（材料加工工程专业论文）双面超薄不锈钢复合板焊接性的研究.pdf

太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 双面超薄不锈钢复合板焊接性的研究 摘要 双面不锈钢复合板由于既具有不锈钢优良的抗腐蚀性能，又具有基 层碳钢经济性、高强度的优点，已被越来越多的应用在石油、化工、轻 工等行业中，以代替纯不锈钢板。既可节约大量的昂贵金属c r 、n i ，又 可大幅度降低制造成本。双面超薄不锈钢复合板( 覆层厚度0 5 m m ) 是 最新生产出的薄层不锈钢复合板，解决其焊接工艺，使焊接接头达到同 覆层相同或相近的抗腐蚀性能，对于双面超薄不锈钢复合板的应用及推 广具有十分重要的意义。 本文首先分析焊接工艺对s u s 31 6 奥氏体不锈钢焊接接头腐蚀性能 的影响，在此基础上采用钨极氩弧焊( t i g ) 、熔化极氩弧焊( m i g ) 、钨 极氩弧焊加填丝焊( t i g + m ) 和微束等离子弧焊接t ( o 2 5 + 3 + 0 2 5 ) m m 的 双面超薄不锈钢复合板，分析各种焊接工艺条件下，焊接接头的合金元 素分布、显微组织、抗腐蚀性能及力学性能变化。 t i g 、m i g 和t i g + m 焊接s u s 31 6 不锈钢板的焊接接头腐蚀性能分 析表明：t i g + m 和m i g 焊接接头抗晶间腐蚀性能好，t i g 焊接接头抗晶 问腐蚀性能较差，其抗晶间腐蚀性能大, bj l l 页序为：母材 t i g + m m i g t i g ；三种焊接工艺方法下，焊接接头在9 8 的硫酸溶液抗腐蚀性能 大小顺序为：母材 t i g + m m i g t i g ；在5 的盐酸溶液中的抗腐蚀 性能为：母材 t i g t i g + m m i g 。 对比激光焊接双面超薄不锈钢复合板的焊接接头性能表明：激光焊 接超薄不锈钢复合板时，焊接接头热影响区及焊缝尺寸细小、成型良好， 焊接接头力学性能优异，但基层碳钢对覆层合金元素的稀释率较大，焊 缝区c r 含量在6 - 7 ，n i 含量在2 3 5 ，不能满足抗腐蚀性能的成 太原理工大学硕士研究生学位论文 分要求，焊缝表面抗腐蚀性能较差。 采用多层多道焊的t i g + m 方法焊接双面超薄不锈钢复合板结果表 明：双面超薄不锈钢复合板的焊接采取开单面坡口和双面坡口，焊接电 流1 0 5 a 1 1 0 a ，电压2 0 2 2 v ，焊接速度2 1 2 5 m m s ，焊接接头成型良 好，焊缝金属表面c r 含量达到1 5 1 7 ，n i 含量达到6 7 ，焊缝表面 抗腐蚀性能较好；焊接接头的力学性能比较，单面焊接，双面焊接和填 料加焊丝的焊接方法，其接头拉伸强度均优于母材，m i g 焊接接头的断 裂发生在熔合区，接头拉伸强度低于母材。 用微束等离子弧熔敷超薄不锈钢复合板的结果表明：用2 5 a 的等离 子弧电流可以一次熔透不锈钢覆层的厚度，且能熔到基层碳钢1 5 0 9 m 左 右的深度，接头的化学成分同覆层不锈钢c r 、n i 含量接近，这为采用微 束等离子弧焊接不锈钢复合板的焊接工艺提供了可能。 关键词：超薄不锈钢复合板，焊接性，钨极氩弧焊，熔化极氩弧焊， 微束等离子弧 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d y0 nt h ew e l d a b i l i t y0 fc l a dp l a t e w i t hd o u b l eu l t r a t h 口 ns 1 a i n l e s ss t e e l a b s t r a c t t h ec l a dp l a t ew i t hd o u b l eu l t r a t h i ns t a i n l e s ss t e e l ，d u et oi t s g o o d c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，l o wc o s ta n dh i g hi n t e n s i t y , w h i c hh a dm a d ei ti sw i d e l y u s e di no i l ，c h e m i c a la n dl i g h ti n d u s t r yt or e p l a c ep u r es t a i n l e s ss t e e l l o t so f e x p e n s i v em e t a le l e m e n t sc a nb es a v e db yu s eo fs t a i n l e s ss t e e lc l a dp l a t e ，i t c a na l s oc u td o w nt h e p r o d u c t i o nc o s t ，a l lo ft h i sm a k ei t h a sal o to f a d v a n t a g e s w i t hr e d u c i n go ft h i c k n e s s ，t h ec l a dp l a t e sw e