24mn18cr3ni062n奥氏体不锈钢的焊接性与焊接技术 毕业设计

毕业设计（论文）作者学号系部模具技术系专业焊接技术与自动化题目24MN18CR3NI062N奥氏体不锈钢的焊接性与焊接技术指导者评阅者2011年5月毕业设计（论文）中文摘要本文以24MN13CRO44N、24MN18CR3NI062N和1CR18NI9TI三种奥氏体不锈钢为研究对象，研究了24MN18CR3N062N在室温下的拉伸性能，该新型奥氏体不锈钢拉伸时没有明显的屈服平台，具有很高的强度和优良的塑性，拉伸时形成的滑移带粗大、密集，若金相截面，面平行或接近平行，还可发现具有正三角形的形变组织，拉伸断口为韧性断口，块状夹杂物为裂纹发源地之一，净化材料可以进一步提高材料的抗拉强度。同时，本文重点研究了两种高氮奥氏体不锈钢的磨粒磨损性能，并与24MN18CR3NI062N型奥氏体不锈钢作了对比探讨其磨粒磨损机理。试验结果表明，在三个低载荷下，24MN18CR3NI062N型不锈钢随载荷的增加，磨损量急剧上升，而两种高氮的奥氏体不锈钢受载荷的影响比较小。此外，磨粒的形状和粒度对材料耐磨性也有重要影响，在同样载荷下，在粗砂时要比细砂时磨损量大。磨损前期主要是磨粒磨损，最明显的特征是“犁沟”，后期以粘着磨损为主。接下来以粘着和剥落机制为主，剥落区内有部分犁沟痕迹，还有少量的微裂纹。随着载荷的增加，磨粒磨损加剧了，并且粘着磨损也提前了，出现了磨粒磨损和粘着磨损明显的交互作用。在磨损过程中，24MN18CR3NI062N型奥氏体不锈钢亚表层发生了。马氏体相变，而两种含氮的奥氏体不锈钢很少或几乎没有。马氏体出现，但出现了大量的位错和形变孪晶。在对磨损剖面形变层的硬度进行测试时发现，普通的不锈钢由于发生了马氏体相变，硬度增加明显，而两种含氮奥氏体不锈钢几乎没有发生马氏体相变，硬度增加不是很多，即在低载荷下，加工硬化不足。一个可能的结论是此新型奥氏体不锈钢正如高锰钢一样，在高载荷下，它的耐磨性才表现得更为突出。ABSTRACTBASEDON24MNA13CR44NO24MN,A18CR3NIA062NANDICR18NIGTITHREEAUSTENITICSTAINLESSSTEELISSTUDIED24MNA18CR3NIA062NATROOMTEMPERATURE,THETENSILEPROPERTIESOFTHENEWAUSTENITICSTAINLESSSTEELTENSIONWHENNOOBVIOUSYIELD,HIGHSTRENGTHANDHIGHPLASTICITY,STRETCHINGTHEFORMATIONOFSLIDINGWITHBULKY,DENSE,IFONE111SECTIONANDMETALLOGRAPHICSURFACEPARALLELORCLOSE,PARALLEL,STILLCANFINDPOSITIVETRIANGULARDEFORMATION,THETENSILEFRACTURETOUGHNESS,FRACTURE,ANDFORTHEMASSIVEINCLUSIONSFORCRACKCRADLESANDPURIFICATIONMATERIALSCANFURTHERENHANCETHETENSILESTRENGTHOFMATERIALSATTHESAMETIME,THISPAPERFOCUSESONTWOKINDSOFHIGHNITROGENAUSTENITICSTAINLESSSTEELOFABRASIVEWEARPERFORMANCE,AND24MN18CR3NI062NTYPEAUSTENITICSTAINLESSSTEELCONTRAST,DISCUSSESTHEABRASIVEWEARMECHANISMEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATINTHETHREELOWLOAD,24MN18CR3NI062NTYPESTAINLESSSTEELWITHLOADINCREASES,WEARISRISINGQUICKLY,ANDTWOKINDSOFHIGHNITROGENAUSTENITICSTAINLESSSTEELLOADOFACOMPARATIVELYSMALLIMPACTINADDITION,THEGRAINSHAPEANDSIZEOFMATERIALALSOHAVEANIMPORTANTIMPACTRESISTANCE,WITHTHESAMELOADINSAND,SANDTHANWHENLARGEAMOUNTOFWEARTHEMAINWEARABRASIVEWEARISTHEMOSTOBVIOUSCHARACTERISTICS,IS“,“LATEINGULLYADHESIVEWEARNEXTTOSTICKANDSPALLINGMECHANISM,PEELINGAREA,THEREAREPARTOFAFURROWMICROCRACKSWITHTHEINCREASEOFLOAD,ABRASIVEWEARSHARPENED,ANDADHESIONWEARALSOAPPEAREDAHEADOFABRASIVEWEARANDADHESIONWEARAPPARENTINTERACTIONINTHEWEARPROCESS,24MN18CR3NI062NTYPEAUSTENITICSTAINLESSSTEELANDSURFACEMARTENSITETRANSFORMATION,ANDTWOKINDSOFNITROGENAUSTENITICSTAINLESSSTEELLITTLEORNOMARTENSITEAPPEARED,BUTAPPEAREDALOTOFDISLOCATIONANDDEFORMATIONHALFCURLEDCHIPTOWEARPROFILESINTHEHARDNESSTESTINGDEFORMATIONLAYER,ORDINARYSTAINLESSSTEELDUETOMARTENSITETRANSFORMATION,HARDNESS,ANDTWOSIGNIFICANTLYINCREASEDNITROGENAUSTENITICSTAINLESSSTEELALMOSTNOMARTENSITETRANSFORMATION,HARDNESS,LOWINNOTMANYLOADS,PROCESSINGSCLEROSISTHECONCLUSIONISAPOSSIBLETHEAUSTENITICSTAINLESSSTEELASHIGHMANGANESESTEEL,HIGHLOAD,ITSWEARABILITYTOBEHAVEMOREOUTSTANDING目录第一章绪论511奥氏体不锈钢的应用511含氮及高氮奥氏体不锈钢的制造与应用612氮在奥氏体不锈钢中的存在形式和作用9121氮的存在形式及作用9122氮对奥氏体不锈钢力学性能的影响10123氮对奥氏体不锈钢腐蚀性能的影响13第二章24MN18CR3NI062N奥氏体不锈钢焊接技术1721含氮奥氏体不锈钢焊接存在的问题及其原因1722试验材料化学成分1823焊接工艺要点1824焊接方法20241焊条电弧焊20242埋弧焊22243氨弧焊有钨极氢弧焊TIG和熔化极氢弧焊MIG两种24244电渣焊28245结论2825焊后热处理工艺28第三章奥氏体不锈钢性能试验3031焊接接头力学性能试验3031L力学性能试样取样方法30312焊接接头拉伸试验31313焊接接头弯曲试验32314焊接接头硬度3332本章小结34第四章含氮不锈钢无损检测3541奥氏体不锈钢无损探伤检测35411超声检测35第五章总结37致谢38参考文献39第一章绪论奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的一类钢，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70，钢号也最多L。最常用的奥氏体不锈钢是FECRNI系合金即美国的AISI300系FECRNIMN系即美国的AISIZOO系特殊奥氏体不锈钢等三种。由于奥氏体不锈钢具有良好的力学性能、耐腐蚀性能、焊接性能以及易冷热成型性能，因而在化工、石油化工、航空、航天、能源、交通、生物医药、食品和其它行业中得到了广泛的应用。但由于其硬度偏低200250HV、耐磨性较差，使用受到限制。在1926年，由于战争导致镍的短缺，激发人们研究用氮取代部分镍来稳定奥氏体。也许ADCOCK是第一个研究钢中加入氮的作用。在奥氏体不锈钢中加入氮，可以稳定奥氏体组织、提高强度，并且提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。因此，近年来含氮和高氮奥氏体不锈钢的研究受到广泛的重视。11奥氏体不锈钢的应用奥氏体不锈钢是为了克服马氏体不锈钢的耐蚀性能差和铁素体不锈钢脆性过大的缺点发展起来的。奥氏体不锈钢于1913年在德国问世以后，在随后的80多年内，奥氏体不锈钢一直是根据各种技术要求和当时的生产能力按不同道路不断地发展起来的。奥氏体型不锈钢其显微组织为奥氏体。它是在高铬不锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为825）而形成的，具在奥氏体组织的不锈钢。奥氏体型不锈钢以CR18NI19铁基合金为基础，在此基础上随着不同的用途，发展成图12所示的铬镍奥氏体不锈钢系列。奥氏体型不锈钢一般属于耐蚀钢，是应用最广泛的一类钢，其中以188型不锈钢最有代表性，它是有较好的力学性能，便于进行机械加工、冲压和焊接。在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和良好的耐热性能。但对溶液中含有氯离子（CL）的介质特别敏感，易于发生应力腐蚀。188型不锈钢按其化学成分中碳含量的不同又分为三个等级一般含碳量（WC015）低碳级（WC008）和超低碳级（WC003）。例如我国国家标准中的1CR18NI9TI、0CR18NI9、00CR17NI14M02三种钢板分属上面三个等级。世界许多国家都感到镍储量的紧缺。为了节省镍，早在四、五十年代世界上就开始用锰和氮取代188型不锈钢中的部分镍。研制并列入国家标准的钢板牌号有1CR17MN6NI5N和0CR19NI9N等。奥氏体铁素体型不锈钢其显微组织为奥氏体加铁素体。铁素体的体积分数小于10的不锈钢，是在奥氏体钢基础上发展的钢种。沉淀硬化型不锈钢按其组织形态可分为三类沉淀硬化半奥氏体型、沉淀硬化马氏体型和沉淀硬化奥氏体型不锈钢。列入我国国家标准钢板牌号的0CR17NI7AL、0CR17NI4CU4NB和0CR15NI7M02AL三种,是属于沉淀硬化半奥氏体型不锈钢。该钢的组织特点是在固溶或退火状态时具有奥氏体加体积分数为80的铁素体组织。这种钢经过系列的热处理或机械变形处理后奥氏体转变为马氏体，再通过时效析出硬化达到所需要的高强度。