等離子焊接氣體保護對焊縫氧氮含量影響研究

王 江 ，張 東 ，南宏強 ，常耀威 ，段國武 ，陳 茜

（1.金川集團鎳鈷研究設計院，甘肅 金昌737100；2.金川集團鎳合金有限公司，甘肅 金昌737100）

等離子焊接氣體保護對焊縫氧氮含量影響研究

王 江1，張 東1，南宏強2，常耀威1，段國武2，陳 茜1

（1.金川集團鎳鈷研究設計院，甘肅 金昌737100；2.金川集團鎳合金有限公司，甘肅 金昌737100）

為滿足純鎳帶材加工等特殊的焊接要求，選用等離子焊接裝備，保護方式主要為氬氣保護。結合現場生產條件，通過開展焊接實驗，研究等離子焊接過程中保護效果和影響因素，明確是否需要進一步提供焊接保護措施和方法。通過實驗研究表明，氣體污染現象在等離子焊接過程中同樣存在，等離子焊接過程需要進一步增加其他保護措施，降低氣體對焊縫的影響，使焊縫部位氣體含量趨于基材或更低，提高焊縫性能。

等離子焊接；保護方式；氣體污染；焊縫性能

純鎳可焊性較好，但在焊接過程中，氣體雜質污染易引起焊接接頭脆化[1]。常溫下，純鎳是比較穩定的，隨著溫度升高，它的性能開始變化，其吸收氮、氧的能力隨之明顯上升。鎳在500℃高溫空氣中稍微氧化，當溫度達到750℃時，則劇烈氧化[3]。隨著焊縫含氧量上升，焊縫的抗拉強度和硬度明顯升高，而焊縫塑性明顯下降，焊縫因氧的污染而變脆。氮在高溫液態金屬的溶解度隨氧的分壓增加而增多，氮對焊縫的影響主要是對沖擊韌性影響，含氮量增加，使焊縫的沖擊韌性明顯降低[5-6]。目前在焊接過程中對氣體流量變化對焊縫及熱影響區吸氣量變化沒有明確在量化方面的認識[4]，通過本研究工作對其影響特點有一定的了解。

因此，通過開展焊接實驗，研究等離子焊接過程中保護效果和影響因素，明確是否需要進一步提供焊接保護措施和方法。

1 實驗

1.1 實驗材料及裝置

δ4 mm純鎳NW2201帶材，等離子焊機、剪板機、氮氧分析儀、直尺等。

1.2 實驗方法及樣品制備

結合實際工藝條件，考慮對不同氣體保護狀態焊接樣品進行分析，研究保護氣體流量對焊縫氧氮含量的影響。通過調整保護氣體比例，開展三組試驗進行比對，主要技術條件為：1）設定參數，電流220 A、電壓24 V、焊接速度0.4 cm/s不變；2）在保證線能量一定的情況下，對保護氣調整，并設定參數和樣板編號分別為 1#0 L/min、2#7.5 L/min、3#15 L/min.其中考慮增大比例差距，更有利于表現效果。在焊接鎳及鎳合金時，為防止熱裂紋，應采用較小的焊接線能量[2]。

完成不同氣保狀態下焊接實驗后，對樣板進行分條，根據焊接部位和焊接效果的不同，每塊樣板各取若干樣條，并對各樣條焊縫部位、熱影響區、基體分別進行制樣，具體取樣情況見圖1.1#、2#、3#為焊接樣板，1#樣板無保護氣體，由于焊接效果明顯，在其熔滴上取3個氣體標準樣品；2#、3#每塊樣板根據焊接部位不同各取三條，分別為頭中尾各一條分別表示為 T、Z、W.如圖 1（b）所示，每個樣條從焊縫部位開始沿一側進行切割氣體試樣并編號，0號部位為焊縫，1、2、3為熱影響區，4、5 為母材基體部位。為了保證試驗結果的準確性，對焊縫氣體進行上下兩個面同時進行分析，s表示上表面，x表示下表面。

