【正文】 esult which have important guiding significance to the dissimilar welding and heat treatment has great value in use. Key words:dissimilar steel welding。austenite。hardness test； structure and property 武漢理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 緒論 前言 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新結(jié)構(gòu)、新設(shè)備層出不窮，新材料、新工藝的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)零件部位的性能提出了更高的要求，如硬度、耐磨性、耐蝕性、低溫韌性、高溫持久強(qiáng)度、磁性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熔點(diǎn)等多個(gè)方面的性能?，F(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展的發(fā)展已經(jīng)可以將不同性能的材料焊接成復(fù)合零部件，既能滿(mǎn)足各種性能要求，又可以節(jié)約各種貴重金屬材料，降低成本。 兩種牌號(hào)不同的鋼之間的焊接稱(chēng)之為異種鋼焊接，它是屬于異種金屬焊接中應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)接頭。但由于異類(lèi)材料的組合極為多樣，對(duì)接頭的要求又各不相同，所以還有許多問(wèn)題沒(méi)有得到解決或還須做進(jìn)一步的研究。 異種鋼及異種金屬焊接接頭 所形成的復(fù)合零部件能否滿(mǎn)足工程上復(fù)雜工況下的功能要求，關(guān)鍵是解決他們的焊接性問(wèn)題，而焊接性的核心是接頭熔合區(qū)或過(guò)渡區(qū)的行為和性能，隨著現(xiàn)代新材料和新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，研究和討論異種鋼及異種金屬焊接熔合區(qū)的顯微結(jié)構(gòu)特征及其轉(zhuǎn)變機(jī)理就顯得尤為突出和重要。光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)低，并受腐蝕劑的影響大，一些微觀組織很難被顯示和觀察，即使用高倍的掃描電子顯微鏡（ SEM）也很難觀察到熔合區(qū)細(xì)微的組織結(jié)構(gòu)變化，而這些 細(xì)微的變化對(duì)接頭機(jī)械性能變化有很大的影響，它也是弄清楚某些失效斷裂機(jī)理的鑰匙。 觀察焊接區(qū)，特別是熔合區(qū)顯微組織變化特征及其轉(zhuǎn)變機(jī)理的最有效和最直觀的方法是利用較光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡具有更高放大倍數(shù)和分辨率的透射電子顯微鏡（ TEM）。許 多學(xué)者甚至認(rèn)為不可能制備出可供 TEM觀察的熔合區(qū)薄膜樣品，這主要是由于異種鋼及異種金屬之間物理、化學(xué)性武漢理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 能、組織、成分、強(qiáng)度等相差很大的緣故。對(duì)異種金屬焊接的研究已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域工作中，重心偏向一下幾個(gè)方面： （ 1）新焊材的研制。研制出同時(shí)具有母材性能的焊材或填充材料， 其意義等同于縮小母材的性能差異，減少碳的遷移，提高接頭的高溫持久性能，達(dá)到改善異種金屬焊接接頭的目的 [3]。在石油化工和電站鍋爐等行業(yè)中，腐蝕成為異種鋼焊接接頭最常見(jiàn)的失效形式。因此，如何提高異種鋼焊接接頭抗腐蝕性能也是工程實(shí)踐中急需解決的難題 [4]。 異種鋼焊接的問(wèn)題 由于異種鋼接頭兩側(cè)的母材無(wú)論從化學(xué)成分上還是物理、化學(xué)性能上都存在著差異， 主要表現(xiàn)在： （ 1） 結(jié)晶化學(xué)性差異（晶格類(lèi)型、晶格常數(shù)、原子半徑、原子外層電子數(shù)等）：這決定兩種材料在冶金學(xué)上的相容性－無(wú)限固溶、有限固溶、形成化合物、產(chǎn)生中間相和不能形成合金。 （ 3） 表面狀態(tài)差異（氧化膜性質(zhì)、形態(tài)） 。