l d i n gt e c h n o l o g i e s h a v eb e c o m em o r ea n dm o r ed i f f i c u l tf o re n g i n e e r s ，a n dh a v eb e e np a i dc l o s e a t t e n t i o nb yw e l d i n ge x p e r t sf r o mh o m ea n da b r o a d s o ，s o l v i n gt h ew e l d i n g t e c h n o l o g i e sa n dm a k i n gi th a sv e r yc l o s ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，w i l lb eu s e f u l f o rt h ea p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no fc l a dp l a t ew i t hd o u b l eu l t r a - t h i n s t a i n l e s ss t e e 】 t h et e c h n o l o g i c a lf a c t o r st ot h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fs u s 3l6s t a i n l e s s s t e e lw e l d e dj o i n t sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r b e s i d e s ，t i l 3 lm i g t i g + m ， s t u 贩n gw i t hw i r ea n dm i c r o b e a mp l a s m aa r cw e r eu s e dt ow e l dt h ec l a d p l a t ew i t hu l t r a - t h i ns t a i n l e s ss t e e l c h e m i c a ld i s t r i b u t i o n ，m i c r o s t r u c t u r e ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ea l s ob ea n a l y z e di n w e l d i n gj o i n t so fd i f f e r e n tw e l d i n gc o n d i t i o n s c o m p a r e dw i t ht i g ；m i ga n dt i g + m ，w e l d e dj o i n t so ft i g + ma n d m i gh a v eb e t t e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c et h a nt h a to ft i gi th a v eb e e ni n d i c a t e d t h a tr a wm a t e r i a l t i g + m m i g t i gi n i n t e r c r y s t a l l i n e c o r r o s i o n r e s i s t a n c ea n d 9 8 h ，s 0 4s o l u t i o n ；t i g t i g + m m i g i n5 h y d r o c h l o r i ca c i d l o wd i s t o r t i o n ，g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds m a l ls i z ei nw e l d i n g b e a dc a nb ea c h i e v e db yl a s e rb e a mw e l d i n g b u tb a s a lc a r b o ns t e e lh a sa 太原理工大学硕士研究生学位论文 l a r g ed i l u t i o nr a t i ot ot h ec l a ds t a i n l e s ss t e e l i th a v eb e e ns h o w nt h a tn i c k e l i s2 3 5 a n dc h r o m i u mi s6 7 i nu p p e rs u r f a c eo fw e l d i n gm e t a l w h i c hc a nn o tm e e tt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e ， s i n g l eg r o o v ea n dd o u b l eg r o o v ew e l d i n gb ya r cw e l d i n