纯镍板带等离子拼焊关键问题的研究

摘要

我国镍及镍合金板带加工水平整体落后，仅能生产单张板，尚不能生产宽幅、大卷重镍及镍合金板带产品。因此，全面提升镍及镍合金板带加工水平，加快产品结构调整和技术进步显得非常紧迫。在各方努力下建成了一条5000吨/年镍及镍合金板带生产线，虽然填补了装备方面的空白，但受制于工艺技术与纯镍的焊接难度，目前仍无法生产合格的宽幅、大卷重镍及镍合金板带产品。存在的主要问题：镍及镍合金板带生产线上没有专用拼焊设备，也没有成熟可靠的拼焊工艺技术，同时纯镍焊接性较差，焊接过程中极易出现缺陷，导致拼焊焊缝在酸洗、冷轧工序大量断带，影响生产效率及产品质量。换言之，在线拼焊是保证冷轧、酸洗等工序生产效率及镍及镍合金板带产品成材率的最关键工艺，拼焊质量直接决定了宽幅、大卷重镍及镍合金板带产品的质量。
　　基于上述问题，本文重点对纯镍N6的焊接方法、焊接工艺、焊缝组织与性能、焊缝的碾压形变热处理以及焊缝断带机理等问题进行了试验研究并提出解决方案，彻底地解决了纯镍N6板带在线拼焊的问题。
　　首先，探讨了纯镍等离子弧自熔焊焊缝缺陷形成机理。结晶裂纹的形成是基于Borland拉伸液膜理论。在等离子弧焊接时的较小熔池中，纯镍热导率高、固液相温度区间小、液态金属粘度大、流动性差，致使结晶速度加快，气泡逸出速度小于结晶速度，便在焊缝中形成气孔。分析纯镍焊接性及气孔特征，气孔主要是氢气孔、一氧化碳气孔、氮气孔。焊缝与近缝区晶粒粗化与母材化学成分、焊接方法及焊接热输入有关，焊接热输入增大，晶粒长大；纯镍N6化学成分中几乎没有可以形成碳、氮化物的元素，因此焊接过程中产生的第二相质点少，基本没有第二相质点阻碍奥氏体晶粒的长大，晶界可以自由移动至平衡晶粒尺寸。而且等离子弧自熔焊过程中，熔池中少量的碳、氮化物粒子大部分发生溶解，减弱了粒子对晶界迁移的钉扎作用。总之，缺陷导致焊缝成形差、削弱力学性能，影响产品成材率。
　　其次，针对等离子弧自熔焊焊缝缺陷，提出采用等离子弧填丝焊焊接纯镍N6板带。通过分析焊缝组织、性能，研究并揭示了填充焊丝消除自熔焊焊缝缺陷的机理。等离子弧填丝焊实现了6mm厚纯镍N6板带的单面焊双面成形；焊缝成形美观，无气孔、裂纹、咬边、凹陷等缺陷；等离子弧填丝焊过程稳定，拓宽了工艺参数规范区间；虽然纯镍填丝焊焊缝、自熔焊焊缝及母材基体均为奥氏体，但填丝焊焊缝晶粒较自熔焊焊缝细小；填丝焊焊缝抗拉强度、断后伸长率、冲击功比自熔焊焊缝分别提高了11.75％、84.8%、31.7%；填丝焊焊缝在不同腐蚀介质中的耐蚀性也优于自熔焊焊缝。
　　第三，针对填丝焊焊缝存在较大焊接残余应力且焊缝晶粒较粗大的问题，提出对焊缝进行碾压形变热处理工艺，探讨了碾压形变热处理工艺对焊缝组织、性能的影响。结果显示，随碾压热处理温度升高，焊缝抗拉强度逐渐升高，断后伸长率呈现出先增大后减小的趋势；合理的碾压形变热处理工艺可降低焊接残余应力；通过碾压作用破碎焊缝粗大的柱状晶，细化焊缝晶粒；适合6mm厚纯镍焊缝的碾压形变热处理工艺为：总碾压力21368.97N，碾压温度400℃，碾压速度3mm/s，碾压次数1次，压下率20%～25%。碾压形变热处理工艺对优化纯镍焊缝组织、改善性能有积极作用，特别对提高焊缝塑性十分有效，能够得到焊缝高强度、高塑性的良好配合。
　　最后，针对非真空熔炼工艺生产的纯镍N6板带焊缝强度低、断带率高的问题开展研究，明确了焊缝断带原因：焊缝强度低、断带率高与熔炼工艺有关，即不同熔炼工艺生产的纯镍N6中同种化学成分含量有差别；非真空熔炼工艺生产的纯镍中非金属夹杂物的数量、尺寸均高于真空熔炼工艺生产的纯镍；非金属夹杂物降低焊缝力学性能与工艺性能的根本原因是：脆性不变形夹杂物与纯镍N6基体属于简单的机械结合，结合力弱。非金属夹杂物与纯镍的弹、塑性及线膨胀系数有较大差别，变形过程中它们的变形程度不同，非金属夹杂物使应力发生再分布引起应力集中，非金属夹杂物与纯镍界面处形成空隙或裂纹，当持续加载时裂纹不断扩展，导致焊缝在低于正常拉伸强度时断裂。同时提出该生产线应全部使用真空熔炼工艺生产的纯镍N6板带。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 试验材料、设备与方法

2.1试验材料

2.2 填充材料

2.3 焊接方法的选择

2.4 等离子弧焊接设备

2.5 碾压形变热处理试验装置

2.6 试验方法

2.7 本章小结

第3章 纯镍N6等离子弧自熔焊工艺及焊接缺陷形成机理

3.1 前言

3.2 纯镍N6板带等离子弧自熔焊工艺

3.3 工艺参数对纯镍自熔焊焊缝成形的影响

3.4 纯镍N6等离子弧自熔焊焊缝缺陷形成机理

3.5 本章小结

第4章 纯镍N6等离子弧填丝焊接工艺及焊缝组织、性能

4.1 前言

4.2 纯镍N6等离子弧填丝焊工艺

4.3 等离子弧填丝焊工艺参数优化

4.4 纯镍N6焊缝显微组织

4.5 纯镍N6焊缝力学性能

4.6 焊缝腐蚀行为分析

4.7 本章小结

第5章 碾压形变热处理对纯镍焊缝组织、性能的影响

5.1前言

5.2 纯镍N6焊缝的碾压形变热处理工艺

5.3 焊缝显微组织与力学性能

5.4 焊接残余应力测试与分析

5.5 本章小结

第6章 非真空熔炼工艺生产的纯镍N6板带焊缝断带原因分析

6.1引言

6.2 不同熔炼工艺生产的纯镍N6化学成分与性能

6.3 焊缝断带情况

6.4 断带焊缝试样的断口形貌

6.5 显微组织

6.6 电解萃取试验

6.7 非金属夹杂物的分析

6.8 原位拉伸试验

6.9 逻辑回归分析

6.10 分析与讨论

6.11 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间参与的科研项目