激光-電弧復合焊接下高氮鋼的焊接接頭力學性能

宋曉龍

（長春理工大學，長春 130022）

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激光-電弧復合焊接下高氮鋼的焊接接頭力學性能

宋曉龍

（長春理工大學，長春 130022）

摘 要：采用激光-電弧復合焊接方法，獲得材質為Cr18Mn18N的高氮鋼板材的焊接接頭。然后，對該焊接接頭分別進行拉伸、硬度和彎曲等力學性能試驗。結果表明，焊接接頭的硬度和強度均高于母材，且焊接接頭的彎曲試驗滿足ISO 5173標準。

關鍵詞：激光-電弧復合焊接 高氮鋼 焊接接頭 力學性能

近年來，受我國對不銹鋼巨大需求的刺激，加上迅速發展的電鍍、化工及電池等行業對原鎳和再生鎳需求的迅速增長，鎳價一路走高。而高氮無鎳不銹鋼的優異性能，使其可以廣泛應用于電力、造船、鐵路、低溫工程、化學裝備、壓力容器以及石油和核工業。但是，由于生產不銹鋼所必需的原材料鎳的資源有限，所以研究開發節約鎳的不銹鋼十分必要。高氮無鎳奧氏體不銹鋼相對于傳統的Cr-Ni系奧氏體不銹鋼，具有節鎳特點，也帶來了巨大的經濟效益。同時，它又具有高強度、高韌性和優異的耐蝕性能，成為目前材料科學研究的重點[1]。激光-電弧復合焊接是把激光熱源與電弧熱源耦合作用在一個區域進行焊接的一種新方式。這種方式能夠減少一個熱源焊接的缺點，充分利用兩種熱源的獨自優點，成為目前制造工業上最具應用前景的焊接方法之一。激光-電弧復合焊接具有較強的搭橋能力、大的熔深、高的焊接速度等諸多優點，已在船舶制造、石油化工、冶金等領域得到了實際應用。激光-電弧復合焊接技術由于成功解決部分由于厚板結構件電弧焊接帶來的一些問題，而在工業生產中飽受歡迎。利用激光-電弧復合焊焊接高氮鋼，可以使高氮鋼的應用前景更為廣泛。

1 焊接工藝

1.1 焊接材料

本次試驗所選用的高氮鋼板材為Cr18Mn18N，板厚為20mm，其在室溫下使用最低屈服強度不低于355MPa[2]；在零下20℃時做沖擊試驗，沖擊功值不低于27J；供貨狀態為正火軋制。高氮鋼母材的化學成分如表1所示。

表1 高氮鋼母材的化學成分

2.2 填充材料與保護氣體

高氮鋼母材的焊接性雖然與等強度低合金熱軋鋼相似，但是考慮到焊縫金屬與母材耐蝕性相匹配，試驗中采用的填充材料為低合金高強鋼氣保焊用實芯焊絲ISO 14341-A： G 42 4 M(C) G0，焊絲直徑Φ=1.2mm。通過填充的實芯焊絲添加合金元素，保證焊縫金屬良好的耐蝕性和韌性等綜合力學性能[3]，其化學成分組成如表2所示。保護氣體則為80%氬氣和20%二氧化碳的混合氣體。

表2 焊絲的化學成分

2.3 焊接方法

焊接時采用對接的接頭方式。針對20mm厚對接接頭做鈍邊打底層焊接試驗，20mm厚對接接頭采用Y型坡口形式，8mm鈍邊，坡口角度為40°。試驗中，激光能量與電弧耦合后在高速焊接下，由于采用的坡口形式不利于金屬蒸氣羽大量逸出而對激光產生散射和吸收效果，因此需要組對間隙才能在保持小孔效應焊接熔透厚板情況下，同時完美實現填充金屬下滲致使焊背成型良好[4]。速度過慢則會導致填充材料量過大，焊縫背面容易出現焊熘缺陷。本實驗在鈍邊高速焊接的條件下，充分考慮電弧與激光復合后的焊縫成型效果，選擇合理的組對間隙。改變組對間隙：左邊起始0mm至右邊結束1mm。焊背熔化極氣保焊點冷固后進行鈍邊焊接。焊接工藝參數為：激光功率6000W，光絲間距2mm，光絲夾角15°，離焦量-2mm，焊接電流230A，焊接速度1m/min，保護氣體則為氬氣和二氧化碳混合氣（80%Ar+20%CO2），氣體流量為25L/min。

3 焊接接頭力學性能測試

3.1 焊接接頭的拉伸測試

對20mm厚高氮鋼對接接頭進行拉伸試驗后發現，拉伸試驗斷口位置全部發生在母材上。由此可知，焊接接頭的強度要高于母材[5]。高氮鋼復合焊接接頭在拉伸過程中母材部位產生明顯的頸縮，斷口表面有纖維狀塑性變形特性。高氮鋼標準規定的屈服強度最低值為355MPa。由拉伸試驗結果可知，激光-電弧復合多層焊接接頭的屈服強度完全滿足要求，且通過斷口形貌發現，焊接接頭拉伸斷裂形式為韌性斷裂。

