Cr22Mn16N高氮鋼激光焊接 I焊接保護(hù)氣體組成和熱輸入對焊縫氮含量及氣孔性的影響

1、.1Cr22Mn16N高氮鋼激光焊接 I.焊接保護(hù)氣體組成和熱輸入對焊縫氮含量及氣孔性的影響第28卷第8期焊接Vo1.28No.82007年8月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONAugust20071Cr22Mn16N高氮鋼激光焊接I.焊接保護(hù)氣體組成和熱輸入對焊縫氮含量及氣孑L性的影響趙琳,一,田志凌,彭云,一,肖紅軍,趙曉兵,2(1.鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081;2.鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所,北京100081)摘要:利用c02激光對1Cr22Mn16N高氮鋼進(jìn)行了焊接,研究了焊接熱輸入和保護(hù)氣體組成對焊縫氮含

2、量,氣孑L的影響.結(jié)果表明,在相同激光焊接熱輸入條件下,隨著保護(hù)氣體中氮含量的增加,高氮鋼焊縫中的氮含量略有增加.當(dāng)采用純氬作為焊接保護(hù)氣體時,焊縫氮含量隨熱輸入的增加而減小;當(dāng)保護(hù)氣體中的氮比例達(dá)到一定比例時,焊縫氮含量隨熱輸入的增加而增大.焊接熱輸入較小的條件下焊縫易產(chǎn)生氣孑L,較大的熱輸入將抑制焊縫中氣孑L的產(chǎn)生,而且保護(hù)氣體中氮含量越高,焊縫中產(chǎn)生氣孑L的傾向越小.關(guān)鍵詞:高氮鋼;激光焊接;氮含量;氣孑L中圖分類號:TG456.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0253360X(2007)08089040青專高氮奧氏體不銹鋼(高氮鋼,氮含量一般超過質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%)是工程材料的一個重要分支,其

3、主要是利用氮元素來部分甚至完全代替合金元素鎳以獲得奧氏體組織I.高氮鋼利用氮進(jìn)行合金化而具有良好的強(qiáng)韌性和耐蝕性.高氮鋼將主要作為結(jié)構(gòu)材料來使用,能否廣泛應(yīng)用在一定程度上取決于其焊接接頭的性能,因此高氮鋼焊接技術(shù)的研究具有十分重要的意義,是高氮鋼研制成功與否的關(guān)鍵之一35o高氮鋼具有高氮的性質(zhì),其焊接時可能會出現(xiàn)如圖1所示的問題6-9:(1)焊縫區(qū)氮的損失即氮?dú)饪椎男纬珊偷囊莩?(2)焊縫區(qū)和焊接熱影響區(qū)氮化物,碳化物以及碳氮化物的析出,力學(xué)性能和抗腐蝕性能都會隨之下降;(3)焊縫凝固裂紋及熱影響區(qū)液化裂紋的形成.高氮鋼由于較高的氮含量才具有良好的性能,而在其熔焊過程中,焊縫區(qū)氮的損失降低了

4、焊縫中的固溶氮含量,從而造成接頭性能的下降,因此,高氮鋼熔焊時首先需要解決氮的損失問題,保證焊接接頭性能.作者對高氮鋼進(jìn)行激收稿日期:2OO70205基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃(973)項(xiàng)目課題(2004CB619103);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3Y)(390417)趙琳光焊接,研究了不同焊接保護(hù)氣體組成以及熱輸入對焊縫氮含量,氣孔性的影響.氮?dú)庖莩鰣D1高氮奧氏體不銹鋼熔焊時可能出現(xiàn)的焊接缺陷Fig.1Weldingdefectsinfusionweldingofhighnitrogenausteniticstainlesssteel1試驗(yàn)材料及方法試驗(yàn)材料為3iTlln厚1Cr22

5、Mn16N高氮奧氏體不銹鋼,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:C0.148,Si0.49,Mn16.00,Cr22.07,Ni0.47,N0.56,P0.029,S0.002.高氮鋼組織主要為奧氏體和少量的一鐵素體.激光焊接試驗(yàn)使用3kW快軸流co2激光器,光束模式為TEMpo+0l,聚焦元件為焦距127iTlln的ZnSe透鏡,焦點(diǎn)位置光斑直徑為0.3iTlln.試驗(yàn)中采圖2焊縫的氮含量F岣-2NcontentofvIJeIdS圖3焊縫的氣孔性Fig-3Poros/ofWe一承'羽暴啊氅|F札黛岳擐擴(kuò)霸讎4麴第8期趙琳,等:1Cr22Mn16N高氮鋼激光焊接91A模式(凝固的初始相和中止

