毕业设计奥氏体不锈钢激光焊接文档格式.docx
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6、拉伸试验………………………………………………………………13
7、试验结果分析…………………………………………………………14
8、确定焊接工艺参数……………………………………………………15
9、焊缝质量的检测………………………………………………………15
参考文献……………………………………………………………16
第一部分奥氏体不锈钢
一、奥氏体不锈钢的牌号，成分与力学性能
奥氏体钢以铬镍为主要合金元素。
一般奥氏体钢的含铬量为Wcr=18%，进一步增加含铬量可提高其对一般酸的耐腐蚀能力。
奥氏体不锈钢主要靠镍来完成奥氏体化，在此基础上，有时用少量锰与氮部分取代镍。
在奥氏体钢中可通过加入钛或铌，或把含碳量Wc降至0.03%及以下，达到碳的稳定化，以防止出现晶间腐蚀。
加入钼可以提高铬镍奥氏体不锈钢的抗点状腐蚀和缝隙腐蚀能力。
常用奥氏体钢的牌号与成分见表1-1。
力学性能见表1-2。
表1-1常用奥氏体钢的牌号与化学成分w（%）
牌号
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
其他
0Cr18Ni9
≤0.08
≤1.00
≤2.00
≤0.035
≤0.030
≤8.00~11.00
≤18.00~20.00
—
00Cr19Ni11
≤0.03
≤9.00~13.00
0Cr18Ni12Mo3Ti
≤11.00~14.00
≤16.00~19.00
Mo:
2.50~3.50
Ti:
5XC%~0.70
0Cr18Ni11Ti
Ti≥5Xc%
0Cr19Ni9N
≤2.50
≤7.00~10.50
N:
0.10~0.25
00Cr18Ni10N
≤8.50~11.50
≤17.00~19.00
0.12~0.22
0Cr25Ni20
≤19.00~22.00
≤24.00~26.00
00Cr18Ni14Mo2Cu2
≤12.00~16.00
1.20~2.75
Cu:
1.00~2.50
2Cr21Ni12N
0.15~
0.28
0.75~
1.25
1.00~
1.60
≤10.50~12.50
≤20.00~22.00
0.15~0.30
1Cr18Ni9
3Cr18Mn12Si2N
0.22~
0.30
1.40~
2.20
10.50~
12.50
≤0.060
0.22~0.33
0Cr23Ni13
≤12.00~15.00
≤22.00~24.00
表1-2常用奥氏体钢的热处理制度及力学性能
热处理／℃
σ0.2／MPa
σb／MPa
δs﹙％﹚
ψ﹙％﹚
固溶1010~1150快冷
≥205
≥520
≥40
≥60
≥177
≥480
固溶1000~1100快冷
≥530
≥55
固溶980~1150快冷
≥50
≥275
≥550
≥35
时效750~800空冷
≥430
≥820
≥26
≥20
固溶1030~1150快冷
≥4000
≥245
固溶1100~1150快冷
≥390
≥680
≥45
固溶1030~1180快冷
二、奥氏体钢的焊接性
奥氏体不锈钢具有较高的变形能力并不可淬硬，所以焊接性良好。
但是，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、铁素体含量的控制及σ相脆化等。
1、焊接接头的晶间腐蚀问题
在腐蚀介质作用下，起源于金属表面沿晶界深入到金属内部的腐蚀就是晶界腐蚀，晶界腐蚀是一种局部性的腐蚀，它会导致晶粒间的结合力丧失，材料强度几乎消失，这是一种必须重视的危险的腐蚀现象。
奥氏体钢在加热到400～800℃时，对晶间腐蚀最为敏感。
这是因为当温度低于400℃时，碳原子活动能力很弱，Cr23C6析出困难而不会形成贫铬层；
当温度高于800℃时，晶粒内部的铬获得了足够的动能，扩散到晶界，从而使已形成的贫铬区消失。
在400～800℃之间，既有易于Cr23C6的析出，晶内的铬原子又不能扩散到晶界，最容易形成贫铬层，对晶间腐蚀也最为敏感。
一般称400～800℃温度范围为敏化温度区间。
当然，若在400～800℃之间长时间加热，晶内的铬原子有足够的时间扩散，也能使贫铬层消失，但这需要的时间过长，生产中没有实用价值。
根据奥氏体钢产生晶间腐蚀的规律，焊接接头在冷却过程中，若在敏化温度区停留一定时间，接头的耐晶间腐蚀能力将降低。
整个接头中以焊缝和峰值温度在600～1000的热影响区两个部位，对时间腐蚀最为敏感，后者称为敏化区（图1-3）。
提高焊接接头耐晶间腐蚀的措施，一般有：
（1）降低母材和焊缝中的含碳量；
（2）在钢中加入稳定的碳化物形成元素，改变碳化物的类型；
（3）焊后进行固溶处理；
（4）改变焊缝的组织状态等。
2、焊接接头的刀口腐蚀
刀口腐蚀是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀，只发生于含有稳定剂钛、铌的奥氏体钢（如0Cr18Ni11Ti、0Cr18Ni11Nb等）的焊接接头上。
