X80/2205雙金屬復合管CMT/TIG管端堆焊組織及性能

李立英，盛學臻，戴國文，付現(xiàn)橋，周 鑫，韓 彬

(1.中國石油大學(華東)材料科學與工程學院，山東青島 266580; 2.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司，四川成都 610095; 3.中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北任丘 062550)

雙金屬機械復合管是由基層碳鋼和內襯耐蝕合金層按機械方式復合而成，克服了單一金屬的性能缺陷，有效發(fā)揮各組元金屬的優(yōu)異性能，兼具剛度、強度和耐蝕等性能[1]。2205雙相鋼綜合了單相奧氏體、鐵素體鋼的優(yōu)勢，且機械強度與耐蝕性能良好[2-3]。X80/2205雙金屬復合管在保證良好耐腐蝕性能基礎上，擁有較高的強度與韌性。隨工程技術的發(fā)展，這種有效搭配可滿足復雜的油氣開采、運輸環(huán)境需求，在油氣輸送方面有廣泛的應用前景[4]。機械復合管基層和內襯層之間縫隙中殘余的油污、水等物質，以及兩層機械結合處存在的應力集中，極易導致各種焊接缺陷的產生[5-6]。通過堆焊工藝，使管端由機械結合變?yōu)橐苯鸾Y合，可有效降低現(xiàn)場施工難度，提高焊接質量[7-9]。合理高效的堆焊工藝是現(xiàn)代材料加工與制造過程中不可缺少的工藝手段，同時也是近年來復合管管端處理技術的發(fā)展方向。常用的堆焊方法包括焊條電弧焊(SMAW)、熔化極氣體保護焊(GMAW)、非熔化極惰性氣體保護電弧焊(TIG)、埋弧焊(SAW)等。SMAW、GMAW和SAW存在稀釋率高等問題，TIG鎢極載流能力有限，且焊縫成形狀態(tài)對送絲位置與鎢極高度較為敏感。近年來在熔化極惰性氣體保護焊(MIG)/熔化極活性氣體保護焊(MAG)基礎上產生的冷金屬過渡(cold metal transfer，CMT)技術，具有熱輸入低，熔敷效率和焊接穩(wěn)定性高等優(yōu)勢[10]，因此更加適合雙金屬機械復合管的管端堆焊。筆者以X80/2205雙金屬機械復合管為研究對象，采用CMT堆焊和熱絲TIG堆焊工藝實現(xiàn)復合管管端冶金結合，通過分析不同工藝和不同焊速下耐蝕層成型形貌、性能與組織比例，獲得CMT最優(yōu)堆焊工藝參數(shù)。

1 試驗材料與方法

試驗用X80/2205復合管規(guī)格為Φ273 mm×(9+3) mm，基層X80壁厚度為9 mm，內襯層2205壁厚度為3 mm。管端堆焊選用ER2209奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼焊絲。復合管和焊絲的化學成分如表1所示。管端堆焊時2205層的坡口角度為45 °，堆焊層長度為30 mm，道間搭接率為35%。分別采用POLYSOUDE PC 600型TIG焊機與TransPuls Synergic (TPS)5000型CMT焊機進行堆焊。熱絲TIG堆焊分為過渡層1、過渡層2和耐蝕層，參數(shù)如表2所示。CMT堆焊分為過渡層和耐蝕性兩層，參數(shù)如表3所示。

表1 X80/2205雙金屬復合管和堆焊焊絲ER2209化學成分

表2 TIG堆焊參數(shù)

堆焊后，截取堆焊層的橫截面，經砂紙打磨、金剛石拋光膏拋光后，制備金相試樣；然后試樣堆焊層用王水腐蝕溶液(體積比HCl∶HNO3= 1∶3)腐蝕，基層X80用體積分數(shù)4%硝酸酒精混合溶液腐蝕，采用DM2500M徠卡光學顯微鏡觀察金相組織，JSM-7200F型掃描電鏡和背散射電子衍射(EBSD)進行析出相和晶界分析。采用動電位極化法研究堆焊層和2205層的耐腐蝕性能。試樣尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，采用標準的三電極體系進行試驗。工作電極為試樣，輔助電極為碳棒，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為質量分數(shù)3.5% NaCl溶液。

表3 CMT堆焊參數(shù)

