毕业论文基于MAG焊及PAW TIG组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究.docx

资源描述

毕业论文基于MAG焊及PAW TIG组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究.docx

《毕业论文基于MAG焊及PAW TIG组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文基于MAG焊及PAW TIG组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业论文基于MAG焊及PAW TIG组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究.docx

毕业论文基于MAG焊及PAWTIG组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究

JIUJIANGUNIVERSITY

毕业设计

题目

基于MAG焊及PAW+TIG组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究

英文题目

StudyonthestrainhardeningofusteniticstainlesssteelweldedjointbasedonMAGweldingandPAW+TIGcombinationwelding

院系

机械与材料工程学院

专业

焊接技术与工程

姓名

年级

2012（机材A1241）

指导教师

二零一六年五月

本科生毕业论文（设计）独创性声明

本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为。

本科毕业设计答辩稿与学校提交的相似度检测文本完全一致。

论文（设计）作者签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

本科生毕业论文（设计）使用授权声明

九江学院有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。

本人授权九江学院可以将本科毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、汇编毕业论文（设计）。

论文（设计）作者签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

摘要

奥氏体不锈钢由于较高的强度和塑性，良好的耐腐蚀性，焊接性和冷加工性能，被广泛应用在深冷容器中。

奥氏体不锈钢应变强化技术通过冷拉伸产生一定的塑性变形来提高材料的屈服强度，实现了低温压力容器轻型化、减薄容器壁厚、节约制造成本的目的。

本文采用MAG焊接方法和PAW/TIG焊接方法，对两组6mm厚的06Cr19Ni10奥氏体不锈钢试板实行焊接，并分别对其中一组试板的焊接接头进行预拉伸应变强化处理。

然后，通过一系列的力学性能试验和金相显微组织试验，对应变强化前后的奥氏体不锈钢焊接接头进行研究。

得到如下结论：

应变强化奥氏体不锈钢可使其显微组织改变且可能发生形变诱发马氏体相变，即产生加工硬化和相变强化，从而提高其屈服强度和抗拉强度。

从理论上分析06Cr19Ni10奥氏体不锈钢焊缝的凝固模式为FA模式，本文的金相试验也得到相同的结果，但因在焊接时受焊接热源特点、焊接材料、过冷度的影响，将获得不同含量及形态的铁素体。

对于6mm厚的牌号为06Cr19Ni10国产奥氏体不锈钢的MAG和PAW/TIG焊，在应变强化之前，PAW/TIG焊相比较于MAG焊，其焊缝的韧性更好。

然而，在应变强化之后，PAW/TIG焊焊缝韧性显著下降，MAG焊焊缝韧性有所所提高，结果是MAG焊焊缝韧性高于PAW/TIG焊。

对于6mm厚奥氏体不锈钢的MAG焊和PAE/TIG焊焊接接头，经由8%的变形量预拉伸应变强化处理之后，两种焊接接头的显微硬度值较母材硬度均有所提高。

特别地，PAW/TIG焊焊接接头的显微硬度值上升地更为明显。

【关键词】奥氏体不锈钢；MAG焊；PAW/TIG组合焊；应变强化；焊接接头

Abstract

Austeniticstainlesssteels（ASS）arewidelyusedinmanufactureofcryogenicvesselssuchasliquefiednatural-gasstoragetanks,liquidoxygentankerandtankcontainersforcryogenicliquidduetoitsfavorablelowtemperatureductilityandexcellentcorrosionresistance.Theyieldstrengthofausteniticstainlesssteelscanbesignificantlyincreasedbycoldstretching,husingthinningthewallthicknessofpressurevessels.ThispaperadoptsMAGPAW/TIGweldingmethodandweldingmethod,theweldingof06Cr19Ni10austeniticstainlesssteelplateundertwo6mmthick,andonetestplatejointofstrainhardening.Then,throughaseriesofmechanicalpropertiestestandmicrostructuretest,thestrainstrengtheningofausteniticstainlesssteelweldedjointsbeforeandafter.Conclusionsareasfollows：

Thestrainhardeningofausteniticstainlesssteelcanmakethemicrostructurechangeanddeformationinducedmartensitictransformationmayoccur,whichproduceworkhardeningandtransformationenhancement,soastoimprovetheyieldstrengthandtensilestrength.

