裝配條件對(duì)X80鋼外根焊接頭成分與性能的影響

文學(xué)， 錢建康， 汪宏輝， 王鵬宇， 郭祥， 付偉杰， 雷正龍

(1.中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009; 2.國家管網(wǎng)集團(tuán)建設(shè)項(xiàng)目管理分公司，河北 廊坊 065000；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

0 前言

油氣資源是國家工業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，是國民經(jīng)濟(jì)的命脈。由于油氣資源具有隨地區(qū)分布不均的特點(diǎn)，為了滿足油氣境內(nèi)運(yùn)輸與進(jìn)出口需求，能源輸送相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了不斷地發(fā)展與研究，其中管道運(yùn)輸以其安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為世界各地石油與天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕緩絒1-3]。由于油氣輸送管道跨經(jīng)多個(gè)區(qū)域，所處的環(huán)境復(fù)雜多樣，出于工程安全與可靠性考慮，油氣管道需要能夠承載高壓、低溫等復(fù)合應(yīng)力及溫度條件，這對(duì)所用管線鋼強(qiáng)韌性和焊接性的要求越來越高[4]。X80管線鋼作為一種高性能管線鋼，由于其強(qiáng)度高、耐蝕性好、綜合成本低等優(yōu)勢，目前已被普遍應(yīng)用于國內(nèi)長距離油氣管道運(yùn)輸建設(shè)[5-7]。

電弧焊接由于其操作簡便、連接可靠性高，是目前油氣管道的主要連接方式[8-9]。其中銅襯墊外根焊工藝具有任意一站可完成根焊、熱焊、填充焊與蓋面焊焊縫的焊接，機(jī)組配置靈活，設(shè)備機(jī)頭體積小、占用操作空間小，焊接速度快，根熱焊可同步進(jìn)行以減少裂紋傾向等特點(diǎn)；焊接過程中采用帶銅襯墊的內(nèi)對(duì)口器進(jìn)行根焊焊接可以保證焊縫成形，但由于實(shí)際焊接前工件的裝配存在一定的對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量，可能導(dǎo)致焊接過程中能量過多地向銅襯墊輸入，使得銅襯墊發(fā)生局部熔化并向焊縫擴(kuò)散[10-11]；且對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量可能會(huì)對(duì)焊縫的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，而目前針對(duì)這方面的研究較少。為了確定對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量對(duì)X80鋼管道銅襯墊外根焊焊接過程中Cu的熔化與擴(kuò)散及焊縫力學(xué)性能的影響，文中通過改變對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量2個(gè)裝配條件，針對(duì)銅襯墊外根焊全自動(dòng)焊焊接工藝對(duì)X80鋼級(jí)管道焊接適用性開展系統(tǒng)性的研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用母材為管徑1 219.0 mm的X80管線鋼，壁厚22.0 mm，單管長度約11.5 m。所用的焊絲為美國林肯電氣公司生產(chǎn)的80Ni1低氫焊絲，焊絲直徑1.0 mm，母材與焊絲的主要成分見表1。焊絲中Si的含量顯著高于母材，有助于改善焊接過程中液態(tài)金屬的流動(dòng)性，從而充分填充焊縫；同時(shí)，焊絲中的Ni與Cu的含量略高于母材。

表1 試驗(yàn)用材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)采用熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)，焊接接頭采用U形對(duì)接接頭，坡口形式如圖1所示。圖中的L代表對(duì)口間隙，分別設(shè)置試樣的對(duì)口間隙為0～0.5 mm，0.6～1.0 mm，1.1～1.5 mm，接頭錯(cuò)邊量為不小于2 mm，2.1～3.0 mm，3.1～4.0 mm，以及極限情況：對(duì)口間隙1.1～1.5 mm，錯(cuò)邊量3.1～4.0 mm，每種裝配條件焊接一整個(gè)管圈，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件見表2。

圖1 焊接坡口形式

表2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)使用法國SERIMAX公司生產(chǎn)的全自動(dòng)焊接設(shè)備，將2根鋼管對(duì)接裝配并安裝銅襯墊，焊接前通過中頻加熱對(duì)接頭區(qū)域坡口兩側(cè)各75 mm處進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為103.7～150 ℃。共進(jìn)行13層14道焊接，包括根焊、熱焊、填充焊與蓋面焊，其中蓋面焊1層2道。焊接工藝參數(shù)見表3，焊接過程中保持層間溫度為65.3～150 ℃左右，焊接后對(duì)接頭區(qū)域進(jìn)行空冷。

表3 焊接工藝參數(shù)

