高氮鋼連接技術研究進展

王星星，田家豪，李帥，方乃文，何鵬，倪增磊，溫國棟

(1.華北水利水電大學,河南高效特種綠色焊接國際聯(lián)合實驗室,鄭州,450045；2.中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱,150028；3.哈爾濱工業(yè)大學,先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱,150001；4.西安科技大學,西安,710054)

0 序言

高氮鋼因其良好的力學性能和耐腐蝕性，在醫(yī)療器械和石油鉆鋌等領域廣泛應用，如心血管支架、人造骨架[1].焊接是高氮不銹鋼精密復雜構(gòu)件制造不可或缺的方法，相比粘接、鉚接等連接方法，可靠性高、實用性強[2].

高氮鋼作為結(jié)構(gòu)功能材料，通過以N 元素替代Ni 元素，既提升鋼的抗腐蝕性[3]，且降低生產(chǎn)成本[4]，同時消除Ni 元素與人體產(chǎn)生的過敏反應[5]，是國內(nèi)鋼鐵行業(yè)發(fā)展的新領域[6-9].高氮鋼定義主要與氮含量有關，對于鐵素體和馬氏體不銹鋼，氮含量高于0.08%(質(zhì)量分數(shù))時，歸為高氮鋼；對于奧氏體不銹鋼，當奧氏體中氮含量高于0.40%(質(zhì)量分數(shù))時，稱為高氮鋼，但目前沒有權(quán)威定義[10-12].

高氮鋼部件與裝備可靠性一定程度上取決于焊后接頭組織和性能[13-15].目前國內(nèi)外研究者對高氮鋼焊接研究可歸為以下4 方面：①傳統(tǒng)熔焊，如鎢極氣體保護焊[16-18]、熔化極氣體保護焊[19-22]和手工電弧焊[23-24]等，主要涉及保護氣氛、焊接材料、工藝參數(shù)等研究；②新型熔焊，如激光焊[25-26]、激光-電弧復合焊[27-29]等，主要以保護氣體、熱輸入機理研究為主；③固態(tài)焊接，如爆炸焊[30-31]和攪拌摩擦焊[32-34]等，以焊接熱輸入、攪拌參數(shù)調(diào)控研究為主；④釬焊，基于不同釬料、工藝參數(shù)接頭組織及性能研究[35-36]，但上述研究仍不夠理想.

文中主要概述熔化極氣體保護焊、鎢極氣體保護焊、激光焊、攪拌摩擦焊和釬焊等高氮鋼連接研究進展，系統(tǒng)綜述母材、焊材、保護氣氛和N 元素等對接頭組織、力學性能和抗腐蝕性等影響，以及焊接熱輸入、冷卻速度對接頭組織和性能的調(diào)控，提出目前高氮鋼連接研究不足及發(fā)展方向，對高氮鋼焊接、工程材料連接等相關領域研究提供參考信息.

1 高氮鋼連接研究概況

近年來，國內(nèi)外的焊接界學者們對高氮鋼焊接技術進行大量理論研究，據(jù)不完全統(tǒng)計，開展高氮鋼焊接研究科研單位至少20 多家，國內(nèi)外有關高氮鋼焊接技術的研究成果已超80 篇，部分代表性研究成果見參考文獻[37-53]，其中國內(nèi)成果最為豐碩的是中科院沈陽金屬研究所馬宗義教授團隊、南京理工大學王克鴻教授團隊和哈爾濱工業(yè)大學范成磊教授團隊.

2 高氮鋼連接研究進展

2.1 高氮鋼熔焊研究

熔焊是高氮鋼應用最廣泛、最方便、最經(jīng)濟的連接方法，如鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、激光焊、激光-電弧復合焊接等.根據(jù)以往對于高氮鋼的研究，高強、高韌、無磁、耐蝕、耐磨等優(yōu)點均歸功于母材中固溶氮的存在[54],因此高氮鋼接頭力學性能、耐腐蝕性能與N 元素損失關系密切[55].

