201奥氏体不锈钢与Q235焊接接头组织与性能的研究毕业设计论文.docx
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201奥氏体不锈钢与Q235焊接接头组织与性能的研究毕业设计论文
武汉理工大学
本科生毕业设计（论文）
Q235与201奥氏体不锈钢焊接
接头的组织和性能分析
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
年月日
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2、不保密囗。
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年月日
导师签名：
年月日
摘要
本论文实验对象是珠光体钢Q235和201奥氏体不锈钢。
采用A102焊条实现了Q235与Q235焊接、201奥氏体不锈钢与201奥氏体不锈钢焊接、Q235与201奥氏体不锈钢焊接，并对三个焊接试样进行了金相组织观察。
选取Q235与201奥氏体不锈钢焊接接头进行了850℃的退火处理，对热处理后的试样进行了金相观察和硬度测试，与热处理前的Q235与201奥氏体不锈钢焊接接头的组织和硬度进行了比较，所得实验结果对于异种钢焊接具有重要的指导意义，为异种钢焊接作业提供参考依据。
关键词：
异种钢焊接；Q235；奥氏体不锈钢；金相组织；硬度测试
Abstract
ThepearlitesteelofQ235andausteniticstainlesssteelof201arethesubjectsofthisthesis.TheweldingbetweenQ235andQ235isrealizedbytheelectrodeofA102,aswellastheweldingbetween201and201,thedissimilarweldingbetweenQ235and201,thenthemetallographicexaminationandhardnesstestingaredoneonthethreespecimenwelded.ThejointofthedissimilarweldingbetweenQ235and201isselectedfortheannealingtreatmentof850℃,andthenthesameoperationofhemetallographicexaminationandhardnesstestingtothespecimenwhichhasbeenheattreated.Thecomparisonbetweenthetwoteamsofspecimen,theresultwhichhaveimportantguidingsignificancetothedissimilarweldingandheattreatmenthasgreatvalueinuse.
Keywords:
dissimilarsteelwelding;Q235;austenite;metallographicobservation;hardnesstest；structureandproperty
1绪论
1.1前言
随着国民经济的迅速发展和科学技术的不断进步，新结构、新设备层出不穷，新材料、新工艺的应用日益广泛，对零件部位的性能提出了更高的要求，如硬度、耐磨性、耐蚀性、低温韧性、高温持久强度、磁性、导电性、导热性、熔点等多个方面的性能。
在有些情况下，任何一种金属材料都不可能完全满足使用要求，或者即使某种金属比较理想，也往往由于十分希贵，不能在工程中普遍应用。
现代焊接技术的发展的发展已经可以将不同性能的材料焊接成复合零部件，既能满足各种性能要求，又可以节约各种贵重金属材料，降低成本。
