熱輸入對高氮鋼光纖激光焊接接頭氣孔及組織性能的影響

徐娟娟， 王克鴻， 彭　勇， 江俊龍， 楊嘉佳

(1.南京理工大學 材料科學與工程學院， 江蘇 南京210094; 2.泰州南京理工大學研究院， 江蘇 泰州 225300)

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熱輸入對高氮鋼光纖激光焊接接頭氣孔及組織性能的影響

徐娟娟1，2， 王克鴻1,2， 彭勇1， 江俊龍1,2， 楊嘉佳1

(1.南京理工大學 材料科學與工程學院， 江蘇 南京210094; 2.泰州南京理工大學研究院， 江蘇 泰州 225300)

摘要采用光纖激光對7 mm高氮鋼進行焊接，研究了不同熱輸入對高氮鋼焊接接頭氣孔及微觀組織性能的影響。結果表明：隨著焊接熱輸入的提高，焊縫中氣孔數量呈現先減少后增加的趨勢，當熱輸入為400 kJ/m 時幾乎無氣孔。高氮鋼母材組織為奧氏體，部分以孿晶形式存在；焊縫組織為鑄態細晶粒奧氏體組織，彌散分布部分CrN析出物；隨著熱輸入的增加，熱影響區寬度及晶粒尺寸明顯增加。對比接頭顯微硬度值和力學性能可知，隨著熱輸入的增加，焊縫及熱影響區硬度值逐漸減小。拉伸試驗斷裂部位均為焊縫區，最高抗拉強度為971.4 MPa，達到母材強度的94.3%。

關鍵詞激光焊接高氮鋼熱輸入氣孔微觀組織力學性能

Effect of Heat Input on Stomatal Resistance and Mechanical Properties of High Nitrogen Steel Plate Laser Welding Joint

XU Juan-juan1,2, WANG Ke-hong1,2, PENG Yong1,JIANG Jun-long1,2, YANG Jia-jia1

(1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094, China; 2.Taizhou Research Institute of Nanjing University of Science and Technology, Taizhou Jiangsu 225300, China)

AbstractThis paper is carried out basing on the 7 mm high nitrogen steels fiber laser welding. The effect of heat input on stomatal resistance, microstructure and mechanical properties are researched. Results are as following: with the improvement of heat input, the number of stoma reduced but then increased later. when the heat input is 400 kJ/m, the stoma is almost disappeared. The high nitrogen austenitic stainless steel base metal is of austenite and part is in the form of twins. The weld is of cast fine austenite grains， partly dispersing Cr2N nitrides. Heat-affected zone width and the grain size increased significantly with the increasing of heat input. Comparing the micro-hardness and mechanical properties of different welding parameters, we can know that the hardness of the weld and heat-affected zone decreased with the increasing of heat input. Cleavage sites are all the weld zone during tensile test. The maximum tensile strength is 971.4 MPa, reaching 94.3% of the base material strength.

Keywords WeldingHigh nitrogen steelHeat inputStomaMicrostructure

Mechanical property

0引言

近年來不銹鋼發展迅猛，導致了對鎳的需求升高，尋求代替鎳元素并同時獲得較好力學性能和耐蝕性的元素成為行業人士研究的重點。

通常來說，高氮奧氏體不銹鋼 (以下簡稱高氮鋼)的氮含量超過0.4%，其主要利用N元素部分甚至完全代替合金元素Ni在室溫甚至低溫下獲得單相奧氏體組織[1]。利用氮進行合金化具有很多優點[2～5]：(1) 與碳相比,氮為更加有效的固溶強化元素,同時可以促進晶粒細化；(2) 氮是強烈的奧氏體化形成元素,可以減少合金中的鎳含量,降低鐵素體和形變馬氏體形成能力。

高氮鋼之所以具有較好的性能大部分取決于較高的氮含量，其在焊接時容易出現氮化 物、氮氣孔等氮損失問題，嚴重影響高氮鋼的性能，因此減少其焊接過程中的氮損失尤為關鍵。近年來，高氮鋼的焊接方法主要集中在MIG、TIG等，這些方法可以獲得成形較好的焊接接頭，然而由于焊接速度較慢易造成固溶氮損失。激光焊接具有能量密度大、焊接速度快、焊縫窄、熱影響區小的優點，已被廣泛用于焊接各種鋼材料。國內對高氮鋼激光焊接的研究主要集中在薄板，而板厚越厚對于氣孔的控制越困難。作者對7 mm厚高氮奧氏體鋼進行激光焊接，研究其氣孔存在規律，并對接頭微觀組織及力學性能進行研究，為高氮鋼激光焊接提供理論參考及實踐經驗。