2.1.1 保護氣氛

控制N2比例使焊縫中氮含量保持在合理水平，N2體積分數(shù)增加助長氣泡生成，熔池中過飽和氮原子易形成雙原子氮分子并以氣泡形式逸出，增加氣孔率[56].Cui 等人[46]使用激光-電弧復合焊對高氮鋼進行焊接，當保護氣氛中N2含量為20%時，接頭氮含量為0.52%，接頭抗拉伸強度928.9 MPa，焊縫N 元素可抑制鐵素體生長，N2比例增加易導致氣孔增多，N2作用機理如圖1 所示[57].

圖1 N2 作用機理Fig.1 Schematic of the action mechanism of N2

N2含量對于熔焊穩(wěn)定性亦有極大影響，Zhao等人[16]發(fā)現(xiàn)N2含量不應過高，當N2含量高于8%時，焊接過程不穩(wěn)定，鎢極嚴重破壞；Qiang 等人[37]研究發(fā)現(xiàn)，當N2自熔池中溢出，氣泡從熔融金屬中爆開時，高表面張力被克服，導致劇烈飛濺；Ma 等人[58]研究表明，液滴的飛濺使工件兩側(cè)電弧變得不規(guī)則，影響焊接穩(wěn)定性，而保護氣氛中N2含量增加將進一步加劇此現(xiàn)象，所以N2比例應控制在20%以內(nèi).

在保護氣氛中添加氧化性氣體可以有助于N2的溶解，而添加還原性氣體降低N2吸收速率，Liu 等人[57]使用氧化性氣體-N2-Ar 三元保護氣氛焊接高氮鋼，發(fā)現(xiàn)O2和CO2均有助于提高N2溶解效果，通過試驗證實O2促進氮溶解能力更好，其中CO2促氮作用是因為發(fā)生如下的反應[59]

該方程描述了氧化層形成、隨后抑制氮釋放和增強氮吸收的可能性.Liu 等人[39]通過響應面分析法得到最佳保護氣體成分6.5%N2，6.5%CO2和87%Ar，增加CO2占比減少保護氣氛中N2占比，可以增加熔液流動性，得到高品質(zhì)的接頭.

綜上，保護氣氛中加入適量N2，增加其氮分壓可實現(xiàn)焊縫的增氮效應，補償N 元素損失，避免大量鐵素體生成及富Cr 相析出，有利于N 元素固溶進熔池，而適量氧化性氣體有助于提高接頭性能，但過量N2不僅使抗腐蝕性降低[43]，亦使接頭抗拉強度和沖擊韌性下降[60]，對于焊縫氮含量提升效果不明顯，目前對于保護氣氛研究僅局限在N2、氧化性氣體(如CO2、O2)，是否存在其它氣體對接頭組織性能起改善作用，還有待研究.

2.1.2 焊絲

使用含氮焊絲可有效增加焊縫氮含量[61]，減少氣孔、沉淀孔產(chǎn)生[62]，提升接頭性能，但是焊絲與母材之間氮含量差距過大易引起熔池N 元素逸出，造成氮損失、氣孔等缺陷.Liu 等人[63]采用改進的舍弗勒圖和平衡相圖方法制備了氮含量0.15%、0.6%、0.9% 3 種焊絲焊接氮含量0.75%高氮鋼，如圖2 所示，隨著焊絲氮含量增加，焊接過程中氮損失增多，氮大量損失造成大片骨架狀鐵素體生成(圖2c)，力學性能變差，氮含量0.6 %的接頭性能最優(yōu)，抗拉強度達912.5 MPa.明珠等人[41]和荊皓等人[64]發(fā)現(xiàn)高氮焊絲接頭氣孔傾向增加，且焊絲氮含量繼續(xù)增加對接頭性能影響微弱.

