毕业设计说明书（论文）中文摘要 不锈钢多层多道焊接头组织研究 本文以2205双相不锈钢为焊接材料，E2209焊条为填充材料，采用焊条电弧焊方法实施多层多道焊。焊后对焊接接头进行金相制备及硬度值的测量，然后分析焊缝及热影响区金相组织并对所得接头的结构组织进行表征，最后分析焊缝及热影响区组织对硬度的影响。试验结果表明，焊缝和热影响区奥氏体相含量由打底层向填充层方向依次减少，铁素体含量随之增多。焊缝区的奥氏体含量较热影响区的奥氏体含量多。焊缝和热影响区的硬度随铁素体相含量的增加呈降低趋势。
关键词：双相不锈钢；
热影响区；
奥氏体；
微观组织；
硬度 毕业设计说明书（论文）英文摘要 Title Microstructure Research Of Multi-layer And Multi-pass Welding Of Stainless Steel The multi-layer and multi-pass welding technology of duplex stainless steel 2205 was investigated in this paper. The filling material is E2209. After welding, the work of Metallographic Preparation and hardness test was done. Then the Metallographic structure of weld bead and HAZ was researched and the structure of the joint was characterized .At last, the effect on the hardness of the weld bead and HAZ was also researched. The results show that, the number of austenite reduces from the backing weld to the filling bead while the ferrite increases. The content of austenite in the weld bead is more than that in the HAZ. The hardness of the weld bead and HAZ decreases with the decrease of ferrite. Keywords: Duplex Stainless Steel; HAZ; Austenite; Metallographic structure; Hardness 目 录 前 言 1 第一章绪论 2 1.1不锈钢概述 2 1.1.1不锈钢的发展 2 1.1.2不锈钢的种类 2 1.1.3不锈钢的特性 3 1.1.4不锈钢的应用 4 1.2不锈钢的焊接 5 1.2.1不锈钢的焊接性分析 5 1.2.1不锈钢常用的焊接方法 6 1.3不锈钢的研究进展 7 1.4本文的研究内容与意义 9 1.4.1研究内容 9 1.4.2研究意义 9 第二章2205双相不锈钢多层多道焊工艺试验 10 2.1工艺确定 10 2.1.1焊接材料 10 2.1.2焊接方法 10 2.1.3填充材料 10 2.1.4坡口形式 11 2.1.5工艺参数及要求 11 2.2试验材料与设备 13 2.2.1试验材料 13 2.2.2试验设备 13 2.3金相制备与硬度测定 15 2.3.1接头金相试样制备 15 2.3.2接头显微维氏硬度测量 16 第三章试验结果及分析 18 3.1焊接接头宏观形貌 18 3.2接头金相组织及转化分析 19 3.1接头金相组织分析 19 3.2接头组织转化分析 22 3.2焊接接头硬度分析 23 第四章 结论 25 参考文献 26 致 谢 27 前 言 20世纪以来，钢铁冶金工业快速发展，由此带动了奥氏体—铁素体双相不锈钢的发展。现如今，设备制造业对于不锈钢的性能要求越来越苛刻，而奥氏体—铁素体双相不锈钢以其良好的综合性能备受关注。
奥氏体—铁素体双相不锈钢被应用于高腐蚀性、高压力环境下的各种容器、管道、换热器等设备，这在石油化学、造纸、食品、制药等工业中尤为多见。奥氏体—铁素体双相不锈钢在常温下同时具有奥氏体和铁素体两种组织，两种相含量的比例为1:1。在选用焊条电弧焊焊接双相不锈钢时，母材、焊条成分以及焊接工艺都会影响接头中两相的含量，两相比例越接近1:1则接头性能越接近于母材。焊接接头中奥氏体与铁素体相的比例可以通过固溶处理工艺控制[1]。而在实际工程应用上，焊接结构件的尺寸往往比较大，这使得通过固溶方式改变接头组织和相比例显得不现实。在实际操作过程中，工程师更倾向于通过优化不锈钢的焊接工艺来控制接头中的相含量。