因此，采用焊接方法制造异种材料复合零部件受到人们的广泛重视，具有广阔的应用前景[1]。
两种牌号不同的钢之间的焊接称之为异种钢焊接，它是属于异种金属焊接中应用最为广泛的一类接头。
异种钢及异种金属之间的焊接研究一直是国内外学术界和工业界共同关注的热点前沿课题，已做了大量的工作，积累了丰富的理论知识和实践经验。
但由于异类材料的组合极为多样，对接头的要求又各不相同，所以还有许多问题没有得到解决或还须做进一步的研究。
在这种接头中，金属本身的各种性能，已不足以直接说明它在焊接时可能出现什么问题或焊接后能否满足使用要求。
异种钢及异种金属焊接接头所形成的复合零部件能否满足工程上复杂工况下的功能要求，关键是解决他们的焊接性问题，而焊接性的核心是接头熔合区或过渡区的行为和性能，随着现代新材料和新型复合结构的大量出现，研究和讨论异种钢及异种金属焊接熔合区的显微结构特征及其转变机理就显得尤为突出和重要。
但是，由于受到实验技术和实验条件的限制，目前，对窄的熔合区的研究，大多数还是停留在金相光学显微镜的观察上。
光学显微镜分辨本领低，并受腐蚀剂的影响大，一些微观组织很难被显示和观察，即使用高倍的扫描电子显微镜（SEM）也很难观察到熔合区细微的组织结构变化，而这些细微的变化对接头机械性能变化有很大的影响，它也是弄清楚某些失效断裂机理的钥匙。
另外，在由众多新材料构成的现代高技术复合零部件中，由于对它的使用环境和可靠性等方面提出了更高更苛刻的要求，因此也要求我们必须采用更先进的分析测试手段，从更微观的层次和角度对异种钢及异种金属焊接接头焊接性的本质进行更加深入的研究[2]。
观察焊接区，特别是熔合区显微组织变化特征及其转变机理的最有效和最直观的方法是利用较光学显微镜和扫描电镜具有更高放大倍数和分辨率的透射电子显微镜（TEM）。
但到目前为止，还较少看到有关这方面的报道。
许多学者甚至认为不可能制备出可供TEM观察的熔合区薄膜样品，这主要是由于异种钢及异种金属之间物理、化学性能、组织、成分、强度等相差很大的缘故。
1.2异种钢焊接今后的研究热点与发展趋势
随着人们对焊接领域研究的不断深入，异种金属焊接已经成为工程应用不可缺少的工艺手段，并已成为焊接领域的研究热点。
对异种金属焊接的研究已经深入到各个领域工作中，重心偏向一下几个方面：
（1）新焊材的研制。
如何客服因母材性能差异形成劣质异种焊接接头的问题是异种金属焊接面临的重大挑战。
研制出同时具有母材性能的焊材或填充材料，其意义等同于缩小母材的性能差异，减少碳的迁移，提高接头的高温持久性能，达到改善异种金属焊接接头的目的[3]。
（2）提高异种金属焊接接头的抗腐蚀性能。
在石油化工和电站锅炉等行业中，腐蚀成为异种钢焊接接头最常见的失效形式。
由于接头由两种不同的母材和填充材料经过高温快冷结合而成，结构复杂，相对于母材，异种金属焊接接头抗腐蚀能力很低。
因此，如何提高异种钢焊接接头抗腐蚀性能也是工程实践中急需解决的难题[4]。
（3）采用现代先进的检测手段和计算机模拟技术，深入研究异种金属焊接接头的腐蚀性能、应力分布、碳迁移规律等，构建完善的数据库，异种金属焊接提供参考依据。
1.3异种钢焊接的问题
由于异种钢接头两侧的母材无论从化学成分上还是物理、化学性能上都存在着差异，主要表现在：
（1）结晶化学性差异（晶格类型、晶格常数、原子半径、原子外层电子数等）：
这决定两种材料在冶金学上的相容性－无限固溶、有限固溶、形成化合物、产生中间相和不能形成合金。
（2）物理性能差异：
熔点、膨胀系数、导热系数、比电阻、力学性能等，这影响焊接温度场、应力场等。
（3）表面状态差异（氧化膜性质、形态）。
因此，焊接时，要比同一种钢自身之间的焊接要复杂得多。
异种钢焊接时存在以下焊接特点：
（1）接头中存在着化学成分的不均匀性
异种钢焊接接头的化学成分不均匀性及由此而导致的组织和力学性能不均匀性问题极为突出，特别是对于第二类异种钢接头更是如此。