gw e r ea l s ob e u s e dt ow e l dc l a dp l a t eo fs t a i n l e s ss t e e l ，i th a v eb e e ns h o w nt h a tm u l t i - l a y e r o f t i g + m ，w e l d i n gc u r r e n to f1 0 5 1 1 0 a ，v o l t a g eo f 2 0 2 2 v , w e l d i n gs p e e d o f2 1 2 5 m m s ，g o o ds u r f a c eo fw e l d i n gb e a dc a nb ea c h i e v e d ，c h r o m i u m i s1 5 1 7 a n dn i c k e li s6 n 7 i nu p p e rs u r f a c eo fw e l d i n gm e t a l ，w h i c h m a k ei th a sb e t t e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ea l s ob ea n a l y z e d ，i th a v eb e e ni n d i c a t e dt h a t s i n g l eg r o o v ew e l d i n g ，d o u b l eg r o o v ew e l d i n ga n ds t u f f i n gw i t hw e l d i n gw i r e c a na c h i e v e db e t t e rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e st h a n r a wm a t e r i a l s ，b u tm i g w e l d i n gj o i n t sr u p t u r e di nw e l dj u n c t i o ni nt e n s i o n t e s t t h em i c r o - b e a mp l a s m aa r cw a su s e dt ow e l dc l a dp l a t ew i t hu l t r a - t h i n s t a i n l e s s + s t e e l ，i t i si n d i c a t et h a tc u r r e n to f2 5 ac a np e n e t r a t et h ec l a d s u s 316 ，r e a c h15 0 “mi nt h eb a s ep l a t e ，w h i c hi sv e r yu s e f u lf o ru st of u r t h e r s t u d yt h ew e l d i n gt e c h n o l o g i e so fc l a dp l a t ew i t hd o u b l eu l t r a t h i ns t a i n l e s s s t e e lb ym i c r o b e a mp l a s m aa r c k e yw o r d s ：u lt r a t h i ns t a i n l e s ss t e e l ，w e l d a b i l i t y , t i g ，m i g m i c r o b e a mp l a s m aa r c i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 t j g 钨极氩弧焊 m i g 熔化极钨极氩弧焊 t i g + m 钨极氩弧焊加填丝 i c阳极极化电流 阴极极化电流i a l e o r r腐蚀电流 b c阳极极化斜率 b a阴极极化斜率 r d电阻 e n o b s自腐蚀电位( 绝对值) e mc a 】c 自腐蚀电位( 计算值) s 腐蚀面积 v i i 工 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 、oo 岬1 论文作者签名： 乌例 笺9 书日期：训6j - 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：主堑兰2 立日期： 导师签名：。垒垒丝 日期：型兰：! ! 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题的背景及意义 第章绪论 双面复合钢板亦称“夹心板”，它通常是以珠光体钢作为基层材料，以满足复合 钢板强度、刚度和韧性等力学性能的要求，以不锈钢、铝及合金、铜及其合金、钛及 合金等等作为覆层，满足耐蚀性、导电性或其它一些特殊性能要求。常见的复合板其 覆层厚度一般只占总厚度的1 0 2 0 ，通常为l 5 m m ，基层厚度较大，大多在4 0 m m 以上。 不锈钢复合板自生产以来，大多应用于石油化工、冶金、机械、核工业、食品、 烟草和家电等行业，被用来制作抗腐蚀和耐热的管、板及异型材，尤其在建筑市场得 到了越来越广泛的应用。