2205双相不锈钢是广大不锈钢家族中较为广为人知的一员，氮元素的加入使其耐蚀性能、焊接性能优于早期的双相不锈钢，同时其仍保留了良好的塑性、强度以及冲击韧性[2]，这些原因使它广泛应用在工程领域。在工程上，钢板板厚时常较厚，需多层多道焊接，而由此所带来的焊接热循环将对焊缝及热影响区的两相比例产生很大影响进而影响接头性能。为此，有必要对广泛使用的2205双相不锈钢多层多道焊接头组织进行分析，研究接头中铁素体和奥氏体的转化规律及其对接头性能的影响，从而希望能为焊接工艺规程提供一定参考。
第一章绪论 1.1不锈钢概述 1.1.1不锈钢的发展 自1912年英国著名的冶金科学家Harry Brearly发现了“铬不锈”以来，不锈钢便以一种迅猛之势快速发展。有数据记载，20世纪50年代年全球不锈钢的产量为100多万吨，而到世纪末，产量已经达到约1800万吨。据预计，2015年全球不锈钢产量将创历史新高，达到4300万吨。我国正处于不锈钢生产和应用的高速增长期，在2001年我国对于不锈钢的消耗量已经排在世界第一，现如今正以每年大约7.8%的速度增长，在2006年我国不锈钢的产量也达到了世界第一。
在不锈钢产量快速增长的同时，不锈钢的种类也在向多元化趋势发展。为了满足不同领域的特殊要求，近年来各种有特殊性能的不锈钢被不断研发出来，例如超级不锈钢、无镍奥氏体不锈钢、抗菌不锈钢[3]等。
1.1.2不锈钢的种类 不锈钢经发明以来，经过百年的发展，已经从Harry Brearly发明的13%Cr钢发展到现如今不同结构和成分的五大系列不锈钢。五大系列不锈钢是按照其室温组织的不同进行分类，分别为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体—铁素体双相不锈钢以及沉淀硬化钢。现在，五大钢种也得到了极大发展，衍生出了含有钨、铜等更多合金元素的超级、特超级不锈钢。
铁素体不锈钢铬的质量分数在11.5%~32.0%之间，一般室温组织为纯铁素体，具有良好的塑性、韧性，同时Mo、Ni元素的加入增强了它的耐应力腐蚀性能。常见的铁素体不锈钢有1Cr25Si2、1Cr17和1Cr17Mo。奥氏体不锈钢是在高铬钢的基础上加入Ni元素（含量在8%~25%）形成的钢种，其室温下的微观组织为奥氏体，具有很好的耐晶间腐蚀性能。实际生产中常用的有18-8钢、25-20钢和25-35钢，在采矿、石油、化学等工业中常见的304不锈钢即18-8系列钢。马氏体不锈钢室温下的组织为马氏体，其含铬量通常为11%~18%。其具有优异的高温强度、高温抗氧化性以及一定的耐蚀性，因而经常用于蒸汽透平叶片、轴承等。其常见的钢有1Cr13、2Cr13和3Cr13。奥氏体—铁素体双相不锈钢室温组织中奥氏体铁素体个约占一半，两相的存在令其既耐晶间腐蚀又耐应力腐蚀。优异的性能使其在海洋工程、石油工业、造纸工业等地方大展拳脚。常用的不锈钢有SAF2205和SAF2507。沉淀硬化钢组织中有硬化相形成，热处理工艺为时效强化，因其高强度的特性而可用作承高压类零件用钢。常见的沉淀硬化钢有马氏体型（如00Cr22Ni5Mo3N）、半奥氏体型（如0Cr17Ni7Al）。
1.1.3不锈钢的特性 （1）物理性能 不锈钢中加入了大量的合金元素，其物理性能与普通碳钢有很大差异。其线膨胀系数和电阻率较普通碳钢高而热导率较低。表1.1列出了几种不锈钢的物理性能。
表1.1 几种不锈钢的物理性能 钢号 密度ρ（20℃）/g·cm-3 比热容c（0~100℃）/J·(g·℃)-1 热导率λ（100℃）/J·(cm·s·℃)-1 线膨胀系数α（0~100℃）/μm·（m·℃）-1 电阻率μ（20/μΩ·（cm2·cm-1）
0Cr19Ni10 0.83 0.5 0.15 16.9 72 0Cr13 7.75 0.46 0.27 10.8 61 1Cr13 7.75 0.46 0.25 9.9 57 （2）耐腐蚀性能 不锈钢良好的耐蚀性能归功于其较高的铬、镍含量。其基本机理是不锈钢中的Cr元素被氧化，在表面形成致密的氧化膜Cr2O3，Cr2O3晶粒致密且对腐蚀性介质具有很高的稳定性。而当不锈钢氧化膜被破坏时，其能够很快的重新生成新的Cr2O3覆盖在表面。由于组织成分与合金元素的差别，不同的不锈钢对腐蚀环境的适应性也不同，奥氏体不锈钢对晶间腐蚀具有良好的抗性而铁素体不锈钢对应力腐蚀有较强抗性。
（3）高温性能 不锈钢表面形成的致密氧化膜可以提高不锈钢的使用温度。不锈钢在高温下的性能表征主要有热稳定性与热强性。在只采用Cr来提高抗氧化性能时，Cr含量的多少决定了耐氧化性的最高温度。当Cr含量为12%、20%和28%时对应的最高温度分别为为800℃、950℃和1150℃。
