焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头综合能的影响.doc

本科学生毕业论文 焊接工艺对 2205 双相不锈钢焊接接头 综合性能的影响 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二 一二年六月 The Graduation Thesis for Bachelor s Degree Effect of Welding Process on The Properties of Joint of 2205 Duplex Stainless Steel Heilongjiang Institute of Technology 2012 06 Harbin 黑龙江工程学院本科生毕业论文 I 摘 要 本文采用等离子焊 PAW 打底 钨极氩弧焊 TIG 盖面和等离子焊 PAW 打底 熔 化极氩弧焊 MIG 盖面两种焊接工艺及选用 E2209 焊丝对 SAF2205 双相不锈钢板进行 了焊接工艺的对比的研究 通过对焊接接头金相组织 力学性能 耐腐蚀性能的分析 确定了最佳焊接工艺参数 并分析了焊接线能量 焊接工艺方法和焊后热处理等对焊 接接头组织及力学性能和腐蚀性能的影响 PAW打底 TIG盖面和PAW打底 MIG盖面两种焊接方法获得的焊接接头的两相 组织比都符合要求 采用较小焊接线能量的MIG盖面法获得的焊接接头焊缝和热影响 区的金相组织晶粒较TIG盖面法的小 通过SAF2205双相不锈钢板焊接接头的各种力 学性能试验 结果表明两种焊接工艺下焊接接头硬度都符合要求 拉伸试验中断裂位 置均发生在母材部位 表明焊接接头抗拉伸强度符合API SPEC 5LC标准LC65 2205要 求 弯曲试验结果显示弯曲表面均无裂纹 说明两种焊接工艺下的焊接接头都具有良 好的抗弯曲性能 夏比冲击试验结果表明两种焊接工艺下试样的焊缝 熔合线和HAZ 的冲击韧性都符合AETM A923标准要求 两种焊接方法获得的焊接接头的焊缝和热 影响区的抗点蚀性均满足ASTM G48标准要求 固溶处理的焊接接头的抗点蚀性比没 有经过固溶处理的焊接接头的抗点蚀性好 即固溶处理有利于焊接接头抗点蚀性的提 高 关键词 关键词 2205 双相不锈钢 PAW TIG M16 力学性能 抗腐蚀性能 黑龙江工程学院本科生毕业论文 II ABSTRACT Two different welding process of plasma arc welding PAW tungstenarc inert gas welding TIG welding and plasma arc welding PAW metalinertia gas welding MIG welding with E2209 arc wire were applied to study the effect of welded process on SAF2205 duplex stainless steel The optimum welding parameters are given according to the mierostructures the mechanical properties and the corrosion resistance of the joints welded by the two different methods The effect of heat input processes and the heattreatment after weld and etc On the microstructure the mechanical properties and the corrosion resistance ofthe weldedjoint were also studied Both PAW TIG welding and PAW MIG welding Can reach the requirements of the West east gas transfer project and compared with TIG welding the grains of the joint welded by MIG with less heat input is much finer Through the tests of mechanical properties both joints of SAF 2205 duplex stainless steel welded by MIG or TIG can reach the requirement of hardness The fracture took place in the base metal during the tensile test which indicated that the tensile strength of the joint is qualified no cracks was observed through the bend test which indicated that the bend strength is high enough it has been improved that