洛阳理工学院毕业设计（论文）
以发现析出相主要含有Ni、Cr、C、Fe等元素，其中C元素的能谱分析结果可能有所偏差，但是可以证明C元素的存在。原始焊条中C元素很低，由于Cr具有很强的碳化物生成趋势，仍有可能生成少量的碳化物析出相。焊接过程中熔池凝固速度很快，这种非平衡的结晶条件下一方面形成了柱状晶，另一方面由凝固结晶时合金元素偏析在晶间形成了大量的析出相。
表3-2析出相成分分析结果
Element C O Nb Cr Fe Ni Matrix
wt.% 06.94 01.34 08.78 12.25 19.08 51.61 Correction
at.% 26.11 03.79 04.27 10.65 15.44 39.74 ZAF
通过对试验方案的说明可知，对于本试验中采用的厚度为23mm的9Ni钢板材焊接，必须通过多道焊接才能实现，这样就必然会存在不同焊道之间的交界。图3-6所示为不同焊道交界处的微观组织照片，从图中可以清晰地分辨出不同焊道的交界面，这主要是由于不同次焊道的晶粒尺寸和偏析的程度有显著不同，从而整体呈现出不同的颜色。通过图3-6-b)所示的交界面处局部放大组织照片能够发现，颜色较浅的焊道焊缝的析出物无论是尺寸还是数量都有所增加，分析其本质原因，可以从冶金和温度两个角度解释该问题，从焊接冶金角度说，最原始第一道焊缝直接与母材接触，下一道焊缝焊缝与前一道焊缝接触，这样在熔合线附近的元素互扩散有所不同；从焊接温度角度来说，第一道焊接时母材的温度为室温，第二道焊缝焊接时相当于经历了第一道焊缝的预热效果，这样整个焊缝的凝固过程明显有差异，最终体现在微观组织上就是晶粒尺寸和析出相有所差异。正是基于此点考虑，为了尽量避免多道次焊接带来的性能差异，实际试验焊接过程中要求层间温度小于150℃，减少多道焊的不同焊道性能差异。
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a)宏观形貌 b)交界面局部放大
图3-6焊缝内焊道交接处微观组织
3.4工艺参数对界面结构的影响
在9Ni钢焊接接头的典型界面结构确定以后，系统研究工艺参数对界面结构的影响是实现工艺优化设计的基本保证。对于焊条电弧焊而言，在焊条种类和多道焊焊接次序都已选定的情况下，对界面结构影响最主要的工艺参数就是焊接电流和焊接速度。
3.4.1焊接电流的影响
对于9Ni钢的焊条电弧焊，焊接电流是最主要的工艺参数之一，对接头界面结构的影响最为显著，在焊接速度不变的条件下，采用较小的焊接电流时热输入较小，此时的热影响区尺寸小于大电流时的热影响区，热影响区整体的晶粒尺寸也相对大电流时有所减小，采用不同的焊接电流所获得9Ni钢焊条电弧焊接头焊缝的界面结构如图3-7所示，可以看出，随着焊接电流的提高，接头的界面组织呈现规律性的变化，由于冷却过程中温度梯度的作用，采用不同电流时均形成了明显的枝晶状组织，采用小电流时枝晶尺寸相对较大，这是由于小电流时熔池整体温度较低，熔池冷却过程中的过冷度较小，此时形核驱动力不足，在这种缺少形核中心的情况下枝晶尺寸较大，另外位于枝晶间的析出物相明显减少，这都是由接头的焊接热输入决定的。
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a)73A b)90A
图3-7焊接电流对界面结构的影响
3.4.2焊接速度的影响
焊接速度对9Ni钢焊接接头微观组织的影响本质上也是由于对焊接热输入具有不同的影响，采用不同焊接速度的焊接接头组织如图3-8所示，当采用较低的焊接速度时，此时接头的热输入较大，同时较慢的焊接速度也相当于焊后冷速的降低，这些都导致了焊后马氏体组织长大不明显。
a)7.8 cm/min b)10.2 cm/min
图3-8焊接速度对界面结构的影响
3.5接头力学性能分析
在接头的典型界面结构确定以后，系统研究接头的综合力学性能是9Ni钢实际应用的基本保证。对于9Ni钢的具体应用而言，需要重点考核的性能指标包括抗拉强度、冲击性能和弯曲性能，需进行相应的断口分析。
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3.5.1强度测试结果
9Ni钢储罐实际生产过程中具有各种位置的焊接需求，因此有必要研究不同焊接位置对接头抗拉强度的影响，以保证接头的使用性能。图3-9所示为采用不同焊接位置时接头的抗拉强度，可以发现不同焊接位置9Ni钢焊条电弧焊强度基本相当，几种焊接位置的强度分布在730~740MPa之间，平焊时强度最高值达到739MPa，9Ni钢母材的抗拉强度允许范围在690~825MPa之间，所以试验焊接强度与9Ni钢母材强度基本相当，多种焊接位置时的焊接质量均可以满足使用要求。
图3-9不同焊接位置的9Ni钢焊条电弧焊接头抗拉强度
接头的抗弯性能也是一个重要的性能参数，不同焊接位置时接头的弯曲测试结果如表3-3所示，从数据中可以发现，虽然焊接位置对接头抗拉强度影响不大，但是焊接位置对接头的弯曲性能有明显的影响，在达到120o的弯曲角度以后，平焊接头的弯曲性能最好，接头没有出现任何裂纹；横焊和立焊接头大部分发生了断裂，没有断裂的试样也都出现了裂纹，说明横焊和立焊接头弯曲性能与平焊接头差距明显。分析其原因，主要是由于横焊和立焊时，焊缝内生成了大量的脆性相，导致接头塑性较差。
表3-3 9Ni钢焊条电弧焊弯曲测试结果
试样编号 1 2 3 4
弯芯直径mm 弯曲直径 40 40 40 40
120 120 120 120
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平焊 完好 完好 完好 完好
横焊 5mm裂纹 断裂 断裂 断裂
立焊 断裂 断裂 7mm裂纹
断裂
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为了准确评价接头的机械性能，选取焊接接头典型区域进行了硬度分布测试，不同焊接位置的接头硬度分布测试结果如图3-10所示，对于平焊接头，此时两侧焊接热影响区硬度相比于母材明显升高，这与热影响区内大量的马氏体生成是密切相关的，焊缝内硬度低于热影响区，但是硬度仍高于母材；对于横焊接头，热影响区和焊缝硬度都高于母材，尤其是焊缝硬度数值普遍在400以上，这说明在焊缝内存在大量的脆硬相析出，最终导致焊缝强度高于热影响区；对于立焊接头，两侧热影响区硬度有差异，这与焊件几何尺寸较大，由多层多道焊来完成，此时一侧热影响区内生成大量的马氏体组织，导致其硬度最大值超过500。对比发现，横焊和立焊时接头热影响区和焊缝硬度普遍大于平焊时，这也是横焊和立焊接头弯曲性能不如平焊接头的主要原因。
a)平焊
b)横焊 c)立焊
图3-10不同焊接位置时接头的硬度分布
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