楊 軍 , 關(guān)尚虎 , 田 磊 , 張 超 , 宋紅兵

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.天水天力特種管有限公司，甘肅 天水741020）

鈦/鋼復(fù)合材料以優(yōu)良的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械化工、海水淡化、真空蒸發(fā)、電廠脫硫和油氣儲(chǔ)運(yùn)等領(lǐng)域[1－5]。但鈦/鋼復(fù)合材料的焊接仍然存在諸多問(wèn)題[6－8]。由于Ti易與Fe、C等元素作用生成TiFe、TiFe2和易碎的TiC等金屬間化合物相，嚴(yán)重影響焊縫性能[9－13]。

目前應(yīng)用普遍且較為成熟的方法是依據(jù)GB/T 13149—2009《鈦及鈦合金復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》[14]中推薦的方法。連接原理是將覆層鈦和基層鋼分開(kāi)施焊，互不影響，蓋板鈦和下層鋼之間存在間隙。此類方法可保證覆層鈦焊縫的潔凈化和耐蝕性，連接接頭處力學(xué)性能主要由基層鋼貢獻(xiàn)。對(duì)于焊縫整體塑韌性的考察，該標(biāo)準(zhǔn)并未明確，僅僅在附錄C“鈦及鈦合金復(fù)合鋼板焊接工藝評(píng)定”中略有涉及，是將鈦和鋼分開(kāi)焊接并分別進(jìn)行焊縫正、反彎試驗(yàn)評(píng)價(jià)。顯然，分開(kāi)檢測(cè)的方法不能有效考察和評(píng)價(jià)焊接接頭的整體塑變性和整體塑韌性，降低了對(duì)鈦/鋼復(fù)合材料蓋板搭接焊連接接頭全壁厚正、反彎性能要求的難度。因此，本研究仍以蓋板搭接焊方法為基礎(chǔ)，采用MAG+TIG焊接方法，并結(jié)合實(shí)際對(duì)國(guó)標(biāo)推薦的焊接坡口形式及尺寸進(jìn)行了重新規(guī)劃和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了薄覆層鈦/鋼復(fù)合板的對(duì)焊連接，且對(duì)焊接接頭微觀組織特征、顯微硬度分布及焊縫全壁厚背彎性能進(jìn)行了系列研究，為國(guó)標(biāo)內(nèi)容的修訂和豐富及工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為工業(yè)純鈦TA1和X65管線鋼的爆炸+熱軋復(fù)合板，覆層鈦厚2 mm，基層X(jué)65管線鋼厚14 mm，焊接試板尺寸為500 mm×300 mm×16（14＋2）mm，兩種材料部分理化性能見(jiàn)表 1。焊接順序：首先進(jìn)行基層X(jué)65鋼的MAG焊，焊絲選用Φ1.2 mm、牌號(hào)為CHW－50C6氣保焊絲；其次進(jìn)行覆層鈦蓋板的TIG焊，焊絲選用工業(yè)純Ti氣保焊絲ERTA1，規(guī)格Φ1.2 mm。

試驗(yàn)前，焊縫OM試樣用砂紙研磨并拋光后，用 φ（HF）∶φ（HNO3）∶φ（H2O）=1 ∶4 ∶8 腐蝕劑進(jìn)行腐蝕；用LeicaMEF－4M光學(xué)顯微鏡觀察焊縫橫截面各區(qū)域微觀組織；用司特爾Durascan－70型維氏硬度計(jì)測(cè)試焊縫橫截面鈦覆層橫向顯微硬度分布。根據(jù)GB/T 2653—1989《焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法》對(duì)焊縫處全壁厚試樣進(jìn)行背彎試驗(yàn)。彎軸直徑為8t（t=16 mm，為試樣壁厚）。

表1 Fe和Ti部分理化性能

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接試驗(yàn)及焊縫彎曲性能

2.1.1 焊接坡口及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

焊接參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2及表3，熱輸入按照式（1）計(jì)算。對(duì)鈦蓋板搭接焊設(shè)計(jì)了3種方案，并進(jìn)行逐一測(cè)試和研究分析，最終優(yōu)選得出最佳方案。

表2 X65鋼焊接參數(shù)

表3 鈦覆層焊接參數(shù)

式中：Q—熱輸入量，kJ/mm；

U—電壓，V；

I—電流，A；

v—焊接速度，mm/min；

η—功率有效系數(shù)，鎢極氣體保護(hù)焊η=0.7。

2.1.2 焊接效果及焊縫成形狀態(tài)

結(jié)合工程實(shí)際對(duì)GB/T 13149—2009《鈦及鈦合金復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》推薦的承壓構(gòu)件對(duì)焊接接頭形式及尺寸進(jìn)行了重新修改和設(shè)計(jì)，如圖1所示，坡口機(jī)加工尺寸見(jiàn)表4。

圖1 焊接坡口設(shè)計(jì)示意圖

表4 坡口機(jī)加工尺寸

采用圖1坡口形式和表2、表3焊接參數(shù)實(shí)現(xiàn)了TA1/X65復(fù)合板的對(duì)焊連接。3種方案鈦覆層的焊縫成形及保護(hù)效果如圖2所示。

圖2 焊縫正面成形照片

從圖2可以看出，焊縫正面成形規(guī)整，魚(yú)鱗紋明顯，中部蓋板和焊縫整體呈現(xiàn)銀白色，說(shuō)明3種方案焊接過(guò)程設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，焊縫正面保護(hù)效果優(yōu)良。

2.1.3 焊接接頭全壁厚彎曲試驗(yàn)

