材料和設(shè)計1.doc

材料和設(shè)計 1.簡介 雙相不銹鋼通常包括組織組成的比例大致相等的體心立方鐵素體和面心立方奧氏體。在雙相不銹鋼中這兩個階段的合金元素具有不同的親和力，奧氏體穩(wěn)定劑，如鎳和氮，集中在奧氏體結(jié)構(gòu)，而鐵素體的穩(wěn)定劑，如鉻和鉬，集中在鐵素體結(jié)構(gòu)。雙相不銹鋼提供了更大的機械強度和較高的耐腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕。雙相不銹鋼在石油和天然氣工業(yè)中是常見的一種結(jié)構(gòu)材料，海洋工程領(lǐng)域以及金屬結(jié)構(gòu)的制造需要大量使用化工廢水。 焊接技術(shù)是一種材料開發(fā)的重要組成部分。TIG焊接用非自耗電極之間產(chǎn)生電弧，在電極與工件之間。這個過程是用來制造焊接薄材料的。然而，相比與金屬惰性氣體保護焊，TIG焊焊接厚的材料時，通常在一個單一的環(huán)境中產(chǎn)生不良焊縫熔透。一般來說，用氬氣作為保護焊的單道焊屏蔽氣體被限制到3毫米深的不銹鋼對接鋼中。如果焊接電流的速度增大或減小，相對焊縫穿透能力變得過大。因此，有必要提高突防能力與TIG焊生產(chǎn)效率。一個最顯著的技術(shù)是使用TIG焊活性劑。使活性劑，包括氧化物，氯化物，和氟化物，將其添加到丙酮溶劑或乙醇中。巴頓焊接研究所的基輔（烏克蘭）第一個開發(fā)這一過程，稱為活性TIG焊?；钚訲IG焊改善了傳統(tǒng)TIG焊，增加從6到10毫米單通道厚度的不銹鋼。使用活性TIG焊接過程可使穿透能力的結(jié)果增加200300%，從而減少焊接時間，降低成本，避免在采用一定的流量時基料組合物投鑄的變化。活性劑可以有兩種機制：一個涉及對流的影響，一個涉及電弧等離子體的行為?；罨碚搶α魍康挠绊懯潜砻婊钚栽卦谌鄢氐难趸蛄虻淖兓黧w流動模式，通過改變表面張力梯度，導(dǎo)致一個深穿透。然而，人們很少研究電弧等離子體的作用和機制。實際上這樣的數(shù)據(jù)確定磁通能力改善關(guān)節(jié)TIG焊透是非常重要的。雙相不銹鋼的一個主要問題是，TIG焊可以降低焊縫金屬強度和由鐵素體/奧氏體產(chǎn)生不平衡的耐腐蝕性的顯微組織 。焊縫金屬的相平衡是用來保持原有化學(xué)和物理關(guān)鍵雙相不銹鋼性能的。因此，技術(shù)控制焊縫金屬鐵素體/奧氏體的含量是非常重要的。本研究采用五種不同的氧化劑 研究影響單組分通量的外觀，形態(tài)，和2205級不銹鋼失真鋼的焊接。本文研究的是力學(xué)性能和焊縫金屬的顯微組織以及討論潛在的通量與電弧的相互作用。2.實驗程序2205級不銹鋼板作為試樣。表1列出的是這種鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能。6毫米厚的板被切割成測量150*130的毫米帶，大約用400粒度的碳化硅拋光以去除表面污染，然后用丙酮清洗?；钚詣┦怯梦宸N單一制備組分的氧化物（二氧化鈦，二氧化錳，二氧化硅，三氧化鉬，和Cr2O3）包裝成粉末狀，約3060流明的粒度。這些粉末混合丙酮。焊接之前，一個薄的焊劑層被刷到表面待焊接頭。焊劑涂層的密度大約是56毫克/平方厘米。圖1顯示了一個活性TIG示意圖 Fig. 1. Schematic diagram of activated TIG welding TIG焊工藝的試樣上使用自動焊接機進行生產(chǎn)。機器安裝一個標(biāo)準(zhǔn)的2%氧化釷的火炬鎢電極。電極的尖端角測量每個焊接前的面和電極間隙，焊接要保證焊縫在同一行條件下進行。表2列出了焊接條件的使用標(biāo)準(zhǔn)。在焊接過程中，電荷耦合器件（CCD）檢測器觀察和記錄焊接電弧的熔池圖像。在實驗條件下，數(shù)字視頻錄像機連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的電弧電壓數(shù)據(jù)。如圖2A闡述了一個洞鉆在點P1，P2，P3，和插入每個孔的支柱。三大支柱焊接后，進行了在珠板焊接接頭角失真的實驗測量。平均垂直位移法測量的失真被用來調(diào)整水平，然后測量記錄焊接前后從每一個點在水平表面的距離。焊接前后不同的測量顯示焊接引起的垂直位移和角失真值可以被確定為 |U=(A+B)-(C+D)/2 (1) 其中，A，B，C，D代表每一點的平均垂直位移值，如圖2b顯示。確定焊縫金屬中的鐵素體含量與基體材料。該裝置檢測鐵氧體的磁率和不同的順磁性的奧氏體。減小測量誤差的原因是焊縫金屬的不均勻性，七個測量的平均值方法從不同的位置沿焊接表面記錄。橫向拉伸試驗被用來確定冶金成績的2205不銹鋼的焊接性能。每個焊接工藝相結(jié)合的三個試樣的拉伸試驗被用來確定延性的強度。配置尺寸根據(jù)拉伸斷裂模式與電鏡分析顯微鏡進行焊件掃描。