Thetheoreticallyanalysisof06cr19ni10austeniticstainlesssteelweldsolidificationmodewasFAmode,themetallographictestalsogetthesameresult,butbecauseinweldingweldingheatsourcecharacteristics,weldingmaterials,theinfluenceofcoldwillgetdifferentcontentandmorphologyofferrite.

forgradesof6mmthick06cr19ni10domesticausteniticstainlesssteelofMAGandPAW/TIGweldingandbeforethestrainhardening,theweldingPAW/TIGphasecomparisoninMAGwelding,theweldtoughnessbetter.However,afterstrainhardening,thetoughnessofPAW/TIGweldingseamwassignificantlydecreased,andthetoughnessofMAGweldingseamwasimproved.TheresultisthatthetoughnessofMAGweldingseamishigherthanthatofPAW/TIG.

Thefor6mmthickausteniticstainlesssteelofMAGweldingandPAE/TIGweldingweldedjoints,by8%theamountofdeformationofthepretensilestrainhardeningafter,twokindsofweldingjointmicrohardnessvalueishigherthanthebasemetalhardnesswereimproved.Inparticular,themicrohardnessvalueofPAW/TIGweldedjointisincreasedsignificantly.

【Keywords】Austeniticstainlesssteel;MAGwelding;PAW/TIGcombinationwelding;strainhardening;weldedjoint

前言1

第一章绪论2

1.1.关于奥氏体不锈钢焊接性的主要问题2

1.1.1奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀2

1.1.2奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂3

1.1.3奥氏体不锈钢焊接热裂纹3

1.2奥氏体不锈钢焊接方法3

1.2.1奥氏体不锈钢MAG焊3

1.2.2奥氏体不锈钢PAW焊4

1.3应变强化奥氏体不锈钢压力容器的研究状况5

1.3.1奥氏体不锈钢压力容器应变强化原理5

1.3.2奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术的发展5

1.3.3应变强化奥氏体不锈钢压力容器的应用7

1.3.4应变强化奥氏体不锈钢压力容器的优点及存在问题7

1.4本文研究的意义及内容8

第二章实验材料及设备9

2.106Cr19Ni10奥氏体不锈钢9

2.1.1化学成分9

2.1.2合金元素的作用9

2.1.3力学性能10

2.1.4金相组织10

2.2焊接材料11

2.3试验设备12

2.4本章小结12

第三章试验方法及数据13

3.1奥氏体不锈钢焊接试验13

3.1.1奥氏体不锈钢MAG焊13

3.1.2奥氏体不锈钢PAW/TIG组合焊14

3.2奥氏体不锈钢焊接接头室温拉伸应变强化试验15

3.3奥氏体不锈钢焊接接头力学性能试验17

3.3.1奥氏体不锈钢焊接接头拉伸试验17

3.3.2奥氏体不锈钢焊接接头冲击试验19

3.3.3弯曲试验21

3.3.4硬度试验25

3.4金相试验26

3.4.1试样制备26

3.4.2金相试样数据27

3.5本章小结30

第四章试验数据分析31

4.1显微组织分析31

4.1.1母材31

4.1.2应变强化前后06Cr19Ni10奥氏体不锈焊接接头组织分析32

4.2力学性能分析33

4.2.1焊接接头拉伸试验数据分析33

4.2.2焊接接头冲击试验数据分析34

4.2.3焊接接头的弯曲试验数据分析35

4.2.4焊接接头显微硬度数据分析36

4.3本章小结37

结论38

参考文献39

致谢42

前言

本篇毕业论文题目是《基于MAG焊及PAW+TIG组合焊的奥氏体不锈钢焊接接头应变强化的研究》。

奥氏体不锈钢是不锈钢中较为重要的钢种，目前，生产量及使用量约占不锈钢总产量的70%[1]。

该钢是一种十分优良的材料，有良好的抗腐蚀性和生物相容性，因此在化学工业，沿海，食品，生物医学，石油化工等领域中得到广泛应用。

此外，在压力容器的应用上，奥氏体不锈钢应变强化技术利用了奥氏体不锈钢屈强比低，塑性、韧性良好的性能，对压力容器进行应变强化，显著提其屈服强度，减小壁厚，减轻压力容器的重量，同时内部焊接残余应力也得到有效的消除[2]。