腐蚀部位在热影响区的过热区，开始宽度只有3～5个晶粒，逐渐可扩大到1.0～1.5mm。
腐蚀一直深入到金属内部，因形状似刀刃而得名（图1-3）。
刀口腐蚀一般发生在焊后再次在敏化温度区间加热时，即高温过热与中温敏化连续作用的条件下，产生的原因也和Cr23C6析出后形成的贫铬层有关。
防止刀口腐蚀的措施有：
（1）降低含碳量；
（2）减少近缝区过热；
（3）合理的安排焊接顺序；
（4）焊后进行稳定化处理等。
3、应力腐蚀开裂问题
金属在应力和腐蚀介质性介质共同作用下，所发生的腐蚀破坏叫做应力腐蚀开裂。
在不锈钢中奥氏体钢比铁素体钢或马氏体刚对应力腐蚀更为敏感。
拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂的必要条件。
影响奥氏体钢应力腐蚀开裂的又一因素主要是腐蚀介质，腐蚀介质有氯化物水溶液、海水、H2S水溶液、水蒸汽、浓NaHCO3+NH3+NaCl水溶液等。
不锈钢在使用条件下产生应力腐蚀开裂的影响因素很多，包括钢的成分、组织和状态，介质的种类、温度、浓度，应力的性质、大小及结构特点等。
防止应力腐蚀开裂往往要从多方面采取措施，主要有：
（1）正确选用材料；
（2）消除产品的残余应力；
（3）对材料进行防蚀处理；
（4）改进部件结构及接头设计等。
4、焊接接头的热裂纹问题
奥氏体不锈钢焊接时产生的裂纹时热裂纹，在焊缝和热影响区都可能出现。
焊缝中主要是结晶裂纹；
热影响区及多层焊层间金属，则多为高温液化裂纹。
二者都与由于偏析而导致的晶间液化有关。
（1）裂纹产生的原因奥氏体钢对热裂纹比较敏感，主要是由冶金因素决定的，即由钢的化学成分、组织与性能决定的。
（2）防止焊缝结晶裂纹的途径主要有以下几点：
1）严格控制有害杂质，主要是硫、磷的含量。
2）调整焊缝金属为双相组织。
3）合理进行合金化。
4）工艺上的措施。
三、常规焊接方法奥氏体钢的焊接工艺
1、焊前准备
为了保证焊接接头的耐蚀性，防止焊接缺陷，在焊前准备中对下列没问题应予以特别注意。
（1）下料方法的选择奥氏体钢中的含铬量比较高，用一般的氧乙炔火焰有困难，可用机械切割、等离子弧切割或碳弧气刨等方法进行下料或坡口加工。
（2）焊前处理为了保证焊接质量，焊前应将坡口及两侧20～30mm范围内的焊件表面清理干净。
（3）表面保护在搬运、坡口制备、装配及点焊过程中，应注意避免损伤钢材表面，以免使产品的耐蚀性能降低，如不允许用利器划伤钢材表面及随意到处打弧等。
2、奥氏体钢的焊接方法
（1）焊条电弧焊焊条电弧焊在不锈钢焊接中应用最为广泛，它具有电弧热量较集中、焊接线能量小、可进行全位置焊接等优点。
有利于防止接头过热，提高耐蚀性能。
1）接头形式和坡口尺寸。
奥氏体不锈钢的焊条电弧焊坡口尺寸见表1-3。
表1-3奥氏体不锈钢焊条电弧焊接头形式及坡口尺寸
接头形式
板厚δ/mm
间隙ɑ/mm
钝边Ρ/mm
坡口角α/°
2
3
1.0～1.2
1.4～1.8
3.5
4～4.5
5～6
7～10
1.5
2.5
1.0
5～14
16～35
60±
5
1～~4
5～12
＞12
≤0.5
≤1.0
≤1.5
4～~6
7～12
13～18
＞18
1.50±
.3
1.5±
0.3
2±
2.5±
10
2）焊条的选择。
正确选用焊条是保证焊接接头使用性能的关键。
表1-4列出了常用奥氏体钢的焊接材料选用实例。
表1-4常用奥氏体钢焊接材料选用实例
母材牌号
工作条件及要求
焊条型号
焊条牌号
埋弧焊焊丝
氩弧焊焊丝
1Cr19Ni9
300℃以下，耐热
E308—16
E308—15
A102
A107
H0Cr19Ni9Ti
H0Cr19Ni9
抗裂纹，抗腐蚀性能要求较高
A122
H0Cr19Ni9Si2
0Cr18Ni11Ti
E347—16
E347—15
A132
A137
H0Cr19Ni9TiAl
00Cr18Ni11
耐蚀要求高
E308L—16
A002
H00Cr22Ni10
00Cr17Ni13Mo2Ti
要求具有耐无机酸、有机酸、碱及盐腐蚀
E316—16
E316—15
A202
A207
H0Cr19Ni11Mo3
H00Cr17Ni13Mo2
H0Cr18Ni12MoNb
要求优良的抗晶间腐蚀能力
E318—16
A212
00Cr17Ni13Mo3Ti
耐非氧化性酸及有机酸腐蚀
E317—16
A242
H00Cr19Ni11Mo3Ti
0Cr18Ni9Ti
1Cr18Ni9Ti
要求一般耐热及耐腐蚀性
E318V—16
E318V—15
A232
A237
3）焊接工艺要点。
奥氏体不锈钢焊接环境温度一般不应低于0℃，否则，熔化情况不好，也容易产生裂纹，但不得对工件预热。
为防止产生晶间腐蚀和热裂纹，应采用快焊速、窄焊道。
为了防止要批发红及母材过热，焊接电流不宜过大，一般比相同直径的碳钢焊条小20％左右。
焊条电弧焊焊接参数见表1-5.
