節(jié)鎳型中/高氮奧氏體不銹鋼焊接研究進(jìn)展

黃雅馨，孫明輝，喬雷，馬青軍，韋晨，武鵬博，孫徠博

1.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192

2.福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 福建福州 352100

3.中石化國(guó)際事業(yè)天津有限公司 天津 300000

4.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

1 序言

在碳素鋼中加入合金元素，通過(guò)合金元素與Fe、C以及合金元素之間的相互作用，改變鋼的相變過(guò)程和組織，可獲得具有特殊性能的合金鋼。這些合金元素通常以固溶體（溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體等組織中）、強(qiáng)化相（形成金屬化合物、滲碳體、碳化物等）、非金屬夾雜物（氧化物、硫化物和氮化物等）及游離態(tài)等形式而存在[1]。通常將wCr＞10.5%的鐵基合金稱為不銹鋼，按組織結(jié)構(gòu)可將不銹鋼分為鐵素體型、奧氏體型、馬氏體型、奧氏體-鐵素體雙相型及沉淀強(qiáng)化型。無(wú)磁性的奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)韌匹配、良好的耐蝕性，同時(shí)兼具優(yōu)良的焊接性及可加工性，從而廣泛應(yīng)用于軌道交通、壓力容器、航空航天及化工機(jī)械等重點(diǎn)領(lǐng)域[2]。

不銹鋼的組織結(jié)構(gòu)及性能主要取決于鋼中添加的合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W及V等，這些元素在鋼中對(duì)鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生很大影響，根據(jù)其作用是擴(kuò)大、縮小或封閉γ相區(qū)可分為兩類：一類是奧氏體形成元素主要包括C、N、Ni、Mn和Cu等，這些元素可擴(kuò)大奧氏體區(qū)；另一類為鐵素體形成元素Cr、Mo、Si、Al等，這些元素會(huì)縮小甚至封閉奧氏體區(qū)[3]。傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼，大部分以Ni作為奧氏體形成元素，雖然其具有優(yōu)異的性能，但因?yàn)镹i產(chǎn)品價(jià)格高，而N作為一種強(qiáng)烈的奧氏體穩(wěn)定化元素，以N元素取代Ni元素的低/無(wú)鎳奧氏體不銹鋼得到了極大的發(fā)展，根據(jù)不同的氮含量分為高氮鋼（wN＞0.40%）、中氮鋼（wN＝0.10%～0.40%）和控氮鋼（wN＝0.05%～0.10%）[4]。隨著中/高氮鋼應(yīng)用日趨廣泛，與之相關(guān)的焊接技術(shù)研究也取得了一定成果，因此本文針對(duì)中/高氮鋼焊縫的組織與性能、保護(hù)氣體與氮含量關(guān)系、氣孔率等方面研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述。

2 焊縫組織及性能

焊接接頭組織決定了焊接接頭性能，研究接頭的組織可為中/高氮鋼焊接工藝優(yōu)化及大規(guī)模推廣應(yīng)用提供理論參考依據(jù)和技術(shù)支撐。杜挽生等[5]使用MIG焊接1Cr22Mn16N鋼，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的組織均為奧氏體和δ-鐵素體，焊縫區(qū)的δ-鐵素體呈細(xì)長(zhǎng)條狀，而粗晶區(qū)δ-鐵素體沿奧氏體晶界生長(zhǎng)，熱影響區(qū)的δ-鐵素體數(shù)量較少，但是該區(qū)域內(nèi)有碳化物Cr23C6析出，熱影響區(qū)Cr23C6的析出導(dǎo)致該區(qū)域硬度高于母材，沖擊韌度降低。彭云[6]研究表明，1Cr22Mn15N鋼焊接熱影響區(qū)組織為奧氏體和δ-鐵素體（見(jiàn)圖1），另外還發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)中存在兩處脆化區(qū)，分別出現(xiàn)在峰值溫度為800℃和1350℃的區(qū)域，800℃區(qū)域的脆化主要是由于Cr23C6（見(jiàn)圖2）在γ/δ界面和γ/γ界面析出導(dǎo)致的，而1350℃區(qū)域的脆化主要是由于高溫下導(dǎo)致晶粒粗化，且與δ-鐵素體含量增多有關(guān)。