2 試驗結果及分析

2.1 CMT堆焊工藝

2.1.1 堆焊層宏觀形貌

不同焊速堆焊層的宏觀形貌如圖1所示，左側為堆焊層的表面形貌，右側為堆焊層的橫截面。2205層的厚度為3 mm，要求堆焊層(過渡層與耐蝕層)的總高度為4 mm。經測量，不同焊速單道耐蝕層寬度和高度如圖2所示。隨著焊速增加，熱輸入減小，相應的熔池溫度降低，導致其流動性變差，堆焊層單道寬度變窄。另外，由于單位長度熔敷量減少，堆焊層高度逐漸降低。

圖1 CMT堆焊宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of CMT surfacing

圖2 不同焊速下CMT耐蝕層的焊縫尺寸Fig.2 Weld size of CMT surfacing with different welding speed

2.1.2 堆焊層組織及比例

圖3 不同焊接速度CMT堆焊耐蝕層微觀組織形貌Fig.3 Microstructure of corrosion-resistant layer of CMT surfacing with different welding speed

不同焊速耐蝕層的顯微組織如圖3所示，白亮色為奧氏體(Austenite，A)，深灰色為鐵素體(Ferrite，F(xiàn))?？梢姴煌杆倌臀g層組織均為鐵素體基體上分布著晶界奧氏體(Grain boundary austenite，GBA)以及晶內的魏氏奧氏體(Widmanstatten austenite，WA)、條狀奧氏體(Strip austenite，SA)、塊狀奧氏體(Massive austenite，MA)等不同形態(tài)奧氏體。冷卻過程中，在1 250～800 ℃，奧氏體首先沿鐵素體晶界以條狀形態(tài)析出，形成晶界奧氏體。隨溫度降低，魏氏奧氏體沿自由能較高的晶界奧氏體形核，并向鐵素體晶內生長。當溫度低于650 ℃時，奧氏體開始在鐵素體晶內的夾雜物或位錯線上形核，形成條塊狀的晶內奧氏體，并且由于焊材中Ni是奧氏體形成元素，其含量高于2205母材，因此耐蝕層有大量晶內奧氏體。焊速較小時，高溫停留時間較長，奧氏體以擴散型轉變?yōu)橹鲗?，形成大量魏氏奧氏體；焊速增大，焊接熱輸入減小，奧氏體以非擴散型轉變主導，由粗大的條塊狀向羽毛狀、枝片狀轉變[11]。

2205雙相不銹鋼鐵素體相和奧氏體組織體積分數(shù)各接近50%時，耐蝕性能最優(yōu)[12-15]。按照ASTM E562計算不同焊速耐蝕層的鐵素體組織比例，結果如圖4所示?？梢姾杆贋?0、45和50 cm/min時，耐蝕層的鐵素體和奧氏體比例相差不大。為提高堆焊效率，要求焊道盡可能寬，CMT耐蝕層的較優(yōu)堆焊參數(shù)為：焊接電流163 A、焊接電壓16.6 V、焊速40 cm/min。Φ273 mm的X80/2205復合管單層單道堆焊平均用時3.5 min，堆焊層寬度高達14 mm。若采用TIG堆焊，一道寬度約3 mm，堆焊寬度為14 mm，在搭接率為0的情況下，用時約6.5 min。這說明CMT堆焊效率高，CMT技術在完成較大管徑的復合管管端堆焊的工廠預制方面有很大的應用潛力。

圖4 不同焊速下CMT耐蝕層的鐵素體比例Fig.4 Ferrite content of CMT surfacing with different welding speed

2.2 TIG和CMT堆焊層組織性能對比

2.2.1 顯微組織

兩種堆焊工藝的過渡層組織如圖5(a)、(b)所示?？梢妰煞N過渡層組織相近，奧氏體呈粗大的樹枝狀交錯分布，鐵素體呈細碎的不規(guī)則條塊狀沿奧氏體晶粒邊緣生長。

