徐娟娟， 王克鴻， 彭　勇， 江俊龍， 楊嘉佳

(1.南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京210094; 2.泰州南京理工大學(xué)研究院， 江蘇 泰州 225300)

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熱輸入對(duì)高氮鋼光纖激光焊接接頭氣孔及組織性能的影響

徐娟娟1，2， 王克鴻1,2， 彭勇1， 江俊龍1,2， 楊嘉佳1

(1.南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京210094; 2.泰州南京理工大學(xué)研究院， 江蘇 泰州 225300)

摘要采用光纖激光對(duì)7 mm高氮鋼進(jìn)行焊接，研究了不同熱輸入對(duì)高氮鋼焊接接頭氣孔及微觀組織性能的影響。結(jié)果表明：隨著焊接熱輸入的提高，焊縫中氣孔數(shù)量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，當(dāng)熱輸入為400 kJ/m 時(shí)幾乎無(wú)氣孔。高氮鋼母材組織為奧氏體，部分以孿晶形式存在；焊縫組織為鑄態(tài)細(xì)晶粒奧氏體組織，彌散分布部分CrN析出物；隨著熱輸入的增加，熱影響區(qū)寬度及晶粒尺寸明顯增加。對(duì)比接頭顯微硬度值和力學(xué)性能可知，隨著熱輸入的增加，焊縫及熱影響區(qū)硬度值逐漸減小。拉伸試驗(yàn)斷裂部位均為焊縫區(qū)，最高抗拉強(qiáng)度為971.4 MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的94.3%。

關(guān)鍵詞激光焊接高氮鋼熱輸入氣孔微觀組織力學(xué)性能

Effect of Heat Input on Stomatal Resistance and Mechanical Properties of High Nitrogen Steel Plate Laser Welding Joint

XU Juan-juan1,2, WANG Ke-hong1,2, PENG Yong1,JIANG Jun-long1,2, YANG Jia-jia1

(1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094, China; 2.Taizhou Research Institute of Nanjing University of Science and Technology, Taizhou Jiangsu 225300, China)

AbstractThis paper is carried out basing on the 7 mm high nitrogen steels fiber laser welding. The effect of heat input on stomatal resistance, microstructure and mechanical properties are researched. Results are as following: with the improvement of heat input, the number of stoma reduced but then increased later. when the heat input is 400 kJ/m, the stoma is almost disappeared. The high nitrogen austenitic stainless steel base metal is of austenite and part is in the form of twins. The weld is of cast fine austenite grains， partly dispersing Cr2N nitrides. Heat-affected zone width and the grain size increased significantly with the increasing of heat input. Comparing the micro-hardness and mechanical properties of different welding parameters, we can know that the hardness of the weld and heat-affected zone decreased with the increasing of heat input. Cleavage sites are all the weld zone during tensile test. The maximum tensile strength is 971.4 MPa, reaching 94.3% of the base material strength.

Keywords WeldingHigh nitrogen steelHeat inputStomaMicrostructure

Mechanical property

0引言

近年來(lái)不銹鋼發(fā)展迅猛，導(dǎo)致了對(duì)鎳的需求升高，尋求代替鎳元素并同時(shí)獲得較好力學(xué)性能和耐蝕性的元素成為行業(yè)人士研究的重點(diǎn)。

通常來(lái)說(shuō)，高氮奧氏體不銹鋼 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)高氮鋼)的氮含量超過(guò)0.4%，其主要利用N元素部分甚至完全代替合金元素Ni在室溫甚至低溫下獲得單相奧氏體組織[1]。利用氮進(jìn)行合金化具有很多優(yōu)點(diǎn)[2～5]：(1) 與碳相比,氮為更加有效的固溶強(qiáng)化元素,同時(shí)可以促進(jìn)晶粒細(xì)化；(2) 氮是強(qiáng)烈的奧氏體化形成元素,可以減少合金中的鎳含量,降低鐵素體和形變馬氏體形成能力。

高氮鋼之所以具有較好的性能大部分取決于較高的氮含量，其在焊接時(shí)容易出現(xiàn)氮化 物、氮?dú)饪椎鹊獡p失問(wèn)題，嚴(yán)重影響高氮鋼的性能，因此減少其焊接過(guò)程中的氮損失尤為關(guān)鍵。近年來(lái)，高氮鋼的焊接方法主要集中在MIG、TIG等，這些方法可以獲得成形較好的焊接接頭，然而由于焊接速度較慢易造成固溶氮損失。激光焊接具有能量密度大、焊接速度快、焊縫窄、熱影響區(qū)小的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于焊接各種鋼材料。國(guó)內(nèi)對(duì)高氮鋼激光焊接的研究主要集中在薄板，而板厚越厚對(duì)于氣孔的控制越困難。作者對(duì)7 mm厚高氮奧氏體鋼進(jìn)行激光焊接，研究其氣孔存在規(guī)律，并對(duì)接頭微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行研究，為高氮鋼激光焊接提供理論參考及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑楦叩獖W氏體不銹鋼板材，尺寸為300 mm×150 mm×7 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　母材化學(xué)成分

