本发明属于材料加工领域，尤其涉及一种适用于高氮奥氏体不锈钢焊接的奥氏体不锈钢焊丝及其焊接工艺。
背景技术：
高氮奥氏体不锈钢是指氮含量超过0.4wt％的奥氏体不锈钢，它是目前正在蓬勃发展的一类新型工程材料。高氮奥氏体不锈钢主要是利用氮元素来部分甚至完全代替合金元素镍以获得奥氏体组织，利用氮进行合金化具有很多优点：(1)与碳相比，氮为更加有效的固溶强化元素，同时可以促进晶粒细化；(2)氮是强烈的奥氏体形成化元素，可以减少合金中的镍含量，降低铁素体和形变马氏体形成能力；(3)尽管氮对材料在酸中抗总体腐蚀性能没有明显改善，但可以极大地提高材料抗点蚀和缝隙腐蚀能力。因此，高氮奥氏体不锈钢具有良好的强韧性和耐蚀性。
高氮奥氏体不锈钢具有高氮的性质，其熔化焊接时可能会出现的问题：(1)焊缝区氮的损失即氮气孔的形成和氮的逸出，降低了焊缝中的固溶氮含量，造成接头性能的下降；(2)焊缝区和焊接热影响区氮化物、碳化物以及碳氮化物的析出，力学性能和抗腐蚀性能都会随之下降；(3)焊缝凝固裂纹及热影响区液化裂纹的形成。当高氮奥氏体不锈钢焊接接头出现上述问题时，接头力学性能、耐蚀性能都会随之下降，如何选择焊接工艺以及合适的焊接材料解决这些问题，将关系着高氮奥氏体不锈钢的应用前景。
目前，市场上没有针对高氮奥氏体不锈钢的焊接材料，焊接材料的开发与选用基本上存在两种方向，一类是Ni基合金，即采用含镍量高并含有大量的Cr、Mo等合金元素的超合金化焊接材料进行焊接，焊后可以获得相对满意的耐腐蚀性能，但常规的力学性能稍差，焊缝中氮气孔形成难以控制；另一类就是奥氏不锈钢焊丝，例如采用Cr20Ni10Mn7Mo焊丝，强韧性与母材相当，但焊缝存在大量的氮气孔。
因此，随着高氮奥氏体不锈钢的广泛应用，焊接材料的研制及其焊接工艺的选择成为亟待解决的问题。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用于高氮奥氏体不锈钢焊接的奥氏体不锈钢焊丝及其焊接工艺，解决现有高氮奥氏体不锈钢焊接问题尤其是氮气孔问题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种高氮奥氏体不锈钢焊丝，该焊丝的化学成分按重量百分比表示为：C：0.01％～0.03％，Si：0.75％～0.90％，Mn：2.0％～6.0％，Cr：18％～22％，Ni：6.0％～9.0％，Mo：≤0.1％，N：0.20％～0.40％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量为铁和杂质。
优选地，该焊丝的化学成分按重量百分比表示为：C：0.01％～0.02％，Si：0.80％～0.85％，Mn：3.5％～6.0％，Cr：19％～22％，Ni：6.0％～8.5％，Mo：≤0.1％，N：0.25％～0.35％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量为铁和杂质。
所述高氮奥氏体不锈钢焊丝通过冶炼→轧制→热处理→拉拔工艺制备。
所述高氮奥氏体不锈钢焊丝适用于6～20mm厚、氮含量0.50％～0.70％的高氮奥氏体不锈钢的焊接。
采用所述高氮奥氏体不锈钢焊丝焊接的焊接接头缺欠质量不低于1级焊缝，焊缝金属抗拉强度≥870MPa，-40℃冲击吸收功≥60J。
本发明提供一种利用所述的高氮奥氏体不锈钢焊丝的焊接工艺，在热输入为10～18kJ/cm的条件下，采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接，层间温度小于100℃。
所使用的保护气体为Ar+2％～4％N2混合气体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明所述的焊丝，可用于氮含量0.50％～0.70％的高氮奥氏体不锈钢的焊接，焊接接头缺欠质量不低于1级焊缝，焊缝金属具有良好的强韧性，抗拉强度≥870MPa，-40℃冲击吸收功≥60J。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
