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304L不锈钢管的钨极氩弧焊工艺添加时间:2021-04-07

研究了不同氩弧焊焊接工艺参数对304L不锈钢管焊缝成形的影响对焊接接头的组织形貌进行了分析,并对焊接接头进行了力学性能试验。结果表明:对接焊时,焊接电流为50A时的焊缝成形较好,焊缝组织为柱状晶,热影响区的组织较为复杂,焊缝的强度及硬度均优于母材,拉伸断裂位置为母材

自上世纪初发明不锈钢管以来由于其优良的耐腐蚀性能,在经济建设中占有举足轻重的地位,被广泛应用于船舶、车辆、汽车、宇航、桥梁、建筑、压力容器、贮罐、建筑机械、管线及家电设备等行业。在不锈钢管加工工艺中,焊接是最主要的、必不可少的加工技术。焊接件的数量、品种、规格在不断地增加,对焊接工艺和质量的要求也越来越高。而且随着技术的引进,国外的不少不锈钢管的品种和牌号、新焊接材料、新焊接技术、新焊接工艺在国内市场所占的比重逐步增加,因此对国内的焊接技术人员也提出了许多新的问题。钨极氩弧焊因具有良好的焊缝质量和无飞溅而备受关注,其工艺参数的正确合理选择是充分发挥设备的效能、预防焊缝缺陷、保证焊接质量的重要因素,因此被广泛用来焊接不锈钢管

本文研究了不同焊接工艺下的焊缝成形,并对焊缝的组织形态进行了观察,同时对焊缝的力学性能进行了检测

1试验设备及方法

试验用焊机为WSE200交直流两用焊机,其具有陡降的电源外特性。采用直径1mm的铈钨极作为电极,氩气流量为10L/min,使其具有层流的保护状态。试验采用填丝方式,所用焊丝为直径2mmH0Cr19Ni9Ti不锈钢管焊丝。试验用板材为304L不锈钢管,尺寸为100mm×100mm×2mm50mm×200mm×2mm。焊接前需将试板表面打磨干净,防止铁锈、油污影响焊接质量

焊接后的试样用维氏硬度计测量不同区域的硬度,用光学显微镜进行组织观察,用拉力试验机对焊接试样进行力学性能检测

2试验结果和讨论

21焊接工艺参数对焊缝成形的影响

试验采用平板堆焊及I形坡口对接焊,电弧电压为11V,平板堆焊时的焊接电流为30A36A,对接焊的焊接电流为50A60A。焊后的焊缝外观如图1所示

由图1可知平板堆焊时,当焊接电流为36A时的焊缝成形比焊接电流为30A时的焊缝成形美观,焊缝均匀一致,波纹状明显,焊缝外观质量较好。对接焊焊接电流为50A,焊缝成形较焊接电流为60A的美观焊缝较均匀。焊接电流增加时对母材的热输入增大,母材熔化速度加快,相同的焊接速度下,容易出现焊透等焊接缺陷

熔深直接影响焊接接头的承载能力焊缝成形系数是标准焊缝的一个重要参数,焊缝成形系数的大小影响到熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中心偏析严重程度,焊缝成形系数愈大,焊缝的热裂倾向愈小;未熔合、咬边、层间条状夹渣等缺陷发生的几率越低,而且焊缝成形性能越易控制。由表1可以看出,平板堆焊焊接电流为30A,对接焊时焊接电流50A时的焊缝成形系数较大,焊缝中产生气孔、夹渣的倾向性较小

