N 和O 元素引入對GPCA-TIG 焊焊縫沖擊韌性的影響

黃勇，郭衛(wèi)，王艷磊

(蘭州理工大學(xué),省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室,蘭州,730050)

0 序言

鎢極氬弧焊(TIG 焊)是常規(guī)焊接方法中高質(zhì)量的代表，常用于打底焊以及重要焊接結(jié)構(gòu)和特殊金屬材料的焊接，但由于鎢極容限電流和氬弧熱源的影響，焊接熔深和焊絲熔敷效率較低，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域.而活性TIG 焊方法，通過在TIG 焊接過程中引入活性元素，可在不明顯增加熱輸入情況下使焊縫熔深成倍增加，焊接效率大大提高.

蘭州理工大學(xué)基于活性元素改變?nèi)鄢乇砻鎻埩囟认禂?shù)原理提出了氣體熔池耦合活性TIG 焊(gas pool coupled activating TIG welding，GPCATIG 焊)[1]，采用雙層氣體進行焊接，內(nèi)層惰性氣體保護鎢電極和熔池金屬，外層活性氣體通過O2或者CO2引入活性元素 O 用以增加熔深，通過N2引入元素N，則一是通過收縮電弧進一步增加熔深，二是改善焊縫性能.該方法既可獲得深熔深、高質(zhì)量焊縫，又可實現(xiàn)焊接過程的機械化和自動化.

將O 和N 元素引入到焊縫中，必然會對焊縫組織和性能產(chǎn)生影響，尤其是沖擊韌性.對于O 元素，Terashima 等人[2]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GMAW 焊縫中O 元素含量低于0.02 %時，引入氧將促進針狀鐵素體形成而提高中低強度鋼的沖擊韌性，然而對于高強鋼則由于形成馬氏體和貝氏體而引發(fā)裂紋使得沖擊韌性降低.N 是奧氏體形成元素，隨著焊縫中N 元素含量增加，δ 鐵素體數(shù)量減少，但對于沖擊韌性的影響卻未形成共同認識.Zeng 等人[3]采用Ar +N2保護氣體進行雙相不銹鋼TIG 焊，發(fā)現(xiàn)隨著N 元素含量增加，焊縫金屬室溫沖擊韌性增加，而低溫沖擊韌性不變.Enjo 等人[4]研究了N 元素含量對SUS304LN 奧氏體不銹鋼焊條電弧焊焊縫金屬沖擊韌性的影響，則發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊縫金屬中N 元素含量低于1.7%～ 1.8%時，焊縫金屬沖擊韌性隨著N 元素含量增加而升高，當(dāng)高于此范圍時則下降.而當(dāng)Bonnefois 等人[5]采用Ar+N2保護氣體進行高氮鋼A-TIG 焊時發(fā)現(xiàn)，N 和O 元素同時引入使得焊縫中N 和O 元素含量都增加，焊縫韌性良好.但以往的研究中尚缺乏關(guān)于雙層氣體保護條件下引入N 和O 元素影響奧氏體不銹鋼焊縫組織和焊縫沖擊韌性的相關(guān)研究.

文中針對奧氏體不銹鋼SUS304，分別研究了O 和N 元素單獨引入和同時引入時GPCA-TIG 焊焊縫金屬沖擊韌性的變化規(guī)律，并從焊縫組織成分、析出物種類及形態(tài)以及晶粒取向等方面對變化機理進行了分析，這將有助于深刻理解通過外層氣體引入N 和O 元素對SUS304 不銹鋼焊縫沖擊韌性的影響，有效控制焊縫性能，促進GPCA-TIG 焊這種新型活性焊接技術(shù)的發(fā)展.

1 試驗方法

焊接母材為奧氏體不銹鋼SUS304，試件尺寸為200 mm × 80 mm × 8 mm.焊接方法分別采用直流正接TIG 焊和GPCA-TIG 焊進行表面熔焊，焊接電流180 A，焊接速度60 mm/min，鎢極直徑2.4 mm，鎢極伸出長度3 mm，弧長4 mm，鎢極尖端角度45°.其中GPCA-TIG 焊方法如圖1 所示，內(nèi)層氬氣流量10 L/min，外層氣體流量5 L/min，外噴嘴高于內(nèi)噴嘴2 mm，即耦合度h=+2.當(dāng)單獨引入N 和O 元素時，外層氣體O2或N2分別為5 L/min；當(dāng)N 和O 元素同時引入時，外層氣體為2.5 L/min O2+2.5 L/min N2.當(dāng)沒有外層氣體時，則為TIG焊.焊前用砂紙打磨工件表面，直到露出金屬光澤，然后用酒精擦拭去除表面油污.焊后沿焊縫垂直方向截取焊縫金屬試樣，然后研磨、拋光、腐蝕，觀察焊縫金相組織.金相腐蝕液為王水.