按照GB/T 2653—1989《焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法》對(duì)3種工藝方案的焊接試板進(jìn)行了焊縫全壁厚背彎性能測(cè)試。彎曲角度100°，彎軸直徑8t（128 mm）。焊縫背彎試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，方案1和方案2的兩組背彎試樣在鈦層焊縫處均發(fā)生了斷裂，而方案3的兩個(gè)全壁厚焊縫試樣，背彎試驗(yàn)滿足要求，彎曲角度達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)要求，合格試樣如圖4所示。彎曲拉伸面完好，無(wú)任何裂紋或其他缺陷。中間鈦蓋板上表層有明顯緊縮，寬度尺寸向內(nèi)減小。這與彎曲過(guò)程接觸面和自由面阻力作用有關(guān)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，方案3能成功實(shí)現(xiàn)薄覆層鈦/鋼復(fù)合板的對(duì)焊連接，且焊縫全壁厚背彎性能完全滿足預(yù)期指標(biāo)要求。

圖3 焊縫全壁厚背彎試驗(yàn)過(guò)程

圖4 背彎合格試樣

2.2 焊接接頭微觀組織及顯微硬度分布

2.2.1 焊接接頭微觀組織特征

圖5為方案3焊接接頭的宏觀結(jié)構(gòu)及焊縫各區(qū)微觀組織。整體看，X65和TA1兩種材料的焊接效果均達(dá)到要求?；鶎愉?4 mm完全焊透，復(fù)層TA1焊縫熔深、熔寬控制良好，確保了焊縫潔凈化要求。對(duì)鈦覆層焊縫熱影響區(qū)、焊縫中心及蓋板中部三處3個(gè)點(diǎn)（如圖5（a）中綠色點(diǎn)5、6、9）進(jìn)行顯微觀察。

焊縫中心處（5視域點(diǎn)）微觀組織形態(tài)特征見(jiàn)圖5（b），該處微觀組織為鋸齒狀α－Ti+針狀α－Ti+晶界β－Ti[15]。由于焊接過(guò)程長(zhǎng)時(shí)間高溫冶金作用，發(fā)生了部分α?β轉(zhuǎn)變，生成β相，在焊接熱作用下促進(jìn)了β晶粒的長(zhǎng)大，在冷卻過(guò)程中部分轉(zhuǎn)變形成了針狀α－Ti相。

視域點(diǎn)6位于焊縫內(nèi)靠近蓋板側(cè)熱影響區(qū)，其OM照片為圖5（c）?？梢园l(fā)現(xiàn)，該處晶粒尺寸粗大，晶界交互生長(zhǎng)現(xiàn)象明顯，晶粒之間呈現(xiàn)相互兼并吞噬生長(zhǎng)現(xiàn)象。由于中部蓋板和下層碳鋼之間有空隙，焊接熱量不能直接通過(guò)下層鋼快速散失，致使該兩處區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間受高溫作用，使其微觀組織粗大，晶粒尺寸較焊縫外側(cè)熱影響區(qū)有明顯長(zhǎng)大，對(duì)焊縫塑韌性構(gòu)成了一定影響。因此，精確控制熱輸入或提高熱傳導(dǎo)效率是保證焊縫性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

由圖5（d）可以看出，遠(yuǎn)離熱源的蓋板中部（9視域點(diǎn)）組織為均勻細(xì)小等軸α－Ti，是典型退火態(tài)組織特征，具有優(yōu)良塑韌性。

圖5 焊接接頭各區(qū)域顯微組織特征

2.2.2 鈦覆層焊接接頭顯微硬度分布

圖6給出了鈦覆層焊縫的顯微硬度分布曲線。由圖6可以看出，鈦焊縫硬度值在110～220HV10，峰值點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫區(qū)，這主要與其多相、多形態(tài)（鋸齒狀 α－Ti+針狀 α－Ti+晶界 β－Ti）組織特征有關(guān)。兩條焊縫熱影響區(qū)和焊縫區(qū)顯微硬度值均處在較高水平，屬于性能最薄弱區(qū)域。這主要是由于中間蓋板與下層X(jué)65鋼之間存在空隙，焊接高溫不能直接通過(guò)下層碳鋼熱傳導(dǎo)迅速散失，長(zhǎng)時(shí)間處于高溫態(tài)，晶粒通過(guò)相互兼并吞噬長(zhǎng)大，尺寸粗大（圖5（c）），成為焊縫性能最薄弱區(qū)域之一，進(jìn)而影響鈦焊縫塑韌性。在背彎變形過(guò)程中，易發(fā)生失效斷裂。

圖6 鈦覆層焊縫顯微硬度分布

3 結(jié) 論

（1） 結(jié)合工程實(shí)際對(duì) GB/T 13149—2009《鈦及鈦合金復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》推薦的承壓構(gòu)件對(duì)焊接接頭坡口形式及尺寸進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并通過(guò)焊接和背彎試驗(yàn)論證了坡口形式及尺寸修改的正確性，規(guī)范和豐富了國(guó)標(biāo)內(nèi)容，對(duì)鈦/鋼復(fù)合板工程化焊接具有重要意義。

（2）鈦焊縫組織主要為鋸齒狀α-Ti+針狀α-Ti+晶界β-Ti，熱影響區(qū)組織為多形態(tài)粗大α-Ti，蓋板中部受熱影響作用不明顯，保留了原料退火態(tài)細(xì)小等軸α-Ti組織特征。

（3）顯微硬度峰值處于鈦焊縫熔敷區(qū)，其值達(dá)220HV10，遠(yuǎn)離焊縫，硬度值逐漸降低并與母材接近。

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