李立英，盛學臻，戴國文，付現(xiàn)橋，周 鑫，韓 彬

(1.中國石油大學(華東)材料科學與工程學院，山東青島 266580; 2.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司，四川成都 610095; 3.中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北任丘 062550)

雙金屬機械復(fù)合管是由基層碳鋼和內(nèi)襯耐蝕合金層按機械方式復(fù)合而成，克服了單一金屬的性能缺陷，有效發(fā)揮各組元金屬的優(yōu)異性能，兼具剛度、強度和耐蝕等性能[1]。2205雙相鋼綜合了單相奧氏體、鐵素體鋼的優(yōu)勢，且機械強度與耐蝕性能良好[2-3]。X80/2205雙金屬復(fù)合管在保證良好耐腐蝕性能基礎(chǔ)上，擁有較高的強度與韌性。隨工程技術(shù)的發(fā)展，這種有效搭配可滿足復(fù)雜的油氣開采、運輸環(huán)境需求，在油氣輸送方面有廣泛的應(yīng)用前景[4]。機械復(fù)合管基層和內(nèi)襯層之間縫隙中殘余的油污、水等物質(zhì)，以及兩層機械結(jié)合處存在的應(yīng)力集中，極易導致各種焊接缺陷的產(chǎn)生[5-6]。通過堆焊工藝，使管端由機械結(jié)合變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，可有效降低現(xiàn)場施工難度，提高焊接質(zhì)量[7-9]。合理高效的堆焊工藝是現(xiàn)代材料加工與制造過程中不可缺少的工藝手段，同時也是近年來復(fù)合管管端處理技術(shù)的發(fā)展方向。常用的堆焊方法包括焊條電弧焊(SMAW)、熔化極氣體保護焊(GMAW)、非熔化極惰性氣體保護電弧焊(TIG)、埋弧焊(SAW)等。SMAW、GMAW和SAW存在稀釋率高等問題，TIG鎢極載流能力有限，且焊縫成形狀態(tài)對送絲位置與鎢極高度較為敏感。近年來在熔化極惰性氣體保護焊(MIG)/熔化極活性氣體保護焊(MAG)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的冷金屬過渡(cold metal transfer，CMT)技術(shù)，具有熱輸入低，熔敷效率和焊接穩(wěn)定性高等優(yōu)勢[10]，因此更加適合雙金屬機械復(fù)合管的管端堆焊。筆者以X80/2205雙金屬機械復(fù)合管為研究對象，采用CMT堆焊和熱絲TIG堆焊工藝實現(xiàn)復(fù)合管管端冶金結(jié)合，通過分析不同工藝和不同焊速下耐蝕層成型形貌、性能與組織比例，獲得CMT最優(yōu)堆焊工藝參數(shù)。

1 試驗材料與方法

試驗用X80/2205復(fù)合管規(guī)格為Φ273 mm×(9+3) mm，基層X80壁厚度為9 mm，內(nèi)襯層2205壁厚度為3 mm。管端堆焊選用ER2209奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼焊絲。復(fù)合管和焊絲的化學成分如表1所示。管端堆焊時2205層的坡口角度為45 °，堆焊層長度為30 mm，道間搭接率為35%。分別采用POLYSOUDE PC 600型TIG焊機與TransPuls Synergic (TPS)5000型CMT焊機進行堆焊。熱絲TIG堆焊分為過渡層1、過渡層2和耐蝕層，參數(shù)如表2所示。CMT堆焊分為過渡層和耐蝕性兩層，參數(shù)如表3所示。

表1 X80/2205雙金屬復(fù)合管和堆焊焊絲ER2209化學成分

表2 TIG堆焊參數(shù)

堆焊后，截取堆焊層的橫截面，經(jīng)砂紙打磨、金剛石拋光膏拋光后，制備金相試樣；然后試樣堆焊層用王水腐蝕溶液(體積比HCl∶HNO3= 1∶3)腐蝕，基層X80用體積分數(shù)4%硝酸酒精混合溶液腐蝕，采用DM2500M徠卡光學顯微鏡觀察金相組織，JSM-7200F型掃描電鏡和背散射電子衍射(EBSD)進行析出相和晶界分析。采用動電位極化法研究堆焊層和2205層的耐腐蝕性能。試樣尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，采用標準的三電極體系進行試驗。工作電極為試樣，輔助電極為碳棒，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為質(zhì)量分數(shù)3.5% NaCl溶液。