從焊接試樣的接頭區(qū)域截取金相試樣，并按照GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)加工制備了拉伸試樣與夏比沖擊試樣，對(duì)應(yīng)各裝配條件焊接得到的試樣，分別在管道的相同位置加工4個(gè)拉伸試樣、3個(gè)焊縫區(qū)夏比沖擊試樣和3個(gè)熱影響區(qū)夏比沖擊試樣。按照SY/T 0452—2012標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各條件下的接頭試樣分別在管道規(guī)定的點(diǎn)位位置取背彎樣和側(cè)彎樣各4個(gè)。分別采用能譜分析和化學(xué)成分分析對(duì)接頭根焊層及填充層的Cu元素含量進(jìn)行測量，將試樣逐個(gè)進(jìn)行金相拋光制樣，使用4%的硝酸酒精溶液對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕后，使用OLYMPUS GX71正置式超景深光學(xué)顯微鏡和美國 FEI 生產(chǎn)的場發(fā)射 Quanta 200FEG-SEM型掃描電子顯微鏡對(duì)接頭進(jìn)行觀察與分析。使用島津電子拉伸試驗(yàn)機(jī)測試試樣的抗拉強(qiáng)度；采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)的ZBC2452-C擺子拉伸試驗(yàn)機(jī)測試試樣的抗拉強(qiáng)度；采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)的ZBC2452-C擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)焊縫和熱影響區(qū)試樣進(jìn)行常溫沖擊試驗(yàn)；使用長春材料試驗(yàn)機(jī)廠WE-100A萬能液壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行彎曲測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同裝配條件下焊縫質(zhì)量分析

對(duì)不同對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量條件下得到的焊縫背面宏觀形貌進(jìn)行觀察，圖2可見在1號(hào)試樣、2號(hào)試樣、4號(hào)試樣和5號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的裝配條件下焊縫成形連續(xù)均勻，不存在焊縫未焊透等焊接缺陷。在對(duì)口間隙為0 mm時(shí)，錯(cuò)邊量的增大并未導(dǎo)致焊縫背面出現(xiàn)粘銅現(xiàn)象；而當(dāng)錯(cuò)邊量為0 mm時(shí)，對(duì)口間隙增大，在5號(hào)試樣的焊縫背面出現(xiàn)了輕微的局部粘銅情況。此外，圖2中可見在3號(hào)試樣、6號(hào)試樣和7號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的裝配條件下焊縫均不成形，存在斷續(xù)孔洞，故不對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的分析。

圖2 不同裝配條件下焊縫背面宏觀形貌

2.2 不同裝配條件對(duì)焊縫Cu元素含量的影響

為研究對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量對(duì)銅襯墊外根焊焊縫內(nèi)Cu元素含量的影響，分別對(duì)成形質(zhì)量良好的4個(gè)試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡的觀察、能譜分析和化學(xué)成分分析，圖3所示為能譜分析和化學(xué)成分分析的位置示意圖。通過對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行多區(qū)域點(diǎn)掃描后得到對(duì)應(yīng)的根焊層底部Cu元素含量見表4。可見在靠近焊縫根部的能譜掃描區(qū)內(nèi)，各試樣內(nèi)部的Cu元素含量均低于0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。根據(jù)Hannerz[12]和Widgery[13]的相關(guān)研究，當(dāng)X80鋼的焊縫金屬中的銅含量在0.4%～0.6%時(shí)，銅對(duì)焊縫能起到韌化作用，通常認(rèn)為焊縫中銅含量在0.5%以下時(shí)對(duì)焊縫韌性沒有破壞作用。

圖3 元素分析位置示意圖

表4 Cu元素含量能譜及化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

在對(duì)口間隙為0，錯(cuò)邊量≤2 mm的1號(hào)試樣中，Cu元素含量約為0.14%；在錯(cuò)邊量為0 mm，對(duì)口間隙為0～0.5 mm的4號(hào)試樣中，Cu元素的含量約為0.06%，隨著錯(cuò)邊量或?qū)陂g隙的增大，2號(hào)試樣和5號(hào)試樣的根焊層底部Cu元素含量分別達(dá)到0.26%和0.35%。由此可見，在一定范圍內(nèi)焊縫根部的Cu元素含量隨著對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，且對(duì)口間隙的變化對(duì)滲銅量的影響較錯(cuò)邊量更為顯著。原因可能是焊接電弧呈扇形，一部分焊接電弧會(huì)直接透過焊接方向前方的間隙對(duì)銅襯墊進(jìn)行作用，而錯(cuò)邊量的增加會(huì)造成偏弧，電弧會(huì)偏向懸空一側(cè)，形成一個(gè)比小間隙時(shí)或未偏弧時(shí)的熔孔略大的熔孔，此時(shí)電弧會(huì)透過該熔孔對(duì)銅襯墊發(fā)生作用，但比大間隙時(shí)所透過的電弧要小得多；而小間隙小錯(cuò)邊之所以未發(fā)生滲銅現(xiàn)象，一是因?yàn)楹附与娀⌒纬傻娜劭资且砸环N若隱若現(xiàn)的狀態(tài)存在，電弧無法提前穿透對(duì)銅襯墊作用；二是電弧產(chǎn)生使焊絲母材熔化到凝固結(jié)晶的過程只是瞬間發(fā)生，半凝固液態(tài)鐵水落向銅襯墊時(shí)的溫度達(dá)不到銅的熔點(diǎn)(1 083 ℃)，因此銅襯墊不會(huì)有任何損傷。

