胡德虎 李博鋒

摘要： 對(duì)小直徑低合金管材進(jìn)行全位置TIG對(duì)接焊工藝試驗(yàn)，分析其工藝特點(diǎn)及焊接接頭組織與力學(xué)性能。分析認(rèn)為：焊接工藝參數(shù)需要根據(jù)熔池的受力特點(diǎn)分區(qū)段進(jìn)行設(shè)置，以獲得合適的熔池大小，達(dá)到熔池各作用力之間的合理匹配，從而獲得良好的焊縫成形。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)為鐵素體、珠光體和貝氏體。焊接接頭各區(qū)域硬度相差不大，拉伸、彎曲以及抗內(nèi)壓性能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞： 低合金鋼;管材;焊接;對(duì)接接頭;組織;力學(xué)性能;

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 444

Abstract： All position TIG butt welding process test of small diameter low alloy tubing ?was carried out. The process characteristics， microstructure and mechanical properties of welded joint were analyzed.According to the analysis， the welding process parameters should be set in different sections according to the stress characteristics of the weld pool， so as to obtain the appropriate size of the weld pool and achieve the reasonable matching between the forces of the pool.The microstructure of the weld is ferrite and granular bainite. The microstructure of heat affected zone is different. The fusion zone and coarse grain zone are coarse granular bainite， and the finegrained region zone is composed of bainite and fine and uniform ferrite.The incomplete recrystallization region is pearlite， ferrite and bainite. The hardness of each area of the welded joint has little difference， and the tensile， bending and internal pressure resistance meet the requirements of relevant standards

Key words： low alloy steel; tubing; welding; butt joint; microstructure; mechanical properties

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(guò)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(kāi)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50 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50 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1.0 mm焊絲。母材及焊絲主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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。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(wàn)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(wàn)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。

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(yú)鱗紋分布整齊，焊道寬度均勻，余高與母材表面過(guò)渡平滑，無(wú)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(guò)渡良好，各區(qū)焊縫寬度基本一致，焊縫表面光滑細(xì)密，魚(yú)鱗紋整齊，無(wú)未焊透、未熔合、內(nèi)凹等缺陷。說(shuō)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。垢髯饔昧_(dá)到合理的匹配，才能獲得良好的焊縫形貌。

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(guò)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(guò)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(guò)熱狀態(tài)，奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，并且在隨后的冷卻過(guò)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(guò)程鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)化為奧氏體，在隨后的冷去過(guò)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(guò)程中處于Ac1和Ac3之間，在受熱過(guò)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(lái)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(jiàn)表4，彎曲后試樣焊縫及熔合線均未出現(xiàn)裂紋和開(kāi)裂，說(shuō)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]。

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(guò)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(shuō)明焊接接頭各區(qū)域性能的差異越小。

2.3.3 抗內(nèi)壓試驗(yàn)

對(duì)于承壓類(lèi)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。

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(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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