X80管線鋼激光-MAG復合橫焊打底焊工藝

苗春雨, 焦向東,, 朱加雷, 李京洋, 王凱

(1.北京石油化工學院，北京 102617；2.北京化工大學，北京 100029；3.燕山石化高科技術有限責任公司，北京 100000)

0 前言

激光電弧復合焊是新型高能束焊接方法之一，集合了激光焊與電弧焊兩種熱源的優勢，彌補了激光焊能量利用率低、工藝適應性差的缺點[1]，在減小熱輸入、增加熔深、減小焊接缺陷、節約能源等方面表現出了極大優勢[2-3]。與傳統電弧焊相比，激光電弧復合橫焊可實現較大板厚的單面焊雙面成形，不僅可以綜合激光焊和電弧焊兩者的優點，還可彌補橫焊過程中熔池金屬下淌，焊接工序復雜，焊接缺陷多等缺點，有利于增加熔深，提高橫焊焊接接頭尺寸均勻性、微觀組織均勻性，可以大大提高橫焊接頭質量與性能[4-5]。激光電弧復合橫焊也具有廣泛的應用領域，在輸油管線、船舶和壓力容器等大型厚壁件常常使用橫焊的連接形式[6-9]，將激光-電弧復合橫焊應用到厚壁件中，在提高焊接速度、焊接質量，減少焊接變形，抑制橫焊側壁未熔合和未焊透等焊接缺陷方面將表現出極大優勢[10-12]。

1 試驗部分

1.1 試驗設備及材料

采用IPG公司生產的型號IPG YLS-4000的光纖激光器進行試驗，焊機使用唐山松下產業機器有限公司生產的多功能MIG/MAG焊機，型號為YD-500GL5，試驗設備和激光-MAG復合橫焊原理如圖1所示。

圖1 激光-MAG復合橫焊試驗系統

選用西氣東輸工程專用的X80管線鋼為試驗材料，試件尺寸為400 mm×70 mm×10 mm，坡口角度為上坡口30°，下坡口20°，鈍邊為4 mm。X80管線鋼化學成分見表1。根據國際標準ISO 3183: 2012《石油和天然氣工業管道輸送系統用鋼管》，X80管線鋼性能見表2。焊絲型號為ER80S-G，焊絲直徑1.2 mm，化學成分見表3。保護氣采用80%Ar+20%CO2的混合氣體，氣體流量20 L/min。焊接前先使用酒精對待焊試件進行清潔，以除去表面油污，再將待焊部分使用角磨機打磨平整，除去銹漬與氧化。在激光-MAG復合焊接橫焊位置焊接試驗之前，將需要組對的板材試件在平焊位置對接，使用手工電弧焊在兩端點焊，得到的焊點可固定板材試件組對的位置。將組對過后的板材試件放入橫焊夾具夾緊進行試驗。為防止焊接過后板材試件變形，待試件冷卻至室溫后從橫焊夾具中取出。具體焊接工藝參數見表4。

表1 X80管線鋼化學成分(質量分數，%)

表2 管線鋼X80常規力學性能

表3 ER80S-G焊絲化學成分(質量分數，%)

表4 激光-MAG復合橫焊工藝參數

2 結果與討論

2.1 焊縫形貌分析

試驗過程中，首先調整焊接電流為180 A，然后減小到150 A并觀察焊接效果，激光功率采用3 700 W，焊接速度為1 m/min，其他工藝參數見表4。觀察焊縫形貌，如圖2所示。兩種電流下焊縫正面未見明顯差別，無咬邊和裂紋等明顯焊接缺陷。而從截面形貌可以明顯看出，當焊接電流為180 A時，焊縫明顯不對稱，出現下淌缺陷；而焊接電流減小到150 A時焊縫熔透良好，背面熱影響區寬度規則連續，實現了單面焊雙面成形。出現這種現象的原因是，當電流較大時，熔池填充金屬增加，受重力作用下淌傾向增大，容易出現焊縫不對稱，影響成形質量。

圖2 焊接電流150 A，180 A時焊縫形貌

光絲間距對激光與電弧的耦合作用及焊接成形有重要影響，當激光光束距離電弧太近，產生的光致等離子體會干擾電弧，而距離較大時，會導致激光電弧耦合失效，變成激光焊與電弧焊的簡單疊加。理論研究表明，平焊位置時，當光絲間距值在合適范圍內，激光可壓縮MAG電弧，從而使熱源更集中，減小焊縫缺陷和焊接變形。圖3為光絲間距1～3 mm條件下熔池圖像和溫度場圖像。可以看出，激光的壓縮與吸引作用有利于避免熔池在重力作用下的下淌行為，當DLA=2 mm時熔池面積最小。從圖中可以看出，激光束靠近電弧，使電弧體積增大，能量密度降低。繼續增大電弧與激光之間的距離，當光絲間距為2 mm時，電弧形狀最為穩定，發散角小，兩者的耦合效果最好。此參數下電弧受激光等離子體的吸引與壓縮，熔滴過渡穩定，焊接過程飛濺也較小。光絲間距3 mm時電弧發散，激光與電弧距離增加，由于兩熱源較分離，兩者傾向于單獨作用于熔池，耦合作用減弱，焊接過程不穩定，容易引起焊縫側壁未熔合、熔池下淌缺陷。

圖3 不同光絲間距下復合橫焊熔池和溫度場

圖4是光絲間距為1 mm，2 mm和3 mm激光-MAG復合橫焊獲得的焊縫截面形貌，經過測量，獲得的熔寬參數分別見表5。從表中數據可以看出，圖4c焊縫上熔寬和下熔寬的差值ε3最大，為0.17 mm；圖4a次之，ε1為0.15 mm；圖4b最小，ε2為0.09 mm。當上熔寬和下熔寬的差值ε最小時，說明焊縫對稱性越好，熔池受重力影響越小。由此可以看出，DLA=2.0 mm時，激光-MAG復合橫焊熱源耦合性能最好，熔池下淌傾向最小。

