充氮加压条件下高氮奥氏体不锈钢激光焊接熔池行为及气孔抑制机制研究

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Study on the molten pool behavior and pores inhibition mechanism in laser welding of high-nitrogen austenitic stainless steel under nitrogen pressurization

　　

摘要

针对高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程中氮损失和气孔缺陷问题，本研究通过氮气压激光焊接获得了高质量的高氮奥氏体不锈钢焊接接头。通过数值计算和实验研究，分析了0.1 MPa至1.0 MPa氮气压范围内激光焊接过程中熔池行为和气孔形成机制。结果表明，熔池区域的能量更倾向于沿熔池水平方向传递。熔池宽度随氮气压升高而持续增大，熔池深度显著减小并趋于稳定。当氮气压从0.1 MPa增加到≥0.4 MPa时，气孔率从4.75%降低至约0.20%。在0.1 MPa时，熔池的气液界面剧烈振荡，熔池内部存在复杂的多重环流，容易导致气液界面塌陷和气泡形成，从而产生大量工艺型气孔。当氮气压≥0.4 MPa时，气液界面的稳定性显著提高，熔池以横向和纵向流动为主，气泡形成的概率大幅降低，从而抑制了工艺型气孔缺陷的形成。氮气压的升高增加了氮在熔池中的溶解度，有效缓解了凝固过程中氮的偏聚和过饱和析出，显著降低了焊缝中氮孔的形成倾向。

引言

高氮奥氏体不锈钢具有优异的力学性能、耐腐蚀性能以及突出的强度和韧性，广泛应用于核电设备、压力容器、海洋船舶和生物医学植入器械[1]。凭借其无磁性和高强度特性，在石油天然气钻探和特种军用配套部件方面具有重要应用潜力[2],[3]。然而，高氮奥氏体不锈钢的焊接接头往往是焊接件中的薄弱环节，尤其是优异性能对焊缝中的氮保留率依赖严重。在低温下，氮含量每增加0.1%，屈服强度可提高约300 MPa，并显著提高点蚀的临界温度。一旦氮发生损失，强化效应将大幅减弱[4],[5]，同时材料的耐腐蚀性也会恶化[6]。因此，高氮奥氏体不锈钢焊接过程中的氮损失问题已成为众多学者关注的焦点。

为解决上述问题，众多研究人员采用各种焊接工艺对高氮奥氏体不锈钢进行了焊接试验。电弧焊接是常用的一种焊接工艺，然而电弧焊接过程中形成的高温熔池会导致氮从熔池中逸出，进而产生氮气泡。这一现象会引发飞溅液滴爆炸、飞溅量增加和气孔形成，严重损害焊接稳定性、焊缝外观和接头性能[7],[8]。尽管李等人[9]采用搅拌摩擦焊连接高氮奥氏体不锈钢实现了极低的氮损失，搅拌区的氮含量为0.94 wt%，仅略低于母材的0.96 wt%，但同时也增加了晶间腐蚀敏感性和点蚀倾向。此外，搅拌摩擦焊主要用于长直焊缝的焊接，这大大限制了其在高氮奥氏体不锈钢焊接中的实际应用。针对这一问题，本课题组此前提出了一种新型气氛加压激光焊接策略，可有效减少高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程中的氮损失。提高气氛压力后，氮含量可达0.57 wt%，达到母材含量的93%。我们在不同大气压力和环境条件下对焊接接头的宏观成形特征、微观组织演变和耐腐蚀性能进行了研究[10]，并阐明了接头微观组织、力学性能与焊接环境压力之间的内在关系[11]。然而，在激光焊接工艺方面，仅通过实验研究难以直接获取影响熔池流动的关键信息，包括温度分布、熔流模式和气液界面的演化行为。这些数据对于揭示氮气压对熔池动力学和焊接缺陷形成机制的影响不可或缺。

目前，数值模拟已被广泛应用于激光焊接过程中熔池传热传质行为的研究。例如，彭等人[12]通过数值模拟研究了焊接速度对熔池流场模式的影响。陈等人[13]在数值计算中采用射线追踪算法来处理双激光束在匙孔壁上的多次反射和吸收，重点研究了不同光束间距下的瞬态熔池行为。张等人[14]对全穿透激光焊接和部分穿透激光焊接对气孔形成的影响进行了对比研究。然而，上述研究均未关注环境压力变化对激光焊接工艺产生的影响。已有研究证明，环境压力是影响激光焊接焊接质量的重要因素[15]。因此，为了获取包括匙孔形貌的动态演化、熔池中液态金属的温度场以及气液界面变化等关键工艺信息，有必要建立考虑环境压力的数值计算模型。庞等人[16]认识到环境压力对焊接过程中匙孔形成、熔池状态和液态金属蒸发速度有显著影响。据此，他们建立了考虑环境压力的数值模型，对比了考虑与不考虑环境压力时匙孔壁温度和金属内部蒸发速度的变化。结果表明，忽略环境压力将导致匙孔壁温度最低下降500 K，与实验数据相比存在显著偏差，并造成金属蒸气速度的高估。韩等人[17]也认识到环境压力的降低会显著改变金属蒸发温度、反作用压力和羽流形貌，从而影响匙孔和熔池的动态行为。据此，他们建立了适应环境压力条件的数值模型。蒋等人[18]采用数值模拟方法，对比研究了常压和真空条件下焊接质量683634810a1和熔深的变化。结果表明，真空条件下的匙孔对蒸汽压力波动具有更强的抗阻能力，因此随着环境压力的降低，焊缝成形改善，熔深增大。李等人[19]采用新型移动混合热源模型模拟计算了负压条件下铝合金激光焊接过程中匙孔和液态金属流动的动力学特性。王等人[20]围绕低环境压力下多组分蒸发和铝元素分布不均问题，开展了实验和三维数值模拟研究，特别关注了环境压力（真空）对焊接工艺的影响和机制。

