或腐蝕至接頭試樣表面出現明顯的焊縫形狀，腐蝕好的樣品用清水清洗干凈后再在其表面滴加無水乙醇并烘干，將其放置光學顯微鏡切片臺上

44、，調節(jié)顯微鏡至清晰。如果可以清晰地看到光學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)或觀察到腐蝕過度，則再重復拋光和腐蝕操作，腐蝕時間適當增加或減少。 2.3.2接頭顯微維氏硬度測量 對已經進行過金相組織照片拍攝的焊接接頭進行顯微維氏硬度測量。取樣方法：在焊接接頭的焊縫截面上，對四個焊層的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及母材分別進行顯微為氏硬度的測量。從焊縫下表面開始至焊縫上表面，每個焊層的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)測量的點分別為2個，兩點之間距離不得小于0.5mm，一共16組硬度數據（圖2.4為焊縫區(qū)測量點示意圖）母材則一共測量8組硬

45、度數據。最后將三個區(qū)域得到的數據繪制成折線圖。 圖2.4焊縫區(qū)測量點示意圖 具體操作流程為首先打開設備及相應軟件，將待測試樣放在操作臺上適當位置，通過低倍鏡找到測量硬度的合適的大約位置，然后使用高倍鏡確定測量硬度的具體位置。往儀器中輸入測量的數據，下壓力和下壓時間分別為100gf和10s，完成后根據打印的痕跡選取合適的位置計算硬度并記錄數據。完成后選取另外的一個位置重復上述步驟操作至試驗全部完成。 第三章試驗結果及分析 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接焊縫的宏觀形貌，仔細觀察圖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

46、裂紋、氣孔、未融合、咬邊和夾雜等缺陷的形成。焊縫表面呈現光亮色，并且形成非常均勻的魚鱗紋。 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。經過測量，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接頭金相組織及轉化分析 3.1接頭金相組織分析 普通熔焊接頭通常由四個區(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奧氏體相，相比例約為1:1。從圖3.4中可以看到，在熔合線兩側的相組織結構有明顯的差異。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，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焊層的焊縫

48、中的鐵素體相與奧氏體相呈現不同的分布。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。仔細觀察四個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，從條塊狀組織轉變成樹枝狀的結構。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相當于又經歷了一次熱循環(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，次生樹枝狀的奧氏體在原來鐵素體相內部析出使奧氏體組織在數量上有所增多，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歷了兩次焊

49、接熱循環(huán)，大量的樹枝狀奧氏體在次生奧氏體相的基礎上進一步析出，數量較前兩層又多，如圖3.7所示。而打底層一共經歷三次焊接熱環(huán)，其產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象，見圖3.9~3.12，少量的樹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上析出新的樹枝狀結構的奧氏體，而在打底層熱影響區(qū)中奧氏體組織的含量達到

50、最多。從圖3.5和圖3.9對比來看即對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量比熱影響區(qū)奧氏體的數量多許多。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了奧氏體相在焊縫位置的生成，在經歷第一次熱循環(huán)的過程中，焊縫位置就產生了更多的奧氏體組織。 3.2接頭組織轉化分析 根據鎳、鉻當量的經驗公式： Creq=Cr+Mo+1.5Si（%） Nieq=Ni+0.5Mn+30（N+C）（%） 得母材的鉻當量為Creq=22.5+3.25+1.5=27.25%；焊接材料的鉻當量為Creq= 22.10

51、+2.84+1.5x0.9=26.29%；母材的鎳當量Nieq=5+0.5x2+30(0.03+0.17)=12%； 焊接材料的鎳當量為Nieq=10+0.5x0.18+30(0.026+0.18)=16.27%；則母材的鉻鎳當量比值為[Cr/Ni]eq=27.25/12=2.27；同樣可得焊接材料的鉻鎳當量比值為[Cr/Ni]eq=26.29/16.27=1.62。 根據圖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從液相冷卻凝固后都是完全的鐵素體相組織，鐵素體繼續(xù)冷卻達到一個較低的溫度時，一部分鐵素體開始轉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，當鉻鎳當量比值大于2.0時，隨[Cr/Ni]eq比值逐漸增大鐵素體向奧氏體開始轉變溫度明顯下降，鐵素體相區(qū)域逐漸變大，到一定程度可能會出現純鐵素體組織。焊條合金元素中存在有較多含量的促進奧氏體化元素鎳使該當量值得到減小，使轉變曲線向左移。根據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先析出，范圍較寬的單相鐵素體區(qū)則會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逐漸析出。不斷連續(xù)進行的焊接過程使溫度較高的焊接熱影響區(qū)域在經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較少，如圖3.9。但經過后續(xù)焊道的施焊所產生的熱影響作用，奧氏體相逐漸析出。當經過2～3次焊接過程后，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。對于熱影響區(qū)可以明顯的看出整體硬度曲線呈下降趨勢，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)在焊接過程中受熱循環(huán)的作用，晶粒過度長大變粗、性能變差從而導致硬度值升高；而另一個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，組織結構發(fā)生明顯的變化，這種變化容易在焊接過程中形成焊接殘余應力，導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，大約在整個焊縫的中部有一個硬度值的極大值278HV，這可能是由于此區(qū)域經歷多次焊接熱循環(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，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。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 結論 本課題采用焊條電弧焊對2205雙相不銹鋼進行多層多道焊接，通過金相制備以及顯微維氏硬度測量，對得到的接頭顯微組織結構和顯微維

56、氏硬度值進行分析，研究了多層多道焊下2205雙相不銹鋼組織的特征以及其對接頭性能的影響。 1. 焊接熱循環(huán)對2205雙相不銹鋼焊接接頭組織成分有顯著影響。經過多次的焊接熱循環(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。在經歷焊接熱過程后，奧氏體組織由原先的條塊狀轉變?yōu)獒槧?。對?205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、的升高是否是因為σ相的存在以及組織結構的突變是否會使得接頭硬度升高，這還有待進一步研究。 參考文獻 [1] 李為衛(wèi).22Cr雙相不銹鋼組織-性能及其焊接技術研究[D].2007. [2] 宣征南.雙相不銹鋼SAF2205的性能及其應用前景[J].中華紙業(yè),2002,23(9). [3] 于曉飛.304,316不銹鋼晶間腐蝕的實驗與理論研究[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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