表3 CMT堆焊參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 CMT堆焊工藝

2.1.1 堆焊層宏觀形貌

不同焊速堆焊層的宏觀形貌如圖1所示，左側(cè)為堆焊層的表面形貌，右側(cè)為堆焊層的橫截面。2205層的厚度為3 mm，要求堆焊層(過渡層與耐蝕層)的總高度為4 mm。經(jīng)測量，不同焊速單道耐蝕層寬度和高度如圖2所示。隨著焊速增加，熱輸入減小，相應(yīng)的熔池溫度降低，導致其流動性變差，堆焊層單道寬度變窄。另外，由于單位長度熔敷量減少，堆焊層高度逐漸降低。

圖1 CMT堆焊宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of CMT surfacing

圖2 不同焊速下CMT耐蝕層的焊縫尺寸Fig.2 Weld size of CMT surfacing with different welding speed

2.1.2 堆焊層組織及比例

圖3 不同焊接速度CMT堆焊耐蝕層微觀組織形貌Fig.3 Microstructure of corrosion-resistant layer of CMT surfacing with different welding speed

不同焊速耐蝕層的顯微組織如圖3所示，白亮色為奧氏體(Austenite，A)，深灰色為鐵素體(Ferrite，F(xiàn))?？梢姴煌杆倌臀g層組織均為鐵素體基體上分布著晶界奧氏體(Grain boundary austenite，GBA)以及晶內(nèi)的魏氏奧氏體(Widmanstatten austenite，WA)、條狀奧氏體(Strip austenite，SA)、塊狀奧氏體(Massive austenite，MA)等不同形態(tài)奧氏體。冷卻過程中，在1 250～800 ℃，奧氏體首先沿鐵素體晶界以條狀形態(tài)析出，形成晶界奧氏體。隨溫度降低，魏氏奧氏體沿自由能較高的晶界奧氏體形核，并向鐵素體晶內(nèi)生長。當溫度低于650 ℃時，奧氏體開始在鐵素體晶內(nèi)的夾雜物或位錯線上形核，形成條塊狀的晶內(nèi)奧氏體，并且由于焊材中Ni是奧氏體形成元素，其含量高于2205母材，因此耐蝕層有大量晶內(nèi)奧氏體。焊速較小時，高溫停留時間較長，奧氏體以擴散型轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲗В纬纱罅课菏蠆W氏體；焊速增大，焊接熱輸入減小，奧氏體以非擴散型轉(zhuǎn)變主導，由粗大的條塊狀向羽毛狀、枝片狀轉(zhuǎn)變[11]。

2205雙相不銹鋼鐵素體相和奧氏體組織體積分數(shù)各接近50%時，耐蝕性能最優(yōu)[12-15]。按照ASTM E562計算不同焊速耐蝕層的鐵素體組織比例，結(jié)果如圖4所示?？梢姾杆贋?0、45和50 cm/min時，耐蝕層的鐵素體和奧氏體比例相差不大。為提高堆焊效率，要求焊道盡可能寬，CMT耐蝕層的較優(yōu)堆焊參數(shù)為：焊接電流163 A、焊接電壓16.6 V、焊速40 cm/min。Φ273 mm的X80/2205復(fù)合管單層單道堆焊平均用時3.5 min，堆焊層寬度高達14 mm。若采用TIG堆焊，一道寬度約3 mm，堆焊寬度為14 mm，在搭接率為0的情況下，用時約6.5 min。這說明CMT堆焊效率高，CMT技術(shù)在完成較大管徑的復(fù)合管管端堆焊的工廠預(yù)制方面有很大的應(yīng)用潛力。

圖4 不同焊速下CMT耐蝕層的鐵素體比例Fig.4 Ferrite content of CMT surfacing with different welding speed

2.2 TIG和CMT堆焊層組織性能對比

2.2.1 顯微組織

兩種堆焊工藝的過渡層組織如圖5(a)、(b)所示?？梢妰煞N過渡層組織相近，奧氏體呈粗大的樹枝狀交錯分布，鐵素體呈細碎的不規(guī)則條塊狀沿奧氏體晶粒邊緣生長。

