CN109454358B

CN109454358B - 一种特种车辆高氮钢车体焊接制造专用焊丝

Info

Publication number: CN109454358B
Application number: CN201811442802.2A
Authority: CN
Inventors: 高金良; 李宏伟; 梁裕; 冯和永; 孙虎; 葛军; 吴广华; 万鹏; 刘怀卿; 冯文韬; 赵孟颖; 祝国荣
Original assignee: Beijing North Vehicle Group Corp
Current assignee: Beijing North Vehicle Group Corp
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2038-11-29
Also published as: CN109454358A

Abstract

本发明属于装甲车辆焊接制造技术领域，具体涉及一种特种车辆高氮钢车体焊接制造所用的焊丝，焊丝采用多股绞合结构形式，即多股绞合焊丝是由多根较细的单焊丝按照一定的结构螺旋绞合而成，单焊丝直径不足0.55mm，多股绞合后焊丝直径为1.6mm，绞股结构为1×3、成分结构为TP‑N1670多股绞合焊丝，多股绞合焊丝的特有结构有利于对不同成分的单丝进行优化组合，合理搭配固氮元素及释氮元素的含量，改善焊接熔池的固氮量，避免了熔炼新成分的焊丝，减少复杂工序，降低研制试验成本。

Description

一种特种车辆高氮钢车体焊接制造专用焊丝

技术领域

本发明属于装甲车辆工艺焊接技术领域，具体涉及一种特种车辆的车体焊接制造专用焊丝。

背景技术

装甲车体作为装甲车辆的重要部件之一，是装甲车辆的重要承载平台，提高车体的承载能力、越野、防护能力,采用新型装甲材料是发展的需要。

目前我厂常用的装甲车体材料多为616装甲钢，工程化应用很高，生产的特种装甲车辆，种类繁多，生产批量大，在焊接制造过程中的工作极其繁重，但616装甲钢材料性能相对较低；随着冶炼技术的不断发展，高氮钢产品日趋成熟，推进其工程化应用，焊接性能是重要的性能考核指标，更是影响高氮钢工程应用的关键。

高氮钢材料用于特种车辆车体焊接制造，高氮钢产品虽已走向成熟，但配套焊丝还远远未跟上，目前市场上还未出现完全满足高氮钢焊接性能要求的焊丝。高氮钢的焊接不但要面临避免焊接缺陷、减少晶界脆性化合物的析出等问题，而且还要解决焊缝中氮损失的问题，这些问题将会导致高氮钢焊缝力学性能及耐蚀性能降低，因而焊接难度更大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种特种车辆焊接制造用的专用焊丝，专门用于高氮钢材料的焊接。保证特种车辆的车体焊接制造，焊接性能满足车体的高承载能力、越野、防护能力，即可靠又通用。

本发明的技术方案：

一种特种车辆高氮钢车体焊接制造专用焊丝，该焊丝是由多根较细的单焊丝按照一定结构螺旋绞合而成，单焊丝直径≤0.55mm，多股绞合后焊丝直径为 1.6mm，绞股结构为1×7、成分结构为4+2+1的TP-N1670多股绞合焊丝，焊丝各组分及质量百分含量为C 0.03-0.08％，Si 0.40-0.90％，Mn 6.8-9.6％，P 0.02％， S 0.025％，Cr 20.0-24.5％，Ni10.0-13.8％，Cu 0.02-0.40％，N 0.10-0.50％，Mo 0.20-3.5％，余量为Fe，捻距控制在10.5～11.5mm。

高氮钢焊接中遇到的最大问题之一是气孔。产生气孔的主要原因是氮在液态和固态金属中溶解度差别大使氮从焊缝中逸出而形成气孔，另一个原因是封闭在焊接金属内的快速复杂反应后产生的氮气形成气孔。因此，如何减少焊缝氮的损失(减小焊接热输入量)、提高熔敷金属固氮量(添加固氮合金元素)成为解决高氮钢焊接的关键。

多股绞合焊丝因其特有的结构特点使解决高氮钢焊接的上述两个问题成为可能。多股绞合焊丝是由多根较细的单焊丝按照一定的结构螺旋绞合而成，单焊丝线径不足0.55mm(以

多股绞合焊丝为例)，相同热量条件下可熔化的金属也会越多，所以焊接热输入量较小。而且试验也证明，

多股绞合焊丝的电流电压规范与

单焊丝的规范基本相当或偏低，可明显降低焊接热输入量。另外，利用多股绞合焊丝多丝绞合的特有结构对不同成分的单丝进行优化组合，合理搭配固氮元素及释氮元素的含量，可改善焊接熔池的固氮量，而且避免了熔炼新成分的焊丝，减少繁杂工序，降低试验成本。

