材料翻譯文獻(xiàn)

1、等離子弧焊接時(shí)2205雙相不銹鋼焊接性能研究摘要：這篇文章報(bào)道了使用等離子弧焊焊接2205雙相不銹鋼對接接頭的最適宜焊接條件（焊接強(qiáng)度和運(yùn)行速度）的確定。恰當(dāng)操作和冶金學(xué)焊接性能的最小凈能量輸入是用兩種不同的焊接模式來研究的：熔焊或傳導(dǎo)模式和小孔模式。每一種模式的焊接參數(shù)對尺寸、焊接點(diǎn)塑造以及它們的鐵氧體含量的影響也做了研究。關(guān)鍵字：等離子弧焊接; 雙相不銹鋼; 小孔;可焊性1、引言 得益于雙相不銹鋼良好的抗腐蝕特征和優(yōu)越機(jī)械性能的的結(jié)合，它的使用一直在增長，尤其是在溫度敏感部件，例如熱交換機(jī)和化學(xué)與石油化工產(chǎn)業(yè)中的化學(xué)反應(yīng)器。優(yōu)良的機(jī)械性能（高強(qiáng)度高韌性的結(jié)合）和雙相結(jié)構(gòu)中奧氏體和鐵氧體的平

2、衡比例相關(guān)，這個(gè)比例通常是50/50。 鑒于雙相不銹鋼使用量的增加，我們需要更好地了解那些影響焊接性能的冶金因素。施工裝配所需要的傳統(tǒng)熔焊過程對二相結(jié)構(gòu)有明顯影響，在熔合區(qū)和熱影響區(qū)都產(chǎn)生影響。眾所周知，隨著熱影響區(qū)鐵氧體的增加，雙相不銹鋼焊接點(diǎn)上的沖擊韌性會減小，因此普通的雙相結(jié)構(gòu)通過熱循環(huán)中的高峰值溫度和快速冷卻率來強(qiáng)化鐵氧體化。熔焊中和這些材料相關(guān)的另一個(gè)問題是凝固裂紋的脆弱性，這比304L奧氏體不銹鋼的要大。不良相中的金屬化合物 ，碳化合物和氮化合物的析出能夠引起韌性和抗腐蝕性的急劇惡化， 例如在期，具有快速形成的動力學(xué)特征。 因此在焊接階段通過控制熔合區(qū)和熱影響區(qū)的時(shí)間平衡來保持二相

3、結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的連續(xù)性是非常必要的。對于這種焊接街頭的實(shí)際應(yīng)用，熔合區(qū)內(nèi)鐵氧體的適當(dāng)比例在30%70%。鐵氧體的含量依賴于熔合區(qū)的化學(xué)成分和焊接點(diǎn)的冷卻速率，這和焊接過程中能量的輸入相關(guān)。出于這個(gè)原因，本研究旨在確定當(dāng)控制能量輸入時(shí)雙相不銹鋼氧炔焊（無填料）的最佳條件。表1 2205（UNS S32205）雙相不銹鋼組成(in wt.%) 組成 (wt.%)C 0.020Si 0.40P 0.021Cr 22.37Ni 5.74Mo 3.20Cu 0.17N 0.171Nb 0.05Mn 1.52S 0.001 Fe的含量得到了平衡。表2 雙相不銹鋼片PAW焊接條件 焊接條件 Melt-in Key

4、hole Mode mode 15 35焊接速率 (cm/min) 20 40 45焊接電流 (A) 100 75 125 150噴嘴到工件的距離 (mm) 3 3 4孔板氣體噴嘴直徑(mm) 1.75 1.15 2.25鎢極直徑 (mm) 2.40 2.40孔板氣體流量: Ar2% H2 (L/min) 0.4 1.0保護(hù)氣體流量: Ar (L/min) 13.0 14.0支持氣體流量: Ar (L/min) 7.0 7.0 本研究中用到的焊接技術(shù)是等離子電弧焊，電弧產(chǎn)生在非自耗鎢電極和使用銅噴嘴并且頂端有小開口的工作元件之間。通過迫使等離子氣體和電弧通過一個(gè)壓縮口，火焰可以把高密度的熱量提

