不同氮含量焊絲熔化極氣體保護(hù)焊高氮鋼的微觀組織與力學(xué)性能

馬良超，王大鋒，馬冰，陳東高，張迎迎

(中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院 焊接技術(shù)專業(yè)室，浙江 寧波 315103)

0 引言

高氮鋼是以氮代鎳而開(kāi)發(fā)的一種資源節(jié)約型不銹鋼，通常把氮含量超過(guò)0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的奧氏體不銹鋼稱為高氮不銹鋼，由于其具有高的強(qiáng)韌性、無(wú)磁性、耐蝕性等諸多優(yōu)異性能，在軍工、海洋工程、電力等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。高氮鋼焊接時(shí)，熔池中的氮元素很容易聚集析出，造成氮損失，形成氮?dú)饪?，?dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能、耐蝕性能等各方面性能顯著下降，因此在焊接過(guò)程中如何降低氮元素的損失，甚至通過(guò)技術(shù)手段向焊縫中增氮，成為高氮鋼焊接需要考慮的一個(gè)重要因素[4-6]。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列研究工作，除采用含氮的保護(hù)氣氛來(lái)對(duì)焊縫進(jìn)行固氮外，還提出了開(kāi)發(fā)含氮焊絲的新思路，即在焊絲中添加氮元素，在保證較好焊絲焊接工藝性的同時(shí)，使用含氮奧氏體不銹鋼焊絲，通過(guò)焊絲熔滴的傳質(zhì)作用來(lái)達(dá)到顯著提高焊縫金屬氮含量的目的。

荊皓等[7]采用HCr20Ni10Mn7Mo焊絲和氬-氮混合氣體對(duì)高氮鋼進(jìn)行焊接，通過(guò)調(diào)整焊接工藝獲得不同氮含量的焊接接頭，分析了焊縫中氮含量對(duì)接頭微觀組織、凝固模式和力學(xué)性能的影響。Kamiya等[8]、Zhao等[9]研究了高氮鋼焊接過(guò)程中焊縫氮析出機(jī)理和焊接氣孔形成的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，認(rèn)為焊縫熔池中的氮含量取決于所采用的保護(hù)氣體種類、焊接參數(shù)以及母材成分。劉昂[10]研究發(fā)現(xiàn)向焊縫添加MnN粉末、在保護(hù)氣體中添加一定量的氧化性氣體和氮?dú)猓梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)高氮鋼焊縫的增氮。顏澤鋼[11]采用高氮鋼焊絲和HCr20Ni10Mn7Mo焊絲，進(jìn)行了氮-氬-氧及氮-氬-二氧化碳三元熔化極氣體保護(hù)焊工藝試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)以高氮鋼焊絲為填充材料焊縫氮含量較HCr20Ni10Mn7Mo焊絲為填充材料焊縫氮含量高，隨著保護(hù)氣氛中氮?dú)獗壤奶嵘缚p中氮含量呈現(xiàn)先增大后減小并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。崔博等[12]采用激光-電弧復(fù)合焊對(duì)高氮鋼進(jìn)行焊接，研究了保護(hù)氣體成分、焊絲成分和超聲振動(dòng)對(duì)焊接接頭氣孔率和氮含量的影響。

不同含氮量的焊絲開(kāi)發(fā)主要基于焊縫組織進(jìn)行設(shè)計(jì)，從與母材組織匹配角度出發(fā)，通過(guò)調(diào)整焊絲中的合金元素組成比例，使焊縫組織為與母材相近的組織[13-14]。高氮鋼母材組織主要為奧氏體，考慮到少量的鐵素體還可以降低焊縫熱裂紋的敏感性，因此焊縫組織確定為奧氏體+少量的鐵素體。另外，在高氮鋼焊絲成分設(shè)計(jì)時(shí)，隨著焊絲中氮元素含量的增加，鎳元素含量應(yīng)相應(yīng)減少，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加能夠提高氮在熔池金屬中溶解度的合金元素。不同氮含量焊絲對(duì)高氮鋼焊縫的氮含量、氣孔傾向、微觀組織及力學(xué)性能均會(huì)產(chǎn)生不同影響。針對(duì)這一問(wèn)題，本文采用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的3種不同氮含量焊絲，進(jìn)行高氮鋼熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)工藝試驗(yàn)，研究不同氮含量焊絲對(duì)高氮鋼焊接接頭氮含量、氣孔傾向及組織性能的影響規(guī)律，以期為高氮鋼焊縫組織設(shè)計(jì)及焊絲成分優(yōu)化提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑?2 mm厚度高氮鋼，其組織主要為奧氏體且存在較多的孿晶，還有少量由于軋制產(chǎn)生的帶狀偏析，如圖1所示。焊絲采用自制的3種不同氮含量高氮鋼焊絲，焊絲直徑為φ1.2 mm.采用紅外碳硫分析儀測(cè)試高氮鋼母材及焊絲的碳含量，采用氧氮分析儀測(cè)試高氮鋼母材及焊絲的氮含量，采用等離子光譜儀測(cè)試除碳、氮外的其他合金元素，高氮鋼母材及焊絲的實(shí)測(cè)化學(xué)成分如表1所示，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。保護(hù)氣體采用Ar+2.5%CO2富氬混合氣。

