毕业论文-基于MAG焊及PAW+TIG组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究.docx

jiujiang university毕 业 设 计题 目基于mag焊及paw+tig组合焊的奥氏 体不锈钢焊接接头应变强化的研究 英文题目study on the strain hardening ofusteniticstainless steel welded joint based onmagwelding and paw+tig combination welding院 系机械与材料工程学院 专 业焊接技术与工程 姓 名年 级2012（机材a1241） 指导教师 二零一六年 五 月本科生毕业论文(设计)独创性声明本人声明所呈交的毕业论文(设计)是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为。本科毕业设计答辩稿与学校提交的相似度检测文本完全一致。论文(设计)作者签名： 日期： 指 导 教 师 签 名： 日期： 本科生毕业论文(设计)使用授权声明九江学院有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文(设计)的复印件和磁盘，允许毕业论文(设计)被查阅和借阅。本人授权九江学院可以将本科毕业论文(设计)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、汇编毕业论文(设计)。论文(设计)作者签名： 日期： 指 导 教 师 签 名： 日期： 摘要奥氏体不锈钢由于较高的强度和塑性，良好的耐腐蚀性，焊接性和冷加工性能，被广泛应用在深冷容器中。奥氏体不锈钢应变强化技术通过冷拉伸产生一定的塑性变形来提高材料的屈服强度，实现了低温压力容器轻型化、减薄容器壁厚、节约制造成本的目的。本文采用mag焊接方法和paw/tig焊接方法，对两组6mm厚的06cr19ni10奥氏体不锈钢试板实行焊接，并分别对其中一组试板的焊接接头进行预拉伸应变强化处理。然后，通过一系列的力学性能试验和金相显微组织试验，对应变强化前后的奥氏体不锈钢焊接接头进行研究。得到如下结论：应变强化奥氏体不锈钢可使其显微组织改变且可能发生形变诱发马氏体相变，即产生加工硬化和相变强化，从而提高其屈服强度和抗拉强度。从理论上分析06cr19ni10奥氏体不锈钢焊缝的凝固模式为fa模式，本文的金相试验也得到相同的结果，但因在焊接时受焊接热源特点、焊接材料、过冷度的影响，将获得不同含量及形态的铁素体。对于6mm厚的牌号为06cr19ni10国产奥氏体不锈钢的mag和paw/tig焊，在应变强化之前，paw/tig焊相比较于mag焊，其焊缝的韧性更好。然而，在应变强化之后，paw/tig焊焊缝韧性显著下降，mag焊焊缝韧性有所所提高，结果是mag焊焊缝韧性高于paw/tig焊。对于6mm厚奥氏体不锈钢的mag焊和pae/tig焊焊接接头，经由8%的变形量预拉伸应变强化处理之后，两种焊接接头的显微硬度值较母材硬度均有所提高。特别地，paw/tig焊焊接接头的显微硬度值上升地更为明显。【关键词】奥氏体不锈钢；mag焊；paw/tig组合焊；应变强化；焊接接头viiabstractaustenitic stainless steels(ass) are widely used in manufacture of cryogenic vessels such as liquefied natural-gas storage tanks ,liquid oxygen tanker and tank containers for cryogenic liquid due to its favorable low temperature ductility and excellent corrosion resistance .the yield strength of austenitic stainless steels can be significantly increased by coldstretching ,husing thinning the wall thickness of pressure vessels .this paper adopts mag paw/tig welding method and welding method, the welding of 06cr19ni10 austenitic stainless steel plate under two 6mm thick, and one test plate joint of strain hardening. then, through a series of mechanical properties test and microstructure test,the strain strengthening of austenitic stainless steel welded joints before and