圖4 復合橫焊焊縫截面

表5 復合橫焊焊縫熔寬特征參數

2.2 力學性能分析

根據上述試驗結果驗證焊縫的力學性能，分別對3 mm和4 mm鈍邊的試板進行試驗，其他工藝參數見表4。試驗得到正面與背面均成形良好無明顯缺陷的單面焊雙面成形焊縫，參考國家標準GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》和GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》制備拉伸彎曲試樣，并進行性能測試，拉伸前將母材高于焊縫的部分銑平。試驗結果如圖5所示，S1，S2抗拉強度分別達到了681 MPa和711 MPa，滿足API 5L標準，所檢測的試樣彎曲角度可達到150°，彎曲處無裂紋產生，表明焊接接頭具有良好的抗彎曲性能。

圖5 拉伸和彎曲性能檢測結果

使用掃描電鏡觀察試件的拉伸斷口。斷口形貌如圖6所示，圖6a、圖6b為試件S1的斷口形貌，圖6c、圖6d試件S2的斷口形貌。兩試件均具有典型的韌性斷裂形貌，斷口形貌為灰暗色的纖維狀，斷面為許多細小的凹坑并夾雜少量孔洞，凹坑尺寸均勻，為典型的等軸狀韌窩。

圖6 不同放大倍數下拉伸斷口SEM形貌

對打底焊焊縫進行沖擊性能測試(試驗的參數見表4)根據國家標準GB/T 2650—2008制備試樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，分別于試件的熱影響區和焊縫區制備夏比V形缺口。在10 ℃環境下進行沖擊性能試驗，每組試驗重復3次，取平均值。圖7分別為3 mm和4 mm鈍邊熱影響區和焊縫區的平均沖擊吸收能量。焊縫區的平均沖擊吸收能量高于熱影響區，根據API 5L的標準，對于X80管線鋼，同一位置3個沖擊試樣平均沖擊吸收能量不得低于41 J，3個試樣中任意一個不得低于最低值的70%。試驗所得試樣中所有沖擊吸收能量均高于41 J，符合標準的要求。

圖7 3 mm和4 mm鈍邊平均沖擊吸收能量

對打底焊焊接接頭進行顯微硬度分析(S1)，選取焊縫截面的激光-電弧區和激光區兩部分進行顯微硬度的測量。使用維氏硬度測量方法，采樣位置如圖8所示，其中激光-電弧區采樣線距母材下邊緣7 mm，激光區采樣線距母材下邊緣2 mm，兩采樣點間距為0.2 mm，每條采樣線打20個測量點，得到的硬度分布曲線如圖9所示。根據顯微硬度分布曲線可知，所有采樣點硬度均小于300 HV，根據API 5L的標準要求，X80管線鋼焊縫所有的維氏硬度不應超過300 HV，試驗結果符合標準的要求。綜上可知，采用表4參數下激光-MAG復合橫焊獲得的打底焊力學性能良好，具有良好的斷裂韌性。

圖8 顯微硬度采樣點

圖9 復合橫焊焊縫顯微硬度分布曲線

2.3 微觀組織分析

使用金相顯微鏡觀察打底焊接頭，由于受重力影響上板與下板的焊縫結構、熔合區與熱影響區寬度具有非對稱特性，如圖10所示。圖10a～圖10d分別為激光電弧區和激光區顯微組織，可以看出，下板的熔合區寬度、熱影響區寬度小于上板，電弧作用的熔合區寬度整體大于激光作用的熔合區，上板電弧作用熔合區寬度最大。其組織粗大，晶體結構不均勻，性能在焊接接頭中最差。

圖10 電弧區和激光區顯微組織

由圖11可知，焊縫中心是先共析鐵素體晶粒連接而成的網狀晶，焊縫中心周圍的長條狀白色晶體為粗大有方向性的柱狀晶，組織為條狀鐵素體，柱狀晶垂直于熔合線向焊縫中心生長，且可觀察到下板的柱狀晶密集程度大于上板。由于焊接后熔池迅速凝固，受坡口角度與重力影響，熔池中心熱量更易向下傳導，熱傳導形成沿傳導方向生長的柱狀晶，在垂直于熔合線的方向散熱最快，因此呈現此種形態的焊縫接頭形貌。網狀晶結構的韌性相比柱狀晶較差，在受到沖擊載荷時裂紋會沿網狀晶界迅速擴展，不具有柱狀晶的抵抗力，所以焊縫中心的抗沖擊韌性較差。

圖11 焊縫中心顯微組織

3 結論

(1)光絲間距為2 mm時獲得的焊縫上熔寬和下熔寬差值最小，復合熱源耦合性能最好，熔池下淌傾向最小。對X80管線鋼焊接接頭進行拉伸、彎曲和顯微硬度等力學測試，試驗結果滿足API 5L標準要求。激光-電弧區在熱影響區正火區硬度最高，激光區在焊縫位置硬度最高。

(2)橫焊接頭的宏觀形貌與微觀組織具有不對稱與非均勻的特性，在重力的作用下，焊縫中心以下焊縫區形狀較飽滿，寬度小于中心以上，焊縫中心以上的熔合區和熱影響區寬度大于焊縫中心以下的區域。焊縫區微觀組織為粗大的垂直于熔合線的柱狀晶，組織為條狀鐵素體，且下板的柱狀晶密集程度大于上板。