这种钢有很好的成形性能和良好的焊接性，可作为超高强度的材料在核工业、航空和航天工业中，得到应用。12含氮及高氮奥氏体不锈钢的制造与应用具有优良机械、抗蚀性能的含氮奥氏体不锈钢可以用常规加工制造方法就可以达到，为了能够得到高的氮含量，方法有以下几种1加压熔炼2加压等离子熔炼3压力电渣重熔4热等静压下的粉末冶金P/M一HIP其中在粉末冶金中采用1压缩气体原子化2在液态反应床或旋转炉中的氮化3热等静压加氮4反应机械合金化。由于高氮奥氏体不锈钢有着优良的机械性能、抗腐蚀性等，使其具有广泛的用途1、用作低温、超导结构用钢许多高技术领域都需要新型的高性能结构材料，如超导、超低温技术、受控射核聚变装置V、超导磁悬浮列车、高速无噪声的船舶推进装置，超导磁场的磁分离技术等。另外，在煤化工的低温泵阀、低温容器，低温海洋设备等许多方面都需要高性能的无磁结构钢。无磁结构钢在国防上也应用很多，如潜艇、扫雷艇等。为制造以上这些装置、容器、零部件，必须要有在不同低温下工作的具有优良性能的低温奥氏体钢。由于各种低温技术的温度、应力等服役条件不同，因此对所需结构材料的性能要求也不同。所以开发了各种系列用途的低温钢。对于大型的超导磁体承载结构，含N的非磁性可以达到。它在环境压力下熔炼，可以在焊接时不会有排气现象超导磁铁房的结构材料，可抵抗超导磁铁的强大的磁力，另外有低的马氏体转变倾向，高的弹性模量，低的热、电导率和及好的低温断裂韧性。2、石油化工等领域的应用其优越的抗腐蚀性能，使其广泛的应用在化学设备、石油化工等领域含氮055的5CRMNN18钢经过固溶退火和淬火后，它的屈服强度超过了600MPA。该种钢可以在冷加工状态下，抵抗在100水中的应力腐蚀断裂。因此适合用来制造固定环，该环装在发动杆上，预制了紧缩力来抵抗离心力，而且还具有冷膨胀效应含氮08左右，屈服强度钢具有更高的抗腐蚀能力。因此，这种钢被用来烟气脱硫和有盐水污染的石油开采、埋污入土污水处理以及制浆和纸的生产等装置中含氮奥氏体钢还可用于制作冷加工不锈钢钢丝，其最大强度大于2000MPA，高的形变硬化系数使得在中等形变后即可获得高的强度的大直径丝材。用于海洋、抵抗潮湿环境腐蚀的高强度缆绳表明了这方面的应用前景。报道了普通奥氏体不锈钢己不能满足油井管和钻杆中使用的无磁钻挺对无磁性、高的组织稳定性和高强度的要求，高氮奥氏体不锈钢有望在此领域得到广泛应用。3、高温环境下的应用用高氮奥氏体不锈钢制成的冷加工丝材，经应变时效后，其强度可提高到25OOMPA。因此可用氮奥氏体制成低应力松弛弹性材料。用这样的材料制成弹簧可在高温下使用。这是因为同碳奥氏体相比，氮奥氏体应变时效峰温度向上移了100一150。屈服强度1000MPA，高强度、高温下的应用的连接材料使用了离心铸造和压力锭凝固技术使得在FE一C卜腼奥氏体钢中达到的氮含量为075WT。这些合金在高温下的抗拉和抗蠕变性能要优于那些AISI300系列该种合金被考虑在高温场合使用。4、生物医学方面的应用医用不锈钢是生物植入材料的主体，研究开发高耐蚀性、高耐磨性、高疲劳强度和高韧性生体合金非常重要L0。由于对高氮不锈钢的深入研究，低镍和无镍C卜MN一N型奥氏体不锈钢的研究引起关注。一些研究学者提出把高氮的C卜MN一N奥氏体不锈钢应用于生物医学，这种不锈钢有良好的抗腐蚀能力，特别是抗点蚀和晶间腐蚀，而且具有较高的耐蚀性，重要的是钢中没有镍元素，从而可避免镍元素在人体内造成的致敏性及其它组织反应。含NO85WT左右的压力电渣重溶钢XSCRMNN1818具有生物相容性。因此，它适合用来做成装饰珠宝和牙架新型的无镍奥氏体不锈钢在生物医用骨架材料上有很好的应用前景。5、在发电、核工业等领域的应用我国“七五”期间引进18MN05N钢用来制造发电机转子护环等部件。316LN含有008WT的氮，成为快速增殖反应堆的备选结构材料最近的用途是用作发电电机的两端的保持环，其要求是屈服强度1OOOMPA，而且有足够的韧性，高的形变硬化率，低磁导率，良好的应力腐蚀和点蚀抗力。通常这种环由冷变形加工而得到，这样会使碳化物一氮化物容易析出，要找到一个不易析出的材料，因此采用FE一18CR一18MN一06N来取代FE一18MN一4CR一06C和FE一SMN一SNI一4CR06C。因为后两者在使用时会析出碳化物，替代材料的氮化物析出速度需慢得多奥氏体不锈钢用来做轻水堆的连接件和管材，在快中子增殖反应堆中作结构材料L3，缘于良好的抗蚀性、可焊性和高温机械性能。另外，高氮奥氏体不锈钢在工业上的用途还有造船、铁路等，如线材，弹簧，滑雪板的板边材料，火车的轮子等等。高氮奥氏体不锈钢的在变形时组织保持稳定，马氏体转变被完全抑制，这一点用在断裂控制、良好的尺寸公差和没有铁磁相的场合。13氮在奥氏体不锈钢中的存在形式和作用131氮的存在形式及作用N的性质与C相类似，是生成间隙相的主要元素，这是由它较小的原子尺寸及电子层结构所决定的，在奥氏体类不锈钢中，N绝大部分固溶于奥氏体中，固溶于铁素体中的N的量很少。在低于1200时，加氮仅能轻微抑制铁素体的形成，高于1200时，在约含7SWTNI的合金中，氮能够强烈稳定奥氏体结构。N在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用相当于NI的25倍左右。氮稳定奥氏体的能力亦大于碳。氮会降低CR在钢中的扩散系数，阻碍碳化物形核及长大。因为加入氮会降低M23C6的晶格参数，增加了界面位错，这将延缓其生长。