圖2 焊縫的SEM 圖像Fig.2 SEM images of the weld.(a) 0.15 N;(b) 0.6 N;(c) 0.9 N;(d) nitrogen content in the weld and the ratio of actual content to theoretical content

焊絲中氮含量增加也導致熔融時液滴膨脹炸開，液滴飛濺，影響焊接電弧穩(wěn)定性，而在使用傳統(tǒng)焊絲時未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，這種液滴飛濺行為與焊絲氮含量有關[63]，且主要是由熔滴中氮的脫氣引起，致使少量氮從焊絲輸送到熔池，而多數(shù)氮逸出形成N2，誘發(fā)電弧穩(wěn)定性惡化[65].Cr、Mo 和Mn 等元素促進N 元素溶解[66]，液滴飛濺將導致這些元素損失，降低氮的溶解度，不利于固溶強化.向熔池中添加MnN 和CrN 對焊縫氮含量有較大提升[67]，加入MnN 效果更好且對鐵素體抑制更明顯.明珠等人[65]發(fā)現(xiàn)氮含量較高的含Mn 焊絲焊接時有穩(wěn)定的液滴，推斷Mn 元素在焊接過程中能生成增加表面張力的物質(zhì)，從而使熔滴過渡和焊接過程電弧更加穩(wěn)定.

含氮焊絲有助于焊縫區(qū)增氮，但熔焊過程高熱輸入量，高氮焊絲易發(fā)生N2脫氣，不僅氣孔增多，焊縫中鐵素體大量生成亦會降低接頭性能，焊絲中加入Cr 和Mn 等元素對于N 元素有促溶作用[66]，Mo 和Cr 元素可提高接頭耐蝕性[27]，Ni、Nb 和V等元素改善接頭韌性，N 元素在熔焊過程中界面存在特征及界面行為尚未進一步闡述，各金屬元素與N 元素在熔池中的交互機理也需大量試驗揭示.

2.1.3 熱輸入與冷卻速率

熱輸入和冷卻速度是決定高氮鋼接頭質(zhì)量的重要因素，一方面高熱輸入導致奧氏體晶粒尺寸增大、析出相增多、N2損失增多、接頭強度降低[68]；另一方面，冷卻速率增加，可以降低焊縫中高溫鐵素體含量，提高接頭力學性能[69].Li 等人[70]研究高熱輸入、低冷卻速度和低熱輸入、高冷卻速度條件下接頭抗腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)低熱輸入和高冷卻速率可促進接頭奧氏體的形成并細化晶粒，提高接頭耐晶間腐蝕性能；明珠等人[71]發(fā)現(xiàn)冷卻速率提升使低氮焊絲焊縫氮含量增加，顯著提高接頭力學性能；馮志鵬[44]、徐娟娟[72]和Liu 等人[73]均就熱輸入因素對焊接接頭的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著熱輸入量增加，焊接過程中熔池N 元素易逸出，促使鐵素體生成，接頭力學性能下降，且低冷卻速率提升脆性沉淀析出物(Cr2N 等)析出傾向，進一步降低接頭性能，適當?shù)暮附訙囟惹€可以減少焊縫中氮化物偏析，但目前熔焊中熱輸入量工藝研究仍停留在熔池N 元素損失及析出物生成階段，尚未確定優(yōu)化N 元素損失及氮化物生成的最佳溫度曲線.

2.1.4 其它方法

機械振動可以降低熔池溫度梯度，延長熔池凝固時間，完全消除氣孔[47].王力鋒等人[74]在焊接過程中施加機械振動，發(fā)現(xiàn)可顯著降低焊縫孔隙率，隨著振動頻率增加，孔隙率先減后增，且無論何種頻率均低于無機械振動時氣孔率，而抗拉強度先升高后降低，振動有助于晶粒細化，但過高振動頻率將造成N 元素損失加?。籚ashishtha 和Kumar 等人[75-76]對焊后高氮鋼接頭進行固溶退火，發(fā)現(xiàn)較高溫度下碳化物析出更均勻，退火后接頭平均硬度低于母材，但沖擊強度高于母材，因此退火可用于均衡焊后接頭韌性與硬度.

