激光-电弧复合焊接下高氮钢的焊接接头力学性能

宋晓龙

（长春理工大学，长春 130022）



激光-电弧复合焊接下高氮钢的焊接接头力学性能

宋晓龙

（长春理工大学，长春 130022）

摘 要：采用激光-电弧复合焊接方法，获得材质为Cr18Mn18N的高氮钢板材的焊接接头。然后，对该焊接接头分别进行拉伸、硬度和弯曲等力学性能试验。结果表明，焊接接头的硬度和强度均高于母材，且焊接接头的弯曲试验满足ISO 5173标准。

关键词：激光-电弧复合焊接 高氮钢 焊接接头 力学性能

近年来，受我国对不锈钢巨大需求的刺激，加上迅速发展的电镀、化工及电池等行业对原镍和再生镍需求的迅速增长，镍价一路走高。而高氮无镍不锈钢的优异性能，使其可以广泛应用于电力、造船、铁路、低温工程、化学装备、压力容器以及石油和核工业。但是，由于生产不锈钢所必需的原材料镍的资源有限，所以研究开发节约镍的不锈钢十分必要。高氮无镍奥氏体不锈钢相对于传统的Cr-Ni系奥氏体不锈钢，具有节镍特点，也带来了巨大的经济效益。同时，它又具有高强度、高韧性和优异的耐蚀性能，成为目前材料科学研究的重点[1]。激光-电弧复合焊接是把激光热源与电弧热源耦合作用在一个区域进行焊接的一种新方式。这种方式能够减少一个热源焊接的缺点，充分利用两种热源的独自优点，成为目前制造工业上最具应用前景的焊接方法之一。激光-电弧复合焊接具有较强的搭桥能力、大的熔深、高的焊接速度等诸多优点，已在船舶制造、石油化工、冶金等领域得到了实际应用。激光-电弧复合焊接技术由于成功解决部分由于厚板结构件电弧焊接带来的一些问题，而在工业生产中饱受欢迎。利用激光-电弧复合焊焊接高氮钢，可以使高氮钢的应用前景更为广泛。

1 焊接工艺

1.1 焊接材料

本次试验所选用的高氮钢板材为Cr18Mn18N，板厚为20mm，其在室温下使用最低屈服强度不低于355MPa[2]；在零下20℃时做冲击试验，冲击功值不低于27J；供货状态为正火轧制。高氮钢母材的化学成分如表1所示。

表1 高氮钢母材的化学成分

2.2 填充材料与保护气体

高氮钢母材的焊接性虽然与等强度低合金热轧钢相似，但是考虑到焊缝金属与母材耐蚀性相匹配，试验中采用的填充材料为低合金高强钢气保焊用实芯焊丝ISO 14341-A： G 42 4 M(C) G0，焊丝直径Φ=1.2mm。通过填充的实芯焊丝添加合金元素，保证焊缝金属良好的耐蚀性和韧性等综合力学性能[3]，其化学成分组成如表2所示。保护气体则为80%氩气和20%二氧化碳的混合气体。

表2 焊丝的化学成分

2.3 焊接方法

焊接时采用对接的接头方式。针对20mm厚对接接头做钝边打底层焊接试验，20mm厚对接接头采用Y型坡口形式，8mm钝边，坡口角度为40°。试验中，激光能量与电弧耦合后在高速焊接下，由于采用的坡口形式不利于金属蒸气羽大量逸出而对激光产生散射和吸收效果，因此需要组对间隙才能在保持小孔效应焊接熔透厚板情况下，同时完美实现填充金属下渗致使焊背成型良好[4]。速度过慢则会导致填充材料量过大，焊缝背面容易出现焊熘缺陷。本实验在钝边高速焊接的条件下，充分考虑电弧与激光复合后的焊缝成型效果，选择合理的组对间隙。改变组对间隙：左边起始0mm至右边结束1mm。焊背熔化极气保焊点冷固后进行钝边焊接。焊接工艺参数为：激光功率6000W，光丝间距2mm，光丝夹角15°，离焦量-2mm，焊接电流230A，焊接速度1m/min，保护气体则为氩气和二氧化碳混合气（80%Ar+20%CO2），气体流量为25L/min。