the impact toughness of both welding seam fusion zone and HAZ can reach the ASTM A923 criteria through the Charpy type test Key words 2205Duplex stainless steel PAW TIG MIG mechanical properties corrosion resistance 黑龙江工程学院本科生毕业论文 目目 录录 摘要 ABSTRACT 第 1 章 绪论 1 1 1 本课题的选题背景 1 1 2 双相不锈钢发展的历史及现状 1 1 3 双相不锈钢的应用前景 2 1 4 双相不锈钢焊接性及焊接材料 4 1 4 1 焊接接头的冶金特性 4 1 4 2 焊接材料和焊接方法 6 1 5 课题研究目标和主要内容 6 第 2 章 2205 双相不锈钢焊接工艺实验 8 2 1 实验材料 8 2 2 焊接实验 8 2 2 1 焊接方法 材料和设备 8 2 2 2 焊接工艺 9 2 2 3 固溶处理试验 9 第 3 章 2205 双相不锈钢板焊接接头力学性能检测和耐点腐蚀实验 10 3 1 金相组织观察与分析 10 3 2 力学性能实验 12 3 2 1 硬度试验 12 3 2 2 夏比冲击试验 13 3 2 3 弯曲与拉伸性能试验 15 3 3 焊接接头的三氯化铁腐蚀试验 15 3 4 本章小结 15 结论 1 参考文献 1 致谢 1 附录 1 黑龙江工程学院本科生毕业论文 1 第 1 章 绪 论 1 1 本课题的选题背景 双相不锈钢的焊接与奥氏体不锈钢的焊接比较 焊缝的热裂纹倾向低 与铁素体 不锈钢的焊接相比较 焊接接头焊后状态的脆化程度低 而且热影响区 HAZ 中单相 铁素体相的粗化程度也较低 双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接头组 织的影响 无论焊缝或是HAZ都会有重要的相变发生 这时焊件的性能 如塑性和耐 腐蚀性都有很大的影响 因此双相不锈钢焊接的关键是要使焊缝金属和焊接HAZ均保 持有适量的铁素体和奥氏体组织 双相不锈钢焊接的最大特点是焊接热循环对焊接接 头组织的影响 因此 开展对SAF2205双相不锈钢管焊接工艺的研究 设计并评定最 佳焊接工艺参数 保证焊接接头具有良好的力学性能和抗腐蚀性能也具有重要的学术 价值 近期 西气东输工程正在不断的进行着 在西气东输的源头克拉2气田向西气东 输管道提供了80 以上的气源 因此克拉2气田内部集输管道工程的完成对西气东输 工程至关重要 西气东输克拉2气田内部集输管道工程 是由中国石油天然气股份有 限公司和以壳牌中国勘探开发公司为首的国际石油公司组成的联合体共同开发的根据 塔里木油气介质条件的特点 克拉2气田内部集输管道工程选用ASTM 32205牌号直 缝焊接钢管作为内部集气干线和支线的输气管道 克拉2气田是西气东输源头的重要 工程 因此保证其长期安全 稳定供气至关重要 一旦集气管道发生腐蚀穿孔或破裂 不具备其他气田的调节能力 必将影响向下游城市的供气 造成巨大的经济损失和严 重的社会影响 因此开展SAF2205双相不锈钢管直焊缝焊接工艺的研究 保证焊接接 头具有良好的力学性能和抗腐蚀性能具有重要的现实意义 1 2 双相不锈钢发展的历史及现状 1927年Bain和Griffiths首先发现了双相组织 1930年J Hochmann偶然发现提高奥 氏体不锈钢中的含铬量不仅使钢具有磁性 而且提高了钢的耐晶间腐蚀性能 双相不 锈钢的发展与应用开始于20世纪30年代 法国在1935年获得第一个专利 双相不锈钢 已经发展了三代 第一代双相不锈钢以美国40年代开发的329钢为代表 含高铬 钼 耐局部腐蚀性能好 但含碳量较高 O 1 因此焊接时失去相的平衡 沿晶界析 出碳化物导致耐腐蚀性及韧性下降 焊后必须经过热处理 一般用于铸 锻件 在应用和发展上受到限制 前苏联50年代发展了含稳定元素钛的08X21H6M2T 黑龙江工程学院本科生毕业论文 2 铜 德国也有1 4582 法国有Uranus50 英国有Ferralium255 日本在美国329钢基础 上降碳 提出了329J1钢种 这些钢都可以作为可焊接的结构件使用 随后至60年代 中期瑞典开发了著名的3RE60钢 它是第一代双相不锈钢的代表钢种 特点是超低碳 含铬量为18 焊接及成型性能良好 广泛代替AISl304L 316L用作耐氯离子应力 腐蚀的材料 该钢的问题是在焊接热影响区易出现单相铁素体组织 导致耐应力腐蚀 及晶间腐蚀性能下降 70年代以来随着二次精炼技术AOD和VOD等方法的出现与普 及以及连接技术的发展 容易炼出超低碳 c 0 03 的钢 同时发现氮作为奥氏体 形成元素对双相不锈钢有重要作用 在焊接接头热影响区快速冷却时 氮促进了高温 下形成的铁素体逆转变为足够的二次奥氏体以维持必要的相平衡 提高了焊接接头的 耐腐蚀性 氮可以提高富氮奥氏体相的耐孔蚀能力 与富铬 钼的铁素体相取得平衡 提高了材料整体的耐孔蚀性能 氮能减轻铬 钼等元素在两相中分布的差异 降低选 择腐蚀的倾向性 正是利用氮元素的独特效果 以及钢中容易获得超低碳改进了第一 代双相不锈钢的缺点 从而开创了第二代新型的含氮双相不锈钢 开发了新的应用领 域 如今世界双相不锈钢的年产量不是很高 约占世界不锈钢产量的1 