熔焊過程中常見缺陷為固溶氮損失，通過調(diào)整保護氣氛、焊絲、工藝參數(shù)和物理振動等多種方法均可以提高焊縫固溶氮含量，但總會存在氮的臨界溶解度，這是由保護氣體[77]、焊絲成分[48]、母材成分[45]和工藝參數(shù)[42]共同構(gòu)成的體系決定，而目前研究對于高氮鋼焊接過程僅局限于單因素，未進行多因素耦合作用研究.

2.2 高氮鋼固態(tài)焊接研究

2.2.1 攪拌摩擦焊

熔焊接頭中易出現(xiàn)多種焊接缺陷，如氮損失、孔洞、裂紋，嚴重惡化接頭性能和耐腐蝕性，而攪拌摩擦焊具有熱循環(huán)短、峰值溫度低的特點，對抑制元素偏析和缺陷形成有積極作用[78]，同時低熱輸入對于氮含量高于常壓溶解度的高氮鋼連接具有優(yōu)勢，接頭強度可達到母材水準甚至超過母材[79].攪拌摩擦焊接頭優(yōu)異性能是因熔合區(qū)獨特的組織結(jié)構(gòu).Wang 等人[80]對奧氏體不銹鋼攪拌摩擦焊接頭的組織演變和力學性能進行研究，發(fā)現(xiàn)接頭熔合區(qū)的典型特征是，奧氏體細晶組成的弧形帶狀組織及沿帶狀排列的少量不連續(xù)鐵素體.

這種獨特組織結(jié)構(gòu)與攪拌摩擦焊熱輸入有關，其焊接熱輸入與焊接速度、刀具轉(zhuǎn)速相關聯(lián)，Hajian 等人[81]研究認為，刀具轉(zhuǎn)速對于焊接熱輸入影響較大，在恒定焊接速度下，刀具轉(zhuǎn)速越高，熱輸入越多，晶粒尺寸越大；但Li 等人[49]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速從300 r/min 增加到400 r/min，平均晶粒尺寸反而減小，是由于高應變速率下成核率會急劇提升，且因為缺少足夠的時間進行位錯運動和晶界遷移，阻礙晶粒長大.不同熱輸入下接頭焊核區(qū)硬度分布和拉伸性能趨勢非常相似，但點蝕行為存在較大差異，在高熱輸入條件下，Cr 元素發(fā)生擴散，貧鉻區(qū)形成大量鐵素體，鐵素體帶周圍出現(xiàn)較大凹坑[33]；在低熱輸入環(huán)境，刀具磨損嚴重，磨屑附近未形成新相而是出現(xiàn)較深凹坑[50].因此，在攪拌摩擦焊中熱輸入量是接頭質(zhì)量決定性因素，而熱輸入量與焊接速度及刀具轉(zhuǎn)速相關，目前攪拌摩擦焊中最佳焊接速度與轉(zhuǎn)速匹配比，尚未深入研究.

通過對比水冷、風冷攪拌摩擦焊接頭組織和力學性能[34]，發(fā)現(xiàn)水冷促使熔焊區(qū)晶粒較細、位錯密度較高，接頭力學性能提高.Du 等人[51,82]通過焊后熱處理，消除晶粒尺寸和亞結(jié)構(gòu)不均勻分布導致的接頭梯度分布，接頭處平均氮含量達0.8%，N 元素幾乎無損失；接頭屈服強度、抗拉強度均高于母材，斷后伸長率為母材的78%；經(jīng)焊后熱處理，斷后伸長率恢復到母材90%，但抗拉強度，屈服強度均降低[83].接頭焊后處理雖然解決部分焊縫中N 元素溢出誘發(fā)的問題，減少焊縫表面缺陷，但焊核區(qū)出現(xiàn)裂紋、裂紋+孔洞缺陷等新缺陷，接頭強度降低易發(fā)生脆性斷裂，限制高氮鋼攪拌摩擦焊的廣泛應用[83].