5、供在一塊小區(qū)域內(nèi)，從而提供更高的焊接速率，制造滲透/寬度比值更高的焊接點(diǎn)，因此限制了熱影響區(qū)的寬度。由于這些原因，在奧氏體鋼焊接中等離子電弧焊是非常有益的技術(shù)，也可以應(yīng)用到雙相不銹鋼的焊接中。 除了熔焊模式，傳統(tǒng)焊接中經(jīng)常采用的一種技術(shù)（例如鎢極氬弧焊），在適當(dāng)?shù)慕饘俸穸龋ɡ?.56mm)時(shí)，小孔焊模式也可以用于等離子電弧焊中。氣體流量，運(yùn)行速度和焊接電流適當(dāng)結(jié)合時(shí)，小孔形成是很有可能的，而且允許比鎢極氬弧焊更高的焊接速率而且可以完全穿透。目前的工作強(qiáng)調(diào)熔焊或傳導(dǎo)模式和小孔焊模式在焊接中的應(yīng)用。其中的任何一個(gè)都規(guī)定了3毫米厚的2205雙相不銹鋼片獲得合適操作和冶金焊接性所需的最低凈能量輸入。

6、2、實(shí)驗(yàn)工序 本實(shí)驗(yàn)實(shí)用的原材料是2005商業(yè)雙相不銹鋼中的3毫米厚冷軋板。它的化學(xué)成分可以從表示重量百分?jǐn)?shù)的表1中獲得。在焊接之前，片材在1000的退火溫度下以溶液狀態(tài)保持30分鐘，驟冷以獲得均質(zhì)微結(jié)構(gòu)（按照ASTW A923-A）并排除任何金屬間相。 自對接接頭用移動的等離子電弧焊（TPAW）制成。標(biāo)準(zhǔn)訂貨單通過焊接25mm×100mm方槽縫結(jié)構(gòu)的長坯獲得，而且沒有填充物。焊接工作元件時(shí)，焊道垂直于軋制方向，因此焊接性能就不會受晶粒取向變化的影響。焊接邊緣要用鐵刷起立并用丙酮清洗。 焊接點(diǎn)用等離子焊接設(shè)備制成（Plasmaweld202),設(shè)備的火焰被固定在一個(gè)自動移動系統(tǒng) (M

7、iggytrac 2000)以控制運(yùn)行速度以及噴嘴/鋼板的距離。焊接電流和焊接速度不斷變化以控制焊接模式（熔焊和小孔焊模式），能量輸入對雙向不鋼材焊接性的影響也做了研究。焊接過程中電弧電壓可被測量，能量輸入可以根據(jù)平均值計(jì)算。所有的接頭都由連接在跟側(cè)的陶瓷做成以便于控制穿透和保護(hù)作用；純凈的氬氣用來做屏蔽和支持氣體。噴口處的氣體是98%的氬氣和2%氫氣的混合氣體。焊接條件，包括氣體流量和電極和孔口噴嘴的直徑都在表2中給出。 從焊接表單上可以看出，機(jī)器加工的樣品是為了宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的研究。第一組表單也用來測量整個(gè)焊接接頭的硬度分布（根據(jù)EN 1043-2和 EN-ISO 6507-1標(biāo)準(zhǔn)）和

8、計(jì)算鐵氧體含量。這些最后的測量結(jié)果采用了拋光和蝕刻樣品。采用Fisher FerriteScope校準(zhǔn)到IIW 二級標(biāo)準(zhǔn)，盡管為了比較上的目的之前的奧氏體含量計(jì)算是在母板上用X射線衍射的方法計(jì)算的。模板的X射線衍射使用配備了銅源（= 1.5406A)的Philips Xpert PW3040/00衍射計(jì)（飛利浦，荷蘭），在40kV和50mA的條件下工作以 0.04。/s的掃描速度從210到120 。數(shù)據(jù)用XPert Organizer 軟件處理。 不同的焊接區(qū)域用光學(xué)顯微鏡來檢測。大理石的金相學(xué)反應(yīng)溶液用來形成焊接點(diǎn)宏觀結(jié)構(gòu)，焊接區(qū)域的尺寸（寬度和焊接空穿透度以及熱影響區(qū)延長）可以從中測量出來