不仅焊缝与母材的成分往往不同，就连焊缝本身的成分也是不均匀的，这主要是由于焊接时稀释率的存在所造成的。
这种化学成分的不均匀性对接头的整体性能影响较大。
（2）接头熔合区组织和性能的不稳定性
在母材与焊缝金属之间的熔合区由于存在着明显的宏观化学成分不均匀性，因此就引起组织极大的不均匀性，给接头的物理化学性能、力学性能带来很大影响。
比如用奥氏体不锈钢焊条焊接低合金钢与奥氏体不锈钢之间的异种钢接头，在熔合区就存在着“碳迁移”现象，使熔合区靠焊缝一侧形成增碳层，而低合金钢一侧形成脱碳层，在此区域内硬度变化剧烈，同时力学性能下降，甚至引起开裂。
（3）焊后热处理是较难处理的问题
异种钢接头的焊后热处理是一个比较难处置的问题，如果处置不当，会严重损坏异种钢接头的力学性能，甚至造成开裂。
例如对于同类异种钢接头，一侧母材强度较低，要求的焊后热处理温度也较低，而另一侧母材强度及合金元素含量较高，要求的焊后热处理温度较高，此时如果PWHT温度选择不当，会使强度低的一侧母材强度下降过度。
1.4课题主要内容和目的
对于异种钢焊接接头又可分为两种情况，第一类为同类异种钢组成的接头，这类接头的两侧母材虽然化学成分不同，但都属于铁素体类钢或都属于奥氏体类钢；第二类接头为异类异种钢组成，即接头两侧的母材不属于同一类钢，例如一侧为铁素体类钢，另一侧为奥氏体类钢（如奥氏体不锈钢）。
对于母材都属于铁素体类钢，其焊缝采用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条焊接的接头，也属于第二类接头。
由于异种钢接头两侧的母材无论从化学成分上还是物理、化学性能上都存在着差异，因此，焊接时，要比同一种钢自身之间的焊接要复杂得多[5]。
本实验采用的就是第二类接头，珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接，对Q235和201奥氏体不锈钢进行焊接。
我们都知道不锈钢可分为三大类：
奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢。
而奥氏体不锈钢是不锈钢中应用最广泛、牌号种类最多的钢种，也是较重要的一类不锈钢。
这是由其具有的一些特点所决定的。
奥氏体类不锈钢以奥氏体和少量δ铁素体为主要组织，以Fe、Cr、Ni元素为主要合金成分。
这类钢韧性高，具有良好的耐蚀性和高温强度、较好的抗氧化性、良好的压力加工性能和焊接性能，缺点是强度和硬度偏低，且不能采用热处理方式强化[6]。
珠光体类钢（主要包括低碳素钢和低合金钢）以铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体为主要组织，以Fe为主要成分。
该钢种合金元素含量少，工艺性能好，工作温度最高可达600℃，又称珠光体热强钢或珠光体耐热钢。
这两类材料具有不同的组织和成分，使他们在热膨胀、导热和导电性等物理性能，腐蚀性等化学性能和脆—韧性、耐磨性及强度等机械性能方面存在较大的差异。
当他们以不同方式焊接在一起时，所形成的焊接接头与相近或相同钢种的焊接相比更为复杂。
在实际生产中，大多用奥氏体类钢焊条或焊丝在珠光体类钢母材上施焊成形所谓的异种钢焊接接头。
在常规分析中，一般采用金相腐蚀的方法进行异种钢焊接接头显微组织观察和相变过程研究，但是受腐蚀剂的影响和光学显微镜分辨率和放大倍数的限制，很难准确鉴别复杂组织、细小析出相及微缺陷等。
奥氏体不锈钢与珠光体钢的焊接，首先这两种钢的组织和成分都不相同，焊接在一起时，焊缝金属是由两种不同类型的母材以及填充金属材料熔合而成。
珠光体钢和奥氏体不锈钢焊接，不但要考虑珠光体钢的焊接问题（冷裂纹、热裂纹、层状撕裂、再热裂纹、HAZ脆化和软化）和奥氏体不锈钢的焊接问题（热裂纹、晶间腐蚀、接头等强性），而且还必须考虑两种钢焊接时产生的新的问题。