2.2.2 爆炸焊

爆炸焊是一種利用炸藥爆轟產(chǎn)生的高溫高壓，對不同金屬或非金屬實現(xiàn)連接的方法[30]，但將爆炸焊用于高氮鋼連接的研究極少.王健等人[30]利用有限元軟件對高氮奧氏體鋼與鋁板的爆炸焊過程進行數(shù)值模擬，試驗結(jié)果驗證了中間線起爆效果優(yōu)于端點線，證實了高氮奧氏體鋼爆炸焊連接的可行性.對T2 紫銅和高氮奧氏體不銹鋼進行爆炸焊接[31]，界面區(qū)未發(fā)現(xiàn)金屬間化合物，同時觀察到細化晶粒數(shù)量和晶粒細化程度均隨爆炸壓力增加而增加，發(fā)現(xiàn)炸藥比例對焊接有影響，當炸藥比較少時產(chǎn)生的能量不足以引起塑性變形，導致連接失效；炸藥配比過大，炸藥產(chǎn)生的能量雖使飛片與母板之間形成良好的結(jié)合，但亦使接頭界面附近的金屬熔化，產(chǎn)生金屬間化合物.

對于高氮鋼爆炸焊接的報道過少，現(xiàn)有研究基本是高氮鋼和異質(zhì)金屬相結(jié)合，通過對高氮鋼爆炸焊接技術的研究與應用，可以拓寬高氮奧氏體鋼應用領域，探求高氮鋼新材料.

2.3 高氮鋼釬焊研究

與傳統(tǒng)熔焊、激光焊、攪拌摩擦焊相比，釬焊連接適用性更強，然而釬縫界面處易產(chǎn)生脆性相，致使接頭連接強度減弱，不利于高氮鋼釬焊連接技術的推廣應用.

2.3.1 鎳基釬料

采用Ni-Cr-B-Si 釬料釬焊高氮奧氏體不銹鋼，基體中N 元素與釬料中B 元素在界面形成六方結(jié)構(gòu)BN 化合物，BN 含量對接頭強度起決定性作用.隨著釬焊溫度升高，B 元素與N 元素反應加劇，BN 生成數(shù)量增多.同時，如圖3 所示釬縫顯微組織圖，隨著溫度升高，大量δ-Fe 從母材析出，亦削弱接頭強度，因此當焊接溫度為1 020 ℃時，釬縫處BN 與δ-Fe 含量較少，接頭抗剪切強度最佳達176.7 MPa[52].使用Ni-Cr-P 釬料對高氮鋼進行釬焊，去除釬料中B 元素，加入P 元素以降低釬料熔點，降低釬焊溫度并避免BN 生成[84].當釬焊溫度低于1 000 ℃時，界面區(qū)形成Cr2N 化合物，釬焊層由Ni-Fe 固溶體和(Ni，Cr)3P 化合物組成，化合物含量與釬焊溫度負相關，Cr2N 和(Ni，Cr)3P 呈脆性，對接頭強度不利.

圖3 不同溫度高氧鋼釬焊接頭的顯微組織Fig.3 Microstructure of high-nitrogen steel joints at different brazing temperatures.(a) 1 020 ℃;(b) partial enlargement of area bin Fig.3a;(c) 1 050 ℃;(d) 1 100 ℃

2.3.2 銀基釬料

采用銀銅共晶釬料釬焊高氮鋼后發(fā)現(xiàn)，Ag-Cu/高氮鋼界面生成了Ag、FeCr 和γ-Fe 組成的擴散層，使高氮鋼接頭最佳剪切強度(290 MPa)明顯高于不銹鋼釬焊接頭(175 MPa)[36].Wang 等人[53]采用AgCuNi 釬料真空釬焊鉆鋌用無磁高氮鋼，釬焊接頭界面元素掃描如圖4 所示，釬縫組織以Ag 基固溶體和Ag-Cu 共晶相為主，擴散層存在Ni 和N 元素富集區(qū)，在釬焊溫度950 ℃、保溫時間10 min、真空度5 × 10-3Pa 時，接頭剪切強度達212 MPa.