圖1 GPCA-TIG 焊方法示意圖Fig.1 Schematic of GPCA-TIG welding method

針對傳統(tǒng)TIG 焊與GPCA-TIG 焊焊縫金屬進行各項測試.N 和O 元素含量采用氧氮氫分析儀進行測量.由于N 和O 元素對低溫沖擊性能的影響較常溫時明顯，所以依據(jù)國家標準GB/T 229—2007 進行-40 ℃低溫沖擊試驗，數(shù)據(jù)取3 個試樣的平均值.依據(jù)國家標準GB/T 1954—2008 進行鐵素體數(shù)檢測.利用OM 和SEM/EDS 進行焊縫組織觀察和成分測定，依據(jù)國家標準GB/T 6394—2002 采用直線截點法測量焊縫組織晶粒度.利用恒流電解法對焊縫非金屬夾雜物進行萃取.利用掃描電鏡附帶的EBSD 部件分析晶粒取向，試樣采用機械拋光 +電解拋光制取，采用HKL Channel 5 軟件進行數(shù)據(jù)處理.

2 試驗結(jié)果

2.1 焊縫金屬低溫沖擊韌性

表1 為焊縫金屬的-40 ℃低溫沖擊吸收能量.當(dāng)N 和O 元素單獨引入時，GPCA-TIG 焊焊縫金屬的低溫沖擊吸收能量都低于TIG 焊的，尤其是當(dāng)外層氣體為O2時，其沖擊吸收能量只為TIG 焊的85.4%.O 元素引入使得焊縫低溫沖擊韌性明顯下降，這與其它活性TIG 焊[6]中引入O 元素所出現(xiàn)的現(xiàn)象相一致.而當(dāng)引入N 元素后，焊縫低溫沖擊韌性都略有上升，尤其是當(dāng)外層氣體為O2+N2時，GPCA-TIG 焊焊縫的沖擊吸收能量達到TIG 焊的109%.

表1 外層氣體和耦合度對焊縫金屬-40 ℃低溫沖擊吸收能量的影響Table 1 Effects of outer gas and coupling degree on low temperature impact toughness of the weld metal at -40 ℃

2.2 焊縫組織成分

如圖2 所示，不論是TIG 焊還是GPCA-TIG焊，焊縫組織均由奧氏體、鐵素體和少量第二相粒子組成，且鐵素體呈現(xiàn)板條狀和骨架狀兩種形態(tài).在焊縫中心區(qū)域，TIG 焊全為細小的等軸晶，而GPCA-TIG 焊還存在一部分柱狀晶.如表2 所示，與TIG 焊相比，GPCA-TIG 焊焊縫中心區(qū)組織都有一定程度細化，尤其當(dāng)外層氣體為O2+N2時，焊縫組織細化較明顯.

表2 焊縫組織晶粒度Table 2 Grain size grades of weld metals

圖2 TIG 焊和GPCA-TIG 焊焊縫微觀組織Fig.2 Weld microstructures of TIG welding and GPCA-TIG welding.(a) TIG welding;(b) GPCA-TIG welding (O2);(c)GPCA-TIG welding (N2);(d) GPCA-TIG welding (O2+N2)

由表3 可知，當(dāng)有外層氣體存在時焊縫中的O 和N 元素含量都有一定程度增加，而Cr 和Ni 元素含量都有所下降，尤其當(dāng)外層氣體為O2時，O 元素含量上升明顯，而當(dāng)外層氣體為N2時，N 元素含量上升明顯.一般認為當(dāng)熔池中的O 元素含量達到0.007 0 %～ 0.030 0 %時，將使得鐵合金的表面張力溫度系數(shù)由負值變成正值，熔池內(nèi)形成向內(nèi)向下的環(huán)流，促使電弧熱量更有效向熔池底部傳輸，熔深顯著增加，這也是不銹鋼GPCA-TIG 焊中熔深增加的主要機理.另外，當(dāng)外層氣體為O2+N2時，雖然外層氣體中O2和N2流量都只有氮、氧單獨引入時的一半，焊縫中N 元素含量卻遠高于N2單獨引入時的一半值，即氧增加了焊縫中的N 元素含量，而這源于氧對熔池表面氮的增強吸附[7].

