焊丝含氮量及焊接电流对高氮钢焊缝组织和性能影响

0 序 言

高氮奥氏体不锈钢(以下简称为高氮钢)是使用N元素代替昂贵的Ni元素作为主要的奥氏体化元素的新型钢种，由于固溶在钢中的氮元素有着较高的层错能[1]，从而在优化材料组织的同时，还大幅提高了材料的力学性能，同时高氮奥氏体不锈钢表现出来的低成本、高加工硬化率、良好的抗腐蚀性能与人体的生物相容性使其在大型结构、军事工程、海洋平台和医疗器械等都有广阔的应用前景[2-4].但是，高氮钢在焊接过程中存在固溶氮元素聚集逸出，使焊接接头的性能下降的突出问题[5]，焊接性成为制约其推广应用的主要因素. 目前解决这一问题的主流办法是采用含氮气的多元保护气体和在焊接填充材料中加入一定量的N元素，通过熔滴传质作用向焊缝中增氮[6-9]. 由于焊接材料中加入了一定量的N元素，如果控制不当，会导致焊接接头的气孔倾向性加大[10]. 基于这一问题，利用自主研制的两种含氮量不同的焊丝进行焊接工艺试验，研究焊接工艺参数和焊丝氮含量对焊缝气孔倾向性、微观组织及力学性能等的影响规律，为高氮奥氏体不锈钢熔化极气体保护焊焊接工艺参数选择和焊接材料合金成分设计及优化提供理论参考依据.

表1 焊丝及母材化学成分(质量分数，%)
Table1 Chemical compositions of the welding wire and base metal

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1 试验方法

N元素在奥氏体中具有较高的固溶度，所以全奥氏体组织能够保证焊缝中具有高含量的固溶N元素. 但是，高氮奥氏体不锈钢在焊接过程中焊缝为全奥氏体时会表现出很高的热裂敏感性. 因此，设计高氮钢焊丝成分的过程中，在确定N元素含量的基础上，根据Thermo-Calc相图计算结果，通过调整其它合金元素含量使得焊缝中产生一定数量的高温铁素体来降低焊接热裂敏感性，设计的焊丝合金成分如表1所示，氮含量分别为0.35%和0.85%. 图1为采用热力学软件Thermo-Calc计算的氮含量为0.35%和0.85%的高氮钢焊丝平衡相图. 从图中可以看出，两种高氮钢焊丝凝固模式均为FA模式，即凝固过程中先析出铁素体，再析出奥氏体. 虽然N元素在高温铁素体溶解度较小，但是由于焊接过程为非平衡态过程，且L+δ两相区窗口较窄，在高冷速条件下可以快速通过δ相区，进入冷速较慢的含γ的相区，在该相区内绝大多数N元素溶解到溶解度较高的奥氏体中.

作物生根期之后，还有一个重要的时期——作物开花期，此时对于钙需求量并不大，更需补充硼肥促进花的形成。而硼钙又可相互促进吸收，所以开花期进行钙硼同补可促进硼的吸收，从而有利于作物开花。

图1 高氮钢焊丝平衡相图
Fig.1 Equilibrium phase diagram of high nitrogen stainless steel welding wires

焊接时使用萨福MIG480TRI焊接电源，采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接试验，焊丝直径1.2 mm，氩气作为保护气体. 焊接试验过程中采用的高氮钢母材化学成分如表1所示，厚度为15 mm，V形坡口，坡口角度为60°，焊接试板间隙2 mm，采用紫铜垫板，单边试板反变形角度为5°. 为了研究焊接工艺参数对焊缝组织及性能的影响，选择四组不同的焊接工艺参数进行试验，工艺参数如表2所示. 为了研究两种焊丝在不同焊接电流条件下的气孔倾向性，采用X射线对焊接接头进行无损探伤.

表2 焊接工艺参数
Table2 Welding parameters

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2 试验结果及分析

2.1 焊接电流对焊缝含氮量的影响

高氮奥氏体不锈钢焊缝中的N元素主要有两个来源(1)焊丝通过熔滴过渡的方式向焊缝过渡氮元素；(2)母材在焊接热源作用下，熔池附近的母材被熔化，母材中固溶的氮元素过渡到熔池中.

