焊絲成分對高氮鋼CMT+P 焊工藝性的影響

張建, 李濤, 林紅霞, 楊東青, , 方輝, 范霽康, 王克鴻

(1. 南京理工大學 受控電弧智能增材技術工業和信息化部重點實驗室，江蘇 南京 210094; 2. 中船黃埔文沖船舶有限公司 廣東省艦船先進焊接技術企業重點實驗室，廣東 廣州 510715)

0 引言

高氮鋼是指氮含量達到0.08%以上的鐵素體鋼或氮含量達到0.4%以上的奧氏體鋼[1]。在高氮鋼中，氮和合金元素通過形成彌散的氮化物來強化鐵素體或氮像碳一樣以間隙原子的形式強化奧氏體。高氮鋼表現出來的低成本、高加工硬化率、良好的抗腐蝕性能，使其在軍事工程、海洋平臺、裝甲防護和醫療器械等領域有著廣闊的應用前景[2-5]。但在高氮鋼焊接時，氮很容易聚集析出，造成氮損失，形成接頭氣孔，導致焊接接頭的力學性能顯著下降，因此在焊接中如何抑制氮損失和接頭氣孔，成為高氮鋼焊接需要考慮的主要問題之一[6-8]。 馬良超等[9]通過改變焊絲中的氮含量來研究熔池中的氮逸出問題。明珠等[10]研究發現氮含量較多的焊絲熔滴過渡的周期較長且熔滴不易破碎，焊接過程電信號更加穩定。熊鷹[11]基于提高氮在熔池中的溶解度的目的，向焊縫中添加氮化錳合金粉末，以研究探究不同送粉量對焊縫氮含量和錳含量的變化規律。崔博等[12]采用激光-電弧復合焊對高氮鋼進行焊接，并研究了焊絲成分對氮含量的影響：隨著焊絲中氮含量的增加，焊縫氮含量呈先升高、后降低趨勢。

冷金屬過渡加脈沖(Cold Metal Transfer plus Pulse, CMT+P)焊接技術是在CMT 技術的基礎上增加脈沖P 階段的新型焊接工藝[13-17]，二者結合可以大大增加焊接熱輸入的調節范圍，實現熱量的精確控制。張恒銘等[18]研究了不同極性對細直徑自保護藥芯焊絲CMT 的熔滴過渡過程，發現在直流正接條件下，峰值階段的熔滴過渡模式主要表現為射滴過渡。當前對高氮鋼CMT+P 焊接工藝研究較少。高氮鋼CMT+P 焊接除了氮損失和氣孔問題外，其熔滴過渡的穩定性也很重要，是獲得良好焊接工藝的前提。

基于此，本文自制5 種不同成分的高氮鋼焊絲，采用CMT+P 焊接方法研究其焊接工藝穩定性，如電信號、熔滴過渡、飛濺等，為高氮鋼焊接奠定工程應用基礎。

1 試驗方法和試驗方案

1.1 試驗方法

試驗工藝參數如表1 所示，采用氬氧氮的混合氣以保證高氮鋼的良好成形[19]。試驗材料采用316L不銹鋼為基板以減少變量，焊絲采用自主開發的5種直徑為1 mm 的實芯高氮鋼焊絲，氮含量都超過0.4%，如表2所示。采用美國Vision Research公司生產的Phantom VEO 410型的高速相機獲取熔滴過渡過程的圖像信息，采樣頻率5 kHz。采用芬蘭 Cavitar公司生產的CAVITAR 640 nm HF型的激光器發射輔助光源，波長640 nm。使用的電信號采集盒的采集頻率為5 kHz。

表1 試驗工藝參數Table1 Process parameters of CMT+P test

表2 5 種焊絲的化學成分Table 2 Chemical composition of the five welding wires wt %

1.2 試驗方案

為獲得電信號波形圖和熔滴過渡圖像，設置電信號采集盒和高速攝像機的采集頻率一致，當電信號采集盒開始采集電信號時，其觸發的一個脈沖信號被發送至高速相機，使高速相機也開始工作，以實現高速攝像與電信號的同步采集。

焊接試驗過程中使用高度為300 mm 的鋁箔將基板圍住，避免飛濺的損失。試驗結束后收集整個基板表面的飛濺并進行稱重，結合高速攝像系統拍攝結果，說明高氮鋼焊絲成分(氮、錳含量)對焊接飛濺率的影響。