光學(xué)顯微鏡是用來測量焊縫厚度及焊縫寬度的。采用金相試樣標(biāo)準(zhǔn)程序，包括機械研磨，研磨，和拋光到0.05流明的完成，然后用改進的kalling溶液試劑進行蝕刻。3.結(jié)果與討論3.1.影響活性TIG焊的表面外觀 圖3描述了2205級不銹鋼的表面形貌鋼TIG焊縫有無標(biāo)準(zhǔn)的焊接條件下的通量。圖3a顯示了TIG焊的結(jié)果沒有通量，這產(chǎn)生了一個光滑、潔凈的表面。圖3b顯示由于TiO2通量的使用而生產(chǎn)的剩余渣。圖3c示出MnO2的流量使用創(chuàng)造了剩余渣和小飛濺。圖三d顯示為一個令人滿意的表面外觀。2205級不銹鋼焊縫采用SiO2助焊劑。圖3e表明，MoO3的流量產(chǎn)生垃圾殘渣和大飛濺。圖3表明，Cr2O3通量產(chǎn)生剩余渣。3.2.活性TIG焊對焊縫形貌的影響 圖4顯示了6毫米厚的2205級不銹鋼TIG焊縫橫截面和無流量。TIG焊在焊縫厚度和焊縫寬度表現(xiàn)出顯著的變化；TIG焊無通量表現(xiàn)出寬而淺的焊縫形貌（圖4A），而TIG焊縫氧化物通量表現(xiàn)出窄深的形態(tài)（圖4BF）。這項研究表明，達到295%的流量與常規(guī)TIG焊工藝改善相比，利用二氧化硅通量可提高最大TIG焊的滲透能力。圖4顯示了TIG焊磁通可以顯著增加熔深寬比。根據(jù)調(diào)查，2205不銹鋼TIG焊深入的關(guān)節(jié)與寬度比例高的焊接深度是為增加特性熱源的焊透，實現(xiàn)一個滿意的外觀等級，從而產(chǎn)生的熱能量集中在活性TIG焊。3.3.增加活化的TIG穿透能力的機制 海普爾和Roper提出，熔池在流體流動的方向上可以影響焊縫形態(tài)和表面張力梯，這是驅(qū)動流體流動的主要因素。鎢極氬弧焊熔池，總會在熔化溫度梯度池面，高溫的池中心和低溫的池邊弧。TIG焊沒有流量，表面張力隨著溫度的增加而降低。在這種情況下，表面張力是在邊緣最高和最低的池中心。這個表面張力梯度DR / DT產(chǎn)生向外表面流動的流體，如圖5A表示，并產(chǎn)生一個寬淺幾何焊縫，如圖4a顯示。與氧化物通量TIG焊接相比，加入表面熔池的活性元素氧可以徹底改變表面張力的溫度依賴性。在這種情況下，創(chuàng)建一個內(nèi)表面流體流動的結(jié)果使表面張力在池中心最高，如圖5b說明。圖4b-F表明該表面流體流動模式產(chǎn)生一個窄深幾何焊縫。圖4還顯示，增加熔深寬度的氧化物通量率的強弱，取決于焊劑的化學(xué)成分。二氧化硅，三氧化鉬，和Cr2O3通量產(chǎn)生較深的TIG滲透，而TiO2和MnO2通量產(chǎn)生相對較淺的TIG熔深。在目前，海普爾等人就活性劑TIG焊透增加機制達成共識。建議流體向內(nèi)流動，增加活化的TIG焊接的主要機制聯(lián)合滲透。不過，他們之間的流量和弧沒有潛在的相互作用。電弧收縮可能在確定焊縫熔透起主要作用。但其確切機制尚不清楚，研究人員利用電弧收縮創(chuàng)建了一個TIG焊縫深穿透接頭。電弧是一個通過高溫導(dǎo)電等離子體產(chǎn)生持續(xù)放電的熱源。1、 圖6表明，直流TIG電弧由三個區(qū)域組成，根據(jù)其電壓分布，陰極區(qū)（相鄰的電極，陽極區(qū)）的空間（相鄰的基材區(qū)域），和等離子體柱（中部地區(qū)），在端部區(qū)域，電極和基地的材料冷卻引起電壓迅速下降的效果。在等離子體柱中熱氣體電離產(chǎn)生的離子電流和電子進行圓形磁場包圍弧，電子是主要的電荷載體。使用CCD探測器研究作用弧和TIG焊接時的無通量。圖7中的電弧圖像提供了一個明確的實驗驗證弧對通量的影響。與常規(guī)TIG電弧的電流水平相比，活性TIG焊電弧收縮等離子體柱的直徑減少。在中部地區(qū)的TIG電弧，電弧等離子體的溫度高于分解的離子通量，電離原子和分子產(chǎn)生的正離子和電子和保護氣體的溫度。然而，在等離子體柱的外圍地區(qū)，DIS解決流量仍然存在原子或分子的足夠大的電子附著形成的負(fù)電荷。電子附件只發(fā)生在周邊地區(qū)等離子體柱的過程中，那里是一個電弧溫度低的弱電場。因此，在電子的數(shù)目減少的等離子體區(qū)域周圍，主要的電荷載體收縮等離子體柱的直徑。在相同的時間，陽極根的面積也減少了。圖7顯示等離子體柱的收縮增加陽極的能量密度使陽極清晰可見。與常規(guī)TIG焊相比，活性TIG焊接電弧的穿透能力實現(xiàn)更集中，這些結(jié)果表明，等離子體柱和陽極根是一種機制，來確定TIG穿透能力與一定的使用通量。用活性TIG焊工藝時，約束等離子體柱和降低陽極根不僅增加熔深，而且降低了珠寬度。事實上，一個值得注意的發(fā)現(xiàn)是流量成分決定了等離子體的程度柱的收縮。