高氮鋼復(fù)合焊接接頭氮含量和氣孔控制方法研究

崔博， 張宏， 劉雙宇,3， 劉鳳德,4

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130022；2.北華大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 吉林 吉林 132013；3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 國際科技合作基地(光學(xué)), 吉林 長(zhǎng)春 130022；4.長(zhǎng)春理工大學(xué) 跨尺度微納制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

高氮奧氏體不銹鋼(簡(jiǎn)稱高氮鋼)，氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般超過0.4%，主要利用氮元素部分或者完全替代鎳元素以實(shí)現(xiàn)奧氏體化，因其具有良好的力學(xué)性能和耐蝕性而受到廣泛關(guān)注，已在航空、武器裝備、醫(yī)療和低溫工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

高氮鋼作為結(jié)構(gòu)材料，其可焊接性關(guān)系到高氮鋼的廣泛應(yīng)用與推廣。在常壓環(huán)境下對(duì)高氮鋼進(jìn)行熔焊時(shí)，氮極易逸出并在熔池中形成N2泡，由于熔池凝固時(shí)間較短，氣泡不能及時(shí)從熔池中逸出，最終在焊縫中形成N2孔。N2孔的形成也使得固溶氮元素含量降低，造成接頭性能下降。因此，如何采取有效措施抑制高氮鋼焊接接頭氣孔和氮損失，已成為當(dāng)前各國學(xué)者研究的主要問題之一[4-7]。

杜挽生等[8]采用熔化極氣體保護(hù)焊對(duì)氮含量為0.56% 的高氮鋼進(jìn)行焊接，焊接接頭抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)，但是韌性下降嚴(yán)重。Mohammed等[9]采用手工電弧焊和鎢極氣體保護(hù)電弧焊對(duì)氮含量為0.54%的高氮鋼進(jìn)行焊接，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度僅為母材強(qiáng)度的53%。研究發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)粗大的樹枝晶和氣孔是焊縫性能下降的主要因素。Iamboliev等[10]、Zhao等[11]采用激光焊接技術(shù)，研究了焊接熱輸入、保護(hù)氣體成分等對(duì)高氮鋼焊縫的微觀組織、氣孔以及力學(xué)性能影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，高氮鋼焊縫的氣孔性規(guī)律與焊接熱輸入、熔池存在時(shí)間、保護(hù)氣體中氮的分壓等有著密切關(guān)系。王力峰等[12]采用激光- 電弧復(fù)合焊接方法對(duì)8 mm厚的高氮鋼進(jìn)行焊接，分別研究了電弧能量、激光能量和機(jī)械振動(dòng)頻率對(duì)氣孔缺陷的影響。

激光- 電弧復(fù)合焊接技術(shù)以具有焊接熔深大、橋接性能好、焊接速度高等優(yōu)點(diǎn)而受廣泛關(guān)注，目前已在汽車、船舶、石油管道等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[13-16]。而關(guān)于高氮鋼激光- 電弧復(fù)合焊接的研究卻鮮有報(bào)道，尤其是在焊接氣孔和氮損失問題上依然沒有得到有效解決。

本文采用激光- 電弧復(fù)合焊接技術(shù)對(duì)高氮鋼進(jìn)行焊接，通過控制保護(hù)氣體和焊絲成分及焊接過程中施加超聲振動(dòng)的方法來抑制焊接氣孔和氮損失，旨在為控制高氮鋼焊接氣孔和氮含量提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為3個(gè)部分：1)采用不同保護(hù)氣體對(duì)高氮鋼進(jìn)行復(fù)合焊接，研究不同保護(hù)氣體成分對(duì)焊縫氮含量和氣孔率的影響；2)采用不同焊絲對(duì)高氮鋼進(jìn)行復(fù)合焊接，研究不同焊絲成分對(duì)焊縫氮含量和氣孔率的影響；3)對(duì)高氮鋼進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助復(fù)合焊接，研究不同超聲功率對(duì)焊縫氮含量和氣孔率的影響。

