保护气对304N不锈钢K-TIG焊接头组织性能的影响

(太钢先进不锈钢材料国家重点实验室，太原 030003)

保护气对304N不锈钢K-TIG焊接头组织性能的影响

柳阳王秋平

(太钢先进不锈钢材料国家重点实验室，太原030003)

使用小孔钨极氩弧焊(K-TIG，keyhole TIG)焊接设备对13.5 mm厚度304N不锈钢板材进行了焊接，不开坡口一道焊透成型。利用SEM,XRD，共聚焦显微镜，铁素体仪，显微硬度计分析了不同保护气体组成对焊缝化学成分、焊接接头各区域微观组织以及性能的影响。结果表明，相对于母材，当采用纯Ar作为保护气体时，焊缝N含量下降了18%，铁素体含量增加了20倍，焊缝中心的显微硬度下降了15%；当采用Ar+3%N2作为保护气体时，焊缝N含量增加了90%，铁素体含量下降了84%，甚至某些区域的铁素体含量为零，焊缝的显微硬度提高了14%以上。

含氮不锈钢小孔钨极氩弧焊铁素体含量

0 序 言

304N不锈钢是在304不锈钢的基础上，通过添加N元素，不仅强度得到了大幅提高，耐蚀性能也显著提升，特别是在氯化物和海水中耐点蚀和耐缝隙腐蚀等[1]。对于含氮钢，焊接过程中抑制熔池氮的析出乃至增加氮含量已成为焊接研究的重点。有学者研究发现，通过向氩气中加入一定量的氮气作为保护气体，焊接熔池及随后焊缝中的N含量有所增加，并且随着保护气体中氮气比例的增加，焊缝中的N含量也随之增加[2-5]。Hertzman等人[6]也发现此规律，并且当保护气体中的氮气含量超过一定比例时，焊缝中会出现氮气孔。当氮气比例达到8%时，不仅促使了焊缝中气孔的形成，而且加大了对钨极的烧损[7]。

K-TIG，即Keyhole TIG Welding，是一种高效的焊接方法，它在焊接过程中产生一道高强度电弧，并控制电弧压力与熔池表面张力实现相对平衡，形成一个全熔透的小孔实现深熔焊接[8]。对于16 mm以下的材料，可不填充焊丝，一道焊接完成，整个焊接过程为单程全熔透焊接，焊缝为100%母材材质，没有多条熔合线，完全消除了夹渣、气孔以及许多焊接工艺常见的其它缺陷。K-TIG焊与常规TIG焊比较，具有以下优点：①焊缝熔深大，焊接速度快，效率高；②对于16 mm以下厚度的材料，可不需要开坡口直接焊接，节约成本；③易实现自动化焊接。

1 试验材料与方法

文中试验材料为304N板材，化学成分见表1。试板尺寸为300 mm×150 mm×13.5 mm，不开坡口。焊接参数见表2。焊接接头截面组织分别由OLYMPUSOLS4100共聚焦显微镜和FEI NovaNanoSEM430测得。焊缝N含量根据GB/T 20124《钢铁氮含量的测定惰性气体熔融热导法(常规方法)》进行检测。焊缝XRD分析使用PANalytical X’ pert Pro X射线衍射仪测量，测试点位于焊缝中心。采用MHV-2000显微硬度仪测量焊缝各区域硬度。焊接设备由广东福维德焊接股份有限公司提供。

表1 304N化学成分(质量分数，%)

表2 焊接参数

2 试验结果与讨论

2.1 焊缝组织

图1为不同气体保护的K-TIG焊接接头截面金相图，图1a为Ar气保护，图1b为正面Ar+3%N2保护，背面为N2保护。对比两图可见，焊缝外观方面，Ar保护的焊缝熔宽较窄，焊缝表面中心较高，而边缘有轻微咬边。Ar+3%N2保护的焊缝熔宽较宽，焊缝表面也较为平坦。这是因为保护气中添加了N2后，电弧的温度比纯Ar电弧的温度高，熔池液态金属润湿性较好，焊缝成形也更好。焊缝组织方面，Ar保护的焊缝奥氏体晶粒内树枝状铁素体较为细密，导致宏观上看奥氏体晶粒之间的取向色差不明显。而Ar+3%N2保护的焊缝奥氏体晶粒则清晰许多，析出的铁素体枝晶也不明显。为了进一步研究焊缝不同区域的组织特点，选取了焊缝4个典型区域进行扫描电镜观察，与母材进行对比，选区示意图如图2所示。

