高氮鋼雙面雙弧TIG焊接接頭組織性能研究

侯瑤，王克鴻

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

高氮鋼是指氮在鐵素體中含量高于0.08%或在奧氏體基體中高于0.4%時的鋼[1]。高氮奧氏體不銹鋼同傳統的奧氏體鋼相比較，由于其中含有較高的氮含量，奧氏體組織的穩定性得到了加強，而且在一定程度上降低了生產成本，同時高氮鋼具有高強度、高塑韌性、高沖擊硬化性、無磁性和耐蝕性等優異性能[2-4]，在國防、民用領域等方面都有廣泛應用。

高氮鋼的應用難點就在于如何在焊接過程中避免各種焊接缺陷，如焊接裂紋、氣孔、氮化物等。這些缺陷都是影響接頭性能的重要原因。焊接過程中，熔池中的氮在溶解度和活度差的雙重作用下形成氮氣逸出焊縫，一方面會導致氮損失，降低焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能，另一方面氮氣來不及排出就會在焊縫形成氮氣孔或與熔池中的合金元素結合形成氮化物。氮氣孔和脆性氮化物會更直接地損害焊縫的力學性能。因此，抑制焊接過程中氮含量的損失和氮氣孔的形成是在焊接高氮鋼時首要考慮的問題。現階段解決此類問題的關鍵是減小在焊接過程中的氮的逸出，即為固氮。本文通過在保護氣中添加一定含量的氮氣來降低電弧空間與熔池內的活度差，從而達到抑制氮的逸出、避免焊接缺陷的目的。

基于TIG焊接工藝，采用雙機器人協同雙面雙弧TIG焊接系統，對7mm厚高氮奧氏體不銹鋼板進行對接立焊試驗研究。通過向Ar保護氣中加入不同比例的N2的方式，開展N2的加入對焊接接頭力學性能及微觀組織影響研究。

1 試驗材料與方法

試驗材料為試制的高氮奧氏體不銹鋼Cr21Mn15Ni1MoN，組織為奧氏體基體加少量鐵素體。主要質量分數見表1。

表1 高氮鋼Cr21Mn15Ni1MoN質量分數 wt%

高氮鋼焊接試板尺寸為300mm×150mm×7mm，采用雙面雙弧立焊對接，不開坡口兩面同時施焊。焊前用酒精清洗連接面和試板表面，去除油污，隨后用不銹鋼絲刷清理表面氧化膜，并將連接面打磨光滑平整，以保證對接間隙不大1mm，避免產生未熔合、未焊透等焊接缺陷。焊接后采用線切割制備金相試樣并分別對焊接接頭進行金相分析及維氏硬度檢測。實驗設備為工業機器人MH6，焊接電源為MagicWave 4000焊機，通過調節電流值來改變焊縫熱輸入。

由于高氮鋼焊接過程中保護氣體成分是一個重要的焊接參數，能夠直接影響焊縫中氮含量、氣孔性和焊縫組織物相，因此在焊接過程中采用 N2-Ar 二元氣體配比器來調節保護氣中的氮氣比例，兩側軸向流量分別為13 L/min，采用4種保護氣組分：1) 100%Ar；2) 10%N2+90%Ar；3) 20%N2+80%Ar；4) 40%N2+60%Ar，對應編號為1#、2#、3#、4#，焊接速度25 cm/min。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接接頭微觀組織

由圖1(b)可知，當保護氣為純Ar時，焊縫組織為奧氏體樹枝晶，基體為奧氏體，晶粒細長，且大小均勻，生長方向基本相同。

如圖1(c)、圖1(d)、圖1(e)可知，當保護氣中氮氣比例達到10%以上之后，焊縫組織為單相胞狀奧氏體晶和斷續的骨架狀奧氏體樹枝晶，還有較多奧氏體柱狀晶。此后焊縫的凝固模式為A模式，凝固初始相和最終相均為奧氏體，冷卻過程中未發生相變。由于凝固時在奧氏體中溶解度較低的元素被排出，最后形成明顯的樹枝晶輪廓，相較于1#焊縫組織，晶粒尺寸發生了明顯的變化。焊縫中未發現凝固裂紋的生成，這是因為熔池中S、P含量極少，避免了凝固過程中形成較多的低熔點液相組織，降低了熱裂的敏感性。

圖1 焊縫顯微組織

對比圖1(c)、圖1(d)和圖1(e)發現，2#和3#焊縫組織，奧氏體晶粒的分布更加均勻密致，而且晶粒的大小也很均勻，生長方向各異，其中3#焊縫組織微觀組織更優。4#枝晶臂有變粗變短的趨勢，且枝晶間距變大，同時枝晶方向更加無序。枝晶的交錯生長，有利于改善因奧氏體枝晶粗大惡化焊縫組織性能的作用。

