分享:X80钢铜衬垫自动焊外根焊接头的组织与性能

摘 要:采用铜衬垫自动焊外根焊工艺对X80钢进行焊接,研究了焊缝成形质量以及粘铜区域 和未粘铜区域的铜含量、显微组织及力学性能。结果表明:焊缝成形良好,未发现裂纹、未熔合等缺 陷。未粘铜区域的铜含量与母材一致,粘铜区域的铜质量分数约为 0.46%,渗铜深度约为 0.18mm;未粘铜区域焊缝组织主要由针状铁素体和少量的先共析铁素体组成,粘铜区域则主要是 块状铁素体、粒状贝氏体以及游离铜组成。未粘铜区域和粘铜区域硬度变化趋势基本一致,焊缝根 部粘铜区域的硬度略高于未粘铜区域;粘铜区域和未粘铜区域的抗拉强度分别为730,732MPa, 冲击性能基本一致,弯曲试验后均未见裂纹。焊缝根部渗铜未对接头的力学性能产生明显影响。

关键词:X80钢;铜衬垫自动焊外根焊;渗铜;力学性能;显微组织

中图分类号:TE973.8 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2023)09-0065-05

0 引 言

近年来,我国的长距离输气管道焊接施工技术 虽然有了很大的提高,但是仍无法满足管道工程对焊接速度和质量的要求,而管道环焊缝打底根焊 是提高焊接速度和质量的关键环节。铜衬垫自动 焊外根焊技术属于管道焊接领域的一种根部打底 强制成形技术,此技术具有管道根焊成形质量好 的优点,而且还可大幅提高大口径、厚壁、高钢级 管道的焊接速度和质量。铜衬垫自动焊外根焊成 形工艺已在国外很多管道上应用,尤其在海洋管 道上应用更为广泛[1],但是基于国内管道的建设 现状,目前该技术尚未在国内进行工程推广应用, 主要原因是在国内焊缝根部渗铜对焊接接头性能 的影响还未得到充分论证[2-3]。

X80钢是高强度管线钢,具有安全、可靠、经济、 环保等诸多优点,是长距离输送石油天然气的重要 管道材料,但是目前未见有关 X80钢铜衬垫自动焊 外根焊接头渗铜方面的研究。基于此,作者采用铜 衬垫外根焊熔化极双焊炬气保护实心焊丝工艺对 X80钢管进行单面焊双面成形的单道根焊[4],研究了焊缝成形质量、粘铜区域和未粘铜区域的铜含量, 分析了渗铜对接头显微组织、力学性能的影响,以期 为国内长输管道工程应用铜衬垫自动焊外根焊工艺 提供试验参考。

1 试样制备与试验方法

母材为控轧控冷态 X80管线钢管,钢管外径为 1422mm,壁厚为32.1mm。采用CPP900W2N型 双焊炬自动焊机进行铜衬垫自动焊外根焊试验,焊 接材料选用直径为1mm 的BOEHLERSG8-P焊 丝。母材和焊丝的化学成分如表1所示。铜衬垫采 用工程用无槽铬锆铜衬垫,化学成分(质量分数/%) 为0.79Cr,0.15Zr,1.59W,0.029Si。铬锆铜衬垫装 置的结构如图1所示,该装置由铜垫块和支撑架组 成,在工作状态时铜垫块紧贴管道内壁。焊接时采用 如图2所示的 U形坡口,焊接电流为140~240A,电 压为20~26V,焊接速度为33~66cm·min-1。

焊接结束后以根焊环焊缝为中心垂直于焊接方 向截取金相试样,经过磨抛后,用体积分数4%的硝酸乙醇溶液腐蚀,然后在Imager.M1m 型光学显微 镜和JSM6360LV型扫描电镜(SEM)下观察显微组 织,用SystemSix能谱仪(EDS)对粘铜区域和未粘 铜区域的微区铜含量进行测试。按照GB/T228.1— 2021,以根焊环焊缝为中心垂直于焊接方向截取平面 尺寸为20mm×4mm的拉伸试样,为避免根焊缝粘 铜和渗铜区域被部分或全部去除,对试样进行单侧铣 平,将试样母材部分打磨至与焊缝高度一致,试样的 平行段长32mm,两端带肩板;采用 MTS810型疲劳 试验机进行室温拉伸试验,应变速率为0.008s-1。 按照GB/T229—2020,采用PSW1000型示波冲击 试验机分别对焊缝和熔合区进行冲击试验[5],以根 焊环焊缝为中心垂直于焊接方向截取冲击试样,试 样取样位置尽可能靠根部侧,厚度接近于焊缝厚度, 试样尺寸为3.3mm×10mm×55mm,分别在熔合 区和焊缝处开V型缺口,试验温度为-10℃。采用 FLC-ARS9000型显微维氏硬度计沿2条路径进行 硬度测试,载荷为5N,保载时间为10s,测试间距 为0.5mm。其中:路径1为距焊缝下表面0.5mm 处,从左侧距焊缝中心5mm 母材位置至右侧距焊缝中心5mm母材位置;路径2为从焊缝下表面至 上表面方向。以根焊环焊缝为中心垂直于焊接方向 截取弯曲试样,取样位置尽可能靠根部侧,试样平面 尺寸为4mm×20mm,按照 GB/T2653—2008,采 用BHT5106型弯曲试验机进行180°侧弯试验,弯 心直径为90mm。