图1 K-TIG焊接接头截面组织

图2 局部放大选区示意图

图3和图4分别为Ar保护和Ar+3%N2保护K-TIG焊接接头不同区域的SEM形貌，表面凸出的为耐腐蚀性相对较好的奥氏体相，凹下的为耐腐蚀性相对较差的铁素体相。

图3a与图4a分别为K-TIG焊缝上部，即区域①，对比两图可见，Ar保护的K-TIG焊缝上部铁素体较多，将奥氏体相分割地较为细小，已经看不到明显的奥氏体晶界；而Ar+3%N2保护的K-TIG焊缝上部奥氏体比例较大，并可隐约看到奥氏体晶界。

对于图3b和3c来讲，铁素体已经非常多了。而与之对比，图4b和4c中铁素体含量较少，奥氏体晶界明显。图3d中铁素体含量比图3b和3c少一些，与图3a相近，看不到明显的奥氏体晶界。图4d中的铁素体含量则较图4a，4b和4c都少，腐蚀坑也较浅，更接近于母材组织。图3e和图4e为母材组织，可清晰观察到浮雕状奥氏体晶粒。

综上，从组织上观察，Ar保护焊缝的铁素体含量均高于Ar+3%N2保护焊缝的对应区域。

图3 Ar保护焊接接头不同区域SEM形貌

图4 Ar+3%N2保护焊接接头不同区域SEM形貌

2.2 焊缝相比例

2.2.1 N含量及铁素体含量

文中依照GB/T 20124对焊缝区域N含量进行检测，使用铁素体分析仪对焊缝区域铁素体含量进行分析，结果见表3。由表3可知，母材N含量为0.130%，与质保书给出的化学成分N含量0.125%相符。Ar保护的焊缝N含量为0.107%，下降了18%，铁素体含量也从母材的0.37%增至7.69%，提高了20倍，在组织照片中也有明显的体现。而Ar+3%N2保护的焊缝N含量达到了0.248%，与母材的N含量相比，提高了90%。由此，铁素体含量也显著下降至0.06%，下降了84%，甚至某些区域检测不到铁素体相。

表3 不同区域的N含量和铁素体含量

对于熔化焊时N的溶入和逸出，文献[9]认为，焊缝中的N主要来源于焊接材料、保护气体和母材，空间气氛、熔池以及随后凝固过程中N的行为将最终决定焊缝中的N含量。对于K-TIG，由于不填充焊丝，焊接材料则不必考虑。在高温电弧作用下，保护气体中的N会发生一系列的反应，如解离、电离、复合等，在电弧和熔池的界面处也会发生N的溶入与逸出的反应。以普通奥氏体不锈钢的TIG焊为例，可将整个熔焊过程分为4个阶段：①预熔阶段；②电弧熔化阶段，此阶段N的溶入占主导；③熔池冷却阶段，此时熔池焊缝仍处于液态，在冷却阶段，N的平衡溶解度随温度的变化而不断变化，此阶段N的逸出占主导；④凝固阶段，由于液相和固相对N的溶解度存在较大差距，即N的溶解度会出现阶跃式变化，过饱和的N会被排出并形成气孔。在固相形成后，由于N在固相中扩散率低，N的损失可被忽略。在相同热输入条件下，熔池与保护气体中N的流动取决于N的活度，而保护气体中N的活度取决于其分压[10]。当采用纯氩气保护时，保护气氛中N的活度为零，远低于熔池中N的活度，N由熔池向保护气体中过渡，从而由于N的逸出，焊缝N含量低于母材。随着保护气体中N含量的增加，保护气体中N的活度增加，当保护气体中N的活度大于熔池N的活度时，N由保护气体向熔池过渡，因此由于N的溶入使焊缝中N含量高于母材。

