胡德虎, 李博鋒，2

(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)

0 前言

在石油天然氣、鍋爐壓以及力容器等領(lǐng)域的生產(chǎn)建設(shè)過程中涉及大量的小直徑管材全位置對(duì)接焊接頭，并且其對(duì)焊接接頭質(zhì)量具有較高的要求。然而，對(duì)于小直徑管材的全位置焊接，由于管體曲律半徑小，焊縫成形質(zhì)量控制難度大，采用手工對(duì)接焊時(shí)，對(duì)焊工操作技能要求高。為了保障焊接質(zhì)量，許多企業(yè)開始采用全位置TIG自動(dòng)焊設(shè)備進(jìn)行小直徑管材的焊接[1-7]。文中采用全位置TIG自動(dòng)焊工藝對(duì)規(guī)格為φ50 mm×5 mm的低合金鋼管材進(jìn)行焊接試驗(yàn)，分析其工藝、焊接接頭組織及性能特點(diǎn)，以期為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的低合金鋼管材規(guī)格為φ50 mm×5 mm，所用焊絲為按照GB/T 8110《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的型號(hào)為ER50-6，規(guī)格為φ1.0 mm焊絲。母材及焊絲主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。

1.2 試驗(yàn)方法及工藝

試驗(yàn)所用焊接設(shè)備由全位置MUIV80焊接機(jī)頭和350 A額定電流的DC脈沖焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、夾持機(jī)構(gòu)及供氣系統(tǒng)等組成。該焊機(jī)能夠預(yù)置100段焊接參數(shù)，焊接前可以將管口按照全位置焊接一周劃分多個(gè)區(qū)段，分別進(jìn)行焊接參數(shù)的設(shè)置。焊接坡口為單邊45° V形，鈍邊約1 mm，組對(duì)不留間隙。焊接前對(duì)管口內(nèi)外約20 mm范圍進(jìn)行打磨，清除油污、鐵銹等露出金屬光澤。

對(duì)于小直徑、薄壁管材對(duì)接焊，焊接區(qū)散熱能力弱，熱積累現(xiàn)象明顯，對(duì)熱影響區(qū)力學(xué)性能不利[8 ]。同時(shí)，全位置焊接時(shí)熔池在不同空間位置受力狀態(tài)不同，增加了打底焊縫單面焊雙面成形的工藝難度。因此，焊接工藝參數(shù)設(shè)置時(shí)不僅要考慮盡可能降低熱積累，而且要根據(jù)熔池在不同焊接位置受力特點(diǎn)調(diào)整焊接參數(shù)以改善焊縫形貌。

焊接時(shí)采用小線能量、多層焊的工藝以防止過高的熱輸入導(dǎo)致的嚴(yán)重?zé)岱e累。同時(shí)，打底焊參數(shù)設(shè)置時(shí)，結(jié)合圖1[9]全位置焊熔池受力特點(diǎn)，從起焊位置開始，將管口一周劃分為四個(gè)區(qū)段。利用焊機(jī)可以分區(qū)段設(shè)置參數(shù)的功能，針對(duì)各區(qū)段熔池受力特點(diǎn)設(shè)置焊接參數(shù)。第一區(qū)段參數(shù)設(shè)置時(shí)，在保證良好焊透的情況下，盡可能采用小的焊接電流，同時(shí)由于該區(qū)段熔池受重力及電弧吹力作用而下墜，容易形成較大的熔深和焊縫根部余高過高，電壓設(shè)置稍高一些以降低電弧吹力，送絲速度設(shè)置相對(duì)高一些，以增加填充量保證焊縫正面不會(huì)出現(xiàn)凹陷。第二區(qū)段，由于受重力作用熔池金屬向焊接前方流動(dòng)，電弧不能直接熔化坡口根部，影響焊透性，焊接電流不易過小，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低電壓以提高電弧吹力，從而增加熔透性，并降低送絲量，以減小熔池大小，從而削弱重力作用對(duì)熔池的影響。第三區(qū)段，熔池受重力作用下墜，容易造成焊縫根部?jī)?nèi)凹，采用接近第二區(qū)段的焊接電流，并盡可能降低電壓，以增加電弧吹力，同時(shí)減小送絲量以減小熔池大小，進(jìn)而降低熔池的重力，達(dá)到防止熔池下墜的目的。第四區(qū)段，熔池金屬向后流動(dòng)，電弧容易熔化坡口根部，電流設(shè)置相對(duì)第三區(qū)段小一些，電壓和送絲量可適當(dāng)增加一些。為了減少變量方便焊接參數(shù)調(diào)整，各區(qū)段焊速均為60 mm/min。填充和蓋面焊接參數(shù)的設(shè)置也參照打底焊工藝進(jìn)行，為了增加焊縫熔覆量提高效率，填充焊和蓋面焊時(shí)適當(dāng)增加送絲速度。同時(shí)，為了增加焊道寬度，在填充及蓋面焊接時(shí)增加了焊槍的擺動(dòng)功能，擺動(dòng)寬度的設(shè)置為焊前坡口寬度加0.5 mm。由于先焊區(qū)段對(duì)后焊區(qū)段具有預(yù)熱作用，增加了熱積累，因此在二、三、四區(qū)段焊接電流設(shè)置時(shí)可根據(jù)情況，依次適當(dāng)降低，具體工藝參數(shù)如下表2。