可见，对奥氏体不锈钢锈钢应变强化的进一步研究，在实际的生产实践中有至关重要的作用。

我国自改革开放三十多年来，经济发生了翻天覆地的变化。

随着国民经济的日益繁荣，工业低温气体的需求量剧增和工业气体产业的快速发展，迫切要求我们研制出有效、节能、安全可靠的液化气体低温储罐设备。

应变强化技术在奥氏体不锈钢低温容器中的成功应用，在节约了材料的同时，可提高了压力容器的性能。

对实现节能减排，绿色发展，推动经济的又好又快发展具有积极的贡献。

应当指出，虽然应变强化奥氏体不锈钢压力容器可以带来许多优良性能，但是，该技术要能熟练地应用于国民经济工业领域，还需做出进一步的研究。

全面系统研究该技术在具体环境中的应用性能，提出更为具体的设计规范和使用条件，从而制定适合我国的奥氏体不锈钢应变强化压力容器的标准有十分重要的意义。

第一章绪论

随着国民经济的快速发展和低温技术的普及，液氮、液氧、液氩、液氢、液氦、液化天然气、液态CO2等低温液体的应用日趋广泛，各行各业对贮存和输送低温液体和低温容器的需求不断增长[3]，奥氏体不锈钢低温压力容器的市场需求不断增长。

本文将研究牌号为06Cr19Ni10的国产奥氏体不锈钢MAG焊及PAW+TIG组合焊，并对两种焊接接头进行应变强化处理，且对比分析应变强化前后焊接接头的性能。

1.1.关于奥氏体不锈钢焊接性的主要问题

因为奥氏体不锈钢Cr-Ni合金元素含量较高,表面可形成致密的氧化膜Cr2O3，所以具有良好的耐蚀性。

当含Cr18%，含Ni8%时，室温下基本上可获得单相的奥氏体组织，故奥氏体不锈钢具有好的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接性能。

但为了全面保证焊接接头的质量，往往需要解决一些特殊的问题，如接头各种形式的腐蚀、焊接热裂纹等[4]。

1.1.1奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀

18-8型奥氏体不锈钢焊接接头有三个部位出现晶间腐蚀现象，分别为HAZ敏化区、焊缝区和熔合区。

产生晶间腐蚀的原因：

奥氏体不锈钢在450～850℃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,就失了抗腐蚀能力,在腐蚀介质作用下，即产晶间腐蚀[4-5]。

金维松，郎宇平等[6]运用EPR法检测了奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的程度，得出：

对304LNSS而言，敏化时间越长，温度越高，其晶间腐蚀敏感性越强。

林晓云[7]就18-8奥氏体不锈钢焊接件焊接接头抗晶间腐问题，提出以下控制方法。

从焊接方法的选择上，尽可能缩短焊件在敏化温度区段下停留的时间，减小温度对它的影响；从焊接材料的选择上，根据奥氏体不锈钢的材质和工作条件来选择，原则上选择与母材相近的焊接材料；从焊接参数的选择上，在保证完全焊透、全熔合的情况下尽量选用小电流、低电压（短弧焊）焊接,以减少热输入量，改善焊接接头性能。