試驗(yàn)采用德國TRUMPF公司產(chǎn)HL4006D型Nd: YAG激光器和日本松下YD-350AG2HGE型MIG/MAG焊機(jī)組成的旁軸復(fù)合焊接系統(tǒng)。采用電弧在前、激光在后的焊接方式進(jìn)行焊接，激光垂直入射，與焊槍夾角為25°. 采用CMOS-CR5000×2高速攝像機(jī)采集焊接過程中熔滴過渡模式，采樣頻率為3 000 幀/s，并用漢諾威電弧質(zhì)量分析儀記錄焊接過程中的電信號(hào)。試驗(yàn)裝置連接形式如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

當(dāng)對(duì)高氮鋼進(jìn)行超聲輔助復(fù)合焊接時(shí)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。超聲波發(fā)生器最大輸出功率為1 000 W，工作頻率為20 kHz. 焊接過程中，工件固定在水平數(shù)控工作臺(tái)上，復(fù)合焊接系統(tǒng)和振動(dòng)工具頭位置相對(duì)固定，工件隨數(shù)控工作臺(tái)移動(dòng)。振動(dòng)工具頭放置于工件下方，并沿工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向后置于激光焦點(diǎn)5 mm處。

圖2 超聲輔助復(fù)合焊接裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic assisted hybrid welding device

材料尺寸為8 mm×400 mm×100 mm，對(duì)接端面開30°Y型坡口，鈍邊為3 mm，對(duì)接間隙為0.4 mm. 填充材料為直徑1.2 mm的不銹鋼焊絲，母材及焊絲的主要化學(xué)成分見表1. 電弧保護(hù)氣體成分如表2所示，氣體總流量為17 L/min. 試驗(yàn)的主要焊接工藝參數(shù)如表3所示。

采用X射線探傷方法檢測(cè)焊縫中氣孔，利用數(shù)值分析軟件Matlab計(jì)算氣孔直徑，采用金相方法確定焊縫橫截面積，進(jìn)而計(jì)算出氣孔總體積與焊縫總體積的比值，即焊縫氣孔率。采用TC500型氮氧分析儀測(cè)量焊縫氮含量，分析精度為0.1×10-6.

表1 母材及焊絲的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 保護(hù)氣體成分

表3 焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)氣體成分控制

圖3 典型焊縫形貌(左為焊縫橫截面，右為焊縫表面)Fig.3 Typical welded joint morphology (left: cross section of welded point; right: welded point surface)

文獻(xiàn)[17]指出保護(hù)氣體中添加少量O2有助于提高焊縫中氮含量，因此試驗(yàn)采用表1中焊絲1作為焊接填充材料，依次采用表2中保護(hù)氣體對(duì)高氮鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究不同保護(hù)氣體成分對(duì)高氮鋼焊接接頭氣孔率和氮含量的影響。圖3為不同保護(hù)氣體下典型焊縫形貌圖。

2.1.1 保護(hù)氣體成分對(duì)氮含量的影響

圖4為不同保護(hù)氣體對(duì)焊縫氮含量的影響。從圖4中可以看到：當(dāng)100%Ar作為保護(hù)氣體時(shí)，焊縫氮含量最低，僅為0.39%；當(dāng)向氬氣中添加N2時(shí)，焊縫氮含量明顯增多，且隨著保護(hù)氣體中N2比例的增大而增多。

圖4 保護(hù)氣體對(duì)焊縫氮含量的影響Fig.4 Effect of shielding gas on nitrogen content in welded joint

熱源空間和熔池之間氮的流向取決于兩區(qū)域之間的氮活度差，氮粒子易朝著氮活度較低的區(qū)域流動(dòng)[18]。當(dāng)保護(hù)氣體為100%Ar時(shí)，熱源區(qū)域的氮活度幾乎為0，遠(yuǎn)低于熔池中的氮活度。因此，熔池中的氮粒子通過兩相界面遷移到熱源區(qū)域，導(dǎo)致焊縫發(fā)生嚴(yán)重的氮損失。隨著保護(hù)氣體中N2比例的增大，熱源區(qū)域的氮活度增大，促使了熱源區(qū)域中的氮粒子向熔池中擴(kuò)散，從而在一定程度上抑制了焊縫中的氮損失。