主要表现在：
（1）焊缝的稀释。
由于珠光体钢中含有的合金元素比较低或者没有，所以它对整个焊缝金属的合金具有稀释作用。
在这种稀释的作用下使焊缝中的奥氏体形成元素含量减少，结果焊缝中可能会出现马氏体组织，不断发展，从而恶化了接头质量，还可能会出现裂纹。
所以在焊接时应选用含合金量比较高的焊条。
（2）当焊接时在焊接热源的作用下，熔化的母材和填充材料相互混合的程度，在熔化池内和边缘是不相同的。
在边缘液态金属温度较低，流动性能较差。
由于珠光体与奥氏体钢填充材料的成分相差悬殊．就使珠光体钢这边的焊缝金属会形成和焊缝金属内部成分不同的过渡层。
这里含铬，镍量相对较少，主要是由马氏体区组成。
当马氏体区较宽时，会使焊缝接头的韧性降低，在使用过程中容易出现局部裂纹而脆裂破坏。
奥氏体型不锈钢原则上不须进行焊前预热和焊后热处理，但其中镍、钼含量高的高合金不锈钢进行焊接时易产生高温裂纹。
另外还易发生脆化，在铁素体生成元素的作用下生成的铁素体引起低温脆化以及耐蚀性下降和应力腐蚀裂纹等缺陷。
焊接接头的力学性能一般良好，但当在热影响区中的晶界上有铬的碳化物时会极易生成贫铬层。
而贫铬层的出现将在使用过程中易产生晶间腐蚀。
为避免问题的发生，应采用低碳（C≤0．03％）的牌号或添加钛、铌的牌号。
为防止焊接金属的高温裂纹，通常认为控制铁素体是有效的，一般提倡在室温下含5％以上的铁素体。
对于以耐蚀性为主要用途的钢，应选用低碳和稳定的钢种，并进行适当的焊后热处理；而以结构强度为主要用途的钢，不应进行焊接后热处理，以防止变形和由于析出碳化物和发生脆化。
（3）在由奥氏体不锈钢和珠光体钢组成的焊接接头中．由于珠光体钢的含碳量较高，而奥氏体不锈钢则含合金元素较多，这样就形成了在熔合区内珠光体钢一侧两边形成了碳和碳化物形成元素的浓度差。
当接头处在350～400℃长期工作时，熔合区便出现明显的碳的扩散。
结果在靠近熔合区的珠光体钢母材上形成了脱碳层而软化，在奥氏体焊缝一侧产生了增碳层硬化。
（4）由于奥氏体母材和焊缝金属的线膨胀系数比珠光体母材大30～50％，而热导系数却只有珠光体的50％左右，在接头处有很大的热应力，高温下或者交变温度下工作时易被氧化口，在反复的热应力的作用下，会形成所谓热疲劳裂纹。
（5）由于氢在这两种钢中的溶解度不同，使焊接熔池在结晶过程中。
既有奥氏体组织又有铁索体组织。
两者相互接近，气体形成扩散，使扩散氢得以聚集，为产生迟延裂纹创造了条件，使焊接接头受到破坏[7]。
本实验研究对象为Q235与201奥氏体不锈钢，选取合适的焊条，在合适的焊接方法和工艺参数下实施焊接。
通过金相组织分析、硬度测试、热处理等对焊接接头的组织和性能进行研究，为异种钢焊接作业提供参考依据。
2实验材料和方法
2.1焊接材料
本实验采用Q235与201奥氏体不锈钢作为母材进行焊接。
Q235和奥氏体不锈钢的化学成分如表1所示。
表1Q235钢与201奥氏体不锈钢的化学成分（质量分数%）
C
Mn
Si
Cr
Ni
Q235
0.18
0.44
0.35
--
--
201
0.15
5.5～7.5
1
16～18
3.5～5.5
获取6块焊接试样，3块Q235钢板，3块201奥氏体不锈钢钢板。
实验时分成三组试样，如图1，以便后期的实验对比。
201钢板厚度为2.6mm，Q235钢板厚度为5mm。
201201201Q235Q235Q235
图1焊接用钢板
板材采用砂轮机切割，表面不光滑、边上有毛刺且焊接区域内存在铁锈和污渍，需要进行焊前的清理，采用砂轮机进行打磨。
2.2焊接方法的选择
选择焊接方法时必须符合以下要求：
能保证焊接产品的质量优良可靠，生产效率高；生产费用低，能获得较好的经济效益；且实验条件可得。
选择的一般方法是：
针对产品的材料性能和结构特征，根据各种焊接方法的特点，结合产品的生产类型和生产条件等因素，做综合分析。