after.conclusions are as follows：the strain hardening of austenitic stainless steel can make the microstructure change and deformation induced martensitic transformation may occur, which produce work hardening and transformation enhancement, so as to improve the yield strength and tensile strength.the theoretically analysis of 06cr19ni10 austenitic stainless steel weld solidification mode was fa mode, the metallographic test also get the same result, but because in welding welding heat source characteristics, welding materials, the influence of cold will get different content and morphology of ferrite.for grades of 6mm thick 06cr19ni10 domestic austenitic stainless steel of mag and paw/tig welding and before the strain hardening, the welding paw/tig phase comparison in mag welding, the weld toughness better. however, after strain hardening, the toughness of paw/tig welding seam was significantly decreased, and the toughness of mag welding seam was improved. the result is that the toughness of mag welding seam is higher than that of paw/tig.the for 6mm thick austenitic stainless steel of mag welding and pae/tig welding welded joints, by 8% the amount of deformation of the pre tensile strain hardening after, two kinds of welding joint microhardness value is higher than the base metal hardness were improved. in particular, the microhardness value of paw/tig welded joint is increased significantly.【key words】austenitic stainless steel; mag welding; paw/tig combination welding; strain hardening; welded joint目录前言1第一章绪论21.1.关于奥氏体不锈钢焊接性的主要问题21.1.1奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀21.1.2奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂31.1.3奥氏体不锈钢焊接热裂纹31.2奥氏体不锈钢焊接方法31.2.1奥氏体不锈钢mag焊31.2.2奥氏体不锈钢paw焊41.3应变强化奥氏体不锈钢压力容器的研究状况51.3.1 奥氏体不锈钢压力容器应变强化原理51.3.2奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术的发展51.3.3 应变强化奥氏体不锈钢压力容器的应用71.3.4 应变强化奥氏体不锈钢压力容器的优点及存在问题71.4本文研究的意义及内容8第二章实验材料及设备92.1 06cr19ni10奥氏体不锈钢92.1.1 化学成分92.1.2 合金元素的作用92.1.3 力学性能102.1.4 金相组织102.2 焊接材料112.3 试验设备122.4 本章小结12第三章试验方法及数据133.1奥氏体不锈钢焊接试验133.1.1 奥氏体不锈钢mag焊133.1.2 奥氏体不锈钢paw/tig组合焊143.2奥氏体不锈钢焊接接头室温拉伸应变强化试验153.3奥氏体不锈钢焊接接头力学性能试验173.3.1奥氏体不锈钢焊接接头拉伸试验173.3.2奥氏体不锈钢焊接接头冲击试验193.3.3弯曲试验213.3.4硬度试验253.4金相试验263.4.1试样制备263.4.2 