多次補(bǔ)焊對(duì)埋弧焊鋼管焊縫性能影響的探討

錢(qián) 勇，姚洪昆，梁 棟

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

鋼管的焊縫包括焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分組成。焊接過(guò)程中，焊縫從高溫降低到常溫，期間必須經(jīng)歷兩次組織的變化，即第1 次是由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w金屬的結(jié)晶過(guò)程；第2次是溫度降低到相變溫度時(shí)，再次發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。二次組織的變化不僅僅發(fā)生在焊縫，同時(shí)，也發(fā)生在焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)域。根據(jù)組織結(jié)構(gòu)特征可將焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)分為熔合區(qū)，過(guò)熱粗晶區(qū)，相變重結(jié)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)4 個(gè)小區(qū)。其中熔合區(qū)和過(guò)熱區(qū)組織晶粒粗大，塑性不好，是產(chǎn)生缺陷及局部脆性破壞的主要位置，也是鋼管焊縫質(zhì)量的薄弱部位。多次焊接使焊接接頭進(jìn)行多次加熱，所以對(duì)焊接接頭的晶粒、塑性有很大影響，進(jìn)而影響鋼管實(shí)物質(zhì)量。

1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)補(bǔ)焊的要求

以鋼管標(biāo)準(zhǔn)CDP-S-NGP-PL-006—2014《天然氣管道工程鋼管通用技術(shù)條件》為例，規(guī)定：鋼管焊縫同一位置補(bǔ)焊次數(shù)不能超過(guò)二次。針對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋼管焊接焊縫6 次補(bǔ)焊進(jìn)行試驗(yàn)，分析焊接接頭進(jìn)行6 次的受熱，對(duì)金屬材料與焊縫金相組織變化規(guī)律及其對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)材料試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

選取與鋼管相同的管端，采用鋼級(jí)CHE607GX，規(guī)格Φ3.2 mm、Ф4.0 mm 的焊接材料，分別在管端對(duì)接接頭焊縫上進(jìn)行1 次、2次、3 次、4 次、5 次、6 次補(bǔ)焊，補(bǔ)焊工藝及規(guī)范參數(shù)與1 次補(bǔ)焊相同，補(bǔ)焊后并經(jīng)探傷確認(rèn)該補(bǔ)焊處均無(wú)缺陷。

2.2 補(bǔ)焊工藝

2.2.1 補(bǔ)焊工藝要求

（1）嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝卡片的要求進(jìn)行操作生產(chǎn)。

（2）檢查電焊條規(guī)格型號(hào)，未經(jīng)檢驗(yàn)合格的焊材嚴(yán)禁投入使用。

（3）電焊條使用時(shí)應(yīng)放在保溫桶內(nèi)，隨取隨用，避免與水、油污等混雜接觸。

（4）非工藝規(guī)定焊材不得在崗位存放，以避免誤用。

（5）用碳弧氣刨和/或角磨砂輪機(jī)將缺陷徹底清除干凈。

（6）工作時(shí)保持環(huán)境衛(wèi)生清潔。

（7）焊前檢查設(shè)備、焊材匹配，確保滿足工作要求。

（8）所有操作人員上崗必須持有有效的焊工證、崗位資格證。

2.2.2 補(bǔ)焊質(zhì)量控制要求

（1）用碳弧氣刨清除缺陷前應(yīng)先進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)以確定缺陷的位置。

（2）碳弧氣刨后用砂輪將坡口表面3 mm 滲碳層清除。

（3）補(bǔ)焊前將坡口中的雜物清理干凈。

（4）當(dāng)管體溫度低于10 ℃時(shí)需在補(bǔ)焊前將補(bǔ)焊處加熱至10 ℃以上。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

利用一段因焊縫裂紋降廢的鋼管，選取其中焊接質(zhì)量比較理想的部分進(jìn)行熱影響區(qū)、焊縫的金相顯微組織拍照以及夏比沖擊試驗(yàn)。然后刨開(kāi)進(jìn)行1 次補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后經(jīng)手探合格，取樣進(jìn)行金相顯微組織拍照和夏比沖擊試驗(yàn)。如此反復(fù)進(jìn)行6 次補(bǔ)焊，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

