焊接速度對激光焊接奧氏體不銹鋼顯微組織及氧化行為的影響_第1頁
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文檔簡介

1、| 維普資訊 -29-| 維普資訊 不銹應(yīng)用-29-| 維普資訊 -29-| 維普資訊 強擴速度対激先弊接奧氏懈事鐫k 顯黴鑼鮑廉霾信得海的審*r和-29-| 維普資訊 -29-| 維普資訊 1背景316L銹鋼作為一類用途廣眨的結(jié)構(gòu)材料, 與其他奧氏體不銹鋼(人合引相比,其特點是在低溫 和校高溫度都具有較強的抗腐蝕能力和優(yōu)良的機 加工性能"含氮的31&L不銹鋼(316LN)還具有 特殊的性能,例如在奇溫環(huán)境下能探持更高的強 度,在不同的介質(zhì)中具有優(yōu)良的抗腐蝕性能,是 替代其他貴頁金屬的首選材料.當便用通常的不 銹鋼焊接方崔時,例如鴨極氣體保護電弧焊 (GTAW)、焊接此類不銹

2、鋼卻有一定的難度.這是由于焊接過程的非平搦狀態(tài)會導致熔合區(qū)爬 部分熔化區(qū)先氮熔化金屬失氮導致嚴雅的氣孔 井削弱固常強代程度.但是、當對此類財料使用 戲光束焊接(LBW)時,由于快速凝固過程不導 致先氮和氣孔,因此,焊接接頭的強度與母材相 當。繳比束焊接的快速凝固過程使非平衡組織局 限于熔合區(qū)內(nèi),使熱影響區(qū)(HAZ)很小或不存 在口有文獻報道,焊接過程產(chǎn)生的融微組織變化 會影響氣化率,尤其是那些摑耗元嘉的作用。a 雜的焊接熱循環(huán)會產(chǎn)生各種晝微組織、各種形態(tài) 的氧化物和氧化行為。但是激光焊快速凝固過程 產(chǎn)生的顯微組織種類及其對氧化行為的影響尚未 系統(tǒng)地研究*奧氏體不爨鋼焊接接頭的氮動力學 鮮有報道

3、n本文研究激光焊焊接速度對顯微組織 類型的影響及其對抗氧化能力的影響F2試蚩方法2,1鋼板材質(zhì)試驗便用退火狀態(tài)的AI®兌札和316LN奧氏 休不銹鋼*鋼板尺寸為110mm M 55mm « dmiric 遇火條件為H73K保溫20mm.兩種鋼板的化學成 分列于表1 °表1鋼板的化學成分鵬 CMnPSSi CtMoNiAlN/10*3血 0.02531ON Q022,87IJ7訕9OLOM(10190.0120.30 16,790.30 17.952.12Z4flID和JZ2J0.QU1906002.2焊接條件用機加工方法將6 m ni厚的試板加工成垂直邊 坡口,使

4、對接接頭為1型*用3kW的CO激光焊機, 其他焊接參數(shù)不變,改變焊接速度,對兩種不銹 鋼進行焊接。焊縫垂直干鋼板的軋制方向。徼光 焊的焊接鑒數(shù)列于表舉?漱光焊焊接參數(shù)試件焊接速度激尢功率電壓電說鋼板內(nèi)保護編號/m - sl/kW/V/A焦點氣體LI11.663HO201 mm2253LLO201mmLN I153110201mm1.N 216.663ILO201mmLN 3203110201mm23金相分析焊接試件的橫截面首先經(jīng)磨床加工,然后拋 光至L pm的光潔度,最后用丙酮清撫拋光清洗 后的試樣用王水(HN0:HCI-1 : 3)進行腐蝕出 并用掃描電鏡分析(SEM)方法檢査顯微粗織

5、76; 24氧化試驗用金剛石叮將右min厚的激比焊試件切成6血血 決&mm x6mm的試樣,便焊縫區(qū)位干試樣的中心 (圖1).分離激光焊試樣的三個區(qū)域即焊縫金屬、 熱影響區(qū)及母材是非常困難的,因此本文的氧化 試驗是使用整個焊接接頭(主要包括焊縫金屬及 咼材)以得到焊速對氧化行為影響的定性結(jié)論.氧化試樣胃先經(jīng)磨床加工,然后拋光至1 口 m 的光潔度芋然后用水*再后用酒精.最后用丙醐 清洗.拋光清洗后的試樣在空氣中用馬弗爐加熱不銹應(yīng)用不銹鋼板氣化試樣圖1議光焊誠杵巾的焊按接頭(盤化試樣)進行氧化。氧化就驗在97%持續(xù)240肌稱疑激光 焊接接頭戦化試樣増重的儀器為電子微天平(SARTOR 1