图2所示为两种高氮奥氏体不锈钢焊丝制备的焊缝金属中N元素含量随焊接电流的变化，可以看出两种焊丝向焊缝的增氮效果显著，0.35%N焊丝所得焊缝的固溶含氮量稳定在0.35%左右，与焊丝含氮量相近，低于母材含氮量；而0.85%N的焊丝所得焊缝的固溶含氮量稳定在0.75%左右，略低于焊丝含氮量，与母材含氮量相当. 焊缝中固溶含氮量随电流变化并不明显.

图2 焊缝中固溶含氮量随焊接电流的变化
Fig.2 Variation of solid solution nitrogen content in weld metal with welding current

2.2 焊接电流对焊接接头气孔的影响

不同焊接电流下的焊接接头X射线无损检测结果如图3所示. 从图中可以看出，含氮量为0.35%的高氮钢焊丝，焊缝中气孔数量比较少，除了在收弧处发现少量的气孔外，焊缝中基本没有气孔. 而含氮量0.85%的高氮钢焊丝，其气孔倾向性较大，并且气孔均匀地分布于焊缝之中. 此外，对于0.85%的高氮钢焊丝，当焊接电流从220 A增加到240 A过程中，焊缝金属中的气孔数量变化不大；当焊接电流进一步增加到280 A时，气孔数量明显减少.这是由于随着焊接电流增大，焊接熔池热输入增加，熔池体积增大并且存在时间更长，使得熔池中的氮气孔具有充足的时间逸出. 另一方面，焊接电流的增加会加剧电弧对熔池的搅拌作用，促进氮气的逸出，氮气孔数量减少.

为了完成对机械手的底座、机身、主横梁、主悬梁等构件的相对运动关系描述和简化计算，这里不考虑机身的旋转，将底座与机身看作机架固定，其它构件简化为基本杆件，结构简图如图1所示。

图3 焊接接头X射线检测结果
Fig.3 X-ray inspection of the welded joints

2.3 焊接电流对高氮钢焊接接头微观组织的影响

在焊丝成分设计过程中，根据Thermo-Calc相图计算结果，针对不同氮含量通过调整焊丝中的Mn元素和Ni元素含量，使得焊缝中产生一定量的高温铁素体. 但是由于焊接过程为非平衡过程，影响焊缝组织的因素十分复杂，高氮钢焊接过程中合金元素的偏析和氮元素的逸出，会导致焊缝组织合金元素偏离平衡状态. 如图4所示，焊缝金属微观组织中奥氏体基体上分布着骨架状的铁素体.

图4 焊缝微观组织
Fig.4 Microstructure of the weld metal

对不同氮含量焊丝所获得的微观组织形貌进行SEM观察，如图5所示，可以看出焊接电流的变化对焊缝微观组织影响不大. 在不同氮含量的焊丝之间进行对比(图5a与图5c，图5b与图5d)，可以看出氮含量为0.85%的焊丝制备的焊缝组织中铁素体较氮含量为0.35%的焊丝更加粗大，其原因主要是因为元素含量存在较大的差异. 首先0.35%N焊丝中含有更多的Ni元素，而Ni元素是强奥氏体形成元素，可以有效地抑制焊缝中铁素体的形成，而且由图2可以看出，采用高氮焊丝所得焊缝中N元素含量略低于焊丝含氮量，也就是说高氮焊丝在焊接过程中N元素的逸出也要多于低氮焊丝，从而导致了焊缝中铁素体的形态更加粗大.

图5 不同氮含量焊丝焊缝中铁素体形貌对比
Fig.5 Morphology of ferrite in the weld metals with different nitrogen content

2.4 焊接电流对高氮钢焊接接头力学性能的影响

图6 为两种高氮钢焊丝制备的焊接接头抗拉强度和断后伸长率随焊接电流的变化. 对于含氮量0.35%的焊丝，随着焊接电流的增大，抗拉强度没有明显的变化，断后伸长率有所增加. 对于含氮量0.85%的焊丝，抗拉强度随焊接电流增加未出现明显变化，而断后伸长率出现了一定的波动，与焊缝中存在大量的气孔有关. 两种不同氮含量的焊丝之间相比，含氮量0.85%的焊丝制备的焊缝抗拉强度高于含氮量0.35%的焊丝焊缝，这是由于前者固溶氮含量高，产生的固溶强化效果高于后者的缘故. 此外，两种焊丝的断后伸长率差别不大.