但其年增 长速率很快 自1990 年以来每年以17 的速率增长 1990 年年产量2 4 万吨 到 1999 年已达11 万吨 欧洲双相不锈钢的生产和应用较普及 日本也生产 美国其应 用还不很普遍 从产量或市场占有量来看 第二代双相不锈钢中的S31803 和 SAF2205 00Cr22Ni5Mo3N 牌号约占80 超级双相不锈钢约占13 从生产品种来 看 热轧板约占71 主要用于制造焊管和容器 冷轧板约占14 无缝管约占8 1 3 双相不锈钢的应用前景 双相不锈钢的实用化已经有近三十年的历史 尤其是当代超低碳含氮双相不锈钢 克服了焊接方面的一些问题 结合双相不锈钢所具有的耐局部腐蚀和综合力学性能好 的一些优点 为焊接结构材料的大量推广应用创造了条件 近十几年市场销售量增加 很快 加之随着超级双相不锈钢的步入市场 扩大了在一些苛刻介质中的应用 使双 相不锈钢的应用范围不断拓宽 也积累了不少实际使用经验 为双相不锈钢的选用和 新钢种的开发进一步创造了条件 这里简单介绍双相不锈钢在各个领域中的应用 1 中性氯化物环境 双相不锈钢在加工工业中应用广泛 特别适用于有可能产生局部腐蚀的环境 在 加工工业中经常使用含有少量氯离子的淡水作为冷却水 导致在使用304L 316L等 黑龙江工程学院本科生毕业论文 3 奥氏体不锈钢时有时产生应力腐蚀破裂 SCC 的危险 而双相不锈钢恰恰可以代替常 用奥氏体不锈钢解决这一问题 尤其适用于由孔蚀引起的应力腐蚀破裂的场合 因此 可以说 在诸多的应用当中双相不锈钢在这方面的应用是首要的 2 炼油工业 这是双相不锈钢使用较多的领域之一 主要用在常减压蒸馏 催化裂化和加氢脱 硫等装置 早在70年代采用鲁宁输油管线油的南京炼油厂和济南炼油厂在这一系统中 就采用了OOCrl8Ni5M03Si2双相不锈钢 主要集中用于常减压塔顶衬里 或复合板 塔内构件 常顶空冷器 减顶增湿空冷器等 3 石油化学和化学工业 石油化学和化学工业腐蚀环境的特征是反应温度较高 介质中常含有高浓度或中 等浓度的氯化物 容易诱发不锈钢应力腐蚀破裂 在这一领域不仅使用双相不锈钢 更多的还要使用超级双相不锈钢 不过后者使用的时间还不长 需要进一步积累使用 经验 4 石油和天然气工业池 80年代以来双相不锈钢在酸性气和油的生产中用量逐渐增多 主要用作生产管衬 里 岸上和近海的管道系统以及热交换器等 尤其是在天然气的生产中 5 纸浆和造纸工业 双相不锈钢在纸浆和造纸工业中的应用已经有三十几年的历史了 3RE60钢最早 就是在这一领域起步应用的 除3RE60钢外 其他如SHF2205 UR45N UR47N OOCr25Ni6 5M03N UR52N OOCr25Ni6 5M03 5CuN 等都已获得了应 用 主要是利用双相不锈钢优秀的力学性能 耐磨损腐蚀和空泡腐蚀 耐腐蚀疲劳以 及耐应力腐蚀等的特点 制造纸浆和造纸工业用的木屑预蒸器 间歇式和连续式纸浆 蒸煮器 造纸压力滚筒机和回收设备等 都得到了良好的使用效果 6 化肥工业 随着双相不锈钢的发展 在尿素和磷肥工业中的应用逐渐增多 尿素工业中多用 变形材 磷肥工业中多用铸件 针对双相不锈钢在尿素中的应用 日本开发了尿素专 用双相不锈钢牌号DP 12 是含有微量钨和铜的25Cr 7Ni一3Mo N的超低碳钢 用于 大中型装置上气提塔的气提管 高压冷凝器的冷凝管 高压分解塔的分解管以及输送 管道等 7 海水环境 海水是自然环境中腐蚀性最强的一种介质 尤其是在金属表面黏附有微生物层时 使其腐蚀电位增加 因此也增加产生了孔蚀和缝隙腐蚀的危险性 对于热海水介质 黑龙江工程学院本科生毕业论文 4 微生物层的增厚会导致海水热交换器的热效率损失 早在70年代F1本就开始使用 329J1和NTK R 4 OOCr25Ni5Mo1 5 2 5含N或不含N 的钢制造化工厂用或船用海水 热交换器或海水冷却器管束 8 能源与环保工业 北美 欧洲和日本等国家为了减少发电厂煤的燃烧对大气造成的污染 防止酸雨 自80年代末期广泛采用FGD 烟气脱硫 法脱去燃烧气体中的硫 FGD装置中的一些重 要部件 如容器 风扇叶片 搅拌器 泵 阀和离心机等就是用双相不锈钢制备的 以防止氯化物腐蚀和防止苛刻的磨粒磨损和泥浆的密损腐蚀 9 轻工和食品工业 在这一领域中多使用低牌号的Crl8型和Cr22型双相不锈钢 国内主要用在盐化工 装置上 国外多用在食品工业上 由于OOCrl8Ni5M03Si2钢在中性氯化物溶液中有较 好的耐孔蚀和缝隙腐蚀的能力 利用这一特点 国内开发了该钢在真空制盐和盐硝联 产装置上的应用 双相不锈钢用于大型真空制盐装置国内已有成熟的经验 国外将 3RE60钢用于人造奶油冷却器的盘底n71 用SAF2205钢用于制造植物油热交换器的 管束 10 高强度结构件 双相不锈钢具有比奥氏体不锈钢更高的强度 许多欧洲国家利用双相不锈钢的高 强度特性将其用于醋酸 羰基化工艺生产过程中的压缩机与反应器之间的连接管道系 统 1 4 双相不锈钢焊接性及焊接材料 1 4 1 焊接接头的冶金特性 1 焊接 HAz 的组织转变 双相不锈钢的焊接HAZ 按承受的焊接热循环峰值温度的高低通常分为高温区 HTHAZ 和低温区 LTHAZ 前者位于铁素体溶解度曲线至固相线这一温度范围 对 大多数商业牌号为1250 熔点 几乎为单相铁素体组织 后者基本处于两相的平 衡区 24 