毕业设计开题报告
论文题目：高氮奥氏体钢多元气体保护CMT焊接工艺研究
课题背景及意义
高氮奥氏体不锈钢是近年来发展极为迅速的一种新型钢种，一般而言,在铁素体钢中氮的质量分数超过0.08%,在奥氏体钢中加入的氮的质量分数超过0. 4%,就称这类钢为高氮钢[1]。也有学者认为达到使用性能的钢中的氮含量就视为高 [2]。在1898 年的国际会议上国际学者Speidel[3]定义了高氮钢中的氮含量，其定义是，奥氏体不锈钢氮含量不低于 0.4%,高氮奥氏体不锈钢主要是利用氮元素来部分甚至完全代替合金元素镍以获得单相奥氏体组织。可根据不锈钢组织的不同将其分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和双相不锈钢[4-5]利用氮进行合金化具有以下优点:①与碳相比,氮为更加有效的固溶强化元素,同时可以促进晶粒细化;②氮是强烈的奥氏体化形成元素,可以减少合金中的镍含量,降低铁素体和形变马氏体形成能力;③尽管氮对材料在酸中抗总体腐蚀性能没有明显改善,但可以极大地提高材料抗点蚀和缝隙腐蚀能力。与以往将镍元素作为主要奥氏体化元素的传统不锈钢所不同的是，它以氮元素使组织奥氏体化，将价格低廉的的氮元素作为昂贵的镍元素的替代品[6]。该新型钢种拥有着许多优秀的特质[7]，比如加工韧性好、抗腐蚀性很强、生物相容性好、高应变速率之下可明显提高强度，抗冲击性能也明显高于传统不锈钢，在军工、交通、电力、海工方面应用十分广泛。
CMT焊接全称冷金属过渡技术,是一种全新的熔化气体保护焊工艺。与传统的熔化极气体保护焊相比较它拥有许多的优势.第一，送丝监控与过程控制的统一,CMT技术第一次将送丝与焊接过程控制直接地联系起来。当数字化的过程控制监测到一个短路信号，就会反馈给送丝机，送丝机作出回应回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离。在全数字化的控制下，这种过渡方式完全区别于传统的熔滴过渡方式。第二，热输入更低。CMT技术实现了无电流状态下的熔滴过渡。当短路电流产生，焊丝即停止前进并电弧引燃，熔滴向熔滴进入熔池，电弧熔池过渡熄灭，电流减小自动地回抽。在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少。整个焊接过程即在冷热交替中循环往复。第三，焊接过程无飞溅。在短路状态下焊丝的回抽运动帮助焊丝与熔滴分离。通过对短路的控制，保证短路电流很小，从而使得熔滴过渡无飞溅。这就是CMT技术：无飞溅冷熔滴过渡。通过CMT技术可以很轻松的实现无飞溅焊接，钎焊接缝，碳钢与铝的连接，0.3mm超薄板的焊接以及背面无气体保护的对接结构件的焊接。而传统的焊接技术要实现这些应用将耗费巨大的精力。。因为这些优点，它在轨道客车制造，压力容器制造，汽车制造，电气元件制造，航空航天飞机制造等许多重大科技课题上都有着广阔的舞台。
在对高氮奥氏体钢进行CMT焊接时，由于焊接材料含氮量高，所以在焊接的过程中容易出现氮元素的聚集和逸出，极易形成氮气孔，焊缝性能下降严重，造成焊缝的性能与焊接材料出现差异，影响焊接性能。所以，如调整焊接方法，使焊缝氮含量不出现较大波动，保持焊缝性能与焊接材料性能一致，便成了解决上述问题的关键。本课题将从调整焊接过程保护气中各种气体的比例入手，探究氮气氧气等气体的比例变化对高氮钢焊缝的影响，观察焊接时的电弧特征、焊缝中的氮含量、焊接接头的宏观组织与微观组织以及显微硬度分布，寻找较为合适的焊接保护气配比方案。
高氮钢焊接保护气体研究现状