6、0US MP&)、精度為 + 0.01mgo 焊接接頭的氧化層由具有EDXA功能的SEM 來檢査°幣和臻的濃度變化由EPMA來檢査3結(jié)果與討論 3,1焊縫的顯微組織引札在較低焊接速度的SEN! 顯微組織如圖2 a所示,可見熔合線附近為條帶狀 鐵素體與蠕蟲狀鐵素體的混合物。在較高焊速 (25mm/s)時"相同區(qū)域的SEM顯微組織變?yōu)?罷胞狀的奧氏體加少最鐵素體(圖2b ).然而在 焊縫中心區(qū)*蠕蟲狀鐵素體的組織形態(tài)卻對焊速 不敏感.另外,鐵素體含就騎焊速的增加先是輕 微地上升然后下降。在列&LN的情況下,熔合線附近較低焊接速度 時的SEMS微組織為晶胞狀的奧氏

7、體加一些鐵素體(圖處).此外,熔合線至焊縫屮心的顯微俎 織沒有變化。圈焊速的提高顯微組織幾乎是相 同的(圖2d) e晶胞狀奧氏體顯示的是一次奧氏 體的凝固組織。在316LN激光焊縫屮出現(xiàn)這種組 織是由于存在奧氏體穩(wěn)定化元素氮°隨著悍速的 提高、這兩種奧氏體不銹鋼焊縫都或參或少存在 著鐵素體數(shù)下降的趨勢口在316LN的情況下、鐵 素體數(shù)有較大程度的下降(圖3) a這可能是由于 3MLN不銹鋼中奧氏休穩(wěn)定化元素氮的存在。此 外,316LN不銹鋼在較高焊速(20mm/s)時有一個 全奧氏休的轉(zhuǎn)變,而316L不誘鋼在25mm/s的焊速 下也沒發(fā)生全奧氏體轉(zhuǎn)變*焊接謹度/mtn吧f圏3鐵索體數(shù)

8、(焊縫區(qū))與焊速的主京6543210333.2気化試驗te)啊團2不同焊速卞激克外按接頭的呂卜:制圖儂(a) 316L, 11 r66inm/s; (b) 31 總【” 25mm/s;(c) 316LN, 15mm/s; (d) 3161.N, I6r66mm/sX畔聲莊曇白總121QO g 4 2 oTSU-70- xs碎啟注爍圖A澈光焊接接久的軾化増亜,9MK保溫24冊1,P*2127kPa: (a) 316L; (b) 316LN316LW16L N兩種不銹鋼焊接接頭戦化試 驗的結(jié)果分別如圖4 a和b所示口隨著焊接速度由 126提高到25mm/st 3161讖光焊接接頭的氧化 總最(單位

9、面積的增車)減少了約眉 (圖加)° 316LN讖光焊接接頭的氧化率隨焊接速度由15® 高到16,66mm/s時沒發(fā)生多大變化,而悍接速度 提高到20mm/s時總的氧化率與15mm/s時相比 下降了約5吃(圖4b).這可能是由于316LN在焊 速剛開始提高(S15mm/s)時鐵素休(鐵素體含 最)輕微增加,而焊速再提高(20mm/s)則鐵 素體急劇下降的緣故。-29-| 維普資訊 -29-3.3掃描電鏡分析(SEM)-能量色敝X射線分 析(EDXA)由SEM圖像觀察氧化層橫栽面發(fā)現(xiàn),氧代過 程中在焊接接頭表面形成的氧化層是粘附在合金 表面的一層薄薄的致密層。軾化層由分明的時層

10、 組成:位于合金/氧化層界面的內(nèi)部致密層及位于 氧化層/空氣界面的外層(上表面”圖5 )此外、 還觀察到氣化層組織形態(tài)隨焊速變化而變化的 情況。圖命是當16.66min/s焊速時,在316L焊接 接頭的母材/焊縫交界區(qū)形成的氧化層的上表面 (外層八 圖6b和圖6c分別為焊縫區(qū)氧化層上表 面較低和較離倍數(shù)的SE何放大圉像??梢钥闯龊?縫/母材交界區(qū)與焊縫金屬區(qū)的氣化層蚩織形態(tài)明 顯不同*對比這些圖像可看出,在交界區(qū)形成的 氣化層組織形態(tài)均一且墾粒狀細晶,而在焊縫區(qū) 形成的氧化層組織形態(tài)不均且晶粒粗大*但卻具 有規(guī)則的群集幾何輪廓(圖6b* c) *在焊縫金屬區(qū)的某些部位也能觀察到一宦兒 何群集形

11、狀的氧化物晶粒。圖6c用高倍放大圖像 -30-示出了這樣群具有定群集幾何形狀的氣化物 晶粒。研究發(fā)現(xiàn),使用不同的焊接速度對和6L奧 氏體不銹鋼進行焊接是影響后續(xù)氧化過程厘氧化 層組織形態(tài)的主要因妻=然而,當采用25mm/s的較高焊速時在316L 焊接接頭的母材/焊縫交界區(qū)與焊縫金屬區(qū)形成的 氧化層組織形態(tài)沒有明顯的不同(圖?蘇7b) ° 對比圖7耳和7b可知t焊緘金屬區(qū)的氧化物晶粒対 粒狀粗晶,而交界區(qū)的氧代物晶粒為粒狀細晶。圖丁在25mm/s H4316L焊接接頭戢化層上表面的SE何圖 像:5)砒材/焊樂疣界區(qū);(b)焊毘區(qū)另外,通過氧化層上表面EDX圖譜的對比, 可清楚地看到兩種

