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摘 要

本文采用手工电弧焊的方法将304不锈钢和201不锈钢焊接在一起，所使用的焊条分别为A102焊条和A402焊条，共得到2组焊接接头试样。通过观察焊接接头的显微组织和测量焊接接头的显微硬度并进行分析，研究合金元素对不锈钢焊接接头组织和性能的影响。

实验结果显示，使用A102焊条和A402焊条焊接的焊缝微观组织相同，显微观察发现均为铁素体和奥氏体。A102焊接接头的焊缝奥氏体晶粒粗大，铁素体呈蠕虫状分布在奥氏体周围。A402焊接接头的焊缝的显微组织为细小的奥氏体和铁素体。通过计算Cr当量和Ni当量并结合舍夫勒组织图可以估计出A102焊缝和A402焊缝的铁素体含量。

通过显微硬度测试可以得知，两种焊接接头硬度最大的部分均是焊缝中心处，其次是母材和焊缝靠近母材区域，两者相差很小。且A402焊接接头与A102焊接接头同区域相比A402焊接接头硬度更大。

关键词：奥氏体不锈钢；手工电弧焊；显微组织；显微硬度；合金元素

Abstract

In this paper, 304 stainless steel and 201 stainless steel are welded together by manual arc welding. The electrodes used are A102 electrode and A402 electrode. Two groups of welding joint samples are obtained. The effects of alloy elements were studied by observing the microstructure and measuring the microhardness of welded joints.

The results show that the microstructure of the weld joint welded with A102 and A402 electrode are the same, and the microstructure of the weld joint is ferrite and austenite. The austenite grain of A102 welded joint is coarse, and the ferrite is distributed around the austenite in Vermicular form. The microstructure of A402 welded joint is fine austenite and ferrite. The ferrite content of A102 and A402 welds can be estimated by calculating Cr equivalent and Ni equivalent and combining with Schaeffler's organization chart.

Through the microhardness test, we can know that the most hardness part of the two kinds of welded joints is the center of the weld, and the second are the base metal and the weld near the base metal area which has the very little difference. The hardness of A402 welded joint is larger than the hardness of A102 welded joint in the same area.

Key Words：austenitic stainless steel；manual arc welding；microstructure ；microhardness；alloying element

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 手工电弧焊焊接方法 1

1.2.1 手工电弧焊焊接原理 1

1.2.2 手工电弧焊操作要点 2

1.2.3 手工电弧焊的重要参数 2

1.3 不锈钢焊接接头的研究现状 3

1.3.1 不锈钢焊接接头的组织结构 3

1.3.2 不锈钢焊接接头的接头性能 4

1.4 本课题的研究内容、目的及意义 5

第2章 实验材料和实验方法 6

2.1 实验材料 6

2.2 实验方法 7

2.2.1 手工电弧焊焊接 7

2.2.2 显微组织研究 8

2.2.3 显微硬度测试 9

2.3 本章小结 10

第3章 不锈钢焊接接头微观组织分析与讨论 11

3.1 A102焊条焊接接头的微观组织 11

3.2 A402焊条焊接接头的微观组织 13

3.3 合金元素对焊缝组织的影响 16

3.4 本章小结 20

第4章 不锈钢焊接接头的硬度测试分析与讨论 21

4.1 A102焊条焊接接头的硬度测试 21

4.2 A402焊条焊接接头的硬度测试 21

4.3 合金元素对焊接接头硬度的影响 22

4.4 本章小结 23

第5章 结论与展望 24

5.1 结论 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景

不锈钢与传统钢材相比，拥有抗腐蚀性能，使用寿命长，从而常用于食品、建材、汽车、家具等各个行业，201不锈钢和304不锈钢是市面上最常见的不锈钢。201不锈钢和304不锈钢的主要区别是化学成分的不同，201不锈钢用Mn元素代替了Ni和Cr,从而导致其耐腐蚀性不如304钢，但合金元素的不同使得201不锈钢价格低于304不锈钢，可以降低成本。201不锈钢广泛用作建筑装修材料，管道材料，家具装饰等^[1]。304不锈钢在不锈钢中的应用最为广泛，其具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性，而且加工性好，可用于食品加工，医疗器具，建筑材料，厨具用品，管道材料等行业^[2]。因为201不锈钢和304不锈钢在化学成分上有所不同，所以其焊接接头在组织和性能上也会存在差异。