圖1 樣品編號說明

2 檢測結果

1#樣板焊接過程中，由于直接與空氣接觸焊縫直接熔化，對焊縫部位熔滴進行取樣分析，測得氣體含量如圖2所示，氧含量急劇升高，達到0.1%以上，氮含量相較于母材偏高。

圖2 1#樣板氣體含量分布圖

對2#樣板焊縫部位進行取樣分析，氮含量均小于1 ppm，氧含量如圖3所示，每根樣條氣體變化趨勢明顯，焊縫部位氧含量明顯偏高，熱影響區部位氧含量略有偏高，母材基體部位氧含量沒有明顯變化。

圖3 2#樣板各樣條氧含量分布圖

對3#樣板對焊縫部位進行取樣分析，氮含量均小于1 ppm，測得氧含量如圖4所示，焊縫部位氧含量明顯降低，焊縫熱影響區和母材基體沒有明顯變化。

圖4 3#樣板各樣條氧含量分布圖

3 結論

1）通過三種保護氣方式檢測氣體含量變化整體趨勢為：隨著氣體保護加強，焊縫和熱影響區氧氮含量逐步降低，氮含量下降明顯，在后續兩組實驗中氮含量的變化基本可以忽略。

2）通過數據顯示，在焊接過程中焊縫和熱影響區發生吸氧現象，焊縫部位吸氧明顯，實際操作過程中，焊接保護氣體流量達到合理參數值時，繼續增大會影響焊接參數平衡狀態，對于基材個別點氧含量浮動的現象考慮可能跟原料有關。

3）實驗表明，前期討論的吸氣現象在等離子焊接過程中也存在，需要進一步通過增加其他保護措施，使焊縫部位氣體含量趨于基材或更低，提高焊縫性能。

[1]李亞江.焊接組織性能與質量控制[M].北京：化學工業出版社，2005：89-179.

[2]Sindo kou.焊接冶金學[M].2版.北京：高等教育出版社，2012：61-71.

[3]中國機械工程學會.焊接手冊（第2卷.材料的焊接）[M].北京：機械工業出版社，2001：644-717.

[4]包 峰，胡世武.離子焊接工藝參數對焊縫成型的控制[J].焊接，1993（12）：7-9.

[5]萬 軍.鎳及鎳基合金的焊接[J].鍋爐制造，2004，8（03）：32-34.

[6]姜家儀，鄭世鋒.純鎳材料焊接工藝優化[J].化工建設工程，2002，24（05）：45-47.

[7]楊國輝.進口NSB-162-200純鎳焊接工藝研究[J].電焊機，2005，35（10）：58-60.

Effect of Gas Protection on Plasma Oxygen and Nitrogen Content in Welding Seam

WANG Jiang1，ZHANG Dong1，NAN Hon-qiang2，CHANG Yao-wei1，DUAN Guo-wu2，CHEN Qian1
（1.Jinchuan group nickel cobalt Research&Design Institute，Jinchang Gansu 737100，China；2.Jinchuan group Nickel Alloy Co.，Ltd.，Jinchang Gansu 737100，China）

In order to meet the special welding requirements of pure nickel strip processing，plasma welding equipment is adopted，and the main protection mode is argon gas protection.Combined with field production conditions，through welding experiments，the protection effect and influencing factors during plasma welding were studied，and whether or not the welding protection measures and methods needed were further provided.The experimental study shows that there are also in the process of plasma welding plasma welding process gas pollution phenomenon，the need to further increase other protective measures to reduce the influence of gas on the weld，the weld seam gas content tends to base or lower，improve the welding performance.

plasma welding；protection methods；gas pollution；weld performance

TG456.2

A

1672-545X（2017）08-0097-03

2017-05-12

王 江（1983-），男，山西長治人，工學學士，金屬材料工程師，從事鎳及鎳合金加工工藝研究。