图6 室温拉伸性能随焊接电流的变化
Fig.6 Variation of tensile properties at ambient temperature with welding current

图7为焊接接头焊缝冲击吸收能量随焊接电流的变化，可以看出，随着焊接电流的增加，两种不同氮含量的高氮钢焊丝焊缝的冲击韧性表现了一定的波动性，这种变化可能与焊缝中存在气孔有关. 此外，0.35%N的焊丝焊缝的冲击韧性普遍高于0.85%N焊丝(除240 A)，结合2.3节的分析，这是由于0.85%N焊丝焊缝组织中铁素体比较粗大，而且存在大量的气孔，从而使得冲击韧性有一定程度的降低.

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图7 冲击吸收能量随焊接电流的变化
Fig.7 Variation of impact energy with welding current

3 结 论

(1)随着高氮钢焊丝中氮含量的增加，焊缝气孔倾向性增加，铁素体尺寸变得粗大，抗拉强度明显增加，断后伸长率和冲击吸收能量变化不大.

根据表6可以得到结论 ：GDPL、LGAS、LENERGY之间存在长期的协整关系，可以进行回归，然后就得到协整方程如下：GDPL=0.005094-0.444544LGAS+0.216941LENERGY R2=0.894404；Adjusted R2=0.788808；F=30.723140

(2)焊接电流对高氮钢焊缝气孔倾向性、微观组织和力学性能的影响取决于焊丝中的氮含量：随着焊接电流的增加，氮含量0.35%的焊丝焊缝均未观察到气孔，高温铁素体形貌变化不大，抗拉强度和断后延伸率均增加；氮含量0.85%的高氮钢焊缝抗拉强度和延伸率变化不大，具有很高的气孔倾向，当焊接电流增大到一定值后，气孔倾向明显降低.

参考文献：

[1]U. 卡曼奇. 曼德里. 高氮钢和不锈钢: 生产、性能与应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006

[2]Katada Y, Sagara M, Kobayashi Y, et al. Fabrication of high strength high nitrogen stainless steel with excellent corrosion resistance and its mechanical properties[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2004, 19(1): 19 - 30.

[3]Yang K, Ren Y. Nickel-free austenitic stainless steels for medical applications[J]. Science and Technology of Advanced Materials,2010, 11(1): 014105.

[4]Stein G, Hucklenbroich I. Manufacturing and applications of high nitrogen steels[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2004,19(1): 7 - 17.

[5]Woo I, Kikuchi Y. Weldability of high nitrogen stainless steel[J].ISIJ International, 2002, 42(12): 1334 - 1343.

[6]Qiang W, Wang K. Shielding gas effects on double-sided synchronous autogenous GTA weldability of high nitrogen austenitic stainless steel[J]. Journal of Materials Processing Technology,2017, 250: 169 - 181.

[7]强 伟, 王克鸿, 侯 瑶. 保护气体中氮气比例对高氮钢双面同轴TIG焊接工艺性的影响[J]. 焊接学报, 2017, 38(9): 70 - 74.

Qiang Wei, Wang Kehong, Hou Yao. Effect of N2 ratio in shielding gas on welding process characteristic in double-sided coaxial TIG welding of high nitrogen steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2017, 38(9): 70 - 74.

[8]明 珠, 王克鸿, 王 伟. E2507N高氮奥氏体不锈钢药芯焊丝焊接工艺性[J]. 焊接, 2018(9): 53 - 56, 68.

Ming Zhu, Wang Kehong, Wang Wei. Welding process analysis of E2507N high nitrogen austenitic stainless steel flux cored wire[J]. Transactions of the China Welding Institution, Welding &Joining, 2018(9): 53 - 56, 68.

[9]明 珠, 王克鸿, 王 伟, 等. 焊丝成分对高氮不锈钢GMAW稳定性及熔滴过渡行为的影响[J]. 焊接学报, 2018, 39(7): 24 -28.

Ming Zhu, Wang Kehong, Wang Wei, et al. Effect of welding wire compositions on welding process stability and droplet transfer behavior of high nitrogen stainless steel GMAW[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2018, 39(7): 24 - 28.

[10]荆 皓, 王克鸿, 强 伟, 等. 氮含量对高氮钢PMIG焊接头组织和性能的影响[J]. 焊接学报, 2017, 38(4): 95 - 98.

Jing Hao, Wang Kehong, Qiang Wei, et al. Influence of N-content on microstructure and mechanical properties of PMIG welding joints of high nitrogen steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2017, 38(4): 95 - 98.