焊接是不锈钢的常用加工方法，在焊接中需要使用焊条。焊接不锈钢有专用的不锈钢焊条，且不同的不锈钢焊条价格差别较大。焊条对不锈钢焊接接头的组织和性能也有影响^[3]。

不锈钢的焊接方法有许多种，如手工电弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、熔化极气体保护焊（GMAW）等，不同的焊接方法也会对焊接接头的组织和性能产生影响^[4]。

焊接接头的质量影响了成品的整体质量。不同的产品对焊接接头的要求也不同。建筑装修材料对不锈钢的焊接接头质量要求较低，而食品加工的不锈钢容器、气体输送管道等对不锈钢的焊接接头要求较高^[5]。为了控制成本、合理利用资源，需要研究不锈钢焊接接头的组织和性能，从而达到绿色生产的目的。

1.2手工电弧焊焊接方法

1.2.1手工电弧焊焊接原理

手工电弧焊是手工操作焊条来焊接工件的焊接方法，其焊接原理为：焊条夹在焊钳上，焊钳与焊接电源相连接。焊条和被焊工件可以看作两个电极，电极之间产生电弧，电弧产生高温，从而熔化金属进行焊接。电弧焊所需要的设备有焊接电源、焊钳、焊条，焊接电源负责提供相应的电弧电压，在通电情况下焊条和工件接触时会产生电弧，让工件和焊条保持合适的距离，电弧就会稳定燃烧并产生大量热量，电弧产生的热量使得焊条以及与焊条相接的被焊金属部分熔化，二者熔化的金属液熔合在一起，从而形成熔池。焊接电弧随着焊条移动，熔池也向前移动，先前已经熔化的金属会在空气中冷却并最终形成焊缝，从而将金属焊接到了一起，达到焊接的目的。手工电弧焊所需设备简单，操作灵活方便，而且可焊接材料范围比较广，但生产效率较低，工作环境差，需要占用大量劳动资源^[6,7]。

1.2.2手工电弧焊操作要点

（1）施焊角度

采用手工电弧焊的方法焊接板材时施焊角度对焊接质量影响很大，焊接时要控制焊条与焊缝的角度，焊条的纵向轴线始终要与熔池正中线保持垂直关系，而焊条倾斜的方向没有要求，按照个人习惯而定，但在生产经验中发现焊条与基准线两者之间的角度必须要低于30%，这样焊接的焊接接头不仅满足质量要求，而且外形美观。

（2）电弧长度

手工电弧焊时可以看到在焊条和焊材之间有着电弧，电弧长度对焊接质量也有不小的影响。而焊条表皮的材料和焊芯直径是影响电弧长度的两个主要方面。采用手工电弧焊焊接时，电弧长度与电弧电压两者之间有着相互制约的关系，其关系为正相关关系。电弧长度过长会导致热量不够集中，使得焊接不够彻底，还会造成“咬边”，即焊缝边缘和母材见产生凹陷。

（3）焊条摆动

在焊接时焊条的摆动对焊接接头的质量也有影响。通过控制焊条摆动可以保持焊缝成分和温度的均匀，从而提高焊接接头的品质。在焊接过程进行若感受到焊接动作顺利流畅可以间接的推测出焊条摆动比较稳定，焊缝的外观和质量都能得到保证。稳定良好的摆动模式不仅可以提高生产效率，还能够提高焊接质量，在手工电弧焊中很重要^[8]。

1.2.3手工电弧焊的重要参数

（1）电弧焊焊接层数

在实际生产中，需要焊接各种厚度的钢材，而当钢材厚度较大，一次无法完全焊接时，就需要进行多层焊接，两种相同材质的钢材焊接对焊接层数的要求不高，但如果是不同材质的钢材相互焊接，比如普通钢和低碳钢进行焊接，则需要严格控制焊接层数以保证焊接接头的质量。一般而言，以3-4.5mm的焊缝层高度为基准，以此来判断焊接接头的实际质量。

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