针对上述目的，本发明提供一种适用于高氮奥氏体不锈钢焊接的奥氏体不锈钢焊丝，其化学成分重量百分比为：C：0.01％～0.03％，Si：0.75％～0.90％，Mn：2.0％～6.0％，Cr：18％～22％，Ni：6.0％～9.0％，Mo：≤0.1％，N：0.20％～0.40％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，余量为铁和通常炼钢存在的杂质。
其中，
N：氮是强烈的奥氏体化元素，这是采用氮进行合金化的一个主要原因。作为高氮奥氏体不锈钢中主要的合金元素氮，使材料具有优良的综合性能性能。综合考虑氮对材料性能的影响、氮的溶解度极限、熔焊时母材熔合比、焊丝焊接冶炼加工和焊接工艺性能的影响，本发明焊丝氮含量选择为0.20～0.40wt％。
Cr：铬是在焊丝的组分中最重要的合金元素之一，它使合金具备了最基本的抗腐蚀性能。铬可以提高氮在基体中的溶解度；同时铬也是铁素体形成元素，会对焊缝的凝固行为产生影响。本发明焊丝铬含量选择为18～22wt％。
Ni：在焊丝设计中，通过加入一定量的合金元素镍，一方面可以起到控制凝固态焊缝组织中的铁素体含量；另一方面，镍的加入可以用来提高焊缝的韧性。本发明焊丝镍含量选择为6.0～9.0wt％。
C元素：为了降低由于敏化反应(碳化物的沿晶析出)所引发晶界铬元素的降低所引起接头抗腐蚀性能的降低，本发明在焊丝设计中严格控制碳含量，选择为0.1～0.3wt％。
Mn：锰既是非氮化物形成元素，又能提高氮在合金中的溶解度，所以在高氮奥氏体不锈钢焊丝设计中可以添加适量的锰以达到增氮的目的，本发明焊丝锰含量选择为2.0～6.0wt％。
Mo：大幅提高不锈钢的抗全面和局部腐蚀性能，但钼是强烈的铁素体化形成元素，会使焊缝保留较多的铁素体，而氮在铁素体中较低的溶解度可能会降低焊缝中的氮含量，对接头的强度不利。本发明焊丝控制钼含量不大于0.1wt％。
本发明所述高氮奥氏体不锈钢焊丝通过冶炼→轧制→热处理→拉拔工艺制备，具体为：
根据本发明焊丝的化学成分范围进行控制冶炼，对冶炼好的钢锭轧制成盘条，再进行热处理、拉拔，最终获得Ф1.2mm尺寸的焊丝。
本发明所述的焊丝，可用于6～20mm厚、氮含量0.50％～0.70％的高氮奥氏体不锈钢的焊接，焊接接头缺欠质量不低于1级焊缝，焊缝金属具有良好的强韧性，抗拉强度≥870MPa，-40℃冲击吸收功≥60J。
利用本发明所述的焊丝的进行焊接的焊接工艺为：在热输入为10～18kJ/cm的条件下，采用熔化极惰性气体保护焊进行试板焊接，保护气体为Ar+2％-4％N2混合气体，层间温度小于100℃。
实施例1
针对14mm厚高氮奥氏体不锈钢，采用本发明焊丝进行熔化极惰性气体保护焊接，高氮奥氏体不锈钢和焊丝化学成分如表1所示。焊接电压20V，焊接电流180A，焊接速度20cm/min，热输入为10.8kJ/cm，保护气体为Ar+2.5％N2，层间温度小于100℃。焊接接头无气孔、裂纹，焊缝金属抗拉强度895MPa，-40℃冲击吸收功95J。
表1实施例1高氮奥氏体不锈钢和焊丝化学成分(wt％)
实施例2
针对20mm厚高氮奥氏体不锈钢，采用本发明焊丝进行熔化极惰性气体保护焊接，高氮奥氏体不锈钢和焊丝化学成分如表2所示。焊接电压30V，焊接电流300A，焊接速度30cm/min，热输入为18kJ/cm，保护气体为Ar+4.0％N2，层间温度小于100℃。焊接接头缺欠质量达到1级，焊缝金属抗拉强度875MPa，-40℃冲击吸收功102J。
表2实施例2高氮奥氏体不锈钢和焊丝化学成分(wt％)
实施例3
针对8mm厚高氮奥氏体不锈钢，采用本发明焊丝进行熔化极惰性气体保护焊接，高氮奥氏体不锈钢和焊丝化学成分如表3所示。焊接电压20V，焊接电流180A，焊接速度20cm/min，热输入为10.8kJ/cm，保护气体为Ar+2.5％N2，层间温度小于100℃。焊接接头无气孔、裂纹，焊缝金属抗拉强度910MPa，-40℃冲击吸收功61J。
表3实施例3高氮奥氏体不锈钢和焊丝化学成分(wt％)