飛濺率的計算可以采用如下公式：

式中：φ表示飛濺率；m表示收集到的飛濺質量；ρ表示焊絲密度；v表示平均送絲速度；t表示焊接時間；d表示焊絲直徑。

2 試驗結果分析

2.1 電信號

U-I相圖能夠從電信號的角度體現焊接過程的穩定性，U表示電弧電壓，I表示焊接電流，圖中數據點分布越均勻、越集中，電流電壓值的重復性越好。截取1 000 ms(共5 000 個數據點)的電流電壓信號，繪制不同高氮鋼焊絲成分CMT+P 焊接時的U-I相圖如圖1 所示。

由圖1可見焊絲中氮含量對電信號的穩定性影響較大：氮含量為0.42%時U-I相圖中的數據點分布最為均勻和密集，焊接過程的電信號較穩定，如圖1(a)所示；隨著焊絲中氮含量的增加，U-I相圖的數據點變得相對分散，有些點出現了大幅度的偏離和雜亂，表明電信號波形開始不穩定且產生了較大的波動，焊接穩定性逐漸下降。當焊絲氮含量達到0.99%時，數據點分散程度較大，主要表現為電壓值的寬度變大，表明此時電壓上下的擾動較大，焊接過程較不穩定，如 圖1(e)所示；當固定焊絲氮含量不變，改變焊絲中錳元素的含量時，對比圖1(b)、圖1(c)的數據點離散程度變化不大，表明錳含量對電信號穩定性影響較小。

圖1 不同焊絲成分的U-I相圖Fig. 1 U-Idiagram of different welding wire compositions

2.2 熔滴過渡行為

高氮鋼CMT+P工藝過程中熔滴主要在脈沖階段容易出現爆炸產生飛濺。如圖2(a)所示，一個完整的CMT+P 周期由5 個脈沖(圖中方框)加1 個CMT(圖中橢圓圈)所組成，其中1個脈沖時長約為17 ms，脈沖峰值電流時長約為1.8 ms，脈沖峰值電流大小為330 A左右，而脈沖基值電流大小約為30 A; 1個CMT時長約為16 ms，整體平均電流約為66 A。 如圖2(b)方框的脈沖階段，當電流由脈沖基值電流迅速上升到脈沖峰值電流時，熔滴在較高電流作用下迅速長大并伴隨著不規則的形狀變化和劇烈爆炸，產生了小液滴的飛濺。如圖2(b)橢圓圈中的CMT階段，熔滴較小且狀態都很穩定，未產生飛濺。

圖2 電參數與熔滴過渡圖像Fig. 2 Electrical signal waveform vs droplet transfer

顯然不同成分的高氮鋼焊絲CMT+P 焊接穩定性存在差別，相應的熔滴過渡穩定性也就不盡相同。高氮鋼CMT+P 工藝過程中脈沖階段所占比例大，對熱輸入起主要影響作用[9]。因此，本文主要研究不同焊絲成分的脈沖階段過渡圖像來評判其熔滴過渡穩定性。

圖3為不同焊絲成分的高氮鋼焊絲在相同焊接規范參數下脈沖階段的熔滴過渡圖像。

圖3(a)中，氮、錳含量較少的高氮鋼焊絲脈沖階段的熔滴在過渡時形狀變化及爆炸程度最小，大部分為球形(圓圈處)，熔滴過渡形式保持為一脈一滴的特性。此時熔滴過渡頻率比較大，脈沖峰值時間短，維弧期間焊絲的預熱量小，熔化量也小，在脈沖到來時只能形成一個熔滴的過渡，即一脈一 滴[13]。圖3(b)和圖3(c)中，熔滴在過渡時的尺寸變大，形狀不規整，前者過渡過程中的飛濺要小于后者，均保持一脈一滴的過渡特性。圖3(d)對應氮含量高達0.79%的焊絲，飛濺量明顯增多，熔滴的形狀復雜多變。偶爾會出現熔滴與熔池接觸發生短路的現象(方框處)，熔滴尺寸較小，熔池擾動較大，熔滴過渡過程不太穩定。圖3(e)中，當焊絲中氮含量達到0.99%、錳含量達到17.86%時，熔滴過渡頻率較小，過渡時間長，熔滴過渡模式由一脈一滴轉變為多脈一滴，會出現在某一個脈沖里熔滴形成并停留在焊絲末端的情形(方框處)。該過渡模式下熔滴爆炸產生的飛濺更多，焊絲工藝性變差。因為焊絲中氮、錳含量較高，熔滴中氮元素聚集形成氮氣泡后膨脹[10]，錳元素受熱沸騰后蒸發，導致熔滴炸裂而生成更多的飛濺，熔滴質量下降(圓圈處)，此時促進熔滴過渡的合力不足以在一個脈沖內克服阻礙過渡的合力完成過渡。當下一個脈沖較大電流作用在這部分熔滴上時，兩個或多個脈沖階段生成的熔滴一起爆炸，產生大量飛濺。飛濺主要由Mn、O元素組成，與焊絲⑤錳含量高達17.86% 有關。