選取了一段鋼管分成6 個(gè)區(qū)域，以裂紋為設(shè)定缺陷分別進(jìn)行了1～6 次補(bǔ)焊。對(duì)焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行取樣夏比沖擊試驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)其微觀金相組織進(jìn)行拍照、對(duì)焊縫的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

2.4 研究結(jié)果及結(jié)論

2.4.1 焊縫抗拉強(qiáng)度測(cè)試

試樣類(lèi)型為寬38.1 mm 矩形平板試樣，試驗(yàn)加工前經(jīng)過(guò)冷壓展平處理，焊縫抗拉試樣見(jiàn)圖1，試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370—2020，焊縫抗拉強(qiáng)度和斷口位置見(jiàn)表2。

圖1 焊縫抗拉試樣

從表1 可以看出，補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)焊縫的抗拉強(qiáng)度影響較小，6次補(bǔ)焊中最大值為700 MPa，最小值為655 MPa，差值為45 MPa。所有數(shù)值均遠(yuǎn)大于Q/SY GJX 0125—2007《西 氣東輸二線管道工程用X70 直縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求的570 MPa。

表1 焊縫抗拉強(qiáng)度和斷口位置

2.4.2 焊縫沖擊功測(cè)試

試樣類(lèi)型為10 mm×10 mm×55 mm，2V 形缺口，開(kāi)口位置焊縫正中。錘刃選用R8 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃。試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) ASTM A370—2020，焊縫沖擊功見(jiàn)表2。

從表2 可以看出，焊縫的沖擊韌性和補(bǔ)焊次數(shù)沒(méi)有必然聯(lián)系。因?yàn)槊看窝a(bǔ)焊之前都是先刨開(kāi)原來(lái)的熔敷金屬，重新進(jìn)行焊接填充。第6 次補(bǔ)焊焊縫的沖擊吸收功偏低，是因?yàn)樵搮^(qū)域經(jīng)手工超聲波檢查發(fā)現(xiàn)存在超標(biāo)的夾渣。從這點(diǎn)也可以看出，存在超標(biāo)的夾渣等缺陷也會(huì)對(duì)沖擊吸收功產(chǎn)生較大的影響。在焊縫抗拉試驗(yàn)中，第6 次補(bǔ)焊焊縫抗拉強(qiáng)度為655 MPa，從焊縫斷開(kāi)，數(shù)值為第六組實(shí)驗(yàn)中最低值，亦與焊縫存在超標(biāo)的夾渣缺陷有關(guān)，但是所有數(shù)值均遠(yuǎn)大于Q/SY GJX 0125—2007要求的焊縫沖擊功不低于60 J，平均焊縫沖擊功不低于80 J。

表2 焊縫沖擊功對(duì)比 J

2.4.3 熱影響區(qū)沖擊功測(cè)試

試樣類(lèi)型為10 mm×10 mm×55 mm，2V 形缺口，開(kāi)口位置熔合線。錘刃選用R8 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370—2020，熱影響區(qū)沖擊功見(jiàn)表3。

表3 中的數(shù)據(jù)大部分在240～390 J，其中最低的為第6 次，沖擊功為90 J，明顯低于其他試樣。原因主要是，該處補(bǔ)焊焊接能量過(guò)大造成熱影響區(qū)組織惡化、晶粒粗大。這一點(diǎn)也可以從焊縫抗拉試驗(yàn)得到印證，焊縫抗拉強(qiáng)度為655 MPa，從熱影響區(qū)斷開(kāi)，與其他補(bǔ)焊區(qū)域的焊縫抗拉強(qiáng)度相比屬于較低值，但是所有數(shù)值均大于Q/SY GJX 0125—2007 中要求的熱影響區(qū)沖擊功不低于60 J，平均熱影響區(qū)沖擊功不低于80 J。

