大庆石化公司机械厂 黑龙江大庆 163000
摘要：进入21世纪以来，随着各工程领域对高性能钢铁材料需求的多样性和要求的提高，新一代先进钢铁材料研发随之展开。其相应的焊接材料和焊接技术成为材料应用的关键。所以，本文就先进钢铁材料焊接性研究进展进行了分析，仅供参考。
关键词：贝氏体钢，超细晶钢，高氮奥氏体不锈钢，高强汽车钢，焊接性
随着节能环保、绿色发展理念的不断深入，低成本高性能的钢铁材料得到更广泛应用。由于焊接冶金过程的特点，焊接接头难以靠轧制及热处理工艺获得良好的组织与性能，因此焊接接头往往成为结构的薄弱环节。如何保障良好的焊接性能，是钢铁材料研发不可忽视的问题。
一、超低碳贝氏体钢的焊接
超低碳贝氏体(ULCB)钢是一种具有良好强度和韧性的钢种。从组织来看，极低的C含量能够降低基体的渗碳体含量。同时，添加合金元素保证了贝氏体充分转变，避免产生马氏体。最初的ULCB钢是由瑞典实验室开发的“强可焊性钢”(典型化学成分(质量分数，%)为：C0.10~0.16，Mn0.6，Si0.4，Mo0.35~0.60和B0.0013~0.0035)。然而，由于超低碳贝氏体热影响区形成大量脆性组织导致的韧性下降，限制了ULCB钢应用。典型ULCB钢中的贝氏体晶粒由细小的贝氏体铁素体组成，其间还均匀分布少量富碳二次相。由于这些亚结构的边界是小角度晶界，因此光学组织形貌是二次相粒子散布在晶粒内。研究表明，C含量的降低会导致马氏体体积分数的减少，从而在保证强度的同时改善钢材的韧性。
1.超低碳贝氏体钢的焊接性
由于ULCB钢的C当量(Ceq)一般不超过0.2%，焊接冷裂纹敏感性系数(Pcm)也很低，一般不超过0.4%，因此具有良好的韧性和可焊性，特别是具有很低的冷裂纹敏感性。这使得ULCB钢可以在不预热或较低温度预热条件下焊接。由于良好的淬透性，在常规焊接条件下热影响区的组织大致为贝氏体和针状铁素体，具有良好的韧性。即使在较大的热输入情况下，也不会产生焊接热影响区的晶粒剧烈长大的现象。其原因是由于母材中的合金元素会产生偏聚，移动到奥氏体晶界上，从而阻碍晶粒长大。另外热影响区也不会出现组织粗大、脆性的魏氏组织影响韧性。虽然对于母材来说，ULCB钢的成分设计可以改善焊接性，但仍然存在很多不利因素：在粗晶热影响区，过细的原始控轧控冷晶粒长大的驱动力更大，当峰值温度超过晶粒长大临界温度时，CGHAZ晶粒易于粗化。相应地，ULCB钢合金元素含量过高，导致淬硬倾向与冷裂倾向增大。其中M-A组元是影响韧性的主要因素。针对不同的钢种，接头的组织与性能也有很大差异。
2.高氮奥氏体不锈钢的焊接
焊接保护气和气孔性在熔化焊时，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。在高温电弧作用下，保护气体中的N会发生一系列的反应，在电弧与熔池的界面处也会发生氮的溶入与逸出反应。熔焊时，氮气孔的形成是焊缝中N损失的主要方式之一，固溶氮含量减少，必然造成焊接接头性能下降。因此，熔焊时必须要解决析出气孔问题。焊缝的N含量以及氮气孔的形成受很多因素影响，如保护气体、焊缝的凝固模式、N的溶解度，熔池周边的压强、基体中N的含量等。焊接高氮钢时，大多采用Ar+N2混合气体作为保护气体，以保证电弧的稳定性。
