高氮钢双面双弧TIG焊接接头组织性能研究

侯瑶，王克鸿

(南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

高氮钢是指氮在铁素体中含量高于0.08%或在奥氏体基体中高于0.4%时的钢[1]。高氮奥氏体不锈钢同传统的奥氏体钢相比较，由于其中含有较高的氮含量，奥氏体组织的稳定性得到了加强，而且在一定程度上降低了生产成本，同时高氮钢具有高强度、高塑韧性、高冲击硬化性、无磁性和耐蚀性等优异性能[2-4]，在国防、民用领域等方面都有广泛应用。

高氮钢的应用难点就在于如何在焊接过程中避免各种焊接缺陷，如焊接裂纹、气孔、氮化物等。这些缺陷都是影响接头性能的重要原因。焊接过程中，熔池中的氮在溶解度和活度差的双重作用下形成氮气逸出焊缝，一方面会导致氮损失，降低焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能，另一方面氮气来不及排出就会在焊缝形成氮气孔或与熔池中的合金元素结合形成氮化物。氮气孔和脆性氮化物会更直接地损害焊缝的力学性能。因此，抑制焊接过程中氮含量的损失和氮气孔的形成是在焊接高氮钢时首要考虑的问题。现阶段解决此类问题的关键是减小在焊接过程中的氮的逸出，即为固氮。本文通过在保护气中添加一定含量的氮气来降低电弧空间与熔池内的活度差，从而达到抑制氮的逸出、避免焊接缺陷的目的。

基于TIG焊接工艺，采用双机器人协同双面双弧TIG焊接系统，对7mm厚高氮奥氏体不锈钢板进行对接立焊试验研究。通过向Ar保护气中加入不同比例的N2的方式，开展N2的加入对焊接接头力学性能及微观组织影响研究。

1 试验材料与方法

试验材料为试制的高氮奥氏体不锈钢Cr21Mn15Ni1MoN，组织为奥氏体基体加少量铁素体。主要质量分数见表1。

表1 高氮钢Cr21Mn15Ni1MoN质量分数 wt%

高氮钢焊接试板尺寸为300mm×150mm×7mm，采用双面双弧立焊对接，不开坡口两面同时施焊。焊前用酒精清洗连接面和试板表面，去除油污，随后用不锈钢丝刷清理表面氧化膜，并将连接面打磨光滑平整，以保证对接间隙不大1mm，避免产生未熔合、未焊透等焊接缺陷。焊接后采用线切割制备金相试样并分别对焊接接头进行金相分析及维氏硬度检测。实验设备为工业机器人MH6，焊接电源为MagicWave 4000焊机，通过调节电流值来改变焊缝热输入。

由于高氮钢焊接过程中保护气体成分是一个重要的焊接参数，能够直接影响焊缝中氮含量、气孔性和焊缝组织物相，因此在焊接过程中采用 N2-Ar 二元气体配比器来调节保护气中的氮气比例，两侧轴向流量分别为13 L/min，采用4种保护气组分：1) 100%Ar；2) 10%N2+90%Ar；3) 20%N2+80%Ar；4) 40%N2+60%Ar，对应编号为1#、2#、3#、4#，焊接速度25 cm/min。

2 试验结果及分析

2.1 焊接接头微观组织

由图1(b)可知，当保护气为纯Ar时，焊缝组织为奥氏体树枝晶，基体为奥氏体，晶粒细长，且大小均匀，生长方向基本相同。

如图1(c)、图1(d)、图1(e)可知，当保护气中氮气比例达到10%以上之后，焊缝组织为单相胞状奥氏体晶和断续的骨架状奥氏体树枝晶，还有较多奥氏体柱状晶。此后焊缝的凝固模式为A模式，凝固初始相和最终相均为奥氏体，冷却过程中未发生相变。由于凝固时在奥氏体中溶解度较低的元素被排出，最后形成明显的树枝晶轮廓，相较于1#焊缝组织，晶粒尺寸发生了明显的变化。焊缝中未发现凝固裂纹的生成，这是因为熔池中S、P含量极少，避免了凝固过程中形成较多的低熔点液相组织，降低了热裂的敏感性。