圖1 高氮鋼母材組織

表1 試驗(yàn)?zāi)覆募昂附z化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用焊接機(jī)器人為日本FANUC公司產(chǎn)M-20iA型機(jī)器人，配備法國(guó)SAF公司產(chǎn) MIG480TRI焊接電源。試板尺寸為12 mm×150 mm×300 mm，坡口形式為單面V形坡口，坡口角度60°，鈍邊2 mm，裝配間隙2 mm.3種焊絲焊接試驗(yàn)均采用相同的焊接工藝規(guī)范，焊接電流190～250 A，電弧電壓22～28 V，焊接速度300～340 mm/min，氣體流量15 L/min.

焊接完成后采用美國(guó)LECO公司產(chǎn)TC600型氧氮分析儀測(cè)試焊縫氮含量；采用黃石福潤(rùn)德機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)XXG-3505型X射線檢測(cè)儀對(duì)焊接試板進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，評(píng)價(jià)焊縫的氣孔傾向；采用德國(guó)ZEISS公司產(chǎn)Axio Observer金相顯微鏡對(duì)焊接接頭的微觀組織進(jìn)行觀察，采用日本Rigaku公司產(chǎn)D/MAX-3C型X射線衍射儀分析焊縫物相；采用美國(guó)FEI公司產(chǎn)Quanta 250F型掃描電子顯微鏡及附帶的能譜儀(EDS)觀察斷口及測(cè)試焊縫合金元素含量；用MH-500顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭的顯微硬度；分別按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2651—2008 焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法和GB/T2650—2008 焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同氮含量焊絲焊縫固氮效果分析

圖2所示為不同氮含量焊絲焊縫金屬的氮含量檢測(cè)結(jié)果。由圖2可以看出，3種焊絲焊縫金屬氮含量變化規(guī)律為0.46[N]焊絲<0.61[N]焊絲<0.84[N]焊絲，即隨著焊絲氮含量的增加，焊縫金屬中的氮含量隨之增加，表明采用含氮焊絲對(duì)高氮鋼焊縫進(jìn)行固氮效果顯著。0.46[N]焊絲所得焊縫氮含量為0.45%，略低于焊絲的氮含量；0.61[N]焊絲所得焊縫氮含量為0.51%，焊縫氮含量進(jìn)一步提高，但仍低于母材的氮含量；0.84[N]焊絲焊縫氮含量為0.62%，與母材的氮含量相當(dāng)。另外可以發(fā)現(xiàn)，隨著焊絲氮含量的增加，焊縫氮含量與焊絲氮含量差值越大，表明采用高氮含量焊絲焊接時(shí)熔池中的氮元素更容易逸出。焊絲中的氮主要是通過(guò)熔滴傳質(zhì)作用過(guò)渡至焊縫中的，而高氮鋼熔焊時(shí)焊縫熔池中存在氮?dú)馀c氮的平衡反應(yīng)[15]：N2?2N.因此，焊絲氮含量越高，固溶至焊縫中的氮含量也隨之增加，在熔池凝固過(guò)程中，隨著溫度降低，固溶氮元素的溶解度發(fā)生變化，氮的溶解度下降，過(guò)飽和的氮就會(huì)以氮?dú)獾男问揭莩觯怯捎谌鄢啬趟俣容^快，來(lái)不及逸出的氮?dú)獗阋缘獨(dú)饪椎男问綔粲诤缚p中，焊絲中的氮含量越高，由于氮逸出及氮?dú)饪自斐傻牡獡p失也就越多。