圖4 銀銅鎳釬料釬焊高氮鋼接頭界面元素掃描圖Fig.4 Surface scanning of the main elements on the brazed joint interface with AgCuNi filler.(a) Ag;(b) Cu;(c) Ni;(d) Fe;(e) Cr;(f) Mn

合適的釬焊材料可以減少高氮鋼釬焊接頭脆性相的產(chǎn)生，且脆性相常與釬焊過程中溫度曲線有關.因此，優(yōu)化釬焊工藝可以減少高溫和冷卻對釬焊接頭組織和性能的影響，從而抑制釬焊接頭脆性相產(chǎn)生，還需注意釬焊材料化學成分和釬焊參變量的選擇，以最大程度地減少脆性相產(chǎn)生.

高氮鋼釬焊研究還處于起步階段，高性能釬料選用仍在摸索，接頭組織和性能沒有體現(xiàn)高氮鋼高強度的優(yōu)越性，如何探索出潤濕性佳、高性能釬料及設計一套完備工藝流程以有效避免脆性相產(chǎn)生，滿足高氮鋼釬焊產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?，需進一步研究.

3 高氮鋼連接應用研究

隨著國內(nèi)裝備制造業(yè)與新材料業(yè)的不斷發(fā)展，高氮鋼作為一種高性能功能材料，已受到高度關注，在醫(yī)療器械、石油鉆鋌和車輛裝備等領域得到廣泛應用[4].

3.1 醫(yī)療器械

在醫(yī)療器械方面，高氮鋼以N 元素取代Ni 元素，避免鎳離子生物過敏反應，同時提高材料抗點蝕能力，具有廣泛應用前景.安瑞金等人[1]利用激光焊接技術得到醫(yī)用薄板高氮鋼接頭，焊縫組織為奧氏體和少量δ-鐵素體，接頭無軟化區(qū)，拉伸試驗均斷在母材處，焊縫具有較高沖擊韌性，焊接接頭滿足實際需求且無化學殘留.

任伊賓等人[85]發(fā)明一種血管支架用高氮奧氏體不銹鋼，通過加入鎢合金提高不銹鋼密度，借助Cu 和N 元素及稀土元素協(xié)同提高不銹鋼的血液相容性，解決了Cr 元素致敏、致癌和誘發(fā)血栓問題，為血管支架器件研究提供有力依據(jù)；李文等人[86]通過對血管支架進行逐級滲氮方式，結(jié)合多次冷變形、熱處理，在管材成型和控制尺寸精度的基礎上，解決Mn 元素揮發(fā)問題，將支架氮含量提升至1%左右，具有高疲勞壽命、高生物安全性和藥物涂層與基體高結(jié)合力的特性.

3.2 石油鉆鋌

隨著國內(nèi)石油鉆探技術不斷提高，高含硫探井大量開發(fā)及鉆采深度的增加，AISI-300 系不銹鋼性能無法滿足行業(yè)需求，采用鈹銅合金及Monel 合金制造的無磁鉆鋌由于價格昂貴，現(xiàn)已被高氮鋼所替代[87].屈華鵬等人[88]發(fā)明制造了一種新型無磁鉆鋌用高氮奧氏體不銹鋼，對C 和N 元素的含量范圍進行充分優(yōu)化，室溫屈服強度和抗拉強度更優(yōu)，通過加入Cr 元素，使其在鍛后具備優(yōu)良耐晶間腐蝕性能，兼具極低的相對磁導率.秦國梁等人[89]采用攪拌摩擦焊工藝實現(xiàn)高氮奧氏體不銹鋼鉆鋌焊接和修復，改善現(xiàn)有工藝方法，解決失效鉆鋌修復難題，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、力學性能優(yōu)異，滿足美國石油協(xié)會對無磁鉆鋌力學性能要求.

3.3 裝甲防護

作為防護材料，高氮鋼裝甲需抵抗彈丸、射流和破片等侵徹損傷，王宇等人[90]對高氮鋼的動態(tài)性能和抗彈性能進行研究，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)異的抗彈性能是因含氮奧氏體鋼具有良好動態(tài)沖擊硬化性能同時高氮鋼有較大的塑性變形區(qū)，可有效提升材料動態(tài)強度.