兩種堆焊工藝的耐蝕層組織如圖5(c)、(d)所示?？梢妰煞N堆焊層組織相近，晶界奧氏體(GBA)呈羽毛狀，生長具有明顯的方向性，奧氏體與鐵素體相間平行排布；晶內為大量的條狀奧氏體(SA)與少量的魏氏奧氏體(WA)。TIG堆焊耐蝕層(圖5(c))的魏氏奧氏體(WA)較為粗大，且大小不均；在其邊緣，大量的碎枝晶條塊狀奧氏體在鐵素體晶界或晶內形成。而CMT堆焊耐蝕層(圖5(d))出現(xiàn)大量細小的奧氏體晶粒聚集現(xiàn)象。這是由于尖端高應力促使奧氏體發(fā)生觸發(fā)形核，瞬間長大[16]。按照ASTM E562計算，TIG堆焊和CMT堆焊層鐵素體質量分數(shù)分別為40.05%～45.70%，45.05%～48.70%。

過渡層和耐蝕層的層間組織如圖5(e)、(f)所示?？梢奣IG堆焊焊道分層現(xiàn)象明顯，過渡層組織較細，奧氏體在鐵素體基體中分布較均勻；而耐蝕層組織較粗大，呈明顯的羽毛狀，奧氏體與鐵素體相互平行，交錯分布(圖5(e))。這是由于耐蝕層所采用的熱輸入大，同時后續(xù)耐蝕層對前層過渡層的熱處理作用可使奧氏體組織細化。對于CMT堆焊，由于擺弧過程中可以充分攪拌熔池，使得層間晶粒生長方向發(fā)生錯排，但奧氏體晶粒無明顯粗化現(xiàn)象(圖5(f))。

圖5 堆焊層組織形貌Fig.5 Microstructure of surfacing layer

堆焊層熱影響區(qū)的組織如圖6所示。由圖6可知，兩種堆焊工藝的粗晶區(qū)均以貝氏鐵素體和粒狀貝氏體為主。TIG堆焊層粗晶區(qū)晶粒明顯粗大，奧氏體晶界清晰，而CMT堆焊層粗晶區(qū)奧氏體晶界較為模糊，晶粒較細且寬度較窄。兩種堆焊工藝的細晶區(qū)均以粒狀貝氏體為主。對靠近X80鋼的TIG堆焊層進行EBSD分析時，振動拋光后在試樣表面產生了浮凸現(xiàn)象(圖6(e))，表明試樣表面存在脆硬組織。EBSD相分布(圖6(f))表明浮凸部分具有典型的BCC晶體結構，推斷該脆硬組織應為馬氏體。這是由于在焊接熱作用下，X80鋼稀釋了堆焊層的成分。從圖6(g)可見，脆硬馬氏體組織晶粒較為細小，且多為大角度晶界。

圖6 堆焊層熱影響區(qū)組織形貌Fig.6 Microstructure in HAZ of surfacing

2.2.2 成分分析

堆焊層到X80鋼的化學成分變化如圖7所示。可見兩種堆焊層化學成分變化趨勢相似。從堆焊層到X80鋼側，F(xiàn)e元素含量迅速升高，元素Cr、Ni、Mo含量迅速降低。由于焊材的Ni、Mo含量較低，其成分變化沒有Fe和Cr元素變化明顯。TIG和CMT堆焊層與X80鋼的過渡區(qū)寬度分別為8.5和16.67 μm。這是由于CMT堆焊采用的焊接電流大，且擺動焊接，熱輸入比TIG堆焊層的大。

圖7 堆焊層到X80鋼成分分布Fig.7 Composition distribution from surfacing layer to X80

2.2.3 EBSD分析

圖8(a)、(b)為兩種堆焊工藝的耐蝕層EBSD相分布，藍色表示BCC相(鐵素體)，紅色表示FCC相(奧氏體)?？梢婅F素體基體上分布著大量條狀、塊狀奧氏體。TIG和CMT堆焊耐蝕層中鐵素體與奧氏體比例分別為37∶63和54∶46，CMT堆焊兩相比例較優(yōu)，造成兩相比例差異的主要原因在于兩種焊接工藝的熱輸入不同[17-18]。TIG堆焊的熱輸入大于CMT堆焊工藝，高溫停留時間長，鐵素體向奧氏體轉變充分，鐵素體晶界和界內不斷形核向奧氏體轉變，因此TIG堆焊耐蝕層的奧氏體比例較高。