由上分析可知，在保護氣中加入一定量的N2能夠改變奧氏體形態，起到細化樹枝晶、打亂晶粒生長方向的作用。氮氣加入量為10%和20%時，晶粒生長方向有交錯趨勢；氮氣加入量為40%時，晶粒生長方向完全交錯，而且樹枝晶有粗化和短化的傾向；20%的氮氣加入能夠最大化地細化樹枝晶且打亂樹枝晶生長方向，呈優異的微觀組織形態。焊縫始終以A模式結晶凝固。

2.2 接頭拉伸性能及其斷口形貌

按照《焊接接頭拉伸試驗方法》制取橫向拉伸試樣，用線切割設備制作拉伸試樣，焊縫余高磨平，加載速率為3mm/s。拉伸試驗選用SHT4106萬能試驗機，在室溫下進行拉伸試驗，拉伸結果如表2所示。

表2 四組焊接接頭拉伸試驗結果

由表2可知，焊接接頭斷裂位置均位于焊縫處，焊接接頭抗拉強度大小依次為3#>2#>4#>1#；未加氮氣保護的1#焊縫抗拉強度最低，僅為816 MPa，氮氣加入量為20%的3#焊縫抗拉強度最高，達到了857 MPa，氮氣加入量為10%的2#焊縫抗拉強度為848 MPa，氮氣加入量為40%的4#抗拉強度分別為830 MPa。

由表2可知，保護氣中氮氣的加入會對最終的焊接接頭力學性能產生影響，但是存在一個峰值。20%氮氣的加入能夠較大程度提高焊縫力學性能。

為了進一步深入了解氮氣的加入對力學性能影響，將拉伸斷口置于FEI Quanta 250F掃描電鏡下細致觀察焊接接頭斷口形貌，如圖2所示。

圖2 拉伸斷口形貌

從圖2中可以看出，斷口中含有若干顯微孔洞，這些孔洞在母材軋制的過程中被壓成不規則的扁平狀孔隙。在正拉應力的作用下，孔隙處首先開裂并在孔隙邊緣形成少量的準解理面；在隨后的拉伸過程中，材料內部形成微孔，在拉應力的作用下，微孔生長、合并形成韌窩。韌窩的大小、深度及形貌在一定程度上能夠反映焊接接頭的塑性，韌窩越大且深度越深、分布越均勻，其塑性越好。圖2中還可以看出，部分韌窩中還觀察到第二相顆粒，這與氮氣的加入與第二相顆粒形成機理關系密切，在拉伸過程中微型孔洞易在第二相質點處形核并長大。

從圖2(b)、圖2(c)中可以看出，當保護氣中氮氣比例為10%和20%時，斷口形貌為細小的等軸韌窩，并且存在許多顯微氣孔，可以看出焊縫斷裂方式為韌性斷裂。從圖2中還可以看出，韌窩較深而且比較均勻，在等軸韌窩中分布著微米級的氣孔，而且焊縫斷裂之前無明顯屈服。可能就是因為較多的顯微氣孔造成的，這些孔洞在拉伸作用下最終呈橢圓狀。圖2(d)中斷口韌窩較圖2(b)、圖2(c)中寬度和深度均減小，而且大小各異，塑性變形程度有所下降，并且在斷口中存在較大的氣孔。

2.3 焊接接頭的硬度分布

采用HVS-1000 2數顯顯微硬度計對焊接接頭顯微硬度進行測試，設定載荷為2.94 N，保荷10 s，壓頭為正四棱錐體。橫向取點，從焊縫中心起，沿垂直于焊縫的方向每隔0.2 mm取觀測點，重復測量兩次并取平均值。圖3為各焊接接頭焊縫及近焊縫區域硬度場分布曲線。

圖3 焊接接頭顯微硬度圖

圖3(a)-圖3(d) 4個圖中硬度場分布曲線趨勢幾乎一致。在距離焊縫中心2 mm左右處硬度值開始顯著下降；在距離焊縫中心4 mm左右處硬度值開始顯著上升。對應地，在實際焊接接頭上，距離焊縫中心約2 mm處左側為焊縫區，右側為熱影響區；距焊縫中心約4 mm處左側為熱影響區，右側為母材區。由此可以看出：本文所使用的高氮鋼材料的焊縫中，熱影響區的顯微硬度值最低，其最小值為257 HV；在不同的氮含量下，焊縫區的顯微硬度值在一定范圍內變化，但是始終介于熱影響區和母材之間。母材的顯微硬度值最高，可達到399 HV。