不锈钢复合板可作为整体不锈钢的替代材料，不仅可节省不 锈钢材料的2 3 以上，还可以节省大量昂贵的合金元素，其成本一般在不锈钢板的一 半以下。 由于碳钢和不锈钢在价格上存在巨大的差异，如不锈钢板价格一般在1 7 万元邝屯 左右，低碳钢则在1 6 0 0 元屯左右，因此，不锈钢复合板的生产成为大多不锈钢生产 厂家争先占领市场的突破点。从经济角度考虑，复合板的覆层厚度越薄，其成本越低， 经济价值越可观。理论上来看，复合板的覆层厚度可以无限薄，然而薄层不锈钢复合 板的应用与推广关键在于解决焊接工艺。薄层不锈钢复合板在焊接上存在很多困难， 一是薄板的焊接工艺较难控制，因为覆层厚度太薄，几乎不存在过渡层，不能象覆层 厚度较大的复合板那样可以分开焊接基层、过渡层和覆层；二是因为基层碳钢容易稀 释覆层不锈钢焊缝区使焊缝区c r 、n i 含量降低，造成焊缝区抗腐蚀性能降低。 目前，覆层厚度 ，2 m m 的不锈钢复合板的焊接工艺都已成熟，国内外的焊接专家 也逐步将关注的焦点转向薄层( 覆层厚度、 c u + 1 5 n i o 4 s i + 1 5 ) 在这里c u = w t c u ( 母材) 一w t c u ( 焊接金属) ，依次类推。c h e 为f 时，浇明焊 缝金属相对于母材为阴极性的，c h e 为负时，说明焊缝金属相对于母材为阳极性的。 对焊件而言，r i 值越大，h a z 愈易遭受选择性腐蚀，当c h e 为正时，即焊缝金 属为阴极行时，将增；9 1 h a z 的腐蚀敏感性，另一方面，一个敏感的h a z 将因为焊缝金 属高的阳极性而受到保护，必须注意的是。尽管焊缝金属为阳极，但对于焊件中的焊 缝金属来说，这时的阳极阴极面积比通常不象存在敏感h a z 时那样产生十分不利的 影响】。 1 0 太原理工火学硕士研究生学位论文 1 4 3 焊接接头腐蚀行为的试验研究方法 1 扫描参比电极技术( s r e t ) 扫描电恒的塾比粤一一、 饭化川的振准参比电捉 在焊接接头腐蚀行为的试验研究方法 扫描自报7 中，以扫描参比电极技术( s r e t ) 最为迅速 辅助“、，l ! 一一一 一 有效，灵敏可靠，v s v 。m g a n t i 等为研究近 啪臣一，j、= z 要 黧黧粥裳鬻譬琴1 _ 烹惹二s r e t s r e t 进和发展了 技术，将焊接接头浸人电 兰= ： ；j 坚些：致掘处理i 鲢 解质中，其表面就会有从阳极区流向阴极区 目热玻璃拍 焊接轰#漱一恒4 位仪 的电流，从而在电解质中形成电势场，靠近 图1 8 微区电位扫描试验装置示意图 腐蚀表面的某一特定位置，其电势取决于该f i g1 8t h es k e t c hl l l a do f t h em i c r o p o t e n t i a i 处相对于表面其余部分的阳极或阴极行为， s c “g t e s t8 p i ：a r a t u s 扫描电极的微探针靠近试样表面作扫描时，也横穿了这电势场，同时扫描电极与距 离其一定距离处的参比电极之间的电位差也被显示出来，调整测试设备测试时，以试 样为工作电极，一个标准甘汞电极为参比电极，铂电极辅助电极与恒电位仪相联接， 建立一个恒电位，通过恒电位仪改变施加电压以模拟不同的环境条件，扫描速度为 5 0 m v m i n ，扫描电极与其参比电极之间的电位差信号经放大后输人信息处理器和计算 机中，计算机用来控制程序和采集数据【2 5 j 2 开路电位分布测量 与s r e t 技术相比，开路电位分布测量更为简单，该装置包括一个四氟乙烯一氟塑 料扫描微电极】，一个饱和甘汞参比电极和k e i t h l e y l 9 7 型数字式电压表，试件镶 嵌入酚醛塑料中，只露出焊缝表面，开路电位的测量在大气条件下的0 0 5m n a c l 溶 液中进行，在饱和甘汞参比电极与微电极之间饱和k 2 s o 一溶液作为中间媒介，数字式 电压表的正极与参比电极相连，负极与试样相连。开路电位分布的测试具有更高的灵 敏度。 此外，恒电位、恒电流侵蚀、热模拟等方法，都可用于焊接接头的腐蚀研究。 用微电极进行电位分布测量，其灵敏度( 区分阳极区、阴极区的能力) 不仅取决于 扫描电极微探极的直径及其与扫描表面的距离。而且在很大程度上也取决于电解质溶 液的导电性。c ds t u c k 的研究表明，电解质溶液导电性越低，越容易将阴极、阳 极分别开来。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 5 薄层不锈钢复合板的焊接特点 不锈钢复合板的焊接问题是异种钢焊接问题。由于异种钢之间的物理性能和化学 成分的不同。两种金属焊接所产生的过渡区的成分、组织和性能也可能与母材及熔敷 金属不同，并可能产生脆性层和低强度层甚至是裂纹，降低焊接性能。薄层不锈钢复 合板的焊接除了具有复合板焊接的难点外还存在以下几个特点m j ： ( 1 ) 焊缝的稀释焊接薄壁不锈钢焊材时，由于覆层较薄基层较厚，接头熔化后， 焊缝中熔化的基层金属对敷层金属的合金产生稀释作用，结果使得结合处的金属成分 及组织与母材金属都有很大的差异，严重时，焊缝中将出现马氏体组织，使接头性能 恶化，因此焊接时必须设法选择合适的焊接材料及合适的焊接工艺，克服问题的出现。 ( 2 ) 碳迁移碳钢和奥氏体不锈钢接头中，在焊接高温下一般不发生强烈的碳迁 移。只有进行焊接后热处理( 5 0 0 c 7 0 0 ) 并保持较长时间，或上述温度下长期使 用，才发生明显碳迁移，形成脱碳层和增碳层。 ( 3 ) 接头应力状态由于两种钢的线膨胀系数不同，使焊缝合熔合线附近容易产 生附加拉应力，这对于薄层( 厚度 l m m ) 的复合板由于覆层厚度较薄应力容易释放， 不是主要问题。 ( 4 ) 由于覆层太薄，不存在过渡层和覆层的焊接，焊接基层时，控制不当容易使 覆层金属熔化，从而使稀释率增大，接头性能恶化。 针对以上分析薄层不锈钢焊接的特点。在工艺上制定了以下几点要求： ( 1 ) 焊接方法的选择上不宜采用手工电弧焊，因电弧吹力较大，不锈钢部分容易 被烧穿，熔池不易形成。 ( 2 1 焊接材料的选择，因复合板为不锈钢和碳钢两种材料组合，考虑到熔合比的 问题，焊丝应选择低碳及含c r 、n i 干自高的不锈钢焊丝。 ( 3 ) 焊接过程尽可能分几步来完成。尽量采用小的焊接规范即小电流、焊速要快、 并加焊丝填充熔池。严格控制熔深及摆动幅度，防止翻低。 ( 4 ) 为了满足强度要求，焊缝必须焊透。焊缝余高控制在05 1 0 m m 左右，要求 焊缝表面不低于母材。 1 6 本课题的研究内容 1 6 1 本课题研究内容的提出 薄层复合板的焊接，国内主要有以下一些人做过研究，广东省石油化工集团公司 的吴南溪曾用脉冲钨极氩弧焊成功的焊接外层不锈钢复合管，不锈钢层厚度为 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 o 5 r a m ，内层碳钢2o m m 。焊接后对焊缝区成分进行了测试，成份接近于覆层。广东 省鹤山市新技术应用研究所的张胜军和郑元谋运用微束等离子弧焊接单层不锈钢一钢 薄层复合板，尺寸为( o 2 5 + 06 5 ) m m x 3 0 m m x 3 0 m m ，调整焊接参数后可以使焊缝区的 c r 为1 4 1 7 和n i 为83 9 达到同覆层不锈钢成分相近的焊缝，抗腐蚀性能较好i ”i 。 本实验过程中，作者希望能对于工程实际中常由于焊缝处优先选择性腐蚀造成的 破坏进行机理性探讨。通过试验对于工程实际中焊接不锈钢采用效率低的手工焊条焊 接进行改良，希望能将焊丝这种机械化程度高的焊接方法应用于焊接不锈钢，对于超 薄( 厚度5 0 5 m m ) 不锈钢复合板探讨其焊接工艺。本研究采用的不锈钢复合板的尺 寸为( o 2 5 + 3 + 0 2 5 ) m m 的双面不锈钢复合板，覆层材料为1 c r l8 n i 9 ，基层碳钢为q 2 3 5 ， 同时能对接头的腐蚀性能进行比较和评价。 试验中腐蚀性能的测定主要是采用了电化学腐蚀性能测定的方法。电化学腐蚀试 验方法作为一种评价金属表面抗腐蚀能力强弱的试验方法，具有腐蚀周期短、操作方 便及其结果可靠等优点，被大多生产科研单位用来做产品腐蚀性能评定。电化学腐蚀 设备通过对表面进行微区扫描、数据采集、综合分析可以得出表面腐蚀电位的高低、 表面腐蚀电流的大小，从而可以方便的进行抗腐蚀能力大小的比较。 本文首先研究t i g 、m i g 、t i g + m 三种焊接工艺方法下不锈钢焊缝区抗腐蚀性能 的大小，用电化学腐蚀试验和晶间沸腾试验法比较了焊接接头的腐蚀性能，并对焊缝 区的成分分布及微观的显微组织和结构进行了分析。在此基础上针对双面超薄不锈钢 复合板焊接的特点选用激光焊接进行试验，分析激光焊接薄层不锈钢复合板焊接的可 行性，并对激光焊接接头的各向性能进行了测试。最后根据已有的经验，有针对性的 选用了开单面坡口、双坡口、填料并添加焊丝和m i g 的焊接方法分析这种薄层不锈钢 复合板焊接接头的可行性。研究和分析了不同焊接工艺下焊接接头的显微组织、腐蚀 性能及接头的力学性能。 1 6 2 本文试验研究路线 本文首先在研究不同焊接工艺对不锈钢焊接接头抗腐蚀性能的影响的基础上，采 用激光焊接、m i g 、t i g 、t i g + m ，多层多道并开单、双面破口焊接、填料加填丝焊 接方法以及微束等离子弧焊接等方法进行了试验研究。对于每一种焊接工艺试验后的 试样，首先用光学显微镜观察焊缝区的显微组织及缺陷检测，其次线切割试样并进行 晶间腐蚀和电化学腐蚀性能的试验比较不同焊接工艺下焊缝区抗腐蚀性能的强弱，用 扫描电镜和能谱分析仪观察自覆层一焊缝区合金元素的变化趋势及焊缝区c r 、n i 元素 的百分含量，最后进行力学性能测试。整个分析过程如图12 9 所示。 1 3 太原n 2 1 2 大学硕士研究生学位论文 图1 - 9 试验研究路线 f i g 卜9t h er e s e a r c hs c h e m eo f t h et e s t 1 6 3 课题研究的前景分析 目前，国内外对于腐蚀性能的研究主要集中在表面合金化，个别企业对于焊接接 头抗腐蚀性能的研究也都是针对于特定的工作环境和腐蚀介质而言，所采用的方法多 为现场挂片试验法和失重法，耗时长而且具有一定的局限性。在试验中，总结了国内 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 外可用来进行评价接头腐蚀性能评价的试验方法，采用电化学腐蚀试验方法对焊接接 头腐蚀性能进行比较，最后将其应用于双面超薄不锈钢复合板的焊接。