X80管線鋼半自動焊擺焊與排焊的熱循環(huán)過程對比研究

供稿|白世武，丁紅勝，童莉葛，余江峰 / BAI Shi-wu, DING Hong-sheng, TONG Li-ge, YU Jiang-feng

內(nèi)容導(dǎo)讀

大量低溫沖擊實(shí)驗(yàn)表明X80管線鋼半自動焊焊縫區(qū)的沖擊吸收功離散性相對較大，影響焊縫整體性能，而這種離散性一部分是由于焊縫所經(jīng)歷的熱循環(huán)過程導(dǎo)致。利用熱電偶對排焊和擺焊兩種半自動焊接工藝焊縫中心各位置的熱循環(huán)曲線進(jìn)行測量，并將兩種焊接方法的熱循環(huán)過程及相關(guān)熱循環(huán)參數(shù)進(jìn)行對比。發(fā)現(xiàn)用熱電偶測量焊縫中心各位置的熱循環(huán)曲線較光滑、波動小，各焊層位置的熱循環(huán)曲線基本遵循隨著離熱源距離的增加熱循環(huán)曲線的峰值溫度逐漸降低的規(guī)律。焊接線能量較小的排焊其各參數(shù)的數(shù)值及其平均值均小于擺焊，從冷卻時(shí)間對性能的影響來看，排焊工藝焊縫的性能要優(yōu)于擺焊。

近年來隨著工程技術(shù)的進(jìn)步和市場發(fā)展的需求，國內(nèi)油氣管道的建設(shè)一直朝著高鋼級、大管徑、高壓力的方向發(fā)展[1]。X70、X80管道目前已成為油氣長輸管道建設(shè)的主流[2]，X80管線建設(shè)方面國內(nèi)也已積累了很多的經(jīng)驗(yàn)。但是目前依然存在諸多問題，尤其是在環(huán)焊縫研究方面仍較落后。特別是焊接接頭，是管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。這主要是由于環(huán)焊接頭在焊接過程中經(jīng)歷了特殊的熱過程，容易造成接頭的組織、力學(xué)性能不均勻，形成焊縫缺陷，成為缺陷擴(kuò)展和管道失效的起源[3]。從大量的低溫沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊焊縫區(qū)的沖擊吸收功離散性相對較大，且由于不同供貨商所提供焊接材料的差異性，自保護(hù)藥芯焊絲焊縫區(qū)的沖擊吸收功離散性分布有所不同，而這種離散性一部分是由于焊縫所經(jīng)歷的熱循環(huán)過程導(dǎo)致的[4]。因此研究焊縫中心處不同位置的熱循環(huán)過程不僅必要，而且也是解決我國管線鋼發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。

對焊縫位置的熱循環(huán)測量目前主要有紅外成像和熱電偶等方法。安俊超等[5]用一種紅外成像儀測量焊接熱循環(huán)過程，測量結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好，但曲線存在波動。陳家權(quán)等人[6]采用焊接熱循環(huán)動態(tài)檢測系統(tǒng)測量焊接熱循環(huán)過程，該系統(tǒng)可以同時(shí)測量多達(dá)100個(gè)點(diǎn)的溫度。胡艷華等人[7]將熱電偶埋在焊縫中，實(shí)現(xiàn)了焊縫焊接熱循環(huán)過程的實(shí)時(shí)檢測?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，對于測量焊縫熱循環(huán)位置點(diǎn)的選取都是以焊縫為中心，測量距焊縫中心不同距離表面點(diǎn)的熱循環(huán)過程。目前還沒有專門針對X80自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊焊接過程的數(shù)值模擬研究。對于其焊接過程所適用的熱源模型也缺乏相關(guān)文獻(xiàn)記載?；诖?，本文將從管道厚度也就是焊縫深度入手，測量根焊、填充層以及蓋面層每一焊層內(nèi)的溫度循環(huán)，以及焊層交界的敏感位置的熱循環(huán)過程。同時(shí)，針對兩種半自動焊焊接工藝——排焊和擺焊，進(jìn)行焊縫不同位置熱循環(huán)曲線的實(shí)驗(yàn)測量，比較兩種焊接工藝的線能量差異，以及由這種差異引起的相關(guān)焊接參數(shù)的變化。同時(shí)對這種變化可能會給組織和性能帶來的影響進(jìn)行初步評估，對熱循環(huán)曲線所得到相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對比，為后續(xù)焊縫組織不均勻性的分析奠定基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn) 材料

