TA1/X65復合板對焊工藝及焊縫組織和性能分析*

楊 軍 , 關尚虎 , 田 磊 , 張 超 , 宋紅兵

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.天水天力特種管有限公司，甘肅 天水741020）

鈦/鋼復合材料以優良的綜合性能，被廣泛應用于機械化工、海水淡化、真空蒸發、電廠脫硫和油氣儲運等領域[1－5]。但鈦/鋼復合材料的焊接仍然存在諸多問題[6－8]。由于Ti易與Fe、C等元素作用生成TiFe、TiFe2和易碎的TiC等金屬間化合物相，嚴重影響焊縫性能[9－13]。

目前應用普遍且較為成熟的方法是依據GB/T 13149—2009《鈦及鈦合金復合鋼板焊接技術要求》[14]中推薦的方法。連接原理是將覆層鈦和基層鋼分開施焊，互不影響，蓋板鈦和下層鋼之間存在間隙。此類方法可保證覆層鈦焊縫的潔凈化和耐蝕性，連接接頭處力學性能主要由基層鋼貢獻。對于焊縫整體塑韌性的考察，該標準并未明確，僅僅在附錄C“鈦及鈦合金復合鋼板焊接工藝評定”中略有涉及，是將鈦和鋼分開焊接并分別進行焊縫正、反彎試驗評價。顯然，分開檢測的方法不能有效考察和評價焊接接頭的整體塑變性和整體塑韌性，降低了對鈦/鋼復合材料蓋板搭接焊連接接頭全壁厚正、反彎性能要求的難度。因此，本研究仍以蓋板搭接焊方法為基礎，采用MAG+TIG焊接方法，并結合實際對國標推薦的焊接坡口形式及尺寸進行了重新規劃和設計，實現了薄覆層鈦/鋼復合板的對焊連接，且對焊接接頭微觀組織特征、顯微硬度分布及焊縫全壁厚背彎性能進行了系列研究，為國標內容的修訂和豐富及工程實踐提供理論基礎。

1 試驗材料及方法

試驗用材料為工業純鈦TA1和X65管線鋼的爆炸+熱軋復合板，覆層鈦厚2 mm，基層X65管線鋼厚14 mm，焊接試板尺寸為500 mm×300 mm×16（14＋2）mm，兩種材料部分理化性能見表 1。焊接順序：首先進行基層X65鋼的MAG焊，焊絲選用Φ1.2 mm、牌號為CHW－50C6氣保焊絲；其次進行覆層鈦蓋板的TIG焊，焊絲選用工業純Ti氣保焊絲ERTA1，規格Φ1.2 mm。

試驗前，焊縫OM試樣用砂紙研磨并拋光后，用 φ（HF）∶φ（HNO3）∶φ（H2O）=1 ∶4 ∶8 腐蝕劑進行腐蝕；用LeicaMEF－4M光學顯微鏡觀察焊縫橫截面各區域微觀組織；用司特爾Durascan－70型維氏硬度計測試焊縫橫截面鈦覆層橫向顯微硬度分布。根據GB/T 2653—1989《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》對焊縫處全壁厚試樣進行背彎試驗。彎軸直徑為8t（t=16 mm，為試樣壁厚）。

表1 Fe和Ti部分理化性能

2 試驗結果和分析

2.1 焊接試驗及焊縫彎曲性能

2.1.1 焊接坡口及工藝參數設計

焊接參數設計見表2及表3，熱輸入按照式（1）計算。對鈦蓋板搭接焊設計了3種方案，并進行逐一測試和研究分析，最終優選得出最佳方案。

表2 X65鋼焊接參數

表3 鈦覆層焊接參數

式中：Q—熱輸入量，kJ/mm；

U—電壓，V；

I—電流，A；

v—焊接速度，mm/min；

η—功率有效系數，鎢極氣體保護焊η=0.7。

2.1.2 焊接效果及焊縫成形狀態

結合工程實際對GB/T 13149—2009《鈦及鈦合金復合鋼板焊接技術要求》推薦的承壓構件對焊接接頭形式及尺寸進行了重新修改和設計，如圖1所示，坡口機加工尺寸見表4。

