UNS S32760超级双相不锈钢等离子拼焊时氮和镍对微观结构和机械性能影响.doc

UNS S32760超级双相不锈钢的等离子拼焊时氮和镍对微观结构和机械性能的影响 K.Migiakis.G.D.Papadimitriou 收稿日期：2009.3.3/通过日期：2009.9.9/发表日期：2009.9.23 版权：斯普伦格科学和商业媒体.LLC 2009 理论 超级双相不锈钢之所以能应用于优质焊接接头的机械力学性能和防腐蚀方面，主要是因为它具有严格的结构约束力和铁素体--奥氏体相平衡。由于焊接过程中的过快的冷却速度，熔合区和热影响区的这种平衡无论如何都会被打乱，导致焊件失去了良好的防腐性能和力学性能。目前正在研究氮加入到等离子工作气体中和增加填充材料中的镍含量对于用等离子弧焊接的超级双相不锈钢的微观结构和机械力学性能的影响。实验结果表明氮加入到等离子工作气体中会对焊件的机械力学性能产生影响。结果同时还表明将氮加入到等离子工作气体中以及提高填充金属中镍的含量都会对焊接试样的延伸率产生一种积极地影响，对于拉伸强度来说改善焊接参数后会获得很好的效果。 引言 双相不锈钢是一种由相互平衡的铁素体和奥氏体所组成的合金。在﹣50℃~250℃广泛温度区间内，这种不锈钢具有良好的抗腐蚀性能，高的屈服强度和良好的韧性。这种所谓的超级双相不锈钢的成分含有更多的铬、镍、钼和氮，最典型的是它的耐点蚀数超过了40。【1,2】由于这些高合金成分，超级双相不锈钢显示出了比普通合金更高的强度。双相不锈钢展示出了良好的可焊性，但是由于熔合区和热影响区的铁素体相含量增加，导致这些合金的抗腐蚀能力下降，这种合金在焊接的时候任然还会存在一些问题。这些铁素体相是由高温和过快的热循环冷却速度共同导致的结果【3~6】。因此，确保这种双相微观结构在焊接区域的连续性是很必要的，这通常是通过控制冷却速度和增加热输入量来获得的。然而，高的热输入会促进金属间有害相的析出，比如，σ相通常就会在不锈钢的熔合区析出，金属碳化物、金属氮化物或者一些其他的相通常也会在不锈钢的热影响区析出【7,8】。这种现象会出现在超级双相不锈钢这类含有铬、钼和氮的高合金钢，以及有些含有铜和钨的高合金钢中【9~12】。为了获得所需的相平衡，有时会加入一些γ稳定相，比如在填充金属中加入镍和在保护气体中加入氮【13~15】。通过在保护气体当中加入氮所产生的对超级双相不锈钢的耐蚀性能和机械力学性能的影响，已经在TIG和MIG焊接技术的应用上得到了验证【16~22】。目前的工作重点主要集中在运用等离子弧焊接（PTA）金属时，将氮加入到等离子工作气体中的情况。等离子弧焊在提高生产效率，增大熔深，减小热畸变和能量集中等方面较传统的TIG焊具有十分显著的优越性【23~25】。在目前的实验中，当用等离子弧焊接两种不同填充金属（含镍量高和含镍量低）时，氮的加入对超级双相不锈钢的微观组织结构和机械力学性能的影响得到了研究。 实验过程 本研究所使用的材料是由维尔材料铸造厂提供的6㎜厚的UNS 32760 超级双相不锈钢板（UNS 泽龙100）。两种不同类型的填充金属会被用到。其中（HNi）是一种含镍量很高的填充金属，另外一种（BM）具有和母材完全相同的成分。母材和填充金属的组成成分见表１。单面对接焊接头研究试样制备好，如图１。这些焊接试样是用一台PW-200 Sabre等离子弧控制器，一个PWA～3A等离子焊炬和一个KEMPI 2000电源制备的。所用的焊接接头在焊接的过程中都使用了衬垫衬于背面的根部以保护根部接头。四种不同类型的混合气体被用来作为等离子气体和保护气体。混合气体的类型是纯氩气、98％氩气～２％氮气、95％氩气～５％氮气和90％氩气～10％氮气。具有和等离子工作气体相同混合度的混合气体，以10升／分钟的气体流速被用来作为背面保护气体。焊接条件见表２。根据焊接工艺要求，需要用三道焊缝来填满坡口。用接触热电偶所测得的层间温度要求小于150℃。根据泽龙100DSS的工艺要求，热输入量调整为打底焊道１KJ/mm，第二层冷焊道0.8KJ/mm，第三层焊道１KJ/mm【26,27】。 表1. 母材和填充金属的合金成分 百分数（%wt） 母材金属 填充金（HNi） 填充金（BMF） C 0.02 0.015 基体金属 Si 0.37 0.31 / P 0.001 0.006 / S 0.002 0.02 / Mn 0.66 0.7 / Ni 6.9 9.23 / Cr 25.2 25.15 / Mo 3.7 3.16 / Cu 0.62 0.58 / W 0.63 0.62 / N 0.24 0.22 / Fe 基体金属 基体金属 / 表2.等离子弧焊参数 等离子弧焊各项参数 焊接电流（A） 80 焊接速度V（mm/s） 2 热输入(KJ/mm) 1 等离子气流量（L