12、不同焊接速度下產(chǎn)生的氣化層 化學成分不同° ftll.66mm/s和25mm/啲焊接速 度下氧化層匕表面的Fe/Cr比率平均值分別為3.5 和3力;氧化層內(nèi)表面(粘附干合金基體的部分) 的Fe/Cf比率平均值分別為43和3.4;當元素的化 學成分平均值分別為11.24%和13.42%,有文獻說明Fe-Cr合金的抗氧化能力受氧化 層內(nèi)表面Fe-Cr/Cr化物中錯含境的影響口校低 焊速時氣化層內(nèi)表面的僭含疑降低得較多*可能 S316L焊接接頭在11,66mm/s焊速時比25mm/s 焊速單位面積增遼較多的原因。當316LN在15 和焊速時,位于合金/焊縫交界區(qū)的 氧化層上表面組織形態(tài)幾乎

13、沒有明顯的不同(圖 8a. Sb)«去除氣化層匕表面之后,氣化層內(nèi)表面在坷 種焊速情況下的骼含量均擲1因此氧化率不隨焊接焊速發(fā)生變化。316LN中氮的存在便晶界形 成N產(chǎn)生沉淀作用,阻礙離子的擴散遷移, 因此提高了抗氧化能力口另外,在較高的焊接速 度20mm/s時 316LN的焊鏈區(qū)由于鐵素體數(shù)由3 降至0(圖3)而成為全奧氏體組織。這可能是316LN 試樣在較離焊速時總的氧化率増加的原因。藏光焊過程屮發(fā)現(xiàn)了合金基體中鋸的榻耗,圖畧316LN焊接接頭合繞/焊縫交界區(qū)輒化層匕喪而的SEIvI圖鍛:(a) 5mm/s; (b) 16.66mni/s這可能與焊接接頭的熱輸人及冷卻速度有關(guān)*

14、留 的富集主要出現(xiàn)于焊接接頭的熔合線。還發(fā)現(xiàn)澈 光焊接得到了無HAZ區(qū)的焊接接頭。值得注意的 是.在ll,66mni/s速度時得到的激光焊接接頭, 自母材至熔合線鉆濃度逐漸增加(圖9蘇9b)B鉆 的濃度曲線隨焊接遠度不同而變化.在25mm/s焊 接速度時,密濃度曲線的峰值移至焊縫金屬區(qū)(圖 10a. 10b).鋸濃度峰值的具體位置取決于冶金過: 程、板厚.熱輸入和冷卻速庭。于抱可口說,焊 接接頭中的大部分鉆擊與形成了防護氧化層。焊接 速度對裸濃度的影響不是很大.盡管在兩種速度下 熔合線附近鐮含量有増加的趟勢(圖9c、10ch很明顯*理材的鋸濃應(yīng)曲找因焊速不同而受 到影響.熱密度和后續(xù)拎卻速度是

15、影響濃Jft曲線 的主要因素。在較低焊接速度(lL,66mm/s)時, 母材和焊縫金屈的鋸含最有較大程度的下降(圖丸)。 而在較髙速度(25mm/s)進行讖光焊接時母材 化學成分受到很小影響(圖10b),這是因拘在較高 的焊接速度下抑熱及冷卻速度都較快。較低的焊 速導致留在熔合線富集而較高的焊遠將鋸的富 集峰值移至焊縫金屬區(qū)。由干脊是奧氏體不銹鋼 中的主要抗腐蝕元素,岡此基體中鉆的損耗就是 引起316L焊接接頭在ll.66mm/s焊速時氧化過程 中單位面積增重較多的原因。在316LN不銹鋼的情況下,15tnnVs和1氐66 mm/s焊速時氧化率的變化不是很大°然而焊速 提高到20mm

16、/s«-的氧化舉有很大增加.316LN 不銹鋼的氧化層內(nèi)表面是防止進一步氧化的優(yōu)良 防護層它不受焊遠的影響。這可能墾由干在晶 界形成了沉淀作用的氮化禍,而當焊速增加時基 體中的鐵索體含量急劇下降(圖3)。316LN中奧氏 體穩(wěn)定化元素氮(60010 6)的存在便其在相同 條件下與刃&L相比氧化率總共減少約34%,團9j£L1.66nm/s 焊速時mi6L的議光悍接接頭:3)60。倍SE何圖擦;(b)鋸的EPMAjfc度胸線;2)鋰的 EPMAfc度曲線i:mi:曲:輕EP就僦度曲陵4結(jié)論(1) 研究K316L和31&LN兩種St光焊焊縫從熔 合線至焊縫中心顯微組織的變化*(2) 鐵素休含蜀囲焊接速度的提高開始是輕微 增加,然后下降。316L和316LN兩種激光焊焊縫 的鐵素體組織

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