李為衛(wèi)， 李嘉良， 梁明華， 何小東， 楊耀彬

（1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院， 西安710077; 2. 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安710077; 3. 中移系統(tǒng)集成有限公司， 成都610041）

0 前 言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求， 促進(jìn)了油氣管道大規(guī)模建設(shè)。 由于歷史原因， 長(zhǎng)期以來我國的管道建設(shè)基本采用手工、 半自動(dòng)的焊接方法， 焊接質(zhì)量主要依賴焊工的技術(shù)水平， 由于管理和技術(shù)問題， 長(zhǎng)輸天然氣管道近年來出現(xiàn)了多次環(huán)焊縫失效事故， 在對(duì)管體檢測(cè)過程中也發(fā)現(xiàn)大量焊縫存在質(zhì)量問題， 以往的半自動(dòng)、 手工焊等焊接工藝已不能完全滿足工程需要[1-3]。 熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW） 是油氣長(zhǎng)輸管道最適用的焊接方法，一般采用自動(dòng)或機(jī)械方式， 效率高、 質(zhì)量?jī)?yōu)， 國外大量用于油氣管道的焊接[4]， 我國近年來也正在大力推廣這種方法。

管道環(huán)縫焊接工藝和選材的一個(gè)重要指標(biāo)就是焊縫強(qiáng)度和韌性的匹配。 焊接結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)匹配還是低強(qiáng)匹配， 國內(nèi)外有大量的文獻(xiàn)研究， 但認(rèn)識(shí)不一致[4-7]。 盡管國內(nèi)的研究認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不統(tǒng)一， 但多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為， 金屬結(jié)構(gòu)焊縫的高強(qiáng)匹配， 對(duì)焊縫的抗斷裂、 抗變形更加有利， 高強(qiáng)匹配的焊縫對(duì)缺陷的容限高， 韌性要求低； 低強(qiáng)匹配焊縫容易產(chǎn)生應(yīng)變集中， 加上焊縫缺陷， 易造成焊縫開裂失效， 給管道運(yùn)行安全帶來隱患[8]。

GMAW 實(shí)心焊絲與母材熔合后共同形成的焊接接頭強(qiáng)度受母材、 工藝參數(shù)等因素影響很大， 文獻(xiàn)[9]研究表明， 焊縫金屬的強(qiáng)度比焊絲自身的熔敷金屬強(qiáng)度高出120～150 MPa， 合理選擇和使用焊接材料以及合適的焊接工藝參數(shù)對(duì)保證焊縫金屬的優(yōu)良力學(xué)性能至關(guān)重要。 為了掌握焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫性能的影響規(guī)律， 本研究對(duì)兩種國產(chǎn)焊絲和兩種進(jìn)口焊絲GMAW 焊縫的拉伸性能和沖擊韌性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)采用的焊接材料為直徑1.0 mm 的實(shí)心焊絲， 按焊材相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熔敷金屬性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 焊絲熔敷金屬拉伸和沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

試樣采用鋼級(jí)為L(zhǎng)485M、 厚度31.8 mm 的鋼板， 其縱向抗拉強(qiáng)度為610 MPa， 屈服強(qiáng)度為526 MPa， 縱向低溫（-20 ℃） 沖擊韌性為352 J。沿鋼板橫向邊緣加工坡口（焊縫對(duì)應(yīng)鋼管環(huán)向），焊接坡口形式如圖1 所示。 焊接方法為GMAW，試板采用傾斜45°、 下向焊方式進(jìn)行不同熱輸入量的多層多道焊接， 保護(hù)氣為50%Ar+50%CO2，焊接材料、 工藝參數(shù)等見表2。

圖1 試樣焊接坡口形式和尺寸示意圖

表2 焊接試驗(yàn)材料及工藝參數(shù)

焊接試驗(yàn)完成后， 在焊縫中心、 沿焊縫長(zhǎng)度方向加工標(biāo)距段直徑為6.25 mm、 標(biāo)距長(zhǎng)為25 mm圓棒試樣進(jìn)行常溫拉伸性能試驗(yàn)。 在垂直焊縫方向取樣， 在焊縫中心加工截面尺寸10 mm×10 mm的夏比V 形缺口試樣， 在-20 ℃下進(jìn)行低溫沖擊韌性試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用4 種焊絲在不同熱輸入?yún)?shù)條件下進(jìn)行焊縫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)， 結(jié)果見表3。 與表1焊絲熔敷金屬拉伸和沖擊韌性試驗(yàn)相比， 由于試驗(yàn)條件不同， 焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比熔敷金屬的強(qiáng)度有明顯的提高， 尤其是低熱輸入?yún)?shù)下大幅提高。 例如， 國產(chǎn)A3 焊絲， 在較高熱輸入下， 焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比焊絲熔敷金屬分別升高128 MPa 和94 MPa； 在較低熱輸入下， 焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比焊絲熔敷金屬分別升高189 MPa 和122 MPa。 進(jìn)口B 焊絲，在較高熱輸入下， 焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比焊絲熔敷金屬分別升高105 MPa 和31 MPa； 在較低熱輸入下， 焊縫的屈服和抗拉強(qiáng)度比焊絲熔敷金屬分別升高151 MPa 和54 MPa。 造成上述差異的主要因素有： ①采用的試樣材料不同，焊絲熔敷金屬試驗(yàn)一般采用碳鋼試樣， 本試驗(yàn)采用微合金管線鋼試樣； ②焊接坡口形式和尺寸差別大； ③焊接工藝參數(shù)不同。 另外， 合金元素?zé)龘p以及焊縫冷卻速度不均勻造成顯微組織存在差異， 因而造成焊縫金屬與焊絲熔敷金屬拉伸強(qiáng)度的較大差異。

