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文 献 综 述 1 前言 随着国际高性能武器弹药的不断研发与更新，军工领域对高性能钢铁材料的多样性与要求不断提高，现阶段对装甲坦克车车身的抗弹性能有了更高的要求，装甲坦克车身的焊缝区域作为抗弹性能较为薄弱的部分，其相应的焊接材料和焊接技术的研究成为我国强军战略的关键[1]。 高氮奥氏体不锈钢是一种广泛应用的奥氏体不锈钢，其采用氮元素作为其主要的奥氏体化元素，在降低成本的同时也提高了材料的力学性能，利用氮进行合金化具有很多优点[2-3]：首先，与碳相比，氮是更加有效的固溶强化元素，也可以促进晶粒细化，提高材料的塑性；其次氮是奥氏体化元素，适量的加入可以减少合金中的镍的含量，降低铁素体和形变马氏体的形成能力；最后，虽然氮对材料在酸中抗腐蚀性能没有明显改善，但氮的加入极大地提高材料抗点蚀和缝隙腐蚀能力[4]。不过，当氮元素含量超出一定值后，高氮钢在焊接过程中氮元素的聚集和逸出现象也会随之加剧，导致焊缝接头力学性能下降明显。所以高氮钢焊接时关键在于固氮的同时还要保证焊缝中的氮元素以固溶态的形式存在[5]。 低合金高强度钢具有高强度、高韧性、成本较低等特点，因而低合金高强度钢多作为重要的承重结构件被广泛应用于能源、工程机械、桥梁建筑和车辆船舶等国民经济的各个领域[6]。低合金高强度钢在成分设计主要是严格控制钢中碳元素与合金元素总的质量分数，在生产工艺上加上严格的热处理，来达到强度和韧性都提高的效果，其中通过严格控制碳元素的含量来避免碳含量过高带来的焊接性变差的不利影响。虽然低合金高强度钢拥有着优异的强韧度，但是其焊接工艺过程较为复杂，同时焊后的脆化引起的裂纹，熔合区、热影响区性能变化等问题尚未有效解决，导致焊接接头力学性能下降，所以，在焊接低合金高强度钢时，在了解母材的合金成分、组织类型的基础上，正确选择焊接材料和焊接方法是非常必要的。 由于高氮奥氏体不锈钢和高强钢的热膨胀系数和热导率等物理性能差距较大，焊接时易出现未熔合、焊接变形大等问题，而且高强钢的裂纹敏感性较大，所以焊接工艺的设计对于获得高性能异种钢焊接接头尤为重要。由于装甲车辆用钢都是厚板钢材，因此焊接时所需焊接热输入量很大，而脉冲MIG焊焊接热输入量调节范围大，可以实现单面焊双面成形的对接接头和厚板根部焊道100%熔透的焊接，很好的符合了高氮奥氏体不锈钢和马氏体高强钢的焊接需要，因此本课题的研究对于提升装甲坦克车身焊缝的抗弹性能有着重要意义。 2 研究现状 2.1 高氮钢焊接研究现状 目前，国内外学者针对焊接材料与焊丝组分对焊接接头力学性能的影响进行了大量研究。Jianguo Li等[7]使用多股复合焊丝对高氮钢板进行焊接，发现填料丝组成对焊接接头微观组织、力学性能有重要影响。Berns等[8]发现氮元素在钢中溶解度会随着钢的组织形态的变化而改变，氮元素在液态铁中溶解度较高，而在delta;-铁素体中溶解度就发生了显著降低；同时研究了Cr元素对氮溶解度的影响，发现焊接接头中氮元素含量随着Cr元素含量的增加而增加，而焊接接头中的氮含量直接影响了焊接接头的各种性能，因此，寻找合适成分配比的焊接母材与焊丝是高氮钢在焊接过程中不可忽视的部分。 另一方面，焊接高氮钢普遍采用含氮高压保护气，夏明生等[9]重点分析了焊缝区域氮化物的析出机理以及保护气成分对焊接接头氮含量的影响，发现焊缝中氮含量随保护气中氮气含量的增加而增加，如图1所示。马良超等[10]详细研究了保护气体成分以及焊丝氮含量对焊缝的氮含量以及气孔敏感性等影响，研究结果表明氮含量较低时提升保护气中的氮气分压能够有效的提升焊接接头的力学性能，但当氮含量超出阈值之后，焊接接头的缺陷呈现增多的趋势，对其力学性能产生了不利的影响。由此可以看出，调节保护气的成分是控制焊接接头氮含量的重要方法。 |
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图 1 氮气分压对其溶解度的影响 2.2 低合金高强度钢焊接研究现状 目前，国内外学者对低合金高强度钢焊接已有一定的研究。李少锋等[11]分别使用GMAW与SMAW焊接方法对高强钢板进行焊接，发现两者虽然焊后的组织大致相同，但SMAW焊缝的韧性与抗侧弯性较差。Robertson Stephanie M等[12]对此现象进行了研究，结果表明，SMAW焊缝组织与GMAW相比，其热输入更大，使得焊缝组织的淬透倾向和淬硬倾向增大，在连续冷却过程中，生成了更多板条状马氏体，同时针状铁素体和粒状贝氏体的生成减少，而当组织为板条贝氏体并含有少量粒状贝氏体时，对裂纹扩展的阻碍作用最为明显，因此SMAW焊缝的力学性能较差。 由于装甲车车身所用板材很厚，邓才智等[13]对1000MPa级高强钢焊接进行了研究，结果发现，随着热输入的增大，焊缝区出现板条状马氏体的粗化和上贝氏体，因而导致韧性下降，焊接接头的抗拉强度逐渐降低，而其冲击韧性呈先提高后降低的趋势。不合理的热输入会导致焊接接头组织恶化，过大的热输入会导致热影响区软化，而过小的热输入会导致脆化[14]，因而，在焊接过程中需要严格控制焊接热输入量 。 2.3 异种钢焊接研究现状 目前国内外为满足低成本以及适应结构件使用的特殊环境与性能需求，对异种金属焊接展开了一系列研究。Jang Changheui等[15]采用手工钨极氩弧焊进行了低合金高强钢与奥氏体不锈钢的焊接试验，采用了多层多道焊，焊接接头从底部到顶部微观组织形貌差异非常明显，如图2所示。试验表明，采用Inconel焊丝焊接得到的焊接接头微观组织其树枝晶较为发达，但是焊缝上部树枝晶间距比焊缝底部要大，焊缝性能也有较大的差异，焊缝顶部的断裂韧性值比焊缝底部的断裂韧性值高出约70%，分析结果说明这是焊接热循环导致中成分、显微组织和热机械性能的空间变化所引起的。