表3 熱影響區(qū)沖擊功 J

2.4.4 6 次補(bǔ)焊對(duì)鋼管焊縫金相組織的影響（即金相分析）

在同樣的補(bǔ)焊工藝條件下，通過(guò)對(duì)1～6 次補(bǔ)焊試件的金相組織結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊的鋼管焊縫組織均為“柱狀和針狀鐵素體+少量珠光體”，過(guò)熱區(qū)組織為“細(xì)珠光體+粒狀貝氏體+鐵素體”。通過(guò)對(duì)1～6 次補(bǔ)焊試件的金相圖譜的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)每次補(bǔ)焊的金相組織的晶粒度也完全一致。由于受熱的程度不同使組織晶粒度略有改變，補(bǔ)焊焊縫的鐵素體和珠光體隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加而晶粒變粗，過(guò)熱區(qū)的珠光體、粒狀貝氏體和鐵素體也隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加而晶粒變粗，各種晶界面也隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加而清晰。從金相組織分析，總體變化不大，熱影響區(qū)的晶粒較母材明顯粗大且分布不均。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于鋼管的焊縫的補(bǔ)焊屬于在鋼管焊縫處局部加熱，因此，在局部加熱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時(shí)在同一部位進(jìn)行多次重復(fù)補(bǔ)焊和加熱作用會(huì)使焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部位金相組織變粗、韌性變差，容易產(chǎn)生微裂紋。

本次試驗(yàn)在同樣的補(bǔ)焊條件下，焊縫的裂紋基本上發(fā)生在焊趾部位，主要為橫向裂紋，每次補(bǔ)焊之前，補(bǔ)焊位置處都要清除掉裂紋及其他缺陷（任何缺陷的補(bǔ)焊，都要清除掉原來(lái)焊縫上的缺陷，開(kāi)出適合焊接的坡口，且坡口與開(kāi)始焊接的坡口尺寸一致）。從試驗(yàn)結(jié)果上來(lái)看，多次補(bǔ)焊的疲勞壽命只在第1次補(bǔ)焊時(shí)降低，而其他的第2～第6 次補(bǔ)焊其鋼管的焊縫壽命并未降低?？梢?jiàn)，多次補(bǔ)焊對(duì)試板的疲勞壽命的降低影響有限。

鋼管焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分在試驗(yàn)中承受了多次疲勞彎曲載荷，必定會(huì)給焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分造成疲勞損傷，鋼管焊縫使用壽命應(yīng)一次次降低，并且在焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分的焊趾處，造成疲勞損傷最為嚴(yán)重。因?yàn)樵撎幨芰孛姘l(fā)生突變、造成應(yīng)力集中，此處的實(shí)際應(yīng)力要比其他部位大很多，這會(huì)損傷鋼管焊趾處的金屬并在較短疲勞時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生裂紋，隨后繼續(xù)擴(kuò)展。焊縫兩側(cè)金屬由于應(yīng)力釋放將不再產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生的焊縫裂紋由于受到更大的應(yīng)力集中而繼續(xù)擴(kuò)展。

在本試驗(yàn)中補(bǔ)焊焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分的裂紋，基本上是焊趾處產(chǎn)生的裂紋，補(bǔ)焊時(shí)必須清除掉焊趾裂紋及相鄰的母材及焊縫金屬，補(bǔ)焊時(shí)形成新焊縫金屬、新的焊趾，所以多次補(bǔ)焊對(duì)焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分的影響并不能表現(xiàn)出來(lái)或影響不嚴(yán)重。

經(jīng)過(guò)多次補(bǔ)焊后鋼管焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分材質(zhì)的變化規(guī)律及多次補(bǔ)焊對(duì)材料的金相組織影響的相關(guān)數(shù)據(jù)分析得出，鋼管焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分多次補(bǔ)焊后，焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分的金相組織、力學(xué)性能及疲勞性能并未變差，基本保持與第一次補(bǔ)焊性能一致。