畢業(yè)論文--鐵素體—奧氏體異種鋼接頭界面組織及力學(xué)性能

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　英文摘要II</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的及意義1<

2、/p><p>　　1.2 鐵素體與奧氏體不銹鋼鋼簡介1</p><p>　　1.2.1 鐵素體不銹鋼鋼簡介1</p><p>　　1.2.2奧氏體不銹鋼簡介2</p><p>　　1.3 鐵素體與奧氏體不銹鋼的發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.1 國外鐵素體與奧氏體不銹鋼的發(fā)展簡史3</p>

3、<p>　　1.3.2 國內(nèi)鐵素體與奧氏體不銹鋼的發(fā)展簡史4</p><p>　　1.3.3 鐵素體奧氏體等不銹鋼材料今后的發(fā)展趨勢6</p><p>　　2 不銹鋼的焊接性能與工藝8</p><p>　　2.1 不銹鋼的焊接工藝8</p><p>　　2.1.1 手工焊（MMA）8</p><p>

4、;　　2.1.2 常見焊接缺陷類型產(chǎn)生原因與防止措施9</p><p>　　2.2 奧氏體不銹鋼的焊接性能分析12</p><p>　　2.2.1 焊接接頭的晶間腐蝕問題12</p><p>　　2.2.2 焊接接頭的刀狀腐蝕13</p><p>　　2.2.3 應(yīng)力腐蝕開裂問題14</p><p>　　2.

5、2.4 焊接接頭的熱裂紋問題14</p><p>　　2.3 鐵素體不銹鋼焊接性能分析15</p><p>　　2.3.1 鐵素體不銹鋼的焊接性15</p><p>　　2.3.2 鐵素體不銹鋼的焊接工藝特點16</p><p>　　2.4 鐵素體與奧氏體異種鋼對焊性能分析17</p><p>　　2.5 焊

6、接接頭的組織與性能19</p><p>　　2.5.1 熔池凝固與焊縫金屬的固態(tài)相變19</p><p>　　2.5.2 焊接熔合區(qū)的特征21</p><p>　　2.5.3 焊接熱影響區(qū)21</p><p>　　3 實驗過程與實驗結(jié)果分析22</p><p>　　3.1 焊接材料和焊接方法的選擇22<

7、;/p><p>　　3.2 實驗過程及結(jié)果分析24</p><p>　　3.2.1 金相組織觀察試驗24</p><p>　　3.2.2 顯微硬度實驗27</p><p><b>　　4 結(jié)論30</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p&g

8、t;<p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p>　　鐵素體—奧氏體異種鋼接頭界面組織及力學(xué)性能</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　伴隨著現(xiàn)代社會生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對材料的性能要求越來越高，碳素鋼已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需要。而不銹鋼材料具有良好的抗腐蝕性能和耐久性，使產(chǎn)品安

9、全可靠，結(jié)實耐久，具有極佳的應(yīng)用和研究前景。目前，鐵素體與奧氏體作為不銹鋼材料普遍地被應(yīng)用于生產(chǎn)制造中，這類鋼具有屈服強度高、抗腐蝕性能好、優(yōu)良的可焊接性能等諸多優(yōu)點，所以通過分析研究鐵素體—奧氏體異種鋼焊接接頭狀況，分析接頭失效原因，提高接頭服役壽命具有十分重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　本文研究的是以鐵素體與奧氏體不銹鋼為母材，在完善的焊接工藝的前提下進(jìn)行平板對焊。然后分別對截取的焊接試樣做金相組織觀察

10、、硬度測試、金屬力學(xué)拉伸等實驗。通過觀察金相組織情況，對比分析實驗數(shù)據(jù)，得出改善接頭組織性能的最佳方案，是本實驗研究的主要目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞 鐵素體/奧氏體/異種鋼焊接/界面組織/力學(xué)性能</p><p>　　FERRITIC AND AUSTENITIC DISSIMILAR STEEL</p><p>　　JOINTS INTERFACE MI

11、CROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTICE</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the rapid development of modern social production, We need the properties of materials more and more inc

12、reasingly high, carbon steel has been unable to meet the needs of production. While stainless steel has good corrosion resistance and durability, so that the product is safe and reliable, strong and durable, and has exce

13、llent application and research prospect. At present, the ferrite and austenite stainless steel material is widely used in manufacturing, this kind of steel has high yield </p><p>　　This study is to take Ferr

14、itic and austenitic stainless steel as a base material, to improve the welding process is carried out under the premise of plate butt welding. And then the interception of welding specimen microstructure observation, har

15、dness test, tensile test of metal. Through the observation of microstructure, contrast analysis of the experimental data, the improvement of microstructure and properties of welded joint of the best solution,is the main

16、purpose of this experimental study</p><p>　　KEY WORDS Ferritic,Austenitic,dissimilar steel welding,interface microstructure,mechanical properties</p><p><b>　　1 緒論</b></p><

17、;p>　　1.1 課題研究的目的及意義</p><p>　　目前碳素鋼在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用很常見，但是伴隨時間的推移我們發(fā)現(xiàn)它的缺點也很明顯，例如抗腐蝕性差、耐久性不足等。而不銹鋼[1]則能很好的改善這些缺陷，由于其優(yōu)越的性能目前越來越多應(yīng)用于現(xiàn)代社會生產(chǎn)中。這類剛的優(yōu)點很多，如屈服強度較高，抗晶間腐蝕的能力較高，應(yīng)力腐蝕的敏感性低，焊接時產(chǎn)生熱裂紋的傾向小，鑄造流動性好等等。它還具有高強度，很高的抗腐蝕性能和

18、能量吸收性能，優(yōu)良的抗沖刷腐蝕性和耐疲勞性以及優(yōu)良的可焊接性能。因此，目前普遍應(yīng)用于熱交換器和鍋爐，大型儲藏罐，海面作業(yè)平臺的防爆墻，紙漿和造紙工業(yè)使用的蒸煮器，化學(xué)制品運輸船中的貨艙，海水淡化設(shè)備，煙氣凈化，海水處理設(shè)備等。然而不銹鋼在使用中不可避免的出現(xiàn)異種鋼焊接情況，本文就著重研究分析的是鐵素體—奧氏體異種鋼焊接接頭[2]問題。</p><p>　　鐵素體—奧氏體異種鋼焊接接頭的失效問題已成為熱動力工程急需

19、解決的問題之一，近年來的研究普遍認(rèn)為鐵素體剛側(cè)熔合區(qū)和熱影響區(qū)是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。本實驗通過在母材、焊接工藝合理的前提下，對焊縫試樣進(jìn)行金相圖分析、測試維氏硬度、金屬力學(xué)拉伸等實驗步驟對比分析材料在焊后組織變化及力學(xué)性能情況，探討分析可能影響接頭失效的原因，以此來提高接頭的服役壽命。</p><p>　　1.2 鐵素體與奧氏體不銹鋼鋼簡介</p><p>　　1.2.1 鐵素體不銹鋼鋼簡介&

20、lt;/p><p>　　它是在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼。所謂的鐵素體（ferrite，縮寫：FN，用F表示）即α-Fe和以它為基礎(chǔ)的固溶體，具有體心立方點陣。亞共析成分的奧氏體通過先共析析出形成鐵素體。這部分鐵素體稱為先共析鐵素體或組織上自由的鐵素體。隨形成條件不同，共析鐵素體具有不同形態(tài)，如等軸形、沿晶形、紡錘形、鋸齒形和針狀等。鐵素體還是珠光體組織的基體。在碳鋼和低合金鋼的熱軋（正火）和退火組織中，鐵素

