裝配條件對X80鋼外根焊接頭成分與性能的影響

文學， 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 揚州 225009; 2.國家管網集團建設項目管理分公司，河北 廊坊 065000；3.哈爾濱工業大學，先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 前言

油氣資源是國家工業發展的重要戰略資源，是國民經濟的命脈。由于油氣資源具有隨地區分布不均的特點，為了滿足油氣境內運輸與進出口需求，能源輸送相關產業進行了不斷地發展與研究，其中管道運輸以其安全可靠、經濟高效、節能環保等諸多優點，成為世界各地石油與天然氣運輸的主要途徑[1-3]。由于油氣輸送管道跨經多個區域，所處的環境復雜多樣，出于工程安全與可靠性考慮，油氣管道需要能夠承載高壓、低溫等復合應力及溫度條件，這對所用管線鋼強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，由于其強度高、耐蝕性好、綜合成本低等優勢，目前已被普遍應用于國內長距離油氣管道運輸建設[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，機組配置靈活，設備機頭體積小、占用操作空間小，焊接速度快，根熱焊可同步進行以減少裂紋傾向等特點；焊接過程中采用帶銅襯墊的內對口器進行根焊焊接可以保證焊縫成形，但由于實際焊接前工件的裝配存在一定的對口間隙和錯邊量，可能導致焊接過程中能量過多地向銅襯墊輸入，使得銅襯墊發生局部熔化并向焊縫擴散[10-11]；且對口間隙和錯邊量可能會對焊縫的力學性能產生影響，而目前針對這方面的研究較少。為了確定對口間隙和錯邊量對X80鋼管道銅襯墊外根焊焊接過程中Cu的熔化與擴散及焊縫力學性能的影響，文中通過改變對口間隙和錯邊量2個裝配條件，針對銅襯墊外根焊全自動焊焊接工藝對X80鋼級管道焊接適用性開展系統性的研究。

1 試驗材料及方法

試驗所用母材為管徑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金屬的流動性，從而充分填充焊縫；同時，焊絲中的Ni與Cu的含量略高于母材。

表1 試驗用材料化學成分(質量分數，%)

試驗采用熔化極氣體保護焊(GMAW)，焊接接頭采用U形對接接頭，坡口形式如圖1所示。圖中的L代表對口間隙，分別設置試樣的對口間隙為0～0.5 mm，0.6～1.0 mm，1.1～1.5 mm，接頭錯邊量為不小于2 mm，2.1～3.0 mm，3.1～4.0 mm，以及極限情況：對口間隙1.1～1.5 mm，錯邊量3.1～4.0 mm，每種裝配條件焊接一整個管圈，對應的試驗條件見表2。

圖1 焊接坡口形式

表2 試驗條件

試驗使用法國SERIMAX公司生產的全自動焊接設備，將2根鋼管對接裝配并安裝銅襯墊，焊接前通過中頻加熱對接頭區域坡口兩側各75 mm處進行預熱，預熱溫度為103.7～150 ℃。共進行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。焊接工藝參數見表3，焊接過程中保持層間溫度為65.3～150 ℃左右，焊接后對接頭區域進行空冷。

表3 焊接工藝參數

從焊接試樣的接頭區域截取金相試樣，并按照GB/T 31032—2014《鋼質管道焊接及驗收》標準加工制備了拉伸試樣與夏比沖擊試樣，對應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個拉伸試樣、3個焊縫區夏比沖擊試樣和3個熱影響區夏比沖擊試樣。按照SY/T 0452—2012標準，對各條件下的接頭試樣分別在管道規定的點位位置取背彎樣和側彎樣各4個。分別采用能譜分析和化學成分分析對接頭根焊層及填充層的Cu元素含量進行測量，將試樣逐個進行金相拋光制樣，使用4%的硝酸酒精溶液對金相試樣進行腐蝕后，使用OLYMPUS GX71正置式超景深光學顯微鏡和美國 FEI 生產的場發射 Quanta 200FEG-SEM型掃描電子顯微鏡對接頭進行觀察與分析。使用島津電子拉伸試驗機測試試樣的抗拉強度；采用美特斯工業系統生產的ZBC2452-C擺子拉伸試驗機測試試樣的抗拉強度；采用美特斯工業系統生產的ZBC2452-C擺錘式沖擊試驗機分別對焊縫和熱影響區試樣進行常溫沖擊試驗；使用長春材料試驗機廠WE-100A萬能液壓試驗機對接頭進行彎曲測試。

2 試驗結果與分析

2.1 不同裝配條件下焊縫質量分析

對不同對口間隙和錯邊量條件下得到的焊縫背面宏觀形貌進行觀察，圖2可見在1號試樣、2號試樣、4號試樣和5號試樣對應的裝配條件下焊縫成形連續均勻，不存在焊縫未焊透等焊接缺陷。在對口間隙為0 mm時，錯邊量的增大并未導致焊縫背面出現粘銅現象；而當錯邊量為0 mm時，對口間隙增大，在5號試樣的焊縫背面出現了輕微的局部粘銅情況。此外，圖2中可見在3號試樣、6號試樣和7號試樣對應的裝配條件下焊縫均不成形，存在斷續孔洞，故不對其進行后續的分析。

