SUS304/Q235B雙金屬冶金復(fù)合螺旋管激光-CMT復(fù)合焊+埋弧焊接頭組織及性能

席敏敏， 李中祥， 黃勝， 田磊， 王強(qiáng)強(qiáng)， 姜帆， 趙西岐

(1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；3.上海寶世威石油鋼管制造有限公司，上海 200941；4.長(zhǎng)慶油田公司第一采油廠，陜西 延安 716099)

0 前言

近年來，隨著中國(guó)城市建設(shè)的飛速發(fā)展，市政供水的水質(zhì)安全問題與相應(yīng)的管網(wǎng)建設(shè)工作也得到了廣泛關(guān)注[1]。市政供水管道工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，PCCP管易出現(xiàn)水泥砂漿內(nèi)襯開裂、脫落，普通防腐鋼管內(nèi)涂層的耐久性能不佳，這些問題均會(huì)對(duì)水質(zhì)安全產(chǎn)生不利影響[2]，造成水質(zhì)污染或爆管等嚴(yán)重危害。目前，某些發(fā)達(dá)國(guó)家飲用水輸送管材大多采用不銹鋼管，材質(zhì)一般為304/304L，316/316L不銹鋼[3]。國(guó)內(nèi)部分地區(qū)也已在飲用水輸送管道工程建設(shè)中采用不銹鋼復(fù)合管，如云南地區(qū)已在國(guó)內(nèi)首先推廣不銹鋼冶金復(fù)合管用于飲用水輸送[4]；紹興市自來水有限公司自2000年起就開始了內(nèi)襯不銹鋼機(jī)械復(fù)合管材的應(yīng)用，并于2003年得到全面普及應(yīng)用，2008年紹興市二次供水管理辦法出臺(tái)，該辦法規(guī)定建筑給水全部采用內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管[5]。

相比于不銹鋼管，不銹鋼復(fù)合管在保證水質(zhì)安全的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性更高[4-5]；而相較于機(jī)械復(fù)合的內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管，不銹鋼冶金復(fù)合管不銹鋼復(fù)層與碳鋼基層界面結(jié)合強(qiáng)度更高，可有效避免管壁內(nèi)側(cè)不銹鋼復(fù)層在使用過程中出現(xiàn)分層及塌陷的問題[6-7]。但是，由于不銹鋼冶金復(fù)合管的基層與復(fù)層為成分差異較大的不同材質(zhì)，在焊接制管過程中不可避免會(huì)存在不銹鋼復(fù)層一側(cè)焊縫合金元素稀釋、碳鋼基層一側(cè)焊縫裹入過量合金元素的情況，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)、外焊縫產(chǎn)生高硬相，焊接接頭力學(xué)性能及耐腐蝕性能也會(huì)相應(yīng)降低[8-11]。因此，對(duì)不銹鋼冶金復(fù)合鋼管的焊接方法進(jìn)行探索、創(chuàng)新，對(duì)復(fù)合管焊接接頭的組織及性能進(jìn)行研究，對(duì)于提升冶金復(fù)合螺旋管的產(chǎn)品質(zhì)量、保證市政供水水質(zhì)清潔以及管道的安全運(yùn)行十分重要。

該研究立足于工藝裝備相對(duì)成熟、生產(chǎn)效率較高的螺旋焊管生產(chǎn)線，創(chuàng)新性地引入激光-CMT復(fù)合焊用于鋼管內(nèi)焊，同時(shí)保留了埋弧焊外焊工藝，焊接接頭關(guān)鍵性能得到了有效提升，開發(fā)的激光-CMT復(fù)合焊+埋弧焊螺旋冶金復(fù)合鋼管在滿足高品質(zhì)輸水管線要求的同時(shí)兼具較高的性價(jià)比，對(duì)于國(guó)內(nèi)清潔供水鋼管產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)拓展具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 焊接方法