21、體是主要組成相；鐵素體的成分和組織對鋼的工藝性能有重要影響，在某些場合下對鋼的使用性能也有影響。 </p><p>　　碳溶入δ-Fe中形成間隙固溶體，呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，因存在的溫度較高，故稱高溫鐵素體或δ固溶體，用δ表示，存在的范圍小，一般很少見到。 碳溶入α-Fe中形成間隙固溶體，呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為鐵素體或α固溶體，用α或F表示，α常用在相圖標(biāo)注中，F(xiàn)在行文中常用。室溫下的鐵素體的機械性能和純鐵相近。

22、它的物理性質(zhì)如下：抗拉強度180～280MN/平方米，屈服強度100～170MN/平方米，延伸率30～50％斷面收縮率70～80％，沖擊韌性160～200J/平方厘米，硬度HB 50～80。由此可見，鐵素體的強度、硬度不高，但具有良好的塑性與韌性。</p><p>　　鐵素體不銹鋼含鉻量在11%～30%之間，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)。這類鋼一般不含鎳，有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等元素，這類鋼具導(dǎo)熱系數(shù)大，膨脹系

23、數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點，多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。這類鋼存在塑性差、焊后塑性和耐蝕性明顯降低等缺點，因而限制了它的應(yīng)用。爐外精煉技術(shù)（AOD或VOD）的應(yīng)用可使碳、氮等間隙元素大大降低，因此使這類鋼獲得廣泛應(yīng)用。這類剛的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：電子電器、五金沖壓件、彈簧彈片、墊膜片、精密零部件、配件、波紋管、密封件、蝕刻件廚房設(shè)備、洗滌槽（SINK）一般拉伸材（表面要求高）煤氣灶表面要求高電冰箱（冰柜內(nèi)

24、膽）電器用具、洗衣機、烘干機、微波爐、裝飾管、構(gòu)造管（工業(yè)用）、排管用、建筑材料、MIRROR（鏡面材）、再研磨、電梯建筑內(nèi)外裝飾材、窗戶、門材、化學(xué)設(shè)備、熱交換器、鍋爐、罐、化學(xué)工業(yè)爐、特殊用途、運輸設(shè)備、集裝箱、鐵道、車輛、汽車工業(yè)、水工業(yè)、建筑業(yè)、家電業(yè)、環(huán)保工業(yè)、工業(yè)設(shè)施等。它常見的牌號主要有Cr17、Cr17Mo2Ti、Cr25、Cr25Mo3Ti、Cr28等，美國牌號有430、439、443、409</p>&

25、lt;p>　　1.2.2 奧氏體不銹鋼簡介</p><p>　　奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。所謂的奧氏體既是碳溶解在γ鐵中形成的一種間隙固溶體，呈面心立方結(jié)構(gòu)，無磁性。奧氏體是一般鋼在高溫下的組織，其存在有一定的溫度和成分范圍。有些淬火鋼能使部分奧氏體保留到室溫，這種奧氏體稱殘留奧氏體。在合金鋼中除碳之外，其他合金元素也可溶于奧氏體中，并擴大或縮小奧氏體穩(wěn)定區(qū)的溫度和成分范圍。</

26、p><p>　　奧氏體具有一定的特性，例如比容：在鋼的各種組織中，奧氏體的比容最小。膨脹：奧氏體的線膨脹系數(shù)比鐵素體和滲碳體的平均線膨脹系數(shù)高出約一倍。故也可被用來制作要求膨脹靈敏的元件。導(dǎo)熱性：除滲碳體外，奧氏體的導(dǎo)熱性最差。為避免熱應(yīng)力引起的工件變形，不可采用過大的加熱速度加熱。它還具有較高的塑性、低的屈服強度，容易塑性變形加工成型等力學(xué)性能。奧氏體的硬度一般是170～220HBS，延長率為40%～50%。<

27、;/p><p>　　1.3 鐵素體與奧氏體不銹鋼的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 國外鐵素體與奧氏體不銹鋼的發(fā)展簡史</p><p>　　不銹鋼作為現(xiàn)代工業(yè)中一種重要的材料，已有一百多年的歷史。因不銹鋼具有高強度、可焊接性、抗腐蝕性、易加工性和表面具有光澤性等許多優(yōu)異的特性，在宇航、化工、汽車、食品機械、醫(yī)藥、儀器儀表、能源等工業(yè)及建筑裝飾方面得到廣泛而重要的

28、應(yīng)用。但隨著石油化工工業(yè)、軍事工業(yè)及海洋開發(fā)的迅速發(fā)展。以不銹鋼為基體的傳動軸、嚙合件或動配合件經(jīng)常會因為不銹鋼質(zhì)軟不耐磨、表面強度低、摩擦系數(shù)大等因素發(fā)生咬合或粘滯現(xiàn)象[3]。為了提高不銹鋼的耐磨性，許多學(xué)者在不銹鋼表面進(jìn)行了各種處理和強化研究，如利用化學(xué)鍍在不銹鋼表面沉積耐磨鍍層，能提高產(chǎn)品表面硬度，并保證產(chǎn)品的耐腐蝕性能。</p><p>　　20世紀(jì)初，冶金學(xué)家基于對鉻在鋼中作用的深入認(rèn)識，發(fā)明了不銹鋼，

29、結(jié)束了鋼必然生銹的時代。從不銹鋼的發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用大約經(jīng)歷了十年1904～1906年法國人Guillet首先對Fe-Cr-Ni合金的冶金和力學(xué)性能[4]進(jìn)行了開創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究；1907～1911年，法國人Portevin和英國人Gissen發(fā)現(xiàn)了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni合金的耐蝕性并完成了Guillet的研究工作；1908～1911年德國人Monnartz 揭示了鋼的耐蝕性原理并提出了鈍化[5]的概念，如臨界鉻含量，碳的作用和鉬的影響

30、等。隨后，在歐洲和美國，鋼的不銹性的實用價值被確認(rèn)，工業(yè)不銹鋼牌號相繼問世。1912～1914年，Brearley發(fā)明了含12～13%Cr的馬氏體不銹鋼并獲得專利；1911～1914年，美國人Dant-sizen發(fā)明了含14～16%Cr，0.07%～0.15%C的鐵素體不銹鋼；德國人Maurer和Strauss發(fā)明含1.0％C，15～20%Cr，<20%Ni的奧氏體不銹鋼，此后，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了著名的18—8型不銹鋼（0.1%C-

31、18％Cr-8％Ni）。在實際應(yīng)用中，高碳奧氏體不銹鋼出現(xiàn)了嚴(yán)</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)鐵素體與奧氏體不銹鋼的發(fā)展簡史</p><p>　　我國不銹鋼生產(chǎn)起步較晚，工業(yè)化生產(chǎn)開始于1952年。用電弧爐大量生產(chǎn)不銹鋼系在1949年以后，早期先生產(chǎn)Cr13型馬氏體不銹鋼，掌握生產(chǎn)技術(shù)后，大量生產(chǎn)18—8型Cr-Ni奧氏體鋼，例如1Cr18Ni9Ti，則始于1952年。隨后，為適應(yīng)國

32、內(nèi)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的需要，又開始生產(chǎn)含Mo2%～3%的1Cr18Ni12Mo2Ti和1Cr18Ni12Mo3Ti等。為了節(jié)約貴重元素鎳，自1959年起開始仿制以Mn、N代Ni的1Cr17Mn6Ni5N和1Cr18Mn8Ni5N，1958年向AISI 204鋼中加入Mo2%～3%，研制了1Cr18Mn10Ni5Mo3N（204+Mo），用于全循環(huán)法尿素生產(chǎn)裝置以代替1Cr18Ni12Mo2Ti。50年代末到60年代初，開始工業(yè)試制1Cr17T

33、i、1Cr17Mo2Ti和1Cr25Mo3Ti等無鎳鐵素體不銹鋼，并開始研究耐發(fā)煙硝酸腐蝕的高硅不銹鋼1Cr17Ni14Si4ALTi（相當(dāng)于蘇聯(lián)牌號ЭИ654)，此鋼種實際上是一種α+γ雙相不銹鋼。60年代開始，由于國內(nèi)化工、航天、航空、原子能等工業(yè)發(fā)展的需要以及采用電爐氧氣煉鋼技術(shù)，一大批新鋼種，如17-4PH，1</p><p>　　1.3.3 鐵素體奧氏體等不銹鋼材料今后的發(fā)展趨勢</p>