表3 不同焊接熱輸入下焊縫金屬的拉伸性能和沖擊韌性

從表3 可以看出， 與較高熱輸入相比， 在較低熱輸入下， 每種焊絲全焊縫金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均增大， 其中屈服強(qiáng)度升幅更明顯， 屈服強(qiáng)度最大升高167 MPa， 抗拉強(qiáng)度最大升高131 MPa。 與較高熱輸入相比， 較低熱輸入焊縫金屬的伸長(zhǎng)率有不同程度下降， 最大下降3.2%，但伸長(zhǎng)率仍然較高。 較低熱輸入下， 焊縫韌性表現(xiàn)不一致， 兩種焊絲 （國產(chǎn)A2、 進(jìn)口B 焊絲）有明顯的升高， 另外兩種焊絲基本保持不變。

由于其微觀組織發(fā)生變化， 進(jìn)而導(dǎo)致性能的差異。 焊接熱輸入既可改變焊縫金屬一次結(jié)晶組織， 又可改變多層多道焊時(shí)焊縫金屬的二次組織。 圖2 為國產(chǎn)A2 焊絲在兩種不同的熱輸入下的填充焊縫典型顯微組織， 均由針狀鐵素體和先共析鐵素體組成， 但是與1.5 kJ/cm 熱輸入相比，在0.65 kJ/cm 熱輸入下， 先共析鐵素體含量明顯減少， 針狀鐵素體變得更加細(xì)小， 因而其強(qiáng)度和韌性明顯增大。 圖3 為進(jìn)口B 焊絲在兩種不同熱輸入下的填充焊縫典型顯微組織， 與圖2 相比， 1.2 kJ/cm 較高熱輸入與0.68 kJ/cm 較低熱輸入的先共析鐵素體含量和針狀鐵素體變化不明顯， 因而其強(qiáng)度和韌性提高程度相對(duì)較小。

從理論上分析， 在較高的熱輸入下， 因?yàn)楹缚p結(jié)晶冷卻速度較慢， 焊縫先共析鐵素體量較多，針狀鐵素體較粗大， 而在較低熱輸入?yún)?shù)下， 焊縫結(jié)晶冷卻速度快， 焊縫先共析鐵素體較少， 針狀鐵素體更細(xì)小。 焊縫中大量針狀鐵素體可顯著提高微裂紋擴(kuò)展抗力， 增強(qiáng)焊縫金屬的強(qiáng)韌性[9]。

焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性， 一直是焊接結(jié)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)， 尤其對(duì)高強(qiáng)度高壓天然氣管道環(huán)縫的焊接， 由于受到不明確的外力， 加上不可避免的缺陷， 近年來成為行業(yè)關(guān)注和研究的重點(diǎn)。從焊接材料和工藝的角度， 選用合適的焊材，在合適的工藝參數(shù)下形成強(qiáng)度合理匹配、 韌性高的焊接接頭， 從而保證焊接結(jié)構(gòu)的服役安全。從以上試驗(yàn)分析可以看出， 工藝參數(shù)對(duì)GMAW實(shí)心焊絲形成焊縫的強(qiáng)度和韌性有很大影響，應(yīng)引起關(guān)注。

圖2 國產(chǎn)A2 焊絲在不同熱輸入下的填充焊縫顯微組織

圖3 進(jìn)口B 焊絲在不同熱輸入下的填充焊縫顯微組織

3 結(jié)論及建議

（1） GMAW 實(shí)心焊絲的焊接接頭在試驗(yàn)條件下， 焊縫金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較焊材熔敷金屬的強(qiáng)度有明顯提高， 尤其是在較低熱輸入?yún)?shù)下， 有大幅提高。

（2） 焊接熱輸入對(duì)GMAW 實(shí)心焊絲形成焊縫金屬的顯微組織、 強(qiáng)度和韌性有很大影響。 在較低的熱輸入下， 填充焊縫的針狀鐵素體更加細(xì)小， 先共析鐵素體含量更少， 焊縫強(qiáng)度更高， 韌性更好。

（3） 建議系統(tǒng)研究不同的焊接材料， 結(jié)合具體的管道用鋼材成分， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)下強(qiáng)韌性的變化規(guī)律， 合理匹配焊接材料， 并在與實(shí)際管道相近的焊接條件下進(jìn)行焊接材料的性能復(fù)驗(yàn)。