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材料和设计 1.简介 双相不锈钢通常包括组织组成的比例大致相等的体心立方铁素体和面心立方奥氏体。在双相不锈钢中这两个阶段的合金元素具有不同的亲和力，奥氏体稳定剂，如镍和氮，集中在奥氏体结构，而铁素体的稳定剂，如铬和钼，集中在铁素体结构。双相不锈钢提供了更大的机械强度和较高的耐腐蚀引起的应力腐蚀。双相不锈钢在石油和天然气工业中是常见的一种结构材料，海洋工程领域以及金属结构的制造需要大量使用化工废水。 焊接技术是一种材料开发的重要组成部分。TIG焊接用非自耗电极之间产生电弧，在电极与工件之间。这个过程是用来制造焊接薄材料的。然而，相比与金属惰性气体保护焊，TIG焊焊接厚的材料时，通常在一个单一的环境中产生不良焊缝熔透。一般来说，用氩气作为保护焊的单道焊屏蔽气体被限制到3毫米深的不锈钢对接钢中。如果焊接电流的速度增大或减小，相对焊缝穿透能力变得过大。因此，有必要提高突防能力与TIG焊生产效率。一个最显著的技术是使用TIG焊活性剂。使活性剂，包括氧化物，氯化物，和氟化物，将其添加到丙酮溶剂或乙醇中。巴顿焊接研究所的基辅（乌克兰）第一个开发这一过程，称为活性TIG焊。活性TIG焊改善了传统TIG焊，增加从6到10毫米单通道厚度的不锈钢。使用活性TIG焊接过程可使穿透能力的结果增加200300%，从而减少焊接时间，降低成本，避免在采用一定的流量时基料组合物投铸的变化。活性剂可以有两种机制：一个涉及对流的影响，一个涉及电弧等离子体的行为。活化理论对流通量的影响是表面活性元素在熔池的氧或硫的变化流体流动模式，通过改变表面张力梯度，导致一个深穿透。然而，人们很少研究电弧等离子体的作用和机制。实际上这样的数据确定磁通能力改善关节TIG焊透是非常重要的。双相不锈钢的一个主要问题是，TIG焊可以降低焊缝金属强度和由铁素体/奥氏体产生不平衡的耐腐蚀性的显微组织 。焊缝金属的相平衡是用来保持原有化学和物理关键双相不锈钢性能的。因此，技术控制焊缝金属铁素体/奥氏体的含量是非常重要的。本研究采用五种不同的氧化剂 研究影响单组分通量的外观，形态，和2205级不锈钢失真钢的焊接。本文研究的是力学性能和焊缝金属的显微组织以及讨论潜在的通量与电弧的相互作用。2.实验程序2205级不锈钢板作为试样。表1列出的是这种钢的化学成分和力学性能。6毫米厚的板被切割成测量150*130的毫米带，大约用400粒度的碳化硅抛光以去除表面污染，然后用丙酮清洗。活性剂是用五种单一制备组分的氧化物（二氧化钛，二氧化锰，二氧化硅，三氧化钼，和Cr2O3）包装成粉末状，约3060流明的粒度。这些粉末混合丙酮。焊接之前，一个薄的焊剂层被刷到表面待焊接头。焊剂涂层的密度大约是56毫克/平方厘米。图1显示了一个活性TIG示意图 Fig. 1. Schematic diagram of activated TIG welding TIG焊工艺的试样上使用自动焊接机进行生产。机器安装一个标准的2%氧化钍的火炬钨电极。电极的尖端角测量每个焊接前的面和电极间隙，焊接要保证焊缝在同一行条件下进行。表2列出了焊接条件的使用标准。在焊接过程中，电荷耦合器件（CCD）检测器观察和记录焊接电弧的熔池图像。在实验条件下，数字视频录像机连续监测系统的电弧电压数据。如图2A阐述了一个洞钻在点P1，P2，P3，和插入每个孔的支柱。三大支柱焊接后，进行了在珠板焊接接头角失真的实验测量。平均垂直位移法测量的失真被用来调整水平，然后测量记录焊接前后从每一个点在水平表面的距离。