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1、毕业设计（论文）外文翻译专 业 名 称 焊接技术与工程 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 方 平 （教授） 填 表 日 期 2010 年 4 月 28 日硫和氧对高纯奥氏体不锈钢焊接熔深的影响D.K.艾敦 S.A马丁摘要：在焊接过程中对流取决于表面张力梯度（d/dT，马兰哥尼流动）、浮力、电弧吹力、电磁力、保护气体以及熔融金属粘度。马兰哥尼流动和浮力驱动是控制有色金属焊接熔深的主要因素，特别是奥氏体不锈钢，如：304（0Cr18Ni9）和316（0Cr17Ni12Mo2）。表面活性剂浓度微小的变化，如：硫和氧，会造成焊接熔深和熔合区深宽比的显著变化。采用纯氩或氩和氧混合气体作为保
2、护气体，TIG焊作为热源，分别对含硫量高和低的304和316奥氏体不锈钢进行焊接。此外，采用纯氩进行保护、激光束作为热源对304和316不锈钢进行焊接。结果表明：采用纯氩保护，钨极氩弧焊作为热源时，硫含量的增加，熔合区的深宽比减小，而采用激光束对304进行焊接时，结果正好相反。TIG焊316和激光焊316时，硫的增加会导致熔合区深宽比增加。钨极氩弧焊304和316时，氧会增加熔合区深宽比。关键词：TIG焊;保护气体;不锈钢304;不锈钢306;焊接1 前言在实际生产过程中经常选用熔滴连续过度且全熔透的自动TIG焊来对不锈钢进行焊接。有时，某些满足材料规格的不锈钢，如304和316奥氏体不锈钢，
3、采用相同的焊接规范会产生不同的焊接熔深和几何形状。在不锈钢焊接过程中某些元素微小的变化可以产生较大的差异，这些内容和原理所载（编号1-11）。这些元素可以分为三类：表面活性元素，表面活性反应强烈的元素，那些对熔融金属表面张力影响显著的元素。 表面活性分子（表面活性剂）如氧和硫，当其含量发生很小的变化时，就会导致不锈钢表面张力（）和表面张力梯度（d/dT）很大的变化。这取决于表面张力梯度d/dT，流体的流动方向向内是时，焊缝的深宽比增加，当流体的流动方向向外时，焊缝的深宽比减小。不过，除了马兰哥尼流动，水溶性表面活性元素、系统的熵、电磁力（洛伦兹力）、引力等的改变，都对不锈钢焊缝熔深有较大的影响
4、。本实验通过氧和硫对高纯度的304和316奥氏体不锈钢焊接过程中焊缝熔深的影响进行了深入的研究。2 评论困难之一，奥氏体不锈钢焊接过程中，采用相同的焊接参数和材料进行焊接时，会产生不同的或相反的焊接熔深。产生这种结果的原因是，由于成分微量的变化，以及熔融熔池流动微量的差别造成的。Heiple和Roper提出了该理论（参考1），驱动熔池熔融金属对流流动的主要因素是表面张力梯度。液体表面张力取决于温度梯度，因此，从焊接熔池中心到熔融区这段距离，具有径向温度梯度。电极尖端下的温度最高，在固液界面处的温度最低。表面张力梯度（d/dT）是由对温度的表面张力和温度梯度所组成的。表面张力梯度引起的熔池流动方
5、向取决于梯度正负。大多数纯金属，当表面梯度为负值时，熔池熔融金属流动方向向外如图1（a）。相反，如果表面张力梯度值为正值是，流动方向向内如图1（b），且增加了焊缝的深宽比。图 1 熔焊熔池流动模式。（a）表面张力梯度为负值；（b）表面张力梯度为正值焊接方向这些被认为是由于表面活性因素(表面活性剂)硫，氧（参考2-4），硒和碲（参考4）造成的。Takeuchi等人（参11）表示，铋是奥氏体不锈钢表面活性剂。随着热输入量的增加，鉍导致表面张力梯度为正值，而且表面张力也将增加。其他表面活性剂也将影响到流动的相互作用，如：铝、硅、锰（参考2、3），钙（参考2，5）。资料表明（参考1-8），增加硫的含量
6、熔融金属将向内流动，从而导致更深的焊接熔深。Walsh和Savage（参考8）推测，由于在熔池中形成的FeS，它具有比纯金属更低的表面张力。Mills和Keene（参考2）推断，硫在焊接熔池中（会导致表面张力梯度由负变为正）。304型奥氏体不锈钢的最佳含硫量为0.0100.015%，此时焊缝熔深正常且具有好的热加工性。Dyson（参考9）确定了在1600oC 硫对铁表面张力的影响，如图：2所示。Mills等人（参考10）确定了硫和表面张力梯度的关系如图3所示：从图3的数据可以看出，硫与其它元素的相互作用受温度影响。图.2 在1600oC 硫对铁表面张力的影响 表面张力硫含量，Wt-% 图.3
