高強(qiáng)度奧氏體焊絲脈沖GMAW 熔滴爆炸現(xiàn)象分析

霍光瑞，薛鋼，賀智濤，牛繼承

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，洛陽(yáng)，471023)

0 序言

在熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding，GMAW)工藝中熔滴過(guò)渡行為直接影響到電弧形態(tài)及焊接質(zhì)量，熔滴發(fā)生爆炸會(huì)嚴(yán)重影響電弧穩(wěn)定性，容易在焊縫中形成夾渣及氣孔缺陷.目前有關(guān)GMAW 工藝熔滴爆炸的研究主要集中于低合金鋼[1-5]、鋁合金[6-8]以及高氮鋼[9-10]焊接方面.通常認(rèn)為，低合金鋼焊接中導(dǎo)致熔滴爆炸的氣體是液態(tài)金屬在高溫下冶金反應(yīng)生成CO 或夾雜物在高溫時(shí)熔化釋放出的CO，鋁合金焊接熔滴爆炸主要?dú)w因于低沸點(diǎn)元素(如鎂、鋅)形成的金屬蒸氣[6，8].明珠等人[9]進(jìn)行了高氮不銹鋼GMAW 熔滴過(guò)渡行為研究，但采用的幾種焊絲成分差異較大，未找到氮含量對(duì)熔滴過(guò)渡的影響規(guī)律.Yang 等人[10]開(kāi)展了焊接工藝參數(shù)對(duì)高氮鋼熔滴過(guò)渡形式影響的研究.目前為止，關(guān)于鎳鉻系奧氏體焊絲熔滴爆炸現(xiàn)象研究較少，有必要對(duì)其熔滴爆炸現(xiàn)象進(jìn)行分析，探討熔滴爆炸形成的原因，為高強(qiáng)度奧氏體焊絲研發(fā)提供技術(shù)支撐.

通過(guò)對(duì)系列碳、氮含量鎳鉻系高強(qiáng)度奧氏體焊絲的熔滴過(guò)渡行為及爆炸狀況進(jìn)行了細(xì)致觀察，根據(jù)焊絲中氮含量與熔滴爆炸狀況對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析出氮元素高溫逸出是導(dǎo)致熔滴爆炸的主要原因，并獲得熔滴發(fā)生爆炸的臨界氮含量.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為抗拉強(qiáng)度大于710 MPa 的高強(qiáng)度NiCr 系奧氏體氣體保護(hù)焊絲，奧氏體焊絲中通常添加較高的Mo，C，N 作為強(qiáng)化元素.在主合金元素含量相同的情況下，設(shè)計(jì)不同C，N 含量的焊絲，焊絲成分如表1 所示.選用相同的原材料并且采用相同的冶煉工藝與拉拔工藝進(jìn)行焊絲試制，保證焊絲質(zhì)量的一致性，焊絲規(guī)格均為φ1.0 mm.

表1 試驗(yàn)用焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of the welding wire

試驗(yàn)采用GLC 403/603 型CLOOS 氣體保護(hù)焊機(jī)，平焊位置反接極性焊接.采用脈沖電流，脈沖參數(shù)為：峰值電流420 A、基值電流40 A、脈沖頻率200 Hz、脈寬比50%.采用保護(hù)氣體為Ar+2%CO2，氣體流量為18～ 20 L/min.采用REDLAKE型高速攝像機(jī)記錄電弧狀況與熔滴過(guò)渡行為，由于有的熔滴爆破在瞬間完成，較低采樣速度難以觀察到爆炸過(guò)程，須采用較高的采樣速度方可觀察熔滴過(guò)渡細(xì)節(jié).設(shè)定采樣速度為10 000 幀/s，連續(xù)兩幀圖像間隔時(shí)間為0.000 1 s，一個(gè)脈沖電流周期內(nèi)可采取50 張圖像.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氮含量大于0.30%焊絲的熔滴過(guò)渡情況

從高速攝影圖像發(fā)現(xiàn)，氮含量大于0.30%的1 號(hào)～ 4 號(hào)焊絲熔滴過(guò)渡形式較差，在峰值電流期間熔滴爆炸十分嚴(yán)重，液體金屬被炸成許多碎片和小顆粒，電弧受此影響不停向四周擴(kuò)散，難以形成穩(wěn)定的弧柱.基值電流期間，電弧變暗，懸掛的液態(tài)金屬在表面張力的作用回收到焊絲端部，無(wú)熔滴過(guò)渡，也沒(méi)有液體金屬爆炸發(fā)生.