高氮奥氏体钢焊接时，由于氮含量高，所以关键在于在焊接时如何固氮，与此同时还需要保证氮元素以固溶态而不是其他的形式存在。目前国内外采用的方法主要有三种，一是往焊缝中添加氮化物用来补充焊接时氮元素的损失[8-9]，二是采用N2-O2-Ar 三元活性保护气体或者 N2-Ar 二元保护气进行焊接[10]，三是利用激光电弧复合焊接或者搅拌摩擦焊等特种焊接方法[11]，在以上三种之中第二种方法的进展与本课题联系最为密切，第三种方法中也有涉及保护气体的方面。
在此之中，O.Kamiya 等人[12]着力于研究焊缝中含氮量随保护气体中氮气分压变化的规律，并且在密闭的空间内控制变量进行实验。他们发现在熔化极气体保护焊的过程之中，如果加大保护气体中的氮气分压就能够使焊缝的含氮量增加，达到提升焊缝性能的目的。但与此同时，倘若保护气体之中氮气含量过高，那么焊接的工艺性反而会变差，对焊接接头的质量产生负面影响，Harzenmoser M[13]等人在高氮钢的钨极惰性气体保护焊的研究过程之中就证实了这一点。当保护气体之中氮含量过高时，不但起弧非常困难，而且氮气和钨极还会产生反应发生烧损，导致焊缝中含氮气孔增多。 Iamboliev T等人[14]在研究二氧化碳激光焊焊接高氮钢时，也同样发现当向保护气体中添加氮气时，随着保护气体氮气比例的提高，焊缝之中固溶单的比例也会随之增高。
在进行 MIG 焊和 TIG 焊时，焊缝处氮元素的逸出会导致焊接接头性能的下降，为达到焊缝中增氮的目的，经常采用含氮保护气体，而含氮保护气又会增加焊接接头的产生气孔的倾向。经过研究，保护气中氮气含量不能超过 8%，否则会严重增加焊接接头的气孔倾向性。Galloway A.M.等人[15]经过长期的研究实验采用Ar-He-N2三元保护气的钨极氩弧焊对316LN高氮钢进行焊接，试验结果表明当氮气在保护气体中的含量到达15%时，焊缝区域的含氮量明显增加，而He的变化虽然不会影响焊缝中的含氮量，但是却可以使焊接熔深增加，并且焊缝含氮量一旦增加就会抑制了铁素体的生成，这对提高焊缝韧性帮助很大。
南京理工大学王克鸿教授[16-17] 采用了双面双弧焊的焊接方法对高氮钢的厚板进行焊接，深入研究了焊缝含氮量随氮气在保护气中比例的变化，焊缝中的氮含量随着保护气中氮气比例的增加而增加，但是他们的研究成果也明确指出，如果氮气含量过高将会导致引弧困难，焊缝气孔增加等诸多焊接问题的产生，同时他们也对焊接过程中的氮气行为做出了分析，得出了保护气中的氮气有着抑制氮元素逸出和增加焊缝中固溶氮含量两个作用。
将Ar-N2作为二元保护气体虽然能够起到对焊缝增氮的作用，但是也存在焊接工艺性差，增氮效果不稳定等劣势，无法满足使用要求，所以经过研究发现，在保护气中加入一定量的氧化性气体如氧气、二氧化碳等，有利于提高焊接过程的稳定性也能增加氮元素的溶解度，这是因为氧化性气体在焊接过程中会参与熔池和保护气反应。M Du Toit 等人[18]认为在焊接过程中，氧元素于高温的作用下能够在熔池的表面形成富氧保护层，这将有效地抑制氮元素逸出，不过Kobayashi 等人[19]则认为是氧化性气体与氮气间发生了氧化还原反应，使电弧空间有一氧化氮的生成，一氧化氮再与熔池中还原性较强的铁进行反应，从而促进了氮的溶解，Bandopadhyay A.[19]等人也在电弧空间发现了一氧化氮的存在，在一定程度上佐证了 Kobayashi 的看法。
钢铁研究总院赵琳[20]等人也对二氧化碳激光焊接高氮钢做了研究，研究了保护气体的组成和热输入对CO2激光焊接焊缝中氮含量及气孔性的影响。研究结果表明：在焊接热输入条件相同的情况下，在保护气中添加一定量的氮气作为保护气，能够使焊缝中的氮含量得到提升，并且，当保护气中氮气比例达到一定量时，焊接热输入越大，焊缝中氮含量越大。
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