宋曉龍

（長春理工大學，長春 130022）

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激光-電弧復(fù)合焊接下高氮鋼的焊接接頭力學性能

宋曉龍

（長春理工大學，長春 130022）

摘 要：采用激光-電弧復(fù)合焊接方法，獲得材質(zhì)為Cr18Mn18N的高氮鋼板材的焊接接頭。然后，對該焊接接頭分別進行拉伸、硬度和彎曲等力學性能試驗。結(jié)果表明，焊接接頭的硬度和強度均高于母材，且焊接接頭的彎曲試驗滿足ISO 5173標準。

關(guān)鍵詞：激光-電弧復(fù)合焊接 高氮鋼 焊接接頭 力學性能

近年來，受我國對不銹鋼巨大需求的刺激，加上迅速發(fā)展的電鍍、化工及電池等行業(yè)對原鎳和再生鎳需求的迅速增長，鎳價一路走高。而高氮無鎳不銹鋼的優(yōu)異性能，使其可以廣泛應(yīng)用于電力、造船、鐵路、低溫工程、化學裝備、壓力容器以及石油和核工業(yè)。但是，由于生產(chǎn)不銹鋼所必需的原材料鎳的資源有限，所以研究開發(fā)節(jié)約鎳的不銹鋼十分必要。高氮無鎳奧氏體不銹鋼相對于傳統(tǒng)的Cr-Ni系奧氏體不銹鋼，具有節(jié)鎳特點，也帶來了巨大的經(jīng)濟效益。同時，它又具有高強度、高韌性和優(yōu)異的耐蝕性能，成為目前材料科學研究的重點[1]。激光-電弧復(fù)合焊接是把激光熱源與電弧熱源耦合作用在一個區(qū)域進行焊接的一種新方式。這種方式能夠減少一個熱源焊接的缺點，充分利用兩種熱源的獨自優(yōu)點，成為目前制造工業(yè)上最具應(yīng)用前景的焊接方法之一。激光-電弧復(fù)合焊接具有較強的搭橋能力、大的熔深、高的焊接速度等諸多優(yōu)點，已在船舶制造、石油化工、冶金等領(lǐng)域得到了實際應(yīng)用。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)由于成功解決部分由于厚板結(jié)構(gòu)件電弧焊接帶來的一些問題，而在工業(yè)生產(chǎn)中飽受歡迎。利用激光-電弧復(fù)合焊焊接高氮鋼，可以使高氮鋼的應(yīng)用前景更為廣泛。

1 焊接工藝

1.1 焊接材料

本次試驗所選用的高氮鋼板材為Cr18Mn18N，板厚為20mm，其在室溫下使用最低屈服強度不低于355MPa[2]；在零下20℃時做沖擊試驗，沖擊功值不低于27J；供貨狀態(tài)為正火軋制。高氮鋼母材的化學成分如表1所示。

表1 高氮鋼母材的化學成分

2.2 填充材料與保護氣體

高氮鋼母材的焊接性雖然與等強度低合金熱軋鋼相似，但是考慮到焊縫金屬與母材耐蝕性相匹配，試驗中采用的填充材料為低合金高強鋼氣保焊用實芯焊絲ISO 14341-A： G 42 4 M(C) G0，焊絲直徑Φ=1.2mm。通過填充的實芯焊絲添加合金元素，保證焊縫金屬良好的耐蝕性和韌性等綜合力學性能[3]，其化學成分組成如表2所示。保護氣體則為80%氬氣和20%二氧化碳的混合氣體。

表2 焊絲的化學成分

2.3 焊接方法

焊接時采用對接的接頭方式。針對20mm厚對接接頭做鈍邊打底層焊接試驗，20mm厚對接接頭采用Y型坡口形式，8mm鈍邊，坡口角度為40°。試驗中，激光能量與電弧耦合后在高速焊接下，由于采用的坡口形式不利于金屬蒸氣羽大量逸出而對激光產(chǎn)生散射和吸收效果，因此需要組對間隙才能在保持小孔效應(yīng)焊接熔透厚板情況下，同時完美實現(xiàn)填充金屬下滲致使焊背成型良好[4]。速度過慢則會導(dǎo)致填充材料量過大，焊縫背面容易出現(xiàn)焊熘缺陷。本實驗在鈍邊高速焊接的條件下，充分考慮電弧與激光復(fù)合后的焊縫成型效果，選擇合理的組對間隙。改變組對間隙：左邊起始0mm至右邊結(jié)束1mm。焊背熔化極氣保焊點冷固后進行鈍邊焊接。焊接工藝參數(shù)為：激光功率6000W，光絲間距2mm，光絲夾角15°，離焦量-2mm，焊接電流230A，焊接速度1m/min，保護氣體則為氬氣和二氧化碳混合氣（80%Ar+20%CO2），氣體流量為25L/min。

3 焊接接頭力學性能測試

3.1 焊接接頭的拉伸測試

對20mm厚高氮鋼對接接頭進行拉伸試驗后發(fā)現(xiàn)，拉伸試驗斷口位置全部發(fā)生在母材上。由此可知，焊接接頭的強度要高于母材[5]。高氮鋼復(fù)合焊接接頭在拉伸過程中母材部位產(chǎn)生明顯的頸縮，斷口表面有纖維狀塑性變形特性。高氮鋼標準規(guī)定的屈服強度最低值為355MPa。由拉伸試驗結(jié)果可知，激光-電弧復(fù)合多層焊接接頭的屈服強度完全滿足要求，且通過斷口形貌發(fā)現(xiàn)，焊接接頭拉伸斷裂形式為韌性斷裂。