圖1 為1 號(hào)焊絲在一脈沖峰值電流期間連續(xù)10 幀圖像形貌，能完整地反映出一個(gè)小氣泡與一個(gè)大氣泡先后形成及爆炸過(guò)程.設(shè)定第一幀圖像時(shí)間為t0，在t0+0.2 ms 時(shí)焊絲端部先出現(xiàn)一個(gè)較小的氣泡(其直徑與焊絲直徑相當(dāng))，該氣泡從形成、長(zhǎng)大再到爆炸的速度非常快，僅有一幀圖像能夠觀察到.在t0+0.4 ms 時(shí)焊絲端部出現(xiàn)一較大氣泡(直徑約為焊絲直徑的4 倍)，并在t0+0.5 ms 時(shí)發(fā)生爆炸.該氣泡爆炸非常劇烈，液態(tài)金屬被炸成很多細(xì)小顆粒，形成大量飛濺.4 號(hào)焊絲的熔滴爆炸程度發(fā)生得同樣劇烈，并且連續(xù)爆炸的情形更為清晰.圖2 為4 號(hào)焊絲在一脈沖峰值電流期間的10 幀典型圖像.從圖2 可以明顯看出，峰值電流到達(dá)時(shí)連續(xù)出現(xiàn)4 個(gè)較大氣泡(其直徑約為焊絲直徑的3 倍)，有時(shí)兩個(gè)氣泡同時(shí)出現(xiàn)，每個(gè)氣泡都會(huì)迅速爆炸，形成大量煙霧.隨著各個(gè)氣泡的爆炸，電弧指向也隨著噴射氣流的走向不斷變動(dòng).

圖1 1 號(hào)焊絲峰值電流期間熔滴劇烈爆炸形貌Fig.1 Explosive phenomena of droplet during pulse peak current level of wire No.1

圖2 4 號(hào)焊絲峰值電流期間熔滴爆炸形貌Fig.2 Explosive phenomena of droplet during pulse peak current level of wire No.4

2.2 氮含量0.23%～ 0.29%焊絲的熔滴過(guò)渡情況

氮含量為0.23%～ 0.29%的5 號(hào)～ 7 號(hào)焊絲熔滴爆炸程度相對(duì)較弱，峰值電流期間能夠形成一完整熔滴，焊接過(guò)程中電弧較為穩(wěn)定，基本實(shí)現(xiàn)“一脈一滴”過(guò)渡.對(duì)5 號(hào)焊絲連續(xù)20 個(gè)熔滴(20 個(gè)脈沖周期，共1 000 幀圖像)過(guò)渡情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)峰值電流期間有3 個(gè)熔滴發(fā)生爆炸，爆炸時(shí)同樣有大量氣體噴出，其中一個(gè)熔滴炸開(kāi)形貌如圖3 所示.與1 號(hào)、4 號(hào)焊絲不同的是該焊絲熔滴爆炸時(shí)液態(tài)金屬只有少量顆粒飛出，剩余部分仍能合并為一個(gè)整體，并且大約有1/3 的熔滴在脫離階段及下落過(guò)程中有少量氣體噴出.基值電流期間，剩余液態(tài)金屬在表面張力的作用下回收到焊絲端部，沒(méi)有熔滴過(guò)渡與爆炸情況發(fā)生.

圖3 5 號(hào)焊絲峰值電流期間熔滴形成及爆炸形貌Fig.3 Formation and explosive phenomena of droplet during pulse peak current level of wire No.5

7 號(hào)焊絲熔滴爆炸現(xiàn)象不明顯，在連續(xù)觀察20 個(gè)熔滴中發(fā)現(xiàn)僅有1 個(gè)熔滴發(fā)生爆炸，其它熔滴過(guò)渡良好，未出現(xiàn)爆炸情況，其中一個(gè)出現(xiàn)爆炸情況的熔滴過(guò)渡情形，如圖4 所示.