當(dāng)使用二氧化硅，三氧化鉬，和Cr2O3 TIG焊時，電弧等離子體的熱熔膠電離是氧化物通量的一部分。圖7DF顯示在焊接電弧的外部區(qū)域，氧離子與電弧電子載體相互作用，并約束等離子體柱捕獲電子。這種效應(yīng)可以增加能量密度和電弧溫度對陽極根的創(chuàng)建。反過來，增加的電磁力（洛侖茲力）可以引起強烈的液體金屬沿池中心向下流動。與TIG焊相比，使用TiO2和MnO2通量（圖4b和C）這將使熔深寬度比顯著增加（圖4DF）。未來應(yīng)該研究在這個過程中所涉及的物理機制。這些研究結(jié)果支持本研究，這可能影響特定活性TIG滲透通量的能力。圖8顯示了TIG焊電弧電壓的影響。焊接電流和速度保持在一個恒定值和電弧電壓增加時，采用活性TIG焊。作為激活的能量密度，TIG焊電弧的電弧電壓的增加，必須增加與電弧等離子體的適當(dāng)?shù)碾娏鬟B續(xù)性，在一個較高的溫度下，可以創(chuàng)建具有更高密度的能量效應(yīng)。此外，本電弧中含有許多自由電子。分解的熔劑添加劑吸引電子，在電弧電壓上使電弧收縮和增加。圖8清楚地表明，五通量同時提高使電弧電壓增加，而氧化物的強弱取決于通量組合物。測量有明顯的相關(guān)電弧電壓和沒有流量的電弧收縮TIG焊，即電弧電壓值較高，更大的焊接電弧將收縮。3.4.活性TIG焊角畸變的影響在焊接過程中，一個節(jié)點板局部加熱的電弧和焊件的溫度分布是不均勻的。加熱和冷卻周期中都引起不均勻的熱應(yīng)變，焊接金屬和金屬不相鄰，伴隨著在加熱過程中產(chǎn)生熱應(yīng)變。由非均勻熱應(yīng)力結(jié)合而產(chǎn)生的內(nèi)力，引起收縮和失真的反應(yīng)。角失真往往發(fā)生在焊接板時，在厚度方向的橫向收縮變形是不均勻的。圖9顯示了TIG焊角畸變的影響在2205級不銹鋼焊件沒有磁通的情況下，活性TIG焊的焊縫熔透和焊縫深寬比增加。這是一個高度特性在焊接過程中的能量集中，并且提供數(shù)量較少的熱，活性TIG焊反過來又可以防止基體材縫尺鋼的角失真。因此，全焊熱減少熱應(yīng)變率和不相容厚度收縮引起的應(yīng)變。因材料過透和最大的焊縫深寬比導(dǎo)致角失真。減少收縮失真是提高焊接質(zhì)量成品的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在這項研究中，2205級不銹鋼TIG焊與二氧化硅磁通，產(chǎn)生焊縫熔透顯著增加和焊縫深寬比約為7.1：1.07，因此，角失真的焊件的價值幾乎為零。3.5.活性TIG焊接的鐵素體和奧氏體含量的影響本研究采用2205級不銹鋼熱軋實驗作為基材鋼板。這個組織材料包括54.1%的奧氏體和45.9%的鐵素體。圖10介紹，鐵素體和奧氏體在雙相不銹鋼TIG焊縫金屬的含量。在2205級不銹鋼TIG焊縫金屬中產(chǎn)生不通量，測得它的鐵素體含量增加，初始值從45.9-63.4%。這是由于雙相不銹鋼焊縫金屬主要為鐵素體。在焊接過程中，焊縫金屬冷卻太快，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。 鐵素是不完整的，因此，在更多的鐵素體形成的TIG焊縫金屬凝固后，使用氧化物通量增加使在活化的TIG焊縫金屬鐵素體的含量增加至52.357.5%。含鐵素體的2205不銹鋼的TIG焊生產(chǎn)的金屬通量較無流量的焊縫金屬低。這樣的結(jié)果是由于焊接熱輸入引起的，由于計算的熱輸入是測量電弧電壓比例，所施加的磁通增加的是熱量輸入。因此，在表現(xiàn)為焊縫金屬中峰值溫度的增加和冷卻速度的減少。在這種情況下，鐵素體向奧氏體的完成或停止，導(dǎo)致在2205級不銹鋼活性TIG焊縫金屬鐵素體含量達到平衡階段。在這項研究中，2205不銹鋼TIG焊縫金屬產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)鐵氧體（52.3%）和室溫下的奧氏體（47.7%）使用的二氧化硅通量組成的比例大致相等。3.6.活性TIG焊對力學(xué)性能的影響。在本研究中，2205級雙相不銹鋼基礎(chǔ)材料具有抗拉強度和伸長率分別為765MPa 和35%，圖11給出了TIG焊接接頭的力學(xué)性能與沒有磁通的實驗結(jié)果，用于本研究的基礎(chǔ)材料是可鍛合金，這比焊接合金力學(xué)性能好，圖11顯示，與TIG焊件相比，2205級不銹鋼鋼接頭TIG焊劑獲得了更好的拉伸強度。然而，作為一個百分比伸長，表明延性的依賴與磁通量的使用略有減少，通常，2205級不銹鋼TIG焊接接頭加強合金降低其延展性。在拉伸試驗中，所有的焊接接頭的焊縫金屬都失敗。從技術(shù)上講，一個骨折是一種單體分離成塊的實施應(yīng)力。工程材料，只有兩種可能模式：韌性和脆性斷裂。圖12顯示了兩次對2205級不銹鋼TIG焊件表面斷裂和無二氧化硅通量的電子顯微照片。