從圖4中也可以看出，當(dāng)采用Ar+O2+N2作為保護(hù)氣體時(shí)，焊縫氮含量同樣隨著保護(hù)氣體中N2比例的增大而增大，且整體高于Ar+N2混合氣體下的焊縫氮含量。從(1)式中可以看出，O2與N2在熱源的作用下生成NO. 文獻(xiàn)[17]指出向含氮的保護(hù)氣體中添加少量氧化性氣體可以生成一氧化氮，這是焊縫中氮含量增加的主要原因。從(1)式和(2)式中也可以看出，O2最終將N2轉(zhuǎn)化為N，這有助于提高焊縫中的氮含量。

(1)

NO+[Fe]→[FeO]+[N].

(2)

2.1.2 保護(hù)氣體成分對(duì)氣孔率的影響

圖5為不同保護(hù)氣體對(duì)焊縫氣孔率的影響。從圖5中可以看到：當(dāng)保護(hù)氣體為Ar+N2時(shí)，隨著N2比例的增大，氣孔率呈先降低、后升高的趨勢(shì)；保護(hù)氣體為90%Ar+10%N2時(shí)，焊縫氣孔率最低，僅為0.25%. 這主要是因?yàn)槿鄢刂写嬖谝韵缕胶夥磻?yīng)：

N2?2[N].

(3)

圖5 保護(hù)氣體對(duì)氣孔率的影響Fig.5 Effect of shielding gas on porosity

由于保護(hù)氣氛中氮分壓逐漸增大，抑制了熔池中氮向N2轉(zhuǎn)變，從而有效地降低了N2泡的產(chǎn)生傾向。當(dāng)保護(hù)氣體中N2比例達(dá)到一定程度時(shí)，過大的氮分壓促進(jìn)了保護(hù)氣體中的氮粒子向熔池中過渡，使得熔池中的氮處于過飽和狀態(tài)，從而促進(jìn)了熔池中N2泡的生成。

從圖5中也可以看到，與Ar+N2混合氣相比，Ar+N2+O2保護(hù)下的焊縫氣孔率明顯升高，但隨著N2比例的增大，氣孔率變化規(guī)律并不明顯。從2.1.1節(jié)中可知，保護(hù)氣體中添加少量O2使得焊縫中氮含量明顯升高，從而促進(jìn)了熔池中氮向N2泡的轉(zhuǎn)變。此時(shí)熔池中的氮含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼液中氮的溶解度，導(dǎo)致熔池中會(huì)生成大量的細(xì)小氣泡。當(dāng)熔池中的氣泡數(shù)量過多時(shí)會(huì)發(fā)生匯聚、合并和上浮等現(xiàn)象，這使得生成氣孔的不確定因素增多，因此焊縫氣孔率變化規(guī)律不明顯。同時(shí)O2也使得熔池表面marangoni對(duì)流模式發(fā)生改變[19-20]。一般情況下熔池中的活性組元含量較低，熔池的表面張力梯度為負(fù)值，熔融金屬由熔池內(nèi)部向熔池邊緣流動(dòng)，形成外向marangoni對(duì)流模式，如圖6(a)所示，這有利于加快氣泡從熔池中上浮。當(dāng)保護(hù)氣體中添加2%的O2后，表面張力梯度由負(fù)變正，熔融金屬由熔池邊緣向內(nèi)部流動(dòng)，形成內(nèi)向marangoni對(duì)流模式，阻礙了氣泡在熔池中上浮，進(jìn)而滯留于熔池中形成氣孔。