1.1.4不锈钢的应用 普通碳钢、结构钢暴露在海水、酸碱盐溶液等腐蚀介质中极易发生腐蚀而无法承担要求的使用性能，因而长期处在这些环境下的海洋设备、化学工业设备、石油炼制运输储藏设备等都需要使用到不锈钢。而不锈钢的种类不同，其所适用的领域也相应改变。3RE60不锈钢可用于热交换器及冷却器，2205双相不锈钢可用于高压釜，含铬25%双相不锈钢可用于水泵、海水热交换器，27Cr8NiN可用于含硝酸的环境下……在不同国家，不锈钢的类别是一致的，在牌号和成分方面有所差异，表1.2为我国常见不锈钢的种类及应用场合。
表1.2 我国常见不锈钢的种类及应用场合 类型 GB牌号 特性与应用场合 奥氏体型 0Cr19Ni9 相当于美国的304，是一种不锈耐热钢，可用于车辆零件、不锈钢餐具、核工业等。
00Cr19Ni11 含碳量比0Cr19Ni9低，耐晶间腐蚀性能好，焊后可不进行热处理。
1Cr18Ni9 含碳量比0Cr19Ni9高，在冷加工下有较高强度，可用于建筑装饰材料。
0Cr19Ni9N 0Cr19Ni9中加入N元素，提高了强度而不降低塑性，可用作结构用钢。
0Cr19Ni10NbN 0Cr19Ni9中加入N和Nb元素，和0Cr19Ni9具有相同的特性与用途，但其耐晶间腐蚀性能较0Cr19Ni9好。
0Cr18Ni12Mo2Ti 此种钢对耐酸腐蚀性能好，例如H2SO4、H3PO4。
0Cr18Ni13Si4 0Cr19Ni9中加入Ni、Si元素，从而提高了耐应力腐蚀断裂性能，常用于含氯离子环境下。
0Cr25Ni20 在高温下的抗氧化性和强度高，用于耐热钢。
马氏体型 0Cr13 碳含量的减少使其比1Cr13钢具有更高的耐蚀性与加工成形性。
1Cr13 含碳量比0Cr13高，耐蚀性、机加工性能良好，用于刀具类用钢。
2Cr13 在经过淬火处理后，具有高的硬度与耐蚀性，可用作蒸汽透平叶片、刀具类用钢。
3Cr13 进一步提高硬度与耐蚀性，且拥有较高的强度，常用作海水腐蚀设备用钢。
铁素体型 1Cr17 耐蚀性良好，用于不锈钢餐具、电器零部件、装饰用材料等。
00Cr17 在1Cr17钢的基础上降低了含碳量，从而改善了焊接性，加工性能，可用于热水器、卫生器具等。
1Cr17Mo 加入了Mo元素，其切削性能比1Cr17高，抗盐溶液性能强，可用于汽车外装材料。
双相不锈钢 0Cr26Ni5Mo2 高硬度、抗氧化性能好、耐点蚀性能好，可用于海洋工程材料。
0Cr18Ni5Mo3Si2 强度较高，耐应力腐蚀性能好，多用于耐海水腐蚀设备如水下管道，炼油工业、造纸工业等场合。
1.2不锈钢的焊接 1.2.1不锈钢的焊接性分析 1）奥氏体不锈钢的焊接性 在焊接时，由于在晶界生成Cr23C6形成贫铬区[4]，当长时间停留在450~850℃中温区时易出现晶间腐蚀现象。由于奥氏体不锈钢小的热导率和大的线膨胀系数，S、P等杂质形成易容液膜，易容共晶的存在以及促使晶间液膜形成的柱状晶的焊缝组织，使得奥氏体不锈钢对热裂纹主要是焊缝凝固裂纹与液化裂纹的敏感性比较高。当奥氏体相中存在有铁素体时，焊缝在650~850℃温度区间长时间停留易析出一种脆硬的σ相，降低塑韧性的同时增加材料的腐蚀敏感性。
2）铁素体不锈钢的焊接性 焊接热影响区在900℃以上温度加热时晶粒有长大倾向，当Cr含量越高，倾向越严重。在Cr含量高于15%的普通纯度铁素体钢焊接时，在加热至475℃附近或者从高温缓冷至475℃附近，会出现475℃脆化。脆化倾向随铬含量增加而变大。在Cr含量高于21%的铁素体不锈钢焊接时，600~800℃温度区间长时间加热时会产生硬脆的金属间化合物σ相。
3）马氏体不锈钢的焊接性 含碳量较高的马氏体不锈钢，在空冷条件下具有很大的淬硬性。高的淬硬性将会产生冷裂纹与脆化问题。当在焊接含有较高铁素体形成元素的马氏体不锈钢时，焊后在冷却速度较快条件下，焊缝及热影响区会生成硬脆的高碳马氏体组织，当不锈钢的含碳量越高时，硬脆倾向越大。碳、镍以及铬的存在使得马氏体不锈钢在焊后其近缝区仍为马氏体组织，并且硬而脆。当焊接拘束度较大或者氢含量较高，易产生冷裂纹。
4）奥氏体—铁素体双相不锈钢的焊接性 奥氏体和铁素体组织的同时存在使得奥氏体—铁素体兼具两种不锈钢的特性：良好的塑性、韧性、大的导热系数、低的线膨胀系数等。在焊接时双相不锈钢时，间隙固溶体形成元素C、N更多的溶解于奥氏体而非如铁素体不锈钢析出碳化物与氮化物，淬硬倾向低；
大的导热系数及低的线膨胀系数有效的防止了焊接时晶粒的过度生长而不易产生热裂纹。焊接热循环对双相不锈钢焊后接头组织相有显著影响。
1.2.1不锈钢常用的焊接方法 虽然在选择焊接方法时，有时限于具体条件可能只选用某一种，但在实际情况下必须综合考虑到质量问题、焊接要求、成本及焊接自动化等因素，从而以获得最大的综合效益为目的来选择焊接方法。一般来说，焊接不锈钢较为理想的方法是药芯焊丝电弧焊。药芯焊丝的自动送给实现了焊接过程的连续生产提高了效率且减少了接头数量，与实心焊丝电弧焊相比，药芯焊丝可通过改变药芯来调整合金成分，并且适用的钢材种类丰富，焊接效率高。与埋弧焊大的热输入相比其热输入要小很多，接头具有更好的性能。