圖4 7 號(hào)焊絲峰值電流期間熔滴爆炸形貌Fig.4 Explosive phenomena of droplet during pulse peak current level of wire No.7

2.3 氮含量小于0.23%焊絲的熔滴過(guò)渡情況

氮含量小于0.23%的8 號(hào)～ 11 號(hào)焊絲熔滴過(guò)渡良好，每個(gè)熔滴均能平穩(wěn)過(guò)渡到熔池中.連續(xù)觀察50 個(gè)熔滴過(guò)渡過(guò)程(50 個(gè)脈沖周期，2 500 幀圖像)，未發(fā)現(xiàn)熔滴爆炸現(xiàn)象，并經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)熔滴爆炸情況發(fā)生.其中9 號(hào)、11 號(hào)焊絲熔滴過(guò)渡形貌及電弧狀況如圖5 和圖6 所示.在所用的焊接工藝參數(shù)下，9 號(hào)、10 號(hào)和11 號(hào)焊絲均未出現(xiàn)熔滴爆炸情況，均為典型的“一脈一滴”的過(guò)渡形式，此時(shí)電弧清晰、弧柱明顯，無(wú)小顆粒飛濺發(fā)生.

圖5 9 號(hào)焊絲峰值電流期間熔滴形成及過(guò)渡過(guò)程Fig.5 Droplet formation and transfer during pulse peak current level of wire No.9

圖6 11 號(hào)焊絲峰值電流期間熔滴形成及過(guò)渡過(guò)程Fig.6 Droplet formation and transfer during pulse peak current level of wire No.11

2.4 熔敷金屬氮含量分析結(jié)果

各焊絲熔敷金屬氮含量及氮的過(guò)渡系數(shù)η如表2 所示.從表2 可以看出，氮的過(guò)渡系數(shù)隨著焊絲中氮含量的增加而降低.焊絲中氮含量超過(guò)0.23%時(shí)，氮損失較多，而氮含量在0.23%以下時(shí)，熔敷金屬中的氮含量與焊絲基本相同，焊接過(guò)程中氮沒(méi)有損失.與熔滴爆炸情況對(duì)比可見(jiàn)，熔滴爆炸程度與氮的燒損程度一致.

表2 熔敷金屬氮含量及氮的過(guò)渡系數(shù)Table 2 Contents and transfer efficiency of nitrogen in deposited metal

3 討論

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知，熔滴發(fā)生爆炸與焊絲中的氮含量密切相關(guān)，當(dāng)焊絲中氮含量高于0.23%時(shí)熔滴容易發(fā)生爆炸，高于0.30%時(shí)熔滴爆炸更加嚴(yán)重.由于試驗(yàn)焊絲雜質(zhì)元素含量一致，且熔滴爆炸程度與碳含量沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此低合金鋼及鋁合金GMAW 工藝中關(guān)于熔滴爆炸的研究結(jié)論不能解釋試驗(yàn)奧氏體焊絲的熔滴爆炸現(xiàn)象.根據(jù)熔滴爆炸程度與焊絲的氮含量以及氮燒損的關(guān)系，分析認(rèn)為熔滴爆炸是由焊絲中的氮在高溫下快速逸出而引起.

氮在奧氏體材料中通常以兩種方式存在，即溶解于金屬內(nèi)而形成的固溶體和以化合物形式存在的氮化物.GMAW 工藝中電弧溫度較高，尤其是峰值電流期間電弧中心溫度高達(dá)8 000 K[11]，熔滴表面溫度約為3 100 K[12-13]，接近材料的沸點(diǎn)，平均溫度約為2 200 K 以上[14].在此高溫下，焊絲中各種形式存在的氮原子都會(huì)分解或分離重新結(jié)合成為氮分子而逸出.以下對(duì)氮化物的熱分解與固溶氮高溫析出進(jìn)行熱力學(xué)分析，說(shuō)明氮?dú)庖莩龅目赡苄?