图1 焊缝显微组织

对比图1(c)、图1(d)和图1(e)发现，2#和3#焊缝组织，奥氏体晶粒的分布更加均匀密致，而且晶粒的大小也很均匀，生长方向各异，其中3#焊缝组织微观组织更优。4#枝晶臂有变粗变短的趋势，且枝晶间距变大，同时枝晶方向更加无序。枝晶的交错生长，有利于改善因奥氏体枝晶粗大恶化焊缝组织性能的作用。

由上分析可知，在保护气中加入一定量的N2能够改变奥氏体形态，起到细化树枝晶、打乱晶粒生长方向的作用。氮气加入量为10%和20%时，晶粒生长方向有交错趋势；氮气加入量为40%时，晶粒生长方向完全交错，而且树枝晶有粗化和短化的倾向；20%的氮气加入能够最大化地细化树枝晶且打乱树枝晶生长方向，呈优异的微观组织形态。焊缝始终以A模式结晶凝固。

2.2 接头拉伸性能及其断口形貌

按照《焊接接头拉伸试验方法》制取横向拉伸试样，用线切割设备制作拉伸试样，焊缝余高磨平，加载速率为3mm/s。拉伸试验选用SHT4106万能试验机，在室温下进行拉伸试验，拉伸结果如表2所示。

表2 四组焊接接头拉伸试验结果

由表2可知，焊接接头断裂位置均位于焊缝处，焊接接头抗拉强度大小依次为3#>2#>4#>1#；未加氮气保护的1#焊缝抗拉强度最低，仅为816 MPa，氮气加入量为20%的3#焊缝抗拉强度最高，达到了857 MPa，氮气加入量为10%的2#焊缝抗拉强度为848 MPa，氮气加入量为40%的4#抗拉强度分别为830 MPa。

由表2可知，保护气中氮气的加入会对最终的焊接接头力学性能产生影响，但是存在一个峰值。20%氮气的加入能够较大程度提高焊缝力学性能。

为了进一步深入了解氮气的加入对力学性能影响，将拉伸断口置于FEI Quanta 250F扫描电镜下细致观察焊接接头断口形貌，如图2所示。

图2 拉伸断口形貌

从图2中可以看出，断口中含有若干显微孔洞，这些孔洞在母材轧制的过程中被压成不规则的扁平状孔隙。在正拉应力的作用下，孔隙处首先开裂并在孔隙边缘形成少量的准解理面；在随后的拉伸过程中，材料内部形成微孔，在拉应力的作用下，微孔生长、合并形成韧窝。韧窝的大小、深度及形貌在一定程度上能够反映焊接接头的塑性，韧窝越大且深度越深、分布越均匀，其塑性越好。图2中还可以看出，部分韧窝中还观察到第二相颗粒，这与氮气的加入与第二相颗粒形成机理关系密切，在拉伸过程中微型孔洞易在第二相质点处形核并长大。

从图2(b)、图2(c)中可以看出，当保护气中氮气比例为10%和20%时，断口形貌为细小的等轴韧窝，并且存在许多显微气孔，可以看出焊缝断裂方式为韧性断裂。从图2中还可以看出，韧窝较深而且比较均匀，在等轴韧窝中分布着微米级的气孔，而且焊缝断裂之前无明显屈服。可能就是因为较多的显微气孔造成的，这些孔洞在拉伸作用下最终呈椭圆状。图2(d)中断口韧窝较图2(b)、图2(c)中宽度和深度均减小，而且大小各异，塑性变形程度有所下降，并且在断口中存在较大的气孔。

2.3 焊接接头的硬度分布

采用HVS-1000 2数显显微硬度计对焊接接头显微硬度进行测试，设定载荷为2.94 N，保荷10 s，压头为正四棱锥体。横向取点，从焊缝中心起，沿垂直于焊缝的方向每隔0.2 mm取观测点，重复测量两次并取平均值。图3为各焊接接头焊缝及近焊缝区域硬度场分布曲线。