1試驗材料及設備

1.1試驗材料

試驗母材為高氮奧氏體不銹鋼板材，尺寸為300 mm×150 mm×7 mm，其化學成分如表1所示。

表1　母材化學成分

1.2試驗設備

試驗設備為IPG公司生產的YLS-10000型光纖激光器、Precitec公司的YW52焊接頭。激光器額定輸出功率為10 kW，工作模式為連續，發射激光波長為1.07 μm，通過芯徑為200 μm的光纖傳輸。焊接頭聚焦光斑直徑為0.40 mm，10 kW激光輸出時，焦斑處激光束功率密度高達7.96×106W/cm。

試驗采用99.9999%氬氣作為保護氣，正面和背面保護氣流量分別為20 L/min和25 L/min。試驗保持激光功率和離焦量不變，調節焊接速度，得到六組不同線能量下的對接焊接接頭試樣，試驗工藝參數如表2所示，其中熱輸入Q=p/v。

結果表明，六組工藝參數下，7 mm厚高氮鋼板材均為焊透。針對各組焊接接頭，分別對其進行X射線探傷、顯微組織觀察和力學性能測試，分析熱輸入對接頭氮氣孔和組織性能的影響。

表2　焊接工藝參數

2結果與討論

2.1熱輸入對氣孔的影響

圖1為六組熱輸入下高氮鋼焊接接頭的X射線探傷照片，其中(a)熱輸入最大，(b)、(c)、(d)、(e) 、次之，(f)熱輸入最小。從圖中對比可見，(a)、(b)、(f)中氮氣孔大而密集，(c)中幾乎沒有氮氣孔，隨著熱輸入的增加，氣孔數量呈現先減少后增加的趨勢。這是由于在激光焊接過程中不添加填充金屬，母材只發生快速熔化和快速凝固，因此在焊接過程中氮容易從奧氏體中脫離，以氮氣孔或氮化物的形式存在。在快速熔化過程中氮氣在熔池內部形成并逐漸向上逸出，隨著熱源前移熔池快速凝固形成焊縫，來不及逸出的氮氣便滯留于焊縫中形成氮氣孔。同時，在大功率激光焊接過程中，總是伴隨著焊接小孔的產生，即使是功率穩定的連續激光焊接，小孔仍然處于不穩定狀態，此時小孔的形狀以及深度位置都會發生變化。小孔內部的金屬蒸汽向外噴發時容易造成蒸汽渦流，從而將保護氣體卷入小孔內。隨著焊接過程的進行，小孔坍塌，氣體從尾部逸出上浮，由于激光焊接熔池存在時間短，氣體在上浮過程中受到阻礙，滯留在焊縫中形成氣孔。焊接過程中氮的行為分為兩個階段，固溶氮轉化為氮氣以及氮氣的逸出。熱輸入較小時，焊接速度較快，熔池存在時間短暫，液態金屬中的氮氣產生和逸出都不充分，這時小孔穩定性起決定作用，隨著焊接速度的增加，熔池攪拌力增加，小孔穩定性下降，氣孔數量也會相應增加。而當焊接速度過慢，即熱輸入超過某一臨界值時，熔池存在時間長，液態金屬凝固時間增加，這時氮氣產生過程起決定作用，因此熔池中再次出現較多的氮氣孔。當熱輸入達到臨界值時，焊縫中幾乎無氣孔。