TIG焊、MIG焊以及焊条电弧焊都可用于奥氏体不锈钢的焊接，在焊接时无需预热并且采用低的热输入量。奥氏体不锈钢打底焊时采用药芯焊丝焊接，可以免去背面充氩气保护的工艺，但要注意的是焊后的焊缝正背面需要清渣。普通的纯铁素体钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、MIG焊、药芯焊丝电弧焊、埋弧焊和TIG焊，但不论使用哪种焊接方法，都应通过控制焊接热输入抑制焊接区铁素体晶粒的过分长大。在工艺方面可使用多层多道快速焊接，并且使用强制冷却方法冷却焊缝。马氏体不锈钢通常使用的焊接方法有焊条电弧焊、MIG焊及埋弧焊。在焊接时，主要控制好热输入和冷却速度。奥氏体-铁素体双相不锈钢除电渣焊以外几乎所有熔焊方法都适用，常用的焊接方法为TIG和焊条电弧焊。在焊接时也尤其要注意控制热输入，采用多层多道焊可改善焊接接头的组织和性能。
1.3不锈钢的研究进展 冶炼技术的不断提高使不锈钢材料的研发取得了很大的进展。日本特殊钢公司通过往SUS416马氏体不锈钢中加入合金元素铅、钼、硒研制出了DSR6F超易切削不锈钢[5]。在进行切削加工时，切屑破碎容易而不附在加工面使得切削面表面精度高。利用Cu+与Ag+可对细胞造成破坏[6]的原理，含有Cu和含有Ag的抗菌型不锈钢分别于日本著名的钢铁公司日新制钢株式会社[7]和日本川崎钢铁公司[8]研制出来。含Cu抗菌型不锈钢制造的基本原理是对含有质量分数约0.5%~1.0%Cu的不锈钢进行特别的热处理加工工艺使不锈钢从材料表层到内部均匀地析出弥散状的ξ-Cu，从而获得含Cu抗菌不锈钢。含Cu型抗菌不锈钢主要钢号有NSSAM1、NSSAM2、NSSAM3、NSSAM4等。其中NSSAM4在食品行业、餐具及其他对抗菌和加工性能均要求严格的领域用途及其广泛。这种含Cu的抗菌不锈钢其在使用一段时间后，原本表面析出的弥散状ξ-Cu相消耗完时抗菌性能会大大降低。为了在表面重新生成含Cu相，恢复原来的抗菌性能，可以通过简单的方法例如抛光等来达到目的。R系列抗菌不锈钢是含Ag微细弥散的一类钢种，此类钢主要有R304-AB、R430-AB，主要化学成分为C、Cr、P、Mn、Ag、Si等。Ag属于重金属元素，银离子会使蛋白质变性，因而含银抗菌型不锈钢会破坏细菌的细胞膜，从而对一些细菌例如大肠杆菌、藤黄八叠球菌、绿脓杆、黄色葡萄球菌等均具有较高的抗菌效果。当其表面受磨损时和经过加工研磨时，Ag元素裸露在外，这类钢的抗菌效果尤为优良。
美国Allegheny技术公司[9]开发了AL2003节镍型不锈钢，牌号为UNSS3203。较低的镍含量和少许的Mo含量使其多用于海洋工程，如输送无硫或轻度含硫油气的海底高压管道系统。在我国，中科院金属研究所[10]研制出了具有优良的综合理化性能和生物相容性的铬锰氮型无镍奥氏体不锈钢。为了使不锈钢保持单一的奥氏体组织结构，他们在不锈钢中加入了氮和锰两种扩大奥氏体化元素，通过工艺控制使氮化物溶入奥氏体相中。其主要技术手段是在采用先进的真空感应熔炼技术的同时严格控制氮化物的保护气氛与保护气氛的加入时间t，从而在真空炉中成功地熔炼出具有良好品质的氮含量达到0.43%以上的无镍高氮不锈钢。对此种钢进行生物相容性试验检测，发现其性能优于现在临床使用的铬镍奥氏体不锈钢，避免了在含镍不锈钢植入人体后引发的发炎和组织细胞破坏等反应，在医用上这种钢将来有望取代现在普遍使用的022Cr17Ni12Mo2钢。表1.2为铬锰氮型无镍奥氏体不锈钢具体的元素含量。
表1.2 医学用无镍奥氏体不锈钢的化学成分（质量分数%）
Mn Cr C Mo N Ni Cu Si S P 57 16.0~17.5 ≤0.03 1.5~2.0 0.4~0.6 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.1 ＜0.01 ＜0.01 在不锈钢的焊接方面，栾江峰[11]等人研究了焊接性较差的X12CrNiSi1636奥氏体耐热不锈钢新的焊接工艺。他们在焊接中采取变电流的方式减少热输入，以背面水冷却控制层间温度的工艺，有效的降低了X12CrNiSi1636不锈钢的热裂倾向，获得可靠的焊接接头。张青科[12]等人对奥氏体不锈钢钎焊母材与钎料界面裂纹形成机理进行了探索。他们在利用铜硅钎料对316L不锈钢进行浸渍以及真空钎焊试验，银硅、银铝钎料进行氩弧钎焊试验后发现，母材与钎料界面的裂纹主要有两方面引起。一方面原因是钎料在母材晶界上扩散时，钎料中的低熔点元素削弱了晶界，另一方面是母材中温度梯度引起了内应力，而这两个因素可以通过焊前预热减缓冷却速度、焊后去应力退火以及减少热输入改善。焊接热循环对双相不锈钢焊接接头微观组织有很大影响。Wu H C [13]等人通过研究双相不锈钢激光焊焊接过程，发现在焊接热循环的峰值温度与快速冷条件下，双相不锈钢组织铁素体化进程加快，促使铁素体的含量增加，焊接接头的耐蚀性和冲击韧度因此降低。为此，为了获得优良的焊缝组织，要将热输人量有效地控制在0.5~2.5kJ/cm之间，层间温度需要小于150℃。