圖3 不同焊絲脈沖階段的熔滴過渡(相鄰圖像時間間隔1 ms)Fig. 3 Droplet transfer of different welding wires at pulse stages (T=1 ms)

綜上所述，隨著焊絲中氮、錳含量的增加，熔滴過渡從一脈一滴轉變為多脈一滴，熔滴形狀不規律，過渡頻率不穩定，焊絲工藝性變差。

2.3 飛濺率

顯然不同成分的高氮鋼焊絲CMT+P 焊接穩定性存在差別，相應的飛濺率也就不盡相同。計算得到不同成分的高氮鋼焊絲在完全相同的CMT+P 焊接工藝下的飛濺率如圖4 所示。由圖4 可見，隨著焊絲中氮含量從0.42%增加到0.99%，錳含量從7.19%增加到17.86%，焊接飛濺率從2.69%逐漸增至5.3%。對比焊絲②、焊絲③的飛濺率，兩者氮含量基本不變，而錳含量由 6.85%增加到16.79%，飛濺率有1.01%的增幅。因為錳元素的沸點低于其他合金元素的沸點，且錳元素含量高的高氮鋼焊絲在形成熔滴后沸騰產生金屬蒸汽的趨勢更強，更多的錳元素發生氣化從熔滴中脫離并快速凝固成為飛濺。這一結果與鋼液中Mn 的含量過高對Mn 的揮發行為有著很大的影響相一致[20]。對比焊絲④、焊絲⑤的飛濺率，錳含量基本不變而氮含量增加，飛濺率從4.21%增至5.3%，增幅較大。

圖4 不同焊絲飛濺率Fig. 4 Spatter Rate of different welding wires

當焊絲中氮含量達到 0.99%、錳含量達到17.86%后，飛濺率高達5.3%。這是因為熔滴由一脈一滴為主的過渡模式轉變為多脈一滴為主的過渡模式。而多脈一滴的過渡模式下，熔滴在多個脈沖內都停留在焊絲端部，每產生一個脈沖熔滴就會爆炸一次產生飛濺，多次累積后產生比一脈一滴過渡模式更多的飛濺，最終導致飛濺率達到最高。決定脈沖熔滴過渡模式的參數主要是峰值電流大小和峰值電流時間，為了保證一個脈沖內有足夠的能量完成一次熔滴過渡并不發生多次熔滴過渡，采取最小能量模式控制法，即適當匹配脈沖峰值電流大小和脈沖峰值電流時間，使其在一脈一滴熔滴過渡模式的基礎上保證脈沖的熱輸入最小，于是脈沖階段的峰值電流大小和峰值電流時間基本維持在一個較小的范圍內穩定不變。而在這個水平的脈沖峰值電流和持續時間下，氮逸出、錳蒸發導致高氮鋼熔滴劇烈爆炸產生大量飛濺。

3 結論

本文采用CMT+P 焊技術對5 種高氮鋼焊絲進行焊接試驗，研究了焊絲成分對電信號、熔滴過渡、飛濺率的影響。得出主要結論如下：

1)焊絲中氮含量對高氮鋼CMT+P 焊接穩定性影響大于錳含量的影響。氮含量的增加，使U-I 相圖變得離散，電信號波動變大且分布離散，焊絲工藝性變差。

2)當焊絲中氮含量為0.42%時，熔滴過渡形式表現為工藝性能較好的一脈一滴。而當焊絲中氮含量提高至0.99%時，熔滴過渡模式由一脈一滴轉變為多脈一滴，熔滴形狀不規律且尺寸變大，焊絲工藝性變差。

3)隨著焊絲中氮、錳含量的增加，高氮鋼CMT+P 焊接飛濺率呈不斷上升的趨勢。氮逸出、錳蒸發導致高氮鋼熔滴劇烈爆炸產生大量飛濺。在焊絲中氮含量為0.42%、錳含量為7.19%時，焊接飛濺率較小，為 2.69%。當焊絲中氮含量達到0.99%、錳含量達到17.86%后，飛濺率最大，為5.3%。