已有的大量研究[21],[22]已证实，焊接过程中外部物理场的变化将显著影响熔池内部的传热传质特性[23]。例如，马等人[24]对重力作用下匙孔和熔池的耦合动态行为进行了数值分析，发现横向重力角的变化会打破马兰戈尼流与重力流之间的平衡，导致匙孔不稳定和流动波动。周等人[25]发现磁场显著增加了熔池流速并增强了向下的流动，从而改善了热交换和间隙填充性能。然而，在激光增材制造中熔池和匙孔动态行为的众多物理实验和数值模拟研究中，考虑环境压力作为外部场条件的研究仍相对匮乏。此外，所有现有研究都将环境条件设定为负压（低于大气压）。对于高氮奥氏体不锈钢的激光焊接，气氛加压已被证明可以积极抑制焊接熔池内的氮脱附和气泡逸出，同时增强氮在熔池中的溶解度并提高焊缝的氮含量。同时，氮气保护气氛可促进氮在熔池中的溶解并抑制氮析出引起的氮孔[26]。然而，氮气压条件下熔池的行为及其对气孔形成的影响机制尚不清楚。尽管如此，数值模拟仍是分析焊接熔池内传热、流体流动和缺陷演化的主流方法。现有研究已建立了多场耦合求解框架，为各种耦合熔池建模提供了通用思路[27]。因此，有必要建立高压条件下激光焊接的多物理场耦合模型，系统研究高氮奥氏体不锈钢氮气压激光焊接过程中匙孔演化和熔池流体力学特性，以填补该领域的研究空白。

基于高氮奥氏体不锈钢铸造中加压熔体氮化的理论[28]，本研究提出了一种高氮奥氏体不锈钢的氮气压激光焊接方法，并对焊接过程中的熔池行为进行了实验测试和数值模拟。在0.1至1.0 MPa的氮气压范围内，系统地分析了熔池的流场、温度场和气液界面演化特征。结合物理实验，揭示了氮气压对熔池行为和气孔缺陷形成的影响机制。

材料

本文采用的材料为高氮奥氏体不锈钢板材，尺寸为25×150×3 mm。表1列出了通过安捷伦5800电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测定的母材化学成分，氮内容量则使用ONH836氧氮氢分析仪测定。

焊接方法

激光焊接系统采用TRUMPF TruDisk 10002磁盘激光器，配备最大压力为1 MPa的加压焊接腔室。

表面形貌和气孔率

图8展示了不同氮气压下激光焊接接头的形貌和X射线无损检测结果。从图8（a1）-（d1）可以看出，所有焊缝整体连续，未观察到飞溅和咬边等宏观焊接缺陷，但氮气压对焊缝的表面形貌和内部缺陷有显著影响。具体表现为：当氮气压为0.1 MPa时……

熔池行为对焊缝成形的影响

图8和图9的实验结果表明，随氮气压升高，焊缝几何形状发生显著变化，从深窄钉形变为浅宽碗形，焊缝宽度持续增大。当氮气压≥0.4 MPa后，熔深大幅减小，但在断崖式降低后保持在约1 mm。关于焊缝宽度增加和熔深减小，已有研究表明，空气压力683634810a1的增加……

结论

(1) 熔池宽度随氮气压升高而持续增大，熔池深度在0.4 MPa后降低并稳定在约1 mm。当氮气压增加到0.4 MPa及以上时，气孔率显著降低并维持在极低水平（0.16%-0.26%），焊缝内部质量大幅提高。焊缝金属的氮含量可达到母材氮含量的88.5%。

(2) 在0.1 MPa时，气液界面……

CRediT作者贡献声明

李梦妮：写作—审稿与编辑，监督，调查，经费获取。陆新：写作—审稿与编辑，监督，项目管理，调查。杨孝义：写作—审稿与编辑，监督，资源，项目管理，经费获取，数据管理，概念构思。朱宗涛：监督，调查。

周振英：撰写–初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，正式分析，数据声明

利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本文所报道的工作产生影响。

致谢：本研究得到国家自然科学基金（编号：52305368）和云南省重点研发计划（项目编号：202203AE140011）的资助。

周振英 | 相元江 | 杨晓怡 | 朱宗涛 | 卢新 | 李梦妮

昆明理工大学材料科学与工程学院，云南省先进轻合金集成计算材料工程重点实验室，昆明 650093，中国