【117开题报告】铁素体不锈钢和渗铝板焊接性能研究

【117开报告】铁素体不锈钢和渗铝板焊接性能研究 ? 毕业设计(论文)开题报告 题目 铁素体不锈钢和渗铝板焊接性能研究 专 业 名 称 焊接技术与工程 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 方 平 填 表 日 期 2010 年 04 月 14 日 一、选题依据及意义 1.1铁素体不锈钢 不锈钢自本世纪初问世，到现在已有90多年的历史。不锈钢的发明是世界冶金史上的重大成就，不锈钢的发展为现代工业的发展和科技进步奠定了重要的物质技术基础。开发最早的不锈钢主要是铁素体和奥氏体不锈钢，但一直以来在相当长的一个时期大量研究与开发主要集中在奥氏体不锈钢。后来由于石油、化工、能源及原子能、宇航、海洋开发等尖端技术的迅速发展，对不锈钢提出了更高的综合性能要求，不仅要求有良好的耐蚀性，还要求有高强度、耐高温高压、防辐射、耐低温等性能，使不锈钢的品种类型得到进一步的开拓。特别是从70年代以来，不锈钢的工业精炼技术普遍采用AOD(氩氧脱碳)和VOD(真空氧脱碳)法，为新 [1]型钢种的开发提供了工艺条件。在高科技发展的今天，不锈钢被广泛使用在各个不同的领域中。它可作为化学工业、炼油工业，人造纤维工业、食品、医药及日用品工业的耐酸、耐碱、耐高压的压力容器装置和储存及运行的槽罐的材料;也可以作为电力工业、汽轮机制造行业、船舶行业，航空工业的耐高温和低温的构建;在航天工业和核工业中又是制造人造卫星、宇宙飞船、火箭和核动力装置等方面不可缺少的材料;随着国民经济的日益发展，人民生活的不断提高，不锈钢日用品也已经深入到千家万户。广泛使用的含钛(铌)稳定化奥氏体不锈钢被超 [2]低碳奥氏体不锈钢所取代，高性能的铁素体不锈钢也得到很大的发展。 所谓铁素体不锈钢，指的是在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。它的含铬量在11,一30,，具有体心立方晶体结构。铁素体不锈钢有磁性，一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等元素。铁素体不锈钢除具有不锈性和耐一般腐蚀性能外，其耐氯化物应力腐蚀和耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部腐蚀性能优良， [1]是此类钢的主要特点。 铁素体不锈钢在国外已大量应用于铁道车辆，我国铁道车辆采用铁素体不锈钢正处于尝试试验阶段。据南非、澳大利亚、英国不锈钢铁路货车技术报告，铁素体不锈钢的使用可以延长车体使用寿命、降低车辆自重、节约能源、减少维护成本、减少磨损量等。铁道车辆首先采用TCS不锈钢后，其耐腐蚀性能较耐候钢 [3]提高了l0倍以上 ，因此，铁素体不锈钢在铁道车辆上具有良好的使用前景. 目前不锈钢列车车体材料均采用Ni、Cr含量高的奥氏体不锈钢——SUS30l、302、304等，使得不锈钢列车的制造成本大大增加。为此，从上世纪80年代国外就开始采用经济型铁素体不锈钢制造铁道车辆的研究，并在成功开发出了3CRl2 经济型铁素体不锈钢的基础上，开发出了铁素体不锈钢运煤车和运矿石车等铁道车辆，我国也于近期成功开发出了载重80吨的铁素体不锈钢运煤车。然而经济型铁素体不锈钢材料在铁路客车和城轨车辆上的应用目前国内仍是空白，国外也是 [4]近年来的事。 1.2镀铝板 在目前的家用电器、各种机械、输送机及日用品等领域，以节能、节省资源等为出发点，不断向制品轻量化、高性能化、高功能化发展。