除了保护气体的影响，焊接工艺参数亦能影响焊接过程中N的溶入和逸出，主要体现在熔池的体积和焊缝的表面积、电弧对熔池的搅拌作用。Kuwana等人[11]研究了GTAW(传统TIG)焊接电流和焊接速度对焊缝N含量的影响，发现焊缝的N含量随着焊接电流的增加而降低，焊接速度的增加而提高，并认为焊接参数对焊缝中N含量的影响是由于焊缝断面面积或焊缝体积变化所引起的，熔池凝固时间越长，析出的N就越多；表面积越大，析出的N也越多。

对于文中采用的K-TIG方法来讲，与传统TIG相比，有以下特点：①一次性熔透13.5 mm，熔池体积比TIG要大；②焊接过程中有小孔形成，熔池表面积和搅拌均显著高于TIG。所以，K-TIG焊缝N的溶入和析出较传统TIG更为强烈。对于Ar保护的焊缝来讲，焊接过程中只存在N的析出，故N含量降低明显，铁素体含量大幅升高。而对于Ar+3%N2保护的焊缝来讲，由于保护气中的N分压使得焊缝中N含量高于母材，铁素体含量远低于母材。

2.2.2 XRD

图5为Ar气保护和Ar+3%N2保护K-TIG焊缝XRD扫描图谱，可见Ar保护K-TIG焊缝(黑色曲线)在铁素体相特征角度有少量体现。而Ar+3%N2保护的K-TIG焊缝则几乎没有发现铁素体的特征峰。这与前文对铁素体含量的测定结果相符。

图5 焊缝XRD图谱

2.3 硬度分布

图6为不同气体保护的K-TIG焊接头截面硬度分布图。硬度在焊缝上表面下2 mm平行线上测得，以熔合线为中心，分别向两侧每0.7 mm测一个点，焊缝侧测三个点，另一侧一直测至母材，熔合线上测三个点。另外，在焊缝中心各测了三个硬度点，Ar保护的焊缝中心硬度均值为238 HV，Ar+3%N2保护的焊缝中心硬度均值为317 HV。

由图6可以看出，在右侧距离熔合线4 mm以外，Ar保护和Ar+3%N2保护焊接接头的硬度基本相等，即母材的硬度，均为280 HV左右。左侧距熔合线4 mm以内为热影响区，晶粒受热粗化，硬度略高于母材。

对于Ar保护的K-TIG焊接接头，熔合线和焊缝侧的硬度均与母材相当，而焊缝中心硬度值为238 HV，下降了15%。这是由于焊缝中心电弧温度高，且存在小孔，N逸出量大；而焊缝边缘N逸出量较少所致。

对于Ar+3%N2保护的K-TIG焊接接头，熔合线和焊缝硬度均有显著提高，达到了300 HV以上，焊缝中心和距熔合线较远区域硬度达到了320 HV左右，提高了14%以上。这便于焊缝中溶入N导致N含量升高有关，焊缝组织得到N的固溶强化。

图6 焊接接头硬度分布

3 结 论

(1)使用K-TIG焊接设备将13.5 mm厚的304N板材不开坡口一次焊透。

(2)当使用纯Ar作为焊接保护气时，焊缝中N含量相对于母材降低了18%，铁素体含量相对于母材增加了20倍。

(3)当使用Ar+3%N2作为焊接保护气时，焊缝中N含量相对于母材提高了90%，铁素体含量下降至0.06%，某些区域甚至检测不到铁素体相。

(4)焊接接头各区域硬度与N含量正相关，N含量越高，硬度值越大。经Ar+3%N2保护的K-TIG焊缝硬度高于母材。

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TG444.74

2017-03-08

柳 阳，1988年出生，博士，工程师。主要从事不锈钢焊接工作，已发表论文10余篇。