34、<p>　　為了挖掘不銹鋼的潛能，找出與其他元素之間的最佳配合，研究人員對不銹鋼材料的研究也在不斷的深入，今后的研究主要可從以下幾個方面入手。</p><p>　　（1）凈化和細(xì)晶或超細(xì)晶研究 在冶金行業(yè)，對材料純凈化的研究不斷加深，提出了潔凈鋼和零夾雜鋼的概念。把不銹鋼材料的生產(chǎn)與冶煉技術(shù)結(jié)合起來，純凈、超純凈不銹鋼的研究必將得到很好的發(fā)展。同時可細(xì)化材料晶粒，改變材料的微觀特性和結(jié)構(gòu)，使材料獲得在正

35、常狀態(tài)下不具有的特殊性能，拓展材料的使用空間</p><p>　?。?）高耐蝕性不銹鋼 化工原料的運輸和儲藏具有較大困難，主要是因為化工原料有很強的腐蝕性，一般的材料不具有高的耐蝕性能。研究適應(yīng)各種特殊行業(yè)（海水凈化裝置、化工廠、沿海氯化鈉腐蝕嚴(yán)重的建筑等）要求，具有良好耐腐蝕性能的不銹鋼材料成為當(dāng)務(wù)之急</p><p>　?。?）節(jié)鎳不銹鋼 隨著不銹鋼產(chǎn)量的增加，鎳的需求量不斷擴大，近期

36、將出現(xiàn)鎳供應(yīng)短缺的局面。在不降低其原有性能的情況下，降低不銹鋼中鎳的比例或采用其他元素替代鎳，是一種切實可行的辦法，在今后仍將受到重視和得到發(fā)展。如在高錳低鎳200系列不銹鋼中加入銅的研究就是一種</p><p>　?。?）高強度不銹鋼 隨著某些大型部件的發(fā)展和對構(gòu)件輕量化的要求，對材料強度的要求也不斷提高。把合金化，特別是微合金化和高純度、高均勻性精煉、鑄造技術(shù)和超細(xì)組織控制技術(shù)等結(jié)合起來發(fā)展良好強韌性、耐蝕性

37、和工藝性結(jié)合的新材料是高強度不銹鋼今后發(fā)展的主要方向</p><p>　　（5）耐熱[8～9]和抗氧化不銹鋼 對宇宙的探索不斷深入，促進(jìn)了航天和航空業(yè)的發(fā)展。由于航空和航天行業(yè)的特殊要求，需要能經(jīng)受高溫高熱的材料。對不銹鋼材料進(jìn)行耐熱和抗氧化的研究是一個重要的方向，可拓展材料的應(yīng)用，促進(jìn)材料的發(fā)展。</p><p>　　2 不銹鋼的焊接性能與工藝</p><p>　

38、　2.1 不銹鋼的焊接工藝</p><p>　　不銹鋼最常用的焊接方法是手工焊（MMA），其次是金屬極氣體保護(hù)焊（MIG/MAG）和鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）。</p><p>　?。?）通常焊前準(zhǔn)備：</p><p>　?、?4mm以下的厚度不用開破口，直接焊接，單面一次焊透</p><p>　?、?4到6mm厚度對接焊縫可采用不開破口接

39、頭雙面焊</p><p>　　③ 6mm以上，一般開V或U，X形坡口</p><p>　　其次：對焊件，填充焊絲進(jìn)行除油和去氧化皮。以保證焊接質(zhì)量</p><p>　?。?）焊接參數(shù)[10～12]：包括焊接電流，鎢極直徑，弧長，電弧電壓，焊接速度，保護(hù)氣流，噴嘴直徑等。</p><p>　?、?焊接電流是決定焊縫成形的關(guān)鍵因素。通常根據(jù)焊件材

40、料，厚度，及坡口形狀來決定的</p><p>　?、?焊弧和電弧電壓，弧長范圍約0.5到3mm，對應(yīng)的電弧電壓為8～10V</p><p>　　③ 焊極直徑根據(jù)焊接電流大小決定，電流越大，直徑也越大</p><p>　?、?焊速：選擇時要考慮到電流大小，焊件材料敏感度，焊接位置及操作方式等因素決定</p><p>　　由于本實驗主要采用的是手

41、工焊，所以接下來主要介紹手工焊及焊接要點和注意事項。</p><p>　　2.1.1 手工焊（MMA）</p><p>　　手工焊是一種非常普遍的、易于使用的焊接方法。電弧的長度靠人的手進(jìn)行調(diào)節(jié)，它決定于電焊條和工件之間縫隙的大小。同時，當(dāng)作為電弧載體時，電焊條也是焊縫填充材料。</p><p>　　這種焊接方法很簡單，可以用來焊接幾乎所有材料。對于室外使用，它有很

42、好的適應(yīng)性，即使在水下使用也沒問題。在電極焊中，電弧長度決定于人的手：當(dāng)你改變電極與工件的縫隙時，也就改變了電弧的長度，在大多數(shù)情況下，焊接采用直流電，電極既作為電弧載體，同時也作為焊縫填充材料。電極由合金或非合金金屬芯絲和焊條藥皮組成，這層藥皮保護(hù)焊縫不受空氣的侵害，同時穩(wěn)定電弧，它還引起渣層的形成，保護(hù)焊縫使它成型。電焊條既可以是鈦型焊條，也可以是堿性的，這決定于藥皮的厚度和成分。鈦型焊條易于焊接，焊縫扁平美觀，且焊渣易于去除。如果

43、焊條貯存時間長，必須重新烘烤，因為來自空氣的潮氣會很快在焊條中積聚。</p><p>　　不銹鋼藥芯焊絲焊接要點及注意事項： </p><p>　?。?）采用平特性焊接電源，直流焊接時采用反極性。使用一般的CO2焊機就可以施焊，但送絲輪的壓力請稍調(diào)松</p><p>　?。?）干伸長度：一般的焊接電流為250A以下時約15mm，250A以上時約20～25mm較為合適

44、</p><p>　　（3）焊嘴與工件間的距離以15～25mm為宜 </p><p>　?。?）保護(hù)氣體一般為二氧化碳?xì)怏w，氣體流量以20～25L/min較適宜。</p><p>　　2.1.2 常見焊接缺陷類型產(chǎn)生原因與防止措施</p><p>　?。?）焊縫尺寸不符合要求</p><p>　　角焊縫的K值不等：一般

45、發(fā)生在角平焊，也稱偏下。偏下或焊縫沒有圓滑過渡會引起應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生焊接裂紋。焊條角度問題，應(yīng)該考慮鐵水瘦重力影響問題。許多教授在編寫教材注重理論性而忽略實用性。焊條角度適當(dāng)上抬，48/42度合適。另外，在K值要求較大時，盡量采用斜圓圈型運條方法。</p><p>　　焊縫高低不一致：與焊接速度不均勻有關(guān)外，與弧長變化有關(guān)。所以采用均勻的焊接速度、保持一定的弧長，是防止焊縫高低不一致的有效措施。</p&g

46、t;<p>　　焊縫寬窄不一致：一是運條速度不均勻，忽快忽慢所致；二是坡口寬度不均勻，焊接時沒有進(jìn)行調(diào)整。三是在熔池邊緣停留時間不均勻。所以焊接時焊接速度均勻、考慮坡口寬度、熔池邊緣停留時間合適。</p><p>　　弧坑：息弧時過快。與焊接電流過大、收弧方法不當(dāng)有關(guān)。平焊縫可以采用多種收弧方法，例如回焊法、畫圈法、反復(fù)息弧法。立對接、立角焊采用反復(fù)息弧法，減小焊接電流法。</p>&