金相试样数据273.5 本章小结30第四章试验数据分析314.1显微组织分析314.1.1 母材314.1.2 应变强化前后06cr19ni10奥氏体不锈焊接接头组织分析324.2 力学性能分析334.2.1 焊接接头拉伸试验数据分析334.2.2 焊接接头冲击试验数据分析344.2.3焊接接头的弯曲试验数据分析354.2.4焊接接头显微硬度数据分析364.3 本章小结37结论38参考文献39致谢42前言本篇毕业论文题目是基于mag焊及paw+tig组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究。奥氏体不锈钢是不锈钢中较为重要的钢种，目前，生产量及使用量约占不锈钢总产量的70%1。该钢是一种十分优良的材料，有良好的抗腐蚀性和生物相容性，因此在化学工业，沿海，食品，生物医学，石油化工等领域中得到广泛应用。此外，在压力容器的应用上，奥氏体不锈钢应变强化技术利用了奥氏体不锈钢屈强比低，塑性、韧性良好的性能，对压力容器进行应变强化，显著提其屈服强度，减小壁厚，减轻压力容器的重量，同时内部焊接残余应力也得到有效的消除2。可见，对奥氏体不锈钢锈钢应变强化的进一步研究，在实际的生产实践中有至关重要的作用。我国自改革开放三十多年来，经济发生了翻天覆地的变化。随着国民经济的日益繁荣，工业低温气体的需求量剧增和工业气体产业的快速发展，迫切要求我们研制出有效、节能、安全可靠的液化气体低温储罐设备。应变强化技术在奥氏体不锈钢低温容器中的成功应用，在节约了材料的同时，可提高了压力容器的性能。对实现节能减排，绿色发展，推动经济的又好又快发展具有积极的贡献。应当指出，虽然应变强化奥氏体不锈钢压力容器可以带来许多优良性能，但是，该技术要能熟练地应用于国民经济工业领域，还需做出进一步的研究。全面系统研究该技术在具体环境中的应用性能，提出更为具体的设计规范和使用条件，从而制定适合我国的奥氏体不锈钢应变强化压力容器的标准有十分重要的意义。46第一章绪论随着国民经济的快速发展和低温技术的普及，液氮、液氧、液氩、液氢、液氦、液化天然气、液态co2等低温液体的应用日趋广泛，各行各业对贮存和输送低温液体和低温容器的需求不断增长3，奥氏体不锈钢低温压力容器的市场需求不断增长。本文将研究牌号为06cr19ni10的国产奥氏体不锈钢 mag焊及paw+tig组合焊，并对两种焊接接头进行应变强化处理，且对比分析应变强化前后焊接接头的性能。1.1.关于奥氏体不锈钢焊接性的主要问题因为奥氏体不锈钢cr-ni合金元素含量较高,表面可形成致密的氧化膜cr2o3，所以具有良好的耐蚀性。当含cr18%，含ni8%时，室温下基本上可获得单相的奥氏体组织，故奥氏体不锈钢具有好的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接性能。但为了全面保证焊接接头的质量，往往需要解决一些特殊的问题，如接头各种形式的腐蚀、焊接热裂纹等4。1.1.1奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀18-8型奥氏体不锈钢焊接接头有三个部位出现晶间腐蚀现象，分别为haz敏化区、焊缝区和熔合区。产生晶间腐蚀的原因：奥氏体不锈钢在450850时，过饱和的碳向奥氏体晶粒边界扩散,并与晶界的铬化合形成碳化铬(cr23c6)。由于铬在奥氏体中的扩散速度小于碳的扩散速度,使晶界的铬得不到及时补充,造成奥氏体边界贫铬。当晶界附近的金属含cr量低于12%时,就失了抗腐蚀能力,在腐蚀介质作用下，即产晶间腐蚀4-5。金维松，郎宇平等6运用epr法检测了奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的程度，得出：对304lnss而言，敏化时间越长，温度越高，其晶间腐蚀敏感性越强。林晓云7就18-8奥氏体不锈钢焊接件焊接接头抗晶间腐问题，提出以下控制方法。从焊接方法的选择上，尽可能缩短焊件在敏化温度区段下停留的时间，减小温度对它的影响；从焊接材料的选择上，根据奥氏体不锈钢的材质和工作条件来选择，原则上选择与母材相近的焊接材料；从焊接参数的选择上，在保证完全焊透、全熔合的情况下尽量选用小电流、低电压(短弧焊)焊接,以减少热输入量，改善焊接接头性能。1.1.2奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂scc最大的特点之一是腐蚀介质与材料组合上的选择性，是应力与腐蚀介质共同作用的结果。一般其形成有三个条件：首先是金属在该环境下具有应力腐蚀开裂的倾向；其次是这种材质组成的结构接触；最后是有高于一定水平的拉应力8。黄毓晖等8采用慢应变速率拉伸实验研究了304奥氏体不锈钢在60时，不同氢离子浓度的nacl溶液中的应力腐蚀性能。结果表明，随着氢离子浓度的增大，304不锈钢的应力腐蚀敏感性增强，但是当氢离子浓度达到一定程度时,应力腐蚀敏感性显著下降，这是由于当氢离子浓度过大时，均匀腐蚀的作用优先于应力腐蚀作用成为主导。