圖1 1Cr22Mn15N鋼MIG焊焊接接頭熱影響區(qū)組織的TEM圖像

圖2 1Cr22Mn15N鋼MIG焊焊接接頭熱影響區(qū)Cr23C6析出物TEM圖像及衍射花樣

哈爾濱焊接研究院有限公司方乃文[7，8]課題組針對(duì)08Cr19MnNi3Cu2N中氮鋼的焊接進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，使用ER308L和ER307Si焊絲作為填充金屬進(jìn)行MAG焊接，發(fā)現(xiàn)焊縫組織均為奧氏體和δ-鐵素體，在特定焊接參數(shù)下獲得的焊接接頭的過(guò)熱區(qū)未出現(xiàn)晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大現(xiàn)象，主要是由于該區(qū)域晶間析出大量Cr2N產(chǎn)生了“釘扎”作用和N元素的固溶強(qiáng)化作用，阻礙晶界移動(dòng)且抑制了晶粒合并。另外，焊接接頭沒(méi)有受到明顯的影響，最高硬度出現(xiàn)在熱影響區(qū)，為235HV5，只比母材略高，但兩組焊接接頭的耐點(diǎn)蝕能力較差。林曉輝等[9]研究了3種焊接熱輸入對(duì)中氮鋼MAG接頭組織的影響，研究發(fā)現(xiàn)較大焊接熱輸入會(huì)造成焊縫中N元素?zé)龘p嚴(yán)重，加劇氮化物（Cr2N）析出，降低奧氏體穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致焊接接頭沖擊性能下降，但較大熱輸入延長(zhǎng)了熔池存在時(shí)間且增加了熔池體積，同時(shí)能夠更好地?cái)嚢枰簯B(tài)熔池，使熔池中氣泡有足夠時(shí)間逸出，降低焊接接頭氣孔率（見(jiàn)圖3）。戴紅等[10]在該鋼種的埋弧焊接頭中也發(fā)現(xiàn)了Cr2N的存在，另外由于埋弧焊的熱輸入比MAG大，焊接接頭中未出現(xiàn)氣孔。

圖3 焊接熱輸入對(duì)低氮節(jié)鎳鋼MAG焊氣孔的影響

激光-電弧復(fù)合焊接兼具激光熱源和電弧熱源的優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)的焊接技術(shù)。辛秀成等[11]使用激光-電弧復(fù)合技術(shù)焊接高氮鋼，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)組織呈現(xiàn)樹(shù)枝晶+少量等軸晶形貌，為奧氏體+少量δ-鐵素體，但與上述研究不同的是熱影響區(qū)為奧氏體組織，且焊縫中存在由于冶金反應(yīng)生成的TiO2、MnAl2O4和硅酸鹽等第二相粒子，這會(huì)導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能下降，母材及焊縫微觀組織如圖4所示。王力鋒等[12]采用激光-電弧復(fù)合技術(shù)焊接高氮鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫主要是奧氏體組織，而“樹(shù)枝狀”δ鐵素體含量會(huì)隨著焊接熱輸入增加而增加，甚至?xí)纬设F素體束，并且激光功率和焊接電流的匹配性對(duì)焊接接頭性能產(chǎn)生很大影響，當(dāng)匹配不好時(shí)會(huì)在熔合線附近出現(xiàn)“微孔”缺欠（見(jiàn)圖5），導(dǎo)致焊接接頭熔合線部位沖擊吸收能量降低。