1.4本文的研究内容与意义 1.4.1研究内容 （1）操作TIG焊、半自动MIG焊、手工电弧焊，掌握焊机的操作方法与要点；
设计2205双相不锈钢多层多道焊试验，制备接头式样。
（2）对2205双相不锈钢多层多道焊接头进行力学性能试验（硬度）和金相分析。
（3）对焊接后所得接头的组织结构进行表征。
（4）对试验数据进行处理，分析2205双相不锈钢多层多道焊接头组织与力学性能（硬度）之间的关系，得出相应结论。
1.4.2研究意义 随着现代工业的不断发展，工业设备、零件的要求愈发苛严，一般的不锈钢耐腐蚀性能不足，无法满足对抗点腐蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀性要求高的设备。奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的一些特点集中于奥氏体—铁素体双相不锈钢，其具有优良的耐腐蚀性能，综合力学性能良好，并且镍含量低于奥氏体不锈钢，双相不锈钢的推广使用将会对相对匮乏的镍金属有着积极作用。
双相不锈钢在焊接热循环过程中其微观组织与母材有很大差别，并且最终反映在性能上。本试验以2205双相不锈钢为焊接材料，采用应用最普遍的焊条电弧焊方法进行多层多道焊试验以获得多层多道焊接头并进行金相制备与性能测试，通过观察微观组织结构和分析相应的力学性能获得两者的关系，以期为双相不锈钢在焊接工程实际中的应用提供一些有价值的参考。
第二章2205双相不锈钢多层多道焊工艺试验 2.1工艺确定 2.1.1焊接材料 本试验所采用的焊接材料为国产2205双相不锈钢，表2.1和2.2分别为它的力学性能与化学成分，两块试板加工尺寸均为300mmx100mmx10mm。
表2.1 2205双相不锈钢的力学性能 材料 屈服强度Rp/MPa 抗拉强度Rm/MPa 断后伸长率A% 显微硬度 Hv 2205双相不锈钢 505 805 38 253 表2.2 2205双相不锈钢的化学成分（质量分数%）
C Mn Si P S Cr Ni Mo N ≤0.030 ≤ 2.00 ≤1.00 ≤0.030 ≤0.020 22.0~23.0 4.5~6.5 3.0~3.5 0.14~0.20 2.1.2焊接方法 出于焊接质量、效率、成本、试验设备等多方面的考虑，本试验所采用的焊接方法是焊条电弧焊，并且采用多层多道焊工艺。焊机选用ZX7-400手工电弧焊机。
2.1.3填充材料 焊条电弧焊焊接双相不锈钢时，采用与母材同质的焊条会使焊缝中铁素体组织在热循环作用下迅速增加，析出氮化物从而破坏接头性能。选用焊条元素中含促进奥氏体化元素多的焊条是解决这个问题的方法之一。出于这方面考虑，本试验所采用的填充材料为国产牌号E2209，直径φ3.2mm的焊条，其奥氏体化元素Ni较母材多3.5%~4.5%，满足要求。其具体的化学成分及力学性能见表2.3和2.4。
表2.3 E2209焊条的化学成分（质量分数%）
C Mn P S Si Cr Ni Mo N Cu 0.026 0.90 0.025 0.002 0.90 22.10 10.00 2.84 0.180 0.08 表2.4 E2209熔敷金属的力学性能 焊条型号 抗拉强度Rp/MPa 延伸率A% E2209 ≥620 ≥20 2.1.4坡口形式 本试验中两块不锈钢板采用对接方式连接，因母材板厚10mm<16mm，故选取单面V型坡口，坡口角度为60°，为保证熔透，加工3mm钝边，焊接时根部间隙2mm，图2.1为坡口示意图。坡口开取、钝边加工的设备为刨边机。
图2.1 2205双相不锈钢多层多道焊坡口示意图 2.1.5工艺参数及要求 （1）工艺参数 熔化金属生成奥氏体组织需要一定时间，这需要控制焊接过程中的冷却速度在一个合适的范围。因为焊接方法是焊条电弧焊，焊接过程中不允许横向摆动焊条以防止焊条过热以及单相奥氏体化现象的产生。焊接接头的相平衡受到焊接过程中的热输入影响。过高的热输入，会因为冷却速度太慢而使得氮元素在铁素体中析出，同时焊缝与热影响区金属晶粒会长大变粗；
过低的热输入，会使组织中铁素体含量偏高。热输入和层间温度在焊接过程中需严格的控制，层间温度不允许超过150℃，热输入要控制在600~2600J/mm，热输入计算公式如下。
热输入=（热效率x焊接电流x焊接电压）/焊接速度 在正式试验前，经过多次预试验，通过判断焊缝成形质量的优劣得出最终合适的工艺参数，见表2.5。焊接顺序及焊缝长度见图2.2。