圖8(c)、(d)為TIG堆焊與CMT堆焊耐蝕層含有晶界的EBSD歐拉圖，藍色為3°～15°小角度晶界，綠色為15°～45°晶界，黃色為大于45°有效大角度晶界。由圖8(e)、(f)可見，兩種堆焊層小角度晶界多，大角度晶界少，且CMT堆焊耐蝕層中有效大角度晶界含量稍多于TIG堆焊耐蝕層。這是由于CMT堆焊工藝擺弧過程起到了攪拌熔池、細化晶粒的作用。一般大角度晶界越多，材料韌性越好[19-20]。這進一步說明CMT堆焊層的韌性優(yōu)于TIG堆焊層。

圖8 耐蝕層EBSD形貌Fig.8 EBSD morphology of corrosion resistant layer

圖9為兩種堆焊層中奧氏體和鐵素體的取向角度差分布?？梢婅F素體取向角度差呈單峰分布，且包含較多的小角度晶界，而奧氏體呈雙峰分布，且有較多的大角度晶界。Σ3(取向角度差=60°)重合點陣(coincidence site lattice, CSL)晶界是一種特殊晶界，具有低的晶界能，且雜質偏析少。Σ3 CSL晶界越多則材料韌性越好[21]。CMT堆焊層的Σ3 CSL晶界比例為13%，而TIG的為5%，這說明CMT堆焊層韌性優(yōu)于TIG堆焊層。

圖9 耐蝕層取向角度差分布Fig.9 Distribution of orientation angle difference of corrosion resistant layer

2.2.4 硬度測定

兩種堆焊層硬度分布如圖10所示?？梢妰煞N堆焊層硬度變化趨勢相同。堆焊層的硬度高于X80鋼母材；耐蝕層硬度波動比過渡層小，而過渡層與X80交界處硬度發(fā)生突變，這與交界處產生脆硬的馬氏體組織有關；TIG堆焊耐蝕層平均硬度為277 HV0.1，高于CMT堆焊耐蝕層硬度257 HV0.1。

圖10 堆焊層硬度分布Fig.10 Hardness distribution of surfacing layer

2.2.5 耐蝕性

兩種堆焊層及2205內襯層的循環(huán)極化曲線如圖11所示，擬合結果如表4所示?？梢奀MT堆焊層的擊穿電位最高，鈍化電流密度最??；2205母材的擊穿電位最低，鈍化電流密度最大。擊穿電位越高，鈍化電流密度越大，耐蝕性越好，因此耐蝕性順序為CMT堆焊層>TIG堆焊層>2205。從再鈍化電位分析，2205母材和TIG堆焊層的再鈍化電位相差不大，但均低于CMT堆焊層的再鈍化電位，且CMT堆焊層的滯后環(huán)的面積最小。這說明CMT堆焊層的耐點蝕性能最好。另外CMT堆焊層的腐蝕電流密度最小，自腐蝕電位最高，這進一步說明CMT堆焊層的耐點蝕性能最好?？傊裳h(huán)極化曲線可知耐點蝕趨勢為CMT堆焊層>TIG堆焊層>2205。

圖11 堆焊層和內襯層2205循環(huán)極化曲線Fig.11 Cyclic polarization curves of surfacing layer and 2205 lining layer

表4 極化曲線擬合結果

3 結 論

(1) 焊速從25 cm/min到50 cm/min，隨焊速增加，CMT堆焊層焊道寬度變窄，高度降低；從焊接效率和組織比例考慮，CMT耐蝕層的較優(yōu)堆焊參數(shù)為焊接電流163 A、焊接電壓16.6 V、焊速40 cm/min。

(2)兩種堆焊層中鐵素體取向差角度呈單峰分布，小角度晶界較多，奧氏體呈雙峰分布，大角度晶界較多；CMT堆焊層的Σ3 CSL晶界比例為13%，而TIG的為5%，CMT堆焊層韌性優(yōu)于TIG堆焊層；堆焊層與X80鋼交界處硬度突變且存在浮凸現(xiàn)象，該浮凸部分具有BCC晶體結構、晶粒細小、多為大角度晶界的馬氏體。

(3) TIG和CMT耐蝕層中鐵素體與奧氏體比例分別為37∶63和 54∶46，耐點蝕趨勢為CMT堆焊層>TIG堆焊層>2205內襯層，從焊接效率、耐蝕性考慮，CMT更適合于復合管管端堆焊。