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          耐熱不銹鋼

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          310S耐熱不銹鋼TIG焊接接頭組織與力學性能研究

          來源:至德鋼業 日期:2021-01-20 01:07:05 人氣:688

           浙江至德鋼業有限公司采用鎢極氬弧焊焊接方法,以不同的焊接工藝方案對310S奧氏體耐熱不銹鋼進行焊接試驗。焊接試驗完成以后觀察焊縫成形的外觀質量,采用金相顯微鏡對焊接接頭進行顯微組織觀察分析,并進行力學性能測試.結果表明:在焊接電流I=140A、焊接速度V=0.32m/min的焊接工藝方案下,焊縫外觀質量優良,焊接接頭的組織和性能是最優的.在該焊接工藝方案下,焊縫區的晶粒組織細小均勻,拉伸試驗的斷裂位置在母材區域,并且焊接接頭的抗拉強度為481MPa,能達到母材抗拉強度的91%以上。


           奧氏體耐熱不銹鋼具有高的熱強性、很高的耐腐蝕性及良好的綜合機械性能,被廣泛用于制造鍋爐過熱器管、主蒸汽管道、閥體、燃氣輪機葉片及其他高溫抗氧化結構部件.奧氏體耐熱不銹鋼的焊接不僅要考慮焊接接頭的一般強度問題,而且還要考慮奧氏體鋼的裂紋傾向;更重要的還要保證焊接接頭具有特殊性能,如抗晶間腐蝕能力,高溫強度及抗氧化性能等,同時還要解決其在高溫下長時間工作的一系列脆化等問題。奧氏體耐熱不銹鋼的金相組織一般是單一的奧氏體組織,比較容易獲得連續完整的焊接接頭,但如果焊接工藝設計不合理,焊接接頭容易出現熱裂紋、鉻的碳化物析出、接頭脆化等許多問題,使焊接接頭使用性能達不到要求。氬弧焊保護效果好,合金過渡系數高,焊縫成分均勻且穩定;同時,氬弧焊的電弧熱量集中,又有氬氣對工件的冷卻作用,因此焊接線能量小,焊接接頭的熱影響區較小,所以氬弧焊是焊接奧氏體耐熱不銹鋼的最佳方法之一。通過本次焊接試驗,摸索出310S奧氏體耐熱不銹鋼鎢極氬弧焊較為理想的焊接工藝,并探討出310S奧氏體耐熱不銹鋼焊縫組織演變規律,為生產實踐提供理論技術支持。


          一、試驗


           1. 試驗材料


            焊接材料為310S奧氏體耐熱不銹鋼,試樣尺寸為100 mm×80 mm×3 mm,材料化學成分見表。


           2. 焊接工藝


           采用鎢極氬弧焊直流正接的焊接方法,接頭形式為不開坡口的平板對接接頭。焊接電流在100 A~140 A范圍內調節,焊接速度在0.26m/min~0.36m/min范圍內調節,送絲速度為0.32m/min.焊接前用丙酮擦拭試板,以去除試板表面的油污、灰塵、銹跡等;采用米勒Dynasty350氬弧焊機進行焊接試驗,具體工藝方案見表。焊接試驗完成以后,觀察焊縫成形形貌,在萬能試驗機上對接頭進行拉伸試驗;對焊接接頭區域進行取樣、鑲樣、磨樣、腐蝕、照取金相照片進行金相分析;腐蝕液采用王水(濃鹽酸:濃硝酸(體積比)=1∶3),在常溫下腐蝕8分鐘;采用Leica DMI3000M型光學顯微鏡觀察焊接接頭金相顯微組織;綜合測試分析結果,探討接頭顯微組織形成機理,確定最佳焊接工藝。


          二、結果分析與討論


           1. 接頭形貌


           焊接后經初步觀察焊接電流I=140A的條件下焊縫缺陷較少,基本沒有出現大范圍的未焊透、焊穿等現象,而電流為其它數值時焊出的試樣有未焊透、焊穿等缺陷;電流為140A和130A時,焊縫形貌如圖中所示.由此確定出理想的焊接電流大小為I=140 A.