1.1.3奥氏体不锈钢焊接热裂纹奥氏体不锈钢热裂纹有结晶裂纹、液化裂纹、高温低塑性裂纹10。奥氏体不锈钢由于其热传导率小，线膨胀系数大，因此在焊接过程中，焊接接头部位的高温停留时间较长，焊缝易形成粗大的柱状晶组织，致使焊接接头脆化11。因此，可以在保证焊缝成形的前提下，适当降低焊接电流，细化焊缝和热影响区晶粒，进一步降低线能量，提高材料抗裂纹敏感性12。1.2奥氏体不锈钢焊接方法目前，有较多的焊接方法可用于焊接奥氏体不锈钢，例如手工电弧焊，气体保护焊，埋弧焊，等离子弧焊等。以下主要总结奥氏体不锈钢paw焊和mag焊。1.2.1奥氏体不锈钢mag焊mag焊主要适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属的焊接，尤其在不锈钢的焊接中得到广泛的应用。丁成钢等13研究了sus304 不锈钢 mag 焊接头组织与性能，结果表明，接头的抗拉强度不低于母材, 而且塑性良好。焊缝为奥氏体组织，呈较为粗大的柱状晶形态，且与母材熔合良好；过热区的晶粒长大不严重。焊态时，焊接接头的腐蚀速率与母材相当，经敏化处理, 接头的腐蚀速率大大增加。李建彩，秦书清14研究了蒸发冷却器用1cr18ni9ti不锈钢筒体的mag焊，指出mag焊焊接尺寸为400mm200mm10mm的1cr18ni9ti奥氏体不锈钢时，当选用直径1.2mmh0crni10ti不锈钢焊丝，设计合适焊接接头形式，选用合适焊接参数时，焊缝成形美观，焊接质量优良。此外，mag焊热量利用率高，有效功率系数大，焊接熔深增加,焊接接头的化学成分，强度、塑性及韧性均达到母材水平，焊接接头具有良好的综合力学性能。xiao wenkai等15通过窄间隙熔化极活性气体保护焊(ng-mag)弧焊对316ln奥氏体不锈钢焊接研究，得出了ng-mag焊焊接奥氏体不锈钢时，由于其较低水平的热输入量，其成分偏析较小、枝晶尺寸也较小。因此，奥氏体不锈钢具有优良低温韧性。但是，也是因为焊接热输入较小的缘故，焊接接头的有未焊透的缺陷。总之，奥氏体不锈钢的熔化极氩弧焊（mag焊）技术较为成熟，使用mag焊接不锈钢，余高适度，热影响区小，焊缝成形美观。今后研究发展方向是mag的高效自动焊接。1.2.2奥氏体不锈钢paw焊等离子弧焊电弧穿透能力强，在一定厚度范围内，开i形坡口，可以一次焊透。为此，在承压设备，特别是在高合金或特种材料的容器制造中，将其作为一种优质、高效、经济的焊接方法，并在行业上得到广泛的应用。闫兴贵，李占勇16研究了厚8mmsus304不锈钢的等离子焊接，采用正交试验的方法对厚度为8mmsus304不锈钢进行了焊接工艺参数优化，得出最优工艺参数为，焊接电流i=246a，离子气流量q=1.4lmin-1，焊接速度=205mmmin-1。等离子弧焊接可以一次穿透8mmsus304不锈钢锈钢，且焊缝表面美观。经x射线探伤无缺陷，拉伸试验断裂部位在焊缝处，抗拉强度符合标准要求，均能达到母材的抗拉强度值，焊缝组织为奥氏体+铁素体，热影响区与母材组织均为奥氏体+少量铁素体。吴娜，李亚江17通过研究环状高镍铸造合金与18-8不锈钢的paw焊接，采用金相显微镜、显微硬度计分析焊接接头区。结果表明，采用paw焊接方法可以实现环状高镍铸造合金与18-8不锈钢的paw焊接，焊接接头结合良好，没有明显气孔、裂纹等缺陷。奥氏体不锈钢应用广泛，在不同的应用背景下，对焊接接头的要求不同。因此，要充分把握各种焊接方法的优缺点，在不同的接头性能要求下，选用适当的焊接方法。1.3应变强化奥氏体不锈钢压力容器的研究状况1.3.1奥氏体不锈钢压力容器应变强化原理奥氏体不锈钢在常温及高温下具有面心立方结构，对于面心立方结构的金属晶体，每个晶胞具有4个滑移面，每个滑移面上有3个可滑移方向，共有12个滑移系。具有12个滑移系的面心立方结构的奥氏体不锈钢，因此有较好的塑性、韧性及低温性能。与普通碳钢相比较，奥氏体不锈钢在拉伸应力-应变曲线上没有屈服平台，规定产生0.2%的塑性变形量为其屈服强度，从图1-1中可以看出，奥氏体不锈钢的屈服强度和抗拉强度之间有较大的塑性变形空间，屈强比较低。因此，这就使得奥氏体不锈钢具有良好的应变强化特性。图1-1 奥氏体不锈钢应变强化示意图奥氏体不锈钢应变强化原理18.当金属材料受到大于屈服强度0.2的拉伸应力k时，卸载后将会产生一部分的永久塑性变形；再次加载时，当应力值在k以下时，材料将一直处于弹性变形状态，直至应力大于k时，材料才重新进入塑性阶段，此时的k相当于材料新的屈服强度。显然，强化后材料的屈服强度提高了。1.3.2奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术的发展应变强化奥氏体不锈钢压力容器按照强化方式的不同可分为低温应变强化-ardeform模式和室温应变强化模式-avesta模式18。低温应变强化模式奥氏体不锈钢压力容器低温应变强化技术始于20世纪中后期，是美国为适应航空航天领域深冷容器轻量化的要求而发展起来的19。该技术将制造完成的压力容器置于零下196的液氮低温环境下保温，然后经过加压及保压直至容器产生大约10%的塑性变形量来达到应变强化的目的。