9、。草酸（10%）的電解腐蝕用來形成焊接的微觀結(jié)構(gòu)。200 kV Philips Tecnai 20的透射電子顯微鏡用來檢測大多數(shù)相位之外的存在相位。3、結(jié)果3.1. 凈輸入能量對焊接性能的影響 凈輸入能量的影響被定義為：到達(dá)工件單位長度上熱輸入量的比例，穿透力，形狀和焊接點(diǎn)的尺寸在方程式（1）中都被評估。凈輸入量結(jié)果的計(jì)算和等離子焊條件電流，電壓和 以及能量轉(zhuǎn)移速率相關(guān)對于兩組焊接焊接點(diǎn)來說（melt-in和keyhole）。用到的melt-in和keyhole的數(shù)值是其他作者報(bào)道的等離子 弧焊接的典型值， melt-in模式的數(shù)值在0.70-0.85之間keyhole 模式的數(shù)值在0.85-

10、0.95之間。在兩種模式中，我們?nèi)×诉@個(gè)敢為的中間值（(melt-in= 0.8和keyhole= 0.9)。 為了方便比較，假定在焊接電源和焊接元件之間發(fā)生焊接固定的過程中大多數(shù)參量能夠影響能量損耗，則方程式（1）是有效的。因此，能量沉積模式（melt-in或者keyhole)將成為影響兩組焊接點(diǎn)能量轉(zhuǎn)移差別的主要因素。表3給出了從melt-in和keyhole焊接點(diǎn)的凈能量輸入值，也分別給出了在完全滲透條件下等離子焊接接頭獲得的融合池的尺寸。 兩種焊接模式中融合池寬度和凈輸入能量的比值在圖1中被描繪，展示了其他變量的影響，例如焊接速度（對于熔焊接頭）或者防護(hù)噴嘴與工作元件（對于小孔接頭）的

11、距離。隨著凈輸入能量的增加接頭融合池的寬度也增加，而且著兩個(gè)參數(shù)在兩種焊接模式中有相近的線性依賴關(guān)系。只有在短弧距離（3mm)的小孔焊接點(diǎn)能觀察到一些不規(guī)則的行為，大多數(shù)是在焊接過程中保持小孔穩(wěn)定性上的困難造成的。Table 3Net input energies and fusion pools dimensions of duplex stainless steel weldsmade with PAW I (A) (cm/min) 噴嘴到工件的 線能量 熔池 距離 (mm) (J/cm) 寬度 (mm) Melt-in welds100 20 3 5350 6.7100 15 3 645

12、0 8.3125 20 3 7400 8.2150 20 3 9000 9.5125 15 3 9850 9.4150 15 3 12600 11.0 I (A) (cm/min) 噴嘴到工件的 線能量 L1 L2 距離(mm) (J/cm) Key-hole welds75 45 3 2500 3.0 1.275 45 4 2550 3.0 1.275 40 3 3750 4.2 1.275 40 4 2 850 3.7 1.675 35 3 3100 3.9 1.375 35 4 3200 4.4 1.2 L1和L2在圖3中國定義 對熔焊接頭橫斷面宏觀研究表明最低的凈能量輸入條件(5350

13、 J/cm)不足以制造完全滲透，但是凈能量輸入在9000 J/cm及其以上范圍內(nèi)制造出超額滲透的焊接點(diǎn)并且出現(xiàn)凹面。在熔焊模式中對焊接性能理想的能量輸入在65007500 J/cm這個(gè)范圍內(nèi)，盡管在這些條件下融合池比母板厚度要寬而且角誤差等焊接錯(cuò)誤也難以避免。圖1，采用3mm雙相不銹鋼板材焊接時(shí)的融合池的寬度和凈輸入能量之間的關(guān)系 小孔焊接點(diǎn)都是用相同的直徑為1.15毫米的銳氣焊接孔實(shí)施的，展現(xiàn)出較低的寬度/滲透力比值，它的頂部融合池寬度在3.0到4.4毫米之間底部在1.2到1.6毫米之間。圖3表明凈輸入能量在3000 J/cm以下，焊接速度低于40 cm/min的條件下可以實(shí)施焊接。但是，一