3.2 焊接接頭的硬度測試

對焊接接頭進行維氏硬度測試后，其硬度分布曲線如圖1所示。圖1中，HR、HF分別為距離焊接接頭下表面（主要受激光熱源影響）、上表面（主要受電弧熱源影響）2mm的硬度分布曲線。

圖1 對接接頭的硬度分布曲線

打底層焊縫為均勻細小的針狀鐵素體和珠光體組織，填充層焊縫由塊狀的先共析鐵素體、側板條鐵素體、針狀鐵素體和少量的珠光體組成[6]。焊縫區金屬的硬度相比母材區要高些。與填充層焊縫相比，打底層焊縫的硬度值要高些。這主要歸因于打底層焊縫金屬主要受激光熱源作用，在焊接過程中線熱輸入能量低，冷卻速度大，導致組織較填充層有所細化。高氮鋼焊接接頭中，過熱區的硬度最高。這主要歸因于過熱區組織為粗大的鐵素體和珠光體，同時存在一些粗大的羽毛狀上貝氏體組織。細晶區為正火組織，由均勻細小的鐵素體和珠光體組成，其硬度值要高于不完全相變重結晶區和母材區。不完全相變重結晶區的組織由沒有經過相變重結晶的粗大鐵素體和經過相變重結晶的細小鐵素體和珠光體組成。該區硬度值略高于母材。復合焊接的最高硬度為313HV，沒有出現硬度過激值。

3.3 焊接接頭的彎曲試驗

參考ISO 5173標準，當彎曲試驗樣件厚度大于或等于12mm時，可用四個側彎試驗代替兩個正彎和兩個背彎試驗。由彎曲試驗結果可知，1號試樣在彎曲區出現長度約為0.5mm的微裂紋，位于焊縫中心區域。由于焊縫金屬的枝晶對向生長，將焊縫熔池金屬中存在的一些雜質推到中心區域。在彎曲應力的作用下，焊縫中心區域為薄弱部位發生開裂。3號試樣在打底層焊縫和填充層焊縫交界處部位存在長度分別約為1.5mm、1.2mm的相互交錯微裂紋。該區域為層間的熔合線部位，組織粗大。另外，此處為激光主要作用和電弧主要作用的交界區域，下部和上部焊縫金屬結晶方向較為混亂，所以存在較大的應力集中效應，導致彎曲過程中易在此部位發生開裂。試驗過程中，4個彎曲試驗樣件的彎曲區沒有在任何位置上發現單條大于3mm的裂紋缺陷，20mm對接接頭激光-電弧復合多層焊接彎曲試驗滿足ISO 5173標準。

4 結論

本文采用激光-電弧復合多層焊接技術，對20mm厚對接接頭Cr18Mn18N高氮鋼進行焊接。通過試驗，得出如下結論。

第一，通過硬度測試結果表明，耐候鋼復合焊接接頭的硬度值高于母材，最高值為313HV，出現在過熱區。

第二，焊接接頭屈服強度最低值為438.93MPa，斷裂位置在母材上。

第三，側彎實驗在其拉伸面上產生了最大值為1.5mm的微裂紋，但是滿足相關標準。

參考文獻

[1]王松濤.高氮奧氏體不銹鋼的力學行為及氮的作用機理[D].沈陽：中國科學院研究生院，2008.

[2]鄭啟光.激光先進制造技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2002．

[3]陳秀深.用不等厚鋼板進行車門內板的沖壓成形[J].機電工程技術，2002，（4）：60-61.

[4]李偉，李應紅，何衛鋒，等.激光沖擊強化技術的發展和應用[J].激光與光電子學進展，2008，（12）：15-19.

[5]盧秉恒，李滌塵.增材制造技術發展[J].機械制造與自動化，2013，（4）：1-4.

[6]呂高尚，史春元，董春林，等.激光-電弧復合熱源焊接研究及應用現狀[J].航空制造技術，2005，（5）：86-88.

Laser-mechanical Properties of Welded Joints Arc Welding under HNS

SONG Xiaolong
(Changchun University of Technology,Changchun 130022)

Abstract:Laser-arc hybrid welding m ethod to obtain material for Cr18Mn18N of high nitrogen steel plate welded joints, then stretching the welded joints, hardness and bending and other mechanical properties, res pectively. T he res ults s howed that the hardness and strength of welded joints were higher than the base metal, and the bending tes t of welded joints meet ISO 5173 standards.

Key words:Laser-Arc Welding,Nitrogen steel,Welded joints,Mechanical Properties