兩種堆焊工藝的耐蝕層組織如圖5(c)、(d)所示?？梢妰煞N堆焊層組織相近，晶界奧氏體(GBA)呈羽毛狀，生長具有明顯的方向性，奧氏體與鐵素體相間平行排布；晶內(nèi)為大量的條狀奧氏體(SA)與少量的魏氏奧氏體(WA)。TIG堆焊耐蝕層(圖5(c))的魏氏奧氏體(WA)較為粗大，且大小不均；在其邊緣，大量的碎枝晶條塊狀奧氏體在鐵素體晶界或晶內(nèi)形成。而CMT堆焊耐蝕層(圖5(d))出現(xiàn)大量細小的奧氏體晶粒聚集現(xiàn)象。這是由于尖端高應(yīng)力促使奧氏體發(fā)生觸發(fā)形核，瞬間長大[16]。按照ASTM E562計算，TIG堆焊和CMT堆焊層鐵素體質(zhì)量分數(shù)分別為40.05%～45.70%，45.05%～48.70%。

過渡層和耐蝕層的層間組織如圖5(e)、(f)所示。可見TIG堆焊焊道分層現(xiàn)象明顯，過渡層組織較細，奧氏體在鐵素體基體中分布較均勻；而耐蝕層組織較粗大，呈明顯的羽毛狀，奧氏體與鐵素體相互平行，交錯分布(圖5(e))。這是由于耐蝕層所采用的熱輸入大，同時后續(xù)耐蝕層對前層過渡層的熱處理作用可使奧氏體組織細化。對于CMT堆焊，由于擺弧過程中可以充分攪拌熔池，使得層間晶粒生長方向發(fā)生錯排，但奧氏體晶粒無明顯粗化現(xiàn)象(圖5(f))。

圖5 堆焊層組織形貌Fig.5 Microstructure of surfacing layer

堆焊層熱影響區(qū)的組織如圖6所示。由圖6可知，兩種堆焊工藝的粗晶區(qū)均以貝氏鐵素體和粒狀貝氏體為主。TIG堆焊層粗晶區(qū)晶粒明顯粗大，奧氏體晶界清晰，而CMT堆焊層粗晶區(qū)奧氏體晶界較為模糊，晶粒較細且寬度較窄。兩種堆焊工藝的細晶區(qū)均以粒狀貝氏體為主。對靠近X80鋼的TIG堆焊層進行EBSD分析時，振動拋光后在試樣表面產(chǎn)生了浮凸現(xiàn)象(圖6(e))，表明試樣表面存在脆硬組織。EBSD相分布(圖6(f))表明浮凸部分具有典型的BCC晶體結(jié)構(gòu)，推斷該脆硬組織應(yīng)為馬氏體。這是由于在焊接熱作用下，X80鋼稀釋了堆焊層的成分。從圖6(g)可見，脆硬馬氏體組織晶粒較為細小，且多為大角度晶界。

圖6 堆焊層熱影響區(qū)組織形貌Fig.6 Microstructure in HAZ of surfacing

2.2.2 成分分析

堆焊層到X80鋼的化學成分變化如圖7所示。可見兩種堆焊層化學成分變化趨勢相似。從堆焊層到X80鋼側(cè)，F(xiàn)e元素含量迅速升高，元素Cr、Ni、Mo含量迅速降低。由于焊材的Ni、Mo含量較低，其成分變化沒有Fe和Cr元素變化明顯。TIG和CMT堆焊層與X80鋼的過渡區(qū)寬度分別為8.5和16.67 μm。這是由于CMT堆焊采用的焊接電流大，且擺動焊接，熱輸入比TIG堆焊層的大。

圖7 堆焊層到X80鋼成分分布Fig.7 Composition distribution from surfacing layer to X80

2.2.3 EBSD分析

圖8(a)、(b)為兩種堆焊工藝的耐蝕層EBSD相分布，藍色表示BCC相(鐵素體)，紅色表示FCC相(奧氏體)?？梢婅F素體基體上分布著大量條狀、塊狀奧氏體。TIG和CMT堆焊耐蝕層中鐵素體與奧氏體比例分別為37∶63和54∶46，CMT堆焊兩相比例較優(yōu)，造成兩相比例差異的主要原因在于兩種焊接工藝的熱輸入不同[17-18]。TIG堆焊的熱輸入大于CMT堆焊工藝，高溫停留時間長，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變充分，鐵素體晶界和界內(nèi)不斷形核向奧氏體轉(zhuǎn)變，因此TIG堆焊耐蝕層的奧氏體比例較高。