手工焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的一种电弧焊方法。
图2为手弧焊过程示意图，焊条和工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后熔滴和熔化的母材融合在一起形成熔池，随着电弧向前移动，熔池液态金属逐步冷却结晶，形成焊缝。
手工电弧焊是一种非常普遍的、易于使用的焊接方法。
折中焊接方法很简单，可以用来焊接所有的材料，对于室外使用有很好的适应性，在电弧焊中，电弧长度取决于人的手；当你改变电极与工件的缝隙时，你也改变了电弧的长度。
在大多数情况下，焊接采用直流电，电极即作为电弧载体，同时也作为焊缝填充材料。
手工焊条电弧焊劳动条件差，生产率低。
因此，手弧焊适用于焊接单件或小批量的产品，短的、不规则的、各种空间位置的以及其它不易实现机械化焊接的焊缝。
工件厚度一般在1.5mm以上，1mm以下的薄板不适合手弧焊。
手弧焊适用于碳钢、低合金钢、不锈钢、铜及铜合金等金属材料的焊接，铸铁焊补和各种金属材料的堆焊等[8]。
本实验中，考虑到焊接实验条件的限制，并且手工电弧焊焊接方便，能够进行反复试验，且操作简单，适合我们进行焊接，同时手工电弧焊成本低，所以我们首先选择手工电弧焊进行焊接。
实验室使用焊机型号为ZX7--3X400。
图2手工电弧焊
2.3焊接工艺设计
2.3.1焊条的选择
（1）在技术文件没有明确要求情况下，电焊条的选用应根据母材的化学成份、机械性能、焊接接头的抗裂性、焊前预热、焊后热处理及使用条件等因素综合考虑，可参照表2进行。
表2电焊条的选择
牌号
型号
工况
Q235
J422
E4303
一般结构
201奥氏体不锈钢
A102
E308-16
一般结构
（2）异种钢之间的焊接，焊条的选用，应符合下列要求
由前述分析，奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接时易出现稀释的问题，所以焊接时，焊条易采用含合金较多的型号，以弥补稀释，在这里为了弥补奥氏体母材的元素迁移，最好采用奥氏体焊条进行焊接，这样既能够弥补元素稀释，又能够优化焊缝区的应力分布，提高力学性能。
由上面可知，201奥氏体不锈钢进行对接焊时，采用A102焊条；Q235钢进行对焊时采用J422；201奥氏体不锈钢与Q235进行对焊时采用A102焊条。
由于三组试样需要在焊后进行对比研究，所以三组试样焊接采用同种型号A102焊条进行焊接。
综上所述，结合实验室资源，本实验进行焊接时采用A102焊条，型号为E308--16[9]。
2.3.2焊件坡口形式的选择
要考虑在施焊和坡口加工可能的条件下，尽量减小焊接变形，节省焊条，提高劳动生产率，降低成本，最主要的就是保证焊接过程中能够焊透。
一般主要根据板厚选择。
对于201奥氏体不锈钢对接焊，厚度为2.6mm，不用开坡口；对于Q235对接焊，板厚为5mm，最好做出V字型坡口；对于201与Q235对接焊，由于板厚差过大，应对较厚板材的对接边缘进行削斜处理。
开出坡口后，三组试样如下图：
图3三组试样的坡口形式
2.4工艺参数选择
选择合适的焊接工艺参数，对提高焊接质量和提高生产效率是十分重要。
焊接工艺参数（焊接规范）是指焊接时，为保证焊接质量而选定的诸多物理量。
2.4.1焊条直径
焊条直径可根据焊件厚度、接头型式、焊缝位置、焊道层次等因素进行选择。
焊件厚度越大，可选用的焊条直径越大。
焊条直径与厚度的关系见表3：
表3焊条直径与焊件厚度的关系
焊条厚度/mm
2
3
4～5
6～12
≥13
焊条直径/mm
2
3.2
3.2～4
4～5
4～6
2.4.2焊接电流
（1）实际生产过程中焊工都是根据试焊的试验结果，并根据自己的实践经验选择焊接电流的。
（2）电流过大，很难引弧，焊条容易粘在焊件上，鱼鳞纹粗，两侧融合不好。