實(shí)驗(yàn)采用的管線鋼等級為X80，規(guī)格為φ1219 mm×18.4 mm。測量熱過程的試樣尺寸為300 mm×150 mm×18.4 mm。焊接坡口形式如圖1所示。

實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)

圖1 模擬及實(shí)驗(yàn)試樣的坡口形式

焊接試樣長度為300 mm。實(shí)驗(yàn)前將兩塊焊接試樣完成對口，并進(jìn)行根焊和填充1層的焊接操作。之后將試樣沿長度方向上進(jìn)行8等分，并垂直于試樣平面進(jìn)行打孔。從焊填充2層開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)溫度的測量。測量熱循環(huán)曲線過程為：打孔—焊接一道焊縫—對實(shí)驗(yàn)位置再打孔—測量尺寸—再焊接。焊接過程全部采用階梯焊接，即每新焊一焊層都會在焊縫長度方向上留出一段距離來保留前一焊層形貌，這樣可以保留每一道焊縫的熔池形貌以及組織特點(diǎn)，用于后續(xù)組織性能分析。測量溫度用的熱電偶型號為K型，材料為鎳鉻/鎳硅。

工藝 參數(shù)

實(shí)驗(yàn)選用的焊接工藝為：根焊為手工電弧焊(SMAW)+填充及蓋面為自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊(FCAW-S)。焊接方法為擺焊和排焊。擺焊工藝是焊縫熱源在焊件上進(jìn)行有規(guī)律的橫向擺動操作。排焊工藝為焊縫熱源在焊件上沿直線進(jìn)行操作。兩種工藝的焊縫示意圖如圖2所示。

兩種焊接工藝在根焊、填充1層和填充2層是完全相同的。排焊的填充3和填充4兩道焊縫構(gòu)成一道焊層，同理填充5和填充6兩道焊縫構(gòu)成一道焊層。相關(guān)焊接參數(shù)如表1和表2所示。

圖2 兩種焊接工藝焊縫示意圖

表1 擺焊焊接工藝參數(shù)

結(jié)果分析

在焊接過程中，不僅鄰近熔化區(qū)的母材承受典型的焊接短時(shí)間溫度循環(huán)作用，即隨時(shí)間急劇升高至接近熔點(diǎn)而后緩慢下降，峰值溫度和陡度隨著與焊縫的距離增大而下降。同時(shí)先焊的焊層也會受到后焊層同樣的溫度循環(huán)過程。因此，不僅鄰近焊縫的母材，甚至在整個(gè)熱影響區(qū)都存在粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)之分，焊縫中心組織由于各焊層之間的熱作用也會呈現(xiàn)出不同的組織特征[8]。各焊層之間的熱作用可以通過實(shí)驗(yàn)測量熱循環(huán)曲線表征出來。如圖3所示，排焊和擺焊兩種焊接工藝中各焊層位置的熱循環(huán)曲線都遵循相同的規(guī)律：隨著離熱源距離的增加，熱循環(huán)曲線的峰值溫度逐漸降低。由于排焊是在一個(gè)填充層沿直線填充兩道焊縫，因此在測量熱循環(huán)曲線時(shí)被測點(diǎn)會出現(xiàn)兩個(gè)溫度峰值，其中第一道焊的溫度峰值要大于第二道焊的溫度峰值。采用熱電偶測量焊縫各位置的熱循環(huán)過程中會產(chǎn)生一些誤差，比如鉆孔的垂直度、孔的深度等都會影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中還需要逐步進(jìn)行改進(jìn)。