3.1 氮化物的熱分解

試驗(yàn)焊絲中可能存在的氮化物有Cr2N，F(xiàn)e4N，Mo2N，VN，AlN，TiN 等，這些氮化物在受熱時(shí)會(huì)按照式(1)～ 式(2)進(jìn)行分解[15].

式中：Me 為氮化物形成元素；g 代表氣態(tài).決定式(1)反應(yīng)方向的為

式中：ΔG分解為反應(yīng)過(guò)程吉布斯自由能變化量；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；為氮分壓；WN為氮化物的氮位勢(shì).ΔG分解＜0 時(shí)，反應(yīng)向右進(jìn)行，氮化物發(fā)生分解，因此在氮分壓一定條件下，氮位勢(shì)WN越高，氮化物越易分解放出氮?dú)?Fe4N，Mo2N的氮位勢(shì)很高，在1 600 ℃左右很容易分解；Cr2N，VN 的氮位勢(shì)較低，分解溫度較高，101 325 Pa 氮分壓下分解溫度為1 800 ℃；AlN 與TiN 最難分解，在101 325 Pa 氮分壓下分解溫度分別約為2 700，3 200 ℃.因此，在熔滴階段，除了AlN 與TiN 較難分解外，其它的氮化物都會(huì)分解釋放出氮?dú)?由于焊絲中的Al，Ti 含量很低，形成相應(yīng)氮化物數(shù)量很少，因此AlN 與TiN 是否分解對(duì)形成氮?dú)鈹?shù)量影響較小.

3.2 固溶氮高溫逸出

鋼液中氮的溶解度受溫度影響較大，其隨溫度的變化趨勢(shì)與合金成分密切相關(guān).Dimitrov 等人[16]采用Wanger 模型計(jì)算得出氮的溶解度與溫度的關(guān)系與Cr 含量密切相關(guān)，當(dāng)Cr 含量超過(guò)某一臨界值時(shí)(0.1 MPa 壓力下Cr 含量臨界值約為15%)液體中氮的溶解度隨著溫度的升高而降低.參照文獻(xiàn)[17]不銹鋼熔體中氮溶解度與體系溫度、氮分壓和合金成分的熱力學(xué)計(jì)算模型考察溫度對(duì)氮溶解度的影響，如式(3)所示.該模型在計(jì)算液相及高溫條件下氮溶解度較前期Frisk 得到的模型更準(zhǔn)確.

式中：wN為鋼液中氮的平衡質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為氮分壓；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；fN，1873為1 600 ℃時(shí)各元素對(duì)氮元素的相互作用系數(shù)，其值由合金的成分系決定，具體如式(4)所示.

式中：wN，wC，wSi，wNi，wMn，wMo，wCr分別為鋼液中N，C，Si，Ni，Mn，Mo，Cr 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；δ為氮分壓 對(duì)fN，1873的影響系數(shù).當(dāng)≤1.0 時(shí)，δ=0；＞1.0 時(shí)，δ=0.06.

按照式(5)計(jì)算1 773～ 2 773 K 范圍內(nèi)氮的溶解度變化情況，如表3 所示.氮在該合金系中溶解度隨著溫度的增加而降低，當(dāng)溫度從1 773 K 升高至2 773 K 時(shí)，其溶解度由0.398%降低到0.128%.因此，在脈沖峰值電流期間，由于受到電弧劇烈高溫作用，熔滴中固溶氮因溶解度的降低而瞬間達(dá)到過(guò)飽和，進(jìn)而形成氣體逸出導(dǎo)致熔滴發(fā)生爆炸.

表3 不同溫度下焊絲中氮的溶解度Table 3 Solubility of nitrogen in welding wire at different temperatures

4 結(jié)論

(1)氮在高溫逸出是熔滴發(fā)生爆炸的直接原因，氮含量較高時(shí)熔滴過(guò)渡過(guò)程中容易發(fā)生爆炸，且氮含量越高熔滴爆越嚴(yán)重.

(2)試驗(yàn)得到該合金系奧氏體焊絲脈沖GMAW工藝中熔滴發(fā)生爆炸的臨界氮含量為0.22%，氮含量大于0.22%時(shí)熔滴容易發(fā)生爆炸.