高氮钢MIG焊工艺及接头组织与性能研究

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高氮奥氏体(γ)不锈钢(高氮钢)具有许多优异性能,与传统的应用广泛的Ni-Cr奥氏体(γ)不锈钢相比较,具有高强度、高韧性、高应变硬化能力、强耐蚀性和低磁化等性能。上述优异性能使高氮钢逐渐地发展成为一种重要的新型结构材料,作为新型结构材料能否广泛应用在一定程度上取决于焊接性能。由于高氮钢具有高含量氮的性质,在焊接过程中可能会出现氮逸出损失、析出氮化物、形成气孔及热裂纹缺陷等问题,导致焊接性能差以至焊接接头失去原有高氮钢的优异性能。因此,对高氮钢焊接技术的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。本文采用熔化极气体保护焊的方法,研究了焊接工艺参数、保护气体成分、焊丝成分以及不同加工状态母材对高氮钢焊接接头组织与性能的影响;采用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析、XRD分析仪等设备对接头进行了组织和相的分析;对焊接接头力学性能如显微硬度、冲击韧性等进行了测试;分析研究了铸造、热轧、焊缝三种状态的高氮钢在5%NaCl水溶液电化学腐蚀性和10%H2SO4以及3.5%NaCl的水溶液中的浸泡腐蚀性。在本试验参数范围内的实验结果表明:(1)高氮钢焊接接头组织形态变化规律趋于一致,焊缝组织为枝晶状奥氏体(γ)+少量析出的δ-铁素体;HAZ等轴γ基体上分布有原热轧母材遗留的“条状”组织,γ晶粒与母材相比没有长大;熔合区与焊缝及母材间过渡良好,其晶界变宽并有δ铁素体析出。(2)随Ar保护气中N2增加,焊缝硬度提高;HAZ及加氮气保护的焊缝硬度明显高于母材;HAZ及焊缝韧性高于热轧母材,其主要原因是原热轧母材“条状”组织与γ基体间的结合状态有所改善。(3)采用热轧态、铸态、铸态固溶三种加工状态的高氮钢母材焊接接头的硬度关系变化趋势较一致,焊接接头均未出现软化区;随焊接热输入的增加,焊缝和熔合区硬度降低,而HAZ硬度提高;HAZ硬度高于母材,其主要原因是在其γ基体中形成了大量Cr-N富集区阻碍位错运动所致。(4)铸态高氮钢、热轧高氮钢与其焊缝的电化学测试结果趋于一致,与316L奥氏体(γ)不锈钢相比,钝化区较宽,随着电位提高,钝化区电流先明显下降而后缓慢上升,在较高电位下出现“二次钝化”,电化学腐蚀性明显好于316L,这与高氮钢中N对钝化层Cr的吸引作用在钝化层内层最强导致钝化层内层形成Cr2O3致密性高于表面有关,但在3.5%NaCl水溶液浸泡腐蚀中的抗蚀性要低于316L,这与高氮钢组织结构和元素分布不均匀导致其抗蚀性降低有关。
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