高氮奥氏体不锈钢双机器人协同双面双弧TIG焊接工艺的技术研究

发布时间：2017-08-14 17:10

  本文关键词：高氮奥氏体不锈钢双机器人协同双面双弧TIG焊接工艺的技术研究

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【摘要】：相比于普通铬镍不锈钢,高氮奥氏体不锈钢材料以氮代镍,不仅能够节约大量的镍,同时还具有更加优异的力学性能和耐腐蚀性能。而焊接作为高氮钢材料的重要加工手段,对高氮钢的应用有重要影响。但研究表明,在焊缝区和热影响区易产生氮损失和氮气孔是这种材料的焊接难点。因此,如何解决高氮钢材料在焊接时产生的这些问题,是焊接要研究的重点。本文采用双机器人协同双面双弧TIG焊接系统针对7mm厚高氮奥氏体不锈钢板进行对接立焊试验研究,采用调节焊接工艺参数和焊接保护气组分的方法,探究了焊缝中的氮含量的变化规律,分析了焊缝中含氮量的不同对接头的组织和性能的影响,探索了焊缝固氮的方法,最终实现了焊缝固氮的目的,并完成了最优的焊接工艺参数的探索。当使用纯Ar作为焊接保护气时,焊接过程非常稳定,整个过程中电弧弧柱长度无变化,且无飞溅产生。而且当保护气中氮气比例的升高时,电弧稳定性变差,焊接电弧逐渐开始失稳,飞溅越来越大,焊缝宽度增加,焊缝中咬边缺陷愈发明显,焊缝成形变差。同时,实际焊接电流也不断下降。保护气中氮气的比例对焊缝中气孔性有很大影响。当保护其中氮气比例在20%以下时,焊缝无气孔,x射线检测结果为1级片；当氮气比例高于40%后,焊缝中开始产生气孔,此后焊缝中气孔逐渐增多,气孔数在保护气为纯氮气时最多,此时焊缝中不仅有小大气孔,还出现了气孔连成一起形成一条狭长的气孔带的情况。焊缝中的氮含量随着保护气中氮气的比例的提高而不断增大。保护气为纯氩气时,焊缝中氮含量为0.25%；保护气为纯氮气时,焊缝含氮量可达到0.75%,低于母材的0.76%。焊缝含氮量对焊缝中δ-铁素体的含量有影响。焊缝中氮含量越高,δ-铁素体的含量越低,而且始终维持在很低的水平,变化范围在0.083%-0.12%之间。母材中的铁素体含量最高,达到0.17%。研究焊缝含氮量对接头微观组织的影响时发现,焊缝凝固模式始终是A模式。当焊缝中氮含量为0.25%时,焊缝由奥氏体基体和奥氏体树枝晶组成；当焊缝中氮含量达到0.48%之后,焊缝组织为单相胞状奥氏体晶和断续的骨架状奥氏体树枝晶,还有部分奥氏体柱状晶。并且,随着焊缝中氮含量的持续增大,奥氏体树枝晶逐渐粗化,枝晶间距开始增大,枝晶臂变粗,奥氏体柱状晶也逐渐变短变粗,同时生长方向也更加无序。另外,XRD检测发现,在焊缝中有碳化物析出,还有部分Fe-Mn-Cr系合金组织,但是没有发现氮化物。焊缝中氮含量不同,其力学性能也有所差异。焊缝的抗拉强度随着焊缝中含氮量的增加而先增大后减小。当焊缝中氮含量为0.75%时,接头的拉伸强度最低,占母材的77.5%；当焊缝中含氮量达到0.62%时,其抗拉强度最高,为了母材的83.2%；焊缝的显微硬度随着焊缝中氮含量的增加而呈现整体变大的趋势,焊缝区的母材硬度值一直大于热影响区的硬度值,但是低于母材的硬度值；当焊缝中氮含量增大时,对应的焊缝的冲击吸收功先变大后变小,在焊缝中氮含量为0.62%时,冲击吸收功最大,与母材的冲击吸收功相当。综合评价不同氮含量的焊缝,从焊缝外观、缺陷水平、显微组织和力学性能考虑,发现最优焊接工艺参数为：(1)10%N2+90%Ar,双面直流120A;(2)20%N2+80%Ar,从侧直流115A,主侧直流脉冲峰值191A,基值为20%,占空比50%,频率5Hz。保护气体流量为13L/min,焊接速度25cm/min。此时焊缝成型美观,X射线检测为I级片：显微组织为单相奥氏体组织且晶粒细小生长方向各异；抗拉强度达到母材的80%以上,从拉伸断口韧窝形貌分析此时塑性最好；焊缝区显微硬度值相较于其他焊缝处在高水平；冲击韧性试验也显示这两种焊缝的韧性最好。同时这两种工艺下焊缝实现了固氮的目的,焊缝中氮含量分别达到0.48%和0.62%。因此可以认为此时的焊接工艺达到最优。
