X80鋼銅襯墊自動焊外根焊接頭的組織與性能

楊天冰 ,李 丹

(1.中國石油管道局工程有限公司,廊坊 065000;2.油氣管道輸送安全國家工程研究中心,廊坊 065000;3.中國石油天然氣管道工程有限公司,廊坊 065000)

0 引言

近年來,我國的長距離輸氣管道焊接施工技術雖然有了很大的提高,但是仍無法滿足管道工程對焊接速度和質量的要求,而管道環焊縫打底根焊是提高焊接速度和質量的關鍵環節。銅襯墊自動焊外根焊技術屬于管道焊接領域的一種根部打底強制成形技術,此技術具有管道根焊成形質量好的優點,而且還可大幅提高大口徑、厚壁、高鋼級管道的焊接速度和質量。銅襯墊自動焊外根焊成形工藝已在國外很多管道上應用,尤其在海洋管道上應用更為廣泛[1],但是基于國內管道的建設現狀,目前該技術尚未在國內進行工程推廣應用,主要原因是在國內焊縫根部滲銅對焊接接頭性能的影響還未得到充分論證[2-3]。

X80鋼是高強度管線鋼,具有安全、可靠、經濟、環保等諸多優點,是長距離輸送石油天然氣的重要管道材料,但是目前未見有關X80鋼銅襯墊自動焊外根焊接頭滲銅方面的研究。基于此,作者采用銅襯墊外根焊熔化極雙焊炬氣保護實心焊絲工藝對X80鋼管進行單面焊雙面成形的單道根焊[4],研究了焊縫成形質量、粘銅區域和未粘銅區域的銅含量,分析了滲銅對接頭顯微組織、力學性能的影響,以期為國內長輸管道工程應用銅襯墊自動焊外根焊工藝提供試驗參考。

1 試樣制備與試驗方法

母材為控軋控冷態X80管線鋼管,鋼管外徑為1 422 mm,壁厚為32.1 mm。采用CPP900W2N型雙焊炬自動焊機進行銅襯墊自動焊外根焊試驗,焊接材料選用直徑為1 mm 的BOEHLER SG8-P焊絲。母材和焊絲的化學成分如表1所示。銅襯墊采用工程用無槽鉻鋯銅襯墊,化學成分(質量分數/%)為0.79Cr,0.15Zr,1.59W,0.029Si。鉻鋯銅襯墊裝置的結構如圖1所示,該裝置由銅墊塊和支撐架組成,在工作狀態時銅墊塊緊貼管道內壁。焊接時采用如圖2所示的U形坡口,焊接電流為140～240 A,電壓為20～26 V,焊接速度為33～66 cm·min-1。

圖1 鉻鋯銅襯墊裝置的結構示意Fig.1 Structural diagram of chromium zirconium copper liner device

圖2 焊接接頭的坡口尺寸Fig.2 Groove size of welded joint

表1 X80管線鋼和焊接材料的化學成分Table 1 Chemical composition of X80 pipeline steel and welding material

焊接結束后以根焊環焊縫為中心垂直于焊接方向截取金相試樣,經過磨拋后,用體積分數4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,然后在Imager.M1m 型光學顯微鏡和JSM6360LV型掃描電鏡(SEM)下觀察顯微組織,用SystemSix能譜儀(EDS)對粘銅區域和未粘銅區域的微區銅含量進行測試。按照GB/T 228.1—2021,以根焊環焊縫為中心垂直于焊接方向截取平面尺寸為20 mm×4 mm的拉伸試樣,為避免根焊縫粘銅和滲銅區域被部分或全部去除,對試樣進行單側銑平,將試樣母材部分打磨至與焊縫高度一致,試樣的平行段長32 mm,兩端帶肩板;采用MTS 810型疲勞試驗機進行室溫拉伸試驗,應變速率為0.008 s-1。按照GB/T 229—2020,采用PSW1000型示波沖擊試驗機分別對焊縫和熔合區進行沖擊試驗[5],以根焊環焊縫為中心垂直于焊接方向截取沖擊試樣,試樣取樣位置盡可能靠根部側,厚度接近于焊縫厚度,試樣尺寸為3.3 mm×10 mm×55 mm,分別在熔合區和焊縫處開V型缺口,試驗溫度為-10℃。采用FLC-ARS9000型顯微維氏硬度計沿2條路徑進行硬度測試,載荷為5 N,保載時間為10 s,測試間距為0.5 mm。其中:路徑1為距焊縫下表面0.5 mm處,從左側距焊縫中心5 mm 母材位置至右側距焊縫中心5 mm 母材位置;路徑2為從焊縫下表面至上表面方向。以根焊環焊縫為中心垂直于焊接方向截取彎曲試樣,取樣位置盡可能靠根部側,試樣平面尺寸為4 mm×20 mm,按照GB/T 2653—2008,采用BHT5106型彎曲試驗機進行180°側彎試驗,彎心直徑為90 mm。

2 試驗結果與討論

2.1 成形質量

由圖3可知,銅襯墊自動焊外根焊接頭焊縫成形良好,未發現裂紋、未熔合等缺陷,焊縫根部存在部分粘銅現象。

圖3 接頭的截面宏觀形貌Fig.3 Section macromorphology of joint：(a)perpendicular to weld direction and(b)along weld direction