圖8(c)、(d)為TIG堆焊與CMT堆焊耐蝕層含有晶界的EBSD歐拉圖，藍色為3°～15°小角度晶界，綠色為15°～45°晶界，黃色為大于45°有效大角度晶界。由圖8(e)、(f)可見，兩種堆焊層小角度晶界多，大角度晶界少，且CMT堆焊耐蝕層中有效大角度晶界含量稍多于TIG堆焊耐蝕層。這是由于CMT堆焊工藝擺弧過程起到了攪拌熔池、細化晶粒的作用。一般大角度晶界越多，材料韌性越好[19-20]。這進一步說明CMT堆焊層的韌性優(yōu)于TIG堆焊層。

圖8 耐蝕層EBSD形貌Fig.8 EBSD morphology of corrosion resistant layer

圖9為兩種堆焊層中奧氏體和鐵素體的取向角度差分布?？梢婅F素體取向角度差呈單峰分布，且包含較多的小角度晶界，而奧氏體呈雙峰分布，且有較多的大角度晶界。Σ3(取向角度差=60°)重合點陣(coincidence site lattice, CSL)晶界是一種特殊晶界，具有低的晶界能，且雜質(zhì)偏析少。Σ3 CSL晶界越多則材料韌性越好[21]。CMT堆焊層的Σ3 CSL晶界比例為13%，而TIG的為5%，這說明CMT堆焊層韌性優(yōu)于TIG堆焊層。

圖9 耐蝕層取向角度差分布Fig.9 Distribution of orientation angle difference of corrosion resistant layer

2.2.4 硬度測定

兩種堆焊層硬度分布如圖10所示?？梢妰煞N堆焊層硬度變化趨勢相同。堆焊層的硬度高于X80鋼母材；耐蝕層硬度波動比過渡層小，而過渡層與X80交界處硬度發(fā)生突變，這與交界處產(chǎn)生脆硬的馬氏體組織有關(guān)；TIG堆焊耐蝕層平均硬度為277 HV0.1，高于CMT堆焊耐蝕層硬度257 HV0.1。

圖10 堆焊層硬度分布Fig.10 Hardness distribution of surfacing layer

2.2.5 耐蝕性

兩種堆焊層及2205內(nèi)襯層的循環(huán)極化曲線如圖11所示，擬合結(jié)果如表4所示?？梢奀MT堆焊層的擊穿電位最高，鈍化電流密度最?。?205母材的擊穿電位最低，鈍化電流密度最大。擊穿電位越高，鈍化電流密度越大，耐蝕性越好，因此耐蝕性順序為CMT堆焊層>TIG堆焊層>2205。從再鈍化電位分析，2205母材和TIG堆焊層的再鈍化電位相差不大，但均低于CMT堆焊層的再鈍化電位，且CMT堆焊層的滯后環(huán)的面積最小。這說明CMT堆焊層的耐點蝕性能最好。另外CMT堆焊層的腐蝕電流密度最小，自腐蝕電位最高，這進一步說明CMT堆焊層的耐點蝕性能最好?？傊裳h(huán)極化曲線可知耐點蝕趨勢為CMT堆焊層>TIG堆焊層>2205。

圖11 堆焊層和內(nèi)襯層2205循環(huán)極化曲線Fig.11 Cyclic polarization curves of surfacing layer and 2205 lining layer

表4 極化曲線擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 焊速從25 cm/min到50 cm/min，隨焊速增加，CMT堆焊層焊道寬度變窄，高度降低；從焊接效率和組織比例考慮，CMT耐蝕層的較優(yōu)堆焊參數(shù)為焊接電流163 A、焊接電壓16.6 V、焊速40 cm/min。

(2)兩種堆焊層中鐵素體取向差角度呈單峰分布，小角度晶界較多，奧氏體呈雙峰分布，大角度晶界較多；CMT堆焊層的Σ3 CSL晶界比例為13%，而TIG的為5%，CMT堆焊層韌性優(yōu)于TIG堆焊層；堆焊層與X80鋼交界處硬度突變且存在浮凸現(xiàn)象，該浮凸部分具有BCC晶體結(jié)構(gòu)、晶粒細小、多為大角度晶界的馬氏體。

(3) TIG和CMT耐蝕層中鐵素體與奧氏體比例分別為37∶63和 54∶46，耐點蝕趨勢為CMT堆焊層>TIG堆焊層>2205內(nèi)襯層，從焊接效率、耐蝕性考慮，CMT更適合于復(fù)合管管端堆焊。