【关键词】：高氮奥氏体不锈钢 双面双弧TIG焊 氮含量 组织 性能
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG444.74;TP242
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1. 绪论11-21
• 1.1 课题背景及意义11-12
• 1.2 高氮奥氏体不锈钢的研究现状12-14
• 1.2.1 国外高氮奥氏体不锈钢的发展及近况12-13
• 1.2.2 国内高氮奥氏体不锈钢的发展及近况13-14
• 1.3 高氮奥氏体不锈钢焊接研究现状14-20
• 1.3.1 焊缝固溶氮含量和气孔性15-19
• 1.3.2 氮化物19
• 1.3.3 焊接裂纹19-20
• 1.4 本课题研究的内容20-21
• 2. 高氮奥氏体不锈钢双面双弧TIG焊接工艺方案21-26
• 2.1 双面双弧TIG焊接工艺方法分析21-22
• 2.2 试验材料和试验设备22-24
• 2.2.1 试验材料22-23
• 2.2.2 试验设备23-24
• 2.3 研究思路和试验方案24-26
• 2.3.1 研究思路24-25
• 2.3.2 工艺试验方案25-26
• 3. 高氮奥氏体不锈钢双面双弧TIG焊接工艺试验26-35
• 3.1 焊接工艺参数26
• 3.2 焊接工艺对焊缝外观的影响26-29
• 3.3 焊接工艺对焊缝中氮含量的影响29-30
• 3.4 焊接工艺对焊缝中气孔性的影响30-32
• 3.5 焊接工艺对焊接裂纹倾向的影响32-33
• 3.6 本章小结33-35
• 4. 高氮奥氏体不锈钢焊缝中氮行为的研究35-52
• 4.1 焊接接头宏观形貌35-36
• 4.2 母材的显微组织36-37
• 4.3 焊缝中的氮含量对焊缝区显微组织的影响37-43
• 4.3.1 不同氮含量下的焊缝区组织形貌37-39
• 4.3.2 焊缝区组织XRD物相分析39-40
• 4.3.3 焊缝区EDS分析40-43
• 4.4 焊缝中的氮含量对熔合区显微组织的影响43-45
• 4.4.1 不同氮含量下的熔合区显微组织分析43-44
• 4.4.2 熔合区EDS分析44-45
• 4.5 不同氮含量下热影响区的显微组织分析45-47
• 4.6 焊缝中的氮含量对焊缝中铁素体含量的影响47-48
• 4.7 焊缝金属的凝固模式分析48-51
• 4.7.1 凝固模式对组织形态的影响48-50
• 4.7.2 凝固模式对气孔的影响50-51
• 4.8 本章小结51-52
• 5. 焊缝中的氮含量对高氮奥氏体不锈钢焊缝力学性能的影响52-61
• 5.1 拉伸试验52-55
• 5.2 硬度试验55-58
• 5.3 焊缝冲击试验58-59
• 5.4 本章小结59-61
• 6. 结论61-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-68

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