图 2 Inconel82/182焊接熔合区的典型微观结构： a）根部区域；b）中间区域；c）焊缝顶部；d）182/F316融合边界 国内对于高氮奥氏体不锈钢与马氏体钢的焊接相关的研究较少。刘增[16]采用GMAW填丝的焊接方法，对高氮奥氏体钢和马氏体钢异种材料焊接时的填充材料与保护气成分对焊缝性能的影响进行了研究，发现保护气中加入适量的氮元素能够优化焊接接头的微观组织，抑制铁素体的生成，达到良好的固氮效果同时有效提高了接头的抗拉性能。 3 总结 由于装甲坦克所用板材较厚并且对焊缝质量要求较高，因此对焊接方法以及焊接参数都有着极为严格的要求。通过对国内外文献的查阅，发现高氮奥氏体不锈钢与马氏体高强钢都在生产制造业得到了广泛的应用，由于脉冲MIG焊具有焊接质量好，热输入大，电流可调控程度范围大，适用范围广等特点，恰能满足厚板钢材的焊接，因此，研究高强-高氮钢脉冲MIG电弧焊接，寻找最佳工艺参数，对于装甲坦克的作战性能提升有着重要意义。本课题采用脉冲MIG电弧焊接工艺对高氮钢与高强钢异种金属进行焊接，通过设定不同的焊接参数得到不同的焊接接头，通过分析，研究焊接接头的力学性能与焊接参数之间的关系找出较为合适的焊接工艺参数范围。 参考文献 [1]彭云,宋亮,赵琳,马成勇,赵海燕,田志凌.先进钢铁材料焊接性研究进展[J].金属学报, 2020,56(04):601-618. [2]杜挽生,彭云,赵琳,田志凌.高氮奥氏体不锈钢MIG焊接头的组织和性能[J].焊接, 2008(12):25-29 66. [3]杨武林,陈东高,王有祁,刘燕林,马志华,明珠,王法科.中厚度高氮钢双丝MIG焊接头组织和性能研究[J].兵器材料科学与工程,2013,36(05):100-102. [4]RAFFI MOHAMMED,G.MADHUSUDHAN REDDY,K.SRINIVASA RAO. Microstructure and pitting corrosion of shielded metal arc welded high nitrogen stainless steel[J].Defence Technology,2015,11(03):237-243. [5]荆皓,王克鸿,强伟,孔见.氮含量对高氮钢PMIG焊接头组织和性能的影响[J].焊接学报, 2017,38(04):95-98 133. [6]袁中涛. 700MPa级低合金高强度钢焊接接头组织及性能研究[D].安徽工业大学,2013. [7]Li Jianguo,Li Huan,Liang Yu,Liu Pingli,Yang Lijun.The Microstructure and Mechanical Properties of Multi-Strand,Composite Welding-Wire Welded Joints of High Nitrogen Austenitic Stainless Steel.[J].Materials (Basel,Switzerland),2019,12(18). [8]Hans Berns. Manufacture and Application of High Nitrogen Steels[J]. ISIJ International, 1996,36(7). [9]夏明生,田志凌,彭云,马成勇.高氮奥氏体不锈钢的氮化物析出及其对焊接性影响[J].焊接学报,2005(12):108-112 128. [10]马良超,马冰,王大锋,戴宇,明珠,郭庆虎,张龙.保护气配比对高氮钢焊丝接头组织性能的影响[J/OL].兵器材料科学与工程:1-6[2020-12-31]. [11]李少峰,马成勇,宋志刚,安同邦.800 MPa级高强钢焊接接头组织及力学性能[J].焊接学报,2020,41(05):91-96 102. [12]Robertson Stephanie M.,Frostevarg Jan,Nauml;sstrouml;m Jonas,Berndtsson Therese,Kaplan Alexander F.H.. Evaluation of pre-determined dilution of high strength steels by the Snapshot method[J]. Optics and Lasers in Engineering,2021,139. [13]邓才智,邓文科,何蔚.1000MPa级高强钢焊接试验研究[J].焊接技术,2019,48(08):38-40 6. [14]王冬生,谭兵,王有祁,陈东高,王法科.616高强钢单双丝MIG焊接性对比研究[J].兵器材料科学与工程,2007(04):24-27. [15]Jang C,Lee J,Kim J S,et al.Mechanical Property Variation within Inconel 82/182 Dissimilar Metal Weld between Low Alloy Steel and 316 Stainless Steel[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,2008,85(9):635-646. [16]刘增.高氮奥氏体钢和马氏体高强钢异种材料熔化极气体保护焊研究[D].哈尔滨工业大学,2018. |
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