表2.5 焊接工艺参数 焊接参数 层数 焊接电压/V 焊接电流/A 焊接速度mm/s 打底层 19~23 96~103 1.43 第二层 22~28 145~150 3.23 第三层 22~28 145~150 3.51 第四层 22~28 145~150 3.52 图2.2 焊接顺序及焊缝长度 （2）焊接要求 E2209焊条为碱性焊条，因而在焊接前需要在350℃~400℃保温一到两小时。在施焊之前仔细检查两块板材坡口及钝边表面，不得有分层、夹杂、裂纹等缺陷，同时用机械或化学方法清除焊接板材的内外坡口表面及坡口两侧母材表面20mm区域内容易引起夹杂、气孔、裂纹等焊接缺陷的氧化物、油污及其它对焊接有害的物质。采用夹具对两块板材进行定位夹紧，不得有错边。在施焊过程中，焊条不允许做横向摆动。整个焊缝一共焊四层，每层的厚度控制在2mm左右，为避免析出脆性相，焊接层间温度需控制在150℃以内。每一层焊完后要及时采用碳弧气刨清理干净，每一次在更换焊条继续焊接前，要彻底刨掉焊缝弧坑。焊接全部完成后，检查焊接接头，选择一段成性良好，焊缝表面无气孔、未融合、咬边等缺陷的焊缝以作后续试验用。
2.2试验材料与设备 2.2.1试验材料 1）
300mmx100mmx10mm2205双相不锈钢板材若干，E2209焊条若干；
2）
镶嵌嵌料；
3）
工业用无水乙醇、浓硝酸、浓盐酸，国药集团化学试剂有限公司；
4）
抛光用Al2O3抛光粉，南京化学试剂有限公司；
5）
漏斗、锥形瓶、烧杯、滴管、量筒、医用棉花、抛光布、砂纸、钳子等。
2.2.2试验设备 1）
刨边机；
2）
ZX7-400焊条电弧焊机；
3）
碳弧气刨机；
4）
线切割机；
5）
金相镶嵌机、金相预磨、金相抛光机、金相显微镜；
6）
热风机；
7）
HV-1000显微维氏硬度计。
1.焊条电弧焊机 本试验所采用的焊条电弧焊设备由南京中圣集团提供，焊机型号为ZX7-400手工电弧焊机，见图2.1。
图2.1 ZX7-400手工电弧焊机 弧焊电源、焊钳和焊接电缆是构成整个焊机的主要部件。焊条电弧焊焊接过程可以简化为：焊条和工件接触短路产生瞬时大电流，然后立即迅速提起焊条引燃电弧。焊条药皮、焊芯金属及工件被电弧产生的高温熔化，熔融状态的焊芯金属以熔滴形式过渡到局部熔化的工件表面并熔合在一起形成熔池，电弧力对熔池的搅动作用促进最后焊缝金属成分均匀。焊条药皮中含有的氧化物、纤维素等对电弧有稳定作用、造渣造气、脱氧以及向焊缝中添加合金元素等。
2.碳弧气刨机[14] 碳弧气刨的原理与焊条电弧焊原理类似，只是在碳弧气刨中碳棒取代了焊条作为电极，其本身并不熔化消耗只会产生磨损。金属在被电弧加热下溶化后，采用压缩空气将金属直接吹掉，它可以直接在金属上加工出沟槽。其常被用来清理焊根与坡口开取。图2.2为其工作原理示意图。
图2.2 碳弧气刨工作原理 1.碳棒2.夹头3.压缩空气4.工件5.电弧L.碳棒外伸长α.气刨角度 碳弧气刨机设备价格与等离子弧气刨机相比要低很多，其构造简单操作方便，因使用的压缩空气来源广泛且成本低而具有经济性；
其与用砂轮或风铲相比，产生的噪音小而效率高，在劳动强度方面大大减轻；
黑色金属可以用碳弧气刨来加工，铜、铝、不锈钢等有色金属及其合金同样也可以采用，原因是其工作原理是用高温熔化而不是利用氧化作用来刨削金属；
由于碳弧气刨是通过压缩空气把熔化金属吹去，对操作工位没有限制可实现全位置操作；
手工碳弧气刨具有良好的可操作性和灵活性，因而碳弧气刨可使用在空间狭小工位或者可达性差的部位。
3.显微维氏硬度计 常用的硬度试验类型有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）以及维氏硬度（HV）。三种硬度测量方法都可测量焊缝硬度，较常用的是维氏硬度，当测量点较多且测量面积较小时，可以选用显微维氏硬度来测量。HV表示维氏硬度，维氏硬度计的压头是一个由金刚石制成夹角为136°的四棱锥。维氏硬度与布氏硬度试验相类似，但由于维氏硬度是金刚石压头硬度很高，不但可用来检验质软的材料，而且也可用来检验硬度较高的材料。维氏硬度与显微维氏硬度也类似，但显微维氏硬度的试验压力较低仅为0.098~1.96。本实验所用的硬度计为HV-1000型显微硬度仪，见图2.3。
图2.3 HV-1000型显微硬度仪 2.3金相制备与硬度测定 2.3.1接头金相试样制备 对前面所选取的一段接头进行线切割，具体方法为沿着所垂直焊缝方向以焊缝为中心用线切割截取出一块长度为24mm，宽8mm的条形试块，如图2.3。
图2.3焊接接头试样切取示意图 之后将所得试块清理干净和打磨平整，将试件待做金相表面与镶嵌机内丝杆的上表面贴合放置，保持其平面和丝杆上表面相接触而无缝隙。用勺子向其中加入适量镶嵌嵌料，放入压块压紧盖住，通过黄色指示灯指示，转动旋紧系统施加压力压制试样。加热大约10分钟后以后等待试样冷却后取出即可。