47、lt;p>　　焊縫尺寸不符合要求：在凸起時應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋；在焊縫尺寸不足時，降低承載能力；所以在焊接前盡量預(yù)防，在焊接中盡量防止，在焊接以后及時修補，保證焊縫尺寸符合施工圖紙要求。</p><p>　?。?）未焊透與未熔合</p><p>　　未焊透一般產(chǎn)生在坡口根部，與埋弧焊偏絲、焊接電流過小、焊接速度快、坡口角度過小、反面清根不徹底。未熔合一般產(chǎn)生在坡口邊緣，與電弧在坡口邊緣

48、停留時間短、清渣不夠、焊接電流過小、焊接速度過快有關(guān)。未焊透在X光底片上呈現(xiàn)一道黑直線，未熔合表現(xiàn)為斷續(xù)的黑直線。未焊透與未熔合都是不能允許的焊接缺陷，這會降低結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，特別是在沖擊載荷、動載荷作用下會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)斷裂。</p><p><b>　?。?）夾渣</b></p><p>　　夾渣是非金屬化合物在焊接熔池冷卻沒有及時上浮而被封閉在焊縫內(nèi)，所以與清渣不夠、打

49、底層、填充層的成型太差、焊條角度沒有進(jìn)行調(diào)整而及時對準(zhǔn)坡口兩個死角，焊接速度過快、焊接電流過小、非正規(guī)的運條方法，沒有分清鐵水與熔渣，保持熔池的凈化氛圍。平對接采用合適推渣動作，分清鐵水與熔池，焊條角度特別重要。最容易產(chǎn)生夾渣的部位是：平對接各層、填充層與打底層結(jié)合部的兩個死角，橫對接打底層、填充層的最上部的夾角，仰對接的坡口邊緣。實際就是焊縫成型沒有實現(xiàn)略凹、或平，而特別容易形成過凸的成型所致。夾渣會降低焊縫有效截面使用性能，也容易產(chǎn)

50、生裂紋等其他缺陷，影響焊縫的致密性。</p><p><b>　　（4）咬邊與漏邊</b></p><p>　　如果焊接電弧在坡口邊緣停留時間過少而沒有及時進(jìn)行鐵水的補充，留下的缺口就是咬邊。所以焊接電弧一定在坡口邊緣多做停留，焊接電流適當(dāng)減少、焊條角度隨焊條擺動而正確調(diào)整，讓焊接電弧軸線始終對準(zhǔn)坡口兩邊的夾角，特別是蓋面層非常重要。如果焊接電弧沒有到達(dá)坡口邊緣，焊縫

51、容易產(chǎn)生不是咬邊而是漏邊。所以防止漏邊產(chǎn)生最重要的是焊接電弧一定過坡口邊1～2mm，稍作停留，防止咬邊產(chǎn)生。</p><p><b>　?。?）裂紋</b></p><p>　　焊接裂紋是焊縫中不能允許的焊接缺陷?？煞譃闊崃鸭y、冷裂紋、再熱裂紋與層狀撕裂等。熱裂紋與冷裂紋的不同之處：產(chǎn)生的時間與部位不同：熱裂紋一般產(chǎn)生在焊接過程中，焊道上，冷裂紋一般產(chǎn)生在焊接以后，乃

52、至數(shù)年，焊道到母材延伸。形成形狀與顏色不同：熱裂紋一般是沿晶間開裂呈鋸齒形，有氧化色彩；冷裂紋是沿晶間與晶內(nèi)開裂，呈曲折形狀，沒有氧化色彩，呈現(xiàn)金屬光澤。</p><p>　　裂紋產(chǎn)生[12]與金屬種類有關(guān)：一般低碳鋼不容易產(chǎn)生裂紋，包括熱裂紋與冷裂紋。低合金高強度鋼容易產(chǎn)生冷裂紋，對熱裂紋敏感性小。不銹鋼恰恰相反，特別容易產(chǎn)生熱裂紋，而對冷裂紋敏感性小。裂紋產(chǎn)生與金屬焊接性有關(guān)。金屬焊接性越好，越不容易產(chǎn)生裂紋

53、。焊接性越差，容易產(chǎn)生裂紋。例如鑄鐵、銅合金。</p><p>　　防止方法：針對不同的金屬焊接采用不同的焊接方法、工藝措施。例如焊接Q345采用合適焊接線能量、預(yù)熱、保持層間溫度、焊后熱處理等措施防止冷裂紋產(chǎn)生；而在焊接不銹鋼時，則采用限制焊接電流等焊接工藝規(guī)范，采用小擺動、控制層間溫度，采用退火焊道布置、敲擊、防止弧坑裂紋與結(jié)晶裂紋。一般來說防止熱裂紋的措施是：采用含硫量≤0.030% 含碳量≤0.15% 含

54、錳量≤2.5%的、加入TI 、LV的變質(zhì)劑、形成雙相組織的焊絲與焊條；嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，選擇合適的焊縫成型系數(shù)，合理的焊接順序與方向，采用小電流與多層多道焊等工藝措施，采用預(yù)熱與緩冷等減少焊接應(yīng)力的方法。</p><p>　　防止冷裂紋的措施是：選用低氫型焊條、防止焊條受潮、清理焊接坡口的雜質(zhì)，減少氫的來源；采用預(yù)熱、控制層間溫度、后熱、焊后熱處理、合理的裝焊順序和焊接方向。改善焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。</

55、p><p>　　防止再熱裂紋措施：選用低強度高塑性焊條、適當(dāng)提高線能量、采用較高預(yù)熱溫度、合理選擇消除應(yīng)力處理溫度，避免600℃敏感溫度，減少咬邊等焊接缺陷。</p><p>　　（6）氣孔的種類、產(chǎn)生原因與防止措施</p><p>　　定義：氣孔是焊接熔池凝固時沒有及時析出而殘留在焊縫中形成的空穴。</p><p>　　類型：一般容易產(chǎn)生氫氣孔

56、、氮氣孔、CO氣孔。單個氣孔、密集氣孔、鏈狀氣孔、縮孔等類型。</p><p>　　氣孔的判別：H氣孔一般產(chǎn)生在焊縫表面，斷面為旋渦狀，表面為喇叭型，CO氣孔沿結(jié)晶方向分布。N氣孔分布焊縫表面，蜂窩狀出現(xiàn)。</p><p>　　原因與防止措施：焊條種類不同，產(chǎn)生氣孔傾向不同，堿性焊條容易產(chǎn)生氣孔，特別是對油、銹、水敏感。在焊接前焊條要進(jìn)行烘干，保溫2小時，一次領(lǐng)用量不超過4小時，采用保溫桶

57、。焊縫與坡口要求打磨干凈，短弧焊接，引弧與息弧特別注意避免氣孔產(chǎn)生。</p><p>　　焊接方法不同致使氣孔產(chǎn)生類型也不同。CO2焊經(jīng)常產(chǎn)生的N 、CO 、H 氣孔，但是最容易產(chǎn)生的是N氣孔。氣焊容易產(chǎn)生CO氣孔。與氣體流量、氣體純度、電弧電壓、焊接速度等有關(guān)。埋弧焊容易產(chǎn)生氣孔與焊接速度有關(guān)?？s孔是息弧時產(chǎn)生的一種特殊氣孔，與收弧速度過快熔池失去保護(hù)形成。特別是海上平臺焊接用焊條容易產(chǎn)生。采用清理坡口與焊縫、

58、焊接電流合適、短弧、采用反復(fù)息弧法，而且采用較快的頻率才能防止。</p><p>　　2.2 奧氏體不銹鋼的焊接性能分析</p><p>　　由于奧氏體不銹鋼含有較高的鉻，可形成致密的氧化膜，所以具有良好的耐蝕性。當(dāng)含Cr18％，含Ni8％時，基本上可獲得單一的奧氏體組織，故奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、塑性、高溫性能和焊接陛能。但為了全面保證焊接接頭的質(zhì)量，往往需要解決一些特殊的問題，如

