气体加氮法灵活调控不锈钢焊缝凝固模式和相比例的机理研究

As ideal clean energy, the application of LNG will be soon meet the vigorous development age. Many of the LNG equipment are made by stainless steel, due to the erosion of medium and extremely low service temperature, the requirement weld quality is very high, so precise control of the weld microstructure and solidification process is necessary. The Nitrogen is a kind of strong austenitizing element, minor N element could change the solidification process and the phase ratio of the weld, and therefore obtain a balance between the content of the ferrite and the hot-crack sensitivity. In the present project, transferring the N element to the weld pool by the shielding gas was proposed to control the microstructure and properties of stainless steel weld agilely. The main study items including the effect of N on the solidification of weld pool and the microstructure, the forming and control of nitrides, the modification of the phase diagram and the Ni equivalent formula, the effect of N on the weld properties and the optimization of welding parameters. This study will provide theoretical foundation of this method to application in industrial.

作为理想的清洁能源，液化天然气（LNG）的应用即将迎来蓬勃的发展。LNG生产设备有相当一部分由不锈钢制成，由于介质的腐蚀和极低的服役环境，对焊接质量要求非常苛刻，因此需要对焊缝微观组织和凝固过程进行精确调控。N元素是一种强奥氏体化元素，微量N元素就可以显著改变熔池的凝固模式和相比例，从而有效地控制焊缝铁素体含量和焊接抗裂性能。焊接加N的传统方法是在焊材冶炼过程或焊丝药粉中添加氮化物实现的，该方法不够灵活而且难以满足不同母材的需要。本课题提出通过保护气中加入N2的方法将N元素过渡到焊缝中，从而对不锈钢焊缝组织和性能进行灵活的调控。重点研究气体加N法对不锈钢焊缝凝固模式和组织转变的作用机理，氮化物的形成及控制方法，不锈钢焊接相组分图和Ni当量公式的修正，气体加N对焊缝综合性能的影响及焊接工艺优化等问题。为气体加N法灵活调控不锈钢焊缝组织和性能的工程应用提供坚实的理论基础。

奥氏体不锈钢的凝固模式和微观组织会显著影响其性能，N元素作为一种强奥氏体化元素，微量添加就可以显著改变熔池的凝固模式和相比例。本项目研究通过向焊接保护气中添加氮气的方法来灵活调控焊缝组织的相比例和耐腐蚀性能。具体研究内容与结果如下：（1）自研了两套Ar-N2气体混合装置，包括：多种焊接保护气同轴快速混合装置和Ar+N2两种气体精密混合配比设备，两套装置均能满足稳定、均匀混气的目的，所配比的气体精度满足焊接要求。（2）对于气体加氮法调控不锈钢焊缝凝固机理进行了系统了研究，发现对于奥氏体不锈钢多层多道焊而言，实测FN要低于WRC-1992预测值，WRC-1992不适用于多层多道焊接预测FN。（3）研究了保护气中添加N2对双相不锈钢GTAW和FCAW多层多道焊接头组织和性能的影响。结果发现：保护气中添加3%N2可以有效抑制双相不锈钢GTAW多层多道焊缝中的二次奥氏体形成，降低反复热循环对熔覆金属耐晶间腐蚀性能的不利影响。但是保护气中的N2添加对双相不锈钢FCAW多层多道焊缝的组织和性能并没有明显作用（4）在304L不锈钢GTAW多层多道焊接过程当中发现，过大的N2百分比会使凝固模式转变为AF甚至是A模式，并导致焊接热裂纹的出现，采用本研究提出的动态调整保护气中的N2含量的方法可以有效解决这一问题。（5）建立了304LGTAW焊接接头的神经网络预测模型。（6）提出了适用于308L不锈钢GMAW熔覆金属N含量与FN间关系式。（7）对304L奥氏体不锈钢性能研究发现，通过向保护气中添加一定量的N2，可以有效提高耐点蚀性能和疲劳性能。