目前市場上還未出現(xiàn)完全滿足高氮鋼焊接性能的焊絲.王紅鴻等人[91]成功制備一種用于高氮裝甲鋼焊接的高氮金屬粉芯藥芯焊絲，該焊絲焊接時，電弧穩(wěn)定、脫渣性好、可實現(xiàn)全位置焊接，操作工藝性優(yōu)良，焊絲與高氮裝甲鋼匹配良好，可滿足新一代裝甲裝備強度和塑韌性要求；高金良等人提供一種特種車輛高氮鋼車體焊接工藝，利用多股絞合焊絲特有的結(jié)構(gòu)，改善熔池固氮量、減少晶界脆性化合物析出，保證焊縫力學性能及耐蝕性，解決高氮鋼材料車體焊接制造難題.

4 研究不足及展望

4.1 目前研究不足

(1)在高氮鋼熔焊過程中，接頭容易產(chǎn)生氣孔，氮化物析出造成母材和接頭中N 元素損失，導致接頭韌、塑性嚴重下降，N 元素溶解受母材、焊絲、保護氣體和工藝參數(shù)等系列因素綜合影響.

(2)忽略了高氮鋼專用新型焊絲研究，高氮鋼產(chǎn)品雖已走向成熟，但配套焊絲還遠遠未跟上，所用焊絲化學成分單一，目前高氮鋼常用焊絲主要為TP-N1670 和E2507N，缺乏更多高品質(zhì)高性能新型焊絲.

(3)攪拌摩擦焊具有熱輸入低、峰值溫度低、熱循環(huán)快的獨特優(yōu)勢，但其應用受限，且有時易形成裂紋及“裂紋+孔洞”的復合缺陷，因此需拓展攪拌摩擦焊應用場景，優(yōu)化攪拌摩擦焊工藝，減少接頭缺陷產(chǎn)生.

(4)與高氮鋼熔焊工藝相比，釬焊適用于精密和復雜場景，鎳基、銀基釬料在鋼體表面展現(xiàn)優(yōu)異潤濕性，但釬縫界面易生成脆性相，接頭強度受到局限，現(xiàn)有高氮鋼釬焊方面理論處于起步階段，高氮鋼釬焊工藝開發(fā)和釬料研制尚處于探索期.

4.2 未來發(fā)展方向

(1)應優(yōu)化高氮鋼焊接體系，針對不同高氮鋼系，選擇最佳焊接方法及工藝，開展金屬元素與N 元素耦合作用機理與演變行為研究，盡量避免接頭N 元素逸出、氮/碳化物析出，進一步完善高氮鋼連接相關理論研究.

(2)開發(fā)高氮鋼新型專用焊絲，針對不同型號高氮鋼材料研制匹配焊絲，并建立相關優(yōu)選機制，高氮鋼作為新型結(jié)構(gòu)材料，在醫(yī)療器械、石油鉆鋌和裝甲防護等領域應用廣闊，有關高性能新型專用焊絲制備技術方面的研究將是未來高氮鋼焊接技術研究熱點之一.

(3)高氮鋼復合焊接技術研發(fā)，面對傳統(tǒng)焊接方法無法滿足行業(yè)需求的問題，應另辟蹊徑，尋求更優(yōu)焊接方法，如多場復合釬焊、超聲攪拌摩擦釬焊、激光真空復合焊等極具潛力的連接方法優(yōu)化接頭組織性能，進一步拓寬高氮鋼連接應用范圍.

(4)高氮鋼自主焊接平臺與裝備開發(fā).國內(nèi)外有關高氮鋼連接研究重點集中于焊接工藝、連接界面、焊接材料及傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)型方面，忽略高端裝備特別是高氮鋼智能焊接裝備的研發(fā)，“十四五”期間應充分利用信息技術與大數(shù)據(jù)及數(shù)字孿生理論，高度關注高氮鋼、高強鋼智能裝備與智慧平臺設計開發(fā)，為國內(nèi)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供技術支撐.