6、相均為),相),AF模式(初始相為),相,終止相為相),F模式(初始相和終止相均為相)和FA模式(初始相為相,終止相為),相).當(dāng)焊縫凝固模式為F,FA模式時,氮在一鐵素體中的溶解度很小,凝固過程氮溶解度的驟變,加劇了氮?dú)饪仔纬傻膬A向;當(dāng)焊縫凝固模式為A,AF模式時,氮在),一鐵素體中的溶解度較大,凝固過程氮溶解度不會產(chǎn)生驟變,不會增大氮?dú)饪椎男纬蓛A向.根據(jù)文獻(xiàn)6,凝固模式可由Cr,Ni當(dāng)量(Creq/Ni)的比例來劃分F模式:1.95Creq/Niq.FA模式:1.48Creq/Niq1.95.A,AF模式:Creq/Nia1.14.Creq=Cr%+Mo%+1.5XSi%+0.5XNb%,

7、(1)Nieq=Ni%+30XC%+0.5XMn%.(2)氮是促進(jìn)奧氏體形成的元素,因此對于高氮鋼,Ni當(dāng)量公式修改為Nicq=Ni%+30XC%+0.5XMn%+p+N%.(3)根據(jù)文獻(xiàn)6,系數(shù)盧為13.430,1Cr22Mn16N高氮鋼Cre./Ni范圍為0.771.11,所以1Cr22Mn16N高氮鋼焊縫凝固模式為A,AF模式.圖5所示的焊縫組織為奧氏體和少量一鐵素體,由此可知高氮鋼焊縫凝固模式為AF模式,則在凝固過程氮溶解度不會產(chǎn)生驟變.另一方面,高氮鋼激光焊接焊縫的氮含量變化較小,低于奧氏體中氮的溶解度,因此,焊縫中的氮?dú)饪撞皇且驗(yàn)槟踢^程金屬固液態(tài)中氮的溶解度不同而造成的.圖5焊縫

8、組織Fig.5Microstructureofweld高氮鋼焊縫的氣孔性規(guī)律是由保護(hù)氣體中氮的分壓和熔池存在時間等因素決定的.焊縫熔池中存在氮?dú)馀c氮的平衡,如式(4)所示.保護(hù)氣體中氮分壓增大時,促進(jìn)熔池中的氮?dú)庀虻D(zhuǎn)變,提高了氮?dú)饪仔纬傻臈l件,抑制了熔池中氮?dú)馀莸漠a(chǎn)生傾向.當(dāng)熱輸人為120J/mm時,較小的熱輸入使熔池存在時間較短,無論保護(hù)氣體中氮的分壓如何變化,液態(tài)金屬中的氮?dú)庖莩龌蚬倘懿怀浞?氮以氣孔的形式留在了焊縫中;當(dāng)熱輸人為300J/ram時,較大的熱輸入使熔池獲得了較長的存在時間,液態(tài)金屬中的氮?dú)庖莩龌蚬倘茌^為充分,焊縫中沒有出現(xiàn)氣孔;當(dāng)熱輸人為180,240J/mm時,熔池有一

9、定的存在時問,此時保護(hù)氣體中氮的分壓起到了決定性的作用,隨著保護(hù)氣體中氮含量的增大,焊縫中氣孔從有向無轉(zhuǎn)變.因此,激光焊接條件下,熱輸入越大,保護(hù)氣體中氮的比例越高,焊縫中產(chǎn)生氣孔的傾向越小.吉N2一N.(4)3結(jié)論(1)在相同激光焊接熱輸入條件下,隨著保護(hù)氣體中氮含量的增加,高氮鋼焊縫中的氮含量略有增加.當(dāng)采用純氬作為焊接保護(hù)氣體時,焊縫氮含量隨熱輸入的增加而減小;當(dāng)保護(hù)氣體中的氮?dú)獗壤_(dá)到一定比例時,焊縫氮含量隨熱輸入的增加而增大.總而言之,高氮鋼激光焊接焊縫的氮含量變化較小,與母材的氮含量相當(dāng).(2)對于高氮鋼激光焊接的氣孔性,熱輸入較小的條件下焊縫易產(chǎn)生氣孔,較大的熱輸入將抑制焊縫中氣

