焊缝熔敷金属和热输入对双相不锈钢焊接的结构和性能的影响.doc
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1、焊缝熔敷金属和热输入对双相不锈钢焊接的结构和性能的影响摘要:双相不锈钢(DSS)之所以有良好的结合强度和抗腐蚀能力是由于严格控制其成分和微观组织的平衡。双相不锈钢(DSS)中铁素体/奥氏体比率常常与在焊接时焊缝金属的快速冷却率有关。为了实现所需的铁素体/奥氏体平衡和良好属性,焊缝金属的成分和热输入是控制的关键。在当前的工作中,低的焊接热输入,在应用电子束焊和另一个普遍使用焊接即气体保护电弧焊焊接双相不锈钢的过程中,没有镍元素的增加。结果表明,焊缝化学成分对铁素体/奥氏体比率的影响大于冷却速度的影响。甚至是电子束焊被认为是不成熟的在双相不锈钢的焊接过程中,可以设计使用提供填料。# 2003爱思唯
2、尔科学帐面价值保留所有权利。关键词:双相不锈钢 电弧焊 电子束焊 力学性能 热处理1.前言 双相不锈钢的微观组织是由相近比例的铁素体和奥氏体组成,奥氏体和铁素体的有机结合的不锈钢:高的拉伸强度,疲劳强度和良好的韧性使其即使在低温下都具有好的成形性和可焊性,和优秀的抗点蚀和全面腐蚀的耐腐蚀性能1。发现双相不锈钢作为奥氏体不锈钢的替代品使用的越来越多,尤其是有关遇到氯化物和硫化物应力腐蚀开裂的问题,例如,在石油和天然气行业,造纸行业,石化行业。 为了确保双相不锈钢好的属性,保持铁素体/奥氏体的比率1:1是一个关键点。然而,由于在焊接过程中冷却涉及很多焊接热循环,这个比例平衡是很难保证的。这可能导致
3、焊缝金属铁素体含量超过50%。为了维持这个平衡,通常选用含合金元素镍的含量中超过2-4%的基层材料作为焊接填充材料2。铁素体/奥氏体比例也取决于焊接热输入,因为后者控制冷却速度,从而一定程度上影响了铁素体/奥氏体的转变。如果热输入高时,所产生的结果是缓慢的冷却速度而促进转变有利于相的平衡。另一方面,在这种条件下,往往也会促使在焊缝和热影响区产生粗大的晶粒和积累淬硬的金属间化合物3,4。因此,合理的控制焊接工艺使得冷却速度足够缓慢而使充足的奥氏体形成的方法是可取的,但是冷却速度不够快,会防止有害的沉淀物的产生5。实践中,其冷却温度在1200-800(奥氏体形成转变温度)范围之间,也就是建议在4s
4、到15s之间6。 高能量加工技术,如电子束焊接( EBW )是特别适合于在较厚的组件的接头。电子束焊接也有其它优点,如更大生产率,没有污染,有较高的熔宽比,减少了残余应力和变形,并自动化的可能性。然而,有一个严重的缺点,也就是电子束焊接的冷却速度很快,对铁素体/奥氏体比率可能产生不利的影响,在这个焊接过程中没有填充材料,有造成氮损失的可能性7。铁素体含量大于90,已在EB焊接报道过了关于双相不锈钢8。然而,一个可以接受的相平衡仍可能达到,通过使用预置的镍箔5或通过焊后溶液处理,建议激光焊接技术用于双相不锈钢焊接9 。在电子束焊接中快速冷却有利于抑制金属间化合物的析出物的形成。尽管其含有较高的铁
5、素体,但它也被建议使用,因为电子束焊接的焊缝氧含量非常第,会使焊缝金属的韧性良好7 。 在目前的工作中,通过使用镍来代替填料的作用来研究两种焊接金属间化合物。在某些情况下,采用两种焊接过程即气体钨极电弧焊 (GTAW)和电子束焊使焊接热输入不同,因此导致冷却速率的不同。本文研究的内容是焊缝组织金属化学成分和焊接热输入对熔合区机械性能的影响。其目标是双重的:(i)看到这两个因素更大的影响;和(ii)探索采用电子束焊接,仍然获得可接受的可能性铁素/奥氏体比例。2.实验过程 选择的研究材料是5毫米的双相不锈钢,其组成的成分如表1所示。焊接过程使用钨极氩弧焊和电子束焊。为了形成良好的焊缝,钨极氩弧焊两