表1 焊絲、母材化學(xué)成分及力學(xué)性能

焊后沿焊接接頭橫向取金相試樣，經(jīng)磨制拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液腐蝕，利用Leica DMI5000M金相顯微鏡觀察其組織形貌，采用Durascan 70硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試。依據(jù)ASTM A 370《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》在Z1200KN電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行焊接接頭整管拉伸、彎曲試驗(yàn)。采用HY-MLK-7K-W型靜水壓爆焊后沿焊接接頭橫向取金相試樣，經(jīng)磨制拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液腐蝕，利用Leica焊后沿焊接接頭橫向取金相試樣，經(jīng)磨制拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液腐蝕，利用Leica DMI5000M金相顯微鏡觀察其組織形貌，采用Durascan 70硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試。依據(jù)ASTM A 370《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》在Z1200KN電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行焊接接頭整管拉伸、彎曲試驗(yàn)。采用HY-MLK-7K-W型靜水壓爆破試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)焊接接頭試樣進(jìn)行抗內(nèi)壓爆破試驗(yàn)。爆破試樣有效長(zhǎng)度為2.5 m，壓力介質(zhì)為水，試驗(yàn)時(shí)焊接接頭位于試樣中心。

圖1 全位置焊接時(shí)熔池受力特點(diǎn)

表2 焊接工藝參數(shù)設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫宏觀形貌

圖2為焊縫外表面形貌，從中可以看出焊縫表面光滑，魚鱗紋分布整齊，焊道寬度均勻，余高與母材表面過渡平滑，無咬邊、焊瘤等缺陷。圖3為各區(qū)段焊縫根部形貌，從中可以看出焊縫與母材過渡良好，各區(qū)焊縫寬度基本一致，焊縫表面光滑細(xì)密，魚鱗紋整齊，無未焊透、未熔合、內(nèi)凹等缺陷。說明，焊接參數(shù)設(shè)置相對(duì)合理。對(duì)比四個(gè)焊接區(qū)段內(nèi)焊縫內(nèi)表面余高可以看出，一、二、四區(qū)段焊縫根部余高有一定突出，三區(qū)焊縫余高基本與母材平齊，這是由于三區(qū)熔池受重力作用下墜，余高很難凸起。由此也可以看出，在全位置自動(dòng)焊時(shí)，各焊接區(qū)段受重力、熔池表面張力和電弧吹力作用方向不同，在參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)根據(jù)各作用力方向特點(diǎn)，調(diào)整焊接參數(shù)以獲得適當(dāng)?shù)娜鄢卮笮?，使各作用力達(dá)到合理的匹配，才能獲得良好的焊縫形貌。

圖2 焊縫外表面形貌

圖3 焊縫根部形貌

2.2 焊接接頭組織

焊縫組織如圖4所示。圖4a為蓋面焊縫組織，該區(qū)域柱狀組織特征明顯，并在粗大的奧氏體晶界內(nèi)生成交錯(cuò)生長(zhǎng)的較細(xì)的條狀鐵素體，部分鐵素體基體上分布有碳化物，組織以鐵素體和粒狀貝氏體為主。圖4b為打底焊縫組織，該部分在填充及蓋面焊接時(shí)的熱作用下，原始焊縫柱狀結(jié)晶組織發(fā)生改變，原奧氏體晶界消失，晶粒得到細(xì)化，形成了以較細(xì)的塊狀鐵素體和貝氏體為主的組織。