3.2 焊接接頭的硬度測試

對焊接接頭進行維氏硬度測試后，其硬度分布曲線如圖1所示。圖1中，HR、HF分別為距離焊接接頭下表面（主要受激光熱源影響）、上表面（主要受電弧熱源影響）2mm的硬度分布曲線。

圖1 對接接頭的硬度分布曲線

打底層焊縫為均勻細小的針狀鐵素體和珠光體組織，填充層焊縫由塊狀的先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體、針狀鐵素體和少量的珠光體組成[6]。焊縫區(qū)金屬的硬度相比母材區(qū)要高些。與填充層焊縫相比，打底層焊縫的硬度值要高些。這主要歸因于打底層焊縫金屬主要受激光熱源作用，在焊接過程中線熱輸入能量低，冷卻速度大，導(dǎo)致組織較填充層有所細化。高氮鋼焊接接頭中，過熱區(qū)的硬度最高。這主要歸因于過熱區(qū)組織為粗大的鐵素體和珠光體，同時存在一些粗大的羽毛狀上貝氏體組織。細晶區(qū)為正火組織，由均勻細小的鐵素體和珠光體組成，其硬度值要高于不完全相變重結(jié)晶區(qū)和母材區(qū)。不完全相變重結(jié)晶區(qū)的組織由沒有經(jīng)過相變重結(jié)晶的粗大鐵素體和經(jīng)過相變重結(jié)晶的細小鐵素體和珠光體組成。該區(qū)硬度值略高于母材。復(fù)合焊接的最高硬度為313HV，沒有出現(xiàn)硬度過激值。

3.3 焊接接頭的彎曲試驗

參考ISO 5173標準，當彎曲試驗樣件厚度大于或等于12mm時，可用四個側(cè)彎試驗代替兩個正彎和兩個背彎試驗。由彎曲試驗結(jié)果可知，1號試樣在彎曲區(qū)出現(xiàn)長度約為0.5mm的微裂紋，位于焊縫中心區(qū)域。由于焊縫金屬的枝晶對向生長，將焊縫熔池金屬中存在的一些雜質(zhì)推到中心區(qū)域。在彎曲應(yīng)力的作用下，焊縫中心區(qū)域為薄弱部位發(fā)生開裂。3號試樣在打底層焊縫和填充層焊縫交界處部位存在長度分別約為1.5mm、1.2mm的相互交錯微裂紋。該區(qū)域為層間的熔合線部位，組織粗大。另外，此處為激光主要作用和電弧主要作用的交界區(qū)域，下部和上部焊縫金屬結(jié)晶方向較為混亂，所以存在較大的應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致彎曲過程中易在此部位發(fā)生開裂。試驗過程中，4個彎曲試驗樣件的彎曲區(qū)沒有在任何位置上發(fā)現(xiàn)單條大于3mm的裂紋缺陷，20mm對接接頭激光-電弧復(fù)合多層焊接彎曲試驗滿足ISO 5173標準。

4 結(jié)論

本文采用激光-電弧復(fù)合多層焊接技術(shù)，對20mm厚對接接頭Cr18Mn18N高氮鋼進行焊接。通過試驗，得出如下結(jié)論。

第一，通過硬度測試結(jié)果表明，耐候鋼復(fù)合焊接接頭的硬度值高于母材，最高值為313HV，出現(xiàn)在過熱區(qū)。

第二，焊接接頭屈服強度最低值為438.93MPa，斷裂位置在母材上。

第三，側(cè)彎實驗在其拉伸面上產(chǎn)生了最大值為1.5mm的微裂紋，但是滿足相關(guān)標準。

參考文獻

[1]王松濤.高氮奧氏體不銹鋼的力學行為及氮的作用機理[D].沈陽：中國科學院研究生院，2008.

[2]鄭啟光.激光先進制造技術(shù)[M].武漢：華中科技大學出版社，2002．

[3]陳秀深.用不等厚鋼板進行車門內(nèi)板的沖壓成形[J].機電工程技術(shù)，2002，（4）：60-61.

[4]李偉，李應(yīng)紅，何衛(wèi)鋒，等.激光沖擊強化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].激光與光電子學進展，2008，（12）：15-19.

[5]盧秉恒，李滌塵.增材制造技術(shù)發(fā)展[J].機械制造與自動化，2013，（4）：1-4.

[6]呂高尚，史春元，董春林，等.激光-電弧復(fù)合熱源焊接研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù)，2005，（5）：86-88.

Laser-mechanical Properties of Welded Joints Arc Welding under HNS

SONG Xiaolong
(Changchun University of Technology,Changchun 130022)

Abstract:Laser-arc hybrid welding m ethod to obtain material for Cr18Mn18N of high nitrogen steel plate welded joints, then stretching the welded joints, hardness and bending and other mechanical properties, res pectively. T he res ults s howed that the hardness and strength of welded joints were higher than the base metal, and the bending tes t of welded joints meet ISO 5173 standards.

Key words:Laser-Arc Welding,Nitrogen steel,Welded joints,Mechanical Properties