14、些焊接錯(cuò)誤也被發(fā)現(xiàn)，例如底部凹陷或一些削弱，通常都分布在融合焊接的一面。 所有的焊接點(diǎn)都在根據(jù)墊板焊接表單的要求在壓縮條件下完成的，但是在兩種焊接模式中沒有裂化的跡象，在融合池和熱影響區(qū)也沒有這種情況。由于這個(gè)原因，在給定的元件厚度和焊接條件下，兩個(gè)焊接區(qū)域的壓力水平都不夠。圖2.雙相不銹鋼焊縫橫截面的表面形貌。圖3.雙相不銹鋼焊縫橫截面的成型情況。圖4. 雙相不銹鋼的顯微組織. (a) 層壓機(jī)(LTL); (b) 橫向平面(TLTC). (c) 原件的TEM圖像表4鐵素體和奧氏體相的成分的定量測定EDS微區(qū)分析 成分 Cr Ni Mo Mn Si Fe 鐵素體 23.80 4.59 3.90

15、 1.58 0.85 Balance奧氏體 22.08 7.19 2.98 2.02 0.76 Balance 3.2凈輸入能量對冶金可焊性的影響3.2.1 親本材料的微觀結(jié)構(gòu)特征 在溶液退火條件下，親本二相不銹鋼顯示出由鐵氧體和奧氏體交替組成典型的雙向微觀結(jié)構(gòu)，顯示部分再結(jié)晶經(jīng)歷在準(zhǔn)東方向上延長（圖4）。兩相的組成定量的能量色散X射線微區(qū)分析獲得，并在圖4展現(xiàn)出來。Ni和Mo的含量在奧氏體經(jīng)歷中含量較高，二Cr和Mo的含量在鐵氧體中含量更高利用外部數(shù)據(jù)表示法和透射電子顯微鏡檢測親本材料沒有發(fā)現(xiàn)其他大多是相位的跡象，例如。圖4c展示了親本合金的透射電子顯微鏡找片 ，奧氏體和鐵氧體可被看見，它們

16、的 晶粒邊界和內(nèi)部完全沒有沉降。 兩相在金屬板內(nèi)的分布也用X射線衍射和 ferritoscope 測量進(jìn)行了分析。圖5 展示了圖4a和b中兩種金相學(xué)部分X射線衍射的定量數(shù)據(jù)。至于LTL水平，晶體衍射是在原金屬板表面或0.1到2毫米深的地方做的。 運(yùn)用這種方法，奧氏體相的比例可以從（111）反射(d111= 2.075A) 的累積強(qiáng)度和奧氏體不銹鋼 (AISI 316)中純凈奧氏體相反射的累積強(qiáng)度的比值推斷出來 鐵氧體相的比例可以根據(jù)w+w=1這個(gè)關(guān)系來計(jì)算。用這種方法計(jì)算的鐵氧體含量在30%到45%之間，然而，這收到二相結(jié)構(gòu)質(zhì)地的影響，在疊層金屬板的表面測得的更高含量的鐵氧體含量。圖5.由X射

17、線衍射測量鐵素體/奧氏體比例圖6.焊縫的顯微組織(輸入能量 = 7380 J/cm).（a）熱影響區(qū)及（b）焊接時(shí)的融池 Ferritoscope測量被用來計(jì)算相的容積率，這個(gè)較少受到二相結(jié)構(gòu)質(zhì)地的影響。測量結(jié)果顯示鐵氧體平均含量在45.9±5.5%。在這種情況下，相的容積率由測量的鐵氧體的含量和純鐵氧體的區(qū)別來計(jì)算。3.2.2等離子弧焊接中熔焊接頭的微觀結(jié)構(gòu) 等離子弧焊接中熔焊接頭是在400500m的狹窄熱影響區(qū)所塑造的中等凈能量輸入 (65007500 J/cm)中完成的，但是他們表現(xiàn)出相當(dāng)大的鐵氧體晶粒含量的增長（圖6a)。這些晶粒增長區(qū)域影響了融合池內(nèi)柱形鐵氧體晶粒后來的外延

