GPCA-TIG焊焊缝性能改善机理研究

摘要

自上个世纪六十年代活性TIG焊接方法被首次提出以来，活性焊接技术成为世界范围内的研究热点。学者们先后提出了多种新型活性焊接方法，例如：A-TIG焊、FZ-TIG焊、FB-TIG焊、AA-TIG焊等，这些新型的焊接方法都在增加焊缝熔深方面都取得了较好的效果，然而这些焊接方法都存在着不易实现焊接生产过程机械化自动化等特点，使得大规模的工业应用困难，为了解决这一生产实践中的难点，本课题组经过大量试验，提出了一种绿色，高效且可于自动化生产的活性焊接方法—GPCA-TIG焊，该方法较好的解决了活性焊接时碰到的繁复工序难题，通过调节焊枪内外喷嘴的相对位置，可以实现控制及调节活性元素的引入量和引入区域，实现对焊缝成形和性能的较好控制。
　　本课题组在进行SUS304不锈钢耦合电弧AA-TIG焊和GPCA-TIG焊研究时发现当外层气体中引入O元素时会降低焊缝的冲击韧性，而当在外层气体中同时引入N元素时，焊缝低温冲击韧性则会有一定的回升，接近于母材的水平。本文针对GPCA-TIG焊外层气路中分别引入O2、N2及N2和O2的混合气体时的焊缝性能进行研究。利用金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）对GPCA-TIG焊和常规TIG焊焊缝进行组织观察、断口分析和成分分析。利用电子探针（EPMA）和扫描电子显微镜（SEM）对焊缝析出物和第二相粒子进行形貌观测和成分分析，结果表明：无论外层引入何种活性气体的GPCA-TIG焊焊缝和常规TIG焊焊缝凝固模式均为FA凝固模式，焊缝组织均主要为奥氏体、铁素体和少量第二相析出物，铁素体以骨架状和板条状分布奥氏体晶粒内部及晶界上；焊缝断口形貌均主要以韧窝为主，大体上表现为显著的韧性断裂特征；焊缝组织形态从熔合区到焊缝中心区由柱状晶变为等轴晶。与常规TIG焊相比，外层引入N2、O2及N2和O2的混合气体的GPCA-TIG焊焊缝中Cr、Ni元素含量均有所减少。
　　利用电子背散射技术（EBSD）对GPCA-TIG焊焊缝和常规TIG焊焊缝进行晶粒取向分析，结果表明：相较于常规TIG焊，外层单独引入N2或O2时的GPCA-TIG焊焊缝中Cr、Ni元素含量有所减少；焊缝中奥氏体晶粒大角度晶界比例下降，外层引入N2和O2混合气体时的GPCA-TIG焊焊缝中奥氏体晶粒大角度晶界比例略有上升。常规TIG焊焊缝中铁素体晶粒主要分布在{111}<110>、{111}<112>及{112}<111>附近，奥氏体晶粒主要分布在{110}<001>及{112}<111>附近，外层引入N2的GPCA-TIG焊焊缝中铁素体晶粒主要分布在{110}<001>附近，奥氏体晶粒主要分布在{001}<100>和{001}<110>附近；外层引入O2的GPCA-TIG焊焊缝中铁素体晶粒主要分布在{110}<001>附近，奥氏体晶粒主要分布在{111}<110>和{111}<112>附近；外层引入N2和O2的混合气体时的GPCA-TIG焊焊缝中铁素体晶粒主要分布在{111}<112>附近，奥氏体晶粒主要分布在{001}<100>和{112}<111>附近。奥氏体不锈钢焊缝裂纹优先扩展面为铁素体晶粒的{100}晶面，不同取向的铁素体晶粒对裂纹扩展的阻碍程度是不同的。GPCA-TIG焊，外层气路中引入N2和O2的混合气体时焊缝铁素体晶面{100}晶面夹角大于常规TIG焊，而常规TIG焊焊缝铁素体晶面与{100}晶面夹角大于外层气路中单独引入N2和O2的GPCA-TIG焊焊缝的。
　　GPCA-TIG焊外层引入O、N元素对焊缝的合金元素成分，析出相、晶界角度以及晶粒取向分布都有较大影响，明确O元素和N元素引入对它们的影响，进一步搞清楚对低温冲击韧性的影响规律和影响机理，对于推动GPCA-TIG焊的在生产实践中的应用具有重要的意义。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景

1.2研究现状

1.3 N、O元素对焊缝性能的影响

1.4 铁素体对奥氏体不锈钢的影响

1.5课题意义

1.6研究内容

第2章 试验方法

2.1 焊接试验

2.2 焊缝组织凝固模式

2.3焊缝热循环温度曲线

2.4 焊缝铁素体测量

2.5焊缝第二相粒子的影响

2.5 EBSD分析

2.6 本章小结

第3章 氧单独引入对GPCA-TIG焊焊缝的影响

3.1 焊缝成形

3.2 力学性能

3.3焊缝热循环曲线

3.4组织观察

3.5 焊缝组织成分及铁素体含量

3.6 断口观察

3.7 焊缝析出物分析

3.8 焊缝EBSD分析

3.9分析与讨论

3.10本章小结

第4章 氮单独引入对GPCA-TIG焊焊缝的影响

4.1 焊缝成形

4.2焊缝力学性能

4.3 焊缝热循环曲线

4.4 组织观察

4.5焊缝组织成分及铁素体含量

4.6 断口观察

4.7 焊缝析出物分析

4.8 焊缝EBSD分析

4.9分析与讨论

4.10本章小结

第5章 氮氧混合引入对GPCA-TIG焊焊缝的影响

5.1焊缝成形

5.2焊缝力学性能

5.3焊缝热循环曲线

5.4组织观察

5.5焊缝组织成分及铁素体含量测定

5.6断口观察

5.7 焊缝析出物分析

5.8 焊缝EBSD分析

5.9 分析与讨论

5.10 本章小结

结论

参考文献

致谢

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