氮元素对奥氏体不锈钢激光焊缝气孔和性能的影响

工艺与装备87氮元素对奥氏体不锈钢激光焊缝气孔和性能的影响周媛蔡艳衡昊坤盛洁(上海交通大学材料科学与工程学院上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海200240)摘要：为了研究氮元素对奥氏体不锈钢激光焊缝气孔和性能的影响，分别采用氮气和氩气作为侧吹保护气 体，对焊缝进行了 X射线无损探伤、显微硬度试验、常温拉伸试验。

试验结果表明，与氩气相比，采用氮气作为 保护气体，能明显减少焊缝中气孔的数量，并且能略提高焊缝区的显微硬度值。

这两种气体保护下的焊缝的抗拉 强度均大于母材，焊缝得到强化。

关键词：光纤激光焊奥氏体不锈钢氮元素气孔性能引言不锈钢具有耐腐蚀、耐高温、耐高压、高强度、高硬 度等优点，自20世纪初问世以来，便广泛应用于汽车、航 空航天、建筑、船舶工业、石油化工等各业[1]。

不锈钢按 照组织分类可以分为五类，分别为马氏体不锈钢、奥氏体 不锈钢、双相不锈钢、铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

其中，奥氏体不锈钢塑形韧性良好、冷热加工性能倶佳，其焊接性也优于其他不锈钢种。

因此，奥氏体不锈钢在各 种类型的不锈钢中得到了最为广泛的应用。

通常，奥氏体不锈钢中含有少量的铁素体组织，有助于 提髙钢材的抗热裂纹性能和耐腐蚀性能。

但是，由于奥氏体 和铁素体的电极电位不同，因此奥氏体不锈钢中的铁素体相 的含量不宜过高，否则会增大点蚀倾向，造成耐腐蚀性能下 降。

在焊接过程的非平衡热力学条件下，焊缝金属的化学成 分因凝固过程中的偏析而很不均匀，从而使得奥氏体不锈钢 焊缝中的铁素体含量可能较高并且分布很不均匀。

有研宄表 明[2]，奥氏体不锈钢中铁素体含量的最佳范围应小于3%。

传统焊接方法得到的奥氏体不锈钢焊缝金属中，铁素体含量 可达到5%〜7%；而激光焊接过程的热输入较髙、冷却速度快，铁素体组织的比例更髙，不利于接头的耐腐蚀性能。

国内外的研宄学者提出了通过添加氮元素的方式来抑 制不锈钢接头中的铁素体相，增加接头性能。

上海交通大 学的赖睿等人在光纤激光焊接双相不锈钢的过程，通过在 侧吹气体中添加氮气的方式调节2205双相不锈钢的焊缝组 织，结果表明氮元素的添加能有效促进奥氏体的形成，且 能提髙焊接接头的耐腐蚀性能。

Salazar等人研究了 M I G焊 5m m不锈钢在保护气体中添加氮气时对接头性能的影响，试 验结果表明氮气的最佳含量在3%〜5%，焊缝的耐蚀性能与 母材接近。

这些研宄主要是研宄针对加入氮元素后对接头 耐腐蚀性能的影响，而对于氮元素对焊缝中气孔和力学性 能的影响方面研宄还较少。

本文在光纤激光焊接奥氏体不锈钢过程中，分别采用氮 气和氩气作为保护气体，对焊接接头进行X射线无损探伤、显 微硬度试验和常温拉伸试验，以探宄氮元素对焊缝气孔和力学 性能的影响，从而为实际的生产过程提供工艺优化思路。

1试验条件与方法试验所釆用的焊接母材为SUS304奥氏体不锈钢板，又叫做18/8不锈钢，化学成分如表1所示。

将钢板加工成 250m m X150m m X10m m的样品用于光纤激光焊接试验，试验前用丙酮清洗钢板表面，以除去板材表面的油污。

表1304奥氏体不锈钢母材化学成分（wt, % )元素C Si Mn P S Ni Cr N Fe含量0.070.460.780.0320.0068.118. 320.011other 试验采用德国I P G公司生产的、型号为YLS-10000-cw 的光纤激光器。