10、孔的產(chǎn)生,而且保護(hù)氣體中氮含量越高,焊縫中產(chǎn)生氣孔的傾向越小.參考文獻(xiàn):1SpeidelMO,SpeidelHJ.NitrogencontainingaustenitiestainlesssteelslCJ/ProceedingsofIntemationalConferenceOnHishNitrogenSteels2OO6Siehuan,China,2006:2l一29.2BetasH.ManufactureandapplicationofhighnitrogensteelsJ.ISIJInternational,1996,36(7):909914.13J'tal'y,erM

11、,RennhardC,HerethM,eta/RecentdevelopmentontheweldabilityofanewhnitrogenstainlesssteelJ_Materi.alsScienceForum,1999,318320:591596.【4JHeazmanS,PattersonRJ,81oreR,eta/InfluenceofshieldinggascompositionandweldingparametersontheN-contentandorro.-sionpropertiesofweldsinNalloyedstainlessSteelJ.ISIJInternat

12、ional,l996,36(7):968976.5HarzenmoserM.WeldingofhishnitrogensteelsJ.MaterialsandManufacturingProcEsses,2004,19(1):7586.6WooI,KikuehiY.WeldabilityofhishnitrogenstainlesssteelJ.ISUIntemational,20o2,42(12):l334一l343.17JWooI,HorinouehiT,KiknchiY.Effectofmicrostmctureontheheataffectedgoneofhighnitrogencon

13、tainingNifreeaustenitestainlesssteelj.Trans.刪,2001,30(1):7784.下轉(zhuǎn)第95頁第8期元哲石,等:Ni+Cu為中間層的TC4與ZQSnl010的擴(kuò)散連接試驗(yàn)分析95果相一致.因此,接頭力學(xué)性能主要受鎳鈦之間形成的金屬間化合物層的影響.3結(jié)論(1)采用Ni+Cu中間層擴(kuò)散連接鈦合金TC4與銅合金ZQSnl010,其最佳工藝參數(shù)是連接溫度850,連接時間20min,連接比壓力10MPa,抗拉強(qiáng)度達(dá)到155.8MPa.'(2)在鈦合金TCA/Ni界面上,形成了成分逐漸變化的互擴(kuò)散層,即金屬間化合物區(qū).經(jīng)微區(qū)成分分析,連接溫度為800時,

14、界面主要為NTi;850cc時,界面主要為Ni3Ti及NiTi;880時,界面主要為NiTi2,Ni3Ti及NiTi.(3)通過EDS和XRD分析,接頭強(qiáng)度主要取決于鎳鈦金屬間化合物的種類及厚度.參考文獻(xiàn):1HighbergerWT.AdvancedTimaterialsandprocesforapplicationtonavalaircraftstructuresJ.Materials,1980(10):539553.2李卓然,張九海,馮吉才.錫青銅一鎳一鋼擴(kuò)散連接工藝研究J.焊接技術(shù),1999(2):67.3李卓然,張九海,馮吉才.錫青銅與鋼的擴(kuò)散連接J.宇航材料工藝,1999(3):51

15、54.4WangJuan,LiYajiang;LiuPeng.XRDandTEManalysisontheFe3AI/188stainlesssteeldi肺sionbondedinterfacelJJ.MaterialsLetters,2003,57(2627):43234327.5西本和俊.Rsus3o4UlJC,1zr談散接合界面組絨解析J.溶接學(xué)會文集,1997,15(4):639642.6張凱鋒,吳為.TB21CulTB2擴(kuò)散焊的界面反應(yīng)J.中國有色金屬,2OOO,lO(1):1721.7趙熹華,韓立軍,楊泉.鈦合金一銅合金擴(kuò)散焊接接合區(qū)形貌研究J.焊接,1997,I8(12):l2

16、一l6.8郭偉,趙熹華,宋敏霞.TC4/Ni/QAI1031.5擴(kuò)散連接研究J.焊接,2005,26(7):6366.【9HinotaniS.ThemierostruetureofdiffusionbondedTi/NiinterfacelJJ.TransJlM,1988,29(2):116124.作者簡介:元哲石,男,1952年出生,副教授.研究方向?yàn)楝F(xiàn)代焊接方法與焊接電源.發(fā)表論文l0余篇.Email:yummsjiu,edu,cn上接第91頁8LiaoJS.NitrideDreciplitationinweldHAZ$ofadul:IlexstainlesssteellJJ.ISI.IInternational,2001,41(5):46O一467.9OgawaM,HiraokaK,KatadaY,eta/.Chromimnnitrideprecipita-tionbehaviorinweldheat?affectedzolleofh曲nitrogenstainlessste