圖2 不同裝配條件下焊縫背面宏觀形貌

2.2 不同裝配條件對焊縫Cu元素含量的影響

為研究對口間隙和錯邊量對銅襯墊外根焊焊縫內Cu元素含量的影響，分別對成形質量良好的4個試樣進行掃描電子顯微鏡的觀察、能譜分析和化學成分分析，圖3所示為能譜分析和化學成分分析的位置示意圖。通過對每個試樣進行多區域點掃描后得到對應的根焊層底部Cu元素含量見表4。可見在靠近焊縫根部的能譜掃描區內，各試樣內部的Cu元素含量均低于0.5%(質量分數，下同)。根據Hannerz[12]和Widgery[13]的相關研究，當X80鋼的焊縫金屬中的銅含量在0.4%～0.6%時，銅對焊縫能起到韌化作用，通常認為焊縫中銅含量在0.5%以下時對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成分分析(質量分數，%)

在對口間隙為0，錯邊量≤2 mm的1號試樣中，Cu元素含量約為0.14%；在錯邊量為0 mm，對口間隙為0～0.5 mm的4號試樣中，Cu元素的含量約為0.06%，隨著錯邊量或對口間隙的增大，2號試樣和5號試樣的根焊層底部Cu元素含量分別達到0.26%和0.35%。由此可見，在一定范圍內焊縫根部的Cu元素含量隨著對口間隙和錯邊量的增加呈現上升趨勢，且對口間隙的變化對滲銅量的影響較錯邊量更為顯著。原因可能是焊接電弧呈扇形，一部分焊接電弧會直接透過焊接方向前方的間隙對銅襯墊進行作用，而錯邊量的增加會造成偏弧，電弧會偏向懸空一側，形成一個比小間隙時或未偏弧時的熔孔略大的熔孔，此時電弧會透過該熔孔對銅襯墊發生作用，但比大間隙時所透過的電弧要小得多；而小間隙小錯邊之所以未發生滲銅現象，一是因為焊接電弧形成的熔孔是以一種若隱若現的狀態存在，電弧無法提前穿透對銅襯墊作用；二是電弧產生使焊絲母材熔化到凝固結晶的過程只是瞬間發生，半凝固液態鐵水落向銅襯墊時的溫度達不到銅的熔點(1 083 ℃)，因此銅襯墊不會有任何損傷。

化學成分分析的結果見表4。試樣的所有取樣點的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。對比能譜測試的結果可以看出，銅襯墊的Cu元素僅在對口間隙和錯邊量較大時發生少量的溶解擴散，且主要存在于根焊層中下部，對焊縫Cu元素的含量幾乎沒有影響。

2.3 裝配條件對接頭拉伸性能的影響

將不同對口間隙和錯邊量條件下焊接得到的試樣進行拉伸試驗，各試樣的抗拉強度如圖4所示。在對口間隙為0 mm時，各接頭的抗拉強度均較高，隨著錯邊量的增大，抗拉強度均值分別為631 MPa，633 MPa；在錯邊量為0 mm時，隨著對口間隙增加，接頭抗拉強度均值分別為611 MPa，654 MPa。由于拉伸試樣均斷裂在母材，證明焊縫強度高于母材，在大錯邊量下焊縫依然保持了較高的抗拉強度；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力分布差異可能是接頭抗拉強度存在起伏的原因。

圖4 接頭抗拉強度

試驗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過了頸縮過程，發生塑性斷裂。在斷口心部位置呈現較為明顯的韌窩，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結果如圖6所示。圖中可見焊縫的沖擊吸收能量顯著低于熱影響區，即各試樣熱影響區的沖擊韌性優于焊縫。此外，圖中顯示錯邊量的增加導致焊縫的沖擊韌性有所提高，而熱影響區的韌性下降；對口間隙的增加導致相反的變化趨勢：焊縫的沖擊韌性下降而熱影響區的韌性略有提高。總體而言，對口間隙和錯邊量的變化對接頭的沖擊韌性無明顯影響。

圖6 沖擊吸收能量

2.5 裝配條件對接頭彎曲性能的影響

針對不同裝配條件下得到的管道環縫進行背彎和側彎試驗，得到的結果如圖7、圖8所示。在背彎的試驗中，發現在錯邊量2.1～3.0 mm的試樣中存在一處1.5 mm的裂紋。對比分析可以發現，在相同對口間隙情況下，錯邊量的增加使得試樣抗背彎能力稍有下降，在大錯邊量下背彎出現了表面裂紋傾向。相對不同錯邊量，對口間隙對背彎性能的影響較小。這是由于在大錯邊量下接頭在錯邊處易出現應力集中，在背面彎曲受力時易萌生裂紋，減小錯邊量有助于保證接頭的抗背彎性能。側彎試驗結果顯示，在錯邊量2.1～3.0 mm的試樣和對口間隙為0.6～1.0 mm的試樣表面各觀察到1.15 mm和0.8 mm的裂紋。綜合背彎和側彎試驗結果，錯邊量和對口間隙的增大會降低接頭的彎曲性能。

圖7 背彎結果

圖8 側彎結果

3 結論

(1)對口間隙大于1.0 mm或錯邊量大于3.0 mm的裝配條件下焊縫成形質量差，不宜采用；對口間隙和錯邊量的增大會導致根焊層底部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，對焊縫中Cu元素的含量沒有影響。

(2) 試樣最高的抗拉強度達到654 MPa，且所有試樣均斷裂在母材；熱影響區的沖擊吸收能量顯著高于焊縫，表明焊縫的強度高于熱影響區而韌性較低；對口間隙和錯邊量的增大會降低接頭的彎曲性能，而對抗拉強度和沖擊韌性無顯著影響，且未發現根焊層中Cu元素的微量滲入對焊縫力學性能造成不利影響。