1.1.2奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂

SCC最大的特点之一是腐蚀介质与材料组合上的选择性，是应力与腐蚀介质共同作用的结果。

一般其形成有三个条件：

首先是金属在该环境下具有应力腐蚀开裂的倾向；其次是这种材质组成的结构接触；最后是有高于一定水平的拉应力[8]。

黄毓晖等[8]采用慢应变速率拉伸实验研究了304奥氏体不锈钢在60℃时，不同氢离子浓度的NaCl溶液中的应力腐蚀性能。

结果表明，随着氢离子浓度的增大，304不锈钢的应力腐蚀敏感性增强，但是当氢离子浓度达到一定程度时,应力腐蚀敏感性显著下降，这是由于当氢离子浓度过大时，均匀腐蚀的作用优先于应力腐蚀作用成为主导。

1.1.3奥氏体不锈钢焊接热裂纹

奥氏体不锈钢热裂纹有结晶裂纹、液化裂纹、高温低塑性裂纹[10]。

奥氏体不锈钢由于其热传导率小，线膨胀系数大，因此在焊接过程中，焊接接头部位的高温停留时间较长，焊缝易形成粗大的柱状晶组织，致使焊接接头脆化[11]。

因此，可以在保证焊缝成形的前提下，适当降低焊接电流，细化焊缝和热影响区晶粒，进一步降低线能量，提高材料抗裂纹敏感性[12]。

1.2奥氏体不锈钢焊接方法

目前，有较多的焊接方法可用于焊接奥氏体不锈钢，例如手工电弧焊，气体保护焊，埋弧焊，等离子弧焊等。

以下主要总结奥氏体不锈钢PAW焊和MAG焊。

1.2.1奥氏体不锈钢MAG焊

MAG焊主要适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属的焊接，尤其在不锈钢的焊接中得到广泛的应用。

丁成钢等[13]研究了SUS304不锈钢MAG焊接头组织与性能，结果表明，接头的抗拉强度不低于母材,而且塑性良好。

焊缝为奥氏体组织，呈较为粗大的柱状晶形态，且与母材熔合良好；过热区的晶粒长大不严重。

焊态时，焊接接头的腐蚀速率与母材相当，经敏化处理,接头的腐蚀速率大大增加。

李建彩，秦书清[14]研究了蒸发冷却器用1Cr18Ni9Ti不锈钢筒体的MAG焊，指出MAG焊焊接尺寸为400mm×200mm×10mm的1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢时，当选用直径1.2mmH0CrNi10Ti不锈钢焊丝，设计合适焊接接头形式，选用合适焊接参数时，焊缝成形美观，焊接质量优良。

此外，MAG焊热量利用率高，有效功率系数大，焊接熔深增加,焊接接头的化学成分，强度、塑性及韧性均达到母材水平，焊接接头具有良好的综合力学性能。

XiaoWenkai等[15]通过窄间隙熔化极活性气体保护焊（NG-MAG）弧焊对316LN奥氏体不锈钢焊接研究，得出了NG-MAG焊焊接奥氏体不锈钢时，由于其较低水平的热输入量，其成分偏析较小、枝晶尺寸也较小。

因此，奥氏体不锈钢具有优良低温韧性。

但是，也是因为焊接热输入较小的缘故，焊接接头的有未焊透的缺陷。

总之，奥氏体不锈钢的熔化极氩弧焊（MAG焊）技术较为成熟，使用MAG焊接不锈钢，余高适度，热影响区小，焊缝成形美观。

今后研究发展方向是MAG的高效自动焊接。

1.2.2奥氏体不锈钢PAW焊

等离子弧焊电弧穿透能力强，在一定厚度范围内，开I形坡口，可以一次焊透。

为此，在承压设备，特别是在高合金或特种材料的容器制造中，将其作为一种优质、高效、经济的焊接方法，并在行业上得到广泛的应用。

闫兴贵，李占勇[16]研究了厚8mmSUS304不锈钢的等离子焊接，采用正交试验的方法对厚度为8mmSUS304不锈钢进行了焊接工艺参数优化，得出最优工艺参数为，焊接电流I=246A，离子气流量Q=1.4L•min-1，焊接速度ν=205mm•min-1。

等离子弧焊接可以一次穿透8mmSUS304不锈钢锈钢，且焊缝表面美观。

经X射线探伤无缺陷，拉伸试验断裂部位在焊缝处，抗拉强度符合标准要求，均能达到母材的抗拉强度值，焊缝组织为奥氏体+铁素体，热影响区与母材组织均为奥氏体+少量铁素体。