59、接頭各種形式的腐蝕、焊接熱裂紋、鐵素體含量控制及δ相脆化等。</p><p>　　2.2.1 焊接接頭的晶間腐蝕問題</p><p>　　不銹鋼在腐蝕介質(zhì)的作用下，在晶粒之間產(chǎn)生的一種腐蝕現(xiàn)象稱為晶間腐 蝕[13～14]。</p><p>　?。?）產(chǎn)生晶間腐蝕的原因</p><p>　　奧氏體不銹鋼在450～850℃時，過飽和的碳向奧氏體晶

60、粒邊界擴散，并與晶界的鉻化合形成碳化鉻（Cr23C6）。由于鉻在奧氏體中的擴散速度小于碳的擴散速度，使晶界的鉻得不到及時補充，造成奧氏體邊界貧鉻。當(dāng)晶界附近的金屬含Cr量低于12％時，就失去了抗腐蝕能力，在腐蝕介質(zhì)作用下，即產(chǎn)生晶間腐蝕。受到晶間腐蝕的不銹鋼，從表面上看來沒有痕跡，但在受到應(yīng)力時即會沿晶界斷裂，幾乎完全喪失強度。</p><p>　?。?）減少和防止晶間腐蝕的措施</p><p

61、>　?、?控制含碳量碳 碳是造成晶間腐蝕的主要元素，含C量越高，奧氏體晶界處形成的碳化鉻越多，貧鉻現(xiàn)象越嚴(yán)重，晶間腐蝕越大，所以焊接時采用含碳量小于0.03％的焊條，不會產(chǎn)生晶間腐蝕</p><p>　?、?添加穩(wěn)定劑 在鋼材和焊接材料中加入Ti、Nb等與碳的親和力比鉻強的元素，能與碳結(jié)合成穩(wěn)定的化合物，從而避免在奧氏體晶界造成貧鉻。如1Crl8NDTi1Crl8Ni2Mo2Ti鋼，E347—15、H0Cr

62、l9Ni9Ti焊絲等</p><p>　?、?進(jìn)行固溶處理 焊后將接頭加熱到1050～1100℃，使碳化物重新溶解到奧氏體中，然后迅速冷卻，穩(wěn)定了奧氏體組織。另外，也可以進(jìn)行850～900℃保溫2h的穩(wěn)定化熱處理使奧氏體晶粒內(nèi)部的鉻擴散到晶界，晶界處的含鉻量重新恢復(fù)到大于12％，就不會產(chǎn)生晶間腐蝕</p><p>　?、?快速冷卻 因奧氏體鋼不會出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象，所以在焊接過程中加快冷卻速度，

63、縮短焊接接頭在危險溫度區(qū)的停留時間，以免形成貧鉻區(qū)</p><p>　?、?改變焊縫的組織狀態(tài) 使焊縫由單一的奧氏體相改變?yōu)閵W氏體加鐵素體雙相，Cr在鐵素體中擴散速度比在奧氏體中快，因此，鉻在鐵素體中較快地擴散到晶界，減輕了奧氏體晶界貧鉻現(xiàn)象。</p><p>　　2.2.2焊接接頭的刀狀腐蝕</p><p><b>　?。?）刀狀腐蝕原因</b&g

64、t;</p><p>　　在焊縫和基本金屬的熔合線附近，發(fā)生如刀刃狀的晶間腐蝕，稱為刀狀腐蝕。只發(fā)生于含有穩(wěn)定劑鈦、鈮的奧氏體鋼（如0Crl8Nil1Ti）的焊接接頭上，產(chǎn)生的原因也和Cr23C6析出后形成的貧鉻層有關(guān)。焊接時，過熱區(qū)的峰值溫度高達(dá)1200℃以上，鋼中的TiC溶入奧氏體，分解出的碳在冷卻過程中偏聚在晶界形成過飽和狀態(tài)，而鈦則因擴散能力遠(yuǎn)比碳低而留于晶內(nèi)，當(dāng)接頭在敏化溫度區(qū)間再次加熱，過飽和的碳在晶

65、間以Cr23C6形式析出，在晶界形成貧鉻層，使耐腐蝕能力降低。</p><p>　?。?）防止刀狀腐蝕的措施</p><p>　　① 降低含碳量 最好采用超低碳不銹鋼，WC≤0.06％ 。</p><p>　?、?減少近縫區(qū)過熱盡量采用小的熱輸入，以減少過熱區(qū)在高溫停留時間。</p><p>　　③ 合理安排焊接順序雙面焊時與腐蝕介質(zhì)接觸的焊

66、縫應(yīng)盡可能最后焊。</p><p>　?、?焊后穩(wěn)定化處理 將焊件加熱到1050～1100℃，使過熱區(qū)的碳與穩(wěn)定劑結(jié)合為穩(wěn)定的碳化物。</p><p>　　2.2.3 應(yīng)力腐蝕開裂問題</p><p>　　金屬在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，所發(fā)生的腐蝕破壞叫做應(yīng)力腐蝕開裂。</p><p>　　（1）應(yīng)力腐蝕開裂原因</p>&l

67、t;p>　　在化工設(shè)備的破壞事故中，由于不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂造成事故占50％，破壞涉及幾乎所有耐蝕材料。開裂時沒有任何變形，因而事故往往是突發(fā)性的，后果嚴(yán)重。</p><p>　　拉應(yīng)力的存在是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂[15～16]的必要條件，應(yīng)力主要來自于制造過程，因而焊接應(yīng)力造成事故占到30％以上。不銹鋼在使用條件下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素很多，包括鋼的成分、組織和狀態(tài)、介質(zhì)的種類、溫度、濃度、應(yīng)力性質(zhì)、大小

68、及結(jié)構(gòu)特點等。</p><p>　?。?）防止應(yīng)力腐蝕開裂采取的措施</p><p>　?、?正確選用材料 根據(jù)介質(zhì)特性，選用對應(yīng)力腐蝕開裂敏感性低的材料是防止應(yīng)力腐蝕開裂最根本的措施，主要有高純鉻一鎳奧氏體不銹鋼，高硅鉻一鎳奧氏體不銹鋼，鐵素體一奧氏體雙相鋼等</p><p>　?、?對材料進(jìn)行防腐蝕處理 通過電鍍、噴鍍、物理等方法，用金屬或金屬覆蓋層將金屬與腐蝕

69、介質(zhì)隔離</p><p>　　③ 消除焊件殘余應(yīng)力 采用消除應(yīng)力熱處理及由機械方法降低表面殘余應(yīng)力或造成壓應(yīng)力（如進(jìn)行噴丸）狀態(tài)</p><p>　?、?改進(jìn)部件及接頭設(shè)計 由于設(shè)計得不合理，往往會形成較大的應(yīng)力集中或在制造中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，這是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的重要條件。</p><p>　　2.2.4 焊接接頭的熱裂紋問題</p><p&

70、gt;　?。?）焊接熱裂紋產(chǎn)生的原因</p><p>　?、?奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱大約只有鋼的一半，而線膨脹系數(shù)卻大得多，所以焊后在接頭中會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力</p><p>　?、?奧氏體鋼中合金元素多，不僅硫、磷等雜質(zhì)與鐵形成低熔點的共晶、合金元素之間或與雜質(zhì)問作用也可形成低熔點化合物和共晶，如NiS+Ni的熔點為644℃</p><p>　?、?奧氏體鋼的結(jié)晶凝固區(qū)

71、間大，結(jié)晶時間長，且奧氏體結(jié)晶方向性強，所以雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重</p><p>　?。?）防止焊接熱裂紋的措施</p><p>　　① 采用雙相組織焊縫：當(dāng)焊縫中有5％左右的鐵素體時，可打亂奧氏體柱狀晶的方向</p><p>　　② 工藝上的措施：采用堿性焊條、小電流、快速焊，防止產(chǎn)生熱裂紋嚴(yán)格</p><p>　?、?控制有害雜質(zhì)硫、磷的含量。