圖4 激光-電弧復(fù)合焊接高氮鋼母材及焊縫微觀組織

圖5 激光功率和焊接電流不匹配導(dǎo)致的微孔

大量的研究表明，高氮鋼和中氮鋼焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的組織主要是奧氏體及少量δ-鐵素體，δ-鐵素體會(huì)降低熱影響區(qū)的沖擊性能，但其彌散式分布在奧氏體晶界可以起到釘扎作用，降低晶間腐蝕敏感性，因此要合理控制δ-鐵素體含量及分布狀態(tài)[13]。另外，焊縫中可能析出氮化物（Cr2N）、碳化物（Cr23C6）及其余第二相粒子，有研究發(fā)現(xiàn)焊接高氮鋼時(shí)合金元素的種類和含量會(huì)影響氮化物和碳化物的析出情況，當(dāng)鋼的成分為wC＝0.06%～0.32%、wN＝0.43%～0.80%）、wCr＝17.7%～22.1%、wMn＝13.8%～18.5%時(shí)，Cr2N和Cr23C6的析出情況見(jiàn)表1[14]。

表1 C/N比及溫度對(duì)Cr2N和Cr23C6析出的影響

3 焊接過(guò)程中氮遷移行為的影響

焊接接頭是焊接構(gòu)件薄弱區(qū)，其性能對(duì)焊接構(gòu)件的安全運(yùn)行至關(guān)重要。高氮鋼和中氮鋼的優(yōu)異性能主要是得益于氮的固溶強(qiáng)化能力、穩(wěn)定奧氏體能力和提高耐蝕能力[15]。然而焊接過(guò)程中，在熱源高溫作用下鋼中N元素極易發(fā)生聚集和析出，導(dǎo)致焊接接頭性能惡化。WOO[16]認(rèn)為高氮鋼焊接過(guò)程中主要存在氮逸出焊縫、氮?dú)饪住⒛塘鸭y、液化裂紋和氮化物析出等缺欠（見(jiàn)圖6），并構(gòu)建了使用含氮保護(hù)氣體焊接時(shí)焊縫中氮的遷移行為，如圖7所示。

圖6 高氮鋼焊接接頭缺欠示意

圖7 含氮保護(hù)氣體焊接時(shí)焊縫中氮的遷移行為

為了防止焊縫中氮損失導(dǎo)致接頭性能惡化，通過(guò)含氮保護(hù)氣體和含氮焊絲向焊縫中過(guò)渡氮是現(xiàn)在主流方法，在此過(guò)程中要控制好焊縫氮的總含量，以防止焊縫出現(xiàn)氮?dú)饪兹鼻?。?duì)于設(shè)計(jì)生產(chǎn)含氮焊絲而言，通過(guò)改變氮在保護(hù)氣體中的比例來(lái)調(diào)節(jié)焊縫中氮含量較為容易實(shí)現(xiàn)，成本相對(duì)較低且可達(dá)性好。焊接中氮鋼和高氮鋼所使用的主流保護(hù)氣體是氬氣和氮?dú)饨M成的混合氣，通過(guò)調(diào)整氮?dú)獗壤梢院芎玫卣{(diào)控焊縫中氮總量、焊縫組織，避免氮?dú)饪兹鼻?。鄭琳等[17]研究了保護(hù)氣體中氮?dú)夂蜌鍤獗壤昂附訜彷斎雽?duì)焊縫的影響，隨著保護(hù)氣體中氮?dú)獗壤脑黾?，高氮鋼中的氮含量稍有變高（?jiàn)圖8），較大熱輸入能夠抑制氮?dú)饪壮霈F(xiàn)（見(jiàn)圖9），這與林曉輝等人的研究結(jié)果具有一致性。

圖8 保護(hù)氣體中氮?dú)夂繉?duì)焊縫氮含量的影響

圖9 保護(hù)氣體中氮?dú)夂亢蜔彷斎雽?duì)氮?dú)饪椎挠绊?/p>

荊皓等[18]通過(guò)調(diào)節(jié)PMIG焊保護(hù)氣體中氮?dú)獗壤芯苛说繉?duì)高氮鋼焊接接頭組織和性能影響，發(fā)現(xiàn)隨著焊縫中氮含量增大，鐵素體含量減少且枝晶形態(tài)由斷續(xù)骨架狀變細(xì)，二次枝晶臂變短，當(dāng)?shù)窟_(dá)到0.3%時(shí)，焊縫凝固模式是由FA模式變?yōu)锳模式，組織為單相奧氏體。另外，當(dāng)焊縫中氮含量增加時(shí)，焊縫中氣孔數(shù)量增多，焊縫室溫下沖擊吸收能量先增大后減小。