于1961年开始，nasa联合美国arde-portland公司对退火态的301奥氏体不锈钢低温应变强化模式开展力学性能试验和型式试验研究。得出的结论是：退火态的301奥氏体不锈钢压力容器低温强化后其屈服强度和抗拉强度都的到提升；液氮环境下，低温应变强化后材料的裂纹敏感性有所得高；容器经427、20小时时效处理后，其屈服强度和爆破压力均有所提高19。结果都是相当令人满意的，这些实验在航空航天发展的道路上起到了不可估量的作用。henderson发现20：低温应变强化后，奥氏体不锈钢压力容器还保持其高温性能，且在强氧化剂环境下抗应力腐蚀性与退火态相同。arthur c21指明：低温应变强化过程中存在fcc结构的奥氏体向bcc结构的马氏体发生无扩散相变低温应变强化技术的使用，虽然其强化效果优于室温应变强化技术，但是该技术需要将容器整体浸入液氮之中，并在强化时需强化模对强化程度进行严格控制，整套设备价格昂贵，也没有比较完善的标准，限制了该技术的广泛应用。室温应变强化模式室温应变强化技术最早于20世纪50年代由瑞典avesta公司提出，随后被澳大利亚借鉴18-19。表1-1简要给出了室温应变强化技术的发展历程20-26。表1-1 室温应变强化技术发展历程年份相关事件1956瑞典avesta sheffield公司开始研制室温应变强化压力容器；1959瑞典avesta sheffield公司生产出世界上第一台室温应变强化压力容器产品；1969瑞典avesta sheffield 公司在美国申请了专利“奥氏体不锈钢压力容器”（us 3456831a）；1975瑞典将室温应变强化技术纳入压力容器标准cold-stretching direction；1999澳大利亚将室温应变强化技术以标准增补形式 as1210-supply,ment2-1999纳入标准；2002欧盟将奥氏体不锈钢室温应变强化技术纳入标准en13458-2：2002fu附录c和en13530-2：2002附录c；2003浙江大学开始研究室温应变强化技术；2006iso20421-1：2006颁布：浙江大学成功研制深冷容器应变强化用压力控制系统；2008美国将奥氏体不绣钢压力容器室温应变强化技术纳入asme bpvc viii-1 code case 2596；2011美国拟将奥氏体不锈钢压力容器室温应变强化技术纳入 asme bpvc sec-i-2011；1.3.3 应变强化奥氏体不锈钢压力容器的应用奥氏体不锈钢在应变强化处理后，能达到与高强度铝合金（2014-t6）甚至钛合金（ti-6al-4v）相同的强度，强化后所需材料重量大大减轻。且与它们相比，奥氏体不锈钢具有良好的抵抗液氧等强氧化性腐蚀介质的能力。经过实验研究22,25，1969年美国国家航空航天局（nasa）利用应变强化奥氏体不锈钢替代铝合金及铁合金制成液氦容器，成功用于航空运载火箭及卫星发射装置推进剂储罐。自从avesta sheffield公司提出应变强化技术后，应变强化奥氏体不锈钢压力容器逐渐在硫酸蒸煮器、蒸发器、纸浆酸类贮罐等环境相对不恶劣的领域内得到应用。随着该技术的不断发展，于1969年应变强化技术开始逐步应用于低温容器等民用设备。应变强化奥氏体不锈钢低温容器主要由内容器、绝热层、外容器、支座及相关附件组成。由于奥氏体不锈钢具有很好的低温韧性，低温容器的内容器一般用奥氏体不锈钢制作，设计压力为充装的液氧、液氮、液氢、液氩、液氦等低温介质的压力，设计温度为内充装的低温介质温度24。综合上述，应变强化后奥氏体不锈钢在低温状态下仍能保持其强化性能，强度甚至有所提高，且材料的塑性和韧性储备可满足低温容器的制造和设计要求。奥氏体不锈钢低温容器经应变强化处理后，安全性并没有降低，相反，由于应变强化过程中容器各部分均充分变形，强化后应力分布更加均匀。且在实际压力容器生产制造过程中，由于筒体、封头卷板成形及焊接工艺会使材料及焊缝产生一定的残余压应力，强化膨胀过程中的拉应力抵消了其制造过程中的残余压应力，残余应力反而得到了一定松弛，显然这有利于材料性能。马利等27通过爆破试验认为，应变强化后的压力容器仍具有相当的强度裕度，强化后容器仍具有2.54倍的强度储备。采用应变强化技术的奥氏体不锈钢低温容器已在张家港中集圣达因低温装备有限公司投入生产。1.3.4 应变强化奥氏体不锈钢压力容器的优点及存在问题应变强化奥氏体不锈钢压力容器具有以下优点23-25：一是促使压力容器的轻量化。奥氏体不锈钢的屈强比低，按照传统的方法设计的到的压力容器壁厚比较大，造成浪费且设备也较重。采用应变强化的方法制造的奥氏体不锈钢压力容器，可显著提高材料的屈服强度。并且由于在强化压力的作用下，容器也会发生膨胀使得强化之后的容器体积增大。因此，容器便实现了轻量化。二是使得容器应力分布均匀化。成形和焊接等制造压力容器的工序均可在材料中产生一定的压应力，强化过程的拉力会抵消掉部分或完全的残余压应力。三是应变强化可提高容器的抗疲劳性能。如前文所述，应变强化可提高奥氏体不锈钢材料的屈服强度，使材料通过产生更大弹性变形空间而储存的能量增多，增多的这部分能量可有效减少和调节应力的变化而产生能量冲击。