各不同成分单丝组合成所需焊丝成分比较困难。一旦确定多股绞合焊丝的公称直径及绞股结构，其成分的调整只能通过单丝成分及数量组合来大幅调整，成分微调还需要通过生产工艺来控制。最大的难点在于单丝成分的选择及数量组合分配，需要大量的组合计算，以满足主合金成分Mn、Cr、Ni、Mo等元素的含量要求。

焊缝既不能出现气孔，又要有相当的强度。高氮钢焊接最大的问题就是气孔，这与其本身性质是分不开的，母材遇热熔化造成焊缝氮损失及形成气孔，在此情况下还要满足一定的强度要求，要达到焊缝无气孔且强度高。

本发明的有益效果

多股复合焊丝(不同单丝绞合)对高氮钢焊接是解决焊接缺陷最具显著效果的手段。从“绞股焊丝”对高氮钢焊接过程监控数据来看，多斑点电弧使熔池均匀分布效果明显，热输入量比传统焊接工艺大幅度下降，此特点有效控制氮的溢出，热影响区范围极小，加上多股复合焊丝特有的结构可调的特殊性，通过添加不同成分的细丝绞合，调整熔敷金属的微量成分，使高氮钢的焊接难度得到了有效地解决。解决了高氮钢材料车体焊接制造难题，焊接完成的车体部件满足使用性能要求，质量可靠。

附图说明

图1为高氮钢焊缝处和母材的光学显微组织照片；

图2为不同成分的绞股焊丝焊接高氮钢钢板焊缝的EBSD结果图；

图3为多股绞合焊丝的高氮钢焊接接头X射线衍射物相分析图；

图4为高氮钢焊接接头从焊缝中心到熔合线位置的维氏硬度分布图；

图5为高氮钢接头室温拉伸断口形貌图；

图6为拉伸试样断口SEM放大图及韧窝中心第二相粒子能谱结果图；

图7为高氮钢焊缝的冲击试样以及断裂后的SEM断口形貌图；

图8为高氮钢焊缝冲击试样断口的EDS能谱分析结果图；

图9为EBSD对接头的相图、晶粒取向及分布图；

图10为高氮钢焊接接头EBSDδ铁素体分布态图；

图11为高氮钢焊接接头的电化学腐蚀图；

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

为适应装甲车体高承载能力、越野、防护能力、尺寸多样性等焊接制造需要，本发明提供一种专用焊丝，用于新型装甲材料：高氮钢车体的制造。车体焊接是焊接工程应用研究的最终目的，是焊丝工程化应用的实施验证。整个车体焊接分为两个阶段：外围大尺寸长缝由机器人焊接，其它部位由人工焊接。机器人焊接的焊缝美观，但需要大量的准备工作，一旦某个方面未调整好，将会影响整条焊缝的外观质量。如外角焊缝有点焊，机器人焊接经过时会留下一个突起，严重影响焊缝外观；又如若遇到堵塞问题，将会耗去大量焊接时间。

人工焊接灵活度较高，可根据焊接情况实时调节，适合较为复杂的焊接条件，但焊缝外观的稳定性较机器人焊接的稍差。成功完成了车体的主体焊接工作，而且整个过程中未出现气孔、裂纹等缺陷；圆满解决了高氮钢焊接难题，首次采用高氮钢双丝焊，有效避免了双丝焊出现气孔问题，同时优化方案解决了TP-N1670多股绞合焊丝的送丝问题，有利于推动高氮钢的工程应用。

一种特种车辆的高氮钢车体焊接制造专用焊丝，为多股绞合焊丝,是由多根较细的单焊丝按照一定的结构螺旋绞合而成，单焊丝直径不足0.55mm，多股绞合后焊丝直径为1.6mm。绞股结构为1×7、成分结构为(4+2+1)的TP-N1670 多股绞合焊丝，捻距控制在10.5～11.5。

表1 TP-N1670高氮钢焊丝的化学成分

经过力学性能检测，熔敷金属的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别为870MPa、649MPa、17.5％，满足了高氮钢焊接需求。

焊接母材：高氮钢；板厚：8～15mm

焊材：TP-N1670高氮钢多股绞合焊丝

焊接形式：外角接、内交接、平对接

焊缝结构：5～8个焊脚，根部间隙0～2mm，焊缝与母材间平滑过渡

焊接位置：平焊，少量的横焊和立焊

保护气体：97.5％Ar+2.5％CO2；流量：16-20L/min

a)、手工焊接TP-N1670高氮钢多股绞合焊丝，焊接的工艺参数，分别如表 2、表3所示。

表2平对焊工艺参数

表3平角焊、横焊、立焊工艺参数

b)双丝机器人焊接TP-N1670高氮钢多股绞合焊丝，焊接的工艺参数，分别如表4、表5、表6所示。

表4机器人平对焊的工艺参数

表5机器人内角焊的工艺参数

表6机器人外角焊的工艺参数

高氮钢焊丝TP-N1670焊接试板(高氮钢)检测结果

1、金相组织检测

由图1可以看出母材为完全奥氏体组织。在高的峰值温度和低的冷却速率下，在熔合线母材侧形成热影响区粗晶区。焊缝呈铸态状组织。图2为不同成分多股焊丝且精确控制层间温度(80±5℃)的融合区组织对比图。利用软件Nano Measurer测量TP-N1670多股绞合焊丝焊接后热影响粗晶区的宽度为206.93μm，高氮钢焊丝I型为284.27μm。用TP-N1670多股绞合焊丝焊接后奥氏体粗晶区变窄，且高氮钢焊丝I型焊缝的近融合线侧的柱状晶较粗大。