在常规的18一8型奥氏体不锈钢中会有少量铁素体存在，随钢中含C量的降低，铁素体量将增加，而加入N则弥补了降C对组织带来的不利影响。N的增加在减少钢中铁素体相比例的同时，对其存在形态也有较大影响，使铁素体逐渐由网状、长条状向短棒状、孤岛状转变，从而降低了网状铁素休对奥氏体钢强度和塑性的不良影响。N与钢中合金元素相互作用的重要性表现在氮化物的弥散现象。在奥氏体钢中存在许多弥散氮化物，主要是CRZN的弥散。CRZN为立方晶格结构，在CR、NI含量较高的ALSL310中的溶解度要比在ALSL304钢中的溶解度低。在含有TI和NB的钢中，会有TIN和NBN形成。有趣的是在含有NB的ALSL347钢中，N与NBC或C与NBN结合可提高它们在奥氏体中的溶解度尽管NBN溶解度要比NBC小得多在含NB奥氏体钢中，增加N含量可显著促进平衡方程式M4X3向MX移动，说明N占据着碳化物的间隙空间四。在含NB钢中，人们也发现了复杂的CRSNB3N及CRNB从称为Z相氮化物形成，在加工过程中，Z相在晶粒边界发生弥散现象，可提高钢的强度。在奥氏体钢中N延缓碳化物M23Q及金属间化合物的析出。这可能是由于CRZN的析出减少固溶的CR含量。CRZN的析出也有害处，含氮奥氏体钢在500一1050温度范围内时效过程中对CRZN等化合物较敏感，这些化合物的析出会导致时效脆化并会降低钢的塑韧性，特别是低温韧性。综合上述，N在不锈钢中主要通过N固溶强化、氮化物的弥散强化和晶粒细化三种途径来改善钢的性能。122氮对奥氏体不锈钢力学性能的影响由上面我们知道，氮的作用除了部分替代贵重的镍，主要是作为固溶强化元素提高奥氏体不锈钢的强度，而且并不显著损害钢的塑性和韧性。氮提高不锈钢强度的途径主要有3种固溶强化、晶粒尺寸强化和形变硬化脚L。氮元素提高强度的作用比碳及其它合金元素强，是最有效的固溶强化元素见图12，MNCR可提高N在钢中的溶解度见图1一3即。氮和碳非常相似，同是间隙固溶体成元素，并且也表现出类似的特性。氮和碳都能在铁的合金里溶解，形成间隙固溶体，并且能形成稳定的金属间化合物，但是对合金的力学性能以及后面要介绍的腐蚀性能有不同的影响。氮比碳具有更有效的固溶强化作用，按原子含量相比氮的固溶强化效果是碳的两倍，除此之外，氮还可以细化晶粒，按照HALL一PETCH关系起到细晶强化作用。氮减少奥氏体中密排不全位错、限制了含间隙杂质原子团的SPLINTERED位错运动。因此，其强化效应比碳强。加入0L的氮可使CRNI奥氏体不锈钢的室温强度OB，A02提高60一LOOMPAL。氮对奥氏体不锈钢的形变硬化作用也很显著，氮的增加导致滑移平面和形变孪晶增加，而活跃的滑移面和孪晶层则有效地阻止了位错运动和孪晶扩展，从而强烈地增大了奥氏体钢的形变硬化率。图12在AISI304和301奥氏体不锈钢重CR2N想平衡的N的溶解度近十年的研究表明，氮的大量加入可使奥氏体不锈钢达到非常高的强度，使其应用范围更加广泛。受温度和含氮量的影响，随含氮量的增加，晶粒尺寸强化作用将增大。在低温下，氮的晶粒尺寸强化显得更有效，而在高温下氮的这种作用变小甚至消失。加氮后，钢的抗拉强度和屈服强度升高，伸长率略有降低。这是由于氮的间隙强化、固溶强化所造成的。含氮钢的屈服强度由三部分组成，即基体强度、氮原子间隙固溶在奥氏体FCC中而导致的晶界强化和固溶强化。氮的固溶强化减缓了钢的回复速率。氮的晶界强化效应可用HALL一PETCH方程描述。图1一4说明了固溶N对奥氏体钢抗拉强度的影响大于对屈服强度的影响。加N奥氏体不锈钢在强度提高的同时，对塑性、韧性影响却不大，通常奥氏体钢的6值大于40，即加N后钢仍具有良好的塑性。图1一5是在室温下固溶N对奥氏体不锈钢屈服强度及断裂性能的影响，固溶N提高钢的强度同时，并不降低断裂韧性。N对抗蠕变性能的作用远高于CLS3，C降低断裂韧性，而N对其无显著影响。原因是在蠕变过程中，C的加入使粗大的碳化物CR23C6分布于晶粒边界，而N的存在使细小的FEZMO颗粒弥散于晶粒边界。奥氏体不锈钢的抗蠕变性能随氮含量的增加而提高，其原因是由于弥散强化作用增强特别是当钢中含有NB时，生成NBC哟弥散强化相。图12奥氏体不锈钢的固溶强化效应图13合金元素含量对氮在铁中溶解度的影响（1600，1013KPA）图14N对奥氏体不锈钢抗拉强度的影响图15室温下固溶氮对奥氏体不锈钢图16不同温度下N含量对ASIS304屈服强度及断裂韧性的影响及316钢105小时断裂应力影响氮提高了奥氏体不锈钢耐磨性的主要原因是有氮化物的析出，但这样会降低钢的耐腐蚀性能，同时使钢的塑性变坏。N合金化可提高滑动摩擦抗力，最主要的原因是N合金化会提高硬度和应变硬化效果，亚稳态的奥氏体会进一步提高应变硬化效果。含N钢中很少会发生应变诱发马氏体的产生，磨损抗力取决于耐磨和不耐磨材料的硬度比值。同样，耐磨物质的本质、性状、尺寸和棱角锋利情况都对高氮奥氏体不锈钢有影响。如果被磨损材料的硬度与耐磨材料相差不大，甚至超过耐磨材料，那么加工硬化可以提高高氮奥氏体不锈钢的耐磨性。利用离子表面注入改性技术，可以得到一层高氮层，可以同时提高表面硬度、耐磨性及抗蚀性。可能是由于注入氮原子缀饰位错或进入奥氏体固溶体所产生的固溶强化，矿注入显著强化了奥氏体不锈钢的表面，提高了表面硬度。该项技术改变了以往表面沉积、电镀、化学镀等镀层与基体结合力差的问题。