该光纤激光器的最大输出功率为10kW，激 光能量近似于髙斯分布。

激光头安装在德国K U K A六轴联动 机器人上，由于光纤激光器采用光纤传输，因此能够实现 比C02激光焊接更加灵活、更加复杂的焊接过程。

本试验采用的焊接方式为激光平板堆焊，试验装置示 意图如图1所示。

侧吹气体采用A r和N2两种气体，侧吹气 体管的内径为8mm，管子与水平面的夹角为45°，管子中 心到试样上表面的垂直距离为8mm，管子对准焊缝中心的熔 池区域进行保护。

试验中所采用的试验参数如表2所示。

属熔化焊焊接接头照片》国家标准进行X射线无损检测，以探测焊缝中气孔的数量和分布。

所使用的X射线探伤设 备型号为HS-XY-450/2045，其最大穿透力能达到110mm,管电压设置为130kV，管电流设置为10mA。

对各种参数条件下的焊接接头进行显微硬度试验，试 验中所采用的载荷大小为300g，保持时间为15s。

测试 前，将试样按照金相制样的要求加工，并且在金相腐蚀液 中浸泡20s左右，腐蚀出焊缝、热影响区的痕迹，然后放基金项目：国家自然科学基金（51475297)。

88现代制造技术与裝备2017第3期总第244期置在显微硬度计的载物台上进行测量。

根据焊接接头的形 貌特征，沿着焊缝的横向，分别测量了母材、热影响区、接头内部等三个区域的硬度。

每个硬度点之间的距离为300 u m，所打的硬度区的范围长度为9mm，一共打了 30个 位置的硬度。

硬度的测量位置如图2所示。

表2光纤激光焊接参数试验激光功率焊接速度离焦量保护气保护气流量编号/kW/ (m/min)/mm成分/ (L/min)1#7 1.2_6N2102#71.2_6n2203#71.2-6n2304#71.2_6Ar105#71.2-6Ar206#71.2-6Ar30图2显微硬度测量位置示意图此外，分别对各种参数条件下的焊接接头进行常温拉 伸试验。

拉伸试样的具体尺寸，如图3所示。

为了避免试 样表面出现应力集中的情况，试验前对焊缝的余高进行了 打磨处理。

同时，用80#、180#、400#、800#水磨砂纸依 次对拉伸样的正反两面进行打磨，保证试样表面的平行度 一致。

拉伸试验采用的是型号为MTS370的电液伺服加载试 验机，所采用的引伸计为25mm，拉伸速度为4mm/min。

抗 拉强度由控制拉伸试验机的计算机自动得出，试样的延伸 率通过试样的标距按如式（1)计算所得到，本试验中试样 的标距为L〇=25mm。

另外，可以明显观察到，在较大的气体流量下，A r保护时，焊缝表面的飞溅明显多于N2保护时。

(a)N210L/min (d)A r lO L/m in(c)N230L/m in (f)A r 30L/m in图4不同参数条件下的焊缝形貌2.2氮元素对焊缝中气孔的影响X射线无损检测N220L/m i n和Ar 20L/m i n两种情况下 的焊缝，得到的照片如图5所示。

图5两种气体条件下X射线气孔扫描结果图从X射线扫描结果中明显发现，N2作为保护气体时，焊缝内几乎没有气孔存在，而在A r作为保护气体时的焊缝 中发现了气孔的存在（图片中焊缝上的黑点即为气孔），且气孔主要沿着焊缝中线分布。

气孔的产生需要两个条件，一是小孔的不稳定性在液 态熔池中产生气泡；二是液态金属的流动和凝固，必须保 证气泡在逃逸或者溶解前凝固将其困在焊缝中。

Matsunama 的研宄表明，在激光焊缝中的气孔中测出了金属蒸汽和保护 气体的成分，说明在激光深熔焊产生匙孔的过程中，匙孔在 喷发金属蒸汽的同时，有部分保护气体沿着熔池表面被吸 收入匙孔中。

而A r是一种惰性气体，不与不锈钢液体或者 金属蒸汽发生反应，且不溶解于液体金属。

因此，熔池中 的A r气泡只能通过浮力和熔池的对流运动而排出。

而激光 焊接过程冷却速度快，因此气泡从熔池中溢出很困难。

所以，5斧腦(1)图3拉伸试样形状和尺寸2试验结果与讨论2.1氮元素对焊缝表面形貌的影响为了防止焊接后的板材在空气中氧化，在每道焊缝刚 焊完后，就对焊缝的表面形貌进行拍摄，得到六种参数情 况下的焊缝表面形貌，如图4所示。