焊接前后不同的测量显示焊接引起的垂直位移和角失真值可以被确定为 |U=(A+B)-(C+D)/2 (1) 其中，A，B，C，D代表每一点的平均垂直位移值，如图2b显示。确定焊缝金属中的铁素体含量与基体材料。该装置检测铁氧体的磁率和不同的顺磁性的奥氏体。减小测量误差的原因是焊缝金属的不均匀性，七个测量的平均值方法从不同的位置沿焊接表面记录。横向拉伸试验被用来确定冶金成绩的2205不锈钢的焊接性能。每个焊接工艺相结合的三个试样的拉伸试验被用来确定延性的强度。配置尺寸根据拉伸断裂模式与电镜分析显微镜进行焊件扫描。光学显微镜是用来测量焊缝厚度及焊缝宽度的。采用金相试样标准程序，包括机械研磨，研磨，和抛光到0.05流明的完成，然后用改进的kalling溶液试剂进行蚀刻。3.结果与讨论3.1.影响活性TIG焊的表面外观 图3描述了2205级不锈钢的表面形貌钢TIG焊缝有无标准的焊接条件下的通量。图3a显示了TIG焊的结果没有通量，这产生了一个光滑、洁净的表面。图3b显示由于TiO2通量的使用而生产的剩余渣。图3c示出MnO2的流量使用创造了剩余渣和小飞溅。图三d显示为一个令人满意的表面外观。2205级不锈钢焊缝采用SiO2助焊剂。图3e表明，MoO3的流量产生垃圾残渣和大飞溅。图3表明，Cr2O3通量产生剩余渣。3.2.活性TIG焊对焊缝形貌的影响 图4显示了6毫米厚的2205级不锈钢TIG焊缝横截面和无流量。TIG焊在焊缝厚度和焊缝宽度表现出显着的变化；TIG焊无通量表现出宽而浅的焊缝形貌（图4A），而TIG焊缝氧化物通量表现出窄深的形态（图4BF）。这项研究表明，达到295%的流量与常规TIG焊工艺改善相比，利用二氧化硅通量可提高最大TIG焊的渗透能力。图4显示了TIG焊磁通可以显著增加熔深宽比。根据调查，2205不锈钢TIG焊深入的关节与宽度比例高的焊接深度是为增加特性热源的焊透，实现一个满意的外观等级，从而产生的热能量集中在活性TIG焊。3.3.增加活化的TIG穿透能力的机制 海普尔和Roper提出，熔池在流体流动的方向上可以影响焊缝形态和表面张力梯，这是驱动流体流动的主要因素。钨极氩弧焊熔池，总会在熔化温度梯度池面，高温的池中心和低温的池边弧。TIG焊没有流量，表面张力随着温度的增加而降低。在这种情况下，表面张力是在边缘最高和最低的池中心。这个表面张力梯度DR / DT产生向外表面流动的流体，如图5A表示，并产生一个宽浅几何焊缝，如图4a显示。与氧化物通量TIG焊接相比，加入表面熔池的活性元素氧可以彻底改变表面张力的温度依赖性。在这种情况下，创建一个内表面流体流动的结果使表面张力在池中心最高，如图5b说明。图4b-F表明该表面流体流动模式产生一个窄深几何焊缝。图4还显示，增加熔深宽度的氧化物通量率的强弱，取决于焊剂的化学成分。二氧化硅，三氧化钼，和Cr2O3通量产生较深的TIG渗透，而TiO2和MnO2通量产生相对较浅的TIG熔深。在目前，海普尔等人就活性剂TIG焊透增加机制达成共识。建议流体向内流动，增加活化的TIG焊接的主要机制联合渗透。不过，他们之间的流量和弧没有潜在的相互作用。电弧收缩可能在确定焊缝熔透起主要作用。但其确切机制尚不清楚，研究人员利用电弧收缩创建了一个TIG焊缝深穿透接头。电弧是一个通过高温导电等离子体产生持续放电的热源。1、 图6表明，直流TIG电弧由三个区域组成，根据其电压分布，阴极区（相邻的电极，阳极区）的空间（相邻的基材区域），和等离子体柱（中部地区），在端部区域，电极和基地的材料冷却引起电压迅速下降的效果。