異種鋼焊接時(shí)存在以下焊接特點(diǎn)： （ 1） 接頭中存在著化學(xué)成分的不均勻性 異種鋼焊接接頭的化學(xué)成分不均勻性及由此而導(dǎo)致的組織和力學(xué)性能不均勻性問(wèn)題極為突出，特別是對(duì)于第二類(lèi)異種鋼接頭更是如此。這種化學(xué)成分的不均勻性對(duì)接頭的整體性能影響較大。比如用奧氏體不銹鋼焊條焊接低合金鋼與奧氏體不銹鋼之間的異種鋼接頭，在熔合區(qū)就存在著“ 碳遷移 ” 現(xiàn)象，使熔合區(qū)靠焊縫一側(cè)形成增碳層，而低合金鋼一側(cè)形成脫碳層，在此區(qū)域內(nèi)硬度變化劇烈，同時(shí)力學(xué)性能下降，甚至引起開(kāi)裂。例如對(duì)于同類(lèi)異種鋼接頭，一側(cè)母材強(qiáng)度較低，要求的焊后熱處理溫度也較低，而另一側(cè)母材強(qiáng)度 及合金元素含量較高，要求的焊后熱處理溫度較高，此時(shí)如果 PWHT 溫度選擇不當(dāng)，會(huì)使強(qiáng)度低的一側(cè)母材強(qiáng)度下降過(guò)度。對(duì)于母材都屬于鐵素體類(lèi)鋼，其焊縫采用奧氏體不銹鋼焊條或鎳基焊條焊接的接頭，也屬于第二類(lèi)接頭 。 本實(shí)驗(yàn)采用的就是第二類(lèi)接頭，珠光體鋼 與 奧氏體不銹鋼的焊接 ，對(duì) Q235 和 201奧氏體不銹鋼進(jìn)行焊接。而奧氏體不銹鋼是不銹鋼中應(yīng)用最廣泛、牌號(hào)種類(lèi)最多的鋼種，也是較重要的一類(lèi)不銹鋼。 奧氏體類(lèi)不銹鋼以?shī)W氏體和少量δ鐵素體為主要組織，以 Fe、 Cr、 Ni 元素為主要合金成分。 珠光體類(lèi)鋼（主要包括低碳素鋼和低合金鋼）以鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體為主要組織，以 Fe 為主要成分。 這兩類(lèi)材料具有不同的組織和成分，使他們?cè)跓崤蛎?、?dǎo)熱和導(dǎo)電性等物理性能，腐蝕性等化學(xué)性能和脆 — 韌性、耐磨性及強(qiáng)度等機(jī)械性能方面存在較大的差異。在實(shí)際生產(chǎn)中，大多用奧氏體類(lèi)鋼焊條或焊絲在珠光體類(lèi)鋼母材上施焊成形所謂的異種鋼焊接接頭。 奧氏體不銹鋼與珠光體鋼的焊接，首先這兩種鋼的組織和成分都不相同，焊接在一起時(shí)，焊縫金屬是由兩種不同類(lèi)型的母材以及填充金屬材料熔合而成。 主要表現(xiàn)在： （ 1） 焊縫的稀釋。在這種稀釋的作用下使焊縫中的奧氏體形成元素含量減少，結(jié)果焊縫中可能會(huì)出現(xiàn)馬氏體組織，不斷發(fā)展，從而惡化了接頭質(zhì)量，還可能會(huì)出現(xiàn)裂紋。 （ 2） 當(dāng)焊接時(shí)在焊接熱源的作用下，熔化的母材和填充材料相互混合的程度，在熔化池內(nèi)和邊緣是不相同的。由于珠光體與奧氏體鋼填充材料的成分相差懸殊．就使珠光體鋼 這邊的焊縫金屬會(huì)形成和焊縫金屬內(nèi)部成分不同的過(guò)渡層。當(dāng)馬氏體區(qū)較寬時(shí)，會(huì)使焊縫接頭的韌性降低，在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)局部裂紋而脆裂破壞。另外還易發(fā)生脆化，在鐵素體生成元素的作用下生成的鐵素體引起低溫脆化以及耐蝕性下降和應(yīng)力腐蝕裂紋等缺陷。 而貧鉻層的出現(xiàn)將在使用過(guò)程中易產(chǎn)生晶間 腐蝕。為防止焊接金屬的高溫裂紋，通常認(rèn)為控制鐵素體是有效的，一般提倡在室溫下含 5％以上的鐵素體。 （ 3） 在由奧氏體不銹鋼和珠光體鋼組成的焊接接頭中．由于珠光體鋼的含碳量較高，而奧氏體不銹鋼則含合金元素較多，這樣就形成了在熔合區(qū)內(nèi)珠光體鋼一側(cè)兩邊形成了碳和碳化物形成元素 的濃度差。結(jié)果 在 靠近熔合區(qū)的珠光體鋼母材上形成了脫碳層而軟化，在奧氏體焊縫一側(cè)產(chǎn)生了增碳層硬化。 （ 5） 由于氫在這兩種鋼中的溶解度不同，使焊接熔池在結(jié)晶過(guò)程中。 兩者相互接近，氣體形成擴(kuò) 散，使擴(kuò)散氫得以聚集，為產(chǎn)生遲延武漢理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 裂紋創(chuàng)造了條 件，使焊接接頭受到破壞 [7]。通過(guò)金相組織分析、硬度測(cè)試、熱處理等對(duì)焊接接頭的組織和性能進(jìn)行研究，為 異種鋼焊接作業(yè)提供參考依據(jù)。 