双面超薄不锈 钢复合板具有生产成本低和节省昂贵合金元素资源的特点，在今后几十年内其应用将 随着人们对复合板的认识越来越广。焊接作为其机械加工过程中必不可少的一道程 序，对于推广不锈钢的广泛应用具有十分重要的作用。本文通过工艺对腐蚀性能的研 究，最终解决的问题为薄层不锈钢复合板焊接完成后，焊缝表面能达到同不锈钢焊缝 同样的抗腐蚀性能。 2 1 世纪对于新材料的应用主要还是高效、节能和低成本。因此，研究超薄不锈 钢复合板的焊接性能对于今后推广不锈钢复合板的应用领域具有十分重要的意义。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章试验材料及试验方法 针对双面超薄不锈钢焊接中容易出现的问题，试验材料选用都以最常见、应用最 广泛的不锈钢型号s u s 3 1 6 ，复合板钢板也是以太钢最新生产出的双面超薄不锈钢复 合板为基础进行试验研究。试验中，焊接方法的选择上都尽量采用热输入量小的方法， 以减少基层对覆层的稀释作用，主要是从焊接工艺上进行了调试和比较，使焊缝区合 金元素稀释率最小。 2 2 试验材料及试验方法 2 2 1 试验材料 试验中的不锈钢板为s u s 3 1 6 奥氏体不锈钢板，板厚为3 r a m ，焊接材料选用与 母材主要合金元素c r 、n i 相近含量的超低碳材料。选择的焊接材料的型号为 h o c r l 9 n i l 2 m 0 2 ，直径1 2 m m 。 双面超薄不锈钢复合板材料覆层为s u s 3 1 6 ，基层为q 2 3 5 ，双面超薄不锈钢复合 板的尺寸为0 2 5 + 3 + 02 5 m m ，所用的材料标准化学成分见表2 1 。 表2 - 1 试验材料的化学成分 t a b l e 2 ，1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t h ew e l d i n gm a t e r i a l s 露、乏枣 cs im nspc 7n im o 覆层s u s 3 1 6 0 0 81 0 02 0 00 0 3 00 0 4 51 6 0 0 1 8 0 01 00 0 1 4 0 02 0 0 3 0 0 基层q 2 3 5 o1 60 6 10 2 00 0 2 30 0 1 9 焊丝h o c r l 9 n i l 2 m 0 200 3 502 31 6 0 0 0 0 5 0 0 2 01 8 8 11 2 7 5 2 15 2 2 2 焊接试验方法 试验中首先分析熔化极氩弧焊( m i g ) 、钨极氩弧焊( t i g ) 、钨极氩弧焊加填丝 ( t 1 g + m ) 三种焊接方法对s u s 3 1 6 奥氏体不锈钢焊接接头抗腐蚀性能的影响，用晶 间腐蚀试验、电化学腐蚀方法比较焊接工艺不同下，焊接接头腐蚀性能的差异。第四 章研究了激光焊接双面超薄不锈钢复合板焊接性能的可能性。最后根据试验研究的经 验进行双面超薄不锈钢复合板焊接工艺的探讨，分别采用了t i g + m 的多层多道焊， 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 单面焊和双面焊，填料加焊丝以及微束等离子弧焊接双面不锈钢复合板的焊接。 所有的试样焊接前都仔细打磨了坡口表面，并用丙酮擦洗坡口两侧以除去油污等 杂质，避免形成焊接缺陷对腐蚀性能造成影响。焊后对试样都进行x 射线探伤，经 检验焊缝无气孔夹杂等缺陷，焊缝质量达到了i 级标准，最后再进行各种性能的检测。 2 2 3 腐蚀试样的制备及腐蚀试验方法 1 晶间腐蚀试验( h u ey ) 晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀，腐蚀沿着金属或合金晶粒边界或它的临近区 域发展，而晶粒腐蚀很轻微，这种腐蚀便称为晶间腐蚀。晶间腐蚀使晶粒间的结合力 大大削弱，导致强度和延展性的降低，因而造成金属结构的损坏，甚至引发事故。因 此不锈钢焊接后，大多进行晶间腐蚀性能检验掣。 晶间腐蚀试样的制备：试验中晶间腐蚀试样的制备过程如图2 1 所示，试样的 尺寸为8 0 2 5 3i t l m 3 ，起弧和收弧端各弃去3 0 r a m ，所有的试样都用线切割机进行 切取。 + ! 一 图2 - 1 晶间腐蚀试样的制备图 f i g2 - it h ep r e p a r a t i o nm e t h o do f t h et e s ts a m p l ei nh u e yt e s t 对剪切后的试样进行晶间腐蚀试验，腐蚀后的试样再进行切割、镶块，用光学 显微镜观察焊缝处晶间腐蚀沟的深度，检验其晶间腐蚀性能。 切取试样的尺寸为1 5 x 1 5 r a m 2 ，用镶块机进行镶块。将焊缝的横断面用金相砂纸 打磨至1 0 0 0 # ，在抛光机上抛光试样的表面。腐蚀液用王水( 浓盐酸：浓硝酸= 3 ：1 ) 进行腐蚀，显示出焊缝金相显微组织。最后在金相显微镜下观察试样显微组织的晶间 腐蚀情况。 