在等离子体柱中热气体电离产生的离子电流和电子进行圆形磁场包围弧，电子是主要的电荷载体。使用CCD探测器研究作用弧和TIG焊接时的无通量。图7中的电弧图像提供了一个明确的实验验证弧对通量的影响。与常规TIG电弧的电流水平相比，活性TIG焊电弧收缩等离子体柱的直径减少。在中部地区的TIG电弧，电弧等离子体的温度高于分解的离子通量，电离原子和分子产生的正离子和电子和保护气体的温度。然而，在等离子体柱的外围地区，DIS解决流量仍然存在原子或分子的足够大的电子附着形成的负电荷。电子附件只发生在周边地区等离子体柱的过程中，那里是一个电弧温度低的弱电场。因此，在电子的数目减少的等离子体区域周围，主要的电荷载体收缩等离子体柱的直径。在相同的时间，阳极根的面积也减少了。图7显示等离子体柱的收缩增加阳极的能量密度使阳极清晰可见。与常规TIG焊相比，活性TIG焊接电弧的穿透能力实现更集中，这些结果表明，等离子体柱和阳极根是一种机制，来确定TIG穿透能力与一定的使用通量。用活性TIG焊工艺时，约束等离子体柱和降低阳极根不仅增加熔深，而且降低了珠宽度。事实上，一个值得注意的发现是流量成分决定了等离子体的程度柱的收缩。当使用二氧化硅，三氧化钼，和Cr2O3 TIG焊时，电弧等离子体的热熔胶电离是氧化物通量的一部分。图7DF显示在焊接电弧的外部区域，氧离子与电弧电子载体相互作用，并约束等离子体柱捕获电子。这种效应可以增加能量密度和电弧温度对阳极根的创建。反过来，增加的电磁力（洛仑兹力）可以引起强烈的液体金属沿池中心向下流动。与TIG焊相比，使用TiO2和MnO2通量（图4b和C）这将使熔深宽度比显著增加（图4DF）。未来应该研究在这个过程中所涉及的物理机制。这些研究结果支持本研究，这可能影响特定活性TIG渗透通量的能力。图8显示了TIG焊电弧电压的影响。焊接电流和速度保持在一个恒定值和电弧电压增加时，采用活性TIG焊。作为激活的能量密度，TIG焊电弧的电弧电压的增加，必须增加与电弧等离子体的适当的电流连续性，在一个较高的温度下，可以创建具有更高密度的能量效应。此外，本电弧中含有许多自由电子。分解的熔剂添加剂吸引电子，在电弧电压上使电弧收缩和增加。图8清楚地表明，五通量同时提高使电弧电压增加，而氧化物的强弱取决于通量组合物。测量有明显的相关电弧电压和没有流量的电弧收缩TIG焊，即电弧电压值较高，更大的焊接电弧将收缩。3.4.活性TIG焊角畸变的影响在焊接过程中，一个节点板局部加热的电弧和焊件的温度分布是不均匀的。加热和冷却周期中都引起不均匀的热应变，焊接金属和金属不相邻，伴随着在加热过程中产生热应变。由非均匀热应力结合而产生的内力，引起收缩和失真的反应。角失真往往发生在焊接板时，在厚度方向的横向收缩变形是不均匀的。图9显示了TIG焊角畸变的影响在2205级不锈钢焊件没有磁通的情况下，活性TIG焊的焊缝熔透和焊缝深宽比增加。这是一个高度特性在焊接过程中的能量集中，并且提供数量较少的热，活性TIG焊反过来又可以防止基体材缝尺钢的角失真。因此，全焊热减少热应变率和不相容厚度收缩引起的应变。因材料过透和最大的焊缝深宽比导致角失真。减少收缩失真是提高焊接质量成品的关键结构。在这项研究中，2205级不锈钢TIG焊与二氧化硅磁通，产生焊缝熔透显着增加和焊缝深宽比约为7.1：1.07，因此，角失真的焊件的价值几乎为零。3.5.活性TIG焊接的铁素体和奥氏体含量的影响本研究采用2205级不锈钢热轧实验作为基材钢板。这个组织材料包括54.1%的奥氏体和45.9%的铁素体。图10介绍，铁素体和奥氏体在双相不锈钢TIG焊缝金属的含量。