Q235 和奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分如表 1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)分成三組試樣，如圖 1，以便后期的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。 201 201 201 Q235 Q235 Q235 圖 1 焊接用鋼板 板材采用砂輪機(jī)切割，表面不光滑、邊上有毛刺且焊接區(qū)域內(nèi)存在鐵銹和污漬，需要進(jìn)行焊前的清理，采用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨。 選擇的一般方法是：針對(duì)產(chǎn)品的材料性能和結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)各種焊接方法的特點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)品的生產(chǎn)類(lèi)型和生產(chǎn)條件等因素，做綜合分析。圖 2 為手弧焊過(guò) 程示意圖，焊條和工件之間產(chǎn)生的電弧將焊條和工件局部加熱到熔化狀態(tài)，焊條端部熔化武漢理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 后熔滴和熔化的母材融合在一起形成熔池，隨著電弧向前移動(dòng)，熔池液態(tài)金屬逐步冷卻結(jié)晶，形成焊縫。折中焊接方法很簡(jiǎn)單，可以用來(lái)焊接所有的材料，對(duì)于室外使用有很好的適應(yīng)性，在電弧焊中，電弧長(zhǎng)度取決于人的手；當(dāng)你改變電極與工件的縫隙時(shí)，你也改變了電弧的長(zhǎng)度。 手工焊條電弧焊勞動(dòng)條件差 ， 生產(chǎn)率低 。 工件厚度一般在 以上 ， 1mm以下的薄板不適合手弧焊 。 本實(shí)驗(yàn)中，考慮到焊接實(shí)驗(yàn)條件的限制，并且手工電弧焊焊接方便，能夠進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，且操作簡(jiǎn)單，適合我們進(jìn)行焊接，同時(shí)手工電弧焊成本低，所以我們首先選擇手工電弧焊進(jìn)行焊接。 圖 2 手工電弧焊 焊接工藝設(shè)計(jì) 焊條的選擇 （ 1）在技術(shù)文件沒(méi)有明確要求情況下，電焊條的選用應(yīng)根據(jù)母材的化學(xué)成份、機(jī)械性能、焊接接頭的抗裂性、焊前預(yù)熱、焊后熱處理及使用條件等因素綜合考慮，可參照表 2進(jìn)行。 由上面可知， 201 奧氏體不銹鋼進(jìn)行對(duì)接焊時(shí)，采用 A102 焊條； Q235 鋼進(jìn)行對(duì)焊時(shí)采用 J422； 201 奧氏體不銹鋼與 Q235 進(jìn)行對(duì)焊時(shí)采用 A102 焊條。 綜上所述，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室資源，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行焊接時(shí)采用 A102 焊條，型號(hào)為 E30816[9]。一般主要根據(jù)板厚選擇。開(kāi)出坡口后，三組試樣如下圖： 圖 3 三組試樣的坡口形式 工藝參數(shù)選擇 選擇合適的焊接工藝參數(shù)，對(duì)提高焊接質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率是十分重要。 焊條直徑 焊條直徑可根據(jù)焊件厚度、接頭型式、焊縫位置、焊道層次等因素進(jìn)行選擇。焊條直徑與厚度的關(guān)系見(jiàn)表 3： 表 3 焊條直徑與焊件厚度的關(guān)系 焊條厚度 /mm 2 3 4～ 5 6～ 12 ≥ 13 武漢理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 焊條直徑 /mm 2 ～ 4 4～ 5 4～ 6 焊接電流 （ 1）實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中焊工都是根 據(jù)試焊的試驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選擇焊接電流的。 （ 3）電流太小，焊接時(shí)飛濺和煙霧大，焊條發(fā)紅，熔池表面寬，容易燒穿、咬邊。 根據(jù)表 4，確定焊接電流。電弧電壓的大小主要取決于電弧長(zhǎng)度，電弧長(zhǎng)，電弧電壓就高；電弧短，電弧電壓就低。 焊接速度