X80鋼管道采用銅襯墊根焊接頭滲銅及力學(xué)性能分析

摘 要：采用銅襯墊內(nèi)對(duì)口器的SERIMAX全自動(dòng)焊機(jī)焊接X(jué)80鋼，運(yùn)用SEM、EDS等手段研究對(duì)口間隙、錯(cuò)變量對(duì)根焊縫夾銅/滲銅的影響，并開(kāi)展銅襯墊對(duì)拉伸性能、沖擊性能、顯微硬度和彎曲性能等力學(xué)性能的影響研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著對(duì)口間隙的增加，焊縫宏觀夾銅長(zhǎng)度、根焊縫夾銅深度及滲銅區(qū)域深度均增加。不同對(duì)口間隙銅襯自動(dòng)焊，焊縫拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)口間隙對(duì)焊縫顯微硬度無(wú)明顯影響。

關(guān)鍵詞：銅襯墊；滲銅；夾銅；力學(xué)性能

0 引言

采用全位置自動(dòng)焊具有功效高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是長(zhǎng)輸管道最先進(jìn)的焊接方法。但管道全位置自動(dòng)焊外焊機(jī)打底方式的應(yīng)用目前在國(guó)內(nèi)存在爭(zhēng)議[1]。SERIMAX全自動(dòng)焊接設(shè)備采用銅襯墊內(nèi)對(duì)口器，如果焊接接頭出現(xiàn)滲銅現(xiàn)象且滲入的銅超過(guò)一定量，就有可能會(huì)引起“銅脆”現(xiàn)象，從而降低金屬的力學(xué)性能并對(duì)管口的焊接質(zhì)量造成不良影響[2]。因此，需要開(kāi)展全自動(dòng)焊機(jī)銅襯墊滲銅試驗(yàn)，研究銅襯墊對(duì)根焊滲銅以及力學(xué)性能的影響，為銅襯墊自動(dòng)焊工藝的制定提供技術(shù)支持。

試驗(yàn)用焊接鋼管為壁厚18.4mm，外徑1219mm的X80螺旋縫埋弧焊鋼管。鋼管化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足API 5L要求。

采用Miller XMT350+SERIMAX自動(dòng)焊機(jī)雙焊炬自動(dòng)焊，使用BOBINE FIL焊絲，焊絲直徑1.0mm，保護(hù)氣體為50%Ar+50%CO2。坡口形式見(jiàn)圖1，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

為研究對(duì)口間隙及錯(cuò)邊對(duì)根焊縫滲銅的影響，分別進(jìn)行了對(duì)口間隙為0mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm和錯(cuò)邊量為2.5mm的焊接試驗(yàn)。

2 焊接工藝對(duì)根焊滲銅影響研究

關(guān)于“滲銅”和“夾銅”，本文說(shuō)明及定義如下：“滲銅”指銅的擴(kuò)散，為固態(tài)或液態(tài)金屬傳質(zhì)作用的結(jié)果，銅在鋼中擴(kuò)散形成固溶體，或在溫度作用下析出形成ε-Cu。從幾何尺度上說(shuō)，滲銅為納米級(jí)或微米級(jí)。從微區(qū)銅含量上說(shuō)，滲銅的銅含量低?！皧A銅”指的是在機(jī)械或熱力作用下或二者共同作用下在鋼鐵基體中出現(xiàn)銅的宏觀現(xiàn)象。從幾何尺度上說(shuō)，夾銅>101～102μm級(jí)。從微區(qū)銅含量上說(shuō)，夾銅的銅含量高。

2.1 宏觀分析

焊接前分別采用塞尺、焊接檢驗(yàn)尺在每個(gè)鐘點(diǎn)位測(cè)量對(duì)口間隙、錯(cuò)邊量。焊接完成后對(duì)每個(gè)管圈全部位置進(jìn)行宏觀觀察。

對(duì)口間隙為0時(shí)，根焊縫未見(jiàn)明顯夾銅；對(duì)口間隙為0.5mm時(shí)，根焊縫出現(xiàn)局部點(diǎn)狀?yuàn)A銅；對(duì)口間隙為1mm時(shí)，根焊縫出現(xiàn)連續(xù)夾銅；對(duì)口間隙為1.5mm時(shí)，根焊縫成型不良，出現(xiàn)燒穿甚至無(wú)法施焊，夾銅現(xiàn)象嚴(yán)重。

試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)口間隙是影響銅襯自動(dòng)焊根部夾銅的主要因素。因此，在滲銅微觀分析中取實(shí)際對(duì)口間隙與目標(biāo)對(duì)口間隙相近位置處的焊縫進(jìn)行分析。