因此，对基础材料的要求也随之多样化、高级化，原有的铝或铁等单一材料已不能与此相适应，客观上迫切需求能有大幅度超过上述材料特性和功能的新材料问世。为适应上述需要，将具有不同特性的几种素材，作为其构成要素使之一体化而形成复合材料，其中， 以轻量化为最大特点的铝基复合材料的研究、开发及实用化正在急速发展。由此，镀铝板进入了我们的视野. 近年来国内外热浸镀铝工艺的研究、开发和应用发展迅速，特别是在汽车摩托车、石油以及电力等工业方面， 热镀铝钢件由于具有优良的耐热、抗氧化及耐硫化物腐蚀性，高温下仍能保持良好的外观，被大量应用于汽车、摩托车排气、消声系统部件的生产。 有研究表明:其应用可以降低生产成本，大大提高零部件的使用寿命，改善消音效果，降低噪音和尾气排放对环境的污染。 但是热镀铝钢板的焊接方法与普通低碳钢相比较有很大的差异。热镀铝钢板的可焊性较差，由于焊接时镀铝层易烧损，由镀铝层所提供的耐蚀性、耐热性及耐磨性明显降低甚至消失。 同时铝所形成的AlO在焊接时存在于熔池中使焊缝容易产生夹23 渣，降低接头强度，而焊缝中产生的各种金属间化合物FeAl，FeAl，FeAl等会2532 [5] 使焊缝金属的脆性增加. 1.3工艺评定 焊接工艺评定时为验证所拟定的焊件工艺的正确性而进行的试验过程及结果。在制造行业中，焊接工艺评定成为相应法规中强制执行的的条框。如何正确地认识焊接工艺评定的内容与实质，在评定过程中保证产品的质量，优化工艺评 定，是我们做焊接工艺评定的一项重要任务。 二、国内外研究概况及发展趋势 2.1铁素体不锈钢方面的研究 在铁素体不锈钢的焊接方面，有多位学者做了多种铁素体不锈钢的研究。 [6] 1)张志昌--德国4003铁素体不锈钢的焊接:德国4003材料含有较多的Ti 元素，在热循环作用下，部分与C、N元素形成弥散分布的化合物，降低了晶粒组织长大，使得切割缝区和焊接接头热影响区的组织细小，接头热影响区冲击韧性值高于国产TCS材料的焊接接头。 [7]2)李红艳--SUS410S铁素体不锈钢焊接性能研究:以SUS410S铁素体不锈钢为原料，采用手工钨极氩弧焊方法，选用日本生产的交直流氩弧焊机，以ER309L焊丝为焊接填充金属材料，研究其焊接性能。 [8]3)杨国辉--00Cr26M01超纯高铬铁素体不锈钢的焊接技术研究:介绍在高温、高腐蚀性介质中工作的00cr26M01超纯铁素体不锈钢材料性能及其焊接技术要求。防止焊接接头脆化和晶间腐蚀是焊接技术的关键，在焊接试验基础上，制定合理的产品现场焊接工艺，包括焊接材料的选择、焊接规范参数和焊接技术措施。 [9]4)张心保--铁素体不锈钢焊接性研究进展:较为全面地论述了国内目前铁素体不锈钢焊接性研究的现状及进展，结合试验在相关文献资料基础上，总结了低铬铁素体不锈钢及中高铬铁素体不锈焊接工艺特点及焊接性。 5)文红全--4003 mod铁素体不锈钢焊接工艺试验研究:在4003mod其焊接性及系列工艺试验的基础上，提出采用MAG焊接方法，优化了焊接工艺参数，并对焊接接头进行了系列性能试验。 6)赵雯雯--经济型铁素体不锈钢焊接接头组织和性能的研究:采用ER(308L焊丝焊接1(4003同种材料和1.4003与0 Crl8Ni9采用ER(309焊丝焊接1(4003与09CuPCrNi(A和1(4003与Q235(c，对四种焊接接头进行了拉伸、弯曲、冲击、硬度等常规力学性能试验，对焊接接头显微组织和断口进行了观察与分析。 7)孙宾，李亚江，张明哲--高纯0Crl8M02铁素体不锈钢焊接区组织结构的 [10]研究:采用光学显微镜、扫描电镜(SEN)和电子探针(EPMA)等设备对OCr18Mn2铁素体不锈钢焊接进行了研究。