           2. 接頭顯微組織


           圖可知焊縫中心區域的組織為胞狀枝晶狀奧氏體組織.焊縫的室溫組織主要由材料的成分和焊接工藝決定,焊接材料為2520不銹鋼,由鉻當量與鎳當量的比值來確定焊縫的凝固模式并最終確定焊縫的室溫組織。Cr當量=Cr%+1.37Mo%+1.5Si%+2Nb%+3Ti%、  Ni當量=Ni%+22C%+14.2N%+0.31Mn%+Cu% 。鉻當量和鎳當量的比值為1.18,則焊縫的凝固模式為:L→L+γ→γ,直接從液態熔池中析出γ相,并且γ相保留到室溫,屬于純奧氏體焊縫組織.焊接線能量的計算公式q=IU/V 。4#焊接工藝的線輸入為4.02kJ/cm,線能量輸入較大時熔體在較高溫度下存在的時間比較長,焊縫中心區枝晶狀較為明顯且粗大,影響其力學性能.根據圖,凝固模式為:L→L+γ→γ,焊縫室溫組織為奧氏體組織,且呈胞狀樹枝狀分布,晶粒相對細??;是因為焊接線能量為3.70kJ/cm,相對較小,焊縫中心區溫度梯度較小,結晶速度較快,易形成細小的胞狀樹枝晶.根據圖,凝固模式為:L→L+γ→γ,焊縫組織為奧氏體組織,且呈胞狀樹枝狀分布,焊接線能量為3.13kJ/cm,所得晶粒尺寸更為細?。墙M織中有明顯的氣孔缺陷,這與焊接速度較快有關;焊接速度較快,焊接過程中熔池中的氣體未能及時逸出而殘留在焊縫中,造成焊縫有氣孔缺陷。根據圖,焊縫組織為明顯的枝晶狀奧氏體組織,且組織的晶粒尺寸較為粗大,焊接線能量輸入為 4.49kJ/cm,線能量輸入較大,焊縫中心區的熔體高溫保留的時間較長,促使枝晶狀組織較快的生長,最終焊縫晶粒尺寸較大,影響焊接接頭的力學性能.根據圖,焊縫組織為明顯的枝晶狀奧氏體組織,組織的晶粒尺寸較13#焊縫的晶粒尺寸較小,但焊縫為枝晶狀組織,焊縫區力學性能欠佳。


           3. 接頭力學性能


           按國家標準GB6397—1986《金屬拉伸試驗試樣》和GB2651—1981《焊接接頭拉伸試驗方法》將焊接接頭試樣加工成標準的拉伸試樣,進行拉伸試驗.拉伸試驗結果見表。由該表分析可知:8#,12#焊接接頭的抗拉強度和屈服強度比較高,并且抗拉強度達到了母材抗拉強度的91%以上.焊接接頭的力學性能與焊接輸入的電流、電壓、焊接速度以及焊接接頭的顯微組織有關;8#,12#焊縫組織為胞狀樹枝晶且晶粒較為細小,最后表現出的力學性能較為優良;4#顯微組織為胞狀枝晶狀但較為粗大,13#,14#焊縫顯微組織為樹枝狀結構且晶粒尺寸較為粗大,最后表現出的力學性能欠佳.由于12#焊縫組織出現了氣孔缺陷,影響工件焊后使用性能,最終確定最佳焊接工藝為8#焊接工藝,焊接電流I=140 A、焊接速度V=0.32m/min.


          三、結論


           1. 310S奧氏體耐熱不銹鋼鎢極氬弧焊的最佳焊接工藝為焊接電流I=140A、焊接速度V=0.32m/min,在該工藝下焊縫成形良好,焊接接頭組織細小,力學性能優良。


           2. 奧氏體鋼焊縫組織主要由材料成分來決定,310S奧氏體耐熱不銹鋼的焊縫組織演變規律為L→L+γ→γ,最后形成純奧氏體焊縫。


           3. 焊接線能量輸入的大小將影響焊縫組織形態和晶粒尺寸的大小,焊接線能量越大310S不銹鋼焊縫越易形成枝晶狀組織,且枝晶尺寸越大,接頭區的力學性能越差。



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