雙金屬冶金復(fù)合管一般采用分層施焊，包括對(duì)基層、過渡層及復(fù)層的焊接。其中，基層多采用MAG、埋弧焊、高頻電阻焊等焊接方法，過渡層及復(fù)層多采用TIG、激光焊、帶極電渣堆焊及等離子焊等焊接方法。對(duì)于SUS304/Q235B雙金屬冶金復(fù)合管，由于復(fù)層SUS304不銹鋼與基層Q235B碳鋼在合金成分上存在較大差異，焊接時(shí)在過渡界面附近容易產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織，增大焊縫冷裂紋傾向和硬度超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，受熔合比的影響，焊縫局部區(qū)域合金成分被過渡稀釋而導(dǎo)致相比例失衡，從而降低焊縫抗腐蝕性能及綜合力學(xué)性能。無(wú)論采用何種焊接方法，以上問題均不可避免，只能通過選擇合理的焊接方法與焊接工藝匹配來降低影響。

對(duì)于采用螺旋成形的焊接鋼管，相比于其他焊接方法，雙面埋弧焊無(wú)疑是一種兼具可行性、效率及成本優(yōu)勢(shì)的焊接方法。但是，對(duì)于SUS304/Q235B雙金屬冶金復(fù)合材料，Q235B基層可采用埋弧焊，而SUS304復(fù)層厚度僅為1～2 mm，若復(fù)層采用埋弧焊，則會(huì)受到埋弧焊大熱輸入特點(diǎn)的影響而卷入較多基層母材，造成復(fù)層焊縫合金元素稀釋，致使焊接接頭力學(xué)性能及耐腐蝕性能下降。故而，對(duì)于SUS304復(fù)層的焊接，可考慮選用焊接熱輸入較小的焊接方法。

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是一種將物理屬性和熱量空間分布均不相同的兩種(激光和電弧)熱源復(fù)合在一起，通過其優(yōu)缺點(diǎn)的互補(bǔ)，進(jìn)行焊接的一種新型焊接技術(shù)，其兼具了激光焊能量密度高、穿透能力強(qiáng)和電弧焊接頭成形好，裝配要求低的優(yōu)點(diǎn)，其原理如圖1所示[12]。激光和電弧的相互作用機(jī)理為：電弧的加熱提高了激光的利用率，激光的引入對(duì)電弧起到一定的穩(wěn)定和誘導(dǎo)增強(qiáng)作用，激光等離子體和電弧等離子體的相互吸引使電弧得到壓縮增強(qiáng)[13]。激光-電弧復(fù)合焊按照熱源類型可以分為：激光-GTAW復(fù)合焊、激光-GMAW復(fù)合焊、激光-CMT復(fù)合焊、激光-多電弧復(fù)合焊等。其中，冷金屬過渡技術(shù)(Cold metal transfer,CMT)在焊接過程中熔滴發(fā)生短路過渡，可降低熱輸入、避免熔滴穿透，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)飛濺和良好的冶金連接[14]。激光-CMT復(fù)合焊綜合了激光焊和CMT的優(yōu)勢(shì)，已在機(jī)械、化工及汽車制造等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[15]。

圖1 激光-電弧復(fù)合焊接原理圖

將激光-CMT復(fù)合焊應(yīng)用于SUS304/Q235B雙金屬冶金復(fù)合螺旋管內(nèi)焊(復(fù)層的焊接)，充分發(fā)揮了激光-CMT復(fù)合焊的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)在外焊(基層的焊接)時(shí)采用埋弧焊，并使用普通Q235B匹配的埋弧焊絲+燒結(jié)焊劑，在保證焊接效率與焊接質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

2 試驗(yàn)材料與方案

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑镾US304/Q235B熱軋復(fù)合卷板，SUS304復(fù)層厚度1.3 mm，Q235B基層厚度6.7 mm。SUS304復(fù)層填充金屬選用規(guī)格為φ1.2 mm的ER310不銹鋼焊絲，保護(hù)氣體為純Ar。Q235B基層焊接材料選用規(guī)格為φ4.0 mm的H08Mn2SiA低合金鋼焊絲，匹配SJ101G氟堿型燒結(jié)焊劑。卷板及焊絲化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用卷板及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 試驗(yàn)方案