圖4 焊縫組織

圖5為焊接接頭熱影響區(qū)組織形貌，由于熱影響區(qū)各區(qū)域所經(jīng)受的熱循環(huán)過程不同，從而呈現(xiàn)出一系列不同的組織。圖5a為熔合區(qū)顯微組織形貌，圖5b為緊鄰熔合區(qū)的過熱粗晶區(qū)組織形貌，其均為粗大的粒狀貝氏體。在焊接時(shí)這兩個(gè)區(qū)域處于過熱狀態(tài)，奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，并且在隨后的冷卻過程中形成貝氏體。圖5c為相變重結(jié)晶區(qū)組織，焊接時(shí)該區(qū)域峰值溫度在Ac3以上，發(fā)生重結(jié)晶過程鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)化為奧氏體，在隨后的冷去過程中生成鐵素體及貝氏體組織，鐵素體晶粒細(xì)小均勻。圖5d為不完全重結(jié)晶區(qū)組織形貌，該區(qū)域焊接過程中處于Ac1和Ac3之間，在受熱過程中珠光體組織首先奧氏體化，帶狀組織中元素產(chǎn)析出轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w、鐵素體和貝氏體組織，一部分鐵素體未發(fā)生奧氏體化轉(zhuǎn)變，在高溫下長(zhǎng)大由原來軋制態(tài)細(xì)長(zhǎng)的形貌變成了等軸鐵素體并長(zhǎng)大。

2.3 焊接接頭力學(xué)性能

2.3.1拉伸強(qiáng)度及彎曲性能

表3為焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果，其抗拉強(qiáng)度高于母材規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度值，拉伸斷口位于熱影響區(qū)。彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表4，彎曲后試樣焊縫及熔合線均未出現(xiàn)裂紋和開裂，說明焊接接頭具有良好的塑性。焊接接頭強(qiáng)度及彎曲性能均符合SY/T 4103《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[10]。

圖5 熱影響區(qū)組織

表3 焊接接頭拉伸強(qiáng)度

表4 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2硬度

圖6為焊接接頭硬度測(cè)試位置示意圖，硬度測(cè)試點(diǎn)分別位于距離母材內(nèi)、外表面1.5 mm處，并沿壁厚方向均布3個(gè)點(diǎn)，熱影響區(qū)硬度測(cè)試點(diǎn)位于熔合線附近。表5為焊接接頭顯微硬度檢測(cè)結(jié)果，由表中可以看出蓋面焊縫硬度相對(duì)較高，其余各區(qū)域硬度相差不大。對(duì)于焊縫區(qū)在焊接過程中，由于先焊焊道受后焊焊道的熱循環(huán)作用，相當(dāng)于對(duì)其進(jìn)行了焊后熱處理，使其組織中形成了較多的塊狀鐵素體，硬度得到降低。因此，蓋面焊縫硬度相對(duì)打底焊縫和填充焊縫要高一些。由于顯微硬度水平能夠反應(yīng)焊接接頭局部區(qū)域的組織及力學(xué)性能特點(diǎn)，各區(qū)域顯微硬度相差較小，說明焊接接頭各區(qū)域性能的差異越小。

圖6 焊接接頭硬度測(cè)試位置示意圖

表5 焊接接頭硬度 (HV1)

2.3.3抗內(nèi)壓試驗(yàn)

對(duì)于承壓類管道，其焊接接頭抗內(nèi)壓性能是確保管道安全的關(guān)鍵。靜水壓爆破試驗(yàn)曲線如圖7所示。靜水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭爆破壓力為124.7 MPa較標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值[11]110.4 MPa，高12.9%。

圖7 靜水壓爆破試驗(yàn)曲線

圖8為爆破試樣斷口形貌，爆破斷口起裂于對(duì)接焊縫一側(cè)管體，并沿管體軸向擴(kuò)展至對(duì)接焊縫處止裂。

圖8 爆破試樣斷口

3 結(jié)論

(1)小直徑管材全位置自動(dòng)TIG對(duì)接焊，需要根據(jù)熔池在空間位置受力特點(diǎn)分區(qū)段進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置，以獲得合適的熔池大小，使各作用力之間達(dá)到合理的匹配，才能獲得良好的焊縫形貌。

(2)焊縫組織為鐵素體和粒狀貝氏，熱影響區(qū)各區(qū)組織不同，熔合區(qū)及粗晶區(qū)為粗大的粒狀貝氏體，相變重結(jié)晶區(qū)組織為貝氏體以及細(xì)小均勻的鐵素體。不完全重結(jié)晶區(qū)珠光體、鐵素體和貝氏體組織。

(3)焊接接頭強(qiáng)度、彎曲以及抗內(nèi)壓性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。