在所有情況下，組織的形式表現(xiàn)出韌性斷裂的凹坑或微孔。4.結(jié)論本研究系統(tǒng)地研究了TiO2，二氧化錳，二氧化硅，三氧化鉬，Cr2O3通量對表面外觀，焊縫形貌，角失真，鐵素體/奧氏體的含量的影響，和獲得2205級不銹鋼與TIG焊工藝應(yīng)用于6 mm的機械性能。在這項研究中的實驗結(jié)果提供以下結(jié)論：1.TIG焊接接頭產(chǎn)生的磁通表面上形成殘留渣和飛濺。使用活性焊劑TIG焊接制作一個小煙氣量。2.使用二氧化硅，三氧化鉬，和Cr2O3通量不僅顯著增加了穿透能力，而且提高了2205級不銹鋼TIG焊焊縫的機械強度。3.等離子體柱和陽極根機制可以確定TIG穿透能力使用特定的通量。在活性TIG焊工藝過程中約束的等離子體柱和降低的陽極根可以增加熔深，減小焊縫寬度。4.采用活性TIG焊的接頭熔深和焊縫深寬比增加。這反過來又降低了2205級不銹鋼活性TIG焊件的角失真。在這項研究中，2205級不銹鋼鎢極氬弧焊與SiO2助焊劑焊接生產(chǎn)全焊透和最大的焊縫深寬比。作為一個結(jié)果，角失真值幾乎為零。5.活性TIG焊的電弧電壓的增加和熱輸入作為一個結(jié)果，使含鐵素體的2205級不銹鋼TIG焊縫金屬活性下降。AcknowledgmentThe authors gratefully acknowledge the nancial support for this research provided by the National Science Council, Taiwan, Republic of China, under Grant No. NSC 97-2218-E-020-003.References1 Miura M, Koso M, Kudo T, Tsuge H. The effect of nickel and nitrogen on the microstructure and corrosion resistance of duplex stainless steel weldment. Weld Int 1990;4(3):2006.2 Cortie MB, Potgieter JH. The effect of temperature and nitrogen content on thepartitioning of alloy elements in duplex stainless steels. Metall Trans A 1991;22A:21739.3 Sun Z, Kuo M, Annergren I, Pan D. Effect of dual torch technique on duplex stainless steel welds. Mater Sci Eng A 2003;356:27482.4 Sridhar N, Kolts J, Flashe LH. A duplex stainless steels for chlorideenvironments. J Metals 1985;37(3):315.5 Tsai ST, Yen KP, Shih HC. The embrittlement of duplex stainless steel in sulde- containing 3.5 wt% NaCl solution. Corros Sci 1998;40:28195.6 Iris Alvarez-Armas. Duplex stainless steels: brief history and some recentalloys. Recent Pat Mech Eng 2008;1:517.7 Huang HY, Shyu SW, Tseng KH, Chou CP. Evaluation of TIG ux welding on the characteristics of stainless steel. Sci Technol Weld Join 2005;10(5):56673.8 Shyu SW, Huang HY, Tseng KH, Chou CP. Study of the performance of stainless steel A-TIG welds. J Mater Eng Perform 2008;17(2):197201.9 Fujii H, Sato T, Lu SP, Nogi K. Development of an advanced A-TIG (AA-TIG) welding method by control of Marangoni convection. Mater Sci Eng A 2008;495:296303.10 Huang HY, Shyu SW, Tseng KH, Chou