表3 外層氣體對焊縫中主要元素含量的影響(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 Effects of outer gas on the main element contents in the weld metal

表4 所示為采用鐵素體儀所測得的焊縫中鐵素體含量，不論O2和N2單獨引入還是O2和N2同時引入，由于奧氏體元素N 的引入，焊縫中鐵素體含量都有所下降.但當(dāng)外層氣體為O2+N2時，鐵素體含量下降相對較少.尤其值得注意的是，其中的板條狀鐵素體含量卻有所增加，如圖2d 所示.

表4 外層氣體對焊縫鐵素體數(shù)(FN)的影響Table 4 Effect of outer gas on the ferrite number (FN) in the weld metal

2.3 非金屬夾雜物

如圖3 所示，不論TIG 焊還是GPCA-TIG 焊，焊縫中均有碳化物、氮化物和氧化物等非金屬夾雜物析出，且形貌差別較大.其中碳化物形貌較復(fù)雜，呈現(xiàn)出網(wǎng)狀、長條狀、塊狀和顆粒狀等形貌；氮化物則呈現(xiàn)稍大塊狀，而氧化物以細小球狀顆粒物呈現(xiàn).在TIG 焊焊縫中，網(wǎng)狀碳化物較多，氧化物和氮化物較少.而在GPCA-TIG 焊中，氧化物和氮化物數(shù)量增加，而較少發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物.

圖3 焊縫金屬中的非金屬夾雜物Fig.3 Nonmetallic inclusions in the weld metal.(a) granular carbide;(b) network carbide;(c) blocky carbide;(d) lath carbide;(e) granular oxide;(f) blocky nitride

2.4 晶粒取向

采用EBSD 分析了焊縫中心晶粒取向，并通過后處理軟件Channel 5 測量了焊縫中大小角度晶界比例和焊縫晶粒取向.圖4 和表5 所示為外層氣體對焊縫中心奧氏體晶粒的晶界角分布的影響，當(dāng)O2和N2單獨引入時，大角度晶界(晶界角θ＞15°)都明顯減少，而當(dāng)O2和N2同時引入時大角度晶界(晶界角θ＞15°)則略有上升.

表5 外層氣體對fcc 晶界角分布的影響Table 5 Effect of outer gas on distribution of fcc grain boundary angle θ

圖4 TIG 焊和GPCA-TIG 焊焊縫金屬fcc 晶粒取向差Fig.4 FCC grain misorientation angles in weld metal of TIG welding and GPCA-TIG welding.(a) TIG welding;(b)GPCA-TIG welding (O2);(c) GPCA-TIG welding (N2);(d) GPCA-TIG welding (O2+N2)

對于立方晶系，常以φ2=0°和φ2=45°截面圖內(nèi)的位置為基準來判斷重要晶粒取向.圖5 為TIG 焊和外層氣體分別為O2，N2和O2+N2時的GPCA-TIG 焊的焊縫晶粒ODF 圖，可以看出外層氣體引入改變了焊縫中心晶粒取向.對于常規(guī)TIG 焊焊縫，鐵素體晶粒取向較雜亂，主要分布在{001}＜100＞，{111}＜110＞，{111}＜112＞和{112}＜111＞附近，奧氏體晶粒主要分布在{110}＜001＞和{112}＜111＞附近，而對于GPCA-TIG 焊焊縫，外層氣體為O2時，鐵素體晶粒主要分布在{110}＜001＞附近，奧氏體晶粒主要分布在{111}＜110＞和{111}＜112＞附近；外層氣體為N2時，鐵素體晶粒主要分布在{110}＜001＞附近，奧氏體晶粒主要分布在{001}＜100＞和{001}＜110＞附近；外層氣體為O2+N2時，鐵素體晶粒主要分布在{111}＜112＞附近，奧氏體晶粒主要分布在{110}＜110＞和{111}＜110＞附近.