7、304和316不锈钢的含硫量与表面张力梯度的关系根据Heiple和Roper（参考1）和Shahab等人（参考4）研究发现，表面活性元素氧对表面张力梯度的影响比硫略低。氧对其的影响，可以采用除氧剂对其减弱，如铝、硅、锰、钙等。前三种除氧剂被304和316不锈钢经常用到。铝不是表面活性剂，因此不会对表面张力梯度d/dT造成直接的影响，但会造成间接地影响，氧不能直接影响表面张力梯度d/dT，而是与合金发生反应，实际结果是铝减小了表面张力梯度（参考1-3）。Pollard（参考3）表示，通过添加少量Si，可以减小焊缝熔融金属的粘度从而增加焊缝熔深。据推测，当Si和Mn的含量占合金总量的0.5%以上时
8、，氧与Si或Mn发生反应，形成MnSiO3（参考1，2）。这些物质将浮到熔池表面，并对电弧特性起到有益的作用，增加热输入量（参考2）并能增加焊接熔深。钙会和熔池中游离的氧和硫进行反应，从而减小焊缝熔深（参考5）。据Mills（参考2）的研究结果可知，小于10ppm的钙就会减少氧和硫的含量，以至于使表面张力梯度d/dT为负值，且使焊缝熔深减小。3 实验过程这个实验采用五种不同的奥氏体不锈钢进行焊接。这些缩写LS、HS、C分别代表低硫、高硫和经常采用的奥氏体不锈钢。其化学成分如表1所示:表1 奥氏体不锈钢的化学成分（wt%）型号/厚度 C Si Mn P S Cr Ni Mo Creq/Nieq(
9、a)304LS/3mm 0.1 0.6 1.1 0.03 0.003 18.09 8.45 - 1.76304HS/3mm 0.1 0.4 0.9 0.02 0.008 18.29 8.40 - 1.78304C/3mm 0.1 1.0 2.0 0.05 0.030 18.20 8.12 - 1.53316LS/2mm 0.1 0.5 0.8 0.02 0.001 17.58 11.74 2.07 1.50316HS/2mm 0.1 0.5 0.8 0.03 0.006 17.55 11.83 2.25 1.46(a) Creq, %Cr + %Mo + 1.5 x %Si + 0.5 x %
10、Nb; Nieq, %Ni + 30 x %C + 0.5 x %Mn图.4 堆焊形态及焊接方向采用TIG焊和激光焊接工艺对五种不锈钢进行堆焊研究，得到合适的焊缝深宽比。采用两种不同气体（纯氩和99%Ar1%O2）对其进行保护，来确定表面活性剂（氧）对熔池熔融金属的影响。所有的堆焊焊缝形态及焊接方向如图4所示：TIG焊和激光焊的焊接工艺参数分别如表2和表3所示；研究者采用数字图像处理系统对焊缝熔合区的深度和宽度进行了测量，测量误差近似于0.025mm。表2 TIG堆焊焊接工艺参数参数 数值电流，A 120电压，V 14焊接速度，cm/min 37(304) 50(316)保护气体 纯氩和99%
11、Ar1%O2气体流量，cm3/min 450电弧长度，cm 0.1钨极伸出长度，cm 0.2钨极类型/尺寸 钍钨极/0.15cm极性 直流正接表3 激光焊堆焊焊接参数参数 数值激光器类型 CO2能量，W 1125负载持续率，% 100焊接速度，cm/min 90(304) 337(316)保护气体 纯氩气体压力,MPa 0.28镜头焦距,cm 6.2透镜直径,cm 2.7焦点位置，cm 0.0喷嘴直径，cm 0.7此外，采用TIG焊对相同和不同的不锈钢进行对焊，焊接试板如表4所示：采用的焊接工艺如表5所示；该夹具用于对接焊缝，如图5所示：试板的结构及装夹尺寸如图6所示：表4 TIG焊对接直焊缝
