X80鋼管道采用銅襯墊根焊接頭滲銅及力學性能分析

摘 要：采用銅襯墊內對口器的SERIMAX全自動焊機焊接X80鋼，運用SEM、EDS等手段研究對口間隙、錯變量對根焊縫夾銅/滲銅的影響，并開展銅襯墊對拉伸性能、沖擊性能、顯微硬度和彎曲性能等力學性能的影響研究。試驗結果表明，隨著對口間隙的增加，焊縫宏觀夾銅長度、根焊縫夾銅深度及滲銅區域深度均增加。不同對口間隙銅襯自動焊，焊縫拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能均滿足標準要求，對口間隙對焊縫顯微硬度無明顯影響。

關鍵詞：銅襯墊；滲銅；夾銅；力學性能

0 引言

采用全位置自動焊具有功效高、質量穩定等優點，是長輸管道最先進的焊接方法。但管道全位置自動焊外焊機打底方式的應用目前在國內存在爭議[1]。SERIMAX全自動焊接設備采用銅襯墊內對口器，如果焊接接頭出現滲銅現象且滲入的銅超過一定量，就有可能會引起“銅脆”現象，從而降低金屬的力學性能并對管口的焊接質量造成不良影響[2]。因此，需要開展全自動焊機銅襯墊滲銅試驗，研究銅襯墊對根焊滲銅以及力學性能的影響，為銅襯墊自動焊工藝的制定提供技術支持。

試驗用焊接鋼管為壁厚18.4mm，外徑1219mm的X80螺旋縫埋弧焊鋼管。鋼管化學成分和力學性能均滿足API 5L要求。

采用Miller XMT350+SERIMAX自動焊機雙焊炬自動焊，使用BOBINE FIL焊絲，焊絲直徑1.0mm，保護氣體為50%Ar+50%CO2。坡口形式見圖1，焊接工藝參數見表1。

為研究對口間隙及錯邊對根焊縫滲銅的影響，分別進行了對口間隙為0mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm和錯邊量為2.5mm的焊接試驗。

2 焊接工藝對根焊滲銅影響研究

關于“滲銅”和“夾銅”，本文說明及定義如下：“滲銅”指銅的擴散，為固態或液態金屬傳質作用的結果，銅在鋼中擴散形成固溶體，或在溫度作用下析出形成ε-Cu。從幾何尺度上說，滲銅為納米級或微米級。從微區銅含量上說，滲銅的銅含量低。“夾銅”指的是在機械或熱力作用下或二者共同作用下在鋼鐵基體中出現銅的宏觀現象。從幾何尺度上說，夾銅>101～102μm級。從微區銅含量上說，夾銅的銅含量高。

2.1 宏觀分析

焊接前分別采用塞尺、焊接檢驗尺在每個鐘點位測量對口間隙、錯邊量。焊接完成后對每個管圈全部位置進行宏觀觀察。

對口間隙為0時，根焊縫未見明顯夾銅；對口間隙為0.5mm時，根焊縫出現局部點狀夾銅；對口間隙為1mm時，根焊縫出現連續夾銅；對口間隙為1.5mm時，根焊縫成型不良，出現燒穿甚至無法施焊，夾銅現象嚴重。

試驗結果表明，對口間隙是影響銅襯自動焊根部夾銅的主要因素。因此，在滲銅微觀分析中取實際對口間隙與目標對口間隙相近位置處的焊縫進行分析。

2.2 微觀分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）進行根焊縫滲銅微觀分析。

2.2.1對口間隙0（KZB-0-02）根焊縫滲銅分析

該對口間隙下SEM和銅元素EDS面掃描。結果表明，該對口間隙下根焊縫未出現夾銅、滲銅現象。

2.2.2 對口間隙0.5mm（KZB-0.5-01）根焊縫滲銅分析

該對口間隙下SEM和銅元素EDS面掃描結果如圖4所示。結果表明，該對口間隙下，根焊縫最大夾銅深度約為75μm，未見滲銅。

自焊縫根部向蓋面方向進行線掃描，銅含量分布相對集中，距離EDS分析起始點<60μm范圍內銅含量較高，超出60μm范圍，銅含量驟降，且趨于平穩，未見明顯梯度變化。

2.2.3 對口間隙1mm（KZB-1-01）根焊縫滲銅分析

該對口間隙下SEM和銅元素EDS面掃描結果表明，根部夾銅最大深度為150μm，最大滲銅深度約為1100μm。

自焊縫根部向蓋面方向進行線掃描，距離EDS分析起始點<120μm范圍內銅含量較高，120μm～160μm范圍內銅含量降低，呈現一定濃度梯度。160μm～800μm范圍內銅含量高于距離EDS分析起始點>960μm范圍的銅含量。

2.2.4 對口間隙1.5mm（KZB-1.5-01）根焊縫滲銅分析

自焊縫根部向蓋面方向進行線掃描，銅元素分布情況見圖9b。距離EDS分析起始點<100μm范圍內銅含量較高，100μm～400μm范圍內隨著距掃描起始點距離增加基本呈現降低趨勢。

2.3 小結

2.3.1 隨著對口間隙的增加，焊縫宏觀夾銅長度數量增加；

2.3.2 隨著對口間隙增加，根焊縫夾銅深度及滲銅區域深度均增加。

3 焊縫滲銅對力學性能的影響

選取對口間隙為0、0.5mm、1mm三種試樣研究焊縫滲銅對根焊縫力學性能影響。

3.1 拉伸性能

依據GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》對根焊縫取樣進行拉伸試驗，試樣平行段尺寸為68mm×20mm，試樣厚度為3.9mm（根焊縫背面銑平后，根焊縫“夾銅”遭到部分或全部去除）。

3.2 小結

3.2.1 不同對口間隙銅襯自動焊焊縫拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能均滿足標準要求；

3.2.2 不同對口間隙對銅襯自動焊焊縫顯微硬度無明顯影響。

4 結論

4.1對口間隙是影響銅襯自動焊根部夾銅的主要因素，且最大數值宜控制在1.0mm以內，否則容易出現夾銅嚴重、根焊縫成型不良、燒穿甚至無法施焊現象。隨著對口間隙的增加，焊縫宏觀夾銅長度數量增加，根焊縫夾銅深度及滲銅區域深度均增加。

4.2 不同對口間隙銅襯墊自動焊，焊縫拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能均滿足標準要求，對口間隙對焊縫顯微硬度無明顯影響。

參考文獻：

[1] 羅智超， 汪宏輝， 路焰， 文學， 戚國順， 劉興邦， 雷正龍. 長輸管道外自動根焊采用銅襯墊焊接接頭組織與性能分析[J]. 焊接， 2014， 12： 42-47.

[2] 梁君直， 黃福祥， 靳海成， 吳江橋. 管道環焊縫采用銅襯墊根焊及焊縫滲銅研究[J]. 電焊機， 2009， 5（39）： 74-77.

作者簡介：

姓名：許有肖；性別：男；籍貫：山東省聊城市冠縣；出生日期：1986年11月25日；職稱：工程師；工作單位：中石化石油工程設計有限公司，主要從事閥門選型與設計、管道材料及應力分析、管道焊接施工研究工作。