72、</p><p>　　2.3 鐵素體不銹鋼焊接性能分析</p><p>　　2.3.1 鐵素體不銹鋼的焊接性</p><p>　　鐵素體型不銹鋼一般都是在室溫下具有純鐵素體組織，塑性、韌性良好。由于鐵素體的線膨脹系數(shù)較奧氏體的小，其焊接熱裂紋和冷裂紋的問題并不突出。通常說，鐵素體型不銹鋼不如奧氏體不銹鋼的好焊，主要是指焊接過程中可能導(dǎo)致焊接接頭的塑性、韌性降低即發(fā)生

73、脆化[17]的問題。此外，鐵素體不銹鋼的耐蝕性及高溫下長期服役可能出現(xiàn)的脆化也是焊接過程中不可忽視的問題。高純鐵素體鋼比普通鐵素體鋼的焊接性要好得多。</p><p>　　（1）焊接接頭的晶間腐蝕 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.1%的普通鐵素體鉻鋼發(fā)生腐蝕的條件和奧氏體鉻—鎳鋼稍有不同。從900℃以上快速冷卻，鐵素體鉻不銹鋼對腐蝕很敏感，但經(jīng)過650～800℃的回火后，又可恢復(fù)其耐蝕性。所以，焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕

74、的位置是緊挨焊縫的高溫區(qū)。晶間腐蝕是在晶粒邊界附近發(fā)生的有選擇性腐蝕現(xiàn)象，如圖2-1、2-2所示：</p><p>　　圖2-1 焊縫高溫區(qū)腐蝕位置 圖2-2晶粒邊界腐蝕現(xiàn)象</p><p><b>　　原因：貧鉻理論</b></p><p>　　A不銹鋼加熱到450-850℃（敏化溫度）區(qū)間發(fā)生</p><p>

75、　　高鉻F不銹鋼從高溫急冷發(fā)生，經(jīng)650～850℃加熱緩冷可消除</p><p>　?。?）焊接接頭的脆化 鐵素體不銹鋼的晶粒在900℃以上極易粗化；加熱至475℃附近或自高溫緩冷至475℃附近；在550～820℃溫度區(qū)間停留形成的σ相均使接頭的塑性、韌性降低而脆化。</p><p>　?、?高溫脆性 鐵素體不銹鋼焊接接頭加熱至950～1000℃以上后急冷至室溫，焊接熱影響區(qū)的塑性和韌性顯

76、著降低，稱為“高溫脆性”。其脆化程度與合金元素碳和氮的含量有關(guān)。碳、氮含量越高，焊接熱影響區(qū)脆化程度就越嚴(yán)重。焊接接頭冷卻速度越快，其韌性下降值越多；如果空冷或緩冷，則對塑性影響不大</p><p>　?、?475℃脆化 WCr>15%的普通純度鐵素體不銹鋼在400～500℃長期加熱后，即可出現(xiàn)475℃脆性。隨著鉻含量的增加，脆化的傾向加重。焊接接頭在焊接熱循環(huán)的作用下，不可避免地要經(jīng)過此溫度區(qū)間，特別是當(dāng)

77、焊縫和熱影響區(qū)在此溫度停留時間較長時，均有產(chǎn)生475℃脆性的可能。475℃脆化可通過焊后熱處理消除</p><p>　?、?σ相脆化 普通純度鐵素體不銹鋼中WCr>21%時，若在520～820℃之間長時間加熱，即可析出σ相。σ相的形成與焊縫金屬中的化學(xué)成分、組織、加熱溫度、保溫時間以及預(yù)先冷變形等因素有關(guān)。鋼中促進(jìn)鐵素體形成的元素如鋁、硅、鉬、鈦和鈮均能強烈地增大產(chǎn)生σ相的傾向；錳能使高鉻鋼形成σ相所需鉻的

78、含量降低；而碳和氮能穩(wěn)定奧氏體相并能與鉻形成化合物，會使形成σ相所需鉻含量增加。鎳能使形成σ相所需溫度提高。由于σ相的形成有賴于Cr、Fe等原子的擴散遷移，故形成速度較慢。WCr=17%的鋼只有在550℃回火1000h后才會開始析出σ相。當(dāng)加入2%的Mo時，σ相析出時間大為縮短，約在600℃回火200h后即可出現(xiàn)σ相。因此，對于長期工作于σ相形成溫度區(qū)的鐵素體型耐熱鋼的焊接高溫構(gòu)件而言，必須引起足夠的重視。</p><

79、;p>　　2.3.2 鐵素體不銹鋼的焊接工藝特點</p><p>　　普通純度鐵素體鋼焊接接頭韌性較低，主要是由于單相鐵素體鋼易于晶粒粗化，熱影響區(qū)和焊縫容易形成脆性馬氏體，還有可能出現(xiàn)475℃脆性。</p><p><b>　?。?）焊接方法</b></p><p>　　普通純度鐵素體鋼的焊接方法通?？刹捎煤笚l電弧焊、藥芯焊絲電弧焊、熔

80、化極氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊和埋弧焊。無論采用何種焊接方法，都應(yīng)以控制熱輸入為目的，以抑制焊接區(qū)的鐵素體晶粒過分長大。工藝上可采取多層多道快速焊，強制冷卻焊縫的方法，如通氬或冷卻水等。超高純度鐵素體鋼的焊接方法有氬弧焊、等離子弧焊和真空電子束焊。采用這些方法的目的主要是凈化熔池表面，防止沾污。</p><p>　?。?）焊接材料的選擇</p><p>　　在焊接鐵素體不銹鋼及其與異種鋼焊接時

81、填充金屬主要有三類：同質(zhì)鐵素體型、奧氏體型和鎳基合金。</p><p>　　采用同質(zhì)焊接材料時，焊縫與母材金屬有相同的顏色和形貌，相同的線膨脹系數(shù)和大體相似的耐蝕性，但焊縫金屬呈粗大的鐵素體鋼組織，韌性較差。為了改善性能，應(yīng)盡量限制雜質(zhì)含量，提高其純度，同時進(jìn)行合理的合金化。</p><p>　　（3）低溫預(yù)熱及焊后熱處理</p><p>　　鐵素體不銹鋼在室溫的韌

82、性本就很低，且易形成高溫脆化，在一定條件下可能產(chǎn)生裂紋。通過預(yù)熱，使焊接接頭處于富有韌性的狀態(tài)下焊接，能有效地防止裂紋的產(chǎn)生。但是，焊接熱循環(huán)又會使焊接接頭近縫區(qū)的晶粒急劇長大粗化，從而引起脆化。因此，預(yù)熱溫度的選擇要慎重，一般控制在100～200℃，隨著母材金屬中鉻含量的提高，預(yù)熱溫度可相應(yīng)提高。但預(yù)熱溫度過高，又會使焊接接頭過熱而脆硬[18～20]。 </p><p>　　此外，鐵素體不銹鋼的晶粒在900℃以

83、上極易粗化且難以消除，因為熱處理工藝無法細(xì)化鐵素體晶粒。因此，焊接時應(yīng)盡量采取小的熱輸入和較快的冷卻速度；多層焊時，還應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度。</p><p>　　2.4 鐵素體與奧氏體異種鋼對焊性能分析</p><p>　　奧氏體與鐵素體類鋼的焊接[21]，關(guān)鍵是焊接材料與兩側(cè)鋼材各種性能的匹配問題。要獲得可靠的異種金屬接頭，焊接材料就應(yīng)滿足以下若干條件：</p><p&