由于600 kJ/m和1 200 kJ/m熱輸入條件下缺陷較多，無研究價值，故下文不進行這兩組焊接接頭的性能檢測。

圖1　不同熱輸入下的接頭X射線圖

2.2 熱輸入對微觀組織的影響

圖2　高氮鋼母材　　　　　　　　　　　圖3　5 000倍母材掃描電鏡圖像

圖4　接頭金相組織

圖5　不同熱輸入下的熱影響區組織

圖2為光學顯微鏡下高氮奧氏體不銹鋼的母材組織，其中母材組織為細小均勻的等軸奧氏體，部分晶粒呈孿晶分布。對這一部分作掃描電鏡分析，如圖3所示，母材存在部分長約7 μm 的扁長微觀氣孔，在奧氏體晶粒內部出現位向相同的束狀組織，不同晶粒的束狀組織呈現各向異性。區域1晶粒束狀組織生長方向垂直于觀察方向，呈半球狀；區域2晶粒束狀組織生長方向發生傾斜，呈長條狀；區域3束狀組織生長方向平行于界面，經打磨、拋光、腐蝕后變得平滑，無明顯凸起。圖4為熱輸入為400 kJ/m的焊接接頭組織圖，圖(a)為100倍下的焊接接頭，焊接時受熱熔化的母材形成的熔池液態金屬以未熔化的母材金屬晶粒邊界為現成表面進行結晶，并逆向最大散熱方向生長，即呈柱狀晶垂直于熱影響區邊界往焊縫中心生長，兩側柱狀晶在焊縫中心處相遇。圖(b)為焊縫組織,奧氏體基體下彌散分布部分氮化物析出物。 圖5為不同熱輸入下的熱影響區組織圖，(a)、(b)、(c)、(d)熱輸入依次減小。熱影響區組織為奧氏體組織，部分以孿晶形式存在，相對于母材來說晶粒明顯長大。從圖中對比可知，四種熱輸入下熱影響區寬度及晶粒大小有所不同，線能量越大，熱影響區寬度越寬，晶粒越粗大。熱輸入為400 kJ/m時熱影響區寬度為120 μm，相比熱輸入為200 kJ/m時增加140%。 分析認為，熱輸入大時，焊接速度較慢，加熱和冷卻時間長，接頭熱影響區受熱循環影響大， 晶粒長大和寬度增加明顯。

2.3熱輸入對顯微硬度的影響

對焊接接頭顯微硬度進行測量，測試載荷為0.3 kg。所有測試點位置均在母材厚度1/2 處，由于熱影響區較窄，故采取自上而下取點求平均值的方法計算硬度值。焊縫及熱影響區 的平均硬度值隨熱輸入的變化如圖6所示。對比可知相同熱輸入下焊縫區硬度值明顯低于熱 影響區，并且隨著熱輸入的增加，焊縫及熱影響區的硬度值都略微減小。這是因為硬度值與 晶粒大小有關，晶粒越粗大，硬度值越小。由前述金相組織分析可知，熱輸入越大，熱影響 區晶粒越粗大，因此呈現如圖6所示的硬度值結果。另外，由于焊縫區受焊接熱循環的影響， 出現氮氣孔或氮逸出的情況，造成了固溶氮的損失，因此焊縫的硬度值相對于熱影響區來說 略微減小。

圖6　焊接接頭顯微硬度值

2.4熱輸入對抗拉強度的影響

為測試接頭強度，對四組焊接試樣沿垂直焊縫方向取樣進行焊接試驗。斷裂部位均為焊縫。不同熱輸入下抗拉強度值如表3所示?？梢钥闯?，隨著熱輸入的增加，抗拉強度值略微增加，但均低于母材，當熱輸入為400 kJ/m時達到最大值，為母材抗拉強度的94.3%。這是由于接頭中存在氮氣孔，在拉應力作用下這些氣孔因應力集中成為裂紋源，而氣孔數量越多時，焊縫有效面積減少，造成抗拉強度下降。

表3　接頭抗拉強度

圖7為各個拉伸斷口掃描電鏡5 000倍放大圖，可以看出熱輸入為400 kJ/m時韌窩數量多且深，韌性較好；熱輸入為200 kJ/m時韌窩較淺分布不均勻，韌性較差。由此表明，熱輸入較大時可以獲得韌性以及強度性能較為優異的焊接接頭。

圖7　斷口掃描電鏡圖

3結論

(1) 研究了板厚7 mm的高氮奧氏體不銹鋼激光焊接工藝，當熱輸入為400 kJ/m時獲得了優質的焊接接頭。

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中圖分類號TG406

文獻標志碼A

作者簡介：徐娟娟 (1992-)，女，碩士研究生，主要從事高氮鋼激光及激光-電弧復合焊接方面的研究。

基金項目：科技支撐計劃工業部分(編號：BE2013107)。