304/Q345R复合板焊接接头组织与性能研究

摘要

不锈钢复合板不仅具有优良的综合性能，而且成本较低，广泛应用于石油化工、建筑、交通运输等领域中，往往在高温和腐蚀环境下服役。不锈钢复合板的焊接接头结构复杂，是整个焊件的薄弱环节，在焊接和服役过程中容易产生异种钢间相互稀释和扩散，脆硬相产生等问题，严重降低不锈钢复合钢板的力学性能和耐腐蚀性能。基于此，本试验对广泛应用的304/Q345R不锈钢复合板焊接性和焊接接头在高温时效前后的组织与成分，力学性能和耐腐蚀性能进行了研究，为工业生产中不锈钢复合板焊接的焊材选择，以及焊件在高温和腐蚀环境下的服役提供指导。
　　本试验根据复合钢板的焊接特点，采用了X型坡口，使用Er50-6作为低合金钢焊材，分别使用E309Nb焊条、Er310焊丝、Er309L焊丝作为过渡层和覆层焊缝焊接材料，分别对应试验的A、B、C组，分别采用常用的CO2气体保护焊，焊条电弧焊和钨极氩弧焊对复合钢板进行对接焊。分别对A、B、C三组试样进行600℃，0 h、100 h、300 h和500 h时效处理，并观察时效前后焊接接头组织的形貌，测试和分析时效不同时间段的焊接接头的成分、力学性能和耐腐蚀性能。
　　焊接接头表面形貌观察结果显示，复合板界面结合区为波状结合，界面结合良好，A、C组凝固模式为铁素体奥氏体模式，铁素体呈骨架状和蠕虫状分布在奥氏体中，B组为单相奥氏体组织，凝固模式为奥氏体模式，晶粒呈胞状树枝晶和柱状晶。能谱（EDS）测试结果显示，时效之后碳元素扩散到铁素体区域或者晶界处，C组时效后靠近熔合线的过渡区焊缝铁、铬和碳元素产生了剧烈的起伏，碳元素与铬元素呈正相关。XRD分析显示，A，C组在时效前由奥氏体和铁素体组成，时效后生成了铁铬化合物和铁铬的碳化物；B组焊缝组织为单相奥氏体。
　　拉伸试验显示，复合板母材具有较好的强度和塑性，母材的裂纹起源于复合板和低合金钢基体的波状界面，然后分别向复合层侧和低合金钢侧扩展，两侧均以45°方向剪切断裂，断口为韧性断裂。母材在时效前后的冲击性能变化不大，焊接接头的焊缝和熔合区的冲击韧性在时效后均有不同程度的下降，时效前，C组焊缝冲击性能最好，B组次之，A组冲击韧性最差，随着时效的进行，A，C两组焊缝和熔合区冲击韧性值均有较大幅度下降，B组焊缝金属韧性最好，焊缝区和熔合区冲击韧性下降不大；时效之前，母材，焊缝和熔合区主要为韧性断裂，时效后低合金钢侧断裂以脆性为主，不锈钢焊缝断口的韧窝变浅，出现了一些脆性断裂的特征。测试各组焊接接头两条路径上的显微硬度，分别为路径 X和路径Y，路径X和路径Y分别横穿覆层焊缝熔合区和过渡层焊缝熔合区。在路径X上，硬度值从不锈钢复合层波动下降到焊缝组织，B组焊缝的硬度最小，C组焊缝硬度最大，A组居中，随着时效时间增长，焊缝和复合层的硬度值有所增加；路径Y的低合金钢一侧硬度较小，且随着时效时间的增长，硬度值进一步减小，熔合区附近焊缝一侧出现了一个硬度的峰值，在时效过程中，峰值强度有所增大。
　　晶间腐蚀试验结果显示，时效0~300 h，母材复合层的耐晶间腐蚀性能有所增强，300 h后稍有降低；时效前A组耐晶间腐蚀性能最好，B组次之，C组最差；随着时间的延长，该性能不同程度下降；热影响区的耐晶间腐蚀较差，随着时效的进行，耐晶间腐蚀性能先升高后降低。极化曲线试验结果显示，在整个焊接接头中，离熔合区0~5 mm的热影响区范围内自腐蚀电流最大，点蚀电位最低；5~10 mm范围内和母材随着时效时间增加点蚀电位有增大的趋势；A组和B组时效以后点蚀电位逐渐降低，A组时效500 h后，点蚀电位突然减小，自腐蚀电流突然增大；C组自腐蚀电流整体上随时效时间增加而增大。

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变量注释表

1绪论

1.1金属复合板概述(Introduction of Metal Composite Plate)

1.2不锈钢复合板简介(Introduction of Stainless Steel Composite Plate)

1.3不锈钢复合板焊接简介(Welding of Stainless Steel Composite Plate)

1.4不锈钢复合板焊接研究现状(Research Status of Welding of Stainless Steel Composite Plate)

1.5本课题研究意义(Significance of Investigation for this Research)

1.6本课题研究的主要内容及具体方案(The Main Content of this Researchand the SpecificScheme)

2焊接工艺方案和试验方法

2.1不锈钢复合板的焊接工艺方案(Program of Welding Process for Stainless Steel Composite Plate)

2.2试验方法(Test Methods)

3焊接接头的组织与成分

3.1时效前焊接接头金相组织(Metallographic Structure of Welding Joints of Composite Plate before aging)

3.2 高温时效后焊接接头的金相组织(Metallographic Structure of Welding Joints Subjected to Aging Treatment)

3.3高温时效后焊接接头析出相观察(Observation for Precipitated Phase of Welding Joints Subjected to Aging Treatment)

3.4焊接接头化学成分分析(Chemical Composition of Welding Joints)

3.5焊缝金属物相分析(Phase Constituents of Welding Seam Metal)

3.6本章小结(Chapter Summary)

4焊接接头的力学性能

4.1复合钢板拉伸性能(Tensile Properties of Composite Plate)

4.2焊接接头冲击性能研究(Impact Toughness of Welded Joints)

4.3焊接接头熔合区附近的硬度分布(Hardness Distribution across the Fusion Line of Welding Joints)

4.4本章小结(Chapter Summary)

5焊接接头的耐腐蚀性能研究

5.1 焊接接头耐晶间腐蚀性能研究(Intergranular Corrosion Resistance of Welding Joints)

5.2 焊接接头极化试验研究(Research for Polarization Tests of Welding Joints)

5.3本章小结(Chapter Summary)

6结论

参考文献

作者简历

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