123氮对奥氏体不锈钢腐蚀性能的影响不锈钢在腐蚀介质作用下,在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。1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,就失去了抗腐蚀能力,在腐蚀介质作用下,即产生晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢,从表面上看来没有痕迹,但在受到应力时即会沿晶界断裂,几乎完全丧失强度。2减少和防止晶间腐蚀的措施控制含碳量碳是造成晶间腐蚀的主要元素,含C量越高,奥氏体晶界处形成的碳化铬越多,贫铬现象越严重,晶间腐蚀越大,所以焊接时采用含碳量小于003的焊条,不会产生晶间腐蚀。进行固溶处理焊后将接头加热到10501100,使碳化物重新溶解到奥氏体中,然后迅速冷却,稳定了奥氏体组织。另外,也可以进行850900保温2H的稳定化热处理使奥氏体晶粒内部的铬扩散到晶界,晶界处的含铬量重新恢复到大于12,就不会产生晶间腐蚀。添加稳定剂在钢材和焊接材料中加入TI、NB等与碳的亲和力比铬强的元素,能够与碳结合成稳定的化合物,从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。如1CR18NI9TI、1CR18NI2MO2TI钢,E34715、H0CR19NI9TI焊丝等。改变焊缝的组织状态使焊缝由单一的奥氏体相改变为奥氏体加铁素体双相,CR在铁素体中扩散速度比在奥氏体中快,因此,铬在铁素体中较快地扩散到晶界,减轻了奥氏体晶界贫铬现象。快速冷却因奥氏体钢不会出现淬硬现象所以在焊接过程中加快冷却速度,缩短焊接接头在危险温度区的停留时间,以免形成贫铬区。焊接接头的刀状腐蚀1原因在焊缝和基本金属的熔合线附近,发生如刀刃状的晶间腐蚀,称为刀状腐蚀。只发生于含有稳定剂钛、铌的奥氏体钢如0CR18NI11TI的焊接接头上,产生的原因也和CR23C6析出后形成的贫铬层有关。焊接时,过热区的峰值温度高达1200以上钢中的TIC溶入奥氏体,分解出的碳在冷却过程中偏聚在晶界形成过饱和状态,而钛则因扩散能力远比碳低而留于晶内,当接头在敏化温度区间再次加热,过饱和的碳在晶间以CR23C6形式析出,在晶界形成贫铬层,使耐腐蚀能力降低。2防止刀状腐蚀的措施降低含碳量最好采用超低碳不锈钢,C006。减少近缝区过热尽量采用小的热输入,以减少过热区在高温停留时间。合理安排焊接顺序双面焊时与腐蚀介质接触的焊缝应尽可能最后焊。焊后稳定化处理将焊件加热到10501100,使过热区的碳与稳定剂结合为稳定的碳化物。应力腐蚀开裂问题金属在应力和腐蚀介质共同作用下,所发生的腐蚀破坏叫做应力腐蚀开裂。1原因在化工设备的破坏事故中,由于不锈钢的应力腐蚀开裂造成事故占50,破坏涉及几乎所有耐蚀材料。开裂时没有任何变形,因而事故往往是突发性的,后果严重。拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂的必要条件,表1列出了造成应力腐蚀开裂主要应力的来源。可以看出,应力主要来自于制造过程,因而焊接应力造成事故占到30以上。表1引起不锈钢应力腐蚀开裂的主要应力来源2防止应力腐蚀开裂采取的措施正确选用材料根据介质特性,选用对应力腐蚀开裂敏感性低的材料是防止应力腐蚀开裂最根本的措施,主要有高纯铬镍奥氏体不锈钢,高硅铬镍奥氏体不锈钢,铁素体奥氏体双相钢等。消除焊件残余应力采用消除应力热处理及由机械方法降低表面残余应力或造成压应力如进行喷丸状态。对材料进行防腐蚀处理通过电镀、喷镀、物理等方法,用金属或金属覆盖层将金属与腐蚀介质隔离。改进部件及接头设计由于设计得不合理往往会形成较大的应力集中或在制造中产生较大的残余应力,这是产生应力腐蚀开裂的重要条件。第二章24MN18CR3NI062N奥氏体不锈钢焊接技术21含氮奥氏体不锈钢焊接存在的问题及其原因奥氏体不锈钢比其他不锈钢的焊接性好。在任何温度下都不会发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下奥氏体不锈钢接头也有较好的塑性和韧性。但焊接的主要问题是焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应力腐蚀等。此外，因导热性差，线胀系数大，焊接应力和变形较大。经验表明，奥氏体不锈钢厚板的焊接主要有以下几方面问题2材料厚度大，其焊接接头的拘束度大，焊后产生较大的焊接残余应力，进而发展为焊接裂纹由于奥氏体本身的特点，即柱状晶的方向性很强，有利于杂质的偏析以及晶格的聚集，这样，在焊接中易产生焊接裂纹在对奥氏体钢厚板进行多层焊焊接时，碳化铬在500800温度范围内沿晶界析出，形成贫铬区，极易产生热裂纹。因此，对厚板奥氏体不锈钢的焊接必须采取合理的焊接工艺，严格按照焊接规范施焊，以保证其焊接质量。焊缝和焊接部件的热裂敏感性是由力学因素和冶金因素相互作用决定的。在奥氏体不锈钢材料中，抗热裂性主要由下列因素决定4一次结晶的类型和残余6铁素的含量合金元素和杂质的影响偏析的影响脱氧还原的影响材料的焊接工艺参的影响结构设计的影响。前4个因素是冶金方面的，而结构设计的影响属于力学因素。材料厚度和焊接参数，既有冶金的因素也有力学的因素。这两种因素相互作用，不仅影响凝固、结晶的程和成分过冷，也影响内应力和收缩变形。对于厚板奥氏体不锈钢的焊接，板厚的影响占主要作用。材料板厚的影响是多方面的。