表2 排焊焊接工藝參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的熱循環(huán)曲線可以獲得峰值溫度Tm、冷卻時(shí)間t8/5、冷卻時(shí)間t8/3、冷卻時(shí)間t6/3以及高溫停留時(shí)間tH等特征參數(shù)，這些特征參數(shù)是決定焊縫組織特點(diǎn)的關(guān)鍵因素[9-11]。擺焊和排焊兩種焊接工藝由于焊接方法的不同，從填充3層開始，其焊接速度引起的焊接線能量存在差異。兩種焊接方法下，距離熱源相同位置的t8/5、t8/3，一層排焊的兩道焊縫相應(yīng)的熱循環(huán)參數(shù)取兩道焊縫的平均值，見圖4?？梢钥闯鲇捎诰€能量的差異，距離熱源相同位置的排焊熱循環(huán)參數(shù)t8/5、t8/3都要小于擺焊，t6/3也遵循相同的規(guī)律。

圖3 實(shí)驗(yàn)測量的兩種焊接工藝的熱循環(huán)曲線

為了量化對比分析兩種焊接工藝線能量的差異對熱循環(huán)參數(shù)的影響，統(tǒng)計(jì)了兩種焊接工藝中位于不同位置的t8/5、t8/3、t6/3及其平均值。當(dāng)焊接填充3層時(shí)，排焊的焊接線能量為16.9 kJ/cm，數(shù)值要小于擺焊的線能量24.1 kJ/cm。焊接線能量的差異引起焊接熱循環(huán)參數(shù)的變化見圖5，其中數(shù)值是指位于根焊和填充1層點(diǎn)的t8/5、t8/3、t6/3的平均值。

由圖5可以看到焊接線能量較小的排焊的各參數(shù)平均值均小于擺焊，這在填充4及后續(xù)焊接實(shí)驗(yàn)中均得到相同的規(guī)律。該規(guī)律表明：高的線能量會引起冷卻過程速度的降低，導(dǎo)致冷卻時(shí)間延長。冷卻時(shí)間t8/5對M-A組元及針狀鐵素體的含量有直接影響，適當(dāng)?shù)膖8/5可以改善焊縫韌性，但隨著t8/5增加，組織均勻性降低，沖擊韌性下降。t8/5還特別影響焊縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)性能，提高冷卻速度可有效改善熱影響區(qū)粗晶區(qū)的沖擊韌性和抗裂性。本研究表明，每增加1 kJ/cm的線能量，t8/5增加1.7～1.9 s，t8/3增加6.5～6.7 s，t6/3增加5.8～5.9 s。此外，排焊工藝的t8/5范圍在14.9～23.2 s之間，擺焊工藝的t8/5范圍在23.4～50.8 s之間，可見從冷卻時(shí)間對性能的影響來看，排焊工藝焊縫的性能要優(yōu)于擺焊。

圖4 擺焊和排焊兩種焊接方法中距離相同熱源的熱循環(huán)參數(shù)對比

圖5 排焊與擺焊在焊填充3層時(shí)測點(diǎn)的熱循環(huán)參數(shù)變化規(guī)律

結(jié)束語

通過測量半自動焊排焊和擺焊兩種工藝的焊縫中心各位置熱循環(huán)曲線，獲得兩種焊接工藝的熱循環(huán)過程及相關(guān)特征參數(shù)。進(jìn)行對比分析后發(fā)現(xiàn)了焊縫沖擊韌性離散的原因，為后續(xù)焊縫組織分析提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1) 用熱電偶測量熱循環(huán)曲線。采用階梯焊接形式，完整保留了各焊層的熔池形貌及組織特點(diǎn)，方便用于后續(xù)組織分析。各焊層位置的熱循環(huán)曲線遵循的規(guī)律：隨著離熱源距離的增加熱循環(huán)曲線的峰值溫度逐漸降低。

2) 由于排焊和擺焊兩種工藝線能量存在差異，導(dǎo)致相關(guān)熱循環(huán)參數(shù)發(fā)生變化。焊接線能量較小的排焊其各參數(shù)的數(shù)值及其平均值均小于擺焊。經(jīng)過計(jì)算分析，每增加1 kJ/cm的線能量，t8/5增加1.7～1.9 s，t8/3增加6.5～6.7 s，t6/3增加5.8～5.9 s。從冷卻時(shí)間對性能的影響來看，排焊工藝焊縫的性能要優(yōu)于擺焊。

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