2205双相不锈钢激光焊缝组织调控方法研究-赖睿大论文

上海交通大学硕士学位论文

2205双相不锈钢激光焊缝组织调控方法研究

硕士研究生：赖睿

学号：1130509040

导师：蔡艳副教授

申请学位：工学硕士

学科：材料科学与工程

所在单位：材料科学与工程学院

答辩日期：2016年1月

授予学位单位：上海交通大学

Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University

for the Degree of Master

STUDY ON REGULATION OF MICROSTUCTURE IN 2205 DUPLEX STAINLESS STEEL WELD

PROCESSED BY FIBER LASER

Candidate：Lai Rui

Student ID: 1130509040

Supervisor：Prof. Cai

Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Material Science And Engineer

Affiliation：School of Material Science And Engineer

Date of Defence：Jan, 2016

Degree-Conferring-Institution：Shanghai Jiao Tong University

上海交通大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文《2205双相不锈钢激光焊缝组织调控方法研究》，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

日期：年月日

上海交通大学

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本学位论文属于

不保密□。

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学位论文作者签名：指导教师签名：

日期：年月日日期：年月日

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2205双相不锈钢激光焊缝组织调控方法研究

摘要

双相不锈钢优良的性能是靠适当比例的两相组织来保证的。在激光自熔焊快速冷却条件下，焊缝金属极易发生两相比例失调，导致接头机械性能和耐蚀性能显著恶化，从而局限了激光自熔焊在双相不锈钢连接领域的应用。本文探索了改善2205双相不锈钢激光焊焊缝两相比例的方法，分析了焊接热循环和添加元素对焊缝组织的影响能力和作用规律。

首先分析了激光焊离焦量对焊缝组织的影响，建立了高功率激光自熔焊有限元模型，计算了不同离焦量下的焊接温度场，并进行了相应的激光焊接试验。计算和试验结果表明：离焦量对焊接过程温度场、焊缝形态，以及焊缝组织均存在重要影响。采用正离焦量时，焊缝金属中部的奥氏体含量最高（25%）；负离焦量时，焊缝金属下部的奥氏体含量最高（28%）；当离焦量为0时，焊缝金属上、中、下部的奥氏体含量趋于一致。

通过添加镍箔的方法研究了镍元素对2205双相钢激光焊焊缝组织的影响，分析了镍含量对焊缝金属两相比例的作用规律。试验结果表明，镍含量为7-10%时，焊缝金属能够获得接近母材的均匀两相组织，镍元素使熔池凝固模式由铁素体模式转变为奥氏体模式，从而促进奥氏体形成。当镍含量超过12%后，焊缝金属中奥氏体比例迅速增加，反而不利于两相平衡。

通过改变保护气体组分的方法研究了氮元素对2205双相不锈钢激光焊缝组织的影响，探索了氮元素对焊缝金属奥氏体组织的影响规律。研究结果表明，当保护气体中氮含量超过50%后，氮元素通过熔池表面渗入液态金属，随着熔池流动到达焊缝中部，并在凝固过程中

I

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保留在焊缝金属中。熔入焊缝金属的氮元素提升了铁素体-奥氏体转变的温度，促进了奥氏体的形成。采用纯氮气保护时，焊缝金属中的氮含量最高，焊缝中的奥氏体比例达到40%。

对2205激光自熔焊接头进行机械性能测试和耐蚀性测试，结果表明，采用纯氮气保护的光纤激光焊接头具有最优性能，其抗拉强度为756MPa，冲击功为177J，接头点蚀电位与母材十分接近。

对比焊缝组织的不同调控方法，发现采用负离焦，或者添加镍元素和氮元素均有利于改善焊缝金属的两相比例，相对而言，通过保护气体提高焊缝金属氮含量的方法，具有较好效果，并且具有在生产实践中推广的价值。

关键词：双相不锈钢、光纤激光焊接、温度场、化学元素、焊缝组织

II

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STUDY ON REGULATION OF MICROSTUCTURE IN 2205 DUPLEX STAINLESS STEEL WELD

PROCESSED BY FIBER LASER

ABSTRACT

Duplex stainless steel has excellent mechanical and corrosion resistance, which is determined by the appropriate ratio of two phases. Due to the rapid cooling rate during fiber laser welding, weld metal is prone to imbalance two phases, which deteriorate the mechanical and corrosion resistance of the joint, and limit the application of laser welding in duplex stainless steel, so the way to improve two phases ratio of weld metal was studied in this article, including two points: welding heat cycle and austenite forming element.

Firstly, analysis the effect of laser focus position to weld metal, the finite model of high power fiber laser welding was built, so the temperature field was calculated with different laser focus position, and corresponding experiments was token. Results showed that laser focus position was the key of temperature field and weld metal. When laser focus position was higher than the surface of plates, highest austenite content (25%) was found in the center section of weld metal. When laser focus position was lower than the surface of plates, highest austenite content (28%) was found in the bottom section of weld metal. When defocus amount was zero, austenite content of weld metal became more uniform.

Effects of nickel on the microstructure were tested by adding nickel foil to weld, and the mechanism of nickel in the regulation of two phases was studied. Results showed that when nickel content was 7-10% in weld metal, the microstructure of weld was close to base metal, because nickel can alter the weld pool solidification mode from ferrite-mode to

III