双相不锈钢焊接时焊接HAz所受到的峰值温度从焊缝熔合线的固相线温度到室温 是连续变化的 焊接HAz的组织也是由与之相对应的连续渐变的显微组织梯度所组成 尤其在单相铁素体的高温段HTHAZ宽度极窄的情况下 要研究其重要的组织转变特 征和作出性能评定是相当困难的 因此 往往采用焊接热模拟试验 在模拟的试样上 再现焊接HAZ某处的焊接热循环 复制该处的组织以及进行一些性能试验来进行研究 采用一次焊接热模拟试验来再现单道焊接的焊接HAZ的组织 采用二次焊接热模拟试 黑龙江工程学院本科生毕业论文 5 验以期再现多层焊接的焊接HAZ组织 图1 1示出OOCr25M03NiN型双相不锈钢的焊 接热模拟循环曲线 曲线1为手工单道电弧焊热循环曲线 模拟的焊接HAZ简称为 HAZl 曲线1 2 曲线2 模拟多层焊接HAZ的组织 简称HAZ2 经检验 HAZ2的组 织与多层焊HAZ的组织吻合 图1 1 OOCr25M03NiN型双相不锈钢的焊接热模拟循环曲线 采用焊接热循环加热一水淬法021固定焊接HAZ的高温组织 发现峰温不小于 1280 时 所研究的OOCrl8Ni5M03Si2钢在这一区域的组织为等轴晶纯铁索体组织 晶粒粗大 证明即使在快速的焊接加热情况下 室温 峰温约5s 奥氏体相亦能全部转 变成铁素体 长大成等轴状粗大的晶粒 HTHAZ从峰值温度冷却时和加热时不一样 部分铁素体会转变成奥氏体 由于焊接热循环的冷却段经过相变区的时间小于10s 从反应动力学看转变难以达到平衡 HTHAZ的两相比例主要取决于钢的成分 但在 成分确定后 焊接参数 如线能量 冷却速度 层间温度等都有重要的影响 LTHAZ距焊缝熔合线较远 焊接参数主要影响金属间相的形成 对于高合金的超级 双相不锈钢这是首先要考虑的问题 当然 极慢的冷却速度也会使较低合金成分的双 相不锈钢受到影响 2 焊缝金属的组织转变 双相不锈钢焊缝金属为铸态组织 属于铁素体凝固模式 一次凝固相为单相铁素 体 高温下铁素体相的高扩散速率得以使合金元素快速均匀化 容易消除凝固偏析 即使少量的镍 钼元素显微偏析对于奥氏体相的形成也无较大影响 焊缝金属从熔 点冷却至室温时 和焊接HAZ的高温区转变一样 部分铁素体会转变成奥氏体 两相 的平衡数量和Q y比值的大小无论对焊缝的抗裂纹能力 或是对焊缝的力学性能和 耐腐蚀性能都有重要影响 焊缝金属冷却时 在600 1000 C温度范围 有时也还会 黑龙江工程学院本科生毕业论文 6 有O相等金属间相 二次奥氏体 Y 的析出 这与填充金属的成分 焊接参数线能 量等有关 1 4 2 焊接材料和焊接方法 1 焊接材料 对于含氮的双相不锈钢和超级双相不锈钢的填充材料通常采用比母材高的镍和母 材相同的氮含量 以保证焊缝金属有足够的奥氏体量 对于焊条电弧焊 根据耐腐蚀 性 接头韧性的要求及焊接位置 可选用酸性或碱性焊条 采用酸性焊条时 脱渣优 良 焊缝光滑 接头成形美观 但焊缝金属的冲击韧度较低 与此同时 为了防止焊 接气孔及焊接氢致裂纹需严格控制焊条中的氢含量 当要求焊缝金属具有较高的冲击 韧度 并需进行全位置焊接时应采用碱性焊条 另外 在根部封底焊时 通常采用碱 性焊条 1 2 焊接工艺方法 双相不锈钢因受自身的冶金特性的制约 在选择焊接方法时应遵循如下原则 避免使用过低或过高的焊接线能量 热输入 过低的线能量会使奥氏体相析出 大量减少 甚至形成纯铁素体组织 工艺和使用性能大幅度降低 因此 电子束焊应 避免采用 过高的线能量会使焊缝金属和HTHAZ 晶粒粗大 韧性下降 除电渣焊不能 采用外 埋弧焊在使用上也将受到限制 适宜使用多层焊 采用多道焊 合理控制线能量以及层间温度 这样后一道对前 一道起到了固溶处理的作用 可以使更多的奥氏体析出 保证焊接热影响区的性能 在焊接方法的选用上应考虑满足多层焊的要求 多道次和低熔敷率 双相不锈钢常用 的焊接方法是手工电弧焊和钨极氩弧焊两种 手工电弧焊适用于全方位的焊接 通用 性和灵活性较好 是简便易行 大量使用的方法 就双相不锈钢而言 钛型 金红石 型 药皮焊条比碱性焊条的焊接性要好 前者有良好的脱渣性 尤其对管子根部焊道 的脱渣有利 但是对焊件的低温力学性能有要求时 尤其是韧性 仍需要考虑采用碱 性焊条 为防止产生气孔 焊前焊条需经250 350 2h 的烘烤 或者采用超耐湿 焊条 钨极氩弧焊通常用于管接头的根部焊道 或用于管道的自动焊接 也常用于薄 板或管和管板接头的焊接 此方法能保护焊件有很好的力学性能 通常采用纯Ar或 Ar 2 N2 作为保护气体 在单面焊双面成型焊接时 不论采用何种接头形式 背面保 护气体 根气 都是必要的 通常采用纯Ar 或Ar 5 N2 1 51 5 课题研究目标和主要内容课题研究目标和主要内容 本文针对2205 双相不锈钢板进行了两种焊接工艺的比较研究 以焊接接头最佳 相比例 铁素体的含量约为50 和各项性能兼顾的原则 从大量的2205 双相不锈钢板 黑龙江工程学院本科生毕业论文 7 焊接工艺参数试验结果中比较筛选出最佳的焊接工艺参数 然后将其运用到2205 双 相不锈钢管的焊接中进行试验 最终得到满足SAF2205 双相不锈钢管焊接要求的等离 子焊 PAW 打底 钨极氩弧焊 TIG 焊盖面焊接工艺 试验中首先采用等离子焊 PAW 打 底 钨极氩弧焊 TIG 盖面和等离子焊 PAW 打底 熔化极氩弧焊 MIG 盖面两种焊接方 法 综合考察多种因素 如焊接电流 电弧电压 