随着板厚的增加，裂纹敏感性增大对奥氏体钢热裂纹敏感性的影响主要在力学方面随着材料厚度的增加，焊接应力将会由于整个构件的变形而增大。在较厚的材料中，应力集中和由材料收缩而引起的内应力更大，而且更易集中于焊接区域。当焊接厚板时，力学因素对裂纹形成的影响变得重要。根据研究，与薄板焊接相比，焊接厚板时，焊缝中压应力到拉应力的转变更快，发生转变的温度更高。因此，焊缝和热影响区在高温时会更早地承受拉应力，从而增加形成热裂纹的倾向。22试验材料化学成分试验材料选用正在开发的节镍奥氏体不锈钢24MN18CR3NI062N，其主要化学成分见表21。本试验中主要就其开发过程中焊接的相关关键问题进行研究。选择出合适的焊接材料，调整此钢种焊接接头的化学成分，以保证熔敷金属中氮及其他合金元素含量合理。同时制定合理的焊接工艺，以解决在焊接过程中可能出现的热裂纹等问题，严格控制焊缝金属的凝固模式。并通过焊接接头的拉伸、弯曲、硬度等力学性能试验以及金相观察、电子探针等试验手段，检测其焊接性能。从而调整并完善其焊接工艺参数，保证产品能获得应有的性能，为今后其工业应用提供直接的加工依据。表21母材化学成分（）CSIMNNICRCUNSP0090030992030991152591540130001002723焊接工艺要点（1）焊前准备根据钢板厚度及接头形式,用机械加工、等离子切割或碳弧气刨等方法下料和加工坡口。对接接头板厚超过3MM须开坡口,为了避免焊接时碳和杂质混入焊缝,在焊前应将焊缝两侧20MM30MM范围内用丙酮擦净,并涂白垩粉,以避免表面被飞溅金属损伤。（2）点固焊点固焊所用的焊条与正式焊接所用的焊条型号应相同,并且直径要稍细些。点固焊焊点高度不超过工件厚度的2/3,长度不超过30MM。（3）热输入焊接奥氏体不锈钢不能用大焊接热输入，一般焊接所需的热输入比碳钢低20一30。过高的焊接热输入会造成焊缝开裂，降低抗蚀性能，变形严重和接头力学性能改变。采用小电流、低电压短弧焊和窄焊道快速焊可使热输入减小，采用必要的急冷措施可以防止接头过热的不利影响。（4）破口加工焊接接头设计时，为了保证构件的强度和避免过大的角焊缝尺寸，一般中厚板的对接接头和T形接头都要进行开坡口焊接。坡口形式主要由接头强度、焊接方法、焊接效率、焊接成本等综合因素决定。如果坡口精度坡口角度、钝角尺寸、坡口表面粗糙度和平直度等高，则焊缝质量就能保证，焊接成本也低反之坡口精度差，易出现严重的焊接缺陷，焊接成本也随之增加。（5）缝污染奥氏体不锈钢焊缝受到污染其耐蚀性能和强度变差。外来污染有碳、氮、氧、水等。碳污染能引起裂纹和改变力学性能并降低抗蚀性能。碳来自车间灰尘、油脂、油漆、作标志用的材料和工具中。因此，焊前必须对焊接区表面坡口及其附近作彻底的清理，清除全部碳氢化合物及其他污染物。薄的氧化膜可用浸蚀酸性方法清除，也可用机械方法，如没有用过的不锈钢丝刷或砂轮喷丸等手段。层间若有焊渣必须清除后再焊，以防止产生夹渣，最后焊道表面也应清渣，最好用钢丝刷或机械抛光去除。为了比较不同焊接方法下试样的接头性能，本试验采用两种不同的焊接方法，分别为钨极氢弧焊（TIG）和手工电弧焊。同时改变焊接线能量焊接试板，观察不同焊接线能量对此钢种焊接接头凝固模式的影响及接头显微组织的改变。选用钨极氢弧焊，其保护气体为纯AR，故可以避免焊缝中金属元素的烧损和由此带来的其它焊接缺陷。由于这种焊接方法电弧稳定，热量调节方便，使输入焊缝的焊接线能量更容易控制。手工电弧焊时采用选定的E309L16（AO62）钦钙型药皮的超低碳不锈钢焊条为焊接材料。选用RILTIG315AC/DC型逆变氢弧焊机作为试验的焊接电源。试验所用不锈钢板尺寸均为3O0X20OX4MM，根据试板厚度及相关焊接工艺手册制定焊接工艺规范脚。两种焊接方法所选取的焊接工艺规范。24焊接方法由于奥氏体不锈钢具有优良的焊接性，几乎所有的熔焊方法和部分压焊方法都可以焊接。但从经济、实用和技术性能方面考虑，最好采用焊条电弧焊、惰性气体保护焊、埋弧焊和等离子焊等111。但在厚板奥氏体不锈钢焊接中惰性气体保护焊和等离子焊，从经济角度考虑不适合选用。一般奥氏体不锈钢的选材原则是选用与母材相同化学成分的焊材。由于焊接接头在组织、性能和应力分布上与母材存在差异，是焊接接头往往成为结构中的薄弱环节。通常是根据不锈钢材质、工作条件工作温度、接触介质和焊接方法来选用焊接材料。原则选用焊缝金属的成分与母材相同或相近的焊接材料。241焊条电弧焊厚度在ZMLN以上的不锈钢仍以焊条电弧焊为主，因为焊条电弧焊热量比较集中，热影响区小，焊接变形小，适应各种焊接位置与不同板厚工艺要求，所用设备简单。此外，现在所用的焊条类型、规格和品种多，且配套齐全。但是，焊条电弧焊对清渣要求高，易产生气孔、夹渣等缺陷，合金元素过渡系数较小，与氧亲和力强的元素，如钦、硼、铝等易被烧损。由于含碳量对不锈钢的耐蚀性能影响很大，因此，选用熔覆金属含碳量不高于母材的焊条。对奥氏体耐热不锈钢主要应选用能满足焊缝金属的抗热裂性能和接头高温性能的焊条。对于要求纯奥氏体不锈钢的焊缝或在结构刚性很大，焊缝抗裂性能差时，宜选用碱性药皮的奥氏体不锈钢焊条。对于具有双相奥氏体不锈钢的焊缝因含有一定量的铁素体，其塑性和韧性较好，这时宜选用焊接工艺性能好的钦型或钦钙型药皮类型的焊条。在保证焊透和熔合良好的条件下用小电流快焊速，使焊接熔池受热尽可能小。平焊时，厚板奥氏体不锈钢焊接技术及焊缝超声波检测的研究进展控制在2一3RNRN，直线焊不作横向摆动，为的是减少熔池热量，防止铬等有利元素烧损。