圖2 不同氮含量焊絲焊縫金屬的氮含量檢測(cè)結(jié)果

2.2 不同氮含量焊絲焊縫微觀組織分析

圖3所示為不同氮含量焊絲焊縫的微觀組織。由圖3可以看出：3種焊絲焊縫組織形態(tài)差別較大，0.46[N]焊絲焊縫組織主要為奧氏體，少量的鐵素體呈細(xì)小的顆粒狀分布在奧氏體基體上；0.61[N]焊絲焊縫組織呈胞狀樹(shù)枝晶形態(tài)，由奧氏體和鐵素體組成，奧氏體晶粒較為粗大，鐵素體含量較多，鐵素體部分呈連續(xù)樹(shù)枝狀存在于胞晶晶界或枝晶界處，部分呈骨骼狀和條塊狀分布在奧氏體晶粒內(nèi)；0.84[N]焊絲焊縫組織同樣由奧氏體+鐵素體組成，鐵素體呈樹(shù)枝狀存在于奧氏體晶界處。

圖3 不同氮含量焊絲焊縫微觀組織

為了驗(yàn)證焊縫金屬的物相組成，對(duì)焊縫金屬進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：3種焊絲的焊縫金屬組織均為奧氏體+δ鐵素體，X射線衍射曲線中均未出現(xiàn)氮化物和碳化物峰，表明在焊縫金屬中幾乎無(wú)氮化物、碳化物等沉淀相析出。0.46[N]焊絲焊縫組織的鐵素體衍射峰最小，表明鐵素體含量最少，0.61[N]焊絲和0.84[N]焊絲焊縫組織的鐵素體峰比0.46[N]焊絲焊縫組織的鐵素體峰要強(qiáng)，鐵素體含量相對(duì)要高。進(jìn)一步結(jié)合圖3可以看出，0.61[N]焊絲焊縫的鐵素體含量要高于0.84[N]焊絲焊縫鐵素體含量。

圖4 不同氮含量焊絲焊縫金屬的X射線衍射分析結(jié)果

2.3 不同氮含量焊絲焊縫凝固模式分析

焊縫凝固行為及其固態(tài)相變過(guò)程是決定焊縫組織形貌的關(guān)鍵，奧氏體不銹鋼焊縫凝固時(shí)根據(jù)初始相和最終相的不同，其凝固模式可分為鐵素體凝固模式(F模式)、鐵素體-奧氏體凝固模式(FA模式)、奧氏體-鐵素體凝固模式(AF模式)、奧氏體凝固模式(A模式)4類。凝固模式可由Cr、Ni當(dāng)量Creq/Nieq的比值來(lái)劃分[16-17]：

F模式：Creq/Nieq≥1.95，

FA模式：1.48≤Creq/Nieq<1.95，

AF模式：1.25≤Creq/Nieq<1.48，

A模式：Creq/Nieq<1.25.

Creq、Nieq的計(jì)算公式分別如(1)式和(2)式所示：

Creq=WCr+1.37WMo+1.5WSi+2WNb+3WTi，

(1)

Nieq=WNi+22WC+0.31WMn+14.2WN+WCu，

(2)

式中：Creq、Nieq分別表示Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量；WCr、WMo、WSi、WNb、WTi、WNi、WC、WMn、WN、WCu分別表示Cr、Mo、Si、Nb、Ti、Ni、C、Mn、N、Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量。

為了進(jìn)一步分析3種焊絲不同的焊縫組織形貌特征，對(duì)焊縫凝固模式進(jìn)行分析。采用EDS測(cè)量3種焊絲焊縫金屬的化學(xué)成分，每種焊絲焊縫測(cè)試4個(gè)點(diǎn)，取測(cè)試結(jié)果的平均值作為計(jì)算數(shù)據(jù)，3種焊絲焊縫金屬的氮含量以圖2所示檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)(1)式和(2)式計(jì)算鉻鎳當(dāng)量，結(jié)果如表2所示。由表2可知，3種氮含量焊絲焊縫的凝固模式并未呈現(xiàn)出與氮含量變化趨勢(shì)一致的規(guī)律性，凝固模式受焊縫中各種化學(xué)成分的綜合影響。3種焊絲焊縫的Creq比較接近，而Nieq區(qū)別較大，0.46[N]焊絲焊縫的Nieq最大，Creq/Nieq最小為1.19，凝固模式為A模式，即初生相與最終相均為A；0.61[N]焊絲焊縫的Nieq最小，Creq/Nieq最大為1.56，焊縫以FA模式凝固，初生相為δ鐵素體相，奧氏體通過(guò)包晶(L+F→A)/共晶(L→F+A)反應(yīng)在鐵素體枝晶間形成，鐵素體枝晶最終轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌軤罨虬鍡l狀鐵素體；0.84[N]焊絲焊縫的凝固模式為AF模式，焊縫凝固初期先析出A相，奧氏體生長(zhǎng)消耗Ni、Mn等奧氏體化元素，而排出鐵素體形成元素Cr，奧氏體枝晶間的Ni、Mn含量越來(lái)越少，而鐵素體形成元素Cr的含量越來(lái)越高，液態(tài)金屬發(fā)生共晶反應(yīng)，鐵素體在奧氏體枝晶間生成。3種焊絲焊縫凝固模式分析結(jié)果與圖3焊縫微觀組織觀察結(jié)果相吻合。