在2205级不锈钢TIG焊缝金属中产生不通量，测得它的铁素体含量增加，初始值从45.9-63.4%。这是由于双相不锈钢焊缝金属主要为铁素体。在焊接过程中，焊缝金属冷却太快，铁素体转变为奥氏体。 铁素是不完整的，因此，在更多的铁素体形成的TIG焊缝金属凝固后，使用氧化物通量增加使在活化的TIG焊缝金属铁素体的含量增加至52.357.5%。含铁素体的2205不锈钢的TIG焊生产的金属通量较无流量的焊缝金属低。这样的结果是由于焊接热输入引起的，由于计算的热输入是测量电弧电压比例，所施加的磁通增加的是热量输入。因此，在表现为焊缝金属中峰值温度的增加和冷却速度的减少。在这种情况下，铁素体向奥氏体的完成或停止，导致在2205级不锈钢活性TIG焊缝金属铁素体含量达到平衡阶段。在这项研究中，2205不锈钢TIG焊缝金属产生的微观结构铁氧体（52.3%）和室温下的奥氏体（47.7%）使用的二氧化硅通量组成的比例大致相等。3.6.活性TIG焊对力学性能的影响。在本研究中，2205级双相不锈钢基础材料具有抗拉强度和伸长率分别为765MPa 和35%，图11给出了TIG焊接接头的力学性能与没有磁通的实验结果，用于本研究的基础材料是可锻合金，这比焊接合金力学性能好，图11显示，与TIG焊件相比，2205级不锈钢钢接头TIG焊剂获得了更好的拉伸强度。然而，作为一个百分比伸长，表明延性的依赖与磁通量的使用略有减少，通常，2205级不锈钢TIG焊接接头加强合金降低其延展性。在拉伸试验中，所有的焊接接头的焊缝金属都失败。从技术上讲，一个骨折是一种单体分离成块的实施应力。工程材料，只有两种可能模式：韧性和脆性断裂。图12显示了两次对2205级不锈钢TIG焊件表面断裂和无二氧化硅通量的电子显微照片。在所有情况下，组织的形式表现出韧性断裂的凹坑或微孔。4.结论本研究系统地研究了TiO2，二氧化锰，二氧化硅，三氧化钼，Cr2O3通量对表面外观，焊缝形貌，角失真，铁素体/奥氏体的含量的影响，和获得2205级不锈钢与TIG焊工艺应用于6 mm的机械性能。在这项研究中的实验结果提供以下结论：1.TIG焊接接头产生的磁通表面上形成残留渣和飞溅。使用活性焊剂TIG焊接制作一个小烟气量。2.使用二氧化硅，三氧化钼，和Cr2O3通量不仅显著增加了穿透能力，而且提高了2205级不锈钢TIG焊焊缝的机械强度。3.等离子体柱和阳极根机制可以确定TIG穿透能力使用特定的通量。在活性TIG焊工艺过程中约束的等离子体柱和降低的阳极根可以增加熔深，减小焊缝宽度。4.采用活性TIG焊的接头熔深和焊缝深宽比增加。这反过来又降低了2205级不锈钢活性TIG焊件的角失真。在这项研究中，2205级不锈钢钨极氩弧焊与SiO2助焊剂焊接生产全焊透和最大的焊缝深宽比。作为一个结果，角失真值几乎为零。5.活性TIG焊的电弧电压的增加和热输入作为一个结果，使含铁素体的2205级不锈钢TIG焊缝金属活性下降。AcknowledgmentThe authors gratefully acknowledge the nancial support for this research provided by the National Science Council, Taiwan, Republic of China, under Grant No. NSC 97-2218-E-020-003.References1 Miura M, Koso M, Kudo T, Tsuge H. 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