在保護(hù)氣體中加入氮?dú)庹{(diào)控焊縫中氮含量的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致其他問(wèn)題的出現(xiàn)。由于氮?dú)馀c氬氣的電離能不同，氮?dú)獾募尤霑?huì)導(dǎo)致電弧形態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響焊接電弧穩(wěn)定性。方乃文等[19，20]通過(guò)激光-MAG電弧復(fù)合焊工藝焊接了QN1803鋼，并使用高速攝像觀察92%Ar+8%N2和95%Ar+5%CO2兩種保護(hù)氣體下電弧形態(tài)，發(fā)現(xiàn)氮?dú)獾募尤雽?dǎo)致電弧弧柱寬度減?。ㄒ?jiàn)圖10），電弧穩(wěn)定性降低，飛濺增加，該現(xiàn)象也存在于激光-脈沖MAG，并且隨著保護(hù)氣體中氮?dú)獗壤脑黾訒?huì)使焊縫熔深變大，而熔寬變窄（見(jiàn)圖11）。強(qiáng)偉等[21]使用雙面同軸TIG焊接高氮鋼時(shí)，發(fā)現(xiàn)保護(hù)氣體中氮?dú)夂吭黾樱瑫?huì)使DSCTW平均弧壓以三次函數(shù)的速度變大且波動(dòng)增加，同時(shí)氮?dú)鈺?huì)引起鎢極表面燒損，且其燒損程度與氮?dú)獗壤裏o(wú)關(guān)。

圖10 兩種保護(hù)氣體下的電弧形態(tài)

圖11 不同保護(hù)氣體對(duì)熔深和熔寬的影響

焊絲中氮含量變化對(duì)焊縫影響規(guī)律與保護(hù)氣體大體一致，隨著焊絲氮含量的增加，焊縫氮含量增加，出現(xiàn)氣孔傾向變大，拉伸性能提高，同時(shí)氮含量增加可以減少焊縫中鐵素體含量，進(jìn)而降低接頭硬度。明珠等[22，23]研究發(fā)現(xiàn)焊接電流對(duì)焊縫的影響主要取決于焊絲中氮含量，含氮量的增加會(huì)使鐵素體變得粗大（見(jiàn)圖12），該現(xiàn)象還與焊絲鎳含量有關(guān)，研究所使用的0.35%N焊絲鎳含量高達(dá)7.42%，有效地抑制了焊縫中鐵素體的形成與長(zhǎng)大，而0.85%N焊絲鎳含量?jī)H有0.05%。另外，焊絲成分也會(huì)對(duì)高氮鋼焊接穩(wěn)定性及熔滴過(guò)渡行為產(chǎn)生影響，焊絲中氮含量的增加會(huì)使熔滴表面張力增加，平均過(guò)渡時(shí)間增加，熔滴尺寸較大，但熔滴不容易爆破，使過(guò)渡頻率和電信號(hào)穩(wěn)定，另外增加焊絲中氮、錳含量和降低鎳含量，可以降低達(dá)到射滴過(guò)渡所需要的極限電流。

圖12 不同氮含量焊絲焊縫中鐵素體形貌對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

大多數(shù)研究表明，節(jié)鎳型中/高氮奧氏體不銹鋼的焊縫組織為奧氏體+少量δ-鐵素體，焊縫組織

形態(tài)、氮化物（Cr2N）、碳化物（Cr23C6）及其余第二相粒子的析出，與焊接方法、焊接工藝、母材及填充金屬成分有關(guān)。通過(guò)調(diào)整保護(hù)氣體和焊絲中氮含量，可以很好地調(diào)控氮元素在焊接過(guò)程中的遷移行為，焊縫金屬中氮含量對(duì)保證焊接接頭性能、避免出現(xiàn)氮?dú)饪兹鼻分陵P(guān)重要，但要綜合考慮氮對(duì)焊接電弧形態(tài)、焊縫成形、熔滴過(guò)渡過(guò)程的綜合影響，在確保焊接過(guò)程穩(wěn)定的前提下，獲得性能優(yōu)異的焊接接頭。