表2 不同氮含量焊絲焊縫金屬的凝固模式

高氮鋼焊縫凝固模式?jīng)Q定著焊縫組織的物相組成及δ鐵素體的形貌，而且焊縫凝固過(guò)程中存在著合金元素的微觀偏析，從而造成了不同的焊縫組織形態(tài)對(duì)焊縫性能的不同影響。焊縫凝固模式主要受焊縫金屬合金元素的各組分及冷卻速度的影響。焊縫金屬的合金元素一部分來(lái)源于熔化的母材部分，另一部分來(lái)自作為填充金屬的焊絲，兩部分的占比可以通熔合比計(jì)算得出，而影響熔合比的主要因素有焊接坡口的形式及尺寸、焊接熱輸入等；高氮鋼結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)焊縫冷卻方式一般為自然冷卻，不采取強(qiáng)制冷卻措施，因此焊縫冷卻速度主要取決于焊接熱輸入和多層多道焊時(shí)的層間溫度控制。綜上所述，在高氮鋼母材成分、坡口形式及尺寸、焊接熱輸入、層間溫度一定的情況下，焊縫凝固模式主要取決于焊絲的化學(xué)成分。

2.4 不同氮含量焊絲焊縫氣孔性分析

圖5所示為不同氮含量焊絲所得焊縫的X射線檢測(cè)結(jié)果。從圖5中可以看出：0.46[N]焊絲所得焊縫幾乎無(wú)氣孔產(chǎn)生；0.61[N]焊絲所得焊縫中氣孔仍然很少，除焊縫起弧處發(fā)現(xiàn)個(gè)別氣孔外，焊縫中幾乎無(wú)氣孔；0.84[N]焊絲所得焊縫的氣孔傾向顯著增大，氣孔均勻分布在焊縫中。這主要是因?yàn)殡S著焊絲氮含量增加，通過(guò)熔滴傳質(zhì)作用過(guò)渡至焊縫熔池的氮元素含量增加，熔池中氮的濃度增大，當(dāng)采用0.84[N]焊絲時(shí)，熔池金屬中氮的濃度遠(yuǎn)高于氮的平衡溶解度，過(guò)飽和的氮聚集形成氮?dú)獾膸茁试龃?，致使焊縫的氣孔數(shù)量急劇增加。

圖5 不同氮含量焊絲所得焊縫的X射線檢測(cè)結(jié)果

圖6所示為不同氮含量焊絲焊縫的截面形貌。由圖6可以看出：隨著焊絲氮含量的增加，焊接接頭中開(kāi)始出現(xiàn)氣孔，焊絲氮含量越高，焊縫中的氣孔數(shù)量越多、尺寸也越大；氮?dú)饪锥嘈纬捎诤缚p與母材的熔合線或兩層焊道之間的界面結(jié)合處。這種分布特征一方面是由于熔合區(qū)或兩焊道搭界處的金屬處于半熔化或未熔化狀態(tài)，氣泡易于粘附在該區(qū)域的固態(tài)顆粒上；另一方面與焊縫熔池不同區(qū)域的凝固速率有關(guān)，越靠近母材或之前一層焊道的熔池凝固速度越快，氮?dú)鈦?lái)不及逸出、形成氣孔的幾率就會(huì)越大。