该钢的热影响区在焊接的加热和冷却过程中未发生相变，但靠近熔合区附近的铁素体晶粒有长大的倾向，这是使热影响区韧性下降的主要因素。较小的热输入能控制热影响区韧性的降低。 2.2镀铝板、复合铝板方面的研究 镀铝板作为一种新兴的复合材料，近年来越来越受到关注，但是对于镀铝板焊接方面发表的各种出现的较少。 1)伍光凤 、孙智富、赵玮霖 、罗怡--不锈钢焊条焊接镀铝钢板焊缝的组织和性能研究:介绍了采用18-8 型不锈钢焊条，通过手弧焊对热镀铝钢板进行焊接 的工艺方法，并对焊后的接头组织进行了分析。 [11]2)范少林、王衡、李玉祥、冯晓利--MIG焊在大厚度铝板上的应用:采用MIG焊焊接方法和适当的工艺措施。成功完成了大厚度铝板与铝板角接头的焊接，并应用与生产实践。 [12]3)大家正二郎(日本)--不锈钢复合铝板的诸特性:对复合材料中的铝板和不锈钢板，通过金属结合而形成积层复合化的不锈钢包覆铝材(以下简称SUS,AI复合材料)研究了基本特性，特别是: (1)以质轻高刚性为特征的SUS,AI,SUS结构的3层复合材料的力学行为; (2) 由金属结合的复合材料，特别是相差很大的异种金属接触时，对其界面及其结合性的影响等两个方面进行了考察。 2.3铁素体不锈钢与镀铝板的焊接 对于铁素体不锈钢与镀铝板的焊接，我们并没有搜索到相关的资料和文献。 三、研究内容及实验 3.1研究内容 铁素体不锈钢一般都是在室温下具有纯铁素体组织，强度不算很高，塑性、韧性良好经焊接后不会出现强度显著下降或者淬火硬化的问题。可以说这类刚焊接接头的室温强度不是焊接的主要矛盾;再由于其焊接热膨胀问题远比奥氏体型钢轻微，因为其焊接热裂纹和冷裂纹的问题也不是很突出。通常说，铁素体不锈钢不如奥氏体不锈钢好焊，主要是指焊接过程可能导致焊接接头的塑性、韧性降低即发生脆化的问题。同其他品种不锈钢的焊接一样，如何保证铁素体不锈钢焊接接头具有相同于木材的耐腐蚀性，这是焊接的另一个关键问题;再者对于铁素体不锈耐热钢而言，焊接接头在高温下长期服役可能出现逐渐脆化的问题也是必须重视的。 [13]3.1.1焊接接头的晶间腐蚀 普通纯高鉻铁素体不锈钢焊接接头在焊接热循环的作用下，被加热到950?以上温度的区域冷却下来时，会在晶间产生腐蚀的倾向。而后若在700-850?进行短时间保温退货处理，又可恢复其耐蚀性。所以焊接接头产生晶间腐蚀的位置是紧挨着焊缝的高温区。 铁素体不锈钢一般在退火状态下焊接，其组织为固溶微量碳和氮的铁素体及少量均匀分布的碳和氮的化合物，组织稳定，耐腐蚀性号。在焊接时，由于鉻得扩散速度慢，导致在晶间出现贫鉻固溶区。在腐蚀介质的作用下即会出现晶间腐蚀。由于鉻在铁素体中的扩散比奥氏体中快，故为了克服焊缝高温区的贫鉻带， 只需在700-900?短时间保温，即可使过饱和的碳和氮能完全析出，而鉻又来得及补充道贫鉻区，从而恢复到原来的耐蚀性。若在600?比较长时间保温或焊接接头自900?以上缓慢冷却，使碳、氮化物充分析出，达到或接近钢材退火状态下固溶的碳和氮含量的平衡值时，仍能保持其耐蚀性。 铁素体不锈钢焊接接头的晶间腐蚀倾向与其合金元素的含量有关随着刚中碳和氮的总含量降低，晶间腐蚀的倾向减少。鉻含量的提高，自身的扩散速度加快，碳和氮扩散速度降低，总的效果是敏化区推向更长的时间和较低的温度，即高鉻铁素体不锈钢引起晶间腐蚀的敏感性要低于低鉻铁素体不锈钢。钼可以降低氮在高鉻铁素体不锈钢的扩散速度，有助于临界敏化时间向后移动较长的时间，因此含钼的铁素体不锈钢具有较高的抗敏化性能。合金元素钛和铌为稳定化元素，能优先于鉻和碳、氮形成化合物，可避免贫鉻区的形成，提高其抗晶间腐蚀能力。