2 试验结果与讨论

2.1 成形质量

由图3可知,铜衬垫自动焊外根焊接头焊缝成 形良好,未发现裂纹、未熔合等缺陷,焊缝根部存在 部分粘铜现象。

2.2 渗铜量

由能谱分析结果可知,铜衬垫自动焊外根焊接 头焊 缝 根 部 表 面 粘 铜 区 域 的 铜 质 量 分 数 约 为 0.46%,而未粘铜区域约为0.10%,与母材铜含量 一致,说明该区域未渗入铜。由图4可知,焊缝根 部粘铜区域的铜含 量 明 显 较 高,渗 铜 深 度 约 为 0.18mm,而未粘铜区域铜含量无明显变化。铜在 碳钢中的扩散需要形成铜-铁扩散偶,而未粘铜区 域未形成扩散偶[6-7],因此未粘铜区没有发生铜的 扩散。在焊接过程中,铜衬垫局部熔化,使得铜黏 结在焊接材料的表面形成扩散偶;只要系统达到 一定的温度,满足铜和铁互相扩散的热力学条件, 并且铜和铁存在浓度差异,二者便会发生互相扩 散[8-9]。在焊接过程中,粘铜区域的温度和铜/铁 的浓度差满足了扩散条件,但是由于高温停留时 间较短,因此只有少量的铜扩散进焊缝。

2.3 显微组织

由图5可知:未粘铜区域焊缝晶粒为柱状晶,对 称分布于焊缝中心线两侧,组织主要由针状铁素体 和少量的先共析铁素体组成,先共析铁素体在原奥氏体晶界上分布,针状铁素体尺寸细小,无方向性在 原奥氏体内生长[10-11];粘铜区域由于根部铜原子的 扩散,形成了新相,显微组织主要由白色块状铁素 体、粒状贝氏体以及白色的游离铜组成[12-13]。铜向 碳钢中的扩散主要是通过金属表面扩散、沿晶扩散 和点阵扩散来实现的,其中铜沿晶界扩散系数最大, 因此铜先沿晶界扩散,再由晶界向晶粒内部扩散。 铜作为溶质扩散进碳钢后,只有质量分数0.3%铜 在铁素体晶粒内部形成了新的组织,过饱和铜以游 离铜形式沿铁素体晶界分布。

2.4 力学性能

由图6可以看出:接头未粘铜区域和粘铜区域的 硬度变化趋势基本一致;接头根部热影响区的硬度最 低,未粘铜区域和粘铜区域的最低硬度分别为218, 214HV,焊缝根部的硬度分别为280,289HV。由焊 缝下表面至上表面,焊缝硬度基本呈升高趋势,焊缝 根部硬度均较低,未粘铜区域为280HV,粘铜区域为 283HV。焊缝根部粘铜区域的硬度略高于未粘铜区 域,这可能是因为粘铜区域有铜扩散进焊缝,提高了 硬度。研究[14]表明,当铜质量分数在0.15%~0.85% 时,随着铜含量的增加,焊缝硬度提高。在单焊道成 形过程中,焊缝上表面冷却速率大于焊缝下表面,上 表面组织更细小,因此焊缝上表面硬度较高。

接头粘铜试样和未粘铜试样的抗拉强度分别为 730,732MPa,拉伸试样均在母材处断裂,说明接头 的抗拉强度高于母材。由表2可以看出,未粘铜区域和粘铜区域的冲击性能基本一致,焊缝的平均冲击 吸收能量均低于熔合区,说明熔合区的冲击韧性优于 焊缝。整体焊接接头的冲击性能良好。弯曲试验后 接头未粘铜区域和粘铜区域均未见裂纹,说明接头的 弯曲性能优良,渗铜未对弯曲性能产生影响。综上, 焊缝根部渗铜未对接头力学性能产生明显影响。

3 结 论

(1)采用铜衬垫单道外根焊连接X80钢管后,焊 缝成形良好,未发现裂纹、未熔合等缺陷。焊缝表面出 现粘铜区域和未粘铜区域,粘铜区域的铜质量分数约 为0.46%,渗铜深度约为0.18mm,未粘铜区域的铜含 量与母材一致,说明焊缝根部局部渗铜。

(2)未粘铜区域焊缝组织主要由针状铁素体和 少量的先共析铁素体组成,粘铜区域则主要是块状 铁素体、粒状贝氏体以及游离铜组成。

(3)接头未粘铜区域和粘铜区域硬度变化趋势基 本一致;接头根部热影响区的硬度最低,未粘铜区域和粘 铜区域分别为218,214HV,焊缝根部硬度在285HV左 右,粘铜区域的硬度略高于未粘铜区域。粘铜区域和未 粘铜区域的抗拉强度分别为730,732MPa,冲击性能基 本一致,弯曲试验后未粘铜区域和粘铜区域均未见裂纹。 渗铜未对接头的力学性能产生明显影响。

参考文献:

[1] LIGQ,LYUHB,ZHANGC.Post-firemechanicalproperties ofhigh strength Q690 structural steel[J].Journal of ConstructionalSteelResearch,2017,132:108-116.