圖6 不同氮含量焊絲焊縫的截面形貌

2.5 不同氮含量焊絲接頭的顯微硬度

圖7所示為不同氮含量焊絲接頭的顯微硬度。由圖7可知：3種焊絲接頭熱影響區(qū)顯微硬度變化趨勢(shì)基本一致，隨著與母材距離的減小而升高；焊縫區(qū)顯微硬度測(cè)試結(jié)果為0.61[N]焊絲>0.84[N]焊絲>0.46[N]焊絲，與焊縫氮含量的變化規(guī)律不同，表明氮含量對(duì)焊縫組織硬度的影響極其微弱。分析認(rèn)為，焊縫區(qū)顯微硬度主要受焊縫組織中鐵素體含量的影響，由表2可知，3種焊絲焊縫金屬Creq相差不大，而Nieq0.61[N]0.84[N]焊絲>0.46[N]焊絲，一般鐵素體的硬度要高于奧氏體的硬度，所以鐵素體含量越多顯微硬度就越高，從而解釋了3種成分焊絲呈現(xiàn)出圖7所示測(cè)試結(jié)果的原因。

圖7 不同氮含量焊絲接頭的顯微硬度

2.6 不同氮含量焊絲接頭的拉伸性能

圖8所示為不同氮含量焊絲接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由圖8可以看出：0.61[N]焊絲接頭的抗拉強(qiáng)度最高，但斷后伸長(zhǎng)率最低，這主要是因?yàn)?.61[N]焊絲焊縫凝固模式為FA模式，且鐵素體含量最高，硬而脆的鐵素體部分存在奧氏體晶界處且較為連續(xù)，對(duì)奧氏體晶粒起了分割作用，所以該成分焊絲接頭強(qiáng)度高而塑性差；0.84[N]焊絲接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均高于0.46[N]焊絲，二者的凝固模式為AF模式和A模式，初生相均為A相，分析認(rèn)為凝固模式為AF模式、A模式時(shí)N的固溶強(qiáng)化作用對(duì)抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的提升起到了主要作用。另外，對(duì)比0.46[N]焊絲和0.84[N]焊絲焊縫氣孔性和拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷對(duì)拉伸性能的影響不大。

圖8 不同氮含量焊絲接頭的拉伸性能

對(duì)3種焊絲接頭拉伸斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，其斷口形貌如圖9所示。從圖9中可以看出：3種焊絲所得焊接接頭拉伸斷口形貌存在較大差異，0.46[N]和0.84[N]焊絲接頭拉伸斷口形貌主要為韌窩，斷裂方式均為韌性斷裂；0.84[N]焊絲接頭的拉伸斷口除韌窩外同時(shí)存在少量的解理面，韌窩比0.46[N]焊絲的更加細(xì)小均勻，但韌窩深度要淺；0.61[N]焊絲接頭拉伸斷口形貌可以看出在河流花樣上分布著韌窩，判斷為混合型的準(zhǔn)解理斷裂。在3種焊絲接頭的拉伸斷口韌窩中心發(fā)現(xiàn)普遍存在著第二相和黑色孔洞，第二相顆粒和孔洞普遍存在于韌窩中心，且隨著氮元素含量的增多有增多的趨勢(shì)。

圖9 不同氮含量焊絲接頭拉伸斷口形貌

2.7 不同氮含量焊絲焊縫的沖擊韌性

圖10所示為不同氮含量焊絲焊縫的室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，3種焊絲的沖擊韌性差距較大，0.46[N]焊絲接頭的沖擊功最大為137 J，0.61[N]焊絲接頭的沖擊功最低僅為22 J，0.84[N]焊絲接頭的沖擊功為58 J左右。對(duì)3種焊絲焊縫沖擊試樣斷口擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行掃描電鏡觀察，其形貌如圖11所示。由圖11(a)和圖11(c)可以看出：0.46[N]焊絲和0.84[N]焊絲沖擊試樣斷口均為韌窩斷口，均為韌性斷裂；但0.84[N]焊絲試樣的韌窩較淺，而且韌窩底部普遍存在第二相顆粒，0.84[N]焊絲焊縫的鐵素體含量較高、氣孔傾向也較大，這是0.84[N]焊絲焊縫沖擊韌性較差的主要原因。圖11(b)為0.61[N]焊絲試樣沖擊斷口擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌，從中可以看出0.61[N]焊絲焊縫沖擊試樣在該區(qū)域的斷口為準(zhǔn)解理斷口，其斷裂方式為典型的脆性斷裂，這主要是因?yàn)?.61[N]焊絲焊縫凝固模式為FA模式，鐵素體含量較多且部分呈沿晶分布，導(dǎo)致焊縫沖擊韌性下降。