6、侧都采用传送球,每侧一个,以确保完全渗透。使用镍含量高的焊丝,它预置在V形槽上的适当加工相对的表面。为了达到高的镍含量在电子束焊接熔合区,焊缝金属采用镍富集的填充材料如上所述钨极氩弧焊,然后用电子束焊。该焊接条件:氩弧焊电压为16 V ,电流150 A ,焊接速度100 mm/min(对应的焊接热输入是1440 J/mm) 。电子束焊在下述条件下进行 :加速电压为100Kv,束电流47 mA和行驶速度mm/min (对应的焊接热输入是283 J/mm) 。一些些焊件分别进行的焊后热处理是在在1050 保持30分钟,接着进行淬火处理。为了便于讨论,焊缝金属被指定为表2中给出。 表1 母材和填充材
7、料成分含量,wt%CSiMnPSCrNiMoCuN母材不锈钢填料0.020.331.210.0210.0130.511.510.0170.0122.245.980.00122.928.672.913.14/0.090.130.15焊缝金属的铁素体含量的估算使用扩展的铁素体数( EFN )菲舍尔铁素体测量仪器。金相检验使用光学显微镜和采用两步侵蚀的流程。经机械抛光试样后在含有20g铵的氟化氢铵,0.5g偏亚硫酸氢和100毫升蒸馏水的溶液中侵蚀,使其温度维持在40 ;该试样随后侵蚀在含有17毫升的浓盐酸,83毫升蒸馏水和0.8g亚硫酸氢钾的溶液。薄箔的透射电子显微镜研究,使用高氯酸和乙醇制备的混合
8、液在双发的电解抛光机上进行抛光 。维氏硬度测量是用5公斤负荷进行。简支梁冲击测试,以评估其缺口韧性从焊件中提取试样。槽口分别只取得内焊缝熔合区。冲击测试在室温下和零下 40 两个温度下进行,试样尺寸是(55104 mm3 ) 表2 焊缝名称焊接名称自动钨极氩弧焊氩弧焊镍基填料自动电子束焊电子束镍基再熔化焊AGNG AENE3.结论和讨论 双相不锈钢基础材料获得的冷轧5毫米的片状,其显微组织图如图1所示,揭示了这类材料两相带状的典型结构。在焊接过程中,焊接金属凝固后生成铁素体,进一步冷却部分铁素体转变为奥氏体,如图2所示的Fe-Cr-Ni三元图。这样的转换程度取决于材料的组成和冷却速度。图1 母
9、材金属表面接近等量的光学显微组织 图2 Fe-Cr-Ni三元铁碳相图奥氏体(光蚀刻区)和铁素体(深蚀刻的区域) (虚线表示在移溶线线路氮的影响)3.1 铁素体含量 表3列出了采用磁性的方法的出的各种焊接金属中铁素体含量,也包括用计点法测出的由金相学决定的铁素体百分比。第104期EFN展示的钨极气体保护弧焊AG中,据金相估计铁素体含量为78%。如果使用富含镍的填充材料,钨极气焊焊接表现出铁素体所占的比例大量减少,统计结果为58%(相对比EFN中为74%)。在另外一方面,当钨极气焊和EB焊,焊缝;AG和AE焊缝,在一起相互比较的时候,后者总显示出高的铁素体含量,为86%(EFN为114),显然是由
10、于电子束焊具有更快的冷却速度。然而不同的AG和AE焊,焊缝的差别又并不像AG焊和NG焊那么大。这表明,焊接金属组成物比冷却的速度在控制金属相平衡的时候发挥更重要的作用。当然,造成这样的原因之一是,在NG中额外增加的镍的含量,不仅使热力学平衡向奥氏体部分偏移,而且提高了(奥氏体和铁素体两相区到奥氏体)转变线,这样一来,如同图二中所示,铁素体向奥氏体转变的温度会推向高温。,通过对比气焊和富含镍的电子束焊焊缝AE和NE,这一点得到了更加充分的阐述,他们各自所含的铁素体量为86%和61%。这就意味着,要想进一步使平衡线以及固溶线温度有更大的转变,就要增加额外的镍的含量。另外一个原因造成电子束焊缝中奥氏
11、体含量高于所期望的在快速冷却条件下的含量,是由于与钨极气焊有关的,在电子束焊焊缝中有相当小的,先前存在的铁素体颗粒。因此晶界增多,促进了更了的奥氏体结晶长大。因此很明显,如果有种可以运用于实际的加强镍的方法能够被设计出来的话,在电子束焊接中一种令人满意的铁素体向奥氏体转变平衡就很容易获得。表3 焊缝金属属性焊缝金属名称EFN微观组织铁素体含量维氏硬度(5Kg)载荷/冲击强度韧性缺口/JRT - 40 AG104782657141AG-ST71512237961AE114862657436AE-ST68522268061NG74582837445NG-ST56422358070NE8061276
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