钛不仅可以改善焊接热影响区的晶间腐蚀倾向，同时可以稳定铁素体，防止出现马氏体组织。 [13]3.1.2焊接接头的脆化 普通纯度高鉻铁素体不锈钢在焊接过程中，焊接接头在焊接热循环的作用下，如果在950?以上停留时间过久，更会引起热影响区晶粒急剧长大和碳、氮化物沿晶界偏聚，可导致焊接接头的塑性和韧性下降。当焊接构件的刚度有足够大时，在室温条件下就可能出现脆裂，即为焊接接头的脆化现象。这种粗大组织不能经过热处理进行细化。因此控制高温停留时间是选定焊接参数的基本原则。铁素体不锈钢焊接时可能出现4种脆性: 1)高温加热引起的脆性 2)б相脆性 3)475?脆性 4)局部马氏体引起的脆性 3.1.3铁素体不锈钢的焊接工艺原则 部为了克服焊接时出现的晶间腐蚀和焊接接头脆化引起的冷裂纹，在焊接时采取以下措施: 1)焊前预热:预热温度为100-200?左右，随着钢中的鉻的含量提高，预热温度也相应提高。 2)焊后热处理:焊后对接头区域进行750-800?退火处理。使饱和的碳和氮完全析出，鉻来得及补充贫鉻区恢复耐腐蚀性，改善接头塑性。注意退火后应快 冷，防止475?脆性产生。 3)采用小的热输入:减少高温脆化和475?脆性的影响。 3.1.4铁素体不锈钢与镀铝板的异种焊接存在问题 1)稀释问题 -Ni奥氏体钢作为填充材料。 对于异种钢焊接的稀释问题，焊接时可以使用Cr 2)凝固过渡层问题 靠近熔合线的焊缝金属成分有一定的浓度梯度。这种成分上的过渡变化区是由于熔池凝固特性而造成的，称为凝固过渡层。 3)碳迁移过渡层问题 异种钢焊接时，一般可以出现低合金钢一侧的碳通过焊缝边界向高合金焊缝中迁移扩散的现象，分别在焊缝边界形成脱碳层和增碳层。他们总称为碳迁移过渡层。 4)残余应力的问题 异种钢焊接时，由于两种钢的线胀系数相差很大，不仅在焊接时会产生较大的残余应力，而且在使用时若有循环温度作用，也会形成热应力。 3.2实验方案及试验方法 本实验采用MIG焊进行焊接，铁素体不锈钢选择409，厚度为1.5mm,2mm，镀铝板基体为Q235，表面镀层为纯铝,厚度为1.5mm,2mm。熔敷金属选择ER-309L。ER309L与ER309合金元素成分相同，但碳含量较低，可适用于不锈钢与低碳钢的异种钢焊接。焊接电流选择为60-80A，焊接电压为20V，焊接速度选择200mm/min。因为碳钢中含碳较多，焊接时碳融入焊缝会对焊缝造成影响，导致焊缝脆性增大，所以焊接时选择焊枪偏向铁素体不锈钢方向。表1所示为Q235和409钢元素成分。 表1 Q235和409元素成分 成分 C Si Mn P S Ni Cr Ti N Q235 0.18 0.3 0.35,0.30 0.04 0.04 — — — — 409 0.013 0.5 0.31 0.019 0.001 0.08 11.75 0.207 0.014 3.2.1显微组织观察 采用BX51M金相显微镜对409钢与镀铝板焊后焊缝组织形态进行观察。腐蚀溶液选择氯化铁饱和盐酸溶液。 3.2.2拉伸试验 试验按GB,T2651-1989《焊接接头拉伸试验方法》在WE-30液压式万能材料 试验机上进行。拉伸试样形状以及尺寸见图1(1，焊缝位于试样中间，试验温度为室温。拉伸形状见图1 注:其中板厚为1.5mm和2.0mm 图1. 试件拉伸形状和尺寸 3.2.3弯曲试验 试验按照GB,T2653-1989《焊接接头弯曲及压扁试验方法》在WE(30液压式万能材料试验机上进行。试样按照GB2649-1989《焊接接头机械性能试验取样方法》取样，采用横弯试样，试验分为正弯与背弯。拉伸试样形状以及尺寸见图2，焊缝位于试样中间，试验温度室温。 