《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Thermo-electric instability of C276 filler wire and groove-controlled arc stabilization in narrow-gap laser–arc hybrid welding of 9Ni steel
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•焦耳加热与缩颈的反馈驱动C276线材的热-电不稳定性。•沟槽宽度的变化使电弧不稳定性从壁面爬升转变为自由摆动。•激光诱导等离子体与12 mm沟槽在2 mm线材偏移条件下重新将电弧居中。•在?196 °C下，接头的总冲击吸收能量范围为137至166 J。引言9Ni钢具有高強度
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焦耳加热与缩颈的反馈驱动C276线材的热-电不稳定性。
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沟槽宽度的变化使电弧不稳定性从壁面爬升转变为自由摆动。
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激光诱导等离子体与12 mm沟槽在2 mm线材偏移条件下重新将电弧居中。
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在?196 °C下，接头的总冲击吸收能量范围为137至166 J。
引言
9Ni钢具有高強度、优异的低温韧性和良好的抗脆性断裂能力，因此被广泛用于大型陆基液化天然气（LNG）储存设施的内罐、LNG运输船的货舱围护系统以及其他低温储存和运输设备[1]。大型LNG储罐通常通过焊接数十毫米厚度的9Ni钢板制造而成，包含大量环向和纵向焊缝，总长度相当可观。因此，焊接质量和生产效率直接影响这些储罐的施工周期和运行安全[2]。在保证接头低温性能的同时提高焊接效率，是9Ni钢LNG储罐制造中的关键需求[3]。
目前，9Ni钢主要通过手工电弧焊（SMAW）[4]、钨极气体保护焊（GTAW）[5]、熔化极气体保护焊（GMAW）[6]、埋弧焊（SAW）和药芯焊丝电弧焊（FCAW）[7]进行连接。SMAW和传统GTAW的特点是焊接速度和熔敷率相对较低。中厚板接头通常需要多层多道焊接，并伴随频繁的层间清理和焊道整修[8]。SAW在焊接位置方面受到限制，而渣保护工艺容易受夹渣和层间缺陷的影响[9]。此外，9Ni钢中的残余磁化可能导致电弧偏吹，进一步增加壁面未熔合的风险[10]。因此，传统焊接工艺在同时满足大型LNG储罐对高焊接效率、工艺稳定性和可靠的低温接头性能要求方面面临相当大的困难。
填充金属是决定9Ni钢焊接接头低温性能的关键因素。镍基奥氏体焊缝金属在低温下保持稳定的面心立方结构，因此表现出良好的塑性变形能力和裂纹尖端钝化能力，被广泛用于9Ni钢的焊接[11]。常用的ERNiCrMo-3填充金属（Alloy 625）是一种Ni-Cr-Mo-Nb合金。然而，在焊缝金属的非平衡凝固过程中，Nb和Mo倾向于偏析到残存的枝晶间液态中，促进富Nb的Laves相、NbC和δ相的形成[12]。这些二次相可能引起局部应力集中并降低抗低温断裂能力。相比之下，ERNiCrMo-4（C276）采用Ni-Cr-Mo-W合金体系，其名义成分中不含有意添加的Nb，从而显著降低了Nb偏析和富Nb Laves相形成的倾向[13]。此外，其稳定的镍基奥氏体微观组织在低温下提供了良好的抗裂纹扩展能力，使C276成为9Ni钢低温焊接的有前景的填充金属[14]。
先前的研究表明，在高电流GMAW条件下，C276线材端部容易发生过早软化、柔性液态柱振荡、弧根迁移和非周期性熔滴转移，并伴随明显的飞溅和焊缝成形波动[15], [16]。这种熔滴转移行为与传统焊接线材相对稳定的熔化和脱滴过程明显不同，表明C276线材的热响应、线材端部形态演变和电弧附着行为之间存在复杂的耦合关系[17]。然而，现有的研究主要集中在异常转移现象的特征描述和工艺参数的影响上。对于C276线材端部为何会发生过早软化、软化后的线材如何演变为振荡液态柱和不稳定熔滴转移，以及在此过程中电弧的电导路径如何变化等问题，仍缺乏系统性的解释[18]。在窄间隙沟槽中，受限空间和对壁面边界可能进一步改变弧根位置、熔滴冲击位置和局部能量分布，从而放大或抑制这些不稳定性[19]。因此，明确线材端部软化到不稳定熔滴转移的演变过程，对于实现使用C276填充焊丝的高效稳定窄间隙焊接至关重要。