采用“一步法”的生產(chǎn)工藝試制規(guī)格為φ810 mm×(1.3+6.7) mm的冶金復(fù)合螺旋管，先內(nèi)焊后外焊，內(nèi)焊(復(fù)層的焊接)采用激光-CMT復(fù)合焊，外焊(基層的焊接)采用埋弧焊(Submerged arc welding, SAW)，焊接工藝參數(shù)見表2。焊接坡口如圖2所示。研究通過實(shí)施多組焊接工藝參數(shù)匹配試驗(yàn)，完成焊接工藝參數(shù)的優(yōu)選。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖2 焊接坡口示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊接接頭宏觀形貌

SUS304/Q235B雙金屬冶金復(fù)合螺旋管激光-CMT復(fù)合焊+埋弧焊接頭宏觀形貌如圖3所示。在激光-CMT復(fù)合焊的內(nèi)焊與埋弧焊的外焊條件下，形成了特殊的接頭形貌。內(nèi)焊焊縫形貌整體類似Y形，上部V形區(qū)域主要由CMT焊接而成，下部I形區(qū)域主要由激光焊(Laser beam welding, LBW)焊接而成，類似于傳統(tǒng)的過渡層焊縫；外焊單絲SAW焊縫形貌呈V形。內(nèi)、外焊道成形良好，未見裂紋、未熔合及咬邊等缺陷。由圖3可見，激光-CMT復(fù)合焊時(shí)，CMT熱源主要作用于復(fù)層一側(cè)，且焊道僅裹入極少量的基層母材；LBW熱源主要作用于靠近復(fù)層一側(cè)的部分基層，存留焊道區(qū)域高度約0.6 mm、寬度僅0.5 mm左右，遠(yuǎn)小于內(nèi)焊為埋弧焊時(shí)焊道的高度及寬度。外焊時(shí)，部分LBW焊道熔化于SAW焊道中，外焊埋弧焊道整體位于碳鋼基層一側(cè)。

圖3 焊接接頭形貌

在試驗(yàn)研究過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于螺旋成形焊管來說，由于成形過程受力較為復(fù)雜，合口穩(wěn)定性控制難度較大，但在冶金復(fù)合螺旋管復(fù)層一側(cè)激光-CMT復(fù)合焊時(shí)，激光熱源能量密度集中，合口穩(wěn)定性已成為影響焊接穩(wěn)定性與焊縫形貌的主要因素，故而在實(shí)際生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格控制。

3.2 焊接接頭合金元素分布

對(duì)圖3b中的視域3及視域4，分別按照?qǐng)D4a的位置1、圖4b的位置2與位置3進(jìn)行EDS線掃描，結(jié)果如圖5所示。EDS線掃描位置1由SUS304不銹鋼復(fù)層一側(cè)內(nèi)焊焊縫(CMT區(qū)域)至復(fù)層母材，由圖5a掃描結(jié)果可見，復(fù)層一側(cè)內(nèi)焊焊縫(CMT區(qū)域)與復(fù)層母材Cr，Ni含量基本相當(dāng)。EDS線掃描位置2由Q235B基層母材至復(fù)層一側(cè)內(nèi)焊焊縫(CMT區(qū)域+LBW區(qū)域)再至基層母材，由圖5b掃描結(jié)果可見，復(fù)層一側(cè)內(nèi)焊焊縫(CMT區(qū)域+LBW區(qū)域)中的Cr，Ni合金元素遠(yuǎn)高于基層母材。EDS線掃描位置3由復(fù)層一側(cè)內(nèi)焊焊縫(LBW區(qū)域)至基層一側(cè)外焊焊縫，由圖5c掃描結(jié)果可見，復(fù)層一側(cè)內(nèi)焊焊縫(LBW區(qū)域)中的Cr，Ni合金元素遠(yuǎn)高于基層一側(cè)外焊焊縫，但整體Cr，Ni含量低于CMT區(qū)域焊縫。對(duì)圖3b中的視域4進(jìn)行EDS面掃描，而掃描結(jié)果如圖6所示。Cr，Ni元素集中分布于SUS304不銹鋼復(fù)層母材及焊縫。SUS304復(fù)層母材與CMT焊縫中的Cr，Ni元素含量未見較大差異，LBW焊縫中的Cr，Ni含量稍低于CMT焊縫，LBW與SAW熔合區(qū)Cr，Ni元素含量明顯降低，SAW焊縫中Cr，Ni合金元素含量與Q235B基層母材未見較大差異。