2、X射线衍射物相分析

图3是TP-N1670多股绞合焊丝高氮钢焊接接头不同区域的XRD衍射图谱。XRD物相分析结果显示，焊接后焊缝和母材组织均为面心立方的奥氏体组织，结果与EBSD相分析结果一致。

3、力学性能检测

对TP-N1670型焊丝焊接的高氮钢焊接接头进行力学性能检测，包括强塑性、低温冲击韧性和维氏硬度三个方面。室温拉伸试样是在平行于焊缝的方向截取的，而冲击试样是在垂直于焊缝方向截取的，高氮钢接头的室温拉伸力学性能及低温冲击韧性检测结果见第二部分。

高氮钢焊缝的线性硬度分布如图4所示。熔合线的位置在距离焊缝中心 6mm位置处，可以看出此时硬度值最低，约为240Hv，焊缝中心位置比熔合线位置要稍高一些，但是都远远低于母材的硬度值(为360Hv-430Hv)，符合焊接接头的硬度分布特征。

4、断口形貌观察

1)、室温拉伸断口观察

高氮钢接头室温拉伸试样的断口扫描照片如图5所示。图A、B、C分别为断口处A、B、C位置的断口形貌SEM照片，其中A、C为靠近熔合线位置，B 为焊缝中间。由图A、B、C可以看出，A、C位置断口形貌完全由均匀的小韧窝组成，属于典型的完全韧性断裂模式；B位置存在少量的解理面，但仍主要以韧性断裂为主。拉伸断口的分析表明，高氮钢焊接接头以韧窝型的韧性断裂为主，与第二部分的力学性能结果是一致的。

高氮钢焊接接头室温拉伸断口可观察到较多处于韧窝中心的第二相粒子，通过局部放大观察并对其进行EDS能谱分析，结果如图6所示。其中图6(a) 为图5中C位置的局部放大图，图6(c、d)分别为图5中红十字处的能谱图和元素分析结果。由图可以知道，韧窝第二相粒子为富Cr、Mn和Mo 相，它们的存在没有改变韧窝的均匀分布。

2)、低温冲击断口观察

图7所示为高氮钢焊缝的冲击试样以及断裂后的SEM断口形貌。由图可知，断口由大小均一的韧窝组成，属于韧性断裂。

冲击试样断口也观察到较多的韧窝第二相粒子，对其进行EDS能谱分析，其结果如图8所示。在断口处主要存在的析出物为MnS、Cr2N和Cr23C6，其中MnS以球形存在，Cr2N和Cr23C6以不规则片状形式存在。

5、EBSD电子背散射衍射分析

图9为高氮钢焊接接头的EBSD分析图谱。图9(a)为焊缝的EBSD相分析图，可以看出热影响区和母材都为奥氏体相，焊缝处存在微量不连续的线状的铁素体。由图10看出，焊缝处为较粗大的奥氏体柱状晶，在柱状晶上面存在蠕虫状的δ铁素体，图中给出了δ铁素体的比例。

6、电化学腐蚀分析

图11所示为高氮钢焊接接头的电化学腐蚀图。f交流阻抗弧的半径大小可以反映出材料的抗腐蚀性能，半径越大，材料的溶解阻力越大，抗腐蚀性越好；反之，抗腐蚀性越差。可以看出热影响区的抗腐蚀性能较差，焊缝的抗腐蚀性能最好。由极化曲线可以看出，热影响区发生点蚀的电压最低，同时由钝化区的长短可以看出，热影响区形成的钝化膜最容易破裂。

Claims

1.一种特种车辆高氮钢车体焊接制造专用焊丝，其特征在于：该焊丝是由多根较细的单焊丝按照一定结构螺旋绞合而成，单焊丝直径≤0.55mm，多股绞合后焊丝直径为1.6mm，绞股结构为1×7、成分结构为4+2+1的TP-N1670多股绞合焊丝，焊丝各组分及质量百分含量为C 0.03-0.08％，Si 0.40-0.90％，Mn 6.8-9.6％，P 0.02％，S 0.025％，Cr 20.0-24.5％，Ni 10.0-13.8％，Cu 0.02-0.40％，N 0.10-0.50％，Mo 0.20-3.5％，余量为Fe，捻距控制在10.5～11.5mm。