LNG船用SA553/AISI304异种低温钢激光焊接接头组织及力学性能的研究

摘要

LNG（液化天然气）船是运输LNG的重要途径，其建造因技术难度高、附加值高、使用过程中安全性要求极高，被誉为世界造船业皇冠上的明珠。激光焊可以克服传统弧焊中磁偏吹严重、效率低、热输入高、焊材消耗量大等缺点，在LNG船液货围护系统的建造中极具前景，特别是在 SA553/AISI304异种低温钢连接方面。对于SA553/AISI304异种低温钢激光焊接而言，多元异种材料在焊缝中的混配，焊缝的组织控制，高速冷却过程和焊缝成分对残余奥氏体、析出相、界面形态影响，低温下析出相和残余奥氏体对力学性能的影响机制的研究较少，严重制约了激光焊接在异种低温材料焊接中的应用。因此，本文将激光焊接的方法用于制备SA553/AISI304接头，并对焊接中的成分控制、组织演化和低温力学性能等，进行了深入的研究。
　　本文采用激光自熔焊和激光填丝焊两种方法制备了 SA553/AISI304异种低温钢接头，并对其显微组织和力学性能进行了观察和测试。研究发现，在激光自熔焊过程中，通过改变偏焦量、焊接速度和坡口形状，可以实现精确控制焊缝熔合比和焊缝合金成分的目标，其SA553的熔合比可降至28%。自熔焊焊缝中主要为板条马氏体和残余奥氏体两相；马氏体分布在柱状和柱状树枝晶内，而残余奥氏体主要分布在晶间和晶内板条束间；随着熔合比的下降，合金元素总量上升，导致晶间和晶内板条束间残余奥氏体含量显著上升，晶间条块状的残余奥氏体和晶内薄膜状的残余奥体的尺寸也有所增大。自熔焊焊缝在合金成分相同的条件下，焊缝中的残余奥氏体含量也大致相同，焊接速度越快，合金元素和相的分布越不均匀，其在焊缝中心主要受到层状偏析的影响，在焊缝边缘受到熔池流动和扩散的影响较大。当熔合比低于35%后，焊缝的低温冲击性能就可以满足需求。不同成分焊缝在强度方面都符合要求，断裂位置均处于AISI304母材。不同成分的SA553/AIS I304自熔焊焊缝，在焊接过程和低温处理过程中的马氏体相变都符合K-S关系；在低温处理50 h后，不同成分焊缝中的残余奥氏体含量都有明显的下降；在低温处理100 h后，剩余的残余奥氏基本保持稳定；当熔合比低于38%后，低温下残余奥氏体转变量将低于25%。在晶间残余奥氏体周围生成的马氏体会对剩余的残余奥氏体产生明显的挤压作用，这种挤压作用使得剩余的残余奥氏体继续发生相变更加困难，从而增加了剩余残余奥氏体的低温稳定性，随着焊缝合金元素总量的增加，这种作用先增强后减弱。提高残余奥氏体含量可以显著提高焊缝的低温冲击性能，其断裂机制由脆性断裂逐渐向韧性断裂过渡。
　　针对激光填丝焊中所获得的三种合金成分焊缝，研究发现不同成分焊缝中均存在明显的元素微观偏析；当使用Ni-Mo-Cr系填充金属（E4焊缝）和Ni-Mo系填充金属时（E8焊缝），焊缝在晶界处主要为Mo元素的偏析，当使用N i-Cr-Mo（含Nb）系填充金属时（E6焊缝），焊缝在晶界处主要为Mo和Nb元素的偏析；Cr、Nb等元素的增加将降低Mo元素的平衡分配系数。Mo元素在激光填丝焊缝中的微观偏析对稳定链状和棒状的σ相（E4焊缝）和Laves相（E6焊缝）有显著作用；Nb元素的偏析是Laves形成的主要原因；在出现TCP相的两种焊缝中，都出现了TCP/γ共晶相，这与焊缝中Fe元素含量上升和Mo元素在晶界上含量较高有关。强碳化物元素Nb的偏析导致在E6成分焊缝中出现了一定数量的NbC，但总体来讲碳化物在各种焊缝中的含量均较少，这与母材及填充材料中 C含量较低有关。研究显示，碳化物由于数量有限、尺寸较小对力学性能的影响有限；硬脆TCP相及其共晶相对韧性和强度均有不利影响，且在低温下影响更显著。在低温环境下TCP相及其共晶相，脆性加大，非常容易碎裂或沿相界面被撕裂，导致裂纹的扩展短暂失稳，降低焊缝的断裂韧度，因此TCP相是降低镍基合金焊缝低温断裂韧度的主要因素。在本实验中，析出相含量少，仅有少量球形碳化物的E8成分焊缝表现出了最好综合性能。
　　不同成分激光填丝焊缝中SA553一侧界面组织可归纳为6种形态，其SA553一侧界面附近所具有的组织形态的类型都相同，只是分布和数量有所差异；I、II、III型界面的性能较好，IV、V、VI型界面的性能较差；对界面形态的统计显示，E8成分焊缝的界面将表现出了更好的性能。通过诠释不同界面形态的形成机理可知，着重考虑填充金属和母材的液态粘度和密度的差异对界面附近熔体流动性的影响，可以较好的解释各种实验现象。与固/液界面中合金元素的扩散相比，母材与填充金属中合金成分的不同所导致其在熔池中流动性的差异，对界面附近组织的影响更大。

目录

声明

答辩决议书

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 SA553/AISI304异种钢焊接的研究背景和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本课题的主要研究内容

第二章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2激光焊接设备和方法

2.3 接头微观组织分析与宏观形貌观察

2.4 接头力学性能测试

2.5 热力学分析计算

第三章 SA533/AISI304激光自熔焊焊缝显微组织中的残余奥氏体及其对性能的影响

3.1 引言

3.2 焊接工艺参数对异种接头合金成分的影响

3.3 合金成分对焊缝中残余奥氏体的影响

3.4 热输入对焊缝中残余奥氏体的影响

3.5 合金成分对残余奥氏体低温稳定性的影响

3.6 残余奥氏体对接头性能的影响

3.7 结论

第四章 SA533/AISI304激光填丝焊焊缝显微组织中的析出相及其对性能影响

4.1 引言

4.2 SA553/AISI304接头激光填丝焊工艺与焊缝成型

4.3 合金成分对焊缝显微组织与元素微观偏析行为的影响

4.4 合金成分对焊缝中析出相的影响

4.5 焊缝显微组织中的析出相对接头强度与韧性的影响

4.6 焊缝显微组织中的析出相对断裂韧度的影响

4.7 结论

第五章 SA533/AISI304激光焊接接头界面显微组织

5.1 引言

5.2 激光自熔焊焊缝界面附近的显微组织

5.3 激光填丝焊焊缝界面附近的显微组织

5.4 SA553热影响区组织的演化规律

5.5 结论

第六章 主要结论及创新点

6.1 主要结论

6.2 创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表和待发表的论文

致谢