试验方法按国标g b 4 3 3 4 5 2 0 0 0 采用h 2 s 0 4 c u s 0 4 + c u ( 屑) 法，微沸状态16 h 进行试验。腐蚀后的试样用金相显微镜观察其腐蚀情况。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 电化学腐蚀试验 电化学腐蚀试验方法作为种评价金属表面抗腐蚀能力强弱的试验方法，具有腐 蚀周期短、操作方便及其结果的可靠性等优点，己被大多生产科研单位用来做产品腐 蚀性能评定。电化学腐蚀设备通过对表面进行微区扫描、数据采集、综合分析可以得 出表面腐蚀电位的高低、表面腐蚀电流的大小，从而可以方便的进行抗腐蚀能力大小 的比较。电化学腐蚀试验法与工程实际中常采用的失重法相比，更为直观、迅速。 本文用电化学腐蚀设备恒电位仪p a s t s a 3 0 进行测量焊缝表面。但焊缝表面的测 量不能同其它金属测量那样，暴露出标准的l c m 2 的被测表面，最后通过测试结果可以 方便的得出金属的每年的腐蚀损耗量。由于焊接焊缝区域为狭窄的不规则形状，基层 和覆层的材料不同及避免缝隙腐蚀的干扰，成为试验过程中的难点。试验过程中我们 通过先对试样背面用焊锡将导线焊在试样的背面以保证试验上下表面导电，再对试样 进行镶块，只暴露出被测得上表面，用0 5 r a m 的胶带粘住焊缝被测区域，最后用油漆 反复包裹住上表面和镶块的外表面，待外层油漆干燥后取出胶带避免了缝隙腐蚀和其 它部分的干扰，解决了上述难题。成功的比较了不同焊接工艺下焊缝处抗腐蚀能力的 强弱。腐蚀试样的制备图如图2 2 所示。 图2 - 2 电化学属蚀试样的制备图 f i g 2 - 2t h es a m p l eo f e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t 本试验采用电化学腐蚀设备p g a s t a t 3 0 进行焊缝区的电化学腐蚀性能试验，测 试采用t a f e l 直线外推法测定金属的腐蚀速度i 。 t a f e l 直线外推法测定金属腐蚀速度i 。根据t a f e l 极化曲线方程可以测定金属 腐蚀速度i 。当用直流电对金属腐蚀电极进行大幅度极化时，腐蚀动力学方程式可 简化为 1 8 太原理：l ! 大学硕士研究生学位论文 。：i c o e x p ( 半) ( 2 一1 ) o ， i a ：i c o e x p ( 掣) ( 2 2 ) 钆 式中：i 。阳极极化电流，i a 阴极计划电流 将n 对1 9 i 做图可得直线，根据这一原理可测得金属的e l g i 极化曲线，由其直 线段的斜率求得b c 和b a 。将极化曲线外推与n = 0 水平相交，交点所对应的电流密 度为腐蚀速度i 。 此法常用于测定酸性溶液中金属腐蚀速度及缓蚀剂的影响i 。 2 2 4 焊接接头的力学性能试验方法 1 接头拉伸性能试验 双面超薄不锈钢复合板焊接接头拉伸性能检测参照g b t 1 6 9 5 7 1 9 9 7 复合钢板 焊接接头力学性能试验方法标准试样尺寸如图2 3 ，试样数量2 个。 、 ( a ) 图2 - 3 拉伸试样剪切图 f i g 2 - 3s h e a rp i c t u r eo f t h et e n s i l es a m p l e 2 缺1 3 冲击韧性试验方法 复合板焊接接头缺1 3 冲击韧性试验方法参照国标g b 2 6 5 0 8 9 ，焊接接头冲击试验 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 方法进行，试样2 个，试样形状和尺寸如图2 - 4 所示”4 。 图2 - 4 焊接接头缺口冲击试样图 f i g2 4s p e c i m e ns i z eo fi m p a c tt e s tf o rw e l d e dj o i n t 试验采用冲击试验机型号为t b 3 0 b ，冲击最大能量3 0 0 j ，支距4 0 m m 。 2 3 试验分析仪器 2 3 1 焊接设备 1 微束等离子焊接微束等离子弧焊接设备主要由电源及控制系统、机械传动 系统、焊枪、水路气路系统四个主要部分组成。它是一台手工和半自动焊焊机，以氩 气作为离子气，以氩、氢混合气体作为保护气，用冷水循环间接冷却焊枪喷嘴，设各 示意图如图2 5 所示。 图2 - 5t a y a s a fl h 3 3 0 a 微束等离子焊接系统 f i g 2 - 5t h em i c r o - p l a s m aa r cw e l d i n gm a c h i n e 太原理工大学硕士研究生学位论文 利用微束等离子焊接超薄不锈钢复合板，观察熔覆层的深度和熔覆层的组织，分 析利用微柬等离子焊接超薄不锈钢复合板的可行性。 2 氩弧焊机钨极氩弧焊采用e l i t ew s e 3 15 型氩弧焊机，熔化极氩弧焊采用 p a n a a u t ok r i i3 5 0 型焊机。 3 激光焊激光焊委托北京工业大学加工，激光器为2 k w 的c 0 2 激光焊机。 2 3 2 光学显微镜 利用本校金相实验室的n i k o - 金相显微镜，对不同焊接工艺下焊缝区的显微组 织分析，并观察晶间腐蚀后的晶间深度，其最大放大倍数为4 0 0 倍。 