84、gt;　?。?）物理性能 焊縫金屬的物理性能應(yīng)該與兩種母材性能相匹配，其中熱膨脹問題是非常重要的。為了使運行的熱應(yīng)力降到最小程度，焊接材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)介于兩種母材之間</p><p>　?。?）防止焊接缺陷 焊接材料必須有能力承受兩種母材的稀釋而不形成對裂紋敏感的組織或其他缺陷</p><p>　　（3）組織穩(wěn)定性 焊縫金屬必須在所有使用溫度下保持組織的穩(wěn)定性，盡量不發(fā)生碳擴散以及產(chǎn)生有

85、害碳化物相</p><p>　?。?）抗腐蝕性 焊縫金屬的抗腐蝕能力應(yīng)高于其中一側(cè)母材，以防止焊縫被優(yōu)先腐蝕。</p><p>　　奧氏體與鐵素體的焊接可采用手工電弧焊、氬弧焊、埋弧焊、脈沖氬弧焊等方法進(jìn)行。選擇原則是優(yōu)先選擇能在保證焊接質(zhì)量的情況下，輸入較小的線能量的焊接方法。焊接線能量在保證焊接質(zhì)量的前提下應(yīng)盡可能降低，因為奧氏體的柱狀晶具有明顯的方向性，晶界有利于雜質(zhì)的偏析和缺陷的聚

86、集，同時奧氏體的線膨脹系數(shù)大，冷卻縮應(yīng)力大，易產(chǎn)生熱裂紋。另外合金元素Cr、Ti等元素易燒損，所以要求的線能量不能太高。奧氏體與鐵素體鋼焊接時，線能量輸入過大，容易在鐵素體鋼熱影響區(qū)的過熱區(qū)產(chǎn)生粗大的晶粒，降低接頭的機械性能，易產(chǎn)生再熱裂紋；線能量的輸入過大還會增加焊縫的稀釋率，可能在靠近鐵素體一側(cè)焊縫產(chǎn)生一定量的馬氏體組織，增大產(chǎn)生冷裂紋的傾向。焊前是否選擇預(yù)熱是十分重要的。對于鐵素體鋼來說，預(yù)熱可以減少熱影響區(qū)的淬硬傾向，減緩冷卻速

87、度，防止冷裂紋的產(chǎn)生，但預(yù)熱實際上增加了線能量，對奧氏體鋼則易產(chǎn)生熱裂紋及增大熔合比。綜合考慮，對于淬硬性較大的鐵素體鋼與奧氏體鋼焊接時，還是采取預(yù)熱措施為好，擔(dān)預(yù)熱的溫度應(yīng)適當(dāng)控制，不宜過高。焊后是否進(jìn)行熱處理，也是十分重要的問題。一般來講奧氏體鋼熱處理會帶來一系列的問題，如475 ℃脆化、σ相析</p><p>　　2.5 焊接接頭的組織與性能</p><p>　　焊接接頭由焊縫、熔合

88、區(qū)和熱影響區(qū)三部分組成。熔池金屬在經(jīng)歷了一系列化學(xué)冶金反應(yīng)后，隨著熱源遠(yuǎn)離溫度而迅速下降，凝固后成為牢固的焊縫，并在繼續(xù)冷卻中發(fā)生固態(tài)相變。熔合區(qū)和熱影響區(qū)在焊接熱源的作用下，也將發(fā)生不同的組織變化。許多焊接缺陷，如氣孔、夾雜物、裂紋等都是在上述這些過程中產(chǎn)生，因此，了解接頭組織與性能變化規(guī)律，對于控制焊接質(zhì)量、防止焊接缺陷有重要的意義。</p><p>　　2.5.1 熔池凝固與焊縫金屬的固態(tài)相變</p&

89、gt;<p><b>　?。?）熔池的凝固</b></p><p>　　焊接熔池的凝固過程服從于金屬結(jié)晶的基本規(guī)律。宏觀上，金屬結(jié)晶的實際溫度總是低于理論的結(jié)晶溫度，即液體金屬具有一定的過冷度是凝固的必要條件。微觀上，金屬的凝固過程是由晶核不斷形成和長大這兩個基本過程共同構(gòu)成。此外，這個過程還受到焊接熱循環(huán)特殊條件的制約。因此，研究焊接熔池的凝固過程，必須結(jié)合焊接熱循環(huán)的特點與

90、具體施焊條件。</p><p>　　焊接熔池與鑄錠相比，具有如下的優(yōu)點：</p><p>　　① 焊接熔池體積小 一般在電弧焊條件下，熔池的體積最大不過幾十立方厘米，質(zhì)量不過100g，與以噸為單位的鑄錠相比是微乎其微的</p><p>　?、?焊接熔池溫度極不均勻 熔池中部處于熱源中心呈過熱狀態(tài)，一般鋼可達(dá)2300℃；而熔池邊緣緊鄰未溶化的母材處，是過冷的液體金屬，

91、因此，從熔池中心到邊緣存在了很大的溫度梯度</p><p>　　③ 熔池在運動狀態(tài)下凝固 熔池隨熱源運動，對凝固過程帶來兩方面的影響。一是使熔池各部分在液態(tài)停留的時間非常短，而且溶化與凝固同時進(jìn)行。二是隨熱源的運動及焊條的連續(xù)給進(jìn)，熔池中不斷有新的液體金屬補充并進(jìn)行攪拌。因此，熔池金屬的凝固過程總是在新的基礎(chǔ)上開始，固液相界面以比鑄錠高出10～100倍的速度向前推進(jìn)，同時在運動中不斷排出氣體</p>

92、<p>　　④ 焊接熔池凝固以溶化母材為基礎(chǔ) 在溶化母材基礎(chǔ)上的凝固過程與熔池的形狀、尺寸密切相關(guān)，并取決于焊接工藝。此外，母材形成的“壁?！迸c熔池之間不存在空氣隙，而具有較好的導(dǎo)熱條件與形核條件。</p><p>　　（2）焊縫金屬的化學(xué)不均勻性</p><p>　　在熔池的凝固過程中，由于冷速高，合金元素來不及擴散，而在每個溫度下析出的固溶體成分都要偏離平衡圖固相線所對應(yīng)的

93、成分，同時先后凝固的固相成分又來不及擴散均勻。這中偏離平衡條件結(jié)晶稱為不平衡結(jié)晶。在不平衡結(jié)晶下得到的焊縫金屬，其化學(xué)成分是不均勻的，即存在了偏析。焊縫中的偏析主要有三種形式：顯微偏析、區(qū)域偏析、層狀偏析。</p><p>　?。?）焊縫組織與性能的改善</p><p>　　焊縫質(zhì)量是焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)。優(yōu)質(zhì)焊縫首先要保證性能滿足要求，而性能則取決于化學(xué)成分與組織形態(tài)。為此改善焊縫的性能就

94、應(yīng)從調(diào)整成分和控制組織兩方面入手。常用的措施如下：</p><p>　?、?焊縫金屬的變質(zhì)處理 在液體金屬中加入少量合金元素使結(jié)晶過程發(fā)生明顯變化，從而使晶粒細(xì)化的方法叫做變質(zhì)處理</p><p>　?、?錘擊坡口或焊道表面 錘擊坡口表面或多層焊層間金屬使表面晶粒破碎，熔池以被打碎的晶粒為基面形核、長大、而獲得較細(xì)晶粒的焊縫。此外。逐層錘擊焊縫表面，還可以起到減小殘余應(yīng)力的作用</p

95、><p>　?、?調(diào)整焊接工藝 實踐證明，當(dāng)功率P不變時，增大焊速V可使焊縫晶粒細(xì)化；而當(dāng)線能量E不變而同時提高P和V，也可以使焊縫晶粒細(xì)化</p><p>　?、?多層焊 根據(jù)多層焊熱循環(huán)的特點可知，通過調(diào)整焊層數(shù)n可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整焊接參數(shù)，從而比單道焊調(diào)整焊接參數(shù)時細(xì)化晶粒的作用更為明顯。同時多層焊逐層焊道間的后熱作用還可以改善焊縫二次組織</p><p>　　