吴娜，李亚江[17]通过研究环状高镍铸造合金与18-8不锈钢的PAW焊接，采用金相显微镜、显微硬度计分析焊接接头区。

结果表明，采用PAW焊接方法可以实现环状高镍铸造合金与18-8不锈钢的PAW焊接，焊接接头结合良好，没有明显气孔、裂纹等缺陷。

奥氏体不锈钢应用广泛，在不同的应用背景下，对焊接接头的要求不同。

因此，要充分把握各种焊接方法的优缺点，在不同的接头性能要求下，选用适当的焊接方法。

1.3应变强化奥氏体不锈钢压力容器的研究状况

1.3.1奥氏体不锈钢压力容器应变强化原理

奥氏体不锈钢在常温及高温下具有面心立方结构，对于面心立方结构的金属晶体，每个晶胞具有4个滑移面，每个滑移面上有3个可滑移方向，共有12个滑移系。

具有12个滑移系的面心立方结构的奥氏体不锈钢，因此有较好的塑性、韧性及低温性能。

与普通碳钢相比较，奥氏体不锈钢在拉伸应力-应变曲线上没有屈服平台，规定产生0.2%的塑性变形量为其屈服强度，从图1-1中可以看出，奥氏体不锈钢的屈服强度和抗拉强度之间有较大的塑性变形空间，屈强比较低。

因此，这就使得奥氏体不锈钢具有良好的应变强化特性。

图1-1奥氏体不锈钢应变强化示意图

奥氏体不锈钢应变强化原理[18].当金属材料受到大于屈服强度σ0.2的拉伸应力σk时，卸载后将会产生一部分的永久塑性变形；再次加载时，当应力值在σk以下时，材料将一直处于弹性变形状态，直至应力大于σk时，材料才重新进入塑性阶段，此时的σk相当于材料新的屈服强度。

显然，强化后材料的屈服强度提高了。

1.3.2奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术的发展

应变强化奥氏体不锈钢压力容器按照强化方式的不同可分为低温应变强化-Ardeform模式和室温应变强化模式-Avesta模式[18]。

低温应变强化模式

奥氏体不锈钢压力容器低温应变强化技术始于20世纪中后期，是美国为适应航空航天领域深冷容器轻量化的要求而发展起来的[19]。

该技术将制造完成的压力容器置于零下196℃的液氮低温环境下保温，然后经过加压及保压直至容器产生大约10%的塑性变形量来达到应变强化的目的。

于1961年开始，NASA联合美国Arde-Portland公司对退火态的301奥氏体不锈钢低温应变强化模式开展力学性能试验和型式试验研究。

得出的结论是：

退火态的301奥氏体不锈钢压力容器低温强化后其屈服强度和抗拉强度都的到提升；液氮环境下，低温应变强化后材料的裂纹敏感性有所得高；容器经427℃、20小时时效处理后，其屈服强度和爆破压力均有所提高[19]。

结果都是相当令人满意的，这些实验在航空航天发展的道路上起到了不可估量的作用。

Henderson发现[20]：

低温应变强化后，奥氏体不锈钢压力容器还保持其高温性能，且在强氧化剂环境下抗应力腐蚀性与退火态相同。

ArthurC[21]指明：

低温应变强化过程中存在fcc结构的奥氏体向bcc结构的马氏体发生无扩散相变

低温应变强化技术的使用，虽然其强化效果优于室温应变强化技术，但是该技术需要将容器整体浸入液氮之中，并在强化时需强化模对强化程度进行严格控制，整套设备价格昂贵，也没有比较完善的标准，限制了该技术的广泛应用。

室温应变强化模式

室温应变强化技术最早于20世纪50年代由瑞典Avesta公司提出，随后被澳大利亚借鉴[18-19]。

表1-1简要给出了室温应变强化技术的发展历程[20-26]。

表1-1室温应变强化技术发展历程

年份