12、试板1 试板2304LS 304LS304HS 304HS304C 304C304LS 304HS304LS 304C304HS 304C316LS 316LS316HS 316LS 316LS 316HS表5 TIG焊对接工艺参数参数 数值电流，A 120电压，V 14焊接速度，cm /min 37保护气体 纯氩气体流量，cm3/min 450电弧长度，cm 0.1电极伸出长度，cm 0.2电极类型/尺寸 钍钨极/0.15cm电流极性 直流正接 图 5 TIG焊对接夹具引弧板TIG 焊图6 TIG焊对接试板布局图 4 结果与讨论分别采用不同的TIG焊工艺对3种304和2种316奥氏体不锈钢进
13、行焊接，两组堆焊焊缝形式如图，图7展示了采用纯氩进行保护的304不锈钢横截面图，图8展示了采用99%Ar和1%O2时的横截面。图9和图10分别显示316不锈钢焊接时，硫和氧对焊缝熔深的影响。表6显示了硫和氧对304和316焊缝熔合区的深宽比的影响。图.7 使用氩气保护TIG堆焊焊缝 （a）304 LS, (b) 304HS, (c) 304C 图.8 使用99%Ar%1O2保护TIG堆焊 （a）304LS,（b）304HS（c）304C图.9 316LS钨极氩弧焊堆焊焊缝 (a) 氩气保护 (b) 99%氩气1%氧气保护 图.10 316HS钨极氩弧焊堆焊焊缝 (a) 氩气保护 (b) 99%
14、氩气1%氧气保护表6 堆焊焊缝熔合区深宽比材料 TIG焊 TIG焊 激光焊 D/W（Ar） D/W（99%Ar-1%O2） D/W（Ar）304LS 0.249 0.392 1.35304HS 0.246 0.565 1.44304C 0.202 0.368 1.52316LS 0.259 0.317 1.45316HS 0.270 焊透 2.05GTAW，钨极氩弧焊； LBW，激光焊对316不锈钢焊接结果显示，高的含硫量和含氧量会导致焊缝熔合区的深宽比增加。这些数据和以前发表的著作相同(编号1-8)。然而，304不锈钢硫对深宽比的影响和预期并不相同。因此认为，304C不锈钢焊接时，Si和Mn
15、的含量是造成焊缝熔合区深宽比较低的因素。通过增加氧的含量，304不锈钢焊接时，深宽比增加，但304C不锈钢低的深宽比依然是受高的硅锰含量影响的。这个结果和以前的研究结果也相同。从表6可以看出，激光焊316奥氏体不锈钢时，关于焊缝熔合区深宽比的结果是相同的，但是和TIG焊304不锈钢相比焊缝熔合区深宽比的结果是不同的。在这种情况下，304不锈钢硫的含量增加焊缝熔合区的深宽比也增加。虽然激光焊缝没有进行化学分析，可以想象由于激光焊的孔蚀现象，Mn和Si在熔池中发生气化，改变了熔合区的Mn和Si的含量。激光焊304和316焊缝微观图分别如图11和图12所示：图.11 氩气保护激光束堆焊焊缝 (a)
16、304LS (b) 304HS (c) 304C图.12 使用氩气保护激光束堆焊焊缝 (a) 316LS，(b) 316HS根据这些实验可知，氧的含量对焊缝熔深的影响比硫对其产生的影响更大。这和以前的研究是相反的。应当指出的是，在焊接过程中影响焊缝溶深的因素是可溶性氧和硫的含量，而不是这些元素的总量。此外，采用99%Ar1%O2保护TIG焊比采用纯氩保护TIG时，焊缝的深宽比大。图13展示了304奥氏体不锈钢TIG对焊时的焊缝横截面图，图14展示了316奥氏体不锈钢TIG对焊时焊缝的横截面图。根据图13 (a)和(c)可知，由于304不锈钢的含硫量不同，造成了毛细作用和热毛细作用，导致焊缝形成
17、了一个非轴对称的焊接熔池(参考2)，然而，以316不锈钢为例，如图14所示：高的含硫量对其影响是相反的。通过对图14的研究发现，这个结果是合理的，高的焊缝深宽比发生在316奥氏体不锈钢含硫量高的一侧而不是含硫量低的一侧。图.13 采用氩气保护的TIG对焊焊缝 (a) 304HS/304LS (b) 304LS/304C (c) 304C/304HS图.14 采用氩气保护的TIG对焊焊缝 图 13 采用氩气保护的TIG对焊焊缝（a）304HS/304LS（b）304LS/304C（c）304C/304HS上述数据及实验结果同时确定了表面活性剂对焊缝熔深的影响。然而，成分微小的变化、焊接工艺、焊接参数、保护气体的改变都是影响焊接熔深的主要因素，特别是0Cr18Ni9和0Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢。