2 33 扫描电子显微镜 利用太原钢铁集团有限公司的l e o 4 3 8 v p 电子显微镜对焊缝表面进行显微分 析，并配合k e v e xs u p e r o r y 能谱仪对焊缝区进行成分分析。 2 3 4 恒i 电位仪p g s t a t 3 0 利用本校试验中心的电化学分析设备p g s t a t 3 0 型恒电位仪电流仪进行微区的 电极电位扫描，观察焊缝区在不同溶液中的t a f e l 曲线中腐蚀电流随扫描电位的变化 趋势，从而判断其抗腐蚀能力的大小。分析设备如图2 - 6 所示。 图2 - 6p g s t a t 3 0 型恒电位仪电流仪分析示意图 f i g 2 6t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h ep g s t a t 3 0 2 ，3 5 显微硬度计 利用本校表面工程研究所的显微硬度计( m 一4 0 0 h i ) 分析不同焊接工艺下，焊缝显 微组织的硬度，结合显微组织分析焊缝区的组织。 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 6 微机控制电子万能试验机 利用机械馆力学试验室的微机控制电子万能试验机进行焊接接头拉伸性能测 试，拉伸机型号为三思牌微机控制电子式万能试验机，w d w 1 0 0 ，级别o 5 级，型 号c m t ，最大拉力1 0 0 k n 。 2 2 太原理：j ：大学硕士研究生学位论文 第三章奥氏体不锈钢焊接接头抗腐蚀性能的研究 3 1 引言 为了研究焊接对不锈钢复合板焊接接头抗腐蚀性能的影响因素，我们首先对奥氏 体不锈钢板在不同焊接工艺下，焊接接头的抗腐蚀性能进行了研究，并分析比较不同 焊接工艺条件下，接头的显微组织和微区成分分布，这将对于下一步研究不锈钢复合 板焊接工艺的选择提供可靠的依据。 试验主要采用了t i g 、m i g 和t i g + m 的焊接方法。 3 2 焊接工艺 试验用材料为s u s 3 1 6 奥氏体不锈钢，板厚为3 m m 。为了提高焊接接头的抗腐 蚀性能，焊接材料选用与母材主要合金元素c r 、n i 相近含量的超低碳材料。选择的 焊接材料的型号为h o c r l 9 n i l 2 m 0 2 ，直径1 2 r a m 。母材和焊丝的化学成分见表2 1 所示，焊接工艺参数如表3 - 1 所示。 表3 - 1 焊接规范参数 t a b l e3 - 1w e l d i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s 焊接电压焊接电流焊接速度坡口角度 焊接方法焊丝及其直径 u vi a m m so o t i g2 01 3 02 1 m i g2 012 03 16 0h o c r l 9 n i l2 m 0 2 ，cl2 m m t i g + m2 01 3 81 7 86 0h o cr 1 9 n i l 2 m 0 2 ，cl2 r a m 焊后对焊接接头进探伤，质量检验合格。对焊接后的试样进行焊接接头抗腐蚀 性能试验，成分检测和显微组织分析，具体试验过程见第二章的试验过程和试验方法。 3 3 试验结果分析 3 3 1 焊缝区的成分分析 采用扫描电镜分析三种试样焊缝区成分分布的不同，并将焊缝区主要合金元素的 含量进行比较如图3 - 1 所示。 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 1t i g 焊缝区能谱分析图 f i g 3 一lt h ee d a xi nt h ew e l d i n gz o n e 从图3 2 可看出主要元素沿焊缝区的变化情况对焊缝区取点进行成分分析结果如 表3 2 所示。 表3 2 不同焊接方法焊缝区主要合金元素的百分含量 t a b l e3 - 2t h ep e r c e n t a g ec o m p o s i t i o no f t h ea l l o y i n ga g e n ti nd i f f e r e n tw e l d i n gm e t h o d swt ( ) 焊接方法c r ( ) n i ( )m o ( )s ( )f e ( ) 母材1 9 7 39 7 03 3 30 9 36 61 6 t i g1 9 5 09 2 7 2 2 013 66 96 5 m i g2 07 98 9 l1 4 1 0 7 16 81 9 t i g + m2 0 4 591 93 1 20 9 16 63 4 从图3 1 的扫描结果看出，自母材一熔合线焊缝，宏观上成分几乎没有减小，出 于晶界面积只是总面积非常小的一部分，微观上的偏析在整个变化区域不容易显示出 来。对这三种焊接方法焊缝区取点进行能谱分析，测得不同焊接方法中焊缝区的合金 元素百分含量如表3 2 所示。从表3 2 的结果可以看出，t i g 焊缝的化学成分都能满 足t o m m a n 理论n 8 定律，即c r 含量都以超过1 2 5 ，已达到与1 8 - 8 钢同一电极电 位区。 焊缝同母材相比，抗腐蚀性能的降低，可能与焊缝同母材的组织结构不同有关。 母材固溶处理后，晶界无碳化物和沉淀相析出，室温组织为单相奥