圖5 TIG 焊和GPCA-TIG 焊的焊縫晶粒ODF 圖Fig.5 Orientation distribution functions of TIG weld metal and GPCA-TIG weld metal grains.(a) TIG welding;(b)GPCA-TIG welding (O2);(c) GPCA-TIG welding (N2);(d) GPCA-TIG welding (O2+N2)

3 分析與討論

對于GPCA-TIG 焊，如果外層單獨引入O2，焊縫金屬低溫韌性會明顯下降，而當(dāng)O2+N2同時引入時焊縫金屬低溫韌性則明顯回升，甚至超過普通TIG 焊的.基于以上試驗數(shù)據(jù)，可從以下4 方面分析氮氧同時引入改善焊縫金屬低溫韌性的機理.

(1)非金屬夾雜物.從表3 和圖3 可知，外層氣體引入使得焊縫中的非金屬夾雜物數(shù)量增加.O 元素在焊縫金屬中主要以各種氧化物形式存在，易使夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，在外力作用下形成起裂源，從而降低焊縫金屬韌性.而N 元素在焊縫中主要以間隙原子形式存在于焊縫金屬中，雖然也在焊縫中發(fā)現(xiàn)有氮化物夾雜物存在，但數(shù)量很少，且以復(fù)雜化合物形式存在，對焊縫韌性影響較小.相比于TIG 焊，采用外層氣體O2進行GPCA-TIG 焊時，焊縫金屬中O 元素含量顯著增加，析出氧化物對低溫沖擊韌性的降低作用明顯；而當(dāng)外層氣體為O2+N2時，焊縫金屬中氧含量增加較少，這種作用相對降低.

(2)晶粒尺寸.從圖2 和表2 可知，外層氣體引入使得焊縫晶粒細化，不利于裂紋擴展，焊縫金屬低溫沖擊韌性上升.首先，GPCA-TIG 焊時，當(dāng)外層氣體為O2時將改變?nèi)鄢亟饘俦砻鎻埩囟认禂?shù)，當(dāng)外層氣體為N2時收縮電弧，增強熔池內(nèi)的電磁力，這些都將增強熔池內(nèi)的向內(nèi)環(huán)流，高溫液態(tài)金屬急速向熔池底部流動.這不但使得電弧熱更有效向熔池底部傳輸，顯著增加熔深，而且由于液態(tài)金屬流速明顯高于普通TIG 焊的，熔池攪拌作用增強，打斷了凝固金屬的連續(xù)生長，有利于形成較細的晶粒組織.尤其當(dāng)N 和O 元素同時引入時，表面張力溫度系數(shù)改變和電弧收縮同時起作用[8]，效果更加明顯.其次，氮在液態(tài)和固相奧氏體不銹鋼中的溶解度相差巨大，從而熔池金屬凝固時隨著溫度下降N 元素將以大量氣泡的形式向外逸出，加劇對尚未凝固金屬液體的攪拌作用，所以外層氣體為N2時的晶粒卻較外層氣體為O2時細小[9].第三，如前所述，外層氣體引入N 和O 元素還將產(chǎn)生大量的非金屬夾雜物，成為熔池金屬凝固結(jié)晶時的形核源，大大提高形核率，從而促進細晶組織的產(chǎn)生.

(3)鐵素體含量.不論是TIG 焊還是GPCATIG 焊的焊縫金屬，根據(jù)WRC-1992 計算出的Creq/Nieq值都處于1.50～ 2.00 范圍內(nèi)，其焊縫金屬的凝固方式都是FA 模式.在凝固過程中，奧氏體是靠不斷消耗鐵素體形成的，隨著凝固過程的不斷進行，殘留鐵素體中Cr 等促進鐵素體生成元素不斷富集，而Ni，C，N 和Mn 等奧氏體元素不斷貧化.Cr 元素含量的增加和Ni 元素含量的減少將使得鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，焊縫金屬韌性下降，所以鐵素體含量的增加將使得焊縫金屬韌性降低.但同時對于SUS304 奧氏體不銹鋼來說，少量鐵素體的存在又會打亂奧氏體晶粒的連續(xù)生長，防止晶粒粗大，阻礙裂紋擴展，使得焊縫金屬韌性升高.所以當(dāng)奧氏體不銹鋼中鐵素體含量控制在3%～ 8%時，有利于獲得良好的焊縫韌性.從表4 可知，外層氣體引入使得焊縫中鐵素體含量下降，但當(dāng)O2和N2同時引入時，鐵素體含量下降值較少，中等適量，對焊縫金屬低溫沖擊韌性的影響較小.

