摘 要

双相不锈钢因为同时具有良好的焊接性、韧性、强度等能力，成为化工、海洋运输等行业所使用的理想材料。其中，2205双相不锈钢的运用最多，占比高达80%，2205不锈钢在现阶段主要应用于焊接领域。然而在焊接过程中，由于保护气种类的影响，会产生相变现象，使接头中两相比例变化很大，从而影响性能。因此，对保护气中添加氮气得到的接头组织与综合性能进行研究，有一定的理论和实际意义。

本文采用AA-TIG焊对2205双相不锈钢进行焊接，通过在保护气中添加氮气，探讨不同成分保护气对2205双相不锈钢焊接接头显微组织和综合性能的影响，再用显微镜来研究焊后接头组织的变化情况，并配合拉伸试验、硬度试验等检测方法来分析保护气中氮添加对焊接接头力学性能的影响，完成了以下工作：

（1）分别在三罐成分不同的保护气下进行了焊接。经观察，所得试样成形良好。

（2金相实验。抛光腐蚀之后观察到焊缝的显微组织都是由铁素体和奥氏体组成的；比较之后可以看出氮气的添加对接头中奥氏体含量的增加效果明显，奥氏体与铁素体比例将近1:1。

（3）拉伸实验。保护气中氮气的添加会明显影响试样的力学性能，接头抗拉强度相比于只添加氧气的试样有所提高。

（4）硬度试验。焊接区硬度高于母材，且以热影响区硬度值最大。

关键词: 2205双相不锈钢 焊接 氮添加 拉伸性能 硬度

Effect of nitrogen addition in protective gas of large melting deep TIG welding on mechanical properties of duplex stainless steel joint

Abstract

Because of its good weldability, toughness and strength, duplex stainless steel has become an ideal material for chemical and marine transportation industries. 2205 stainless steel is mainly used in the welding field at this stage. However, during the welding process, due to the influence of the type of shielding gas, a phase change phenomenon occurs, which causes the two ratios in the joint to vary greatly, thereby affecting performance. Therefore, it is of theoretical and practical significance to study the joint structure and comprehensive performance of adding nitrogen to the shielding gas.

In this article, the welding way is AA-TIG welding. The effect of different protective gases on the microstructure and comprehensive properties of 2205 duplex stainless steel welded joints was investigated by adding nitrogen to the shielding gas. The change of joint structure, combined with the tensile test, hardness test and other detection methods to analyze the effect of nitrogen addition in the protective gas on the mechanical properties of the welded joint, completed the following work:

(1) under three different tanks of different protective gas Welding was carried out. The obtained sample was observed to be well formed.

(2 metallographic experiment. After comparison, it can find that the participation of nitrogen has an large effect on the raise of austenite content in the joint. The ratio of austenite to ferrite is nearly 1:1.

(3) Tensile test. The addition of nitrogen in the shielding gas significantly affects the mechanical properties of the specimen, and the tensile strength of the joint is improved compared to the sample in which only oxygen is added.

(4) Hardness test. The weld zone’ hardness is higher than the base metal’ hardness, and the largest hardness value exist at the heat affected zone .

Keywords：2205 duplex stainless steel; welding; nitrogen addition; tensile properties; hardness

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 关于TIG焊接 2

1.2.2 关于在保护气中添加氮气的研究 3

1.3．双相不锈钢接头力学性能 4

1.4 本文主要研究内容及研究方法 5

1.4.1主要研究内容 5

1.4.2 研究方法 5

第二章 实验过程及研究方法 7

2.1 引言 7

2.2 实验材料 7

2.3焊接工艺 7

2.3.1 TIG焊实验设备 7

2.3.2 保护气体 8

2.3.3 焊前准备 8

2.3.4 焊接工艺参数设定 9

2.4 性能测试 9

2.4.1拉伸实验 9

2.4.2金相实验 10

2.4.3硬度实验 11

第三章 保护气成分对焊缝组织的影响 12

3.1 引言 12

3.2 双相不锈钢焊接成型性分析 12

3.3 不同保护气对焊缝形状的影响 13

3.4 2205不锈钢显微组织分析 16

3.5 保护气成分对焊缝区相比例的影响 17

3.6 本章小结 17

第四章 保护气成分对接头处抗拉强度和硬度的影响 19

4.1 引言 19

4.2 焊接接头拉伸性能分析 19

4.3 拉伸试样断口形貌分析 20

4.4 焊接接头的硬度分析 21

4.5 经济性分析 22

4.6 本章小结 23

第五章 结论 24

参考文献 25

致谢 28

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

不锈钢（Stainless Steel）是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢^[1]。而所谓的双相不锈钢（Duplex Stainless Steel），就是铁素体-奥氏体双相不锈钢^[2]。双相不锈钢的相对组成主要取决于其中化学元素的含量，其相对组成百分之三十到百分之七十为铁素体、百分之七十到百分之三十为奥氏体^[3]。双相不锈钢的发展经历了很长的过程，现如今国内国外前后研发了一系列新型双相不锈钢，且数多牌号已在生产实践中应用^[4]，双相不锈钢在设计、制造和加工等各个方面都已发展得相当成熟^[5]。2205双相不锈钢是现今被使用最广的一种不锈钢，与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高^[6]。但是，双相不锈钢在焊接过程中也存在着很多问题，就以2205不锈钢来说，含铬高会引起δ相脆化现象^[7]。当δ/γ适当时，冷裂纹敏感性也较低，但双相不锈钢中毕竟含有较高的δ相，当拘束度较大及焊缝金属含氢量较高时，还存在着氢致裂纹的危险^[8]。在一定的应力条件下，焊接接头会发生应力腐蚀开裂^[9]。并且，由于受冷却速度的影响，同样的含氮量在冷却速度不同的条件下点蚀电位相差很大，由此可见，含氮量较低的双相不锈钢的点蚀电位对冷却速度很敏感，在焊接含氮量较低的双相不锈钢时对冷却速度的控制要求更严，否则产生点蚀，危害巨大^[10]。

双相不锈钢是与奥氏体、铁素体、马氏体不锈钢齐名的不锈钢钢种。它已经有80多年的发展历史，从上世纪30年代第一次发现双相组织开始，这种材料的发展经历了三个重大阶段^[11]。现今运用的不锈钢属于第三代双相不锈钢。它最大特征就是含碳量很低，并且组织中钼和氮含量进一步上升，使得这代双相不锈钢的耐点蚀抗当量值超过40^[12]，所以第三代双相不锈钢具有更优的抗点蚀和缝隙腐蚀能力。

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