高氮钢激光焊接性能与机理的研究

《Materials Science and Engineering: A》：Study on Laser Welding Performance and Mechanism of High-Nitrogen Steel

高氮钢激光焊接中氮扩散机制与性能演变研究。通过调控激光功率（1500-2100 W）分析焊接接头微观组织与性能变化，发现氮通过气体生成、化合物形成及晶界扩散三种机制转移，焊缝氮含量低于基体。力学性能呈现先升后降趋势，最大抗拉强度达基体88.6%，硬度始终高于基体。耐腐蚀性随功率增加而降低，因其导致晶界比例上升、α-Fe含量增加及特定晶面占比变化。

　　

余志军|赵一轩|杨金|谭彩旺|宋晓国|余燕

上海工程技术大学材料科学与工程学院，中国上海201620

摘要

随着高氮钢（HNS）在海洋工程中应用的日益广泛，对其焊接要求也变得越来越严格。在焊接过程中，HNS会发生氮的转移和相变，从而导致其机械性能和耐腐蚀性的下降。为了明确其焊接性能的变化及其背后的机制，本研究在不同功率下对含0.7%氮的HNS进行了激光焊接，并通过实验模拟和表征深入分析了氮的转移及性能变化。结果表明，焊缝主要由树枝晶组成，熔合线附近存在部分柱状晶粒。焊缝中形成了铁素体（α-Fe）、MoN、Mn?n和NbN等相。焊缝中的氮含量低于基材（BM）的氮含量。在HNS焊接过程中，氮的转移机制包括氮气生成、氮化物形成和界面扩散。焊接接头的抗拉强度先增加后减小，在1650 W的激光功率下达到最大值1054.3 MPa，约为基材抗拉强度的88.6%。同时，接头的硬度始终高于基材。就耐腐蚀性而言，较高的激光功率会降低自由氮的含量，而这不足以中和更多的H?离子以稳定钝化膜。此外，随机高角度晶界的比例和平均晶核错位也有所增加。α-Fe的含量上升，而奥氏体（γ-Fe）中的（111）面和α-Fe中的（110）面的含量下降，（100）面的含量则上升。这些因素共同导致随着激光功率的增加，耐腐蚀性减弱。

引言

近年来，高氮钢（HNS）已广泛应用于军事工业[1]、轨道交通[2]和海洋工程[3]等领域。与传统不锈钢相比，HNS具有较高的氮含量，这不仅降低了生产成本，还提升了其机械性能和耐腐蚀性[4][5]。对于HNS而言，焊接后的焊缝氮含量对其性能有显著影响。赵林等人[6]发现，采用钨惰性气体（TIG）焊接时，焊缝金属中的氮含量随焊接能量的增加而减少，且随着保护气体中氮含量的增加，α-Fe的数量和尺寸也会减小。曾刘等人[7]发现，采用金属惰性气体（MIG）焊接时，焊缝中的氮含量先增加后减小。当氮含量达到最大值时，抗拉强度达到956.7 MPa。与传统电弧焊接方法相比，激光焊接导致的氮损失更小，焊缝性能更优。董伟等人[8][9]报告称，HNS激光焊接过程中焊缝金属的氮吸收能力和氮脱附能力远低于电弧焊接，从而使得焊接后的氮含量更高。此外，焊缝金属的晶粒细化程度提高了十倍以上，使焊缝的抗拉强度达到基材的82%–96%。

鉴于激光焊接能够更有效地减少氮的损失，研究人员还对其机械性能和耐腐蚀性能进行了研究。王雷等人[10]发现，激光焊接接头的平均抗拉强度和伸长率分别为1032.36 MPa和19.70%，分别占基材的94%和53.4%。平均冲击能量为24.68 J，约为基材的63.74%。随后，为了进一步揭示机械性能变化的本质机制，学者们[11]对机械性能变化的原因进行了研究。他们观察到，随着焊缝中氮含量的增加，α-Fe的生长受到显著抑制，从而使焊缝的平均硬度提高。同时，接头的抗拉强度和伸长率表现出“先增加后减小”的趋势。此外，作为HNS服役安全性的核心指标——耐腐蚀性也成为研究的重点。Di Bai等人[12]首次报道了激光焊接后HNS的耐腐蚀性。他们发现，点蚀主要发生在细小树枝晶粒的中心，形成规则的二次坑洞。激光作用区域的微观结构分布均匀，表现出优异的耐腐蚀性。在此基础上，王向宇等人[13]进一步扩展了腐蚀行为的研究范围，从微观结构类型和区域变化两个方面细化了耐腐蚀性模式。他们发现，激光焊接接头在酸性溶液中的α-Fe耐腐蚀性低于γ-Fe。此外，由于夹杂物含量的显著减少，焊缝金属的整体抗点蚀能力低于基材，而熔合区的抗点蚀能力高于基材。总之，关于激光焊接HNS的机械性能和耐腐蚀性的研究已经获得了数据支持，并建立了理论基础，证实了激光焊接的可靠性。然而，大多数研究主要集中在焊缝中的氮含量变化、接头强度和耐腐蚀性上，而氮含量变化的机制及其影响性能的因素仍需进一步深入探讨。

根据上述文献报道，激光焊接更适合用于HNS的连接。然而，焊接条件下氮的转化方式以及不同激光功率下性能变化的机制等关键问题仍需紧急解决。因此，本研究采用激光焊接工艺分析了焊缝区域的微观结构、焊接过程中的氮转化形式以及不同激光功率下的性能变化。它还揭示了HNS激光焊接过程中的三种氮转化机制，并首次将氮分为不同形式，以明确不同激光功率下焊缝区域性能变化的机制，为后续研究提供了理论基础。

实验程序

实验程序

测试材料为壁厚2.5 mm、外径45 mm、长度50 mm的HNS管材，其化学成分见表1。HNS中的氮含量大于0.7%，基材（BM）的微观结构为单相γ-Fe，具有均匀的晶粒结构，如图1所示。

焊接过程使用了EB-DDLF-4000半导体激光器，其最大激光功率为4 kW，光纤芯径为600 μm，波长为976 nm。

微观形态与相分析

在焊接速度固定为5 mm/s且保护气体（体积比为99.99%的氩气）保持不变的情况下，研究了激光功率（作为单一参数变量）对焊缝表面形态和微观结构等因素的影响。不同激光功率下的表面形态如图4所示。当激光功率控制在1500 W至2100 W之间时，焊缝表面整体光滑，基本没有产生咬边或飞溅缺陷。

结论

本文研究了不同热输入条件下激光焊接HNS接头的微观结构和性能。详细分析了激光焊接过程中的氮扩散和转移以及机械性能和耐腐蚀性能。得出以下结论：

(1)

焊缝表面均匀光滑，几乎没有咬边和飞溅缺陷。主要结晶结构为树枝晶粒，熔合线附近存在部分柱状晶粒。

作者贡献声明

赵一轩：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法论设计、概念构建。杨金：指导、资源协调。谭彩旺：软件操作、实验研究。宋晓国：撰写 – 审稿与编辑、指导。余志军：撰写初稿、实验研究、数据分析、数据整理。余燕：指导、资金筹措

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。