X70管線鋼的瞬時液相擴散焊接頭組織和力學(xué)性能

王 磊，俞建榮，岳 龍

（1.北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院，北京102617；2.北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029）

X70管線鋼的瞬時液相擴散焊接頭組織和力學(xué)性能

王 磊1，2，俞建榮1，岳 龍1

（1.北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院，北京102617；2.北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029）

對X70管線鋼進行瞬時液相擴散焊接，采用熱電偶測溫，氬氣作為保護氣，鐵鎳非晶體箔片作為中間層，在焊接壓力3MPa、雙溫焊接工藝條件下，分析不同保溫溫度和保溫時間對焊縫接頭金相組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，高溫1210℃～1230℃，保溫1180℃～1200℃，保溫時間4～8min條件下，焊縫抗拉強度均強于母材。通過觀察焊縫分析和拉伸斷口形貌，保溫溫度和保溫時間對中間層元素擴散效果影響很大。

X70管線鋼；瞬時液相擴散焊；金相組織；力學(xué)性能

0 前言

隨著長距離油氣管道建設(shè)的發(fā)展，對管道用鋼的性能要求越來越高，具有良好韌性和強度的管線鋼在油氣運輸領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前管線鋼的主要焊接方法有熔化焊（MAG焊、TIG焊）、埋弧焊等，需要采用熔化焊材連接焊接件的方法，焊接溫度高、受熱不均勻、殘余應(yīng)力大、易產(chǎn)生裂紋[2]。

瞬時液相擴散焊（Transient liquid phase diffusion bonding，簡稱TLP）是1974年由David S.Duvall等人提出的。工作原理為：焊接過程中，在待焊材料之間添加帶有降熔元素熔點比母材低的中間層（厚度1～100μm），在一定焊接壓力和焊接溫度下（溫度約0.6～0.8Tm）實現(xiàn)母材連接的過程。TLP具有焊接溫度低、殘余應(yīng)力小、自動化程度高等優(yōu)點[3-4]。本研究采用TLP技術(shù)焊接管線鋼X70，分析X70鋼的TLP焊接接頭的力學(xué)性能、顯微組織以及中間層元素擴散情況。

1 試驗材料和方法

母材采用外徑φ76mm、壁厚4mm的X70管線鋼管道，管線鋼主要成分為：w（C）=0.05％、w（Si）=0.19％、w（Mn）=1.54％、w（Ni）=0.2％、w（Cr）=0.2％、w（Mo）=0.1％；抗拉強度大于等于570MPa。中間層材料選用厚25μm的鐵鎳非晶體箔片，主要成分為：w（Si）=5％、w（Ni）=30％、w（B）=6％、w（Cr）=5％、w（Mn）=1％、w（Fe）為余量，熔點1100℃～1130℃。焊接管道端面進行車床加工，保證焊接端面的光潔度和垂直度，粗糙度控制在6.3μm，加工后的焊接端面經(jīng)過酒精清洗，去除表面油污雜質(zhì)。

焊機采用PBWT-φ76管道瞬時液相擴散焊機，熱電偶（鎳硅-鎳鉻）測溫，在開放環(huán)境中進行管道對接焊接，氬氣保護。如圖1所示，管道固定在焊機上，中間層放置在待焊管道端，熱電偶點焊在焊縫附近位置，液壓裝置夾緊管道并沿著管道軸向提供一定壓力，通入氬氣保護氣體，設(shè)定好焊接參數(shù)（溫度、時間、壓力）進行焊接。焊接采用雙溫加熱工藝[5-7]，為了提高接頭受熱的均勻性加熱到900℃，保溫20 s，在1 230℃下保溫20 s，然后在1 160℃～1 200℃保溫4～8min，焊接壓力3MPa，焊接工藝如表1所示。采用WDW-50型力學(xué)實驗機進行拉伸和彎曲試驗；采用OLYMPUSCK40M觀察焊縫金相組織，按照金相組織觀察標準對觀察表面進行打磨，經(jīng)4％硝酸溶液進行酸洗腐蝕，掃描電子顯微鏡SSX-550進行斷口形貌觀察。

圖1 焊接設(shè)備

表1 焊接工藝

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 金相分析

放大倍數(shù)為500的金相組織觀察如圖2所示。溫度1 160℃時，在焊縫位置出現(xiàn)黑色脆性物質(zhì)，形成原因是焊接溫度低，接頭等溫凝固沒有完成，大量降熔元素殘留。溫度達到1 180℃時，殘留黑色物質(zhì)減少，焊縫厚度變窄，中間層元素發(fā)生進一步擴散，只存在少量點狀脆性物質(zhì)。等溫凝固溫度進一步升高，溫度達到1 200℃時，中間層擴散效果好，無殘余的中間層痕跡。當焊接溫度為1 180℃，等溫凝固時間增加到480 s時，由于焊接時間長，焊縫區(qū)寬度進一步降低，中間層與母材連接界面模糊，焊接質(zhì)量提高。