试样镶嵌好以后，先在预磨机上将金相试样表面打磨光滑平整，然后用标号为W50、W20、W10、W5、W3.5的砂纸（砂粒由粗到细）顺序将金相试样表面打磨至划痕方向一致且均匀，需要注意的是打磨时用力要求均匀且回程时试样不要与砂纸接触。在每次换小一号砂纸时垂直90度改变一次打磨方向，直至最后打磨出的试样平整光亮。在试样打磨完成后，放到抛光机上进行抛光，抛光时的方向要与最后一道打磨方向垂直。在抛光时适时适量的向抛光布表面滴加Al2O3抛光液，利用抛光粉与抛光面产生的摩擦作用来达到磨平抛光面上的划痕的目的。抛光时要时刻注意抛光布的湿润度防止干抛损伤试样表面。抛光完成后用工业酒精清洗并烘干待腐蚀。
量取体积比为3:1的浓盐酸与浓硝酸配制王水，用滴管吸取适量王水滴在试样表面，腐蚀时间大约为40s或腐蚀至接头试样表面出现明显的焊缝形状，腐蚀好的样品用清水清洗干净后再在其表面滴加无水乙醇并烘干，将其放置光学显微镜切片台上，调节显微镜至清晰。如果可以清晰地看到光学显微镜中不锈钢多层多道焊接头的晶粒形态，就能够采集金相照片以便后期观察分析。若在光学显微镜观察下不能明显观察到晶粒形态或观察到腐蚀过度，则再重复抛光和腐蚀操作，腐蚀时间适当增加或减少。
2.3.2接头显微维氏硬度测量 对已经进行过金相组织照片拍摄的焊接接头进行显微维氏硬度测量。取样方法：在焊接接头的焊缝截面上，对四个焊层的焊缝区、热影响区以及母材分别进行显微为氏硬度的测量。从焊缝下表面开始至焊缝上表面，每个焊层的焊缝区、热影响区测量的点分别为2个，两点之间距离不得小于0.5mm，一共16组硬度数据（图2.4为焊缝区测量点示意图）母材则一共测量8组硬度数据。最后将三个区域得到的数据绘制成折线图。
图2.4焊缝区测量点示意图 具体操作流程为首先打开设备及相应软件，将待测试样放在操作台上适当位置，通过低倍镜找到测量硬度的合适的大约位置，然后使用高倍镜确定测量硬度的具体位置。往仪器中输入测量的数据，下压力和下压时间分别为100gf和10s，完成后根据打印的痕迹选取合适的位置计算硬度并记录数据。完成后选取另外的一个位置重复上述步骤操作至试验全部完成。
第三章试验结果及分析 3.1焊接接头宏观形貌 图3.1为2205双相不锈钢多层多道焊对接焊缝的宏观形貌，仔细观察图3.1可以看出，正面焊缝成形比较美观且成形良好，在焊缝中无裂纹、气孔、未融合、咬边和夹杂等缺陷的形成。焊缝表面呈现光亮色，并且形成非常均匀的鱼鳞纹。
图3.1 焊接接头的宏观形貌 图3.2为线切割后焊接接头的截面图，隐约可看出焊缝区域与母材区金属颜色略有不同。经过测量，可得到焊缝深度为9mm，焊缝宽度为9mm，深宽比为1，背面焊根高度1mm。
图3.2 焊接接头的截面图 3.2接头金相组织及转化分析 3.1接头金相组织分析 普通熔焊接头通常由四个区域组成，焊缝区、熔合线、热影响区以及母材。焊接接头截面通过抛光腐蚀后可获得清晰的显微组织照片。图3.3~图3.9是母材、熔合线、焊缝区、热影响区组织图。
图3.3 2205双相不锈钢母材显微组织 图3.4 熔合线金相组织 从图3.3可以看出，在50倍金相显微镜下，2205双相不锈钢母材组织中可以看到，铁素体相上分布着亮色条块状奥氏体相，相比例约为1:1。从图3.4中可以看到，在熔合线两侧的相组织结构有明显的差异。母材中和焊缝非边缘区铁素体相和奥氏体相两相比例相当，各占约百分之五十，而奥氏体的量在熔合线附近明显有所降低。
图3.5 第四层焊缝金相组织图 3.6 第三层焊缝金相组织 图3.7 第二层焊缝金相组织图 3.8 打底层焊缝金相组织 从图3.5~3.8可以清晰看到，2205双相不锈钢多层多道焊接头每个焊层的焊缝中的铁素体相与奥氏体相呈现不同的分布。在打底焊层、第二层填充焊层、第三层填充焊层、第四层填充焊层的焊缝中铁素体相的含量依次增加而奥氏体含量依次减少。仔细观察四个焊层的焊缝金相组织可以分析出，焊缝区奥氏体的形状发生改变，从条块状组织转变成树枝状的结构。如图3.5所示，在第四层填充焊层的焊缝中，铁素体晶界析出了树枝状的奥氏体初生相，含量较少；
第三层填充焊缝在第四层焊接时相当于又经历了一次热循环，焊缝中铁素体含量继续减少且焊缝组织与第四层填充焊缝组织有明显差别，次生树枝状的奥氏体在原来铁素体相内部析出使奥氏体组织在数量上有所增多，如图3.6所示；
同第三层填充层焊缝类似，第二层填充焊缝总共经历了两次焊接热循环，大量的树枝状奥氏体在次生奥氏体相的基础上进一步析出，数量较前两层又多，如图3.7所示。而打底层一共经历三次焊接热环，其产生了最多的奥氏体相，如图3.8所示。
图3.9 第四层焊缝热影响区金相组织图 3.10 第三层焊缝热影响区金相组织 图3.11 第二层焊缝热影响区金相组织图 3.12 打底焊缝热影响区金相组织 从不同焊层的的热影响区金相组织上也可以看出类似的现象，见图3.9~3.12，少量的树枝状初生奥氏体在第四层填充层热影响区中析出。第三层和第二层填充层热影响区和焊缝类似，在初生奥氏体相基础上析出新的树枝状结构的奥氏体，而在打底层热影响区中奥氏体组织的含量达到最多。从图3.5和图3.9对比来看即对比第四层填充焊层焊缝区域及热影响区区域，可以明显看出焊缝位置奥氏体的数量比热影响区奥氏体的数量多许多。由于E2209焊条具有更高含量的奥氏体相稳定元素Ni，焊条金属的熔入使得焊缝中Ni元素的含量高于母材从而促进了奥氏体相在焊缝位置的生成，在经历第一次热循环的过程中，焊缝位置就产生了更多的奥氏体组织。