（3）电流太小，焊接时飞溅和烟雾大，焊条发红，熔池表面宽，容易烧穿、咬边。
（4）电流合适，容易引弧电弧稳定，飞溅小，能听到均匀的噼啪声，焊缝两侧圆滑的过渡到母材，表面鱼鳞纹很细，焊渣容易敲掉[10]。
根据表4，确定焊接电流。
表4焊条直径与焊接电流关系
焊条直径/mm
1.6
2.0
2.5
3.2
4.0
5.0
6.0
焊接电流/mm
25～40
40～65
50～80
100～130
160～210
260～270
260～300
2.4.3电弧电压
电弧电压主要影响焊缝宽度，电弧电压越高，焊缝就越宽，焊缝厚度和余高减少，飞溅增加，焊缝成形不易控制。
电弧电压的大小主要取决于电弧长度，电弧长，电弧电压就高；电弧短，电弧电压就低。
有一经验公式可供参考：
当电流I小于600A时，一般取电压为20+0.04I，当电流大于600A时，取电压为44V。
2.4.4焊接速度
在保证焊缝所有要求尺寸和质量的前提下，由操作者灵活控制。
当焊接速度太慢时，热影响区加宽，晶粒粗大，变形也大；当焊接速度太快时，焊缝窄而低，易产生未焊透等缺陷。
在实际操作中，焊工应要把具体情况灵活掌握，以确保焊缝质量和外观尺寸满足要求。
综上所述，对于焊条直径，由于三组试样采用用一规格的焊条，根据三组试样的厚度，所以折中选择Φ3.2mm的焊条；对于焊接电流，由于焊条直径选择的是Φ3.2mm，所以根据表知，电流为100～130A，但是具体电流还要在焊接时进行调试；所以本实验的焊接电压为：
U=20+0.04*（100～130）=24～25.2V。
而焊接速度是要根据实际操作情况由操作者进行控制。
2.5焊接前的准备和焊接
2.5.1焊接前的准备
在焊接实验前，我们还要做一些准备工作，对实验材料进行处理。
（1）首先把钢板用酒精清洗一遍，然后再用清水多洗几遍，擦除板材表面的锈迹和污渍，以免对焊接造成不良影响[11]。
（2）用砂轮机将板材街头部分进行打磨，使焊接接头部分光滑、露出金属光泽，并且能够紧密结合，这样才能进行更好的焊接。
（3）实验室中的A102焊条由于放置时间过长，可能受到潮湿，所以焊前需要对焊条进行烘干处理，可以有效的减少焊条中氢的影响。
经查表可知：
对于A102焊条，需要在250°C保温至少1h才能达到焊接要求。
时间到之后，用钳子将焊条取出，放在干燥的地方降至正常温度。
2.5.2焊接实施
焊接时一定要注意安全，做好保护措施。
必须配备合适滤光板的面罩、干燥的帆布工作服、手套、橡胶绝缘和清渣防护白光眼镜等安全用具。
采用ZX7-3X400焊机进行焊接时，打开电源，调节焊接电流到-100A，推力17N，引弧电流为17A。
将焊条垂直夹在电焊钳，在废料板上进行试焊。
熟悉焊接操作，能够焊出流畅的线条。
同时观察焊接电弧是否稳定，飞溅大小。
通过调整焊接电流来调整焊接平稳定和飞溅大小。
经过调试，焊弧在-100A下，飞溅较小、引弧平稳，适合焊接。
将焊板固定在工作架上，调整好焊缝的大小，首先进行定位点焊。
在将焊板两端固定后，解除约束，开始进行整体焊接。
焊完后，立即用小锤敲打焊缝，及时将焊渣清除。
2.5.3焊接过程中出现的问题
（1）在焊接过程中，发现在碳钢和不锈钢焊接的过程中，焊条熔化之后，溶液会偏向碳钢的一侧，也就是说，焊条熔化后是不均匀的分布在焊缝两侧，这是由于两种钢材化学成分的不同造成的。
（2）焊接时，两块钢板的结合缝会因为焊接而产生分离，造成焊接不便。
（3）当把焊渣敲掉之后，在部分焊缝表面出现彩色现象。
这可能是由于过热或者是由于表面存在油污造成的。
2.6金相试样制备和金相观察
2.6.1切割
为了方便后面对焊缝进行金相打磨，所以应对焊过的板材进行切割。
切割时，考虑到打磨的难易
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