圖6 不同表面張力系數(shù)的熔池流動(dòng)Fig.6 Flow of molten pools with different surface tension coefficients

2.2 焊絲成分控制

試驗(yàn)采用純Ar作為保護(hù)氣體，依次選用表1中焊絲對(duì)高氮鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究不同焊絲成分對(duì)高氮鋼焊接接頭氣孔率和氮含量的影響。圖7為不同焊絲成分下典型焊縫形貌圖。

圖7 典型焊縫形貌(左為焊縫橫截面，右為焊縫表面)Fig.7 Typical welded joint morphology (left: cross section of welded point; right: welded point surface)

2.2.1 焊絲成分對(duì)氮含量的影響

圖8為不同焊絲成分對(duì)焊縫氮含量的影響。由圖8可知，隨著焊絲中氮含量的增加，焊縫氮含量呈先升高、后降低趨勢(shì)。當(dāng)焊絲氮含量較低時(shí)，熔滴過渡模式以射流過渡為主，電壓和電流平穩(wěn)，如圖9和圖10所示；而焊絲中氮含量為0.6%時(shí)，焊接過程中發(fā)生爆炸過渡，電壓和電流波動(dòng)較大，如圖11和圖12所示。由于焊絲氮含量過高，熔滴中的氮元素處于過飽合狀態(tài)，在熔滴內(nèi)部形成N2，在復(fù)合熱源作用下，氣體體積膨脹而產(chǎn)生內(nèi)壓力使得熔滴爆破。這使得焊絲中的氮元素在焊接過程中以N2的形式而損失掉。

圖8 不同焊絲成分對(duì)焊縫氮含量的影響Fig.8 Effect of welding wire on nitrogen content of welded joint

圖9 焊絲氮含量0.2%時(shí)熔滴過渡圖像Fig.9 Droplet transfer images for nitrogen content of welding wire being 0.2%

圖10 焊絲氮含量0.2%時(shí)電流和電壓波形圖Fig.10 Oscillograms of welding current and voltage for nitrogen content of welding wire being 0.2%

圖11 焊絲氮含量0.6%時(shí)熔滴過渡圖像Fig.11 Droplet transfer images for nitrogen content of welding wire being 0.6%

圖12 焊絲氮含量0.6%時(shí)電流和電壓波形圖Fig.12 Oscillograms of welding current and voltage for nitrogen content of welding wire being 0.6%

2.2.2 焊絲成分對(duì)氣孔率的影響

圖13為不同焊絲成分對(duì)焊縫氣孔率的影響。從圖13中可看出，采用氮含量為0.2%的焊絲進(jìn)行焊接時(shí)所獲得的焊縫氣孔率最小。在復(fù)合熱源的作用下，0.2%N的焊絲中氮元素蒸發(fā)而形成N2氛，抑制了熔池中氮粒子向N2的轉(zhuǎn)變。當(dāng)焊絲中的氮含量為0.4%和0.6%時(shí)，焊絲中部分氮元素會(huì)形成N2氛，其余氮元素會(huì)隨著熔滴過渡到熔池中，此時(shí)熔池中氮粒子含量較多，從而促進(jìn)了氮粒子向N2轉(zhuǎn)變。

圖13 不同焊絲成分對(duì)焊縫氣孔率的影響Fig.13 Effects of different welding wire compositions on weld porosity

2.3 超聲振動(dòng)輔助控制

試驗(yàn)采用純Ar作為保護(hù)氣體，采用表1中焊絲1作為焊接填充材料，探究不同超聲功率對(duì)焊縫氮含量和氣孔率的影響。圖14為不同超聲功率下典型焊縫形貌圖。

圖14 典型焊縫形貌(左為焊縫橫截面，右為焊縫表面)Fig.14 Typical welded point morphology (left: cross section of welded point; right: welded point surface)