层焊时，层间温度不易过高，可待冷却到60以下再清理渣和飞溅物，然后再焊。其层数不易过多，每层焊缝接头相互错开。不在非焊部位引弧，焊缝收弧一定要填满弧坑，否则产生弧坑裂纹成为腐蚀起源点，有条件的尽量使用引弧板和收弧板。以对接接头为例，V形坡口适用于中厚钢板的对接，且反面施焊有困难或根本无法施焊的场合。V形坡口一般在4060之间。为了避免烧穿，一般加工14NUN之间的钝边。随着对接板厚的增加，V形坡口的焊缝填充金属量就急剧增加，如果可以正反面施焊，宜设计成X形坡口，这样可节省填充金属，又因正反两面施焊，焊缝对称，可以减少角变形。在同样厚度下，X形坡口比V形坡口，约能节约L/2的填充金属量，它主要用于大厚度以及要求变形较小的结构中。U形及双U形坡口，由于有根部半径，坡面角可很小，故填充金属量更少比V形和X形坡口都少，焊接变形也少，但这种坡口加工较复杂，加工费用高。一般只在较重要的及板厚较大的结构中采用，随着厚板奥氏体不锈钢的应用越来越广泛，这种形式的坡口采用也越来越多。表22氮强化奥氏体不锈钢手工焊焊条成分AWS型号CCRNIMOMNSIPSNCU母材UNS钢号205951540010E209006090003003075S201902401203070031905580010E219060075100003003075S219002157010003017040105010E240006075100003003075S2400019060135020S24100焊接材料的选择首先决定于具体焊接方法的选择。其次，在选择具体焊接材料时，应注意适用性原则。也就是说应根据具体的用途和使用服役条件（工作温度、接触介质），以及对焊缝金属的技术要求选用焊接材料。原则上是选用与母材成分相同或相近的材料。然后根据所选焊接材料的具体成分来确定是否使用，并通过工艺评定试验加以验收。根据不锈钢焊接材料的选择规范，特别是注意含碳量，选用含碳量不应高于母材的不锈钢焊条，针对本钢种较特殊的化学成分，初步选定E3OGL一16（AO62）钦钙型药皮的超低碳不锈钢焊条为焊接材料。焊条化学成分列于表23中。焊条直径32MM。焊前焊条经250在烘箱中烘焙1小时。表23E309L16焊条主要化学成分CCRNIMOMNSIPSCU004220250120140075052509000400030075表24手工电弧焊焊接工艺参数试样编号焊条直径MM焊接电压V焊接电流A焊接速度MM/S坡口间隙MM焊接线能量J/MMHM322487221377474LM322440201339164242埋弧焊适于中奥氏体不锈钢的焊接，有是也用于薄板的焊接。由于此方法焊接参数稳定，焊接成分和组织均匀，且表面光洁，无飞溅，因而接头的耐蚀性能高。但是，埋弧焊的热输入大，熔池体积大，冷却速度小，高温停留时间长，有促进奥氏体钢元素偏析和组织过热倾向，容易导致焊接热裂纹，其热影响区耐蚀性也受到影响。因此，对热裂纹敏感的纯奥氏体不锈钢，一般不推荐用埋弧焊。对壁厚大，焊缝较多的设备，采用埋弧自动焊，既可以提高焊接效率，降低劳动强度，改善劳动环境，又可降低生产成本。焊材选用应遵循2个原则采用同质填充金属除考虑焊接工艺性如保证焊缝外观成形外，还应注意焊缝成分，严格限制S、P等杂质，使焊缝具有Y6双相组织，提高抗晶间腐蚀性能和抗热裂性能。熔炼焊剂加入脱氧剂和合金元素较困难，很难调剂焊缝金属中6相的含量，所以长久以来不适于奥氏体不锈钢厚板的焊接，目前针对这方面的问题，研制了新型奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂。接头开坡口的主要目的是为了使焊丝很好地接近接头根部，保证熔透。一般情况下，板厚为1230INM时，开单V形坡口，3050们曲。可开X形坡口，2卜50NUN时可开U形坡口，50INLN以上可开双U形坡口。坡口加工可以用机械方法和热切割方法进行。机械加工的坡口处要去油污，热切割后要去熔渣。埋弧焊的坡口要求加工精度高，坡口角度的允差一般，钝边高，间隙05L刀NUN。焊接前对坡口及焊缝中的一切污物用丙酮溶剂进行清理，直到表面有金属光泽为止，埋弧焊焊剂和手工定位焊条需要烘干。钢板焊前应进行预热，温度不超过60。焊接时选用较低的焊接电流，较高的焊接速度及与其相匹配的焊接电压进行焊接。每焊完一道焊缝可采用自然冷却或在焊缝反面用水强制冷却至150以下，再进行下一道焊缝的焊接。自动埋弧焊接设备及焊接工艺因素一自动埋弧焊接设备目前，得到较广泛使用的WSI1000型悬臂式成套自动埋弧焊机，其主要技术数据见表2。表2送丝形式焊接电流（A）焊丝直径MM送丝速度M/MIN焊接电流种类焊接电压（V）弧压自动调节1001000360525直流2542二焊接工艺因素由于自动埋弧焊较手工电弧焊具有输入线能量大的特点，且奥氏体不锈钢具有导热性较差、敏化温度范围宽、晶粒易长大等属性，焊接时诸多工艺条件对焊缝组织和力学性能都有一定的影响，在确定焊接工艺条件时，对这些特性必须加以充分考虑。自动埋弧焊的焊接条件中属重要工艺因素的有焊丝钢号、焊剂牌号、预热温度等；补加工艺因素有焊缝层间温度、电流种类或极性、线能量、焊丝摆动幅度、频率和两端停留时间等。三焊接材料及工艺参数的选择、试验由于我国自动埋弧焊技术起步较晚，暂无成熟的工艺参考，容器制造厂家只能根据本厂自动埋弧焊接设备的性能及施焊碳钢、低合金钢所积累的经验，结合理论测算等工艺技术进行焊材选择、工艺参数设定及试验。