焊接速度及混合气流量在双相不锈 钢焊接中的作用 最终选择双相不锈钢板焊接的最佳工艺 得到具有合格相比例的的 焊接接头 并且对2205 双相不锈钢板焊接接头的各项力学性能和耐腐蚀性能进行检 测 保证焊接接头具有优良的力学性能和耐腐蚀性能 并对焊接得到的双相不锈钢管 焊接接头的金相组织 两相比例 各项力学性能和耐腐蚀性能进行了详细的检测 保 证焊接接头的各项性能满足各项标准要求 黑龙江工程学院本科生毕业论文 8 第 2 章 2205 双相不锈钢焊接工艺实验 2 1 实验材料 试验用的母材为太原钢铁公司生产的2205双相不锈钢 其化学成分和力学性能见 表2 1和表2 2 将板加工成160 mm 320 mm的试板 坡口60 钝边5 mm 平板对接 试验中使用的保护气体为氩气加2 的N2 表2 1 2205 双相不锈钢的化学成分 质量分数 表2 2 2205 双相不锈钢的力学性能 2 2 焊接实验 2 2 1 焊接方法 材料和设备 试验选用的方法为 等离子弧焊打底 TIG焊盖面和等离子弧焊打底 MIG焊盖面两 种焊接方法 双相不锈钢的焊接目标是使焊缝和热影响区的韧性 塑性和耐腐蚀性能 与母材相同 所以对于2205双相不锈钢 选用的焊接材料的化学成分与母材不能相同 其镍含量要高于母材金属 因为焊接过程中焊缝金属凝固和冷却时间很快 如果焊缝 金属的化学成分与母材相同 在高温状态下形成的铁素体组织就来不及同母材那样在 l 050 1100 保温并水淬处理 发生部分铁素体组织转变成奥氏体组织的过程 6 J 因此试验中盖面选用的填充焊丝为2209 咖1 6 mm 焊丝 试验中使用的等离子焊 黑龙江工程学院本科生毕业论文 9 机为LINc0LN Dc600型等离子焊机 TIG焊盖面使用的焊机是LINcoLN Dc400型焊机 MIG焊盖面使用的焊机是YD一500KR2HGE型焊机 2 2 2 焊接工艺 2205双相不锈钢焊接接头的韧性和耐腐蚀性能是该钢种焊接的关键影响因素 只 有制定严格的焊接工艺 才能保证该钢优良的焊后使用性能 在2205双相不锈钢焊接 时 通过采用多道焊 合理控制热输入以及层问温度 这样后一道对前一道起到了固 溶处理的作用 可以使更多的奥氏体析出 保证焊接热影响区的性能 3 7 8J 焊接 时电弧保护气体和背部保护气体按焊接接头对耐蚀性的要求来选择 大多数情况下 纯Ar保护的效果是令人满意的 双相不锈钢材料中的N可以增加奥氏体相的比例并使 其稳定 从而使焊缝具有良好的性能 但是2205双相不锈钢焊接中焊缝表面的N损失 是不可避免的 所以在焊接2205双相不锈钢时必须防止N2损失 最常见的防止N损失 的方法是使用含N的保护气体 试验显示在氩气中加2 的N2 效果是最好的 使用 Ar 2 N2 作为保护气体 不仅可以避免表面层焊缝金属的N损失 而且可以更进一 步促进焊缝中奥氏体的生成 通过多次试验得到最佳的焊接工艺参数见表2 3 表 2 3 焊接工艺参数 2 2 3 固溶处理试验 将部分需要固溶处理的焊件加热到l 050 保温0 5h后以大于25 s的冷却速度 快速水冷 将固溶处理过的焊件制成试样 依据各项检测标准进行力学性能试验 检 测其金相比例 硬度 抗冲击性能及抗弯曲拉伸性能和抗腐蚀性能 黑龙江工程学院本科生毕业论文 10 第第 3 3 章章 22052205 双相不锈钢板焊接接头力学性能检测和双相不锈钢板焊接接头力学性能检测和 耐点腐蚀试验耐点腐蚀试验 2205 双相不锈钢具有优良的力学性能和耐腐蚀性能 而2205 双相不锈钢的焊接 的目的就是要保证焊接接头的具有和基体一样或者接近的力学性能和耐腐蚀性能 因 此对焊接实验获得的2205 双相不锈钢焊接接头进行各项力学性能检测和耐点腐蚀试 验是必需的 3 1 金相组织观察与分析 焊接完成后检查焊接接头 焊缝表面无咬边 气孔 未熔合等缺陷 对焊缝进行 x射线检测 结果显示焊缝内部无气孔 夹渣 未熔合等缺陷 质量满足要求 用线 切割在焊接试件的焊缝 热影响区和基体部位分别取样制成金相试样 采用王水浸蚀 金相试样 用JL一02立式金相显微镜观察焊接接头的焊缝 热影响区和基体的微观组 织 并用MP30型铁素体测定仪对焊缝 热影响区和基体进行铁素体相数量测定 图 3 1所示为焊缝金属的金相组织 奥氏体 黑色相 铁素体 白色相 可以看出 焊后 不经过固溶处理的试件焊缝组织中的奥氏体大部分在铁素体的晶界处形成 有一小部 分在铁素体的晶内析出 而经过固溶处理的试件焊缝组织中奥氏体在铁素体的晶界处 形成 晶内奥氏体的析出很少 从图中还可以看出 经过固溶处理的试件焊缝晶粒比 没有经过固溶处理的细小 l 050 固溶处理使铁素体中的N Ni成分均匀化 奥氏体 不易在铁素体晶粒内形核 因此固溶处理后铁素体晶内奥氏体的析出很少 用铁素体 测定仪分析两相比例 结果显示 经过固溶处理的焊缝组织中奥氏体含量平均为 62 3 TIG焊盖面 57 4 MIG焊盖面 而没有经过固溶处理的焊缝组织中奥氏 体含量平均为54 9 TIG焊盖面 51 1 MIG焊盖面 比较两种焊接方法 可以 看出 采用较小热输入量的MIG焊盖面获得的焊缝组织晶粒较小 这是因为高的热输 入量会促使晶粒长大 有些论文中提到热输入量过小导致冷却速度过快 焊缝和热影 响区奥氏体来不及充分析出 会使焊缝和热影响区中的铁素体和氮化物含量过高降低 抗腐蚀性和韧性 图3 2为热影响区的金相组织 从图中可以看出 