[2] WANXL,WUK M,NUNEKC,etal.Insituobservationof acicularferriteformationandgrainrefinementinsimulated heataffectedzoneofhighstrengthlowalloysteel[J].Science andTechnologyofWeldingandJoining,2015,20(3):254-263.

[3] ZHAOLP,ZHANG H M,LIU W,etal.Effectofdifferent temperingprocessesonmicrostructureandhardnessofQ690 steel[J].AdvancedMaterialsResearch,2013,721:49-53.

[4] LIUCJ,CHENXD,CHENT,etal.Phasetransformationof Nbincarburizedzoneof25Cr35NiNb+MAalloyafterservice [J].ProcediaEngineering,2015,130:693-700.

[5] ALVINO A,LEGA D,GIACOBBE F,et al.Damage characterizationintworeformerheatertubesafternearly10years ofserviceatdifferentoperativeandmaintenanceconditions[J]. EngineeringFailureAnalysis,2010,17(7/8):1526-1541.

[6] LIU C J,CHEN Y.Variationsofthe microstructureand mechanicalpropertiesof HP40Nb hydrogenreformertube withtimeatelevatedtemperature[J].Materials & Design, 2011,32(4):2507-2512.

[7] 常丽艳,宋西平,李宏良,等.7075铝合金激光-MIG复合焊接 接头组织及性能的分析[J].热加工工艺,2014,43(9):25-28. CHANGLY,SONGXP,LIH L,etal.Microstructureand mechanicalpropertiesoflaser-MIG hybrid weldedjointof 7075-T6aluminumalloy[J].HotWorkingTechnology,2014, 43(9):25-28.

[8] 贾晨程,周弋琳,张华军,等.LNG储罐用9Ni低温钢横位置焊 条电弧焊和埋弧焊接头微观组织与力学性能对比[J].起重运 输机械,2022(7):80-86. JIA C C,ZHOU Y L,ZHANG H J,etal.Comparisonof microstructure and mechanical properties of transverse shieldedmetalarcweldingandsubmergedarcweldingjointsof 9NilowtemperaturesteelforLNGstoragetank[J].Hoisting andConveyingMachinery,2022(7):80-86.

[9] 王光大.BWELDY700QL4低合金高强钢焊接接头组织与力学 性能研究[D].大连:大连交通大学,2012. WANG G D.Study on microstructure and mechanical propertiesofweldedjointofBWELDY700QL4lowalloyhigh strengthsteel[D].Dalian:DalianJiaotongUniversity,2012.

[10] 车焕文,姚军.回火温度对9Cr0.11V钢TIG焊缝组织与力学 性能的影响[J].铸造技术,2017,38(10):2383-2385. CHE H W,YAO J.Effectoftemperingtemperatureon microstructureandmechanicalpropertiesof9Cr0.11Vsteel weldinglinebyTIG[J].FoundryTechnology,2017,38(10): 2383-2385.

[11] 文学,汪宏辉,钱建康,等.X80M 管线钢铜衬垫外根焊接头冷 裂敏感性分析[J].焊接学报,2022,43(12):105-112. WEN X,WANG H H,QIAN J K,et al.Cold crack susceptibilityanalysisofthecopperbackingoutsideroot weldingjointsofX80Mpipelinesteel[J].Transactionsofthe ChinaWeldingInstitution,2022,43(12):105-112.

[12] 汪宏辉,雷正龙,杨雨禾,等.X70钢管道采用铜衬垫根焊的焊 接接头疲劳性能[J].焊接学报,2015,36(10):100-104. WANGHH,LEIZL,YANGYH,etal.Fatiguepropertyof X70steelpipelinegirth weldingjointwithcopperback-up shoesrootwelding[J].TransactionsoftheChina Welding Institution,2015,36(10):100-104.

[13] 马才女.轧制及时效工艺对含铜钢显微组织演变与力学行为 的影响[D].包头:内蒙古科技大学,2022. MACN.Effectofrollingandagingprocessonmicrostructure evolutionandmechanicalbehaviorofcopper-containingsteel[D]. Baotou:Inner Mongolia UniversityofScience & Technology, 2022.

[14] 刘艳东,李红星,刘图,等.铜衬垫自动焊在水网地区管道工程 上的设计应用[J].焊接技术,2021,50(10):99-101. LIUYD,LIHX,LIUT,etal.Designandapplicationofautomatic weldingofcoppergasketinpipelineengineeringinwaternetwork area[J].WeldingTechnology,2021,50(10):99-101.

文章来源——材料与测试网