化學(xué)成分分析的結(jié)果見表4。試樣的所有取樣點(diǎn)的Cu元素含量均在0.10%～0.16%之間，此范圍介于母材Cu元素含量的0.10%和焊絲的0.20%之間。對(duì)比能譜測試的結(jié)果可以看出，銅襯墊的Cu元素僅在對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量較大時(shí)發(fā)生少量的溶解擴(kuò)散，且主要存在于根焊層中下部，對(duì)焊縫Cu元素的含量幾乎沒有影響。

2.3 裝配條件對(duì)接頭拉伸性能的影響

將不同對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量條件下焊接得到的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，各試樣的抗拉強(qiáng)度如圖4所示。在對(duì)口間隙為0 mm時(shí)，各接頭的抗拉強(qiáng)度均較高，隨著錯(cuò)邊量的增大，抗拉強(qiáng)度均值分別為631 MPa，633 MPa；在錯(cuò)邊量為0 mm時(shí)，隨著對(duì)口間隙增加，接頭抗拉強(qiáng)度均值分別為611 MPa，654 MPa。由于拉伸試樣均斷裂在母材，證明焊縫強(qiáng)度高于母材，在大錯(cuò)邊量下焊縫依然保持了較高的抗拉強(qiáng)度；此外，母材組織的不均勻及不同裝配條件下焊后母材中的殘余應(yīng)力分布差異可能是接頭抗拉強(qiáng)度存在起伏的原因。

圖4 接頭抗拉強(qiáng)度

試驗(yàn)后的拉伸試樣及其宏觀斷口形貌如圖5所示，可見各裝配條件下的拉伸試樣在拉伸過程中均經(jīng)過了頸縮過程，發(fā)生塑性斷裂。在斷口心部位置呈現(xiàn)較為明顯的韌窩，說明母材的韌性較好。

圖5 拉伸試樣及斷口

2.4 裝配條件對(duì)接頭沖擊韌性的影響

不同裝配條件下得到的焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖中可見焊縫的沖擊吸收能量顯著低于熱影響區(qū)，即各試樣熱影響區(qū)的沖擊韌性優(yōu)于焊縫。此外，圖中顯示錯(cuò)邊量的增加導(dǎo)致焊縫的沖擊韌性有所提高，而熱影響區(qū)的韌性下降；對(duì)口間隙的增加導(dǎo)致相反的變化趨勢：焊縫的沖擊韌性下降而熱影響區(qū)的韌性略有提高。總體而言，對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量的變化對(duì)接頭的沖擊韌性無明顯影響。

圖6 沖擊吸收能量

2.5 裝配條件對(duì)接頭彎曲性能的影響

針對(duì)不同裝配條件下得到的管道環(huán)縫進(jìn)行背彎和側(cè)彎試驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖7、圖8所示。在背彎的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在錯(cuò)邊量2.1～3.0 mm的試樣中存在一處1.5 mm的裂紋。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，在相同對(duì)口間隙情況下，錯(cuò)邊量的增加使得試樣抗背彎能力稍有下降，在大錯(cuò)邊量下背彎出現(xiàn)了表面裂紋傾向。相對(duì)不同錯(cuò)邊量，對(duì)口間隙對(duì)背彎性能的影響較小。這是由于在大錯(cuò)邊量下接頭在錯(cuò)邊處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，在背面彎曲受力時(shí)易萌生裂紋，減小錯(cuò)邊量有助于保證接頭的抗背彎性能。側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果顯示，在錯(cuò)邊量2.1～3.0 mm的試樣和對(duì)口間隙為0.6～1.0 mm的試樣表面各觀察到1.15 mm和0.8 mm的裂紋。綜合背彎和側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果，錯(cuò)邊量和對(duì)口間隙的增大會(huì)降低接頭的彎曲性能。

圖7 背彎結(jié)果

圖8 側(cè)彎結(jié)果

3 結(jié)論

(1)對(duì)口間隙大于1.0 mm或錯(cuò)邊量大于3.0 mm的裝配條件下焊縫成形質(zhì)量差，不宜采用；對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量的增大會(huì)導(dǎo)致根焊層底部Cu元素含量的上升，但均低于0.5%，且主要存在于根焊層中下部，對(duì)焊縫中Cu元素的含量沒有影響。

(2) 試樣最高的抗拉強(qiáng)度達(dá)到654 MPa，且所有試樣均斷裂在母材；熱影響區(qū)的沖擊吸收能量顯著高于焊縫，表明焊縫的強(qiáng)度高于熱影響區(qū)而韌性較低；對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量的增大會(huì)降低接頭的彎曲性能，而對(duì)抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性無顯著影響，且未發(fā)現(xiàn)根焊層中Cu元素的微量滲入對(duì)焊縫力學(xué)性能造成不利影響。