3 焊接接头力学性能测试

3.1 焊接接头的拉伸测试

对20mm厚高氮钢对接接头进行拉伸试验后发现，拉伸试验断口位置全部发生在母材上。由此可知，焊接接头的强度要高于母材[5]。高氮钢复合焊接接头在拉伸过程中母材部位产生明显的颈缩，断口表面有纤维状塑性变形特性。高氮钢标准规定的屈服强度最低值为355MPa。由拉伸试验结果可知，激光-电弧复合多层焊接接头的屈服强度完全满足要求，且通过断口形貌发现，焊接接头拉伸断裂形式为韧性断裂。

3.2 焊接接头的硬度测试

对焊接接头进行维氏硬度测试后，其硬度分布曲线如图1所示。图1中，HR、HF分别为距离焊接接头下表面（主要受激光热源影响）、上表面（主要受电弧热源影响）2mm的硬度分布曲线。

图1 对接接头的硬度分布曲线

打底层焊缝为均匀细小的针状铁素体和珠光体组织，填充层焊缝由块状的先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和少量的珠光体组成[6]。焊缝区金属的硬度相比母材区要高些。与填充层焊缝相比，打底层焊缝的硬度值要高些。这主要归因于打底层焊缝金属主要受激光热源作用，在焊接过程中线热输入能量低，冷却速度大，导致组织较填充层有所细化。高氮钢焊接接头中，过热区的硬度最高。这主要归因于过热区组织为粗大的铁素体和珠光体，同时存在一些粗大的羽毛状上贝氏体组织。细晶区为正火组织，由均匀细小的铁素体和珠光体组成，其硬度值要高于不完全相变重结晶区和母材区。不完全相变重结晶区的组织由没有经过相变重结晶的粗大铁素体和经过相变重结晶的细小铁素体和珠光体组成。该区硬度值略高于母材。复合焊接的最高硬度为313HV，没有出现硬度过激值。

3.3 焊接接头的弯曲试验

参考ISO 5173标准，当弯曲试验样件厚度大于或等于12mm时，可用四个侧弯试验代替两个正弯和两个背弯试验。由弯曲试验结果可知，1号试样在弯曲区出现长度约为0.5mm的微裂纹，位于焊缝中心区域。由于焊缝金属的枝晶对向生长，将焊缝熔池金属中存在的一些杂质推到中心区域。在弯曲应力的作用下，焊缝中心区域为薄弱部位发生开裂。3号试样在打底层焊缝和填充层焊缝交界处部位存在长度分别约为1.5mm、1.2mm的相互交错微裂纹。该区域为层间的熔合线部位，组织粗大。另外，此处为激光主要作用和电弧主要作用的交界区域，下部和上部焊缝金属结晶方向较为混乱，所以存在较大的应力集中效应，导致弯曲过程中易在此部位发生开裂。试验过程中，4个弯曲试验样件的弯曲区没有在任何位置上发现单条大于3mm的裂纹缺陷，20mm对接接头激光-电弧复合多层焊接弯曲试验满足ISO 5173标准。

4 结论

本文采用激光-电弧复合多层焊接技术，对20mm厚对接接头Cr18Mn18N高氮钢进行焊接。通过试验，得出如下结论。

第一，通过硬度测试结果表明，耐候钢复合焊接接头的硬度值高于母材，最高值为313HV，出现在过热区。

第二，焊接接头屈服强度最低值为438.93MPa，断裂位置在母材上。

第三，侧弯实验在其拉伸面上产生了最大值为1.5mm的微裂纹，但是满足相关标准。

参考文献

[1]王松涛.高氮奥氏体不锈钢的力学行为及氮的作用机理[D].沈阳：中国科学院研究生院，2008.

[2]郑启光.激光先进制造技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002．

[3]陈秀深.用不等厚钢板进行车门内板的冲压成形[J].机电工程技术，2002，（4）：60-61.

[4]李伟，李应红，何卫锋，等.激光冲击强化技术的发展和应用[J].激光与光电子学进展，2008，（12）：15-19.

[5]卢秉恒，李涤尘.增材制造技术发展[J].机械制造与自动化，2013，（4）：1-4.

[6]吕高尚，史春元，董春林，等.激光-电弧复合热源焊接研究及应用现状[J].航空制造技术，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