强化后的容器在弹性态下应用，没有新的塑性损耗，循环使用中没有新的能量损失，从而使材料的疲劳性能的到改善。应变强化奥氏体不锈钢压力容器虽然可得到很多优良的性能，但是，此项技术还是存在一些问题。比如，材料的屈服强度、抗拉强度、塑韧性等力学性能受材料的化学成分、塑性变形量及应变速率等多因素影响。还有，奥氏体不锈钢在冷冲压、卷制的成形加工过程会发生不均匀的塑性变形，过量的塑性变形会致使奥氏体不锈钢的冲击功明显下降，脆性转变温度上升，增大应力腐蚀开裂敏感性，使压力容器在实际使用中处处存在安全隐患。此外，各国奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术的标准参差不齐，内容较为粗糙，特别是强化工艺方面，更多依赖于制造企业自身的经验。而且，目前我国在应变强化奥氏体不锈钢压力容器技术上的研发还不够具体。因此，全面系统研究该技术在具体环境中的应用性能，提出更为具体的设计规范和使用条件，从而制定适合我国的奥氏体不锈钢应变强化压力容器的标准有十分重要的意义。1.4本文研究的意义及内容奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术涉及很多关键技术，其中最核心及关键的技术之一是保证应变强化之后焊接接头具有良好的塑性和韧性。因此，对奥氏体不锈钢应变强化后焊接接头力学性能及显微组织的更多有效研究，对促进我国应变强化奥氏体不锈钢压力容器技术的进一步发展及在实际产品中的使用有着举足轻重的作用。本文研究的内容是基于mag焊及paw+tig组合焊奥氏体不锈钢焊接接头应变强化，对国产牌号为06cr19ni10奥氏体不锈钢试板进行焊接试验，制作焊接接头拉伸试样以进行8%的变形量的预拉伸应变强化处理，再通过一系列力学性能试验及金相实验，分析应变强化前后奥氏体不锈钢焊接接头的力学性能及金相组织的变化状况。第二章实验材料及设备2.1 06cr19ni10奥氏体不锈钢2.1.1 化学成分根据gb/t4237-2007关于执行承压设备用不锈钢板及钢带(gb24511-2009)有关要求的通知规定33，本文所用的06cr19ni10奥氏体不锈钢的化学成分如表2-1所示:表2-106cr19ni10奥氏体不锈钢化学成分元素csimnp s crnin含量0.080.752.000.0450.03018.00-20.008.00-10.500.001试验材料所用的国产06cr19ni10奥氏体不锈钢其化学成分如表2-2。表2-2 试验用06cr19ni10奥氏体不锈钢化学成分元素csimnpscrnin含量0.040.491.070.0290.00218.018.010.042.1.2 合金元素的作用试验所用的母材为06cr19ni10奥氏体不锈钢，是一种广泛应用的典型的奥氏体不锈钢牌号。其主要的合金元素为铬、镍、硅及锰，除此之外，还有少量的非金属素，如碳、氮等。不锈钢中加入合金元素的主要去处和作用是32:其一，作为溶质，以原子的形式进入以铁为溶剂的固溶体中；其二，各合金元素间相互作用，形成氮、碳化合物，如tic、cr2n等。不锈钢中的合金元素正是通过这些作用而对钢的微观组织及性能产生影响。奥氏体不锈钢主要合金元素总结叙述如下34-36：铬元素可以提高钢的电极电位，提高钢的耐腐蚀性，这对于氧化性介质中特别有效。铬可在钢的表面形成致密的cr2o3进一步保护介质的侵蚀。但是，铬是一种很强的碳化物形成元素，形成常见的富铬cr23c6化合物且分布在晶界上，因而它的析出会导致奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。镍是奥氏体形成元素，在奥氏体不锈钢中加入镍的主要作用是扩大奥氏体相区，使奥氏体相区可以延伸至室温或室温以下，获得室温下稳定的奥氏体相。锰也是一种奥氏体形成元素，在奥氏体中一般质量分数为1%2%。低温时，锰可以很有效地稳定奥氏体，阻止其转变为马氏体。此外，锰可有效防止钢的热脆性，因为锰可以与硫结合形成稳定的mns，减少了钢中fe+fes低熔点（989）共晶物，从而可防止钢的热脆性。奥氏体不锈钢中硅的主要作用与大多数钢种加入硅的作用相同，都是为了熔炼时钢的脱氧。2.1.3力学性能奥氏体不锈钢具有较好的塑性、低温韧性。表2-3中给予了国内外同等级别的奥氏体不锈钢材料06cr19ni10的力学性能要求37。对表中数据进行分析比较可知，不同标准中对于该材料的屈服强度和抗拉强度的要求基本一致，s/b约为0.4 ，塑性变形的空间较大，因而有较强的应变强化特性，通过适当的应变强化工艺处理，可有效提高奥氏体不锈钢的屈服强度，但是会消耗一部分塑性。表2-3 同等奥氏体不锈钢的力学性能指标标准统一数字代号牌号力学性能合格指标rp0.2/mparp1.0/mparm/mpaa/%astma240/a240m-09as30400304205-51540en10028-7-20081.4301x5ni18-1021025052072045 gb24511-2009s3040806cr19ni1021025052040本实验所用材料其力学性能如表2-4。