2.2 滲銅量

由能譜分析結果可知,銅襯墊自動焊外根焊接頭焊縫根部表面粘銅區域的銅質量分數約為0.46%,而未粘銅區域約為0.10%,與母材銅含量一致,說明該區域未滲入銅。由圖4可知,焊縫根部粘銅區域的銅含量明顯較高,滲銅深度約為0.18 mm,而未粘銅區域銅含量無明顯變化。銅在碳鋼中的擴散需要形成銅-鐵擴散偶,而未粘銅區域未形成擴散偶[6-7],因此未粘銅區沒有發生銅的擴散。在焊接過程中,銅襯墊局部熔化,使得銅黏結在焊接材料的表面形成擴散偶;只要系統達到一定的溫度,滿足銅和鐵互相擴散的熱力學條件,并且銅和鐵存在濃度差異,二者便會發生互相擴散[8-9]。在焊接過程中,粘銅區域的溫度和銅/鐵的濃度差滿足了擴散條件,但是由于高溫停留時間較短,因此只有少量的銅擴散進焊縫。

圖4 接頭焊縫粘銅區域和未粘銅區域的截面形貌以及銅元素面掃描和線掃描結果Fig.4 Section morphology(a，d)and copper element surface(b，e)and line(c，f)scanning results of copper bonded area(a-c)and non-copper bonded area(d-f)of weld of joint

2.3 顯微組織

由圖5可知:未粘銅區域焊縫晶粒為柱狀晶,對稱分布于焊縫中心線兩側,組織主要由針狀鐵素體和少量的先共析鐵素體組成,先共析鐵素體在原奧氏體晶界上分布,針狀鐵素體尺寸細小,無方向性在原奧氏體內生長[10-11];粘銅區域由于根部銅原子的擴散,形成了新相,顯微組織主要由白色塊狀鐵素體、粒狀貝氏體以及白色的游離銅組成[12-13]。銅向碳鋼中的擴散主要是通過金屬表面擴散、沿晶擴散和點陣擴散來實現的,其中銅沿晶界擴散系數最大,因此銅先沿晶界擴散,再由晶界向晶粒內部擴散。銅作為溶質擴散進碳鋼后,只有質量分數0.3%銅在鐵素體晶粒內部形成了新的組織,過飽和銅以游離銅形式沿鐵素體晶界分布。

圖5 接頭焊縫未粘銅區域和粘銅區域的顯微組織Fig.5 Microstructures of non-copper bonded area(a-b)and copper bonded area(c-d)of weld of joint：(a，c)at low magnification and(b，d)at high magnification

2.4 力學性能

由圖6可以看出:接頭未粘銅區域和粘銅區域的硬度變化趨勢基本一致;接頭根部熱影響區的硬度最低,未粘銅區域和粘銅區域的最低硬度分別為218,214 HV,焊縫根部的硬度分別為280,289 HV。由焊縫下表面至上表面,焊縫硬度基本呈升高趨勢,焊縫根部硬度均較低,未粘銅區域為280 HV,粘銅區域為283 HV。焊縫根部粘銅區域的硬度略高于未粘銅區域,這可能是因為粘銅區域有銅擴散進焊縫,提高了硬度。研究[14]表明,當銅質量分數在0.15%～0.85%時,隨著銅含量的增加,焊縫硬度提高。在單焊道成形過程中,焊縫上表面冷卻速率大于焊縫下表面,上表面組織更細小,因此焊縫上表面硬度較高。

圖6 接頭焊縫未粘銅區域和粘銅區域的硬度分布曲線Fig.6 Hardness distribution curves of non-copper bonded area and copper bonded area of weld of joint：(a)route 1 and(b)route 2

接頭粘銅試樣和未粘銅試樣的抗拉強度分別為730,732 MPa,拉伸試樣均在母材處斷裂,說明接頭的抗拉強度高于母材。由表2可以看出,未粘銅區域和粘銅區域的沖擊性能基本一致,焊縫的平均沖擊吸收能量均低于熔合區,說明熔合區的沖擊韌性優于焊縫。整體焊接接頭的沖擊性能良好。彎曲試驗后接頭未粘銅區域和粘銅區域均未見裂紋,說明接頭的彎曲性能優良,滲銅未對彎曲性能產生影響。綜上,焊縫根部滲銅未對接頭力學性能產生明顯影響。

表2 接頭的沖擊試驗結果Table 2 Impact test results of joints

3 結論

(1)采用銅襯墊單道外根焊連接X80鋼管后,焊縫成形良好,未發現裂紋、未熔合等缺陷。焊縫表面出現粘銅區域和未粘銅區域,粘銅區域的銅質量分數約為0.46%,滲銅深度約為0.18 mm,未粘銅區域的銅含量與母材一致,說明焊縫根部局部滲銅。

(2)未粘銅區域焊縫組織主要由針狀鐵素體和少量的先共析鐵素體組成,粘銅區域則主要是塊狀鐵素體、粒狀貝氏體以及游離銅組成。

(3)接頭未粘銅區域和粘銅區域硬度變化趨勢基本一致;接頭根部熱影響區的硬度最低,未粘銅區域和粘銅區域分別為218,214 HV,焊縫根部硬度在285 HV左右,粘銅區域的硬度略高于未粘銅區域。粘銅區域和未粘銅區域的抗拉強度分別為730,732 MPa,沖擊性能基本一致,彎曲試驗后未粘銅區域和粘銅區域均未見裂紋。滲銅未對接頭的力學性能產生明顯影響。