18、增長（圖6b)。二級奧氏體以 Widmanstatten 針狀形式從鐵氧體晶粒邊緣析出的現(xiàn)象在融合池內(nèi)加強(qiáng)（圖6b)，并且在焊接能量更高的條件下它們的比例和針的寬度都增加。圖7.鐵素體含量的變化及顯微硬度（C和D）中的不同區(qū)域在不同的焊接條件（焊接速率和電流）下的應(yīng)用 鐵氧體體積比例在不同焊接區(qū)域和不同凈能量輸入的條件下測定(圖7a和b)。結(jié)果顯示再熱影響區(qū)域尤其是融合池內(nèi)鐵氧體含量增加，其中能量最充足條件下的比例超過了60%。鐵氧體的比例依賴于凈能量輸入和焊接電源的穩(wěn)定性；焊接速度從15cm/s提高到20cm/s時(shí)融合池內(nèi)鐵氧體的比例下降。 據(jù)觀察，不同熔焊焊接點(diǎn)內(nèi)鐵氧體的增加能造成融合池內(nèi)

19、的硬化效應(yīng)，硬度在262HV到270HV之間。這些數(shù)值的增加和焊接過程中能量輸入成比例。在熱影響區(qū)觀察到相反的效果，鐵氧體晶粒的增長造成了一種軟化效應(yīng)而且在晶粒增長區(qū)域平均值在250HV（圖7c和d)。3.2.3 等離子弧焊接中小孔焊的微觀結(jié)構(gòu) 圖8a展示了在焊接電流為75A焊接速度為 45 cm/min時(shí)等離子焊接小孔焊焊接點(diǎn)融合線附近的顯微結(jié)構(gòu)。這個(gè)接頭的工作距離是4mm.在這些焊接條件下，雙相不銹鋼板受到很小的熱損傷；在小于150250um寬度的狹窄熱影響區(qū)晶粒的增長非常有限，盡管條帶質(zhì)地會有一些重結(jié)晶。這個(gè)區(qū)域的詳細(xì)情況在更高放大倍數(shù)后顯示類似等軸的鐵氧體晶粒的微觀結(jié)構(gòu)，在晶粒邊緣有無

20、定型的奧氏體和低含量的晶體內(nèi)針狀奧氏體。Widsmanstatten奧氏體在熱影響區(qū)內(nèi)的形成受到了抑制。除此之外，熱影響區(qū)內(nèi)有限的晶體增長通過融合線底部晶粒外延凝固降低了柱狀鐵氧體晶粒的尺寸。融合池內(nèi)的小晶粒尺寸也限制了這個(gè)區(qū)域二級。Widsmanstatten奧氏體的形成，晶體內(nèi)針狀奧氏體的比例增加。 在這些低能量條件下沒有檢測到金屬間相（例如相）的形成。然而，在小孔焊中當(dāng)凈輸入能量增加到3100 J/cm，而且尤其是運(yùn)用短弧距離（3mm)時(shí)，能觀察到基礎(chǔ)金屬晶粒邊緣部分融化并伴隨金屬間相的沉降（圖9）。這些信息可以作為高密度能量焊接應(yīng)用中高能量輸入焊接物結(jié)合高熱量梯度制造的結(jié)果，例如小孔焊

21、模式中的等離子弧焊接。 Ferritometry測量證實(shí)了微觀結(jié)構(gòu)的研究（圖10a和b）。小孔焊接點(diǎn)融合池內(nèi)鐵氧體的含量通常比熔焊的低，比例一直在50%左右。在運(yùn)用不同輸入能量的條件下鐵氧體的比例沒有很大的差異，盡管減小等離子火焰和元件之間的距離使得 焊接點(diǎn)中間區(qū)域鐵氧體含量稍微增加。 Vicker硬度檢測（圖10c和d）證實(shí)融合池內(nèi)的硬度水平比熔焊中測量的要高，最大值在280-300HV之間，而且在低能量焊接條件下硬度會更高。這被這些焊接點(diǎn)出色的晶粒結(jié)構(gòu)和更高的溫度梯度這個(gè)事實(shí)所解釋；著增加了冷卻速度也制造了更出色的二級奧氏體聚集物。除此之外，熔焊中熱影響區(qū)的軟化效應(yīng)和晶粒過度增長在這種情況