圖4 EDS線掃描位置

圖5 EDS線掃描結(jié)果

通過對(duì)焊接接頭進(jìn)行EDS線掃描與面掃描結(jié)果可見，在激光-CMT復(fù)合焊+埋弧焊工藝下，形成了特殊的接頭形貌，SUS304復(fù)層一側(cè)僅LBW焊縫中的Cr，Ni元素有所稀釋，且Q235B基層一側(cè)SAW焊縫中也未卷入大量Cr，Ni合金元素。由于LBW焊縫在整體焊縫中所占比例極小，合金元素稀釋造成的不利影響也可得到有效的控制。

圖6 EDS面掃描結(jié)果

3.3 焊接接頭微觀組織

SUS304/Q235B雙金屬冶金復(fù)合螺旋管焊接接頭微觀組織如圖7所示。圖7a為內(nèi)焊、外焊交界區(qū)。在激光-CMT復(fù)合焊區(qū)域中，CMT熱源與LBW熱源作用下的焊道熔合線分界清晰；外焊(SAW)焊道僅熔化部分LBW焊道，未涉及CMT焊道。圖7b為內(nèi)焊CMT熱源作用下的焊縫組織，為奧氏體(γ)+δ鐵素體+碳化物析出相。其中，奧氏體為主要組織，沿熔池凝固方向生長(zhǎng)；δ鐵素體及碳化物析出相為次要組織，δ鐵素體以網(wǎng)格狀或條狀分布于奧氏體周邊，碳化物析出相以點(diǎn)狀斷續(xù)分布于奧氏體晶界。該焊縫組織在形成過程，以δ鐵素體為初始析出相，當(dāng)冷卻溫度進(jìn)入到γ+δ雙相區(qū)后，發(fā)生δ→γ轉(zhuǎn)變，奧氏體通過消耗部分δ鐵素體不斷長(zhǎng)大，形成針片狀形態(tài)，殘余富Cr、貧Ni的δ鐵素體以網(wǎng)格或條帶形態(tài)分布于奧氏體晶界和柱狀晶晶界，最后在奧氏體晶界析出碳化物，最終形成以?shī)W氏體為主、δ鐵素體與碳化物析出相為輔的焊縫組織。多項(xiàng)研究表明，該種以?shī)W氏體為主，同時(shí)含有少量δ鐵素體的奧氏體不銹鋼焊縫組織，有利于提高焊縫抗熱裂紋及晶間腐蝕的能力[16-17]。圖7c為內(nèi)焊LBW熱源作用下的焊縫組織，主要為奧氏體+δ鐵素體+馬氏體。在LBW熱源作用下，熔化的Q235B碳鋼基層與填充金屬ER310共同形成該處焊道，Cr，Ni元素被稀釋，在熔池凝固過程中，以δ鐵素體為初始析出相，隨著溫度的降低，發(fā)生δ→γ轉(zhuǎn)變，由于奧氏體穩(wěn)定化元素Ni的大量稀釋，從而發(fā)生馬氏體相變，最終形成奧氏體+δ鐵素體+馬氏體的焊縫組織。圖7d為外焊(SAW)焊縫組織，判斷主要為針狀鐵素體+先共析鐵素體+側(cè)板條鐵素體+珠光體。在熔池凝固過程中，以?shī)W氏體為初始析出相，隨著溫度的降低，發(fā)生γ→α轉(zhuǎn)變，在冷卻到較高溫度下時(shí)，由奧氏體晶界析出先共析鐵素體；繼續(xù)冷卻下，由奧氏體晶界先共析鐵素體側(cè)面以板條狀向晶內(nèi)生長(zhǎng)形成側(cè)板條鐵素體；繼續(xù)冷卻至較低溫度時(shí)，在奧氏體晶界內(nèi)析出針狀鐵素體；凝固過程同時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析組織-珠光體；最終形成了針狀鐵素體+先共析鐵素體+側(cè)板條鐵素體+珠光體的焊縫組織。該焊縫組織以交織分布的針狀鐵素體為主，具有較好的力學(xué)性能。