圖1 焊接坡口設計示意圖

表4 坡口機加工尺寸

采用圖1坡口形式和表2、表3焊接參數實現了TA1/X65復合板的對焊連接。3種方案鈦覆層的焊縫成形及保護效果如圖2所示。

圖2 焊縫正面成形照片

從圖2可以看出，焊縫正面成形規整，魚鱗紋明顯，中部蓋板和焊縫整體呈現銀白色，說明3種方案焊接過程設備運行穩定，焊縫正面保護效果優良。

2.1.3 焊接接頭全壁厚彎曲試驗

按照GB/T 2653—1989《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》對3種工藝方案的焊接試板進行了焊縫全壁厚背彎性能測試。彎曲角度100°，彎軸直徑8t（128 mm）。焊縫背彎試驗過程如圖3所示。通過試驗發現，方案1和方案2的兩組背彎試樣在鈦層焊縫處均發生了斷裂，而方案3的兩個全壁厚焊縫試樣，背彎試驗滿足要求，彎曲角度達到了預期指標要求，合格試樣如圖4所示。彎曲拉伸面完好，無任何裂紋或其他缺陷。中間鈦蓋板上表層有明顯緊縮，寬度尺寸向內減小。這與彎曲過程接觸面和自由面阻力作用有關。通過試驗發現，方案3能成功實現薄覆層鈦/鋼復合板的對焊連接，且焊縫全壁厚背彎性能完全滿足預期指標要求。

圖3 焊縫全壁厚背彎試驗過程

圖4 背彎合格試樣

2.2 焊接接頭微觀組織及顯微硬度分布

2.2.1 焊接接頭微觀組織特征

圖5為方案3焊接接頭的宏觀結構及焊縫各區微觀組織。整體看，X65和TA1兩種材料的焊接效果均達到要求。基層鋼14 mm完全焊透，復層TA1焊縫熔深、熔寬控制良好，確保了焊縫潔凈化要求。對鈦覆層焊縫熱影響區、焊縫中心及蓋板中部三處3個點（如圖5（a）中綠色點5、6、9）進行顯微觀察。

焊縫中心處（5視域點）微觀組織形態特征見圖5（b），該處微觀組織為鋸齒狀α－Ti+針狀α－Ti+晶界β－Ti[15]。由于焊接過程長時間高溫冶金作用，發生了部分α?β轉變，生成β相，在焊接熱作用下促進了β晶粒的長大，在冷卻過程中部分轉變形成了針狀α－Ti相。

視域點6位于焊縫內靠近蓋板側熱影響區，其OM照片為圖5（c）。可以發現，該處晶粒尺寸粗大，晶界交互生長現象明顯，晶粒之間呈現相互兼并吞噬生長現象。由于中部蓋板和下層碳鋼之間有空隙，焊接熱量不能直接通過下層鋼快速散失，致使該兩處區域長時間受高溫作用，使其微觀組織粗大，晶粒尺寸較焊縫外側熱影響區有明顯長大，對焊縫塑韌性構成了一定影響。因此，精確控制熱輸入或提高熱傳導效率是保證焊縫性能穩定的基礎。

由圖5（d）可以看出，遠離熱源的蓋板中部（9視域點）組織為均勻細小等軸α－Ti，是典型退火態組織特征，具有優良塑韌性。

圖5 焊接接頭各區域顯微組織特征

2.2.2 鈦覆層焊接接頭顯微硬度分布

圖6給出了鈦覆層焊縫的顯微硬度分布曲線。由圖6可以看出，鈦焊縫硬度值在110～220HV10，峰值點出現在焊縫區，這主要與其多相、多形態（鋸齒狀 α－Ti+針狀 α－Ti+晶界 β－Ti）組織特征有關。兩條焊縫熱影響區和焊縫區顯微硬度值均處在較高水平，屬于性能最薄弱區域。這主要是由于中間蓋板與下層X65鋼之間存在空隙，焊接高溫不能直接通過下層碳鋼熱傳導迅速散失，長時間處于高溫態，晶粒通過相互兼并吞噬長大，尺寸粗大（圖5（c）），成為焊縫性能最薄弱區域之一，進而影響鈦焊縫塑韌性。在背彎變形過程中，易發生失效斷裂。

圖6 鈦覆層焊縫顯微硬度分布

3 結 論

（1） 結合工程實際對 GB/T 13149—2009《鈦及鈦合金復合鋼板焊接技術要求》推薦的承壓構件對焊接接頭坡口形式及尺寸進行了重新設計，并通過焊接和背彎試驗論證了坡口形式及尺寸修改的正確性，規范和豐富了國標內容，對鈦/鋼復合板工程化焊接具有重要意義。

（2）鈦焊縫組織主要為鋸齒狀α-Ti+針狀α-Ti+晶界β-Ti，熱影響區組織為多形態粗大α-Ti，蓋板中部受熱影響作用不明顯，保留了原料退火態細小等軸α-Ti組織特征。

（3）顯微硬度峰值處于鈦焊縫熔敷區，其值達220HV10，遠離焊縫，硬度值逐漸降低并與母材接近。

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