对比这几张照片可以发现，这六种参数条件下的焊缝 表面均未出现表面塌陷或者咬边的情况。

焊缝表面的颜色 均成灰黑色，说明在焊接过程中焊缝都被空气轻微氧化，并且随着侧吹气体流量的增加，焊缝宽度均稍有所增加。

A r为保护气体的焊缝中都发现了比较多的气孔。

而N2可以 与不锈钢中的C r元素反应形成氮化铬，且N2能够溶解于不 锈钢熔池中，这样可以大大减少液体中气泡的数量。

因此，用凡为保护气体时，焊缝中的气孔很少。

2.3氮元素对接头显微硬度的影响试验得到的N2 30L/m i n和Ar 30L/m i n条件下所测量的 硬度值，如图6所示。

将不同气体条件下测出的各个区域 的硬度值进行统计，分别算出焊缝区、母材、热影响区各 个位置的显微硬度的平均值，结果如图7所示。

由图可知，焊接接头的热影响区、母材、焊缝三个区 域的维氏硬度值的大小顺序为：热影响区 >母材 >焊缝。

对比N2和A r作为保护气体时的焊缝各个区域的硬度值发现，两种气体条件下，母材和热影响区的显微硬度值几乎 没有差别，而用队作为保护气体时，焊缝区的显微硬度值 要略高于用A r保护条件时的焊缝区。

铁素体是碳溶解在ci-F e中的间隙固溶体。

它具有体 心立方晶格，溶碳的能力很低，常温下仅能溶解约0.0008% 的碳，在727°C时最大溶碳能力也只为0.02%。

因此，铁素工艺与装备89力学性能，满足实际工程应用的需要。

700S . 400S 300200 1000 1020 3040 50 60延伸率（％)图9应力应变曲线3结论(1) N2*A r 两种保护气体条件下，焊缝表面均为灰黑色，都被轻微氧化。

气体流量越大，焊缝越宽；且在较大的气体流量下，A r 保护时焊缝表面的飞溅明显多于队保护时。

(2)与A r 相比，使用N2作为保护气体能够明显减少焊缝中气孔的数量。

(3) 采用N2*A r 作为保护气体时，焊接接头的显微硬度的分布情况均为热影响区>母材>焊缝。

两种气体条 件下，母材和热影响区的显微硬度值几乎没有差别。

然而， 用N2作为保护气体时，焊缝区的显微硬度值要略高于用Ar 保护时的焊缝区。

(4) 采用N2和A r 作为保护气体，接头拉伸试样在拉伸 过程中均经历了从弹性变形到塑性变形最后断裂的过程，焊 缝的抗拉强度均大于母材。

在光纤激光焊接过程中，焊缝得 到强化，焊缝有较好的力学性能，可满足实际工程应用的需要。

参考文献[1] 陈俊科，石岩，倪聪，等.线能量对奥氏体不锈钢激光焊接质量的影响[J].激光技术，2015，39 (6) : 850-853.[2] 吉章红.奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量对性能的影响[J].中国特种设备安全，2012，(12) ： 18.Effects of Nitrogen on the Pores and Properties ofFiber Laser Austenitic Stainless Steel JointsZHOU Yuan,GAI Yan,HENG Haokun,SHENG Jie(1.School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240;2.Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification,Shanghai 200240)Abstract ： Nitrogen and argon were used as side assist gases to study the effects of nitrogen on the pores and properties of fiber laser austenitic stainless steel joints. X-ray nondestructive test, micro hardness test and room temperature tensile test were carried out. Experimental results showed that nitrogen could significantly reduce the number of pores in the welds and could slightly increase the hardness of weld area. The tensile strength of t he welds with these two gases was greater than that of t he base metal, the welds were strengthened.Key words ： fiber laser welding, austenitic stainless steel, nitrogen; pores, properties195190距离焊缝中心的长度（mm )图6不同气体条件下的维氏硬度值I ~lAr180-L ^^H -----------------------------焊缝区母材热影响区图7不同气体条件下焊缝各区域显微硬度2.4氮元素对接头拉伸性能的影响六种气体保护条件下的试样拉伸后均断在母材位置，拉伸后的试样形状（以5#试样为例）及算得的应力应变曲 线分别如图8、图9所示。