图3 焊接接头显微硬度图

图3(a)-图3(d) 4个图中硬度场分布曲线趋势几乎一致。在距离焊缝中心2 mm左右处硬度值开始显著下降；在距离焊缝中心4 mm左右处硬度值开始显著上升。对应地，在实际焊接接头上，距离焊缝中心约2 mm处左侧为焊缝区，右侧为热影响区；距焊缝中心约4 mm处左侧为热影响区，右侧为母材区。由此可以看出：本文所使用的高氮钢材料的焊缝中，热影响区的显微硬度值最低，其最小值为257 HV；在不同的氮含量下，焊缝区的显微硬度值在一定范围内变化，但是始终介于热影响区和母材之间。母材的显微硬度值最高，可达到399 HV。

分析焊接接头显微硬度值如此分布的原因：1)在焊接热输入的影响下，由焊缝的显微组织可得，热影响区的晶粒尺寸明显大于焊缝区以及母材，根据材料的硬度值与晶粒尺寸大小关系可得，晶粒尺寸越大，硬度值越低；2)焊缝内的氮含量会影响硬度值的大小。氮元素固溶在奥氏体面心立方中，随着保护气中氮气比例的增加，焊缝中的固溶氮含量会提高，氮对奥氏体的间隙强化作用也会越来越明显，而焊缝区内的氮含量是始终低于母材中固溶氮含量的。因此，母材中的显微硬度值始终是高于焊缝区和热影响区。

另外，综合分析图3发现，随着保护气中氮气比例的增加，焊缝区的显微硬度是先增大后变小的。当保护气为纯氩时，焊缝中的平均显微硬度值最低，为304.222 HV，占母材的79.8%；当保护气中氮气比例为20%时，焊缝中的平均显微硬度值最高，达到331.9 HV，为母材的87%。

因此可知，一定量的氮气保护能够固溶到焊缝奥氏体晶格中，起到固溶强化并提高焊缝硬度的作用。20%氮气的加入能最大化地改善焊缝区硬度下降的趋势。

3 分析及讨论

不同含量氮气的加入对高氮钢焊接接头抗拉强度、拉伸断口韧窝形态、硬度分布及微观组织均产生了明显的作用，适当含量氮气的加入能提高焊缝力学性能并改善焊缝树枝晶状态。

1#焊缝保护气为纯Ar，其抗拉强度最低，仅有816 MPa，断口韧窝尺寸均匀细小；其接头显微硬度值相较于其他3组焊缝也最低，这是因为在焊接过程中存在较为明显的氮损失。其微观组织为奥氏体树枝晶+少量铁素体。2#和4#焊缝分别在保护气中加入了10%N2和40% N2，其抗拉强度分别为848 MPa和830 MPa，较1#焊缝有所提高，在断口显微组织图中观察，其韧窝尺寸也较1#断口的韧窝尺寸较大；焊接接头焊缝区显微硬度值与1#相比也都有所提高；微观组织为奥氏体树枝晶，晶粒生长方向趋于交错，凝固模式为A模式。3#焊缝保护气中加入了20%氮气，抗拉强度最高，达到了857 MPa；其断口韧窝尺寸也更加大且深，焊接接头平均显微硬度值最高；焊缝奥氏体组织细小均匀且生长方向交错，未观察到铁素体的存在，以A模式凝固结晶。

因此，综合比较，当在保护气中加入20%的N2时，能够最大限度地提高焊缝的力学性能并细化奥氏体树枝晶，凝固模式为A模式。

4 结语

1) 采用双面双弧TIG焊的方法，在焊接保护气中使用20%N2+80%Ar的组合，在相应的焊接参数下，能最大程度提高焊接接头抗拉强度，强度值达到了857 MPa。

2) 不同比例氮气保护气氛下的焊接接头，焊缝区硬度均低于母材且大于热影响区。保护气中N2比例达到20%时，焊缝区域显微硬度的优化效果最为显著。

3) 氮气的加入能够改变焊缝奥氏体的结晶形态，起到细化晶粒的作用。20%氮气的加入时，晶粒细小均匀，焊缝组织较为优异。

[1] M. O. Speidel, H.J.Speidel, Nitrogen containing austenitie stainless steels[A]高氮钢国际会议论文集[C], 2006.

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[3] Woo I, Horinouchi T, Kikuchi Y. Effect of microstructure on the heat affected zone of high nitrogen containing Ni-free austenite stainless steel[J]. Transaction of JWRI, 2001, 30(1): 77-84.

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