1.2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為IPG公司生產(chǎn)的YLS-10000型光纖激光器、Precitec公司的YW52焊接頭。激光器額定輸出功率為10 kW，工作模式為連續(xù)，發(fā)射激光波長(zhǎng)為1.07 μm，通過(guò)芯徑為200 μm的光纖傳輸。焊接頭聚焦光斑直徑為0.40 mm，10 kW激光輸出時(shí)，焦斑處激光束功率密度高達(dá)7.96×106W/cm。

試驗(yàn)采用99.9999%氬氣作為保護(hù)氣，正面和背面保護(hù)氣流量分別為20 L/min和25 L/min。試驗(yàn)保持激光功率和離焦量不變，調(diào)節(jié)焊接速度，得到六組不同線能量下的對(duì)接焊接接頭試樣，試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2所示，其中熱輸入Q=p/v。

結(jié)果表明，六組工藝參數(shù)下，7 mm厚高氮鋼板材均為焊透。針對(duì)各組焊接接頭，分別對(duì)其進(jìn)行X射線探傷、顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試，分析熱輸入對(duì)接頭氮?dú)饪缀徒M織性能的影響。

表2　焊接工藝參數(shù)

2結(jié)果與討論

2.1熱輸入對(duì)氣孔的影響

圖1為六組熱輸入下高氮鋼焊接接頭的X射線探傷照片，其中(a)熱輸入最大，(b)、(c)、(d)、(e) 、次之，(f)熱輸入最小。從圖中對(duì)比可見(jiàn)，(a)、(b)、(f)中氮?dú)饪状蠖芗?c)中幾乎沒(méi)有氮?dú)饪?，隨著熱輸入的增加，氣孔數(shù)量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。這是由于在激光焊接過(guò)程中不添加填充金屬，母材只發(fā)生快速熔化和快速凝固，因此在焊接過(guò)程中氮容易從奧氏體中脫離，以氮?dú)饪谆虻锏男问酱嬖?。在快速熔化過(guò)程中氮?dú)庠谌鄢貎?nèi)部形成并逐漸向上逸出，隨著熱源前移熔池快速凝固形成焊縫，來(lái)不及逸出的氮?dú)獗銣粲诤缚p中形成氮?dú)饪?。同時(shí)，在大功率激光焊接過(guò)程中，總是伴隨著焊接小孔的產(chǎn)生，即使是功率穩(wěn)定的連續(xù)激光焊接，小孔仍然處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)小孔的形狀以及深度位置都會(huì)發(fā)生變化。小孔內(nèi)部的金屬蒸汽向外噴發(fā)時(shí)容易造成蒸汽渦流，從而將保護(hù)氣體卷入小孔內(nèi)。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，小孔坍塌，氣體從尾部逸出上浮，由于激光焊接熔池存在時(shí)間短，氣體在上浮過(guò)程中受到阻礙，滯留在焊縫中形成氣孔。焊接過(guò)程中氮的行為分為兩個(gè)階段，固溶氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖约暗獨(dú)獾囊莩觥彷斎胼^小時(shí)，焊接速度較快，熔池存在時(shí)間短暫，液態(tài)金屬中的氮?dú)猱a(chǎn)生和逸出都不充分，這時(shí)小孔穩(wěn)定性起決定作用，隨著焊接速度的增加，熔池?cái)嚢枇υ黾樱】追€(wěn)定性下降，氣孔數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加。而當(dāng)焊接速度過(guò)慢，即熱輸入超過(guò)某一臨界值時(shí)，熔池存在時(shí)間長(zhǎng)，液態(tài)金屬凝固時(shí)間增加，這時(shí)氮?dú)猱a(chǎn)生過(guò)程起決定作用，因此熔池中再次出現(xiàn)較多的氮?dú)饪?。?dāng)熱輸入達(dá)到臨界值時(shí)，焊縫中幾乎無(wú)氣孔。