圖2 不同連接工藝下的金相組織

2.2 力學(xué)分析

對焊縫區(qū)域的試樣進行力學(xué)性能分析，如圖3所示。隨著溫度升高，接頭抗拉強度提高，彎曲性能提高。試樣3、4中斷裂位置均發(fā)生在母材，焊縫的力學(xué)性能高于母材；焊縫位置進行正面反的彎曲試驗，焊縫處沒有出現(xiàn)裂紋。試樣1、2斷裂位置出現(xiàn)在焊縫，無縮孔現(xiàn)象，焊縫強度低于母材，斷裂方式主要為脆性斷裂，由于溫度較低時，中間層擴散速度慢，短時間無法完成TLP焊接，焊縫位置殘余合金元素，出現(xiàn)脆性相；焊縫位置進行彎曲試驗，焊縫處出現(xiàn)裂紋，試驗不合格。試樣3中，溫度提高，中間層擴散效果好，焊縫位置晶粒生長均勻，焊縫組織與母材相似。試樣4中，當焊接時間提高時，有利于中間層的擴散，擴散更加充分，焊縫組織更加均勻。

圖3 試樣力學(xué)性能

2.3 拉伸端口分析

通過電子顯微鏡掃描觀察斷口，放大500倍的斷口形貌如圖4所示。圖4a為保溫溫度1 600℃時焊縫斷口的形貌，可以看出斷裂形勢為脆性斷裂，裂紋擴展的途徑為晶間斷裂，由于焊接溫度低，焊縫位置殘留大量中間層元素，導(dǎo)致焊縫位置出現(xiàn)了夾雜物，使材料晶粒強度降低。當焊接溫度升高，保溫時間提高，中間層元素擴散充分，殘余物減少，焊縫力學(xué)性能提高。圖4b所示為合格試樣拉伸斷口的形貌，斷口位置出現(xiàn)在母材，斷口表面出現(xiàn)大小深淺不同的韌窩，斷口形貌為穿晶斷裂的韌窩斷口形貌。

圖4 拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

采用雙溫工藝TLP焊接X70管線鋼，通過對焊縫的金相觀察和力學(xué)分析，得出以下結(jié)論：

（1）采用TLP雙溫焊接工藝，接頭焊接效果好，變形小，能獲得合格的焊縫接頭。

（2）采用鐵鎳合金中間層能夠?qū)崿F(xiàn)X70管線鋼的TLP焊接，焊接壓力3MPa，加熱溫度1 180℃～1 200℃，焊接時間4～8min，接頭的抗拉強度高于母材，彎曲180°焊縫無裂紋。

（3）斷口形貌觀察表明，保溫溫度和保溫時間對中間層元素的擴散效果以及晶體再結(jié)晶過程影響很大。

[1]張偉衛(wèi)，熊慶人，吉玲康.國內(nèi)管線鋼生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].焊管，2011，34（1）：5-8.

[2]張敏，趙鵬康，王文武.連續(xù)油管TIG焊接熱影響區(qū)組織及性能熱模擬分析[J].兵器材料科學(xué)與工程，2011（1）：31-34.

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[5]陳思杰，井曉天，李辛庚.瞬時液相擴散連接的雙溫工藝模型[J].焊接學(xué)報，2005，26（4）：69-72.

[6]ShirzadiAA，Wallach ER.Analyticalmodellingof transient liquid phase(TLP)diffusion bonding when a temperature gradientis imposed[J].ActaMaterialia，1999，47（13）：3551-3560.

[7]陳思杰，何平安.石油連續(xù)管瞬時液相擴散焊雙溫工藝接頭的組織與性能[J]，熱加工工藝，2014，43（17）：181-183.

M icrostructure and mechanical properties of X70 pipeline steel in the transient liquid phase diffusion bonding

WANG Lei1，2，YU Jianrong1，YUE Long1
（1.Mechanical and Electrical Engineering Institute，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2.Electromechanicalengineering Institute，BeijingUniversityofChemicalTechnology，Beijing 100029，China）

Through the study of the transient liquid phase diffusion bonding of X70 pipeline steel with thermocouple thermometry，argon as shielding gas，amorphous iron nickel foil as an intermediary，welding stress in 3 MPa and two-step temperature welding process，the microstructure and mechanical properties of welded joint at different holding temperature and time，were analyzed.The weld strength are stronger than the parentmetalwith 1 210℃～1 230℃high temperature，1 180℃～1200℃holding temperature and 4～8min holding time.Through themorphology observation on tensile fracture，the heat preservation temperature and holding time have a great influence on themiddle layer element diffusion.

X70 pipeline steel；transient liquid phase diffusion bonding；microstructure；mechanical property

TG457.6

A

1001-2303（2015）07-0107-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.23

2014-10-30；

2015-01-17

王磊（1989—），男，安徽人，在讀碩士，主要從事異種金屬的瞬時液相擴散焊的研究。