四焊接材料的选择焊丝的选择主要考虑焊接接头与母材强度相当、成份相当的基本原则，同时考虑抗晶间腐蚀性能、焊接接头塑性、焊接过程合金元素烧损等因素。以甲胺溶液缓冲罐为例，主材为316L，经综合考虑后选用的焊丝为超低碳奥氏体型焊丝H00CR19NI12MO2。该种焊丝合金成份与母材基本相当，一般含铬量为1525、含镍量56时，其焊缝金属就可完全是韧性高的奥氏体组织。焊丝中铬的含量与母材相比略有增加，主要是考虑到铬是母材及焊材的重要元素，增加铬含量能弥补焊接过程中铬的烧损。根据母材厚度和施焊电流的大致范围，选择线径为4MM的焊丝。容器母材及施焊焊丝化学成份（）对照见表3。表3母材及焊丝CSIMNPSCRMONI316L0031200350031618131215HOOCR1900306112003002111418201114243氨弧焊有钨极氢弧焊TIG和熔化极氢弧焊MIG两种他们焊接奥氏体不锈钢较为理想的焊接方法，因氢气保护效果好，合金元素过渡系数高，焊缝成分易于控制。由于热源较集中，又有氢气的冷却作用，其焊接热影响区较窄，晶粒长大的倾向小，焊后不需要清渣，可以全位置焊接和机械化焊接。缺点是设备较复杂，一般须使用直流弧焊电源，成本较高。在厚板奥氏体不锈钢焊接过程中，为了保证焊接质量，可用于打底焊道。1TIG焊钨极气体保护焊的焊接材料的作用是保护气体、填充焊丝和电极。焊接奥氏体不锈钢用的保护体主要是氢气，有时可用户JHE。HE价贵，适于稍厚焊件用。由于用惰性气体保护，焊接过程合元素很少被烧损，所以填充焊丝的成分与母材相同或相近。TIG熔焊工艺参数试样编号焊接电压V焊接电流A焊接速度MM/S氩气流量L/MIN焊接线能量J/MMHT15150251469300LT135110251445738由于试板较薄，焊前不需预热。但奥氏体不锈钢热膨胀系数大而导热系数小，焊接薄件时更容易出现变形，焊接过程中严格固定焊接试件。试验时将钢板放置在水平位置固定施焊。TIG焊时在试板中央重熔堆焊。手工电弧焊接时焊接试板接头不开坡口，焊缝附近约3CM处用砂轮打磨并清洗，保证焊缝附近的清洁。焊接方向均沿钢板的轧制方向进行。焊接工艺卡零部件图号常州机电学院焊接工艺卡零部件名称筒体第1页工作压力5PA工作介质高聚物工作温度常温焊缝筒体焊缝母材材质及规格24MN18CR3NI062N，6工序号工序内容0加工按左图要求加工坡口，机加工或气割、气刨。10准备待焊部位及边缘20范围内打磨光洁，除去油、锈、水及污垢。20点固按左图要求装配外侧定位焊长L50，E200，筒节两端装引、收弧板，应装在纵缝与收弧板之间与筒体同时施焊，E5015焊条4。30焊接按下列规范水平位置施焊内侧焊缝，反面焊剂垫，并清理焊缝。40清根外侧碳弧气刨清根。50焊接按下列规范水平位置施焊外侧，并清理各层焊道。60检验按检验要求检验。牌号烘干温度保温时间1212041202001H焊接参数焊接方法层道电源种类电流极性焊接材料焊材规格焊接电流A焊接电压V焊接速度CMMINTIG1直流正接A1022901101620610TIG23直流正接A10221101301620610焊接工艺卡零部件图号常州机电学院焊接工艺卡零部件名称筒体第2页工作压力5PA工作介质高聚物工作温度常温焊缝角焊缝母材材质及规格24MN18CR3NI062N6工序号工序内容0准备待焊部位边缘20内打磨光洁，除去水、油、锈及污垢。10点固按图纸要求装配，B03，外侧面断续定位焊，L40，E150，E5015焊条4。20焊接按给定的参数规范焊丝偏离筒体中心线A3540，转动筒体施焊内缝，背面采用焊剂垫。40清理沟槽及20内清除干净50焊接按给定规范，焊丝偏离筒体中心线A3540，转动筒体施焊外缝。并清理熔渣及飞溅。60检验按检验要求进行检验。牌号烘干温度保温时间1501801401901H焊接参数焊接方法焊接位置顺序层次焊丝直径电流极性焊接电流A焊接电压V焊接速度CMMINTIG平焊左右12直流正接1101301014610TIG立焊下上12直流正接901101214610TIG横焊左右12直流正接9011011156102MIG厚板推荐采用射流过渡进行平焊和横焊，混合保护气体。与纯AR相比，加0有更好的润湿作用，并改善电弧稳定性。但仇过大，合金元素易烧损。填充焊丝的成分应与母相同或相近，其直径在OSMM24MLN之间。244电渣焊大厚度奥氏体不锈钢可采用电渣焊，其保护效果好，基本上没有合金元素被烧损的问题，故可取与母材成分相应的焊丝，其焊剂可以是HJ360、HJ250或SJ602。由于电渣焊热输入大，接头严重过热为此，焊后应进行热处理。245结论焊接实践表明,24MN18CR3NI062N奥氏体不锈钢,只要采取合理的焊接方法、焊接材料及焊接工艺,就可避免焊接过程中产生的焊接热裂纹和晶间腐蚀等缺陷从而获得良好的焊接质量。25焊后热处理工艺由于奥氏体不锈钢的线胀系数远大于铁素体不锈钢，其残留应力的幅值也远高于后者。为了消除焊件的残余应力，需要进行焊后热处理。为了消除焊接残余应力，试件焊后需进行热处理。热处理工艺为550下保温15小时，随炉冷却到100以下，出炉空冷。热处理曲线见图211进行固溶处理，即焊后把焊接接头加热到050C1100CI，此时碳又重新溶入奥氏体中，然后迅速冷却，稳定了奥氏体组织。另外，也可以进行8590保温2H的稳定化热处理，此时奥氏体晶粒内部的