2.2 微觀分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）進(jìn)行根焊縫滲銅微觀分析。

2.2.1對(duì)口間隙0（KZB-0-02）根焊縫滲銅分析

該對(duì)口間隙下SEM和銅元素EDS面掃描。結(jié)果表明，該對(duì)口間隙下根焊縫未出現(xiàn)夾銅、滲銅現(xiàn)象。

2.2.2 對(duì)口間隙0.5mm（KZB-0.5-01）根焊縫滲銅分析

該對(duì)口間隙下SEM和銅元素EDS面掃描結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，該對(duì)口間隙下，根焊縫最大夾銅深度約為75μm，未見(jiàn)滲銅。

自焊縫根部向蓋面方向進(jìn)行線掃描，銅含量分布相對(duì)集中，距離EDS分析起始點(diǎn)<60μm范圍內(nèi)銅含量較高，超出60μm范圍，銅含量驟降，且趨于平穩(wěn)，未見(jiàn)明顯梯度變化。

2.2.3 對(duì)口間隙1mm（KZB-1-01）根焊縫滲銅分析

該對(duì)口間隙下SEM和銅元素EDS面掃描結(jié)果表明，根部夾銅最大深度為150μm，最大滲銅深度約為1100μm。

自焊縫根部向蓋面方向進(jìn)行線掃描，距離EDS分析起始點(diǎn)<120μm范圍內(nèi)銅含量較高，120μm～160μm范圍內(nèi)銅含量降低，呈現(xiàn)一定濃度梯度。160μm～800μm范圍內(nèi)銅含量高于距離EDS分析起始點(diǎn)>960μm范圍的銅含量。

2.2.4 對(duì)口間隙1.5mm（KZB-1.5-01）根焊縫滲銅分析

自焊縫根部向蓋面方向進(jìn)行線掃描，銅元素分布情況見(jiàn)圖9b。距離EDS分析起始點(diǎn)<100μm范圍內(nèi)銅含量較高，100μm～400μm范圍內(nèi)隨著距掃描起始點(diǎn)距離增加基本呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

2.3 小結(jié)

2.3.1 隨著對(duì)口間隙的增加，焊縫宏觀夾銅長(zhǎng)度數(shù)量增加；

2.3.2 隨著對(duì)口間隙增加，根焊縫夾銅深度及滲銅區(qū)域深度均增加。

3 焊縫滲銅對(duì)力學(xué)性能的影響

選取對(duì)口間隙為0、0.5mm、1mm三種試樣研究焊縫滲銅對(duì)根焊縫力學(xué)性能影響。

3.1 拉伸性能

依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對(duì)根焊縫取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣平行段尺寸為68mm×20mm，試樣厚度為3.9mm（根焊縫背面銑平后，根焊縫“夾銅”遭到部分或全部去除）。

3.2 小結(jié)

3.2.1 不同對(duì)口間隙銅襯自動(dòng)焊焊縫拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

3.2.2 不同對(duì)口間隙對(duì)銅襯自動(dòng)焊焊縫顯微硬度無(wú)明顯影響。

4 結(jié)論

4.1對(duì)口間隙是影響銅襯自動(dòng)焊根部夾銅的主要因素，且最大數(shù)值宜控制在1.0mm以內(nèi)，否則容易出現(xiàn)夾銅嚴(yán)重、根焊縫成型不良、燒穿甚至無(wú)法施焊現(xiàn)象。隨著對(duì)口間隙的增加，焊縫宏觀夾銅長(zhǎng)度數(shù)量增加，根焊縫夾銅深度及滲銅區(qū)域深度均增加。

4.2 不同對(duì)口間隙銅襯墊自動(dòng)焊，焊縫拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)口間隙對(duì)焊縫顯微硬度無(wú)明顯影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅智超， 汪宏輝， 路焰， 文學(xué)， 戚國(guó)順， 劉興邦， 雷正龍. 長(zhǎng)輸管道外自動(dòng)根焊采用銅襯墊焊接接頭組織與性能分析[J]. 焊接， 2014， 12： 42-47.

[2] 梁君直， 黃福祥， 靳海成， 吳江橋. 管道環(huán)焊縫采用銅襯墊根焊及焊縫滲銅研究[J]. 電焊機(jī)， 2009， 5（39）： 74-77.

作者簡(jiǎn)介：

姓名：許有肖；性別：男；籍貫：山東省聊城市冠縣；出生日期：1986年11月25日；職稱：工程師；工作單位：中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，主要從事閥門(mén)選型與設(shè)計(jì)、管道材料及應(yīng)力分析、管道焊接施工研究工作。