由于600 kJ/m和1 200 kJ/m熱輸入條件下缺陷較多，無(wú)研究?jī)r(jià)值，故下文不進(jìn)行這兩組焊接接頭的性能檢測(cè)。

圖1　不同熱輸入下的接頭X射線圖

2.2 熱輸入對(duì)微觀組織的影響

圖2　高氮鋼母材　　　　　　　　　　　圖3　5 000倍母材掃描電鏡圖像

圖4　接頭金相組織

圖5　不同熱輸入下的熱影響區(qū)組織

圖2為光學(xué)顯微鏡下高氮奧氏體不銹鋼的母材組織，其中母材組織為細(xì)小均勻的等軸奧氏體，部分晶粒呈孿晶分布。對(duì)這一部分作掃描電鏡分析，如圖3所示，母材存在部分長(zhǎng)約7 μm 的扁長(zhǎng)微觀氣孔，在奧氏體晶粒內(nèi)部出現(xiàn)位向相同的束狀組織，不同晶粒的束狀組織呈現(xiàn)各向異性。區(qū)域1晶粒束狀組織生長(zhǎng)方向垂直于觀察方向，呈半球狀；區(qū)域2晶粒束狀組織生長(zhǎng)方向發(fā)生傾斜，呈長(zhǎng)條狀；區(qū)域3束狀組織生長(zhǎng)方向平行于界面，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后變得平滑，無(wú)明顯凸起。圖4為熱輸入為400 kJ/m的焊接接頭組織圖，圖(a)為100倍下的焊接接頭，焊接時(shí)受熱熔化的母材形成的熔池液態(tài)金屬以未熔化的母材金屬晶粒邊界為現(xiàn)成表面進(jìn)行結(jié)晶，并逆向最大散熱方向生長(zhǎng)，即呈柱狀晶垂直于熱影響區(qū)邊界往焊縫中心生長(zhǎng)，兩側(cè)柱狀晶在焊縫中心處相遇。圖(b)為焊縫組織,奧氏體基體下彌散分布部分氮化物析出物。 圖5為不同熱輸入下的熱影響區(qū)組織圖，(a)、(b)、(c)、(d)熱輸入依次減小。熱影響區(qū)組織為奧氏體組織，部分以孿晶形式存在，相對(duì)于母材來(lái)說(shuō)晶粒明顯長(zhǎng)大。從圖中對(duì)比可知，四種熱輸入下熱影響區(qū)寬度及晶粒大小有所不同，線能量越大，熱影響區(qū)寬度越寬，晶粒越粗大。熱輸入為400 kJ/m時(shí)熱影響區(qū)寬度為120 μm，相比熱輸入為200 kJ/m時(shí)增加140%。 分析認(rèn)為，熱輸入大時(shí)，焊接速度較慢，加熱和冷卻時(shí)間長(zhǎng)，接頭熱影響區(qū)受熱循環(huán)影響大， 晶粒長(zhǎng)大和寬度增加明顯。

2.3熱輸入對(duì)顯微硬度的影響

對(duì)焊接接頭顯微硬度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試載荷為0.3 kg。所有測(cè)試點(diǎn)位置均在母材厚度1/2 處，由于熱影響區(qū)較窄，故采取自上而下取點(diǎn)求平均值的方法計(jì)算硬度值。焊縫及熱影響區(qū) 的平均硬度值隨熱輸入的變化如圖6所示。對(duì)比可知相同熱輸入下焊縫區(qū)硬度值明顯低于熱 影響區(qū)，并且隨著熱輸入的增加，焊縫及熱影響區(qū)的硬度值都略微減小。這是因?yàn)橛捕戎蹬c 晶粒大小有關(guān)，晶粒越粗大，硬度值越小。由前述金相組織分析可知，熱輸入越大，熱影響 區(qū)晶粒越粗大，因此呈現(xiàn)如圖6所示的硬度值結(jié)果。另外，由于焊縫區(qū)受焊接熱循環(huán)的影響， 出現(xiàn)氮?dú)饪谆虻莩龅那闆r，造成了固溶氮的損失，因此焊縫的硬度值相對(duì)于熱影響區(qū)來(lái)說(shuō) 略微減小。

圖6　焊接接頭顯微硬度值

2.4熱輸入對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

為測(cè)試接頭強(qiáng)度，對(duì)四組焊接試樣沿垂直焊縫方向取樣進(jìn)行焊接試驗(yàn)。斷裂部位均為焊縫。不同熱輸入下抗拉強(qiáng)度值如表3所示?？梢钥闯觯S著熱輸入的增加，抗拉強(qiáng)度值略微增加，但均低于母材，當(dāng)熱輸入為400 kJ/m時(shí)達(dá)到最大值，為母材抗拉強(qiáng)度的94.3%。這是由于接頭中存在氮?dú)饪?，在拉?yīng)力作用下這些氣孔因應(yīng)力集中成為裂紋源，而氣孔數(shù)量越多時(shí)，焊縫有效面積減少，造成抗拉強(qiáng)度下降。

表3　接頭抗拉強(qiáng)度

圖7為各個(gè)拉伸斷口掃描電鏡5 000倍放大圖，可以看出熱輸入為400 kJ/m時(shí)韌窩數(shù)量多且深，韌性較好；熱輸入為200 kJ/m時(shí)韌窩較淺分布不均勻，韌性較差。由此表明，熱輸入較大時(shí)可以獲得韌性以及強(qiáng)度性能較為優(yōu)異的焊接接頭。

圖7　斷口掃描電鏡圖

3結(jié)論

(1) 研究了板厚7 mm的高氮奧氏體不銹鋼激光焊接工藝，當(dāng)熱輸入為400 kJ/m時(shí)獲得了優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

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中圖分類(lèi)號(hào)TG406

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：徐娟娟 (1992-)，女，碩士研究生，主要從事高氮鋼激光及激光-電弧復(fù)合焊接方面的研究。

基金項(xiàng)目：科技支撐計(jì)劃工業(yè)部分(編號(hào)：BE2013107)。