22、下沒有出現(xiàn)；熱影響區(qū)的硬度在融合池和親本材料之間。圖8. 小孔焊縫的顯微組織 (線能量 = 2550 J/cm). (a) 熔合線, (b)更高的放大倍率下的組織圖9.在PAW焊接下。線能量為3100 J/cm時(shí)金屬晶間化合物的形成條件(I=75A, = 35 cm/min andw工作距離 = 3 mm).圖10.鐵素體含量的變化及顯微硬度（C和D）中的不同區(qū)域在不同的焊接條件（焊接速率和電流）下的應(yīng)用 圖11.焊縫達(dá)到最高硬度時(shí)其凈輸入能量與焊接方式的比較。圖11比較了在焊接點(diǎn)中心測量的Vickers硬度和輸入能量，焊接模式和焊接參數(shù)的關(guān)系。在熔焊焊接物的情況下，硬度的變化和期望的一致因?yàn)?/p>

23、輸入能量的增加通常和焊接電流的增加或者焊接速度的減小相關(guān)，在融合區(qū)域，和高含量鐵氧體和硬度效應(yīng)的關(guān)系接近線性。在小孔焊接點(diǎn)的狀況下，鐵氧體含量的下降并沒有造成硬度的降低。相反的，熔化池內(nèi)出色的微觀結(jié)構(gòu)來源于融合線的低增長和由陡峭的溫度梯度能增加硬度所決定的更高的冷卻速度，因?yàn)檩^低的凈能量輸入和高密度能量在焊接中的使用，硬度通常會更高。 4、結(jié)論（1） 如果運(yùn)用小孔模式，焊接凈能量輸入在 25003200 J/cm范圍內(nèi)，通過在3mm厚鋼板上使用等離子弧焊接操作，就能獲得一個(gè)2205雙相不銹鋼。（2） 等離子焊接小孔焊生產(chǎn)的焊接點(diǎn)具有比熔焊模式更好的穿透力/寬度的比值。（3） 傳導(dǎo)模式、高能量條

24、件下雙相不銹鋼的焊接點(diǎn)的特征是融合池內(nèi)鐵氧體的含量比親本材料高出45%。應(yīng)用小孔模式時(shí)鐵氧體的增加量限制在20%以下。（4） 等離子焊接熔焊接頭的熱影響區(qū)經(jīng)歷了和融合線附近過度晶粒增長相關(guān)的弱化效應(yīng)。這種效應(yīng)在小孔焊中沒有發(fā)現(xiàn)。（5） 雖然等離子弧焊接的兩種模式都增強(qiáng)了融合池的硬度，但是這種效應(yīng)在小孔焊接物中更加明顯因?yàn)樗鼈儞碛幸驗(yàn)槭褂玫洼斎肽芰亢透邷囟忍荻茸鲈炀偷?更出色的微觀結(jié)構(gòu)。（6） 在小孔焊接物中如果凈輸入能量增加到3000 J/cm，融合線附近就有融化融合并且形成易碎金屬間相的風(fēng)險(xiǎn)。致 謝 作者們非常感謝西班牙Ministerio de Educaci´on y Cien

25、cia對本研究(MAT 2001-1123-C03-03)財(cái)政支持。同時(shí)也感謝來自技術(shù)支持中心Gilberto del Rosario 先生在親本材料定量X射線衍射方面的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)：1 K.M. Lee, H.S. Cho, D.C. Choi, Effect of isothermal treatment of SAF 2205 duplex stainless steel on migration of / interface boundary and growth of austenite, J. Alloys Compd. 285 (1999) 156161.2 Z.L. Jian

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