经过固溶处理后 的热影响区晶粒明显小于没有经过固溶处理的试件 这说明固溶处理过程中奥氏体的 重新析出过程会使铁素体的晶粒变小 用铁素体测定仪分析两相比例 结果显示经过 固溶处理的热影响区组织中奥氏体含量平均为53 3 TIG焊盖面 46 8 MIG焊 盖面 黑龙江工程学院本科生毕业论文 11 图 3 1 焊缝组织 a TIG 盖面焊后不固溶处理 b TIG 盖面焊后固溶处理 c MIG 盖面焊后不固溶处理 d MIG 盖面焊后固溶处理 图 3 2 热影响区金相组织 a TIG 盖面焊后不固溶处理 b TIG 盖面焊后固溶处理 c MIG 盖面焊后不固溶处理 d MIG 盖面焊后固溶处理 而没有经过固溶处理的焊缝组织中奥氏体含量平均为48 9 rI IG焊盖面 41 7 MIG焊盖面 比较两种焊接方法 可以看出MIG焊盖面获得的热影响区组织晶 粒较小 图3 3及图3 4为基体的金相组织 从图中可以看出 固溶处理前后的基体组 织没有发生明显变化 图3 3焊后不固溶处理基体组织 黑龙江工程学院本科生毕业论文 12 图 3 4 焊后固溶处理基体组织 3 2 力学性能实验 3 2 1 硬度试验 根据GB 2654 2008 用M 400 H1 型显微硬度计载荷25g 测定了4 组焊接接头焊 缝 热影响区和母材三个区域的的显微硬度 测试点位置见图3 5 硬度试验结果见 表3 6 从表3 6中可以看出采用两种焊接方法 焊后进行固溶处理与不进行固溶处理 得到的焊接接头的各区硬度均 HV305 约HB290 全部达到ASTM S32205 和API SPEC 5LC LC65 2205 标准的要求 另外可以看到在固溶处理后焊接接头的硬度有了 少量的提升 其原因是经过固溶处理后晶粒得到细化 使硬度提高的原故 同时发现 在整个焊接接头中 其硬度的几个峰值均出现在焊缝区 经分析可能的原因是 由于 使用的焊丝是2209 双相不锈钢焊丝 它的Ni 含量要高于母材 所以焊缝区由于Ni 含量的提高而硬化形成了硬度的峰值 黑龙江工程学院本科生毕业论文 13 图3 5 焊缝维氏硬度测试点位置示意图 表3 6 焊接接头硬度测试结果 3 2 2 夏比冲击试验 冲击试件加工成7 5 mm 10 mm 55 mm的V形缺口试样 对焊接接头的焊缝 热 影响区和熔合线 5mm处进行室温与一40 的低温冲击试验 其结果见表4 依据AsTM A923标准要求焊接试件在一40 最小冲击吸收功为53 J 从表4中可以看出两种焊接 方法焊接的2205双相不锈钢均符合标准要求 比较表4中四种工艺 可以看出经过固 溶处理的焊接试件的冲击性能高于没有经过固溶处理的焊接试件 这是因为在1 050 保温后水冷可以促进奥氏体的析出 同时消除脆性有害相盯相 恢复焊接试件 的韧性 尤其是热影响区的韧性旧J 比较两种焊接方法可知 采用MIG焊盖面得到的 黑龙江工程学院本科生毕业论文 14 试件抗冲击性优于TIG焊盖面得到的试件 这与晶粒的大小有关 晶粒细小的组织冲 击性能更好 图6为焊接试件焊缝冲击断口 将图6a与图6b比较 图6e与图6d比较可 以看出 经过固溶处理的试件晶粒细小 韧性优于没进行固溶处理的试件 其断口韧 窝多而小 比较两种焊接方法可以看出 MIG盖面获得的试件韧性比TIG盖面获得的试 件韧性好 图7为焊接试件熔合线处的冲击断口 将图7a与图7b比较 图7c与图7d比 较可以看出 没有进行固溶处理的试件晶粒粗大韧性较差 经过固溶处理的试件晶粒 细小韧性优于前者 比较两种焊接方法可以看出 rI IG焊盖面获得的试件晶粒较MIG 焊盖面获得的试件晶粒粗大 MIG焊盖面焊接试件以韧性断裂为主 这主要是因为在 MIG焊盖面过程中的热输入较小 晶粒细小 韧性大 冲击性能好 图 6 焊接试件焊缝冲击断口 a TIG 焊盖面焊后不固溶处理 b TIG 焊盖面焊后固溶处理 c MIG 焊盖面焊后不固溶处理 d MIG 焊盖面焊后固溶处理 图 7 焊接试件熔合线冲击断口 黑龙江工程学院本科生毕业论文 15 a TIG 焊盖面焊后不固溶处理 b TIG 焊盖面焊后固溶处理 c MIG 焊盖面焊后不固溶处理 d MIG 焊盖面焊后固溶处理 3 2 3 弯曲与拉伸性能试验 根据GB T228 2002 在WE一1000万能试验机上进行拉伸性能试验 根据 GB 2653 89 在zDM一30万能试验机上进行弯曲试验 d 40 mm n 180 依据API sPEc 5LC LC65 2205标准 要求焊接试件在室温下尺 620 MPa A 25 试验 结果显示 4种工艺获得的试件R乩值在560 570 MPa之间 R 值在715 730 MPa之 间 断面收缩率在28 一30 5 之间 试样均断于母材 由此可知 采用4种工艺焊 接的2205双相不锈钢的抗拉伸性能完全符合标准要求 比较试验结果的尺乩值与月 值发现 经过固溶处理的焊接试件与没有经过固溶处理的焊接试件的拉伸试验数据相 差不多 两种焊接方法不同 对焊接试件的抗拉伸性没有太大的影响 这是由于拉伸 试验中试件均断于母材 固溶处理对母材的影响不大 弯曲试验结果显示 正弯 背 弯均合格 3 3 焊接接头的三氯化铁腐蚀试验 试样尺寸为20 mm 10 mm 2 mm 试验按ASTMG48标准在6 的Fecl 溶液中浸泡 24 h PH 1 3 试验温度为 22 1 腐蚀试验前后对试样称重 计算平均腐蚀率 