奥氏体不锈钢与珠光体耐热钢异种钢焊接的碳迁移研究

论文摘要

珠光体耐热钢常被用于制造锅炉及汽轮机等在350～550℃高温下工作的设备,很多管道等外部组件是采用奥氏体不锈钢制造,因此就不可避免地涉及到两种不同种类钢材的焊接性问题。实践表明,由这两类钢组成的焊接接头在焊接和随后的高温服役过程中,碳元素常从耐热钢一侧越过焊接熔合界面向不锈钢一侧发生扩散,形成碳的扩散迁移。在耐热钢一侧由于脱碳造成软化区,而在不锈钢一侧造成硬化区,在高温热疲劳载荷下会使焊接接头断裂,影响生产安全。本文针对不锈钢和耐热钢焊缝两侧的金属和焊缝的合金成分,当其有明显差别时熔合区会形成碳迁移层。利用电子显微镜对真实的焊接熔合区两侧进行微区成分分析,找出增碳层与脱碳层的具体位置关系并说明垂直于熔合线区域的组织变化规律。根据测定的碳和合金元素化学成分,计算焊缝的原始化学位梯度,并在理论上对不锈钢和耐热钢异种钢焊接碳迁移过程进行定量分析。利用热力学菲克定律将碳元素的实际浓度转换为有效浓度并对扩散过程进行计算,推导出不锈钢与耐热钢异种钢焊接碳扩散理论公式。配制新型实验焊条并在垂直与熔合线区域进行成分分析,根据碳扩散理论公式绘制理论曲线并与实际碳扩散曲线进行对比。进一步验证C、Cr、Mo、Ni这四种元素对不锈钢与耐热钢异种钢焊接碳扩散的影响。实验试图对这种碳迁移的现象进行定量的解释,并将这些结果用于焊接材料的研制和焊接工艺的制订当中。结果表明:奥氏体不锈钢与珠光体耐热钢在进行异种钢焊接时的确存在碳迁移层(增碳层和脱碳层),脱碳层位于熔合区靠近耐热钢一侧且紧贴增碳层。根据有效碳浓度所推导的理论曲线与实测曲线趋势基本相同,可较为准确的模拟出碳迁移层的最大含碳量与最小含碳量。配制的实验型耐热钢焊条和实验型不锈钢焊条再次证明了理论公式的准确性,并通过金相图片和显微硬度观测出Cr元素是影响不锈钢与耐热钢异种钢焊接碳扩散的主要因素,C、Ni和Mo的影响次之。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 异种钢焊接国内外研究现状及意义
• 1.1.1 异种钢焊接的实践应用
• 1.1.2 异种钢焊接的意义
• 1.1.3 异种钢焊接的焊接力学性能
• 1.2 异种钢焊接工艺与难点
• 1.2.1 异种钢焊接的焊接方法
• 1.2.2 异种钢焊接的难点
• 1.2.3 获得优质异种焊接接头的工艺措施
• 1.3 异种钢焊接碳迁移的产生与应力影响
• 1.3.1 奥氏体钢与珠光体钢的碳迁移
• 1.3.2 奥氏体钢与珠光体钢的热应力
• 1.3.3 异种钢焊接接头的界面应力
• 1.3.4 奥氏体钢与珠光体钢异种焊接接头的热强性
• 1.4 课题研究方案流程及创新点
• 1.4.1 课题研究方案
• 1.4.2 课题研究的具体流程
• 1.4.3 课题研究创新点
• 1.4.4 课题研究难点和试行解决方法
• 第二章 不锈钢与耐热钢的碳扩散现象分析
• 2.1 实验材料及方法
• 2.2 实验结果与分析
• 2.2.1 耐热钢与不锈钢异种钢焊接熔合区的碳迁移现象
• 2.2.2 碳迁移中增碳层与脱碳层的具体位置分析
• 2.3 熔合区垂直与碳迁移层的组织分析
• 第三章 碳扩散的计算
• 3.1 上坡扩散的证明
• 3.2 用动力学解释碳迁移现象
• 3.3 奥氏体不锈钢和珠光体耐热钢碳扩散的计算
• 3.3.1 用菲克第二定律来初步计算碳迁移公式
• 3.3.2 用菲克定律来进一步计算碳迁移公式
• 3.3.3 根据所得公式绘制碳迁移曲线
• 3.3.4 时效100h后计算碳扩散公式
• 第四章 新型实验焊条的研究
• 4.1 实验焊条的配制
• 4.2 通过新型实验焊条来证明理论公式的准确性
• 4.2.1 新型耐热钢实验焊条
• 4.2.2 新型不锈钢实验焊条
• 4.3 新型实验焊条的金相组织分析
• 4.4 新型实验焊条的显微硬度分析
• 第五章 结论
• 参考文献
• 附录A 实验焊条理论与实测碳含量表
• 在学研究成果
• 致谢