激光-电弧复合焊（LAHW）提供了一种解决使用C276线材进行高电流GMAW时遇到的稳定性问题的潜在手段[20]。该工艺将激光的高能量密度和深熔透能力与GMAW的高熔敷率和跨越间隙的能力相结合，从而提高单道熔深、减少所需的焊接道数，并提高中厚板的焊接效率[21]。除了热源能量的叠加外，激光诱导熔池上方产生的金属蒸气和等离子体可能改变局部电导率和电位分布，建立一条优先放电通道，将电弧引向激光作用区域，从而促进激光-电弧耦合[22]。这种激光诱导效应有望改善电弧的方向性，限制弧根位置和熔滴冲击位置的波动，为抑制C276线材端部软化引起的电弧和熔滴不稳定性提供一种潜在的手段[23]。然而，现有的研究主要考察了开放表面条件下激光功率、激光-线材距离和热源配置对激光-电弧耦合的影响[24]。在窄间隙沟槽中，对壁面进一步限制电弧的扩展并改变局部放电条件。激光诱导效应是否能够在这样的受限空间中持续稳定C276线材的电弧和熔滴转移，以及该效应如何与沟槽边界相互作用，仍有待系统研究。
在此背景下，本研究探讨三个相互关联的问题。第一，在高电流GMAW过程中，什么热条件导致C276线材端部软化并进而发展为非周期性熔滴转移，以及可能支配这一演变的正反馈机制是什么。第二，窄间隙对壁面约束和激光辅助如何共同影响电弧的主要电导路径，以及它们的相互作用能否缓解线材软化和线材横向偏移引起的电弧波动。第三，使用选定的稳定工艺生产的9Ni/C276接头能否在?196 °C下保持微观组织的完整性和令人满意的冲击韧性。为回答这些问题，本研究对电极伸出长度进行了能量尺度分析，建立了线材端部软化和局部缩颈的热-电反馈机制。随后，利用高速成像和电信号统计，研究了在8、12和16 mm模拟沟槽中的电弧和熔滴行为，包括线材横向偏移2 mm的条件，从而阐明沟槽边界和激光辅助的影响。最后，评估了使用选定的12 mm沟槽生产的接头的微观组织、硬度分布和不同区域的低温冲击响应。在所研究的材料和工艺参数范围内，本研究的主要贡献在于综合研究了线材端部的热-电响应、沟槽边界约束下的电弧稳定行为，以及使用选定的12 mm沟槽条件制造的接头的低温断裂特性。研究结果为使用C276填充焊丝进行9Ni钢窄间隙LAHW的沟槽选择和工艺稳定性控制提供了依据。
章节摘要
材料
在本研究中，使用尺寸为300 mm × 100 mm × 20 mm的9Ni钢板作为母材，采用直径1.2 mm的C276（ERNiCrMo-4）镍基合金焊丝作为填充金属。其化学成分列于表1中[25]。焊接前，对接头附近区域进行机械打磨，随后用丙酮清洗，以去除表面氧化物、油污和其他污染物，从而确保焊接表面清洁。
GMAW过程中C276填充焊丝的失稳机制
在分析不同几何约束程度下激光诱导等离子体、电弧等离子体与沟槽边界之间的相互作用之前，首先必须确立一个基本现象。在单电弧GMAW条件下，C276线材并未表现出传统填充焊丝通常观察到的稳定熔滴转移；相反，发生了明显的线材端部软化、液态柱振荡和混乱飞溅。这种异常行为直接改变了弧根
结论
本研究探讨了20 mm厚9Ni钢窄间隙焊接过程中C276线材的失稳行为以及激光辅助和沟槽约束的联合作用。对使用选定的12 mm沟槽制造的接头进行了微观组织和低温冲击性能表征。主要结论如下：
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电阻预热为C276线材过早软化提供了重要的热学基础。在所研究的参数和简化热假设条件下，
CRediT作者贡献声明
张刚： 软件。顾育芬： 方法论。任子友： 调查研究。石宇： 资源、经费获取。朱振文： 撰写 - 原稿。翟洋： 形式分析。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的使用声明
在本工作准备过程中，作者使用AI辅助英语翻译和语言润色。所有科学分析、数据解释和结论均由作者独立进行和验证。在使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助号52575393）、重大科技项目-产业（资助号23ZDGA010）、甘肃省优秀博士毕业生项目（资助号23JRRA771）、甘肃省重点研发计划（资助号25YFGA023）和甘肃省高校创新基金（资助号2025A-022）的支持。
朱振文|石宇|任子友|顾育芬|张刚|翟洋