表5为焊接接头的平均腐蚀率 按AsTM G48标准要求腐蚀率不应超过10mdd 腐蚀率 mdd 失重 mg 试样面积 dm2 时间 天数 试验结果显示 4种工艺获得的 焊接试件焊缝 热影响区及基体金属耐三氯化铁腐蚀性能均符合标准要求 从表5结 果看 焊后进行固溶处理的焊接试件其抗点腐蚀性能更优 3 4 本章小结 1 两种焊接方法得到的焊接接头在焊缝 熔合线和熔合线 5mm 处的冲击韧性 都符合ASTM A923 要求 没有经过固溶处理的焊接接头中 MIG 焊盖面的冲 击韧性优于TIG 焊盖面的 经过热处理的焊接接头的冲击韧性要好于没有经 黑龙江工程学院本科生毕业论文 16 过热处理的焊接接头 2 两种焊接方法四种工艺得到的焊接接头拉伸试验结果显示断裂位置均发生在 母材部位 符合焊接接头抗拉伸强度要求 所有弯曲试样弯曲表面均无裂纹 表明四种工艺下的焊接接头都具有良好的抗弯曲性能 3 两种焊接方法得到的焊接接头的硬度均 HV305 约HB290 满足ASTMS32205 和API SPEC 5LC LC65 2205 要求 经过固溶处理后 焊接接头的硬度有小 幅度的上升 整个焊接接头中硬度的峰值出现在焊缝处 4 两种焊接方法获得的焊接接头的焊缝 热影响区组织的抗点腐蚀性能均小于 10mdd 满足ASTM G48 标准要求 两种焊接方法得到的焊接接头的抗点腐蚀 性能相差不多 采用MIG 焊盖面的焊接接头的抗点腐蚀性能稍稍高于采用 TIG 焊盖面的焊接接头 固溶处理的焊接接头的抗点腐蚀性能比没有经过固 溶处理的焊接接头的抗点腐蚀性能好 说明固溶处理有利于焊接接头抗点蚀 性的提高 黑龙江工程学院本科生毕业论文 17 结 论 1 针对2205 双相不锈钢板采用2209 焊丝进行了PAW打底 TIG 盖面和PAW打底 MIG 盖面两种焊接工艺的试验 在保证焊接接头奥氏体和铁素体两相比例 和其他各项性能的前提下 从大量的焊接工艺参数结果中筛选出最佳的焊接 工艺参数 并进行了重复验证试验 最终得到满足相比例要求的PAW 打底 TIG 盖面和PAW 打底 MIG 盖面两种焊接工艺 2 对PAW 打底 TIG 盖面和PAW 打底 MIG 盖面两种焊接工艺获得的焊接接头的 显微组织进行了观察和比较 两种焊接方法获得的焊接接头的两相比都符合 ASTMS32205 和API SPEC 5LC LC65 2205 要求 采用较高焊接热输入量的 TIG 焊盖面获得的焊接接头焊缝和热影响区的显微组织颗粒较MIG 焊盖面的 大 经过固溶处理也不能完全消除热输入量大而使晶粒粗大的影响 3 夏比冲击试验结果表明两种焊接工艺下得到的焊接接头的焊缝 熔合线和母 材在室温和 40 的冲击韧性都符合ASTM A923 要求 固溶处理后的焊接接 头的抗冲击性优于没有经过固溶处理的焊接接头 在固溶处理前采用较小线 输入量的MIG 焊盖面得到的焊接接头比TIG 焊盖面得到的焊接接头抗冲击性 要好一些 4 通过对最佳焊接工艺参数下施焊的2205 双相不锈钢板焊接接头的各种力学 性能试验 结果表两种焊接工艺下焊接接头硬度都符合ASTM S32205 和API SPEC 5LCLC65 2205 要求 拉伸试验中断裂位置均发生在母材部位 表明焊 接接头抗拉伸强度符合要求 弯曲试验结果显示焊接接头弯曲性能良好 5 两种焊接方法获得的焊接接头的焊缝 热影响区组织的抗点腐蚀性均满足 ASTMG48 标准要求 采用MIG 焊盖面的焊接接头的抗点腐蚀性能稍稍高于采 用TIG 焊盖面的焊接接头 经过固溶处理的焊接接头的抗点蚀性比没有经过 固溶处理的焊接接头的抗点蚀性好 黑龙江工程学院本科生毕业论文 18 参考文献 1 金晓军 双相不锈钢管道焊接质量控制和安全评定的研究 D 天津大学博士论文 2004 12 2 吴玖 双相不锈钢 M 北京 冶金工业出版社 1999 1 3 3 Nicholls J M Corrosion Properties of Duplex Stainless Steels General Corrosion Pitting and Crevice Corrosion R Duplex Stainless Steels 94 1994 4 Charles J Conf Proc Duplex Stainless steels 91 Beaune Les ditions de physique 1991 3 48 5 Bain E C Griffiths W E Introduction to the Iron Chromium Nickel J Alloys Trans AIME 1927 75 166 211 6 Weibull I Mat Des 1987 8 1 35 7 Jolly P Bulletine du Cercle d Etudes des Metaux 1973 12 5 317 8 吴玖 韩怀月 中国双相不锈钢的前景与展望 J 不锈通览 2002 1 7 9 孙长庆 双相不锈的发展 性能与应用 J 化工设备设计 1998 35 5 46 51 10 杨秀倬 00Cr18Ni5Mo3Si2 双相不锈钢在炼油工业中的应用 C 魏振宁 吴玖 双相 不锈钢论文集 北京 冶金工业出版社 1992 221 11 吴玖 姜世振 张宝林等 双相不锈钢应用 C 魏振宁 吴玖 双相不锈钢论文集 北京 冶 金工业出版社 1992 215 