96、⑤ 焊后熱處理 按熱處理規(guī)范不同，焊后熱處理可分別起到改善組織、性能、消除應(yīng)力或排除擴散氫的作用</p><p>　　⑥ 跟蹤回火 跟蹤回火就是在焊完每道焊縫后用氣焊火焰在焊縫表面跟蹤</p><p>　　⑦ 振動結(jié)晶 振動結(jié)晶是通過不同的途徑使熔池產(chǎn)生一定頻率的振動，打亂柱狀晶的方向并對熔池產(chǎn)生強烈的攪拌作用，從而使晶粒細(xì)化并促進(jìn)氣體排出。</p><p>　　2

97、.5.2 焊接熔合區(qū)的特征</p><p>　　熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫與母材交界的過渡區(qū)。在焊接接頭橫截面低倍組織圖中可以看到焊縫的輪廓線，這就是通常所說的熔合線。而在顯微組鏡下可發(fā)現(xiàn)，這個所謂的熔合線實際上是具有一定寬度的半熔化區(qū)，就是熔合區(qū)。過去習(xí)慣上把熔合區(qū)作為焊縫或熱影響區(qū)的一部分，近年來隨著對熔合區(qū)的深入研究，發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)的組織與性能有其本身的特點，而將熔合區(qū)單獨列為焊接接頭的一個組成部分。在一般條件下，

98、熔合區(qū)通常會變成為整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)，對接頭質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用，很多焊接結(jié)構(gòu)失效的起源往往就在熔合區(qū)。</p><p>　　2.5.3 焊接熱影響區(qū)</p><p>　　在焊接或切割過程中，材料因受熱的影響而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域叫做熱影響區(qū)。在焊接技術(shù)用于結(jié)構(gòu)制造的早期，所用金屬材料主要是低碳鋼，熱影響區(qū)一般不會出現(xiàn)什么問題，因此焊接質(zhì)量取決于焊縫質(zhì)量，當(dāng)時人們的主要精力用于解

99、決焊縫中可能出現(xiàn)的問題。在當(dāng)前焊接技術(shù)應(yīng)用材料的品種不斷擴大，結(jié)構(gòu)尺寸與板厚不斷增加，對焊縫質(zhì)量的要求越來越高，不僅大量應(yīng)用了低合金高強度鋼、高合金特殊鋼，還用了鋁、銅、鈦等有色金屬的合金。這些材料大多對加熱敏感，因此，在焊接熱源作用下熱影響區(qū)的組織與性能將發(fā)生較大的變化，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的缺陷。在焊接過程中熱影響區(qū)組織變化有如下特點：</p><p><b>　　（1）加熱溫度高</b><

100、;/p><p><b>　　（2）加熱速度快</b></p><p>　?。?）高溫停留時間短</p><p>　?。?）各點的溫度隨時間與位置而變化</p><p>　　（5）自然條件下的連續(xù)冷卻。</p><p>　　熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變的基本原理與規(guī)律與熱處理時一樣，但焊熱循環(huán)的特點必將帶來一定的特

101、征。因此，必須將金屬相變的普遍規(guī)律與焊接熱循環(huán)的特點相結(jié)合，才能正確掌握焊熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變的情況。</p><p>　　3 實驗過程與實驗結(jié)果分析</p><p>　　3.1 焊接材料和焊接方法的選擇</p><p>　?。?）焊接材料的選擇</p><p>　　異種鋼焊接材料的選擇首先要考慮焊接接頭在運行中的工作溫度。焊接材料應(yīng)保證異種鋼接

102、頭在工作溫度下接頭熔合區(qū)組織的均勻性和穩(wěn)定性。同時焊縫金屬的物理性能必須與二種母材相匹配，最大限度地減小接頭運行中的熱應(yīng)力。焊縫金屬的高溫強度也應(yīng)與母材匹配。并能適應(yīng)焊接過程中發(fā)生的兩種母材對焊縫的稀釋，形成致密焊縫。</p><p>　　本文實驗采用的母材分別為430鐵素體不銹鋼與304奧氏體不銹鋼。母材規(guī)格統(tǒng)一為200mm×80mm×6mm，每種母材各兩塊。實驗所用焊條規(guī)格為φ2.5mm，

103、焊條牌號：Inconel—182。在焊接實驗之前對母材要焊接的邊縫先用水進(jìn)行去污處理，保證母材表面的潔凈。之后再對邊縫進(jìn)行打磨，去掉表面的氧化層，露出金屬光澤。最后在用工業(yè)酒精對其表面進(jìn)行最終清理，保證焊接時不受表面雜質(zhì)的影響。為了避免在焊接過程中產(chǎn)生氣孔，焊接實驗前我們要對焊條進(jìn)行消除水分處理，具體操作如下，首先選擇所使用焊條的數(shù)量，然后把焊條放到熱處理爐中加熱到200℃后，保溫兩個小時，最后焊條冷卻后將其放入保溫桶中以方便使用。母材

104、平板對焊時為了盡量減少母材的變形要進(jìn)行雙面點焊，以確保母材因高溫而發(fā)生過量變形。下面介紹下430鐵素體不銹鋼、304奧氏體不銹鋼及焊條Inconel—182的化學(xué)組成成分和力學(xué)性能。如下表3-1所示：</p><p>　　表3-1 材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能參數(shù)</p><p><b>　　（2）材料性能</b></p><p>　　以下簡單介紹

105、所選材料原因：</p><p>　　① 430不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，抗氧化性能，導(dǎo)熱性能良好，熱膨脹系數(shù)比奧氏體小，耐熱疲勞。并添加了穩(wěn)定化學(xué)元素鈦，焊縫位置機械性能好。</p><p>　　② 304不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一種鉻—鎳不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、較好的抗晶間腐蝕性能、低溫強度和機械特性，還具有良好的加工性能和可焊性。</p><p>　?、?/p>

106、 Inconel—182焊條適用于手工電弧焊接，用這種焊條形成的焊縫金屬具有很高的高溫強度和抗氧化能力，適用于異種材料的焊接。它的物理性能、蠕變強度與兩種母材相匹配，熱膨脹系數(shù)介于兩種母材之間，有能力承受兩種母材的稀釋而不形成對裂紋敏感的組織。而且在使用溫度下能保持組織的穩(wěn)定性，盡量不發(fā)生碳擴散以及產(chǎn)生有害碳化物相。Inconel—182焊條的化學(xué)組成成分也與母材也比較接近，其中Ti、Cr、Si 、Mo的含量較合理（如表3-1所示），在

107、一定程度上提高了焊接接頭的抗裂性降低了接頭的熱裂傾向，并且它的屈服強度、延伸率等機械性能均與母材相接近。因此，在進(jìn)行焊接時采用Inconel—182能很好的保證焊接質(zhì)量，降低了因焊接材料熱膨脹系數(shù)的差異、蠕變強度不匹配、組織成分差別大等因素給焊接接頭帶來的熱裂紋、組織脆化等問題的發(fā)生。</p><p>　?。?）焊接方法與工藝</p><p>　　異種鋼焊接時，為了將焊縫金屬的稀釋率控制在

108、所要求范圍內(nèi)，對焊接工藝提出了較高要求。特別是采用镲基臺金材料焊接時，容易產(chǎn)生夾渣、未熔合。熱裂縫等缺陷。鑒于操作水平有限，實驗選擇的手工直流電弧焊的方法，接頭形式為不開坡口的平板對接，焊絲為φ2.5mm的鎳基合金Inconel—182。焊接規(guī)范參數(shù)：焊接時所選擇的電流為70A，電壓為16V，焊接速度為45～60mm/分。在試板兩端焊接固定焊縫后，以上述規(guī)范焊接80mm長試驗焊縫。焊后于室溫下放置24小時。焊接后的試樣如圖3-1所示：&