注:板厚选择为1.5mm和2.0mm 图2. 试件弯曲形状及尺寸 3.2.4冲击试验 冲击试样按GB2649(1989《焊接接头机械性能试验取样方法》取样，缺口分别开在焊缝、距熔合线1(5mm处焊接热影响区及母材，如图3、4所示。。冲击试验按GB2650(1989《焊接接头冲击试验方法》在JB-30B型冲击机上进行，试验温度分别为室温、20?、40?。 注:板厚选择为1.5mm和2.0mm 图3. 缺口开在焊缝的试件 注:板厚选择为1.5mm和2.0mm 图4.缺口开在热影响区的试件. 3.2.5硬度试验 硬度试验按照GB,T4340-1999《金属维氏硬度试验方法》在HVA—10A小维氏硬度试验机上进行，加载载荷10Kgf，加载时间15s。试验位置为409和镀铝板焊接接头的焊缝、热影响区和母材。 四、目标、主要特色及工作进度 4.1实验特色及目标 本实验为铁素体不锈钢和镀铝板的焊接，涉及到的最大难点为异种钢的焊接。对于铁素体不锈钢和镀铝板的异种焊接，我们并没有从资料库中找到相关的文献。所以本实验的最终目的为设计出一套完整的焊接方法和工艺进行实验，最终得到合格的铁素体不锈钢和镀铝板焊接的焊缝，并对焊缝进行工艺评定。 4.2工作进度 2010.3.10,2010.4.15 搜索文献，完成开题报告 2010.4.16,2010.4.30 进行试焊，确定工艺参数 2010.5.1,2010.5.8 按照设计的工艺进行焊接实验 2010.5.9,2010.5.22 对试件进行力学检测和分析，观察显微组织 2010.5.23,2010.6.1 对检测结果进行分析，优化工艺 2010.6.2,2010.6.22 撰写毕业论文，准备毕业答辩 五、参考文献 [1].孟威.400系铁素体不锈钢热轧板材力学性能及焊接性能的研究[D].兰州理工大学，2009，4(27). [2].张其枢，堵耀庭.不锈钢焊接[M].机械工业出版社，2000，3. [3].文红全.4003 mod铁素体不锈钢焊接工艺试验研究[J].机车车辆工艺，2009，12(6):22,24. [4].赵雯雯.经济型铁素体不锈钢焊接接头组织和性能的研究[D].大连交通大学，2008，12(12). [5].伍光凤， 孙智富， 赵玮霖等.不锈钢焊条焊接镀铝钢板焊缝的组织和性能研究[J].重庆科技学院学报， 2006，9:35,37. [6].张志昌.德国4003铁素体不锈钢的焊接[J].电焊机，2008，11:42-43. [7].李红艳.SUS410S铁素体不锈钢焊接性能研究[J].甘肃冶金，2009，6:23-24. [8].杨国辉.00Cr26M01超纯高铬铁素体不锈钢的焊接技术研究[J].现代制造工程，2006，6. [9].张心保.铁素体不锈钢焊接性研究进展[J].维普资讯，2008.3:24-26. [10].孙宾，李亚江，张明哲.高纯0Crl8M02铁素体不锈钢焊接区组织结构的研究[J].焊接技术，2003，8: 9-10. [11].范少林、王衡、李玉祥等.MIG焊在大厚度铝板上的应用[J].焊接，1998，12:19-20. [12].大家正二郎.不锈钢复合铝板的诸特性[J].轻合金加工技术，1990，7:28-40. [13].刘政军，徐德坤等.不锈钢焊接及质量控制[M].化学工业出版社，2008，1. [14].B(Burgan et a1(Development 0f the Use of Stainless Steel in Cpnstruetion European CommissionReport(Eur 20030(200 1).