分析焊接接頭顯微硬度值如此分布的原因：1)在焊接熱輸入的影響下，由焊縫的顯微組織可得，熱影響區的晶粒尺寸明顯大于焊縫區以及母材，根據材料的硬度值與晶粒尺寸大小關系可得，晶粒尺寸越大，硬度值越低；2)焊縫內的氮含量會影響硬度值的大小。氮元素固溶在奧氏體面心立方中，隨著保護氣中氮氣比例的增加，焊縫中的固溶氮含量會提高，氮對奧氏體的間隙強化作用也會越來越明顯，而焊縫區內的氮含量是始終低于母材中固溶氮含量的。因此，母材中的顯微硬度值始終是高于焊縫區和熱影響區。

另外，綜合分析圖3發現，隨著保護氣中氮氣比例的增加，焊縫區的顯微硬度是先增大后變小的。當保護氣為純氬時，焊縫中的平均顯微硬度值最低，為304.222 HV，占母材的79.8%；當保護氣中氮氣比例為20%時，焊縫中的平均顯微硬度值最高，達到331.9 HV，為母材的87%。

因此可知，一定量的氮氣保護能夠固溶到焊縫奧氏體晶格中，起到固溶強化并提高焊縫硬度的作用。20%氮氣的加入能最大化地改善焊縫區硬度下降的趨勢。

3 分析及討論

不同含量氮氣的加入對高氮鋼焊接接頭抗拉強度、拉伸斷口韌窩形態、硬度分布及微觀組織均產生了明顯的作用，適當含量氮氣的加入能提高焊縫力學性能并改善焊縫樹枝晶狀態。

1#焊縫保護氣為純Ar，其抗拉強度最低，僅有816 MPa，斷口韌窩尺寸均勻細小；其接頭顯微硬度值相較于其他3組焊縫也最低，這是因為在焊接過程中存在較為明顯的氮損失。其微觀組織為奧氏體樹枝晶+少量鐵素體。2#和4#焊縫分別在保護氣中加入了10%N2和40% N2，其抗拉強度分別為848 MPa和830 MPa，較1#焊縫有所提高，在斷口顯微組織圖中觀察，其韌窩尺寸也較1#斷口的韌窩尺寸較大；焊接接頭焊縫區顯微硬度值與1#相比也都有所提高；微觀組織為奧氏體樹枝晶，晶粒生長方向趨于交錯，凝固模式為A模式。3#焊縫保護氣中加入了20%氮氣，抗拉強度最高，達到了857 MPa；其斷口韌窩尺寸也更加大且深，焊接接頭平均顯微硬度值最高；焊縫奧氏體組織細小均勻且生長方向交錯，未觀察到鐵素體的存在，以A模式凝固結晶。

因此，綜合比較，當在保護氣中加入20%的N2時，能夠最大限度地提高焊縫的力學性能并細化奧氏體樹枝晶，凝固模式為A模式。

4 結語

1) 采用雙面雙弧TIG焊的方法，在焊接保護氣中使用20%N2+80%Ar的組合，在相應的焊接參數下，能最大程度提高焊接接頭抗拉強度，強度值達到了857 MPa。

2) 不同比例氮氣保護氣氛下的焊接接頭，焊縫區硬度均低于母材且大于熱影響區。保護氣中N2比例達到20%時，焊縫區域顯微硬度的優化效果最為顯著。

3) 氮氣的加入能夠改變焊縫奧氏體的結晶形態，起到細化晶粒的作用。20%氮氣的加入時，晶粒細小均勻，焊縫組織較為優異。

[1] M. O. Speidel, H.J.Speidel, Nitrogen containing austenitie stainless steels[A]高氮鋼國際會議論文集[C], 2006.

[2] Speidel.M.O. High Nitrogen Steels and Stainless Steels Manufacturing, Properties and Applications[J]. Applications and services, 2004(24): 243-255.

[3] Woo I, Horinouchi T, Kikuchi Y. Effect of microstructure on the heat affected zone of high nitrogen containing Ni-free austenite stainless steel[J]. Transaction of JWRI, 2001, 30(1): 77-84.

[4] 李冬杰, 陸善平, 等. 高氮鋼焊縫的組織和沖擊性能研究[J]. 金屬學報, 2013, 2(2): 129-136.

[5] 熊延金，朱軍，彭勇，等. 高氮鋼電子束焊接接頭組織與性能分析[J]. 機械制造與自動化, 2017，46(1): 12-14.