通过调整N2的比例来达到降低熔池中的氮析出的目的。在对高氮钢进行氩弧焊时，发现焊缝中的N含量随着保护气中N2比例升高而升高。为了提高焊接接头的N含量，采用熔化极气体保护焊(gasmetalarcwelding，GMAW)方法，在高压N2气氛中开展了SUS316L钢的焊接性实验。随着N2气压的增加，焊缝中的N含量也随之增加，从0.1MPa时的0.2%(质量分数)增加到6.1MPa时的0.65%，焊后的焊缝观察并未发现气孔。采用GTAW方法焊接高氮钢时，当N2气比例达到8%时，不仅促使了焊缝中气孔的形成，而且加大了对钨电极的损耗。因此，焊接保护气体中N2的比例存在一个临界值，而临界值的大小具体取决于焊接方法的选择以及焊缝中的合金元素等诸多因素。此外，还有科研人员研究了气氛中加入少量的氧化性气体的情况，如O2和CO2。结果表明，在焊接电弧中氧化性气体可以增加N的吸收速率，相反还原性气体，则会降低N的吸收速率。
3.焊接工艺
焊接工艺参数(如焊接电流、电弧电压、焊接速率)均能影响焊接过程中氮的吸收和逸出。主要体现在以下几个方面：电弧空间的温度、熔池的体积和焊缝的表面积及电弧对熔池的搅拌作用。对GTAW焊接电流和焊接速率对焊缝N含量的影响研究表明，焊缝的N含量随着焊接电流的增加而降低，随着焊接速率的增加而提高，并认为焊接参数对焊缝中N含量的影响是由于焊缝表面积或体积变化所引起。熔池凝固时间的越长，析出的N就越多，而表面积越大，损失的N就越多。针对焊接电弧长度(电弧电压)对焊缝N含量的影响研究表明，在一定范围内，电弧长度的增加增大了焊接熔池的体积，使焊缝N含量降低。因此，在熔焊时，为了降低氮的逸出，应该严格控制焊接线能量。关于表面活性元素对高氮钢焊接时氮行为的影响，研究表明，活性元素的存在(特别是O和S)对氮向熔池中溶解过程和行为产生明显的影响。当存在O元素时，焊缝中吸入的N的含量有明显增加。因此，为了抑制氮气孔的形成，可向保护气体中加入少量的氧化性气体。根据相关的结果，电弧和焊接熔池中少量的O原子也有助于降低N从熔池中的析出速率。此外，还有研究通过建立不锈钢在自熔焊接时氮吸收和析出的动力学模型，分析了表面活性元素即其浓度的变化对焊接过程中氮的动态行为的影响。高氮钢焊接时，固溶氮的另一种损失方式就是形成氮化物，其中Cr2N是最常见的氮化物形式。研究高氮钢的焊接性，就必须理解连续冷却条件下焊缝和焊接热影响区的氮化物析出行为。分别对24%Cr-6%Mn-17%Ni-4.5%Mo-0.5%N和24%Cr-3.5%Mn-22%Ni-7%Mo-0.5%N2种高氮奥氏体不锈钢的焊接性进行研究[78]，采用高Cr、Mo含量的镍基合金作为填充材料，焊缝中没有氮化物生成，热影响区没有明显的氮化物析出，而且焊后接头的抗局部腐蚀性能与母材相当。18%Cr-18%Mn-(0.6~1.2)N[79]、18%Cr-18%Mn-2%Mo-0.9%N[80]、19%Cr-5%Mn-0.7%N[81]的温度-时间-性能(TTP)曲线表明，在氮化物析出最快的“鼻尖温度”，氮化物开始析出的孕育期为10s。在传统电弧焊热循环作用下，这几种钢不会发生氮化物的沉淀。
结束语
在成形性能方面，通过对激光拼焊板的成形性能实验发现，相同热输入条件下，平行于轧向焊接其拼焊板成形性能更优。观察焊缝处杯突裂纹，发现在杯突冲头中心没有出现裂纹，在冲头中心两侧的焊缝表面有多处细小裂纹，且在靠近外侧的裂纹扩展长度最大，形成长裂纹，裂纹都垂直于焊缝方向，因此，控制热输入是保障接头性能的关键。
参考文献
[1]QuZX,TianZL,HeCH,etal.Ultra-finegrainedsteelanditsweldability[J].IronSteel,2000,35(2):70(屈朝霞,田志凌,何长红等.超细晶粒钢及其焊接性[J].钢铁,2000,35(2):70)