其力学性能指标均符合国内外标准，因此可以应用该材料进行本次试验。表2-4本次试验06cr19ni10奥氏体不锈钢力学性能屈服0.2（mpa）屈服强度（mpa）抗拉强度（mpa）伸长率硬度（hb）冷弯26733067757.0187.0不要求2.1.4 金相组织本次试验试验母材金相照片如图2-1所示，有奥氏体和少量铁素体组成。图中白色为奥氏体组织，出现的黑色长条状为因轧制出现的纤维组织。图2-1 母材金相组织图2.2焊接材料奥氏体不锈钢具有良好的焊接性，常规的焊接方法都可以用于焊接奥氏体不锈钢。在综合考虑奥氏体不锈钢焊缝力学性能、构件工作温度介质环境等的前提下，来选择适当的焊接方法。对于不同的焊接方法，应选用不同的焊接材料。其主要的焊接材料有：药皮焊条、埋弧焊焊丝和焊剂及氩弧焊焊丝等。一般情况下，材料在焊接选择填充金属时，为确保焊缝金属合金化良好，选择焊接材料时应选择化学成分母材相当或主要合金元素大于母材的焊条或焊丝，以前减少因焊接高温热源的作用造成的合金元素损耗及蒸发对焊缝质量的影响。本文所研究的奥氏体不锈钢低温压力容器，由于其工作温度较低，要保证焊缝金属的低温韧性，因此，选择焊材的基本原则为焊缝金属与母材等成分原则，而在焊接考虑，且要控制焊缝金属中铁素体的含量。同时，还要考虑以下几点36-38：（1）焊接材料的选择要具有匹配性，依据奥氏体不锈钢的牌号、工作温度、接触介质及焊缝力学性能的要求来选的焊材。（2）考虑到不同焊接方法和工艺对焊接对焊缝金属合金化的影响，不同的焊接方法具有不同的特征，焊接热源的作用对焊缝的合金化也有不同影响。（3）对所使用的焊接材料进行工艺评定试验，对化学成分进行严格验收。（4）按照技术条件规定确定合金化程度，选择与母材化学成分相当或超合金化焊接材料。在焊缝化学成分要求较为严格时，要选用超合金化材料，甚至采用镍基合金焊材进行焊接。（5）注意各合金元素在焊缝中的作用，要特别严格控制硫、磷等有害杂质的影响，以获得较理想的焊缝组织。根据以上的原则，本文焊接试验熔化极氩弧焊（mag焊）所用的焊丝为h03cr21ni10si，焊丝直径为1.2mm，所用的保护气体为98%ar+2%co2。而采用等离子弧打底焊/钨极氩弧焊填充盖面的组合焊（paw+tig）焊接方法所使用的焊丝亦为h03cr21ni10si焊丝，焊丝直径为1.0mm。两种焊接方式所使用的焊丝其cr、ni元素的百分含量均略高于母材的合金成分，是一种超合金化选择焊丝的原则，可保证金焊缝合金化与母材相当，弥补焊接时合金元素的损耗和蒸发。表2-5焊接所用焊丝及主要化学成分如下焊丝cmnsispmocrni其他h03cr21ni10si0.031.800.600.0080.015-2010-2.3 试验设备本文一系列试验需要用到一下主要设备。进行焊接试验时，需要用到的熔化极氩弧焊（mag焊）其焊机型号nb-400。采用等离子弧打底焊/钨极氩弧焊填充盖面的组合焊（paw+tig）焊时，钨极氩弧焊（tig）焊机型号为tetrix-521，等离子弧焊（paw）其焊机设备为hl-3000。本次拉伸试验所用微机控制电液伺服试验机型号为sht4106。本次冲击试验所用的夏比冲击试验机型号为qyj4201。2.4 本章小结本章较为详细地介绍了本文所使用的材料及设备，牌号为06cr19ni10的国产奥氏体不锈钢具有良好的塑性、低温韧性，同时也有一定的强度，具有优良的综合力学性能。利用奥氏体不锈钢屈强比低，塑性变形空间大的特点，应变强化奥氏体不锈钢压力容器可获得优良性能。本章以国产06cr19ni10奥氏体不锈钢为母材，分析了试板焊接所使用的焊接设备及焊丝，同时介绍了下一章节进行后续试验所需的设备。第三章试验方法及数据本文为了对比分析mag焊和paw/tig组合焊两种焊接方法应变强化前后奥氏体不锈钢焊接接头，就需要进行一系列的试验。现分述如下：3.1奥氏体不锈钢焊接试验本文所研究的内容是焊接接头的应变强化，焊接试验是必不可少的，是其它后续系列试验的基础，是本文研究的关键一步。因此，必须对试板（长宽厚为500mm150mm6mm）进行mag焊和paw/tig组合焊两种焊接方法的焊接试验。3.1.1奥氏体不锈钢mag焊熔化极氩弧焊(metal argon arc welding)是使用焊丝作为熔化电极，采用氩气或富氩气混合气体作为保护气体的电弧焊方法。当保护气体以ar为主，加入少量活性气体如o2或co2等时，通常称作熔化极活性气体保护电弧焊，简称mag焊。mag焊在减少熔滴过渡过程中的飞溅，改善焊缝成型，提高焊缝金属冲击韧性方面优于co2焊接工艺41。mag焊比纯co2气体保护焊等具有能减少飞溅、提高冲击韧性、改善成型的显著优点,故在可靠性要求高的行业或领域，mag焊的应用呈现出愈来愈多的趋势。奥氏体不锈钢与普通低碳钢相比，有其自己的工艺特点，现在总结简述如下42-44：（1）焊前准备焊前准备工作是焊接坡口准备、焊接及焊丝表面处理汉奸的组装、焊接设备的检查等。将接头和坡口及两侧用丙酮或者酒精除油、去水，清理坡口，不能使用碳钢钢丝刷，避免焊接接头污染。不锈钢焊接坡口间隙不能太小，避免引起未焊透或裂纹夹渣也不能太大，以减少焊缝金属的填充量,避免焊缝处应力过大。采用机械切削或者打磨进行坡口加工。