CP. Effects of the process parameters on austenitic stainless steel by TIG-ux welding. J Mater Sci Technol 2006;22(3):36774.11 Lu SP, Li DZ, Fujii H, Nogi K. Time dependant weld shape in ArO2 shielded stationary GTA welding. J Mater Sci Technol 2007;23(5):6504.12 Leconte S, Paillard P, Chapelle P, Henrion G, Saindrenan J. Effect of oxide uxes on activation mechanisms of tungsten inert gas process. Sci Technol Weld Join 2006;11(4):38997.13 Li QM, Wang XH, Zou ZD, Wu J. Effect of activating ux on arc shape and arc voltage in tungsten inert gas welding. Trans Nonferr Metals Soc China 2007;17:48690.14 Liu LM, Zhang ZD, Song G, Wang L. Mechanism and microstructure of oxide uxes for gas tungsten arc welding of magnesium alloy. Metall Mater Trans A 2007;38A:64958.15 Xu YL, Dong ZB, Wei YH, Yang CL. Marangoni convection and weld shape variation in A-TIG welding process. Theor Appl Fract Mech 2007;48:17886.16 Zhang ZD, Liu LM, Shen Y, Wang L. Mechanical properties and microstructures of a magnesium alloy gas tungsten arc welded with a cadmium chloride ux. Mater Charact 2008;59:406.17 Liu L, Sun H. Study of ux assisted TIG welding of magnesium alloy with SiC particles in ux. Mater Res Innovat 2008;12(1):4751.18 Huang HY. Effects of shielding gas composition and activating ux on GTAW weldments. Mater Des 2009;30:24049.19 Gurevich SM, Zamkov VN, Kushnirenko NA. Improving the penetration oftitanium alloys when they are welded by argon tungsten arc process. Avtomatichesk Svar 1965;9:14.20 Marya M, Edwards GR. Chloride contributions in ux-assisted GTA welding of magnesium alloys. Weld J 2002;81(12):291s8s.21 Heiple CR, Roper JR. Effect of selenium on GTAW fusion zone geometry. Weld J 1981;60(8):143s5s.22 Heiple CR, Roper JR. Mechanism for minor element effect on GTA fusion zonegeometry. Weld J 1982;61(4):97s102s.23 Heiple CR, Roper JR, Stagner RT, Aden RJ. Surface active element effects on the shape of GTA, laser, and electron beam welds. Weld J 1983;62(3):72s7s.24 Heiple CR, Burgardt P. Effect of SO2 shielding gas addition on GTA weld shape.Weld J 1985;64(6):159s62s.25 Simoni