(4)晶體學(xué)取向.材料的變形和斷裂與鄰近晶粒之間的取向差有較大的關(guān)系.對材料強韌性起不利作用的是亞晶界和小角度晶界(θ＜15°)，而其有益作用的是大角度晶界(θ＞15°).當(dāng)裂紋擴展到晶界取向差大于15°的晶界時，需要更多消耗能量，從而起到止裂作用.從圖3 和表5 可知，當(dāng)O2和N2單獨引入時，奧氏體晶粒大角度晶界數(shù)量減小使得晶界能下降，裂紋更易擴展，韌性下降，而當(dāng)O2和N2同時引入時，奧氏體大角度晶界數(shù)量增大使得晶界能上升，裂紋不易擴展，韌性增高.

在奧氏體不銹鋼中骨架狀和板條狀鐵素體在位向上的差異也將對焊縫性能產(chǎn)生很大影響.根據(jù)Karlsson 等人[10]和Kamiya 等人[11]的理論，奧氏體不銹鋼中的骨架狀鐵素體滿足N-W 取向，鐵素體的原子間距為0.25 nm，奧氏體的原子間距為0.29 nm，而板條狀鐵素體滿足K-S 取向，鐵素體和奧氏體的原子間距均為0.25 nm 左右.故相比于骨架狀鐵素體，板條狀鐵素體與奧氏體的匹配性更好，結(jié)合能更高，抵抗裂紋的能力更強.這既意味著O2和N2同時引入時焊縫中板條狀鐵素體增多可以提高焊縫金屬的韌性，同時意味著裂紋會優(yōu)先選擇具有{100}晶面的骨架狀鐵素體擴展.

第三，根據(jù)Schimid 定律可知，與裂紋擴展方向夾角越小的晶面，在裂紋擴展過程中越易發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而致使裂紋更易擴展.在立方晶系中，{100}晶面與{110}晶面夾角為45°，{100}晶面與{111}晶面夾角為54.73°，{100}晶面與{112}晶面的夾角為35.27°.由前述可知，在TIG 焊焊縫中鐵素體分布較雜亂，在{001}＜100＞，{111}＜110＞，{111}＜112＞和{112}＜111＞附近都有分布，與裂紋最易擴展晶面{100}之間的夾角分別為0°，35.27°或54.73°，而與此相比，O2和N2單獨引入時焊縫中鐵素體晶粒均分布在{110}＜001＞附近，與{100}晶面夾角為45°，而O2和N2同時引入時焊縫中鐵素體晶粒均分布在{111}＜112＞附近，與{100}晶面夾角為54.73°，即當(dāng)O2和N2同時引入時，使得鐵素體晶粒取向與奧氏體晶粒裂紋最易擴展面之間的夾角增大，裂紋不易擴展，韌性上升.

4 結(jié)論

(1)外層氣體種類對不銹鋼GPCA-TIG 焊焊縫低溫沖擊韌性有較大影響.單獨引入O2時將明顯降低，單獨引入N2時則降低較少，而同時引入O2和N2將增加焊縫金屬低溫沖擊韌性.

(2) GPCA-TIG 焊焊縫組織由奧氏體、鐵素體和少量的第二相粒子組成.外層氣體單獨引入N 和O 元素使得焊縫N 和O 元素含量增加，非金屬夾雜物增加，鐵素體數(shù)量下降.當(dāng)N 和O 元素同時引入時這種趨勢減弱，板條狀鐵素體數(shù)量增加，金相組織較為細小.

(3)外層氣體引入既改變了焊縫金屬中鐵素體和奧氏體的晶粒取向，又改變了奧氏體晶界分布.N 和O 元素單獨引入時，奧氏體晶粒大角度晶界明顯減少，而N 和O 元素同時引入時卻略有上升.

(4) N 和O 元素同時引入增強GPCA-TIG 焊縫金屬低溫沖擊韌性的機理主要在于：焊縫微觀組織較細，焊縫金屬中的N 和O 元素含量和所形成的非金屬夾雜物增加程度和鐵素體數(shù)量的下降程度都相對較少，卻增加了奧氏體晶粒中的大角度晶界數(shù)量以及鐵素體晶粒與奧氏體晶粒之間位向關(guān)系的匹配性，從而使得裂紋不易擴展，韌性增強.