2.3.1 超聲振動(dòng)功率對(duì)氮含量的影響

圖15所示為焊縫氮含量隨超聲功率變化柱狀圖。從圖15中可以看出隨著超聲功率的增大，焊縫氮含量略有降低。這是因?yàn)槭┘映曊駝?dòng)時(shí)，空化效應(yīng)對(duì)熔池產(chǎn)生的機(jī)械力與聲流效應(yīng)共同促進(jìn)熔池流動(dòng)，加快了氮從熔池中逸出。

圖15 超聲振動(dòng)對(duì)焊縫氮含量的影響Fig.15 Effect of ultrasonic vibration on nitrogen content of welded point

2.3.2 超聲振動(dòng)功率對(duì)氣孔率的影響

圖16為焊縫氣孔率隨超聲功率變化柱狀圖。從圖16中可以看出，隨著超聲功率的增大，焊縫氣孔率呈先減小、后增大趨勢(shì)。在焊接過程中，熔池中會(huì)形成大量的N2泡，造成氣泡附近區(qū)域的空化閾值降低。當(dāng)熔池中的聲壓大于熔融金屬的空化閾值時(shí)，就會(huì)引起空化作用并產(chǎn)生空化氣泡[21]。穩(wěn)態(tài)空化過程中，空化氣泡受超聲的正、負(fù)壓作用而發(fā)生壓縮和拉伸。在聲波負(fù)壓階段，空化氣泡會(huì)合并吸收周圍N2泡。氣泡合并后體積變大，加快了其從熔池中的逃逸速度，從而避免了氣泡滯留在焊縫中形成氣孔。

圖16 超聲振動(dòng)對(duì)焊縫氣孔率的影響Fig.16 Effect of ultrasonic vibration on weld porosity

當(dāng)超聲功率達(dá)到240 W時(shí)，焊縫氣孔率急劇升高。過大的超聲功率會(huì)引起穩(wěn)態(tài)空化效應(yīng)向瞬態(tài)空化效應(yīng)轉(zhuǎn)變，生成生存周期較短的空化氣泡，因此空化氣泡在生長(zhǎng)到一定程度后隨即被迅速壓縮至崩潰[22]。空化氣泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的高溫、高壓效應(yīng)及激流，使得氣泡崩潰后生成大量小氣泡，不能及時(shí)從熔池中逸出而形成氣孔。

3 結(jié)論

本文采用激光- 電弧復(fù)合焊接技術(shù)對(duì)高氮鋼進(jìn)行焊接，分別研究了保護(hù)氣體、焊絲成分和超聲振動(dòng)對(duì)焊接氣孔和氮損失的影響，所得主要結(jié)論如下:

1) 當(dāng)保護(hù)氣體為Ar+N2時(shí)，隨保護(hù)氣體中N2比例的增大，焊縫氮含量升高，氣孔率呈先降低、后升高的趨勢(shì)；當(dāng)向Ar+N2中添加2%O2后，氮含量和氣孔率明顯升高，且隨著N2比例的增大，焊縫氮含量增多，但氣孔率呈無規(guī)律變化。

2) 隨著焊絲氮含量的增加，焊縫氮含量呈先升高、后降低趨勢(shì)，焊絲氮含量達(dá)到0.6%時(shí)，焊接過程易發(fā)生爆炸過渡，焊絲氮含量損失嚴(yán)重；隨著焊絲氮含量的增加，氣孔率呈先降低、后升高趨勢(shì)，焊絲氮含量為0.2%時(shí)，焊絲中氮元素蒸發(fā)形成N2氛，抑制了熔池中氮粒子向N2的轉(zhuǎn)變。

3)超聲能量導(dǎo)入熔池后，空化效應(yīng)與聲流效應(yīng)共同促進(jìn)熔池流動(dòng)，加快了熔池中氮元素的逸出；超聲能量引起的穩(wěn)態(tài)空化效應(yīng)加快了氣泡的上浮速度，但超聲功率過大會(huì)導(dǎo)致熔池中發(fā)生瞬態(tài)空化效應(yīng)，焊縫氣孔率急劇上升。