表1-5焊条电弧焊焊接参数
焊件厚度/mm
焊条直径/mm
焊接电流/A
平焊
立焊
仰焊
＜2
2.0
40～70
40～60
40～50
2～2.5
50～80
50～70
3～5
3.2
70～120
70～95
70～90
5～8
4.0
130～190
130～145
130～140
8～12
5.0
160～210
（2）熔化极惰性气体保护焊焊接时的保护气体可用纯Ar,Ar+O2（C02）或Ar+He+C02混合气。
在Ar中加入体积分数为1％的或2％～3％的C02，可以细化熔滴，易于实现射流过渡，提高电弧的稳定性。
焊丝成分见表1-4。
焊接采用直流电源反接（焊丝接正极），焊接电流为相同直径的碳钢焊丝的80％，一般板厚δ=6～25mm用喷射过度，δ＜6mm用短路过渡。
两种过渡形式的焊接参数见表1-6.
表1-6奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊的焊接参数
板厚/mm
熔滴过渡形式
接头和坡口形式
焊丝直径/mm
电弧电压/V
焊接速度/mm·
min-1
焊道数
6.4
9.5
12.7
19
25
喷射
Ⅰ形坡口，（带衬垫）
60°
V形坡口对接
V形坡口，1.6mm钝边
90°
1.6
2.4
200～250
250～300
275～325
300～350
350～375
25～28
27～29
28～32
31～32
31～33
500
380
150
140
120
1
3～4
7～8
短路
角接或搭接
Ⅰ形坡口对接
0.8
85
90
105
125
21
22
23
450
350
300
400
（3）钨极氩弧焊钨极氩弧焊焊接线能量很低，特别适合焊接对过热敏感的各种奥氏体钢。
这种方法的主要缺点是生产效率较低、成本高，一般只用于焊接6mm以下的薄板。
手工钨极氩弧焊的焊接参数见表1-7
表1-7奥氏体钢手工钨极氩弧焊焊接参数
钨极直径/mm
焊接电流（直流正接）/A
氩气流量/m3·
h-1
搭接
角接
T形接头
80～100
100～120
90～100
250
110～130
90～110
1.6或2.4
120～140
130～150
115～135
105～125
（留间隙）
3.0
225～275
150～200
175～225
150～250
0.5
6.5
275～300
300～375
13
双Y形坡口对接
T形接头或角接
350～450
375～475
230～280
100
（4）埋弧焊埋弧焊是一种深熔敷率的焊接方法，具有较高的经济性，可用来焊接5mm以上的大多数奥氏体钢。
埋弧焊具有热输入量高、熔池尺寸大、冷却和凝固速度较低等特点。
埋弧焊时，铬镍元素的烧损可有焊丝或焊剂补偿，常用奥氏体不锈钢焊丝见表1-4.焊剂牌号为HJ150（无锰中硅中氟型）、HJ151、HJ172（无锰低硅高氟型）和烧结焊剂SJ601、SJ641两个牌号。
（5）焊缝的酸洗及钝化处理不锈钢焊后，焊缝必须进行酸洗、钝化处理。
酸洗的目的是去除焊缝及热影响区表面的氧化皮，钝化的目的是使酸洗的表面重新形成一层无色的致密氧化膜，其耐腐蚀作用。
第二部分激光焊
一、激光焊概述
激光焊（LaserBeamWelding,LBW）是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。
与传统的焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透力强、精度高、适应性强等优点。
作为现代高科技产物的激光焊，已成为现代工业发展必不可少的加工工艺。
二、激光焊的原理及特点
1、激光焊的原理
激光是指激光活性物质或称工作物质受到激励，产生辐射，通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。
经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度高达106~1012W/cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。
激光焊实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程极其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。
2、激光焊的特点
与常规电弧焊方法相比，激光焊具有以下特点。
1）聚焦后的激光束密度可达105~107W/cm2，加热速度快，热影响区窄，焊接应力和变形小，易于实现深焊和高速焊。
2）可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可不开坡口一次成形。
3）适宜于常规焊接方法难以焊接
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