22焊缝组织形貌分析

母材为304L不锈钢管,即0Cr18Ni9,其金相组织如图2所示。由于Cr含量较高,室温下304L不锈钢管为奥氏体不锈钢管,基体为奥氏体,呈孪晶态及少量的碳化物

焊接过程相当于一次特殊的热处理过程,焊缝及热影响区各部分由于离熔池距离不同而被加热到不同的温度,焊后冷却时又以不同的冷速冷却下来,因此使其组织变得复杂

经过截取、打磨、抛光、侵蚀等步骤来制备焊缝区域金相试样。在光学显微镜下观察到的组织形貌如图3所示

从图3中可以看出,母材为奥氏体组织,焊缝区域为柱状组织,其中夹杂一些碳化物。焊缝柱状组织主要是由于焊缝的结晶是从熔池底壁开始向中心成长的,结晶时各个方向的散热速度不同所致。散热快的方向晶体将沿其反向择优生长成柱状晶。焊缝区域主要为奥氏体加少量铁素体及碳化物,由于铁素体含量较高,组织有所粗化。热影响区分为熔合区、过热区、重结晶区及不完全重结晶区

焊缝中,熔合线附近区域到基体组织的过渡部分为熔合区,熔合区的温度处于液、固相线之间,焊缝与母材产生规则熔合,形成参差不齐的分界面,该区域中的晶粒十分粗大,化学成分和组织极不均匀,冷却后的组织为过热奥氏体组织,区域很窄,金相观察实际上很难明显地区分出来,但该区对于焊接接头的强度、塑性都有很大影响,往往熔合线附近是裂纹和脆断的发源地

过热区又称粗晶粒区,此区域的温度范围在固相线以下到1100℃,加热温度高,金属处于过热状态,于是奥氏体晶粒严重长大。粗大的奥氏体在较快的速度下冷却就形成了一种特殊的组织———魏氏体组织。魏氏体组织实质上是一个粗大的奥氏体晶粒内生成先共析的铁素体片,这种魏氏体组织不仅晶粒粗大,而且晶粒内有铁素体片所形成的脆弱面,故其韧性低。魏氏体组织的形成与焊接热影响区的过热程度有关,也即与金属高温停留的时间有关

重结晶区又称正火区或细晶粒区,该区域加热到峰值温度的温度范围,在Ac3到晶粒开始急剧长大以前的温度范围,加热时组织奥氏体化,由于加热温度快,奥氏体晶粒还未十分长大,接着冷却就得到均匀细小的少量铁素体奥氏体组织,相当于热处理中的正火组织由于该组织细化,故塑性和韧性都比较好,甚至优于母材

不完全重结晶区又称部分相变区或不完全重结晶区,该区域加热到峰值温度在Ac1~Ac3之间,低碳钢约750~900℃,甚至只有部分金属经受了重结晶相变,其余部分为没有发生相变的原始奥氏体晶粒,因此,该区域是一个粗晶粒和细晶粒混合区。在粗大原始奥氏体晶粒之间分布着经重结晶原始细小少量铁素体加奥氏体的群体,由于该区域晶粒大小不均匀,因而力学性能也不均匀

23焊接接头力学性能检测

231焊缝显微硬度分析

用维氏显微硬度计对焊接接头进行硬度测试,结果见表2

选用焊丝时应根据等强匹配原则来选取,所选焊丝的强度应大于或等于母材强度,故焊缝的硬度比母材硬度高,而热影响区部位由于存在粗晶粒区,故强度较低

232拉伸性能试验

焊后对焊缝进行拉伸性能试验,按照GB/T26491989来截取试样,制备试样的形状及尺寸如图4及表3所示

在拉伸试验机上对所制备的试样进行拉伸试验试验所用的最大拉伸力为3643kN,试样的抗拉强度为73454MPa。拉伸断裂的部位在母材上,说明焊缝的抗拉强度高于母材的抗拉强度,达到了标准的要求

3结论

1)对比了不同焊接电流对焊缝成形的影响,结果表明:对接焊时,当焊接电流为50A时焊缝成形比较美观,焊缝成形系数较大时,产生缺陷的倾向性较小

2)对焊后焊缝的组织形貌进行了观察分析,焊缝为柱状晶,热影响区组织形貌较复杂

3)对焊接接头进行了硬度测试及拉伸力学性能试验,结果表明焊缝的强硬度均优于母材,断裂位置在母材

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