圖10 不同氮含量焊絲接頭的沖擊性能

圖11 不同氮含量焊絲接頭沖擊斷口形貌

3 分析與討論

高氮鋼焊縫的力學(xué)性能受焊縫組織中鐵素體含量及其形態(tài)分布影響較大，過(guò)高含量的鐵素體或鐵素體呈連續(xù)沿晶分布會(huì)惡化高氮鋼焊縫的塑性及韌性，因此在進(jìn)行高氮鋼焊縫組織設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡可能獲得全奧氏體組織的焊縫組織，焊縫凝固模式應(yīng)為A模式或AF模式。另外，從對(duì)焊縫進(jìn)行固氮角度考慮，氮在奧氏體中溶解度遠(yuǎn)高于在鐵素體中的溶解度，焊縫凝固模式為A模式或AF模式有利于提高焊縫金屬的氮含量。

焊縫凝固模式主要取決于Creq/Nieq比值，Creq、Nieq受焊縫中各種合金元素的共同影響，焊縫的合金元素一部分來(lái)自熔融于焊縫部分的母材(與熔合比有關(guān))，剩余部分主要取決于焊絲的化學(xué)成分。因此，在焊縫熔合比一定情況下，要保證焊縫凝固模式為A模式或AF模式，Nieq值應(yīng)足夠大(Creq值相對(duì)不變)，即焊絲成分中能提高Nieq的合金元素鎳、碳、錳、氮應(yīng)足夠多。

在高氮鋼焊絲成分設(shè)計(jì)時(shí)，往往首先確定焊絲中氮元素的含量，然后適當(dāng)降低鎳元素的含量，并增加能夠提高氮在熔池金屬中溶解度的合金元素如錳。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊絲成分中的氮含量越高，焊縫金屬的氮含量也越高，但相應(yīng)氣孔傾向也越大。氮在焊縫金屬中主要起固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，當(dāng)焊縫以A模式、AF模式凝固時(shí)，氮對(duì)拉伸性能的影響較大，焊縫金屬中的氮含量越高，抗拉強(qiáng)度和延伸率均越大。氣孔傾向?qū)煨阅艿挠绊懖淮?，而?duì)沖擊韌性的影響較為明顯，當(dāng)焊縫中存在較多的氣孔時(shí)，焊縫的有效承載體積減小，造成沖擊韌性下降。因此，在后續(xù)研究中，在保證高的焊縫氮含量的同時(shí)如何降低焊縫氣孔傾向，應(yīng)是高氮鋼焊接的重要研究方向。鎳是強(qiáng)奧氏體化的合金元素，是最主要的韌化元素，在焊絲成分設(shè)計(jì)中，一定量的鎳可以起到控制焊縫組織中的鐵素體含量及提高焊縫的韌性的作用。因此，在高氮鋼焊絲成分設(shè)計(jì)時(shí)，不能為追求高的氮含量，而完全犧牲焊絲中鎳元素含量對(duì)焊縫組織成分的貢獻(xiàn)。碳、錳是焊絲中的主強(qiáng)化元素，錳還可以提高氮在奧氏體中的平衡溶解度，但碳、錳元素含量過(guò)高會(huì)惡化焊縫的塑性和韌性，因此二者含量應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文采用自制的3種不同氮含量焊絲對(duì)高氮鋼進(jìn)行熔化極氣體保護(hù)焊，研究了不同氮含量焊絲焊縫的氮含量、氣孔傾向、微觀組織及力學(xué)性能。得出主要結(jié)論如下：

1)隨著焊絲氮含量增加，焊縫中的氮含量相應(yīng)增加，氣孔傾向也相應(yīng)增大，由于氮逸出或氮?dú)饪自斐傻牡獡p失也越多，氣孔缺陷主要分布于熔合區(qū)或兩焊道的界面結(jié)合處。

2)3種不同氮含量焊絲焊縫組織均為奧氏體+鐵素體，但組織形態(tài)差別較大，焊縫組織形態(tài)主要取決于焊縫的凝固模式，由焊縫中各種合金元素的共同作用決定。

3)焊縫力學(xué)性能主要受鐵素體含量及其形態(tài)分布的影響，鐵素體含量越高且呈沿晶連續(xù)分布，焊縫的硬度、強(qiáng)度越高，韌性越差；當(dāng)焊縫以A模式、AF模式凝固時(shí)，焊縫氮含量主要對(duì)焊縫拉伸性能產(chǎn)生影響，對(duì)顯微硬度及沖擊韌性的作用不明顯；氣孔缺陷主要影響焊縫的沖擊韌性，對(duì)拉伸性能的影響不大。