3.2接头组织转化分析 根据镍、铬当量的经验公式：
Creq=Cr+Mo+1.5Si（%）
Nieq=Ni+0.5Mn+30（N+C）（%）
得母材的铬当量为Creq=22.5+3.25+1.5=27.25%；
焊接材料的铬当量为Creq= 22.10+2.84+1.5x0.9=26.29%；
母材的镍当量Nieq=5+0.5x2+30(0.03+0.17)=12%；
焊接材料的镍当量为Nieq=10+0.5x0.18+30(0.026+0.18)=16.27%；
则母材的铬镍当量比值为[Cr/Ni]eq=27.25/12=2.27；
同样可得焊接材料的铬镍当量比值为[Cr/Ni]eq=26.29/16.27=1.62。
根据图3.13铁-铬-镍三元相图[15]可以分析，在铁素体溶解曲线的温度以上，2205双相不锈钢焊缝金属从液相冷却凝固后都是完全的铁素体相组织，铁素体继续冷却达到一个较低的温度时，一部分铁素体开始转变形成奥氏体从而使组织中共存奥氏体与铁素体相。
图3.13 铁-铬-镍三元相图 由图3.13可以看出，当铬镍当量比值大于2.0时，随[Cr/Ni]eq比值逐渐增大铁素体向奥氏体开始转变温度明显下降，铁素体相区域逐渐变大，到一定程度可能会出现纯铁素体组织。焊条合金元素中存在有较多含量的促进奥氏体化元素镍使该当量值得到减小，使转变曲线向左移。根据3.13图可知，铁素体与奥氏体双相组织在2205双相不锈钢焊缝金属凝固后将会先析出，范围较宽的单相铁素体区则会先形成在熔合线附近的焊接热影响区中，奥氏体相在其冷却到更低的温度后才会逐渐析出。不断连续进行的焊接过程使温度较高的焊接热影响区域在经历了多次的焊接热循环后，奥氏体逐渐在铁素体的边界上析出。就2205双相不锈钢而言，在只进行单道焊条电弧焊焊接的情况下热影响区获得的奥氏体相含量相对较少，如图3.9。但经过后续焊道的施焊所产生的热影响作用，奥氏体相逐渐析出。当经过2～3次焊接过程后，奥氏体相逐渐增加到约50%左右，两相比例基本上与母材相比例相接近，如图3.12。
3.2焊接接头硬度分析 图3.14为2205双相不锈钢焊接接头的显微维氏硬度曲线。
图3.14 焊接接头显微维氏硬度曲线图 从焊接接头显微维氏硬度曲线图可以看出：母材硬度值在253HV左右，与材料供货商给出的硬度值相近。对于热影响区可以明显的看出整体硬度曲线呈下降趋势，即打底层焊缝硬度值最高有285HV，随着向第四层焊层方向移动硬度值逐渐降低至275HV左右。并且热影响区的整体硬度值高于焊缝区和母材，其可能原因是由于热影响区在焊接过程中受热循环的作用，晶粒过度长大变粗、性能变差从而导致硬度值升高；
而另一个原因可能是热影响区靠近母材区和焊缝区的交界区域，从图3.4可以看出其晶粒分布不均匀，组织结构发生明显的变化，这种变化容易在焊接过程中形成焊接残余应力，导致其显微硬度的升高。而在焊缝区，硬度曲线呈先上升后下降的形状，大约在整个焊缝的中部有一个硬度值的极大值278HV，这可能是由于此区域经历多次焊接热循环且温度较高而形成粗大的脆硬σ相，在冷却后具有魏氏体组织特征，从而使得其显微维氏硬度值增加。而在焊缝区的其他区域，其组织形状虽然发生变化但成分中奥氏体和铁素体两相比例仍与母材接近，并且晶粒分布较为均匀，其显微硬度处于270~275HV之间。整体上，焊缝区的硬度值与热影响区一样呈下降趋势，这可能与焊缝区与热影响区中铁素体相含量的多少有关。铁素体组织与纯铁很类似，其含碳量比较低，有良好的塑性和韧性，低的强度和硬度，属于软韧相。焊缝区与热影响区中的铁素体含量从焊缝下表面至上表面逐渐增多，其显微硬度随之降低。
第四章 结论 本课题采用焊条电弧焊对2205双相不锈钢进行多层多道焊接，通过金相制备以及显微维氏硬度测量，对得到的接头显微组织结构和显微维氏硬度值进行分析，研究了多层多道焊下2205双相不锈钢组织的特征以及其对接头性能的影响。
1. 焊接热循环对2205双相不锈钢焊接接头组织成分有显著影响。经过多次的焊接热循环，2205双相不锈钢焊接接头的焊缝区与热影响区中铁素体含量由打底焊层向填充层方向逐渐增多，奥氏体含量逐渐减少。焊缝区的奥氏体含量较热影响区的奥氏体含量多。在经历焊接热过程后，奥氏体组织由原先的条块状转变为针状。对于2205双相不锈钢，多层多道焊可以改善焊接接头性能。
2. 2205双相不锈钢焊接接头组织成分及相比例对硬度有明显影响。随着组织中铁素体相含量的增加，焊缝及热影响区的硬度随之降低。
3. 焊缝区中间区域硬度的升高是否是因为σ相的存在以及组织结构的突变是否会使得接头硬度升高，这还有待进一步研究。
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