（2）焊接参数奥氏体不锈钢的导热系数小，电阻率大，焊接过程中必须严格控制焊接工艺参数，避免热输入量太大，使得焊缝过热。焊接时电流要小，焊接速度要快，最好采用多层多道焊接的方式，并且一次焊接焊缝不宜过宽，层间温度要根据工艺需要控制在60150。焊后要快速冷却,避免焊缝在危险敏化区停留时间过长。而且，焊接电弧为短弧，焊条尽量不要摆动，防止合金元素不必要的烧损。（3）焊前预热和焊后热处理奥氏体不锈钢本身冷裂倾向小，预热减慢冷却速度，不利于焊缝的性能，一般不预热。对于不锈钢薄壁压力容器，根据奥氏体不锈钢本身的组织结构特点，以及为防止不锈钢薄壁压力容器焊后热处理变形等问题，一般不进行焊后热处理。根据以上的原则及参考大量的文献，本次焊接试验中mag焊的焊接参数的选择如表3-1所示。表3-1 6mm厚06cr19ni10奥氏体不锈钢试板焊接工艺参数焊接方法焊接电流/a焊接电压/v焊道层数/层焊接速度/cmmin-1mag14514215按以上焊接工艺对试板施焊，焊缝成形良好，热影响区较小，得到的焊缝余高合适，焊缝的质量可以满足进一步的拉伸、弯曲、冲击和金相试验的要求。3.1.2 奥氏体不锈钢paw/tig组合焊等离子弧焊（paw）是一种高能束流焊，它是从钨极氩弧焊基础上发展而来的。该焊接能量集中、电弧挺度大、一次穿透深度大及焊后变形小、效率高等特点。另外，其良好的小孔效应，使之易实现单面焊双面成形工艺，越来越受到人们的关注。但对于不锈钢而言，等离子弧焊穿透厚度一般小于8mm，所以大厚板材仍需预先开坡口。钨极氩弧焊（tig）氩气有很好的保护作用，能有效隔绝周围空气，为获得高质量焊缝提供了有利条件；其次在小电流下，电弧能够稳定燃烧，降低飞溅，使焊缝成形美观，常用作盖面焊。因此这两种焊接工艺的组合具有重要的实际生产意义。采用paw/tig组合焊工艺焊接06cr19ni10奥氏体不锈钢，试验中两块试板水平对接，采用paw对试板进行打底焊接，在采用tig焊进行填充盖面。其焊接前准备如前文mag焊处理相同。由于焊接时热量较集中且材料板厚较薄，所以采用的坡口形式为“i”型，坡口间隙为0.5mm，如图所示。通过阅读大量的参考文献及查阅相关的焊接手册，本次paw/tig组合焊其焊接参数如表3-2所示。图3-1 坡口形式表3-26mm厚06cr19ni10奥氏体不锈钢paw/tig组合焊焊接方法焊接电流/a焊接电压/v焊道层数/层焊接速度/cmmin-1paw17527-18tig21014-183.2奥氏体不锈钢焊接接头室温拉伸应变强化试验应变强化技术通过一定的塑性变形量，可对奥体不锈钢焊接接头及母材各自的组织结构及力学性能有一定的影响。无论是焊缝还是母材，适度的应变强化都可以提高其屈服强度，而且对焊缝和母材的抗拉强度影响较小。本试验对国产牌号为06cr19ni10奥氏体不锈钢进行母材及mag焊和paw/tig组合焊两种焊接接头焊缝进行室温拉伸强化试验，研究不同焊接方法、应变强化前后奥氏体不锈钢焊接接头的力学性能及显微组织的影响。试样的制备根据拉伸试验机夹头室温要求，对于母材，根据gb/t228-2002金属材料室温拉伸试验方法标准沿平行于钢板轧制方向制取拉伸试样。对于焊缝，则根据jb4744-2000钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验标准在垂直于焊缝方向加工拉伸试样。母材和焊缝的拉伸试样尺寸相同，形状均为板型，板厚为6mm。预拉伸强化拉伸试样获得位置如图3-2所示焊缝及母材的拉伸试样的标准尺寸及形状如图3-3所示。图3-2试样截取位置试样示意图奥氏体不锈钢焊接接头及母材的应变强化工艺奥氏体不锈钢压力容器的应变强化控制方式可分为应变控制和应力控制24。应变控制是基于应变强化原理，对强化过程的塑性变形量进行控制。应力控制则主要依照容器强化工艺，对容器加载至强化压力后保压，直至容器发生充分塑性变形。应变控制可以较好地控制强化过程中材料的塑性变形量，从而得到所希望的力学性能。因此，对于母材的拉伸强化试验，采用应变控制，应变量为8%。对于焊缝，在水压强化试验时，母材和焊缝受到相同的拉伸应力作用，但由于焊缝的屈服强度通常比母材的屈服强度大，焊缝部分的变形量通常会小于母材部分的变形量。为了更好地比较在同一应力作用下母材和焊缝之间性能的差异，在焊缝拉伸强化试验时，采用应力控制。强化应力取母材应变量为8%所对应的应力值。在实际容器强化过程中，变形速率过快会使得容器各部位受力不均匀，不能使容器缓慢自由塑性膨胀，没有充分利用奥氏体不锈钢的应变硬化能力，某些应力集中部位很易出现过载变形现象；而变形速率过慢又使得容器超压强化处理效率过低，不利于强化容器生产制造，因此变形速率应选定适宜。因此，在参考相关文献基础上本试验在强化过程中选用3mm/min的拉伸速度。根据以上分析，母材应变强化试验试样做3个，mag焊和paw/tig组合焊焊接接头预拉伸强化分别做6个，以用于后续的相关力学性能试验。3.3奥氏体不锈钢焊接接头力学性能试验3.3.1奥氏体不锈钢焊接接头拉伸试验采用mag焊和paw/tig组合焊两种焊接方法焊接06cr19ni10奥氏体不锈钢。然后参照