241 12 Nicholls J M AB Sandviken Steel S811 81 Sandviken Sweden 1993 12 13 陆世英 王增欣等 不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力腐蚀不锈钢 M 北京 原子能 出版社 1985 232 236 321 14 张建勋 李为卫等 2205 双相不锈钢焊接热影响区热模拟组织与冲击韧性 J 焊 管 2006 29 5 21 24 15 赵海鸿 祁励春 00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢焊接工艺研究 J 焊管 2008 31 1 29 32 16 李为卫 刘亚旭 赵新伟等 线能量对2205双相不锈钢焊接接头耐蚀性和韧性的影响 J 热加工工艺 2005 5 23 24 17 何德孚 曹志 蔡新强等 焊缝金属中的二次相析出及对双相不锈钢焊管性能的影响 J 焊管 2005 28 6 14 20 18 刘育琴 热处理对超低碳双相不锈钢性能的影响 J 上海钢研 1995 3 1 5 黑龙江工程学院本科生毕业论文 19 19 李为卫 宫少涛 熊庆人等 2205双相不锈钢的焊接性及焊接技术 J 热加工工艺 35 3 2006 36 38 20 刘俊龚 霍立兴 金晓军等 焊接工艺对SAF2205管道焊接接头组织和力学性能的影 响 J 焊管 27 3 2004 520 24 21 李尚周 2205双相不锈钢MIG焊接研究 J 焊接学报 1995 6 16 68 74 22 张德康 不锈钢局部腐蚀 M 北京 科学出处社 1982 143 23 侯锐鹏 任万里 热处理对2205双相不锈钢耐腐蚀性能的影响 J 山西冶金 2004 3 24 25 24 陆卫东 乐平等 00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的组织分析 J 热处理 2008 23 1 37 46 25 宋志刚 陈斌等 固溶温度对00Cr22Ni5Mo3N组织及性能的影响 J 钢铁研究学报 2004 16 4 47 50 26 吴忠忠 宋志刚 郑文杰等 固溶温度对超级不锈钢00Cr25Ni7Mo4N组织和性能的影 响 J 特殊钢 2006 27 4 11 13 黑龙江工程学院本科生毕业论文 20 致致 谢谢 随着我毕业论文的完成 我在黑龙江工程学院材料与化学工程系四年的大学本 科学习也即将结束 在这四年里我无论是在专业知识还是人生态度上都收获了许多 在这期间我自己固然付出了辛苦与汗水 但在成功的背后却有着许多关心我的老师和 同学的无私帮助与支持 在这里我要向他们致以衷心的感谢 首先 我要衷心的感谢我的指导老师王国星老师 在我的专业学习及毕业课题研 究期间 他给予我无私的帮助和指导 从毕业课题的选题 研究方向的确定 到论文 的最后完成 这一过程无不包含着王老师的心血 王老师在学术上和生活上都使我受 益匪浅 在思维方式的培养 解决问题的思路与方法方面 他指引我进入了一个全新 的世界 给了我很多有益的启发 不仅使我在学习及课题研究方面积累了宝贵的经验 而且拓宽了我的视野 开阔了我的思路 王老师渊博的知识 严谨的治学态度以及为 人师表 乐观向上的人生态度 永远值得我敬佩 其次 我还要特别感谢材料化学教研室的实验室的诸位老师 各位老师在我撰写 论文的过程中给了我很多宝贵的意见 使我受益匪浅 在我试验过程中给予了热情的 帮助 不仅对试验器材的使用与基本操作严格要求我 使我改正了以前的许多错误操 作 更重要的是在试验过程中我遇到了自己难以解决的问题 主动帮助我分析找出问 题的症结 再次 我要感谢黑龙江工程学院 给了我们这次学习和展现自己能力的机会 同 时 我还要感谢材料与化学工程系的全体老师 正因为有了他们往昔辛勤的劳动 才 有了我们今日如此良好的实验条件和学习环境 总之 感谢所有关心帮助过我的老师 同学 亲人和朋友们 黑龙江工程学院本科生毕业论文 21 附 录 Finite Element Analysis of Modeling Residual Stress Distributionin All position Duplex Stainless Steel Welded Pipe Xiaoj m JIN Lixing HU Yufeng ZHANG Xiaowei LI and Jun CAO On the basis of the thermal elastic plastic theory a three dimensional finite element numerical simulation is performedon the girth welded residuaI stresses of the duplex stainless steel pipe with ANSYS nonlinear finite element programfor the fi rst time Three dimensionaI FEM using mobile heat source for analysis transient temperature field andwelding stress field in circumferentiaI ioin