圖7 焊接接頭微觀組織

3.4 焊接接頭力學(xué)性能

對(duì)SUS304/Q235B雙金屬冶金復(fù)合螺旋管焊接接頭進(jìn)行拉伸、彎曲及沖擊性能檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。焊接接頭拉伸、沖擊及彎曲性能均符合GB/T 32958—2016《流體輸送用不銹鋼復(fù)合鋼管》及GB/T 31940—2015《流體輸送用雙金屬?gòu)?fù)合耐腐蝕鋼管》的要求。

表3 焊接接頭拉伸、沖擊及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭硬度取點(diǎn)測(cè)量位置如8所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。Q235B基層一側(cè)熱影響區(qū)硬度為145～171 HV10，焊縫硬度為193～285 HV10；由于基層一側(cè)內(nèi)焊(LBW)焊縫中高硬相馬氏體組織的存在，硬度達(dá)到285 HV10。SUS304復(fù)層一側(cè)母材硬度為250～263HV10，焊縫硬度為199～224 HV10。整體滿足GB/T 31940—2015《流體輸送用雙金屬?gòu)?fù)合耐腐蝕鋼管》中規(guī)定的基層硬度不大于248 HV10、復(fù)層硬度不大于300 HV10的要求。GB/T 32958—2016《流體輸送用不銹鋼復(fù)合鋼管》對(duì)焊接接頭硬度的規(guī)定為雙方協(xié)議。

圖8 焊接接頭硬度取點(diǎn)測(cè)量位置

圖9 焊接接頭硬度取點(diǎn)測(cè)量位置與結(jié)果

3.5 焊接接頭抗腐蝕性能

從管體及焊縫各取1個(gè)試樣，按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》E法進(jìn)行晶間腐蝕性能檢測(cè)，試樣尺寸15 mm×2 mm×50 mm，彎心直徑4 mm，2個(gè)試樣均未發(fā)生腐蝕，如圖10所示，且彎曲后無(wú)裂紋，滿足GB/T 31940—2015《流體輸送用雙金屬?gòu)?fù)合耐腐蝕鋼管》的規(guī)定。

圖10 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)采用激光-CMT復(fù)合焊+埋弧焊的工藝，成功實(shí)現(xiàn)了SUS304/Q235B雙金屬冶金復(fù)合螺旋管的生產(chǎn)試制，焊接接頭綜合力學(xué)性能與耐晶間腐蝕性能均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，為該焊接工藝方案下不銹鋼雙金屬冶金復(fù)合螺旋管的批量化生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

(2)焊接接頭內(nèi)焊(CMT區(qū)域)焊縫微觀組織為奧氏體+鐵素體+碳化物析出相，內(nèi)焊(LBW區(qū)域)焊縫微觀組織為奧氏體+鐵素體+馬氏體，Q235B基層焊縫微觀組織為鐵素體+珠光體，焊縫微觀組織設(shè)計(jì)合理。

(3)焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為451 MPa，焊縫及熱影響區(qū)-10 ℃沖擊吸收能量平均值分別為167 J和236 J，焊接接頭正彎、背彎180°拉伸面無(wú)裂紋(彎軸直徑45 mm)，焊縫硬度最高值為285 HV10；管體及焊縫晶間腐蝕試驗(yàn)后彎曲180°拉伸面無(wú)裂紋(彎軸直徑4 mm)。研究開發(fā)的復(fù)合管抗晶間腐蝕性能優(yōu)良，試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。